Разработка и исследование алгоритмов восстановления изображений методами секвентного анализа

Актуальность работы. К началу двадцать первого века резко возросла потребность в средствах обработки цифровых аэрокосмических изображений (АКИ). Стремительный рост объемов памяти современных вычислительных устройств, используемых для хранения информации, привел к возможности накопления в цифровом виде огромного количества изображений земной поверхности, полученных со спутников или атмосферных летательных аппаратов. В настоящее время изображения находят применение во многих отраслях человеческой деятельности: в сельском хозяйстве, геологических и гидрологических исследованиях, лесоводстве, охране окружающей среды, планировке территорий, в образовательных, разведывательных и военных целях. При этом одни виды съемки часто дополняются другими, позволяющими получить качественно новые изображения, имеющие свои особенности. На спутниках, атмосферных летательных аппаратах или наземных наблюдательных станциях устанавливаются различные по принципу действия видеодатчики, осуществляющие наблюдение в видимой, инфракрасной и радиолокационной областях спектра. Как правило, цифровые изображения непосредственно после съемки оказываются непригодными для использования по назначению в соответствующей отрасли, поскольку во время их регистрации или передачи могут возникать разнообразные искажения, существенно влияющие на качество снимков. В частности, на изображениях, полученных при помощи бортового тепло-визионного видеодатчика, наиболее характерными являются искажения, обусловленные работой других электронных средств бортового комплекса, например, устройств электропитания, бортовой PJIC и системы связи. В результате на формирующееся изображение накладываются периодические или случайные помехи, передающиеся по эфиру или по цепям питания. В связи с этим остро стоит проблема восстановления изображений, заключающаяся в необходимости приблизить обрабатываемое изображение к идеальному неискаженному. При этом наибольшую сложность представляет задача подавления несинхронных помех, которые могут проявляться в виде периодических наклонных полос. Сложность решения такой задачи требует поиска наиболее эффективных методов ее решения. Существующие методы восстановления изображений разделяются на пространственные и спектральные. Последние считаются более удобными для проведения исследований и анализа свойств изображений, подходят для случаев периодических искажений [1].

Спектральный подход, в традиционном понимании, предполагает использование спектра Фурье для восстановления изображений и, соответственно, методов, унаследованных из классического гармонического анализа. Это связано с тем фактом, что еще в середине двадцатого века обработка изображений была по большей части аналоговой и выполнялась оптическими устройствами. Однако следует иметь ввиду, что в современных системах обрабатываемые изображения представляются исключительно в цифровой форме.

Актуальность настоящей работы обусловлена необходимостью поиска спектральных методов цифровой обработки изображений, альтернативных методам классического гармонического анализа и ориентированных на применение в цифровых вычислительных устройствах. Исследование подобных методов закладывает основу для разработки эффективных алгоритмов обработки видеоинформации.

Степень разработанности темы. Проблеме восстановления изображений в последнее время уделяется пристальное внимание как одной из ключевых проблем цифровой обработки изображений. Особое практическое значение эта проблема приобрела в связи с бурным развитием средств получения АКИ. Существенный вклад в развитие методов цифровой обработки изображений внесли Э. Прэтт, Р. Гонзалес, Ярославский Л. П., Сойфер В. А., Злобин В. К., Еремеев В. В [1−5].

В настоящее время известно достаточно большое количество методов восстановления изображений. Для решения задач восстановления АКИ часто используются методы непосредственной обработки в пространственной области. Вместе с тем в [2] показано, что косвенные методы восстановления изображений в спектральной области с применением двумерных унитарных преобразований будут эффективнее, чем непосредственная обработка, если существуют быстрые алгоритмы унитарного преобразования, а ядро пространственного восстанавливающего оператора содержит большое количество ненулевых элементов. Таким образом, открываются возможности для усовершенствования и повышения эффективности имеющихся решений. Унитарные преобразования представляют собой обратимые линейные ортогональные преобразования. В научной литературе имеются описания унитарных преобразований, основанных на различных ортогональных системах базисных функций. Не подлежит сомнению перспективность развития исследований применений аппарата унитарных преобразований в целях решения задач восстановления изображений. Теоретическая база для проведения исследований заложена в трудах таких отечественных и зарубежных ученых как Голубов Б. И., Залманзон JI.A., Трахтман A.M., Х. Хармут, Дж.Л.Уолш, Н. Ахмед, Р. Брэйсуэлл [6−12].

Особый интерес с точки зрения эффективности вычислений представляют унитарные преобразования, основанные на нетригонометрических ортогональных системах базисных функций, которые практически не используются в современных алгоритмах восстановления изображений. Существующие алгоритмы восстановления в спектральной области ограничиваются, как правило, применением методов классического гармонического анализа.

Настоящая диссертационная работа направлена на решение задач восстановления изображений методами секвентного анализа, использующего нетригонометрические базисные функции.

Цель работы состоит в разработке алгоритмов, построенных на основе секвентного анализа, позволяющих за счет выигрыша в объеме вычислений повысить эффективность процессов восстановления изображений при реализации их на базе современных вычислительных машин.

Для достижения поставленной цели решаются следующие основные задачи:

— формирование и анализ секвентных спектров неискаженных и искаженных изображений;

— разработка восстанавливающих операторов и процедур, применяемых к искаженным изображениям, и на их основе алгоритмов восстановления изображений методами секвентного анализа;

— оценка качества разработанных алгоритмов восстановления;

— проектирование программной системы, реализующей разработанные алгоритмы.

Научная новизна работы определяется разработкой моделей описания типовых воздействий, искажающих изображения в процессе их формирования, и созданием на основе этих моделей эффективных алгоритмов восстановления изображений с учетом особенностей их секвентных спектров.

