автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.04, диссертация на тему:Повышение эффективности применения методов компрессии цифровых изображений на основе вейвлет-преобразования для космических систем наблюдения видимого и ближнего ИК диапазонов спектра

На правах рукописи

Сокол Александр Валентинович

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ МЕТОДОВ

КОМПРЕССИИ ЦИФРОВЫХ ИЗОБРАЖЕНИЙ НА ОСНОВЕ ВЕЙВЛЕТ-ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ДЛЯ КОСМИЧЕСКИХ СИСТЕМ НАБЛЮДЕНИЯ ВИДИМОГО И БЛИЖНЕГО ИК ДИАПАЗОНОВ

СПЕКТРА

Специальность 05.12.04 - «Радиотехника, в том числе системы и устройства телевидения»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 2007

003161216

Работа выполнена в Московском физико-техническом институте

Научный руководитель -Официальные оппоненты

доктор технических наук, Бобылев Валерий Иванович

доктор технических наук, Балухто Алексей Николаевич

кандидат технических наук, Широков Василий Васильевич

Ведущая организация - Федеральное государственное унитарное предприятие «Центральный научно-исследовательский институт машиностроения» Российского Авиакосмического Агентства

Защита состоится «9» ноября 2007 г в у/ час на заседании диссертационного совета Д 850 012 01 при Государственном унитарном предприятии «Научно-производственный центр «СПУРТ»» по адресу 124460, Москва, Зеленоград, 1-й западный проезд, д 4, ГУП НПЦ «СПУРТ»

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГУП НПЦ «СПУРТ»

Автореферат разослан « $_» 2007 г

Ученый секретарь диссертационного совета <х---" ^

Кандидат технических наук, доцент Петров В Г

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

Актуальность работы. Современные требования, предъявляемые к уровню целевой эффективности систем космической разведки наземных объектов, предопределяют все возрастающую роль оптико-электронных средств оперативного наблюдения (мониторинга, дистанционного зондирования) в общей совокупности привлекаемых средств Наиболее активно развивается направление малых (весом до 100 кг) спутников оперативного наблюдения, тк разработка и выведение таких спутников на орбиту обходится сравнительно дешево Особенности конструкции таких спутников обуславливают применение в них устройства обработки (компрессии) цифровых изображений

Чтобы использовать систему компрессии («сжатия») наиболее эффективно, разработчик должен выбрать оптимальное соотношение между уровнем искажений и объемом закодированных данных, задав в системе коэффициент компрессии либо коэффициент квантования Несмотря на большое количество публикаций, посвященных применению компрессии в аппаратах ДЗЗ, ни в одной из работ не было предложено решение данной задачи

Известно, что проблема оптимального выбора коэффициента компрессии обсуждалась в некоторых НИИ («Элас», «Оптэкс», 50 ЦНИИ МО), но эта проблема была решена путем экспертных оценок Группа экспертов, как правило, представляющая заказчика космического аппарата, визуально рассматривала ряд цифровых изображений (снимки поверхности Земли из космоса), прошедших компрессию («сжатие») с разными коэффициентами Эксперты анализировали уровень вносимых компрессией искажений и выбирали такой уровень, при котором сохранялась вся интересующая их информация, а объем закодированных данных был минимален При этом не учитывались корреляционные свойства изображений, что в итоге обуславливало существенно неоптимальный выбор характеристик системы компрессии данных.

Таким образом, проблема априорного выбора коэффициента компрессии (или коэффициента квантования) для спутника ДЗЗ с конкретными характеристиками бортовой аппаратуры представляет собой важную научно-техническую задачу, которая до сих пор не была всесторонне исследована и решена В представляемой диссертационной работе предлагается решение данной задачи

Эффективность сжатия существенно зависит от корреляционных свойств сжимаемого изображения Это явление широко известно и описано в ряде работ Но в соответствующих работах нигде не упоминается тот факт, что корреляционные характеристики обусловлены как сюжетом изображения, так и пространственно-частотными свойствами оптико-электронной аппаратуры Основную сложность представляет задача выделить и оценить по отдельности влияние каждого из этих факторов на эффективность сжатия Чтобы решить эту задачу, а также учесть действие остальных факторов, необходимо

- обосновать и выбрать тест-объект, по которому определяется уровень искажений компрессионных изображений,

- обосновать и выбрать показатель искажений компрессионных изображений,

- разработать методическое обеспечение для оценок уровня искажений компрессионных изображений, учитывающего пространственно-частотные свойства оптико-электронной аппаратуры, с помощью которой сформированы эти изображения,

