автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.07, диссертация на тему:Исследование информационных возможностей оптико-электронных систем наблюдения

□ОЭ163555

На правах рукописи

Сивяков Игорь Николаевич

Исследование информационных возможностей оптико-электронных

систем наблюдения

Специальность 05 11 07 - «Оптические и оптико-элеюронныс приборы и

комплексы»

Автореферат диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург 2007

003163555

Работа выполнена в ФГУП «НПК «Государственный Оптический Институт им С И Вавилова»

Научный руководитель

кандидат технических наук, Гоголев Юрий Анатольевич

Официальные оппоненты

доктор технических наук Демин Анатолий Владимирович

кандидат физико-математических наук Устинов Сергей Иванович

Ведущая организации

совета Д 212 227 01 «Оптические и оптико-электронные приборы и комплексы» при Санкт-Петербургском Государственном Университете Информационных Технологий, Механики и Оптики по адресу пер Гриацова д 14

С диссертацией можно оэнакомягьса в библиотеке института

ОАО «ЛОМО»

Зашита состоится «4% 02— 2ОО£годав/£ч£0|

'мин на желании диссертационного

Автореферат разослан « 1х Оп 20$:

г

Ученый секретарь

Диссертационного совета Д 212 227.01 к.тя,доцент ...

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Цель работы

С распространением оптических систем с немонотонными передаточными характеристиками, как то оптико-электронные системы с дискретизацией, сис1емы с синтезированными апертурами и с применением апостериорной обработки изображений, возросла актуальность оценки качества формируемых подобными системами изображений Широко использовавшийся в фотографии критерий разрешающей способности для этих систем оказался непригодным, по крайней мере, в своей прежней форме

Данное исследование начиналось в целях оценки целесообразности и эффективности апостериорной обработки В дальнейшем, с распространением оптико-электронных систем наблюдения, основным направлением исследовании стала оценка качества изображений, сформированных такими системами, не упуская из виду возможность их апостериорной обработки При этом данное исследование ограничивалось рассмотрением исключительно систем наблюдения, т е таких, которые формируют изображения, в конечном счете в той или иной форме предъявляемые человеку-наблюдателю, который производит их окончательное дешифрирование Системы технического зрения не рассматривались Соответственно, качество подобных изображений в значительной мере определяется их согласованностью со зрительной системой человека

Результаты исследования должны дать возможность сравнивать между собой различные системы первичной регистрации, оптимизировать их параметры, оценивать вклад отдельных звеньев системы в искажение формируемых ею изображений, оптимизировать условия предъявления изображений наблюдателю, оценивать целесообразность и эффективность апостериороной обработки

Тем самым, целью работы является исследование, разработка теории и методов оценки качества изображений, сформированных системами с

немонотонной передаточной функцией, для которых неприменим традиционный подход к оценке качества через разрешающую способность в общепринятых ее определениях, и предназначенных в конечном счете для дешифрирования человеком-наблюда гелем

Постановка задачи

Рассматривались черно-белые или монохромашческие неподвижные плоские изображения

Для обеспечения возможности сравнения незначительно различающихся между собой изображений оценка должна быть объективной, численнои, интегральной

Одним из наиболее обоснованных подходов к оценке качества изображении является успешность решения стандартизованного варианта одной из типичных для использования подобных изображении задач Для систем наблюдения достаточно типичными являются задачи обнаружения и распознавания малоразмерных малоконтрастных объектов Тогда в качестве меры успешности могут быть использованы или вероятность распознавания двух стандартных объектов заданного размера и контраста, или минимальный размер при заданном контрасте, при котором эти объекты распознаются с заданным уровнем вероятности, или, наконец, минимальный контраст при заданном размере, при котором эти объекты распознаются с заданным уровнем вероятности Причем, как показано далее, общепринятый критерий «разрешающей способности» также удается свести к этим задачам

Процесс зрительного восприятия на настоящий момент продолжает активно исследоваться и вряд ли в обозримом будущем в этом вопросе наступит полная ясность С другой стороны попытки создать полную модель этою процесса приводят к громоздким построениям, непригодным для практического использования В данной работе рассматривалось зрительное восприятие в рамках поставленной выше задачи - те распознавание малоразмерных малоконтрастных черно-белых изображений, предъявляемых

без лимита времени, с особым вниманием к совместному влиянию размыгия и зашумления на этот процесс

Актуальность проблемы

Одним из основных направлений оптимизации формирующих изображения систем является установление баланса между размытием и зашумлением Например, у фотоматериалов гранулярность тем выше, чем выше светочувствительность, и замена фотоматериала на менее чувствительный и, соответственно, менее шумящий ведёт при заданном объективе к увеличению времени экспонирования и, тем самым, увеличению нескомпенсированного сдвига изображения (смаза) Аналогичные зависимости существуют и для фотоэлектронных приемников уменьшение размеров светочувствительного элемента прибора с зарядовой связью (ПЗС) в общем случае связано с уменьшением глубины потенциальной ямы и, тем самым, с уменьшением отношения сигнал/шум для этого элемента при фиксированном уровне освещенности

В случае «восстановления» размытых изображений методами апостериорной обработки, как правило, при слабо меняющемся с изменением пространственной частоты уровне шума, производится значительное усиление высокочастотных составляющих пространственно-частотного спектра изображения, подавленных относительно низкочастотных составляющих спадающей с ростом пространственной частоты функцией передачи модуляции (Ф11М) Тем самым усиливается зашумление изображения и вопрос о балансе между степенью размытия и уровнем шума на изображении приобретает решающее значение

До сих пор результаты апостериорной обработки изображений оценивались либо методом экспертных оценок, что или субъективно, или крайне трудоемко, либо через среднеквадратичное отклонение (СКО) от идеального изображения, что, как оказалось, мало соответствуе! экспертным оценкам На самом деле это не удивительно, поскольку при вычислении СКО,

например, совершенно не учитывается играющая важную роль при зрительном восприятии пространственная суммация Ьсть и другие неучитываемые факторы

Отметим, что с точки зрения теории информации увеличить общее количество содержащейся в принятом сообщении (зарегистрированном изображении) информации невозможно Можно только лучше или хуже согласовать ее с конечным потребителем в нашем случае человеком-дешифровщиком Предлагаемая работа направлена на оптимизацию этого согласования

