автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.01, диссертация на тему:Иерархическое совмещение изображений в задаче корреляционно-экстремального управления

ГООУДАРСТВНШЙ КОМИТЕТ РСФСР ПО ДЕЛАМ НАУКИ И 1М,'1Ш<:Ц ПНР НИ

Томский ордена октябрьской Револщии и ордена Трудового Красного знамени политехнический институт им.г;.М.1Си[кч"и

Для служебного полт.аг'Пгшин Экэ; №

На правах рукописи

ИГСЕШШЖ Михаил Яковлевич

ИЕРАРХИЧЕСКОЕ СОВМЕЩЕНИЕ ИЗОБРАЖЕНИИ Н ЭДА'ГЕ КОРРЕЛЯИИОНИО-ЭКСТЕЕМАЛШОГО УПРАВЛЕНИЯ

(05.13.01 - Управление в технических пинте мах)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Томск - 1991

работа выполнена в НИИ автоматики и электромеханики при Томском институте автоматизированных систем управления и радио- доктор технических наук, профессор Еуймов А.Т.

- доктор технических наук, профессор Кориков А.М.'

- кандидат технических наук, Кирпчук B.C.

- Институт информатики и автоматизации АН СССР г. Ленинград

Защита состоится " 2£* М&Н Q 1991 г.' в часов

йа заседании специализированного'совета Д 063.80.03 при Томском ордена Октябрьской Революции и ордена Трудового Красного Знамени политехшгческом институте им.' С.М.Кирова по адресу: 634004, г/Гомск-4, проспект Ленина, 30, ТПИ;

электроники

Научный руководитель

Официальные оппоненты

Ведущан организация

С диссертацией можно' ознакомиться в библиотеке Томского политехнического института (634004, Томск-4, ул.Белинского, 54);

Автореферат разослан "/б * '^ • • 1991 г.'

ученый секретарь специализированного совета, кандидат технических наук

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАКШ!

Актуальность проблемы. Б настоящее время уже достаточно очевиден тот факт, что для решения задачи автоматического управления летательным аппаратом (приведения его к заданной траектории) корреляционно-экстремальные системы (КЭС) являются наиболее перспективными.

Принцип действия КЭС основан на сравнении эталонного и текущего сигналов и поиска экстремума некоторой меры их близости. Интенсивное развитие получили КЭС, работащие по двумерным изобра -жениям местности, снимаемым с помощью оптических, радиометричес -ких, радиолокационных и т.п. датчиков. При этом во всем мире принята ориентация на цифровую реализацию этих систем, поскольку цифровая техника позволяет использовать разнообразные способы представления изображений, а тагае реализовать практически любые разумные алгоритмы оценивают координат и управления.

Одна из наиболее существенных проблем цифрового анализа изображений в КЭС, ограничивающая практическое использование этих систем - это проблема быстродействия. Мера близости, исходных изображений является их интегральной характеристикой, между тем как представление изображений в виде двумерных массивов чисел (яркостей) приводит к необходимости поэлементной обработки, в этом противоречии заложена основная причина больших вычислительных затрат при осуществлении процесса сравнения (совмещения).

Диссертационная работа направлена на решение указанной проблема за счет использования иерархического представления изображений и разработки на его основе быстродействующего алгоритма сов -мещенил. Иерархический подход является одним из наиболее современных и перспективных в различных задачах анализа изображений, т.к. позволяет разумно сочетать требования к детальности (точности) анализа и его сложность. Поиск этих разумных сочетаний и решение специфических проблем при иерархическом совмещении изобретений в КЭС является основной задачей диссертации.

Диссертационная работа выполнена в НИИ автоматики и электромеханики (НИИ АЭМ) при Томском институте автоматизированных сис -тем управления и радиоэлектроники в соответствии со сле.ту/пцн'.га научпо-техшпескими программами:

- "Использование физических полей и новых физических явлений и эффектов для целей управления движением и навигации" (раздел 1.12.11.10 Координационного плана АН СССР по проблеме "управление движением и навигация");

■ - "Обработка информации в системах искусственного интеллекта" (раздел 1.12.9.7 Координационного плана АН СССР по комплексной программе "Кибернетика");

- ряд хоздоговорных исследований НИИ АЭМ.