- учесть влияние шума, вносимого оптико-электронной аппаратурой

В ходе разработки указанного выше методического обеспечения возникла проблема, связанная с адекватным описанием пространственно-частотных свойств оптико-электронной аппаратуры Используемый для этого показатель о/А применим только в случае, когда результирующая апертурная функция оптико-электронного тракта описывается функцией Гаусса, что выполняется не всегда В работе представлен новый универсальный показатель, который имеет ясную физическую интерпретацию и вычислим для любого вида апертурной функции

В диссертационной работе получено новое решение актуальной научно-технической задачи, связанной с рациональным выбором коэффициента компрессии алгоритма сжатия 1РЕ02000, используемого для сжатия видеоданных, получаемых оптико-электронной аппаратурой в видимом и ближнем инфракрасном диапазоне спектра

Целью диссертации является:

Повышение эффективности применения системы сжатия данных Достижение основной цели в работе реализовано за счет

1 Исследования совокупных корреляционных свойств оптико-электронного тракта и описания этих свойств универсальным

показателем, инвариантным к форме апертурной функции оптического тракта

2 Разработки методики формирования тестовых изображений, по которым оценивается уровень компрессионных искажений

3 Разработки методики оценки уровня искажений компрессионных изображений

Объектом исследования является бортовое устройство сжатия

данных

В качестве предмета рассмотрения выступает коэффициент компрессии системы сжатия данных

Научная новизна работы заключается в том, что:

1 Закон нелинейного переквантования сигналов линейного АЦП обоснован с позиций максимизации отношения сигнал/шум в цифровом изображении

2 Предложенный показатель, позволяющий априорно оценить уровень искажений первого рода, отвечает требованиям системного подхода и инвариантен к любым пространственно-частотным соотношениям, имеющим место в оптико-электронном тракте (ОЭТ)

3 Предложенная методика, позволяющая определить рациональную степень сжатия изображений, учитывает пространственно-частотные соотношения в ОЭТ и основана на анализе микроструктуры компрессионных изображений с помощью автокорреляционных и структурных функций

4 Обоснованный эффективный способ компрессии гиперспектральных видеоданных алгоритмом JPEG2000 сокращает расход бортовых вычислительных ресурсов Способ применим к технологии съемки PushBroom и подразумевает компрессию видеоданных "гиперкуба" по его пространственно-спектральному сечению

5 Предложенная доработка алгоритма компрессии SPECK, позволила применить его в видео-телеметрическом датчике Суть доработки в разбиении поля вейвлет-коэффициентов на 16 частей, что позволяет уменьшить объем вспомогательной памяти в 16 раз

Достоверность полученных результатов обеспечена посредством привлечения известных и подтвержденных экспериментом теоретических моделей, а также научным обоснованием, разработкой и практической реализацией методик проведения компьютерного моделирования и экспериментов

На защиту выносятся следующие положения:

1 Выбор и обоснование выбора закона нелинейного переквантования цифровых видеоданных, сформированных линейным АЦП Оценка степени ухудшения частного и агрегированного показателей качества изображений для выбранного закона

2 Показатель, позволяющий априорно оценить уровень искажений первого рода, возникающих в бортовой части оптико-электронного тракта КА наблюдения из-за неидеальности параметров анализирующей дискретизации

3 Методика, позволяющая определить рациональную степень сжатия (коэффициент качества) изображений с помощью устройств компрессии на основе алгоритма JPEG2000

4 Способ компрессии видеоданных, формируемых гиперспектрометром, использующим технологию съемки PushBroom

5 Методы повышения эффективности алгоритма SPECK применительно к задаче сжатия телеметрических данных

Практическая значимость. Предложенный показатель En позволяет повысить адекватность оценок уровня искажений первого рода в области низких значений (0 1—0 3) отношения раствора апертурной функции бортового оптического тракта к периоду дискретизации Получена зависимость уровня потенциальных искажений от показателя En, позволяющая разработчикам оптико-электронной аппаратуры осуществлять рациональный выбор характеристик информационного тракта

Предложенная методика определения рациональной степени сжатия изображений дает возможность минимизировать объем компрессионных данных при сохранении микроструктуры сжимаемых изображений, т е их качества

Предложенный способ компрессии данных гиперспектрометра, сформированных по технологии съемки PushBroom позволяет сократить расход бортовых вычислительных ресурсов, требуемых на переупаковку видеоданных Этот способ будет использован при создании в НПО «Лептон» перспективного космического гиперспектрометра

Описанная в работе доработка алгоритма сжатия SPECK снизила объем вспомогательной памяти в 16 раз Это позволило применить данный алгоритм в разработанном НПО «Лептон» видеотелеметрическом датчике, который устанавливается на спутник «Кондор» Датчик прошел все испытания и готов к применению

Апробация работы, публикации.