Научная новизна и значимость работы

Выдвинута и обоснована гипотеза о том, что при зрительном восприятии искаженных (размытых) изображений объектов человек-наблюдатель сопоставляет им образы, соответствующие резким изображениям

Предложена математическая модель распознавания человеком размытых зашумленных изображений малоразмерных малоконтрастных объектов, предъявляемых без лимита времени Модель учитывает невозможность для зрительной системы учесть искажение изображения, а также передаточную функцию и собственный шум зрительной системы

Проведено экспериментальное исследование совместного влияния размытия и зашумления на зрительное восприятие изображений малоразмерных малоконтрастных объектов

В ходе проведенного исследования обнаружен эффект повышения вероятности опознавания наблюдателем размытого изображения, предъявляемого на ограниченное время, при наложении на него дополнительного шума

Для обработки результатов эксперимента выведены и использованы формулы для определения максимальной вероятности правильного опознавания в случае мнот оальтернативной задачи с произвольным алфавитом

Разработан метод определения максимальной вероятности правильною опознавания изображений в присутствии аддитивно-мультипликативного гауссова шума Показано, что полученные формулы сводятся к известным ранее зависимостям при чисто аддитивном и чисто мультипчикативном ш>ме, как к частным случаям при предельных значениях параметров

Рассмотрен процесс принятия решения человеком-дешифровщиком о том, что предъявленное ему изображение штриховой миры разрешается Получена формула для совместной вероятности шго, чго каждая из шпал трехшпальной миры будет обнаружена предложенной моделью «реального наблюдателя» Построение методики оценки разрешающей способности оптико-электронных систем на основе этой формулы позволит получать результаты более близкие к оценкам реального дешифровщика, чем ныне принятая методика

Основные научные результаты, выносимые на защиту

1 Математическая модель распознавания человеком малоразмерных размытых и зашумленных изображений, сформированных системами с немонотонными передаточными функциями, как то системы с разреженной апертурой, системы с дискретизацией изображения, системы, включающие в себя звенья апостериорной обработки Модель учитывает оптическую передаточную функцию и эквивалентный внутренний шум зрительной системы, а также предположение, что человек-наблюдатель сопоставляет искаженному изображению образ резкого объекта

2 Решение задачи по определению максимальной вероятности правильного опознавания изображений в присутствии аддитивно-мультипликативного гауссова шума Показано, что полученные формулы сводятся к известным ранее зависимостям при чисто аддитивном и чисто мультипликативном шуме как к частным случаям при предельных значениях параметров

3 Метод определения максимальной вероятности правильного опознавания в случае многоальтернативной задачи с произвольным алфавитом

4 Эффект повышения вероятности опознавания человеком-наблюдателем размытого изображения, предъявляемого на ограниченное время, при наложении на него дополнительного шума

Практическая полезность работы и внедрение

Ре*ультаты исследования позволяют численно оценивать информационные возможности изображения в условиях, приближенных к условиям его реального использования Это в свою очередь позволяет оптимизировать условия первичной ре(истрации с учетом и без учета апосгериороной обработки, сравнивать между собой различные системы первичной регистрации, оптимизировать их параметры, оптимизировать условия предъявления изображений наблюдателю, в часшости, выбор параметров апостериорной обработки Сопоставление предельных информационных возможностей и информационных возможностей при дешифрировании изображений человеком позволяет оценить целесообразность апостериорной обработки и ее эффективность

Кроме того, проведенная работа вносит свой вклад в раскрытие механизмов функционирования зрительной системы человека

Результаты работы использованы при разработке меюдик «Методика априорной оценки линейного разрешения на местности», М, 1990, «Определение линейною разрешения на местности на основе анализа массива цифровых видеоданных», СПб, 1994 и ряда других документов Программные пакеты, соответствующие этим методикам продолжают использоваться для проведения сквозных расчетов и оценки качества изображений, поступающих с функционирующих оптико-электронных систем

Результаты работы внедрены в НИИММ ЛГУ, Институте физиологии им И П Павлова, ОКБ ФГУП «НПО им С А Лавочкина», в организациях п/я В-8337 и п/я Г-4213

Апробация работы

Результаты работы докладывались на 7 международных и всесоюзных конференциях

1 Всесоюзная конференция "Формирование оптического изображения и методы ею коррекции", Могилев, 19-21 сентября 1979г

2 Всесоюзная конференция "Оптическое изображение и peí истрирующие среды", Ленинград, 27-29 апреля 1982г

3 V Всесоюзная школа по оптической обработке информации, Киев, 15-21 октября 1984г

4 V Всесоюзная конференция по голографии, Рига, 12-14 ноября 1985 г

5 The 10-th Annual International AeroSense Symposium, Orlando, Florida, USA, 812 April 1996

6 XI Conference on Laser Optics, StPetersburg, Russia, June 30 - July 4, 2003

7 31st International Symposium on Remote Sensing of Environment, StPetersberg, June 20-24, 2005

Публикации

Материалы диссертации опубликованы в 15 печатных работах Из них 7 в рецензируемых научных изданиях Список публикаций приводится в конце автореферата

Структура и объём диссертации

Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, списка цитируемой литературы и четырех приложений Она содержит 117 страниц машинописною текста, 41 рисунок и две таблицы Список цитируемой литературы содержит 95 наименований

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обозначена цель работы, поставлена задача, обоснованы актуальность, научная новизна, значимость и практическая полезность работы,

перечислены защищаемые положения, а также кратко излагается содержание разделов диссертации

Первая глава содержит обзорный материал В главе анализируется состояние дел с оценкой качества изображений Описывается процедура математического моделирования процесса регистрации изображений оптико-электроннои системой наблюдения Приводится математическая модель процесса фоторегистрации Даеи.я понятие об апостериорной обработке изображений, основных подходах к решению этой задачи и проблемах с оценкой эффективности ее решения Наконец, анализируются существующие модели зрительного восприятия в применении к решаемой в работе задаче В заключение предпринятою обзора делается вывод об актуальности диссертационной работы

Во второй главе содержится разработка вероятностной модели процесса опознавания изображения Обосновывается оценка минимальной вероятности ошибки и максимальной вероятности правильного распознавания двух изображений в присутствии аддитивного нормального шума Максимальная вероятность правильного распознавания равна, как известно,