Цель работы состоит в создании быстродействующего иерархи -ческого алгоритма совмещешш изображений с контролируемыми характеристика/,ш работы ц управляемыми пара/.1етраг.и для реализации кор-реляциошю-экстремальных систем управлегаш летательными аппаратами.

Основные задачи исследования заключаются в анализе путей применения иерархического представления изображений в КЭС, синтезе наиболее элективного иерархического алгорптт совмещения,соз-дашш методики настройки парат,ютров алгоритма, обеспечивающих заданные характеристики работы и анализе его работоспособности в идеальных условиях и при наличии искажений, присущих реальным изображениям.

Методы исследований основаны на теории вероятностей и математической статистике, теории автоматического управления, а также методах имитационного моделирования.

Научная новизна диссертационной работы состоит в следующем:

- разработан быстродействующий корреляционно-экстремальный иерархический алгоритм пирамидального совмещения изображений ■ (ПСИ); произведено его сравнение с известными иерархическими и наиболее популярными быстрыми алгоритмами совмещения;

- получены и исследованы математические зависимости для определения вероятности правильного совг.ющения алгоритмом ПСИ в отсутствии шумов и искажений, а тате в присутствии аддитивного и мультипликативного шума и геометрических искаяений;

- разработана методика настройки параметров.алгоритма ПСИ, обеспечивающих максимально быстрое совмеще1ше с надежностью не ниже заданной;

- исследовано влияние на вероятность правильного совмещения алгоритмом ПСИ аддитивного и мультипликативного шумов, геометри-

ческих искажений, а также искажений в оптических и радиолокационных изображениях, связанншс со сдвигом наблюдателя.

Практическая ценность работы состоит в разработке и реализации быстродействующего алгоритма ПСИ совмещения изображений в КЭС, разработке методики настройки его параметров и реализации этой методики в виде программного блока настройки, а также в выводах и рекомендациях, полученных на основе анализа работоспособности алгоритма ПСИ в условиях наиболее характерных шумов и искажений в оптических и радиолокационных изображениях земной поверхности.

Реализация результатов.

Все основные результаты диссертационного исследования внедрены в Центральном научно-исследовательском институте автоматики и гидравлики; модифицированный алгоритм амплитудного ранжирования и анализ его эффективности, а также алгоритм ПСИ, его вероятностный анализ и методика настройки параметров - в научно-производственном объединении "Астрофизика"; комплексы программ, реализующие алгоритм ПСИ и методику настройки его параметров - в Иркутском вычислительном центре СО АН СССР..

На защиту выносятся следующие основные положения:

- иерархический корреляционно-экстремальный алгоритм пират,гадального совмещения изображений;

- методика настройки параметров алгоритма ПСИ и определешш его вероятностных характеристик;

- программные блоки настройки параметров алгоритма ПСИ и совмещения этим алгоритмом;

- результаты исследований работоспособности алгоритма ПСИ в условиях аддитивного и мультипликативного шума, геометрических искажений и искажений, связанных со сдвигом наблюдателя в опти -ческих и радиолокационных изображениях земной поверхности.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на международных конференциях "Обра -ботка изображений и дистанционные исследования (0ДДИ-90)" - Новосибирск, 1990 г., "Информационные технологии анализа изображений и распознавания образов (III /4PR'90) - Львов, 1990 г., всесоюз -ных конференциях "Метода и микрозлектронные средства цифрового преобразования и обработки сигналов" {31 АР -89) - Юрмала IS89 г.,

"Математические метода распознавания образов" (Г.ЫКЫУ) -Рига, 1989 г., "Автоматизированные системы обработки изображе -ний" (АСОИЗ-89) - Ленинград, 1989 г., всесоюзной школе-семинаре молодах ученых "Дшампка полета, управление и исследование операций летательных аппаратов" - Клин, 1987 г., на ряде региональных и отраслевых конференциях, семинарах и совещаниях.