Материалы диссертационной работы представлены на 15-ой Всероссийской научно-технической конференции «Современное телевидение» (Москва, 2007г), на XLVII, XLVIII и XLIX научной конференции Московского Физико-Технического института (г Долгопрудный Московской области, 2004, 2005 и 2006г)

По теме диссертационной работы опубликованы две статьи

Внедрение и использование.

Результаты диссертационной работы внедрены в процессе разработки гиперспектрометра в НПО «Лептон» и видеотелеметрического датчика НПО «ЦНИИМаш» Получено два акта о реализации

Структура и объем работы.

Диссертационная работа состоит из введения, трех глав, заключения и списка цитируемой литературы Содержит 111 страниц текста, 42 рисунка, 2 таблицы Список цитируемой литературы содержит 69 наименований

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

Во введении обоснована актуальность работы, сформулирована цель и задачи исследований, изложены положения, выносимые на защиту, краткое содержание работы Помимо этого, указываются недостатки существующих методов определения рационального коэффициента компрессии

В первой главе рассматривается простой, но эффективный метод компрессии, заключающийся в нелинейном переквантовании данных с линейного аналого-цифрового преобразователя В подавляющем большинстве случаев в оптико-электронном тракте КА используется 12 — ти разрядный АЦП с линейной шкалой квантования Увеличение разрядности не улучшает качество изображений, а лишь увеличивает объем видеоданных Напротив, снижение затрат бит на выборку ухудшает качество изображений за счет роста шума квантования Для понижения разрядности видеоданных существуют апробированные методы нелинейного переквантования Однако, основные параметры этих методов, и, главное, результаты системных оценок степени ухудшения показателей качества изображений не опубликованы

Исследуются вопросы, связанные с оценкой эффективности переквантования 12-ти разрядных выборок в 8-ми разрядные При этом

считается, что первичный аналого-цифровой преобразователь имеет линейную шкалу во всем динамическом диапазоне аналогового видеосигнала Метод нелинейного переквантования определяет порядок кодирования входных 12-ти разрядных данных в 8-ми разрядные с помощью таблицы переквантования Метод может быть обобщен на числа любой разрядности

В общем случае исходные и раскодированные числа не равны друг другу, т е данный метод принципиально искажает данные Основные требования при формировании таблицы переквантования заключаются в минимизации искажений, вносимых процессом переквантования, при визуальном восприятии раскодированного изображения Эта задача решается путем оптимизации таблицы с учетом интегрального шума оптико-электронного тракта

Для оптико-электронного тракта, включающего фотоприемник на ПЗС, можно выделить три основных вида шумов 1) шум взаимодействия света с решеткой стп с пуассоновским законом распределения, 2) собственный аддитивный шум матрицы ПЗС стс, 3) шум квантования уровней АЦП аацп

Дисперсия суммарного шума, выраженная в эквивалентных электронах, описывается формулой

ст2х(11) =и +су2с + Д(1)2/12, (1)

где и = стп2 - среднее количество информационных электронов, накопленных в потенциальной яме элемента фотоприемника,

Д(1) 1 = 0 255 - интервал квантования после применения нелинейного переквантования

При выборе эффективного закона переквантования необходимо учитывать тот факт, что объекты наблюдения распределены неравномерно по шкале яркости Основная их часть, как правило, находится в нижней части динамического диапазона наблюдаемой сцены Поэтому при выборе закона переквантования необходимо стремиться к тому, чтобы негативное влияние этого процесса в меньшей степени проявлялось именно в нижней части динамического диапазона наблюдаемого сюжета

Вводится показатель Ч'(и), отражающий степень увеличения суммарного шума в некоторой точке динамического диапазона

ЧЧи) = ст21(и)/а1лин(и), (2)

где ах дин (и) - суммарный шум до применения переквантования

В работе рассматривается ряд законов переквантования следующего вида

А, =А + В1П, п = 0 5,1, 1 5,2, 3 (3)

На рис 1 представлены графики зависимостей Т(и) для выбранных п

С учетом сказанного об особенностях распределения объектов наблюдения рекомендуется выбирать п = 2 Это значение является рациональным, поскольку имеет место малое увеличение суммарного шума в нижней части динамического диапазона при допустимом увеличении его в верхней части

С помощью программы, разработанной в НПО «Лептон», исследуется степень ухудшения показателей информативности оптико-электронного тракта после использования метода нелинейного переквантования Показателями являются ЛРМ (линейное разрешение на местности) и ИЕДр (приращение альбедо, эквивалентное интегральному шуму системы наблюдения) Приведенная на рис 2 зависимость показывает, что в условиях, когда альбедо межшпального промежутка Рф = 0 07 и отсутствует атмосферная дымка, то в рабочем диапазоне углов Солнца [0 70°] изменение ИЕДр незначительно и не превышает 5% Оцененное по этой программе изменение ЛРМ значительно меньше - не более 0,8% Таким образом можно утверждать, что в данных условиях наблюдения (а это наиболее вероятные условия) нелинейное переквантование не оказывает заметного влияния на показатели ИЕДр и ЛРМ