ЖНО + ег/Р),

ф- L ггКМ-^М , ,

где ™--i(/8 J J Cj{p~q) аРаЯ - некоторый вариант отношения сигнал/шум и

erf(z) = -j= Jexp(-1 \it _ приведенная функция Лапласа

о

Приводятся примеры оптимизации параметров фотографической системы по максимуму информации, содержащейся в изображении

Рассматривается вероятность распознавания изображений в присутствии аддитивно-мультипликативного нормального шума, когда формируемое изображение приобретает вид

v(jc) = С i(x)+s/?(x) N{x)

Здесь s(x) - распределение сшнала в идеальном незашумленном изображении, с и Р - параметры модели и N(x) - случайный шум Соответственно, в случае фотоэлектрической регистрации (3=0 5 -«Пуассоновский шум»

В этом случае, в силу нелинейности связи сигнала и шума, переход к спектральному представлению невозможен Кроме гого дисперсии логарифмического отношения правдоподобия в случае верности первой и второй гипотезы будут в общем случае различаться и известная картинка распределения плотности вероятности логарифма отношения правдоподобия при условии предъявления первого и второго объектов для случая сг,2 <п\ примет вид

и вероятность верного определения предъявленного объекта будет равна

1

2

2 />+/» erf '

/ -М,

12ст,2

+ Р, erf-"

I -М-,

№

Р2 erj-

I -Мг I -Л/,

erf ■

№ .

Здесь Р^ - априорная вероятность предъявления к-ото объекта,

Суммирование производится по точкам дискретизации изображений Не представляет труда получить подобные выражения для второго объекта

Исследуется поведение полученных формул в зависимости от изменения параметров модели шума Продемонстрирован переход этих формул в известные ранее выражения для чисто аддитивного и чисто мультипликативного шума при предельных значениях этих параметров

Выведена формула для определения максимальной вероятности распознавания изображений в случае многоальтернативной задачи в присутствии аддитивного нормального шума Вероятность верного опознания 1-ого объекта в этом случае равна вероятности того, что условные ошошения правдоподобия предъявления данного изображения при условии наличия на входе всех остальных объектов окажутся меньше отношения правдоподобия при условии наличия на входе 1-010 объект

магожидание и дисперсия при условии предъявления первою обьекта,

корреляционная матрица шума и обратная ей матрица

Здесь

= J / r, - M[l, / r, JX/; / r, - M[lt / r, ])j =

, nsk(p^)s]{p^)+s- коэффициент корреляции

-ыН - GM dpct4

if

логарифмов /-01 о и ¿-ого отношений правдоподобия при условии верности (-ой гипотезы Разделить интегралы можно лишь при условии взаимной ортогональности изображений Если добавить условие равенства их энергий, получим формулу, приводимую в известной монографии Н 11 Красильникова

Внесены предложения по оценке качества изображений, сформированных системами с немонотонными передаточными характеристиками через меру успешности решения типовой для использования этих изображений задачи В частности, для систем наблюдения таким критерием может быть минимальная вероятность ошибки или максимальная вероятность правильною распознавания двух объектов

Предложена математическая модель распознавания человеком размытых зашумленных изображений малоразмерных малокошрасгных объектов, предъявляемых без лимита времени, учитывающая оптическую передаточную функцию и эквивалентный внутренний шум зрительной системы, л также предположение, что человек-наблюдатель сопоставляет искаженному изображению образ резкого объекта В результате известное выражение для вероятности правильного распознавания двух изображений в присутствии аддитивно! о нормального шума преобразуется к виду

где ¥ - некоторый вариант отношения сигнал/шум, для предложенной модели приобретает вид

p{v)=.L(\ + erf¥),

р

здесьR,(у) - спектр i-го неразмытого объекта,

- оптическая передаточная функция оптической части системы, 0(1Т)- спектр мощности шума сквозного тракта системы, Н,г(и) ~ ФПМ зрительной системы, Сг(у) ~ спектр мощности шума зрительной системы, Г- увеличение при предъявлении изображений наблюдателю

На основе разработанной модели зрительного восприятия предложен метод оценки целесообразности и эффективности апостериорной обработки Проанализирован процесс принятия решения человеком-дешифровщиком

0 том, что предъявленное ему изображение штриховой миры разрешается Внесены предложения по расширению существующего понятия «разрешающая способность» на системы с немонотонными передаточными характеристиками и, в частности, на оптико-электронные системы наблюдения Получена формула для совместной вероятности того, что каждая из шпал трехшпальной миры будет обнаружена предложенной моделью «реального наблюдателя»

-00

— СП

1 де фь - величина сигнала, усредненного по площади ¿-той шпалы, ЩФк! ~ матожидание фк и

- дисперсия фк, при этом в силу аддитивности шума она будет одинакова для всех ф*

По этой формуле можно уже производить расчеты и, решая обратную задачу, находить разрешающую способность системы

Следует отметить, что при выводе этой формулы не затрагивалось моделирование собственно процесса зрительного восприятия, но лишь формализация задачи определения разрешаемости трехшпальной миры Соответственно, если трактовать фк просто как результат усреднения построенного исследуемой системой изображения по площади к-ой шпалы то

мы получим вполне объективную характеристику, все параметры которой поддаются непосредственному измерению В то же время учет в формулах (2 7 11) в той или иной форме процесса зрительного восприятия (например, в форме ФГТМ и шума зрения) позволяет оценить вероятность принятия решения о разрешаемости трехшпальнои миры человеком-дешифровщиком

Построение методики оценки разрешающей способности оптико-электронных систем на основе этой формулы позволит получать результаты более близкие к оценкам реального дешифровщика, чем ныне принятая мет одика