Публикации. По результатам диссертационных исследовании опубликовано II печатных работ, в т.ч. 3 статьи в центральной печати, I депонированная рукопись, 7 тезисов докладов региональных, всесоюзных и международных конференций, кроме этого результаты диссертации вошли в годовые отчеты по НИР 1985-1990 г.г.

Структура и объем работы, диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, списка литературы и приложения. Объем диссертации 138 стр., из них хзо стр. основного текста, 5 стр; списка использованной литературы из 43 наименований и 3 стр. приложения. Основной текст включает 24 рис; и i таблицы.

СОДЕШНИЕ РАБОТЫ

Во введении приводится общая характеристика дассертацион -ной работы.

. В первой главе кратко рассматриваются вопросы представле -ния изображений в виде иерархических рекурсивных структур, проводится анализ применения этого представления для повышения быстродействия КЭС; приводятся результаты исследований некоторых иерархических алгоритмов совмещения изображении: алгоритма амплитудного ранжирования^ двухуровневого алгоритма, "корреляциошю-экстре -мального алгоритма пирамидального совмещения-изображений (ПСИ); обосновывается вывод о предпочтительности алгоритма ПСИ и ставится задача настройки его параметров и исследования характеристик работоспособности.

Иерархический подход к представлению изображений позволяет разумно сочетать интегральную и локальную обработку, проводить анализ как изображения в целом или его укрупненных частей, так и более детальный поэлементный анализ. Этот способ организации видеоинформации основан на представлении изображений в виде иерархических рекурсивных структур (ИРС). ИРС являются многоуровневыми структурами, в которых рекурсивный способ их построения соче-

тается с иерархичностью связей между элементами различии уров -ней.

Представление изображений в виде ИРС может осуществляться двумя основными способами: со структуризацией по уровням яркости (области значений поля изображения) и со структуризацией по пространству (области определения поля). В обоих случаях вся область (область значений или область определения) рекурсивно делится на р равных частей,' образуя при атом последовательность уровней иерархии. Наиболее распространено значение р = 2.

Использование иерархического представления изображений в КЭС позволяет значительно повысить быстродействие этих систем; Основной задачей КЭС является совмещение эталонного (ЭИ) и текущего (ТИ) изображений, т.е. поиск параметров рассогласования между ниш. Классическим алгоритмом функционирования КЭС является так называемый алгоритм слепого поиска (полного перебора) -вычисление взаимно корреляционной функции (ВКФ) между ЗИ и ТИ во всех возможных положениях совмещения и поиск глобального макс и -мума этой Функции. Низкое быстродействие такого алгоритма опре -деляется, с одной стороны, высокой трудоемкостью вычисления каждого значения ВКФ; с другой стороны, необходимостью многократного повторения этих вычислений.

Сокращение времени вычислений значений ВКФ является целью известного из литёратуры алгоритма амплитудного ранжирования (AAP), основная идея которого во многом согласуется с концепцией иерархического представления видеоинформации. Однако наши исследования выявили ряд существенных недостатков AAP и обусловили необходимость его модификации..

Модифицированный вариант AAP основан на более строгом выполнении принципов иерархического подхода, здесь одно из изображе -ний (например, ЭИ) представляется в виде ¡IPC со структуризацией по уровням яркости, в качестве такого представления используются двоичные кода элементов яркости Эй. Этап совмещения заключается в последовательном сравнении ТИ с бинарными срезами ЭИ, соответствующими разрядам кодов его элементов, начиная со стариего. Это позволяет, во-первых, исключить операцию умножения из процесса вычисления ВКФ; во-вторых, отбросить большинство бесперспектив -ных положений совмещения на основе анализа грубой оценки BIß,

вычисленной по первым старшим разрядам кодов элементов, этот алгоритм лишен основных'недостатков AAP, имеет более высокое быстродействие и не требует дополнительных затрат памяти. Однако результаты его реализации показали, что по сравнению с алгоритмом слепого поиска наш алгоритм работает быстрее не более, чем в 2 раза, очевидно, что такой выигрыш .не является кардинальным решением проблемы быстродействия, а может служить лишь вспомогательным средством при использовании других, более эффективных алгоритмов.