0 12 3 4 5 6 7

х 104

Рис 1 Показатель изменения суммарного шума *Р(и) для различных законов переквантования

С целью экспериментального подтверждения полученных выше результатов проведен эксперимент, позволяющий визуально оценить степень ухудшения качества видения цифровых изображений, после использования принятого закона нелинейного переквантования В эксперименте определяется оценка вероятности распознавания предельно-разрешаемого элемента миры, до и после применения метода нелинейного переквантования Эксперимент показал хорошую сходимость результатов априорных и апостериорных оценок величины линейного разрешения на местности

иии >||| ЫЕДо 1 1

0 01 - \ -

оою 0 006 \ \ В условиях наличия атмосферной дымки \\ При отсутствии \\ атмосферной дымки Режим компенсации • атмосферной дымки при 8-ми разрядном пепеквантовании

0 004 \у\ 12-ти разрядное Г\ \ квантование / 8-ми разрядное / переквантование

0 002 / /

п II 1 1 1 ,

О 10 20 30 40 50 60 70

Угол Солнца, град0 Рис 2 Влияние нелинейного переквантования на №Др при Рф = 0 07

Во второй главе рассматривается модель оптико-электронного тракта и обосновывается новый показатель Еп, позволяющий априорно оценить уровень искажений первого рода, возникающих в бортовой части оптико-электронного тракта из-за неидеальности параметров анализирующей дискретизации

Искажения 1-го рода (интермодуляционные искажения) появляются вследствие дискретизации и последующего восстановления сигнала при невыполнении правил теоремы Котельнииова Для оценки этих искажений существует показатель а/А, где с - параметр результирующей апертурной функции (описываемой функцией Гаусса) оптико-электронного тракта, А - шаг решетки фотоприемника Приведена зависимость уровня нелинейных искажений от о/А, которая позволяет установить, что для оптико-электронного тракта оптимальным является значение а/А = 0 5 0 6

Показатель о/А получен в предположении, что растворы апертурных функций звеньев оптико-электронного тракта (атмосфера,

«смаз», оптическая система, фотоприемник) соразмерны и по центральной предельной теореме результирующая апертурная функция может быть описана функцией Гаусса Однако в реальных системах возможны случаи, когда апертурные функции отдельных звеньев заметно отличаются друг от друга На рис 3 показан такой пример (для наглядности рассматривается функциональная пара «оптика -фотоприемник»)

Оптическая

ГИГТРМЯ

А

Фотоприемник РГуЧ

ы

Суммарная АО)

Рис 3 Пример пространственных соотношений звеньев ОЭТ.

В этом примере апертура фотоприемника Р(х) заметно «шире» апертуры оптической системы О(х) При таких условиях аналог центральной предельной теоремы неприменим, и суммарная АФ Т(х) существенно отличается от гауссовой формы Данный конкретный пример показывает, что параметр а не всегда определим

Автором предложен новый показатель En = Е1/(Е1 + Е2),

где

El = i [ F{T(x)} |2dv,

о

(3)

(4)

(5)

E2 =i|F{T(x)} |2dv, Vn

vn - частота Найквиста, F{T(x)} - преобразование Фурье результирующей апертурной функции

Такой показатель отражает долю спектральной энергии, содержащейся в интервале [0, уп] Чем больше Еп, тем меньше перекрытие спектров Если вся энергия спектра содержится в [0, (Еп = 1), то перекрытия спектров нет совсем, соответственно, нет искажений

Получена зависимость, которая позволяет оценить потенциально возможный (максимальный) уровень нелинейных искажений как функцию показателя Еп (рис 4)

Рис 4 Зависимость уровня нелинейных искажений от Еп М(Я) - среднее значение функции взаимной корреляции между восстановленным и исходным сигналом

Проведен визуальный эксперимент, облегчающий выбор оптимального значения Еп Результатом эксперимента является значение Еп = 0 98

В третьей главе излагается метод определения рационального коэффициента компрессии К для алгоритма ЛРЕ02000 в системе сжатия изображений, получаемых оптико-электронным трактом

Задача исследований сводится к нахождению таких рациональных значений К, при которых искажения, возникающие при сжатии, не превышали бы допустимого уровня

Ранее этот вопрос обсуждался в некоторых НИИ, но эта проблема была решена путем экспертных оценок Группа экспертов, как правило, представляющая заказчика космического аппарата, визуально