В третьей главе описывается проведенное экспериментальное исследование зрительного восприятия человеком малоразмерных малоконтрастных размытых и зашумленных унображений Описывается методика эксперимента Приводятся результаты психофизического эксперимента, а именно временные характеристики опознавания размытых незашумленных изображений, результаты опознания размытых зашумленных изображений, описывается обнаруженный в ходе эксперимента неизвестный ранее эффект повышения вероятности опознания размытых изображений при наложении шума Проведено сопоставление результатов эксперимента по распознаванию четырех размытых зашумленных объектов с модельными расчетами по приведенным во второй главе формулам для максимальной вероятности верного распознавания в случае многоальтернативной задачи, а также результатов эксперимента по распознаванию двух размытых зашумленных объектов с модельными расчетами по приведенным во второй главе формулам, соответствующим предложенной модели «реального наблюдателя» В случае сопоставления результатов эксперимента с моделью «реального наблюдателя» расхождение лежит в пределах погрешности эксперимента В случае четырехальтернативной задачи расхождение между расчетными и экспериментальными данными можно объяснить упрощениями, принятыми в модели с целью уменьшить громоздкость расчетов

Выявлено качественное различие в поведении моделей зрительного восприятия, используемых в принятых методиках оценки разрешения ОЭС с одной стороны, и субъективных оценок человека-наблюдателя с другой В случае ОЭС с дискретизацией если монотонно изменять размер трехшпальной миры и, соответственно, ее пространственную частоту, изменение оценки вероятности разрешения имеет осцилирующий характер Причем период осцилляций связан с периодом дискретизации и не зависит от ФПМ объектива ОЭС

В Заключении ещё раз указывается цель работы, перечисляются основные результаты и обосновывается их актуальность

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

В ходе диссертационной работы исследовалось зрительное восприятие изображений, полученных при разрушающем воздействии одновременно как линейных преобразований (преимущественно размытия), так и зашумления Целью работы являлась разработка методики оценки качества изображений, сформированных системами с немонотонной передаточной функцией, для которых был неприменим подход к оценке качества через разрешающую способность в ее традиционных формах

Основной областью применения разработанной методики является оценка качества изображений, сформированных оптико-электронными системами наблюдения

В ходе работы была разработана и постоянно применялась методика получения тестовых изображений, моделирующих изображения, получаемые как фотографическими, так и оптико-электронными системами с заданными параметрами, в том числе с применением линейных методов апостериорной обработки

В итоге работы получены следующие результаты

1 Предложена математическая модель распознавания человеком малоразмерных размытых и зашумленных изображений, сформированных системами с немонотонными передаточными функциями, как то, системы с разреженной апертурой, системы с дискретизацией изображения, системы, включающие в себя звенья апостериорной обработки Модель учитывает оптическую переда!очную функцию и эквивалентный внутренний шум зрительной системы, а 1акже предположение, что человек-наблюда!ель сопоставляет искаженному изображению образ резкого объекта

2 Выведены формулы для максимальной вероятности правильного опознавания в случае многоальтернативной задачи с произвольным алфавитом

3 Разработан метод определения максимальной вероятности правильного опознавания изображений в присутствии аддитивно-мультипликативного гауссова шума Показано, что полученные формулы сводятся к известным ранее зависимостям при чисто аддитивном и чисто мультипликативном шуме, как к частным случаям при предельных значениях параметров

4 Выведена формула для совместной вероятности того, чго каждая из шпал грехшпальной миры будет обнаружена предложенной моделью «реального наблюдателя» Построение методики оценки разрешающей способности оптико-электронных систем на основе этой формулы позволит получать результаты более близкие к оценкам реального дешифровщика, чем ныне принятая методика

5 В ходе экспериментальной проверки предложенной модели обнаружен эффект повышения вероятности опознавания человеком размьпою изображения, предъявляемого на ограниченное время, при наложении на него дополнительного шума

Для выбора схемы и оптимизации параметров систем построения

изображений необходимо иметь методику оценки качества изображений При

этом, поскольку изображения, формируемые системами наблюдения, предназначаются для предъявления человеку, эти оценки должны учишвать свойства зрительного восприятия н, в частности, обменных процессов при восприятии размытых зашумленных изображений

Результаты исследования позволяют численно оценивать информационные возможности изображения в условиях, приближенных к условиям ею реального использования, что в свою очередь позволяет оптимизировать условия первичнои регистрации с учетом и без учета апостериороной обработки, сравнивать между собой различные системы первичной регистрации, оптимизировать их параметры, оптимизировав условия предъявления изображений наблюдателю, в частности выбор параметров апостериорной обработки Сопоставление предельных информационных возможностей и информационных возможностей при дешифрировании изображений человеком позволяет оценить целесообразность апостериорной обработки и ее эффективность

Кроме того, проведенная работа вносит свой вклад в раскрытие механизмов функционирования зрительной системы человека

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах*

1 Березин Н П, Сивяков И Н Анализ предельных информационных возможностей фотографического изображения // Промежуточный отчет по работе 82-03-75/НВ2-141-75, "Исследование метода когерентно-оптической фильтрации, как средства вторичной обработки фотоизображений", Л-д, ГОИ им С И Вавилова, 19761 , гл.11, стр 14-34

2 Березин Н П, Сивяков И Н Предельные информационные возможности фотоизображения и их реализация // В сб "Всесоюзная конференция "Формирование оптического изображения и методы его коррекции"( 19-21 сентября 1979г) Тезисы докладов', Могилев, 1979, с 17

3 Березин НП, Сивяков ИН Выбор условий фотографирования с учетом апостериорной обработки фотоизображений // ЖНиПФиК, 1980, т25, №5, с 348-355

4 Березин Н П, Сивяков И Н Расчетный анализ эффективности апостериорной обработки изображений // В сб "Всесоюзная конференция "Оптическое изображение и регисгрирующие среды" (27-29 апреля 1982П Тезисы докладов" Ленинград, 1982, с 143

5 Сивяков И Н Анализ предельных информационных возможностей обработки изображении // В сб "Y Всесоюзная школа по оптическои обработке информации (15-21 октября 1984г) Тезисы докладов", Киев, 1984, с 173-174

6 Макулов В Б , Смирнов А Я , Сивяков И Н , Столяров Ю В Экспресс-анализ шумов при обработке изображений на ЭВМ II В сб "Y Всесоюзная конференция по юлографии (12-14 ноября 1985г) Тезисы докладов", Рига, 1985, с 338-339

7 Березин Н П, Сивяков И Н О предельных возможностях восстановления нерезких фотографических изображений // ЖНиПФиК, 1986, т 31, №2, с 127128