К классу иерархических алгоритмов можно отнести также известный из литературы двухуровневый алгоритм. В нем отбрасывание бесперспективных положений совмещения осуществляется путем сравнения затрубленных копий ЭИ и ТИ, имеющих меньшую по сравнению с исходными размерность. Загрубление производится путам усредне- • шш элементов исходных изображений в окне размерностью /г? х.т элементов. Наш были исследованы различные варианты реализации этого алгоритма; получены результаты по выбору оптимального по быстродействию размера окна т . Показано, что по сравнению со слепым поиском выигрыш в бистродействии оценивается в 1-2 порядка в зависимости от /77 и размерности исходных ЭИ и ТИ.

Наличие всего двух уровней иерархии ограничивает возможности этого алгоритма. Целесообразным • является построение полной . ИРС обоих сравниваемых изображении со структуризацией по пространству - так называемого пирамидального набора. Такое представление лежит в основе иерархического корреляционно-экстремального алгоритма пирамидального совмещения изображений (ПСИ).

Пирамидальный набор содержит М - ¿OfeM уровней, гдеЛ/хЛ/ - размерность исходного изображения. На каждом уровне помещаются затрубленные копии исходного изображения; загрубление произво -датся усреднением в окне ?J x2¿ элементов, где /- номер уровня, размерность изображения / -го уровня Л/(е),

Алгоритм ПСИ включает несколько этапов, соответствующих уровням набора. IIa выбранном начальном уровне ¿ц осуществляется полный перебор возможных положений совмещения и происходит формирование списка так называемых перспективных положений сов -мещения (ПГО). К числу перспективных относятся такие ПС, для которых значение ВКФ превышает некоторый заданный для данного уровня

порог и превосходит значения ВКФ в ближайших соседних ПС (является максимумом). На следущем уровне 6 = - г вычисление зна -чений ВКФ производится лишь в окрестности 5x5 элементов вокруг выбранных ППС; снова осуществляется отбор максимумов, превышающих порог, в результате которого количество ППС сокращается, а их координаты уточняются.

Аналогичные действия повторяются для всех последующих уров -ней. Нормальное завершение работы алгоритма происходит тогда, когда на уровне ¿=0 будет найдено единственное ПС, значение ВКФ в котором наибольшее из всех оставшихся в списке - так называемое истинное ПС (ИПС). Аварийное завершение возникает в слу -чае, когда на каком-либо уровне £ »^список ППС окажется пуст. Такая ситуация кратко характеризуется как потеря совмещения.

Выигрыш в быстродействии алгоритма ПСИ по сравнению со еле -пым поиском оценивается в 2-3 порядка и более. Однако этот ре -зультат может быть достигнут лишь при выполнении корректной на -стройки параметров алгоритма - номера начального уровня и

значений элементов пороговой последовательности £<г\ £=0-:г£и ,

В заключении первой главы ставится задача оптимизации этих параметров таким образом, чтобы процесс совмещения происходил с максимальным быстродействием при вероятности правильного совмещения не ниже заданной вежганы.

Во второй главе производится расчет основных вероятностных характеристик алгоритма ПСИ и разрабатывается методика настройки его параметров, реализующая поставленную выше задачу. Анализ проводится при следующих предположениях:

- ЭИ является стационарным гауссовским случайным процессом;

- ТИ является частью ЭИ; центр ТИ сдвинут относительно центра ЭИ по осям X и У на величины Ах и Л у , которые являются искомыми;

- геометрические искакения и шум в изображениях отсутствуют;

- известна автокорреляционная функция ЭИ Л«- С , ) .

Исходя из сделанных предположений несложно получить вырале -

ние для взаимно-ковариационной функции ЭИ и ТИ на / -м уровне:

Л (I)

где Ам-- [Л?; Л<<>] - вектор координат истинного положения (V«) .«Л совмещения на уровне /»0; £ - , % ] - вектор координат текущего ПС на уровне;

Л - [ЛЛ , А у ] а также выражение доя взаимной корреляционной функции:

ЛСо)) = \ АСо)) / Ъ(е) <2)

где ( 0\о) - дисперсия ЭИ и ТИ на ¿-а уровне.