На защиту выносятся следующие новые научные результаты:

— формальные модели описания характерных типов искажений, позволяющие исследовать особенности их секвентных спектров;

— секвентные алгоритмы восстановления изображений, искаженных типовыми помехами.

Практическая ценность работы состоит в том, что предложенные алгоритмы позволяют существенно повысить эффективность организации вычислительных процессов восстановления искаженных изображений. Эти алгоритмы доведены до практической реализации в виде программной системы, которая может быть включена в состав системы обработки цифровых АКИ.

Реализация и внедрение. Диссертация выполнена в Рязанском государственном радиотехническом университете в рамках ОКР 15−06 и НИР 7−08 Г.

Результаты диссертационной работы внедрены в Научно-конструкторском центре видеокомпьютерных технологий (НКЦ ВКТ) ФГУП.

Государственный рязанский приборный завод" в виде алгоритмов, позволяющих скорректировать недостатки некоторых датчиков видеоинформации.

Реализованные в процессе работы над диссертацией программные модули вычисления быстрого преобразования Уолша и расчета статистических характеристик секвентных спектров изображений и искажающих их факторов внедрены в учебном процессе кафедры электронных вычислительных машин Рязанского государственного радиотехнического университета и используются студентами направления 10 500 «Прикладная математика и информатика» в курсе «Системный анализ», направления 230 100 «Информатика и вычислительная техника» в курсе «Теория вероятностей, математическая статистика и случайные процессы» и направления 90 000 «Информационная безопасность» в курсе «Теория информации».

Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались на 15-й международной научно-технической конференции «Проблемы передачи и обработки информации в сетях и системах телекоммуникаций» (Рязань, 2008) — 12-й всероссийской научно-технической конференции студентов, молодых ученых и специалистов «Новые информационные технологии в научных исследованиях и образовании» (Рязань, 2007) и всероссийской научно-технической конференции «Интеллектуальные и информационные системы» (Тула, 2007).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 статей (4 статьи в изданиях, рекомендуемых ВАК РФ) и 3 тезиса доклада на международной и всероссийских конференциях.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4-х глав, заключения, списка литературы и приложения, которое содержит документы о внедрении и практическом использовании полученных результатов. Основной текст работы содержит 152 е., 68 рисунков, 9 таблиц.

Список литературы

включает 99 наименований.

Основные результаты диссертационного исследования состоят в следующем.

1. Выполнен системный анализ проблемы восстановления изображений [99]. Исследованы существующие методы и алгоритмы восстановления. Выделены преимущества методов восстановления в частотной области перед пространственными, обосновано новое направление повышения эффективности восстановления изображений за счет использования методов секвентного анализа. Показана необходимость развития исследований с целью разработки алгоритмов восстановления изображений указанными методами.

2. Построены формальные пространственные модели, описывающие характерные для тепловизионного датчика типы искажений: высокочастотные синхронные помехи с различными интенсивностью и вероятностным распределением;

— случайные групповые помехи с различными вероятностью появления строки с помехой и длиной части строки, затронутой помехой;

— аддитивные периодические синхронные помехи в виде вертикальных полос с различными шириной и амплитудойаддитивные периодические несинхронные помехи в виде наклонных полос с различными шириной, углом наклона и амплитудой.

3. Получены секвентные спектры для анализа рассмотренных типов искажений. Показано, что анализ двумерных секвентных спектров для случаев синхронных помех и сбойных строк молено свести к анализу одномерного случая. Определены направления разработки алгоритмов восстановления изображений на основе анализа секвентных спектров.

4. Предложены секвентные алгоритмы восстановления изображений с типовыми искажениями: алгоритм восстановления изображений, искаженных синхронными помехами (разработан восстанавливающий оператор, применяемый к секвентно-му спектру искаженного изображения, представлена методика подбора оптимального коэффициента адаптации разработанного оператора с учетом оценки качества работы алгоритма) — алгоритм восстановления изображений, искаженных групповыми помехами, основанный на локализации местонахождения помехи методом секвентного анализаалгоритм восстановления изображений с периодическими несинхронными помехами (выявлены особенности типичных секвентных спектров неискаженных изображений, используемые для выделения шумовой составляющей секвентных спектров искаженных изображений).

5. Исследованы существующие подходы к проблеме оценки качества восстановленных изображений. Выполнена количественная оценка качества работы предлагаемых алгоритмов восстановления с помощью наиболее широко используемых в настоящее время объективных метрик СКО и ПОСШ, а также с помощью метрики УИК, обеспечивающей получение более близких к субъективному восприятию значений.

6. Исследована зависимость выигрыша в объеме вычислений при переходе от БПФ к БПУ от размера матрицы преобразования и типа процессора. Показано, что использование БПУ позволяет теоретически сократить временные затраты в пределе до пяти раз при реализации на CISC-процессорах и в несколько раз больше при реализации на RISC-процессорах.

7. На базе предлагаемых алгоритмов создан программный комплекс восстановления изображений методами секвентного анализа, в основе эффективности функционирования которого лежит быстродействие выполнения программного модуля реализации алгоритма БПУ. Проведена оптимизация указанного модуля.

8. Экспериментально установлено, что разработанный программный модуль реализации БПУ на текущем этапе оптимизации при выполнении на вычислительной машине с CISC-процессором позволяет получить выигрыш в быстродействии до 3,2 раза по сравнению с профессиональной реализацией БПФ. Получены оценки временных затрат и обоснована высокая эффективность функционирования предлагаемых алгоритмов восстановления изображений методами секвентного анализа при реализации на базе современных вычислительных устройств.

9. Разработанный программный комплекс использован на практике для восстановления реальных изображений, полученных от тепловизионного видеодатчика, с несинхронными, групповыми и синхронными помехами.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.