8 Березин Н П, Сивяков И Н Оценка потенциального разрешения фотографического прибора // ОМП, 1986, №4, с 4-6

9 Сивяков ИII Вероятность различения двух объектов в присутствии аддитивно-мультипликативного шума II Применение методов оптической обработки изображений Jl-д ФТИ, 1986, с 80-92

10 Сивяков ИН, Макулов ВБ, Павловская МБ Зрительное восприятие размытых и зашумленных изображений // Труды ГОИ Иконика (Анализ и обработка изображений), Л-д, 1987, т 64, вып 198, с 119-128

11 Павловская М Б , Сивяков И Н, Макулов В Б Особенности опознания размытых и зашумленных изображений // Физиология человека, 1988, т 14, №5, с 797-805

12 Методика априорной оценки линейного разрешения на местности // Методика, М, 1990, 82с

13 Определение линейного разрешения на местности на основе анализа массива цифровых видеоданных //Методика, СПб, 1994, 37с

14 Королев АН, Морозова CJ1, Сивяков ИН Анализ и оптимизация информационных характеристик оптико-элекгронных систем наблюдения // Оптический журнал, 1995, №5, с 54-58

15 Сивяков И Н Расчет разрешения для оптико-электронных систем // Оптический журнал, 1998, №2, с 60-63

16Корешев СН, Сивяков ИН, Ванюшкин ЮА Сравнительный анализ эффективности методов адаптации наблюдательных внеатмосферных систем //Оптический журнал, 2001, т 68, №12, с 5-10

17 Сивяков И Н Положение края изображения диска Солнца // В сб трудов УН Пулковской международной конференции по физике Солнца "Климатические и экологические аспекты солнечной активности", ГАО РАН, Пулково, Санкт-Петербург, 7-11 июля 2003, с 401-404

18 Afonin А V , Davydov V S , Sivyakov I N, Rechetnicov A I Results of Full-Scale Experiment on Registration of Nitrogen Dioxide Using Videospectroradiometer Gas-Viewer // Proceedings of the 31st International Symposium on Remote Sensing of Fnvironment,S-Petersberg, June 20-24, 2005, CD, Paper 880

Подписано в печать 3 12 2007 Формат 60x84 1/16 Бумага офсетная Печать офсетная Уел печ л 1,2 Тираж 100 экз Заказ № 686

Отпечатано в ООО «Издательство "ЛЕМА"»

199004, Россия, Санкт-Петербург, В О , Средний пр , д 24, тел /факс 323-67-74 e-mail izd_lema@mail ru

Введение

1. Цель работы

2. Постановка задачи

3. Актуальность проблемы

4. Научная новизна и значимость работы

5. Защищаемые положения

6. Практическая полезность работы и внедрение

7. Апробация работы

8. Публикации

9. Структура диссертации

Глава 1. Литературный обзор

1.1. Качество изображения

1.2. Регистрация изображения оптико-электронной системой

1.2.1. Общая схема регистрации изображения оптико-электронной системой

1.2.2. Влияние атмосферы

1.2.3. Оптическая система

1.2.4. Смаз

1.2.5. Фотоприёмное устройство. Дискретизация и квантование

1.2.6. Визуализация

1.3. Модель фотопроцесса

1.3.1. Линейное звено фоторегистрации

1.3.2. Нелинейное звено фоторегистрации

1.3.3. Шум фоторегистрации

1.4. Апостериорная обработка

1.5. Зрительное восприятие

1.6. Выводы по главе

Глава 2. Разработка вероятностной модели опознавания изображения

2.1. Вероятность распознавания двух зашумленных изображений

2.2. Оптимизация параметров системы по максимуму информации, содержащейся в изображении

2.3. Вероятность опознавания изображений в присутствии аддитивномультипликативного шума

2.4. Вероятность опознавания изображений в случае многоальтернативной задачи

2.5. Качество изображения.

2.6. Модель зрительного восприятия

2.7. Расчёт разрешения для систем с дискретизацией

2.8. Выводы по главе

Глава 3. Экспериментальное исследование зрительного восприятия человека-наблюдателя

3.1. Методика эксперимента

3.2. Результаты психофизического эксперимента

3.2.1. Временные характеристики опознавания размытых изображений

3.2.2. Опознание размытых зашумленных изображений

3.2.3. Улучшение опознания размытых изображений при наложении шума

3.3. Сопоставление результатов эксперимента с модельными расчётами

3.4. Зрительное восприятие дискретизованных изображений

3.5. Выводы по главе

1. Цель работы.

С распространением оптических систем с немонотонными передаточными характеристиками, как то оптико-электронные системы с дискретизацией, системы с синтезированными апертурами и с применением апостериорной обработки изображений, возросла актуальность оценки качества формируемых подобными системами изображений. Широко использовавшийся в фотографии критерий разрешающей способности для этих систем оказался непригодным, по крайней мере, в своей прежней форме.

Данное исследование начиналось в целях оценки целесообразности и эффективности апостериорной обработки. В дальнейшем, с распространением оптико-электронных систем наблюдения, основным направлением исследований стала оценка качества изображений, сформированных такими системами, не упуская из виду возможность их апостериорной обработки. При этом данное исследование ограничивалось рассмотрением исключительно систем наблюдения, т.е. таких, которые формируют изображения, в конечном счёте в той или иной форме предъявляемые человеку-наблюдателю, который производит их окончательное дешифрирование. Системы технического зрения не рассматривались. Соответственно, качество подобных изображений в значительной мере определяется их согласованностью со зрительной системой человека.

Результаты исследования должны дать возможность сравнивать между собой различные системы первичной регистрации, оптимизировать их параметры, оценивать вклад отдельных звеньев системы в искажение формируемых ею изображений, оптимизировать условия предъявления изображений наблюдателю, оценивать целесообразность и эффективность апостериороной обработки.

Тем самым, целью работы является исследование, разработка теории и методов оценки качества изображений, сформированных системами с немонотонной передаточной функцией, для которых неприменим традиционный подход к оценке качества через разрешающую способность в общепринятых её определениях, и предназначенных в конечном счёте для дешифрирования человеком-наблюдателем.

2. Постановка задачи.

Рассматривались чёрно-белые или монохроматические неподвижные плоские изображения.