Основой работы алгоритма ПСИ является оценивание значений ВКФ в различных ПС. При этом используется оценка следующего вида:

где символы " 5 " и " V " означают ЭИ и ТИ соответственно. Поскольку мы предположили, что ТИ является незашушенным фрагментом ЭИ, соответствующим пс x = л0) - [Л^,}^] , то оценку (з) можно уточнить:

Ъу ^ \л ■> Н (4)

л ,

где (£,, означает оценку ковариации между двумя

фрагментами ЭИ, один из которых соответствует ПС 2г, = - » а ДРУ^ ^ =

В дальнейшем нас будут интересовать математическое ожидание, дисперсия и ковариация оценок ВКФ. Для их получения используется приближенное линейное представление этих оценок:

где 4 (?. * Ъ) = С; - " { (г,, ггг) } ,

М [ (г, , } с С.-г;)

На основе (5) получаются следувщие выражения дая математического ожидания и ковариации:

М [ (с«>\л")} * г^(с(е)\Х(с)) ; (с)

^ ^"'(г; -л л 1. г,, Т,) +

х <' О + 2-Я-г/0)),

//^ М12е - размерность ТИ /-то уровня, допустимость использования выражений (5) - (7) имеет экспериментальное подтверждение.

Далее, рассмотрим событие А , которое заключается в.том, что в некотором ПС Т1'* ¿-то уровня оценка ВМ> г ^(Г^ХА^) превышает оценки в восьми ближайших соседних ПС, а также превышает заданный порог 6 (е. Наступление этого события влечет за собой' включение ПС v в список ППС ¿-го уровня. Вероятность, этсго события У')) определяется с помощью соотношений (6),

(7) на основе гипотезы о. том, что совместное распределение оценок

ВКФ после применения к ним Н - преобразования Фишера подчиня -ется 9-мерному нормальному закону. Справедливость этой гипотезы также подтверждается экспериментами.

Полученный результат позволяет определить интересующие нас вероятностные характеристики алгоритма ПСИ, именно:

- вероятность истинного совмещения для алгоритма в целом Р„ (А) как вероятность включения истинных ПС в список ППС на всех уровнях от°^ -го до нулевого;

- вероятность Р^ включения лонных точек в список ППС для каждого уровня.

Величина Р£1) непосредственно влияет на быстродействие алгоритма, т.к. определяет количество ложных ПС, попавших в список ППС на С -м уровне.

Заключительные разделы посвящены разработке методики настройки параметров алгоритма, позволяющей обеспечить его максимальное быстродействие с вероятностью истинного совмещения не шике заданной. делается вывод о том, что параметром, оказнващим основное влияние на характеристики алгоритма, является номер начального уровня 6Н . Приводятся кривые, иллюстрирующие зависимости величин £н и ¿(С\ С = О-г См от ширины корреляционной функции эталона. Указанная методика представляется в виде алго -ритма настройки.

В третьей главе рассматриваются практические аспекты применения алгоритма ПСИ для совмещения изображений в КЭС. Материал этой главы в основном построен на результатах экспериментальных исследований,

В первом разделе описан программный комплекс (ПК) для иссле-, дований алгоритма ПСИ и других алгоритмов. Функциями ПК являются следующие:

- генерация изображений - тестовых мозаичных полей с заданным законом распределения и управляемыми корреляционными свойствами, а также квазиреальных радиолокационных и оптических изоб -ражений земной поверхности;

- хранение изображений в специализированной базе данных;

- вычисление статистических характеристик изображений и их хранение;

- анализ характеристик работы алгоритмов совмещения ( в дан-'

ном случае алгоритма ПСИ) и настройка параметров;

- реализация статистического эксперимента по совмещении изображений; хранение и отображение его результатов;

- вспомогательные функции.

Второй раздел посвящен экспериментальному сравнению быстродействия алгоритма ПСИ с наиболее популярными .быстрыми алгорит -мами - последовательного определения сходства-изображений (ПОСН) и классическим корреляционным алгоритмом, основанном на быстром преобразовании Фурье (ККА).