рассматривала ряд цифровых изображений (снимки поверхности Земли из космоса), прошедших компрессию («сжатие») с разными коэффициентами Эксперты анализировали уровень вносимых компрессией искажений и выбирали такой уровень, при котором сохранялась вся интересующая их информация, а объем закодированных данных был минимален При этом не учитывались корреляционные свойства изображений, что в итоге обуславливало неоптимальный выбор характеристик системы компрессии данных

Эффективность сжатия существенно зависит от корреляционных свойств сжимаемого изображения Это явление широко известно и описано в ряде работ Но в соответствующих работах нигде не упоминается тот факт, что корреляционные характеристики обусловлены как сюжетом изображения, так и пространственно-частотными свойствами оптико-электронной аппаратуры (которые являются функцией от а/А или Еп) Основную сложность представляет задача выделить и оценить по отдельности влияние каждого из этих факторов на эффективность сжатия

Эти рассуждения обосновывают тот факт, что при выборе тестового изображения, по которому оценивается рациональное значение К необходимо выбирать максимально информативное изображение, текстура которых состоит исключительно из микромасштабных элементов, причем микромасштабный элемент (микромасштаб) определяется (при хорошей энергетике) исключительно пространственно-частотными свойствами оптико-электронного тракта При снижении энергетики (увеличении шума) изображение декоррелируется и микромасштаб стремится к радиусу корреляции шума

Именно поэтому тестовый объект не должен содержать низкочастотных однородных элементов, поскольку они определяют сильно коррелированную текстуру Говорят, что в таких изображениях имеет место сильная корреляция или значительный уровень макромасштаба

Предлагается формировать тестовое изображение с помощью алгоритма, показанного на рис 5

Формирование теста функций! гапсЬт, с радиусом корреляции К,,,, = 1

Фильтрации изображения звеньями ОЭТ с параметром 2

1 г

Дискретизация сигнала с шагом Д

1 г

'Растягивание" изображения на весь динамический диапазон яркости [0,255]

Рис. 5. Блок-схема формирования тестового изображения

В реальных условиях космической съемки аналог такого тсста достаточно точно реализуется участком сплошного леса. Его изображение состоит из микромасштаб пых элементов и не содержит макромасштабней текстуры.

Далее автором излагается следующий установленный визуальный эффект. До определенной величины степени компрессии К любой сжатый снимок сохраняет все детали, практически не теряет в информативности, несмотря на некоторое изменение амплитуды отдельных пикселей на уровне микромасштаба. Начиная с некоторого граничного коэффициента сжатия Кгр, размытие резко становится настолько сильным, что с изображения исчезает множество мелких и малоконтрастных деталей {исчезет «микромасштаб»), В задаче

космической съемки исчезновение любых, даже мелких деталей недопустимо Вот почему так важно правильно определить допустимую область коэффициентов сжатия [1 Кгр], и использовать звено сжатия с коэффициентом К из этой области Для это необходимо ввести показатель, способный количественно описать установленный визуальный эффект

В работе показано, что общепринятый показатель качества компрессионных изображений РЭМ*, в этом случае неприменим Этот показатель плавно меняется при увеличении К и не согласован с резким изменением характеристик тестового изображения

Автором предлагается описывать эффект с помощью радиуса корреляции соседних значений пикселей Радиус корреляции вычисляется следующим образом (дискретный случай)

Сначала определяется автокорреляционная функция Вхх 00

Вхх(1) = 1(х(1) - Мх)(х(1 + ^ - Мх)

(6),

1 = 0

где х - сигнал (строка изображения),

Мх - мат ожидание по строке

Затем автокорреляционная функция нормируется

ВххО) = Вхх(1)/тах(Вхх(1))

(7)

Радиус корреляции оценивается площадью под автокорреляционной функцией на отрезке от 0 до первого пересечения автокорреляционной функции с осью абсцисс (точка Т) Можно записать

т

К-= I ВххО) ¿1

Для моделирования упомянутого эффекта резкого ухудшения качества тестовое изображение (показанное на рис 5) подвергается компрессии алгоритмом 1РЕ02000, и у сжатого изображения вычисляется радиус Я На рис 6 представлена зависимость Я от коэффициента компрессии К для различных значений а/А

Рис 6 Изменение радиуса корреляции тестового изображения в зависимости от коэффициента сжатия К

По этим графикам предложено определять искомый оптимальный коэффициент компрессии Кф Таким образом, предложенный показатель качества Я адекватно отражает замеченный визуальный эффект, при этом искомый Кд существенно зависит от показателя с/А ГЕп)

Учитывается влияние шума, присутствующего в оптико-электронном тракте (см глава 1) Показано, что искомый рациональный

коэффициент компрессии целесообразно применять при БМ^ > 3 Более сильно зашумленное изображение имеет другие корреляционные свойства, и коэффициент компрессии следует уменьшить