Для обеспечения возможности сравнения незначительно различающихся между собой изображений, оценка должна быть объективной, численной, интегральной.

Одним из наиболее обоснованных подходов к оценке качества изображений является успешность решения стандартизованного варианта одной из типичных для использования подобных изображений задач. Для систем наблюдения достаточно типичными являются задачи обнаружения и распознавания малоразмерных малоконтрастных объектов. Тогда в качестве меры успешности могут быть использованы или вероятность распознавания двух стандартных объектов заданного размера и контраста, или минимальный размер при заданном контрасте, при котором эти объекты распознаются с заданным уровнем вероятности, или, наконец, минимальный контраст при заданном размере, при котором эти объекты распознаются с заданным уровнем вероятности. Причём, как показано далее, общепринятый критерий «разрешающей способности» также удаётся свести к этим задачам.

Процесс зрительного восприятия на настоящий момент продолжает активно исследоваться и вряд ли в обозримом будущем в этом вопросе наступит полная ясность. С другой стороны попытки создать полную модель этого процесса приводят к громоздким построениям, непригодным для практического использования. В данной работе рассматривалось зрительное восприятие в рамках поставленной выше задачи - т.е. распознавание малоразмерных малоконтрастных чёрно-белых изображений, предъявляемых без лимита времени, с особым вниманием к совместному влиянию размытия и зашумления на этот процесс.

3. Актуальность проблемы.

Одним из основных направлений оптимизации формирующих изображения систем является установление баланса между размытием и зашумлением. Например, у фотоматериалов гранулярность тем выше, чем выше светочувствительность, и замена фотоматериала на менее чувствительный и, соответственно, менее шумящий ведёт при заданном объективе к увеличению времени экспонирования и, тем самым, увеличению нескомпенсированного сдвига изображения (смаза). Аналогичные зависимости существуют и для фотэлектронных приёмников: уменьшение размеров светочувствительного элемента прибора с зарядовой связью (ПЗС) в общем случае связано с уменьшением глубины потенциальной ямы и, тем самым, с уменьшением отношения сигнал/шум для этого элемента при фиксированном уровне освещённости.

В случае «восстановления» размытых изображений методами апостериорной обработки, как правило, при слабо меняющемся с изменением пространственной частоты уровне шума, производится значительное усиление высокочастотных составляющих пространственно-частотного спектра изображения, подавленных относительно низкочастотных составляющих спадающей с ростом пространственной частоты функцией передачи модуляции (ФПМ). Тем самым усиливается зашумление изображения и вопрос о балансе между степенью размытия и уровнем шума на изображении приобретает решающее значение.

До сих пор результаты апостериорной обработки изображений оценивались либо методом экспертных оценок, что или субъективно, или крайне трудоёмко, либо через среднеквадратичное отклонение (СКО) от идеального изображения, что, как оказалось, мало соответствует экспертным оценкам. На самом деле это не удивительно, поскольку при вычислении СКО, например, совершенно не учитывается играющая важную роль при зрительном восприятии пространственная суммация. Есть и другие неучитываемые факторы.

Отметим, что с точки зрения теории информации увеличить общее количество содержащейся в принятом сообщении (зарегистрированном изображении) информации невозможно. Можно только лучше или хуже согласовать её с конечным потребителем - в нашем случае человеком-дешифровщиком. Предлагаемая работа направлена на оптимизацию этого согласования.

4. Научная новизна и значимость работы.

Выдвинута и обоснована гипотеза о том, что при зрительном восприятии искажённых (размытых) изображений объектов человек-наблюдатель сопоставляет им образы, соответствующие резким изображениям.

Предложена математическая модель распознавания человеком-наблюдателем размытых зашумленных изображений малоразмерных малоконтрастных объектов, предъявляемых без лимита времени. Модель учитывает невозможность для зрительной системы учесть искажение изображения, а также передаточную функцию и собственный шум зрительной системы.

Проведено экспериментальное исследование совместного влияния размытия и зашумления на зрительное восприятие изображений малоразмерных малоконтрастных объектов.

В ходе проведенного исследования обнаружен эффект повышения вероятности опознавания человеком-наблюдателем размытого изображения, предъявляемого на ограниченное время, при наложении на него дополнительного шума.

Для обработки результатов эксперимента выведены и использованы формулы для определения максимальной вероятности правильного опознавания в случае многоальтернативной задачи с произвольным алфавитом.

Разработан метод определения максимальной вероятности правильного опознавания изображений в присутствии аддитивно-мультипликативного гауссова шума. Показано, что полученные формулы сводятся к известным ранее зависимостям при чисто аддитивном и чисто мультипликативном шуме, как к частным случаям при предельных значениях параметров.

Рассмотрен процесс принятия решения человеком-дешифровщиком о том, что предъявленное ему изображение штриховой миры разрешается. Получена формула для совместной вероятности того, что каждая из шпал трёхшпальной миры будет обнаружена предложенной моделью «реального наблюдателя». Построение методики оценки разрешающей способности оптико-электронных систем на основе этой формулы позволит получать результаты более близкие к оценкам реального дешифровщика, чем ныне принятая методика.

5. Защищаемые положения.

1. Математическая модель распознавания человеком малоразмерных размытых и зашумленных изображений, сформированных системами с немонотонными передаточными функциями, как то: системы с разреженной апертурой, системы с дискретизацией изображения, системы, включающие в себя звенья апостериорной обработки. Модель учитывает оптическую передаточную функцию и эквивалентный внутренний шум зрительной системы, а также предположение, что человек-наблюдатель сопоставляет искажённому изображению образ резкого объекта.

2. Решение задачи по определению максимальной вероятности правильного опознавания изображений в присутствии аддитивно-мультипликативного гауссова шума. Показано, что полученные формулы сводятся к известным ранее зависимостям при чисто аддитивном и чисто мультипликативном шуме как к частным случаям при предельных значениях параметров.

3. Метод определения максимальной вероятности правильного опознавания в случае многоальтернативной задачи с произвольным алфавитом.

4. Эффект повышения вероятности опознавания человеком-наблюдателем размытого изображения, предъявляемого на ограниченное время, при наложении на него дополнительного шума.

6. Практическая полезность работы и внедрение.