Сравнение проводилось для изображений, имеющих размерности: ЭИ - N0 = 128, ТИ 32 на ЭВМ ЕС-1045 в ОС МУТ 6.1. Получены следующие результаты:

I) для ККА время однократного совмещения составляет 80-Э0 секунд, при этом требуются значительные (более чем в 4 раза) дополнительные затраты памяти для устранения искажений спектра и дая хранения корреляционной матрицы;

•¿) для алгоритма ПОСИ время совмещения зарьируется от 10-16 секунд до нескольких минут в зависимости от качества настройки параметров. При этом задача автоматической настройки решена лишь для чрезвычайно узкого класса изображений. Дополнительные затраты памяти составляют примерно 100$;

3) для алгоритма ПСИ врем совмещения при оптимально настроенном ¿н составляет от 4-8 секунд, если пороговая последовательность также настроена.разработанной методике;до 20-25 секунд при ¿«)=-»о , . эксперименты показали также, что результаты вычислений вероятностных характеристик алгоритма и, следовательно, его параметров оказываются практически инвариантными к закону распределения яркостей изображений (в полной мере этот вывод относится к случаю, когда ). Дополнительные затраты памяти - 30$ - 35$.

Полученные результаты свидетельствуют о предпочтительности алгоритма ПСИ.

В третьем разделе исследуется влияние на качество работы алгоритма ПСИ искажений в ТИ- - аддитивного и мультипликативного шума и рассогласований по углу и масштабу, исследования проводятся с двух точек зрения: 1)учет искажений при расчете вероятностных характеристик алгоритма и настройке его параметров; 2) оценка влияния искажений на характеристики алгоритма в случае, когда

параметра настроены без учета этих искажений.

Если ТИ является искаженным фрагментом ЗИ, то выражение (4) для оценки БКФ преобразуется к виду

л »

Ù ,-„1 v\__fisc С g ' __, .

Здесь символ " с " соответствует искаженному фрагменту ЭИ. Бее остальные соотношения легко получаются в случае, если известна автоковариационная функция искаженного эталона (Г Г) и взаимно-ковариационная функция "идеального" и искаженного эталона #sc (?)

В случае аддитивного шума, некоррелированного с изображе -нием, эти функции могут быть получены из (V) и автоковариационной функции шума (£) :

(«О = *«(*)•> О)

(v) =

О?) + Ce) •

Также несложно получить соответствующие выражения для случая некоррелированного мультипликативного иума:

(.V) = R„ ,

Нее (?) = С О + <4 Q6\ 5(с), (I°

где ms - средняя яркость "идеального" ЭИ;

S"/ и дисперсии "идеального" ЭИ и шума соответственно;

Я/ \ Г1 ^ Г - 0|

[0 при х * 0. В остальных случаях получение указанных исходных данных для расчетов представляется затруднительным.

Исследования качества работы алгоритма ПСИ при наличии искажений в ТИ в том случае, когда параметры настроены без учета этих искажений, дают следующие результаты:

1) некоррелированный аддитивный шум не приводит к снижению вероятности истинного совмещения'вплоть до достаточно больших значений ^(при =3.0 Ри » 0.9); увеличение радиуса корреляции шума резко снижает эту вероятность;

2) степень влияния мультипликативного шума определяется двумя факторами: энергией шума и контрастом изображения; В обоих щтшеденшх случаях резерв повышения вероятности истинного совме-

1де5пш заключается в уменьшении номера начального уровня или, иными слова,',и, в корректной настройке параметров алгоритма с учетом шума;

3) рассогласования по углу и масштабу такие приводят к ухудшению качества работы алгоритма ПСИ. Однако в этом случае иссле -дования позволяют сделать вывода о том, что, во-первых, учет возможных искажений при настройке параметров алгоритма не приведет к изменению значения , т.к. уменьшение ^ не приводит к росту вероятности, а увеличение ¿н недопустимо даже для идеального случая; во-вторых, повышения надежности совмещения можно достичь, ограничившись оценкой вектора А на уровне /> О (разу -меется, за счет снижения точности этой оценки).