Радиус корреляции не является единственным параметром, по которому можно судить об изменении качества сжатого изображения Как возможный вариант рассматривается так называемая структурная функция, так как она имеет схожую «физическую природу» с радиусом корреляции Структурная функция, как следует из названия, реагирует на изменение «структуры» изображения, те на изменение микромасштаба Результаты определения Кгр по структурной функции полностью совпадают с результатами по радиусу Ы При этом метод структурной функции более удобен для вычисления

Кп

I

X

Л

—I—I—

О 9732 0 992 0 998

а/А

Еп

Рис 7 Влияние характеристик ОЭТ на выбор коэффициента сжатия

Как основной результат на рис 7 показан график рекомендованных коэффициентов компрессии для различных значений о/А (En)

Разработанные методики можно также применить и к режиму работы «сжатия с постоянным коэффициентом квантования» В этом режиме размер закодированных данных зависит от информативности изображения При этом подразумевается, что уровень искажений при сжатии постоянен

В стандартном варианте алгоритма JPEG2000 не предусмотрено возможности «вручную» задать коэффициент квантования, поэтому вопрос «что считать коэффициентом квантования» оставлен на усмотрение разработчика и нуждается в отдельном исследовании Как правило, в алгоритмах с «вложенным кодированием» таким коэффициентом является номер верхнего «отбрасываемого битового этажа» (truncated bit plane) (см рис 1 2) В JPEG2000 этот вариант неприменим из-за наличия R-D оптимизации (rate-distortion optimization), поэтому в данной работе предлагается определять коэффициент квантования суммой закодированных стадий (coding passes) всех спектральных блоков Проверено, что при постоянной сумме уровень искажений неизменен, а меняется размер сжатых данных, определяемый корреляционными свойствами исходного изображения

В четвертой главе анализируется применение компрессии алгоритмом JPEG2000 к данным гиперспектрометра, использующего технологию съемки PushBroom В НПО «Лептон» изготовлен действующий макет гиперспектрометра с 290 спектральными каналами в видимом и ближнем ПК диапазонах спектра Большое число каналов позволило получить спектральное разрешение гиперспектрометра от 1 до 10 нм (разрядность цифровых данных - 12) Прибор с такими характеристиками в России создан впервые

Т к гиперспектрометр предполагается использовать как измерительный прибор, то искажения при компрессии недопустимы Поэтому JPEG2000 используется в режиме без потерь mt mode

Излагаются основные понятия гиперспектральной съемки и технологии PushBroom По технологии PushBroom информационная строка раскладывается на спектральные составляющие и записывается в память в виде однокоординатного (по пространству) многоспектрального кадра (ОМК) Таким образом, весь маршрут съемки записывается в бортовой памяти как последовательность ОМК

Применив переупаковку, вместо пакета ОМК получают серию обычных двухкоординатных изображений, полученных в узких спектральных диапазонах (в гиперспектральных каналах) Таким образом, алгоритм компрессии можно применить как напрямую к последовательности ОМК, так и к двухкоординатным изображениям

Первый способ удобен тем, что перед сжатием нет необходимости выполнять процедуру переупаковки, занимающую значительное время Также не требуется ожидать окончания съемки всего маршрута, компрессию можно начинать, получив первый ОМК С другой стороны, алгоритм JPEG 2000 разработан и оптимизирован для сжатия именно двухкоординатных изображений

В работе исследуется и сравнивается эффективность компрессии для этих двух вариантов входных потоков Результаты сведены в таблицу

Таблица 1

входной поток среднее значение коэффициента компрессии

ОМК 2 38

да 2 26

По итогам делается вывод, что алгоритм JPEG 2000 предпочтительно применять к данным, упакованным в ОМК К числу преимуществ такого метода относятся

1) отсутствие процедуры переупаковки,

2) возможность компрессии данных в потоке (не дожидаясь окончания съемки маршрута),

3) высокая помехоустойчивость

В пятой главе выбирается наиболее подходящий алгоритм компрессии для применения в видео-телеметрическом датчике Данная задача возникла в процессе разработки в НПО «Лептон» видеотелеметрического датчика, устанавливаемого на КА «Кондор» (разработчик КА — НПО «Машиностроение», г Реутов) ВТД предназначен для наблюдения процессов, происходящих снаружи космического аппарата в условиях орбитального полета при больших и малых освещенностях наблюдаемых объектов

К алгоритму компрессии предъявляются следующие требования

1) возможность напрямую задать постоянную степень сжатия,

2) высокая скорость выполнения компрессии,

3) работа с малым объемом памяти

Кроме того, алгоритм сжатия должен обеспечивать хорошее качество восстановленного изображения при средней степени сжатия (4-6)