Результаты исследования позволяют численно оценивать информационные возможности изображения в условиях, приближенных к условиям его реального использования. Это в свою очередь позволяет оптимизировать условия первичной регистрации с учётом и без учёта апостериороной обработки, сравнивать между собой различные системы первичной регистрации, оптимизировать их параметры, оптимизировать условия предъявления изображений наблюдателю, в частности, выбор параметров апостериорной обработки. Сопоставление предельных информационных возможностей и информационных возможностей при дешифрировании изображений человеком позволяет оценить целесообразность апостериорной обработки и её эффективность.

Кроме того, проведённая работа вносит свой вклад в раскрытие механизмов функционирования зрительной системы человека.

Результаты работы использованы при разработке методик «Методика априорной оценки линейного разрешения на местности», М, 1990 [1], «Определение линейного разрешения на местности на основе анализа массива цифровых видеоданных», СПб, 1994 [2] и ряда других документов. Программные пакеты, соответствующие этим методикам продолжают использоваться для проведения сквозных расчётов и оценки качества изображений, поступающих с функционирующих оптико-электронных систем.

Результаты работы внедрены в НИИММ ЛГУ, Институте физиологии им. И.П.Павлова, ОКБ ФГУП «НПО им. С.А.Лавочкина», в организациях п/я В-8337 и п/я Г-4213.

7. Апробация работы.

Результаты работы докладывались на 7 международных и всесоюзных конференциях:

1. "Предельные информационные возможности фотоизображения и их реализация" в соавторстве с Березиным Н.П. с публикацией тезисов в сборнике "Всесоюзная конференция "Формирование оптического изображения и методы его коррекции"( 19-21 сентября 1979г) Тезисы докладов", Могилев, 1979, с. 17.

2. "Расчетный анализ эффективности апостериорной обработки изображений" в соавторстве с Березиным Н.П. с публикацией тезисов в сборнике "Всесоюзная конференция "Оптическое изображение и регистрирующие среды" (27-29 апреля 1982г) Тезисы докладов" Ленинград, 1982, с. 143.

3. "Анализ предельных информационных возможностей обработки изображений" без соавторов с публикацией тезисов в сборнике "Y Всесоюзная школа по оптической обработке информации (15-21 октября 1984г) Тезисы докладов", Киев, 1984, с.173-174.

4. "Экспресс-анализ шумов при обработке изображений на ЭВМ" в соавторстве с Макуловым В.Б., Смирновым А.Я., Столяровым Ю.В. с публикацией тезисов в сборнике "Y Всесоюзная конференция по голографии (12-14 ноября 1985г) Тезисы докладов", Рига, 1985, с.338-339.

5. "Method and software of automatic resolution evaluating of optic-electronic telescopic land remote sensing system" в соавторстве со Смирновым М.В., Королевым А.Н. и Звездиным Д.И. на "The 10-th Annual International AeroSense Symposium", Orlando, Florida, USA, (8-12 April 1996).

6. "Aberration Correction in Imaging Systems with the Help of Surface Relief Holograms" в соавторстве с Корешевым С.Н., Ратушным В.П. и Ванюшкиным Ю.А. "XI Conference on Laser Optics", St.Petersburg, Russia, June 30 - July 4, 2003.

7. "Результаты натурного эксперимента по регистрации диоксида азота с помощью видеоспектрорадиометра-газовизора." в соавторстве с Афониным А.В., Давыдовым B.C., И.Н. и Решетниковым А.И. "31st International Symposium on Remote Sensing of Environment",S-Petersberg, June 20-24, 2005.

8. Публикации.

Материалы диссертации опубликованы в 18 печатных работах.

9. Структура диссертации.

Диссертация состоит из введения, трёх глав, заключения, списка цитируемой литературы и четырёх приложений.

Результаты исследования позволяют численно оценивать информационные возможности изображения в условиях, приближенных к условиям его реального использования, что в свою очередь позволяет оптимизировать условия первичной регистрации с учётом и без учёта апостериорной обработки, сравнивать между собой различные системы первичной регистрации, оптимизировать их параметры, оптимизировать условия предъявления изображений наблюдателю, в частности выбор параметров апостериорной обработки. Сопоставление предельных информационных возможностей и информационных возможностей при дешифрировании изображений человеком позволяет оценить целесообразность апостериорной обработки и её эффективность.

Кроме того, проведённая работа вносит свой вклад в раскрытие механизмов функционирования зрительной системы человека.

Заключение

В ходе диссертационной работы исследовалось зрительное восприятие изображений, полученных при разрушающем воздействии одновременно как линейных преобразований (преимущественно размытия), так и зашумления. Целью работы являлась разработка методики оценки качества изображений, сформированных системами с немонотонной передаточной функцией, для которых был неприменим подход к оценке качества через разрешающую способность в её традиционных формах.

Основной областью применения разработанной методики является оценка качества изображений, сформированных оптико-электронными системами наблюдения.

В ходе работы была разработана и постоянно применялась методика получения тестовых изображений, моделирующих изображения, получаемые как фотографическими, так и оптико-электронными системами с заданными параметрами, в том числе с применением линейных методов апостериорной обработки.

В итоге работы получены следующие результаты:

1. Предложена математическая модель распознавания человеком малоразмерных размытых и зашумленных изображений, сформированных системами с немонотонными передаточными функциями, как то, системы с разреженной апертурой, системы с дискретизацией изображения, системы, включающие в себя звенья апостериорной обработки. Модель учитывает оптическую передаточную функцию и эквивалентный внутренний шум зрительной системы, а также предположение, что человек-наблюдатель сопоставляет искажённому изображению образ резкого объекта.

2. Выведены формулы для максимальной вероятности правильного опознавания в случае многоальтернативной задачи с произвольным алфавитом.

3. Разработан метод определения максимальной вероятности правильного опознавания изображений в присутствии аддитивно-мультипликативного гауссова шума. Показано, что полученные формулы сводятся к известным ранее зависимостям при чисто аддитивном и чисто мультипликативном шуме, как к частным случаям при предельных значениях параметров.

4. Выведена формула для совместной вероятности того, что каждая из шпал трёхшпальной миры будет обнаружена предложенной моделью «реального наблюдателя». Построение методики оценки разрешающей способности оптико-электронных систем на основе этой формулы позволит получать результаты более близкие к оценкам реального дешифровщика, чем ныне принятая методика.