Четвертый раздел главы поцвяцен исследованию работы алгоритма ПСИ на КЕазиреальных изображениях при изменении положения наблюдателя (изменении ракурса съемки). Изменение наблюдателя вызывает как геометрически, так и радиометрические искажения, сте -пень которых зависит от многих факторов: типа датчика, геометрии съемки, типа местности (рельефа и подстилающей поверхности), времени и места, атмосферных условий и т.д."Исследования проводились для квазпреалышх радиолокационных- изображений (РЛИ), полученных самолетным локатором бокового обзора, и оптических изображений (ОИ), полученные аэрофотоаппаратом (эти изображения генерирова -лись с помощью системы имитационного моделирования аэрокосмических снимков - СШАКС). в первом случае • геометрия съемки подчиняется законам равнодальностной проекции, во втором - законам центральной проекции. Варьировались также высота съемки - от сравнительно небольшой Н, = 8 км до значительной Иг = 64 км,, и тип местности - низменность с редкими холмами, покрытая лесным и травянки покровом и, частично, посевами, и высокогорье со скалистым грунтом и снежным покровом на вершинах гор.

Эксперименты показали следующее:

I) при совмещении РЛИ низменной местности изменешш положения наблюдателя не приводит к снижению вероятности правильного. совмещения; для высокогорья сдвиг наблюдателя значительно снижает эту вероятность, причем тек больше,■чем больше высота съемки. Прл совмещении ОИ, наоборот, наиболее сильное уменьшение вероятности набллдается на низменной местности, что объясняется близостью

отражательных характеристик леса и травы, приводящей к быстрому разрушению корреляционной структуры изображений;

2) практически во всех исследованшх случаях остаются справедливыми вывода, сделанные выше для угловых и масштабных иска -жений, а именно, что настройка параметра ¿ц может проводиться без учета искажений и что повышение надежности совмещения алго -ритмом ПСИ может быть достигнуто использованием оценки' координат рассогласований^ загрублешшм изображениям, т.е. на некотором уровне / > 0.

Последнее обстоятельство позволяет дать следующую рекомендацию: при включении ЮС, основанной на алгоритме ПСИ, в контур коррекции движения летательного аппарата целесообразно производить совмещение более чем один раз - на первом этапе получая грубые оценки параметров рассогласования, на последующих - уточняя эти оценки.

Б заключении приведена сводка основных результатов диссер -тационной работы,

В приложение включены документы, подтверждающие внедрение ' результатов диссертации.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

I. Проведен анализ путей применения иерархического представления изображений Для повышения быстродействия КЭС. Разработан иерархический корреляционно-экстремальный алгоритм пирамидального совмещения изображений, превосходящий по быстродействию дру -гие иерархические алгоритмы. Выигрыш в скорости совмещения алгоритмом ПСИ г.о отношению к алгоритму слепого поиска оценивается в 2-3 порядка и более в зависимости от размерности изображений.

Разработана методика расчета вероятностных характеристик алгоритма пси и алгоритм автоматической оптимизации его параметров (подюра начального уровня и пороговой последовательности). Целью оптимизации является максимальная сюрость совмещения с надежностью не ниже заданной. Исходными. данными для расчета ха -рактериотик и оптнлмзации параметров алгоритма ПСИ служит авто -ковариационная функция эталона.

сделан вывод о том, что наиболее значимым параметром явля -.

ется номер начального уровня; значения элементов пороговой последовательности оказывают существенно меньшее влияние на быстродействие алгоритма.

3. Произведено сравнение эффективности алгоритма ПСИ с наи -более популярными быстрыми алгоритмами. Показано, что по сравне -шш с классическим корреляционным алгоритмом, основанным на быстром преобразовании йурье, алгоритм ПСИ работает быстрее приблизительно на порядок и требует существенно меньших затрат памяти. Сравнение с алгоритмом последовательного определения сходства изображений показало, что в этом случае предпочтительность ПСИ определяется в основном возможностью автоматической оптимизации его параметров для широкого класса изображений.

4. исследовано влияние на вероятность правильного совмещения алгоритмом ПСИ аддитивного и мультипликативного шумов, разработана методика настройки параметров в указанных условиях при известной автоковариационной функции шума. Сделан вывод о том, что присутствие указанных шумов приводит к необходимости уменьшения номера начального уровня, а, следовательно, к снижению скорости совмещения.