Проведен анализ наиболее известных алгоритмов компрессии В качестве кандидатов для использования в ВТД рассмотрены алгоритмы 1) Алгоритм JPEG, использующий дискретное косинусное преобразование, 2) алгоритм LIC, использующий вейвлет-преобразование, процедуру квантования вейвлет-коэффициентов и кодирование Хаффмана Этот алгоритм используется в серийной микросхеме компрессии ADV601 3) алгоритмы на основе вейвлет-преобразования и «вложенного кодирования» (embedded coding) «нулевых деревьев» (zerotrees) EZW и SPIHT 4) алгоритм JPEG2000 5) алгоритм SPECK, использующий вейвлет-преобразование и итеративное деление на блоки Он тоже использует «вложенное кодирование»

Показано, что в стандартном варианте ни один из рассматриваемых алгоритмов не удовлетворяет условиям поставленной задачи Однако установлено, что алгоритм SPECK после незначительной модификации возможно применить в ВТД Повышение быстродействия достигается путем отказа от механизма сортировки, при этом качество сжатия снижается незначительно Уменьшение объема вспомогательной памяти достигается путем отдельного кодирования 16 блоков вместо целого изображения (рис 8) Такое разбиение возможно из-за того, что в SPIHT не используются межспектральные связи

Рис 4 Разбиение поля вейвлет-коэффициентов на 16 отдельных блоков

В заключении диссертационной работы обсуждаются основные полученные результаты с точки зрения их соответствия поставленным целям и положениям, вынесенным на защиту

В диссертационной работе получено новое решение актуальной научно-технической задачи, связанной с повышением эффективности применения методов компрессии изображений для задач ДЗЗ В ходе ее решения основное внимание было уделено влиянию характеристик звеньев оптико-электронного тракта на эффективность применения методов компрессии В ходе работы были получены следующие новые научные результаты

1) Выбран и обоснован закон нелинейного переквантования цифровых видеоданных, сформированных линейным АЦП Оптимальность выбора обосновывается минимизацией уровня суммарного шума оптико-электронного тракта Данный метод компрессии позволяет значительно (в 1 5 раза) уменьшить объем передаваемых с борта КА наблюдения видеоданных Проведена оценка степени ухудшения частного и агрегированного показателей качества изображений для выбранного закона Априорные оценки, показали, что предложенный закон переквантования снижает частный показатель качества изображений (ЫЕДр) не более чем на 5% Ухудшение агрегированного показателя, отражающего информативность оптико-электронного тракта (линейного разрешения на местности) не более 0,8%

Априорные оценки степени ухудшения качества изображений подтверждены результатами апостериорных оценок, полученных при проведении физического эксперимента

Точность апостериорных оценок составляла не хуже 5% при надежности не ниже 0 8

2) Предложен новый показатель, позволяющий априорно оценить уровень искажений первого рода, возникающих в бортовой части оптико-электронного тракта КА наблюдения из-за неидеальности параметров анализирующей дискретизации

Используемый ранее показатель а/А применим только для оптико-электронного тракта с результирующей апертурной функцией Гауссового вида, что не всегда выполняется

Новый показатель Еп универсален, имеет ясную физическую интерпретацию, вычислим для любого вида апертурной функции и позволяет повысить адекватность оценок уровня искажений первого рода в области низких значений (0 1—О 3) отношения раствора апертурной функции бортового оптического тракта к периоду дискретизации

Получена зависимость уровня потенциальных искажений от показателя Еп, позволяющая разработчикам оптико-электронной аппаратуры осуществить рациональный выбор характеристик тракта

Проведен эксперимент, с помощью которого показано, что при проектировании ОЭТ оптимальным является значение Еп = 0 98

3) Предложена методика, позволяющая определить рациональную степень сжатия изображений с помощью устройств компрессии на основе алгоритма ДРЕС2000

Показано, что рациональный коэффициент сжатия существенно зависит от показателя Еп, определяющего степень исходной коррелированности сжимаемых изображений

Разработан метод формирования тестовых изображений, позволяющий выявить потенциальные (максимально возможные) искажения при заданной степени сжатия

Предложены показатели (радиус корреляции и структурная функция) для оценки качества сжатых изображений Выявлено, что данные показатели резко изменяются в определенной области коэффициентов компрессии В области этого резкого изменения рекомендовано выбирать рациональный коэффициент сжатия Правильность такого выбора подтверждает проведенный в работе визуальный эксперимент Установлена зависимость рационального коэффициента сжатия от предложенного показателя Еп Так, например при Еп = 0 98 рациональный коэффициент сжатия составит К = 2 5 3

Полученные результаты распространяются для изображений с аппаратным отношением сигнала к шуму более 3

Выбранные показатели позволяют выявить механизм ухудшения качества изображения при различных уровнях компрессии Так, при незначительных уровнях компрессии происходит изменение качества за счет добавления шумовой компоненты Затем, при увеличении степени сжатия изменяется микромасштаб, т е превалирует низкочастотная фильтрация