Ill

5. В ходе экспериментальной проверки предложенной модели обнаружен эффект повышения вероятности опознавания человеком размытого изображения, предъявляемого на ограниченное время, при наложении на него дополнительного шума.

Для выбора схемы и оптимизации параметров систем построения изображений необходимо иметь методику оценки качества изображений. При этом, поскольку изображения, формируемые системами наблюдения, предназначаются для предъявления человеку, эти оценки должны учитывать свойства зрительного восприятия и, в частности, обменных процессов при восприятии размытых зашумленных изображений.

1. Методика априорной оценки линейного разрешения на местности // Методика, М, 1990, 82с.

2. Определение линейного разрешения на местности на основе анализа массива цифровых видеоданных // Методика, СПб, 1994, 37с.

3. Мирошников М.М. Иконика наука об изображении // Успехи научной фотографии М.: Наука, т.ХХШ, 1985, с.4-28.

4. Смирнов А.Я. Критерии качества дискретизированных изображений // Труды ГОИ, 1984, т. 5 7, вып.191,с.111-116.

5. Веселова Е.К. Экологический подход к оценке качества визуализации натурной информации // Труды ГОИ, 1992, т.79, вып.213, с.104-110.

6. Прэтт У. Цифровая обработка изображений М.: Мир, 1982., Кн.1, 312с.

7. Прэтт У. Цифровая обработка изображений М.: Мир, 1982., Кн.2, 480с.

8. Кононов В.И., Федоровский А.Д., Дубинский Г.П. Оптические системы построения изображений. Киев: Техника, 1981,133с.

9. О'Нейл Э. Введение в статистическую оптику. М.: Мир, 1966, 256с.

10. Мельканович А.Ф. Фотографические средства и их эксплуатация.: МО СССР, 1984, 576с.

11. Березин Н.П., Кононов В.И. Разрешающая способность: история, состояние и развитие // ОМП, 1991, №11, с.33-37.

12. Кононов В.И. Связь информационных и вероятностных оценок систем формирования изображений (иконических систем) // ОМП, 1991, №11, с.13-18.

13. Аэрофотообъективы. Метод определения фотографической разрешающей способности, ОСТ В-3-3599-77, 1977.

14. Березин Н.П., Сивяков И.Н. Выбор условий фотографирования с учетом апостериорной обработки фотоизображений //ЖНиПФиК, 1980, т.25, №5, с.348-355.

15. Березин Н.П., Сивяков И.Н. О предельных возможностях восстановления нерезких фотографических изображений // ЖНиПФиК, 1986, т.31, №2, с. 127-128.

16. Березин Н.П., Сивяков И.Н. Оценка потенциального разрешения фотографического прибора // ОМП, 1986, №4, с.4-6.

17. Богачков Н.И., Кононов В.И., Рукосуев Б.Г., Тепляков Н.А. Технические средства воздушной разведки. Киев: Киевское высшее военное авиационное инженерное училище, 1974,292с.

18. O'Neil E.L. Transfer function for an annular aperture // J.Opt.Soc., 1956, v.46, №3, p.280.

19. Проектирование оптических систем // Под ред. Р.Шеннона, Дж.Вайанта / Пер.И.В.Пейсахсона, М.: Мир, 1983.

20. Гудмен Дж. Введение в Фурье-оптику. М.: Мир, 1970, 364с.

21. Фивенский Ю.И. Методы повышения качества аэрокосмических фотоснимков. М.: Издательство МГУ, 1977, 158с.

22. Ярославский Л.П. Введение в цифровую обработку изображений. М.: Советское радио, 1979,312с.

23. Хуанг Т. Обработка изображений и цифровая фильтрация М.: Мир, 1979, 320с.

24. Фризер X. Фотографическая регистрация информации. М.: Мир, 1978, 670с.

25. Вендровский К.В., Вейцман Л.И. Фотографическая структурометрия. М.: Искусство, 1982, 270с.

26. Siedentopf Н. Uber Kornigkeit, Dichteschwankungen und Vergrosserungsfanhigkeit photographischer Negative // Physik Z., 1937, v.38, p.454.

27. Selwyn E.W.H. The theory of graininess // Photogr. J., 1935, v.75, p.571.

28. Helstrom C.W. Image Restoration by the Method of Least Squares // JOS A, 1967, v.51, №3, p.297-303.

29. Голд Б., Рэидер Ч. Цифровая обработка сигналов. М.: Сов. радио, 1973.

30. Andrews Н.С. Digital Image Restoration: A Survey // IEEE Computer, 1974, v.7, №5, p.36-45.

31. Кушпиль В.И., Веселова Е.К. Классификация задач визуального наблюдения // Труды ГОИ, 1984, т.57, вып. 191, с. 10—17.

32. Петрова Л.Ф. Модели зрительного поиска// Труды ГОИ, 1984, т.57, вып. 191, с.37—55.

33. Sachs М.В., Nachmias J., Robson J.G. Spatial-frequency channels in human vision // JOSA, 1971, v.61, p.1176-1186.

34. Логвиненко А.Д. Чувственные основы восприятия пространства. М.: Изд-во МГУ, 1985, 224с.

35. Глезер В.Д. Пороговые модели пространственного зрения // Физиология человека 1982, т.8, №4, с.547-558.

36. Campbell F.W., Carpenter R.H.S., Levinson J.Z. Visibility of aperiodic patterns compared with that of sinusoidal gratings // J. Physiol., 1969, v.203, p.223-235.

37. Kelly D.H. Visual responses to time-dependent stimuli. II Singlechannel model of the photopic visual system. // JOSA, 1961, v.51, p.747-754.

38. Roufs J. A. Dynamic properties of vision. I-II //Vision Res., 1972, v. 12, p.261-292.

39. A.E.Burgess, R.F. Wagner, R.J Jennings, H.B.Barlow Efficiency of Human Visual Signal Discrimination // Science, 1981, v.214, №4516, p.93-94

40. Koenderink J.J., Doom A.J. van. Detectability of power fluctuations of temporal visual noise // Vision Res., 1978, v.18, pl91-195.

41. Rashbass C. The visibility of transient changes of luminance // J. Physiol., 1970, v.210, p.165-186.42.