5. Исследовано влияние на вероятность правильного совмещения алгоритмом ПСИ геометрических искажений, а таки искажений в оп -тических и радиолокационных-изображениях земной поверхности,. связанных со сдвигом наблюдателя. Показано, что в этих случаях вы -бор номера начального уровня алгоритма ПСИ может осуществляться без учета указанных искажений. Показано также, что повышение надежности совмещения может быть достигнуто путем оценивания координат максимума-ВНФ на ненулевых уровнях алгоритма (по загруб -леннш изображениям) за счет снижения точности получаемых оценок.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1. Андреев Ю.А., Штейнбок'М.Я. Исследование двухуровневого алгоритма функционирования КЭНС.// Автоматизация научных исследований. - Куйбышёв: Изд-во КуАИ, 1986. - С.15-20.

2. Баккулов Б.Т., Штейнбок М.Я. Модификация алгоритма амп -' литудного ранжирования,//Корреляционно-экстремальные системы и их проектирование. - Томск: Изд-во Том.ун-та, 1988. - С.70-73.

3. Андреев 10.А., Штейнбок М.Я. Выбор начального уровня при

иерархическом совмещении изображении. // Koppeляционно-экстре -малыше системы и их проектирование. - Томск: Изд-во Том.ун-та, 1988. - С. 74-77.

4. Оптимизация параметров иерархического корреляционно-' экстремального алгоритма совмещения пирамидальных изображений / Штейнбок М.Я.: Том. ин-т авгоматизир.систем упр. и радиоэлектроники. - Томск, 1989. - 46 с. - рус. - Деп. в ВИНИТИ 13.04.89

й 2431 - В89. °

5. Штейнбок м.я. Иерархический подход в задаче корреляционно-экстремальной обработки изображений // Обработка изображений и дистанционные исследования (0ВДИ-90). Тезисы докладов международной конференции. - Новосибирск: ВЦ СО АН СССР, 1990. - С.202.

6. Simulation A pro ach to the Study of Automatic Location System? and Aer Space Image Identification/A.M. Berdichevsfiu, A.G. bujrvov, S' P Ifyin,

. M У. ShieinHock/f Information Technologies' for Image Analysis and Paéiern Recognition, (it i apr' 90).

Тезисы докладов 1-й международной конференции, том 2. - Львов: ин-т физики и механики АН УССР, 1990. - С.235 - 237.

7. Бердичевский A.M., Еуимов А.Г., Илыш С.Б., Швец А.Ю., Штейнбок м.Я. Имитационный подход к исследовании систем автоматической привязки и распознавания аэрокосмических снимков и примеры его применения // Автоматизированные системы обработки изображений (АСОИЗ-89). Тезисы докладов 3-й Всесоюзной конференции. - Л.: деТИ, 1989. - С.131.

,8. .Штейнбок м.Я. Иерархический подход в задаче корреляционно-экстремальной обработки изображений // Математические метода распознавания образов (ШР0-1У). Тезисы докладов 4-й Всесоюзной конференции. - Вша: IMlKFPnC при СМ Латв.ССР, 1989, ч.4. - С.64.

9. Штейнбок м.Я. ИерархичесгаШ подход в задаче корреляционно-экстремальной обработки изображений // методы и микроэлектронные средства цифрового преобразовашш и обработки сигналов ( -89). Тезисы докладов Всесоюзной конференции. Том 2. - Рига: ин-т электроники и шч.техпакп, 1989. - С.59.

10. Андреев Ю.А., Вжкулов Б.Т., ШеГ.нбок м.я. Двухуровневые

алгоритмы функционирования корреляционно-экстремаяыых нявига -циотшх систем // Радиотехнические метода и средства измереипя. Тезисы докладов региональной конференции. - Томск: Цзд-во той. ун-та, 1985. - с.95.

II. Андреев Ю.А., Шккулов Б.Т., Шгейнбок М.Я. Повышение эффективности слепого поиска в КЭНС // Молодые ученые и специалисты - ускорению научно-технического прогресса. Тезисы докладов 5-й региональной научно-практической конференции. -. Томск:

Изд-во Том. ун-та, 1986. - С.46