4) Предложен способ компрессии к видеоданным, формируемым гиперспектрометром, использующим технологию съемки PushBroom

Поскольку для измерительного прибора искажения видеоданных недопустимы, то алгоритм JPEG2000 рассматривался в режиме компрессии «без потерь»

Гиперспектрометр формирует гиперкуб данных, две координаты которого пространственные, а третья спектральная Компрессию можно применять к разным слоям куба -двухкоординатным узкоспектральным изображениям, -однокоординатным многоспектральным изображениям Исследования показали, что в одном и в другом варианте коэффициент компрессии примерно одинаков, но для первого варианта из-за технологии съемки требуется дополнительный расход бортовых вычислительных ресурсов При создании перспективного космического гиперспектрометра будет использован алгоритм JPEG2000 применительно к второму варианту входных данных

5) Разработано и подготовлено к работе устройство компрессии телеметрических данных, используемое в видео-телеметрическом датчике спутника «Кондор»

Проведен анализ существующих методов компрессии на степень пригодности к применению в данном устройстве Проведенный анализ показал, что ни один из методов в полной мере не может обеспечить заданных характеристик устройства сжатия

Тем не менее после доработки наиболее подходящего алгоритма компрессии SPECK, поставленная задача была решена в полном объеме Доработка заключалась в изменении механизма разбиения поля вейвлет-коэффициентов, что позволило снизить объем вспомогательной памяти в 16 раз

Таким образом, полученные результаты позволяют повысить эффективность применения современных средств ДЗЗ видимого и ближнего ИК диапазонов спектра в условиях ограничения пропускной способности информационного канала связи

Список работ по теме диссертации.

1 Сокол А В «Оптимизация алгоритма сжатия изображений JPEG 2000 с помощью подбора длины R-D кривых» //Электронный журнал "Исследовано в России», 56, стр 625-643, 2005 г http //zhural аре lerarn ru/articles/2005/056 pdf

2 Сокол А В «Выбор показателя для оценки уровня искажений 1-рода, возникающих в оптико-электронных системах космических аппаратов дистанционного зондирования Земли» // «Известия высших учебных заведений - Электроника» стр 55-61, март 2007 г

3 Сокол А В «Эквивалентная математическая модель алгоритма сжатия JPEG2000 в задаче описания оптико-электронного тракта систем дистанционного зондирования Земли» // Сборник тезисов XLVII научной конференции МФТИ - С 166, ноябрь 2004

4 Сокол AB «Алгоритм сжатия изображений для видеотелеметрического датчика» // Сборник тезисов XL VIII научной конференции МФТИ - С 174, ноябрь 2005

5 Сокол А В «Уменьшение потока цифровых данных, формируемых оптико-электронным трактом космического аппарата наблюдения путем нелинейного переквантования уровней аналого-цифрового преобразователя» Сборник тезисов 15-й всероссийской научно-технической конференции «Современное телевидение», С - 129, март 2007

Формат 60x84 1/16 Уч-изд л 12 Тираж ЮО экз Заказ НО

Отпечатано в типографии ИПК МИЭТ

124498, Москва, Зеленоград, проезд 4806, д 5, МИЭТ

Список аббревиатур и сокращений.

Введение.

Глава 1. Уменьшение потока цифровых данных, формируемых оптико-электронным трактом КА наблюдения путем нелинейного переквантования уровней аналого-цифрового преобразователя.

1.1. Описание метода нелинейного переквантования уровней

1.2. Основные виды шумов, возникающих в оптико-электронном тракте.

1.3. Формирование таблицы переквантования с учетом шумов фотоприемника.

1.4. Оценка влияния процесса нелинейного переквантования на радиационное разрешение и значение линейного разрешения на местности

1.5. Экспериментальное подтверждение результатов модельных оценок

1.6. Выводы по главе.

Глава 2. Выбор показателя для оценки уровня искажений 1-го рода интермодуляционных искажений) пары «оптика-матрица

ПЗС».

2.1. Искажения первого рода.

2.2 Используемый показатель для оценки искажений 1-го рода.

2.3. Обоснование нового параметра для оценки уровня искажений 1-го рода.

2.4. Связь параметра Еп и уровня интермодуляционных искажений.

2.5. Эксперимент по определению влияния показателя Еп на качество космических снимков.

2.6. Выводы по главе

Глава 3. Выбор области рациональных коэффициентов сжатия цифровых изображений на основе вейвлетпреобразования.

3.1. Введение.

3.2. Метод формирования тестовых изображений.

3.3. Нахождение области рациональных коэффициентов сжатия по изменению радиуса корреляции в изображении.

3.4. Влияние уровня собственных шумов фотоприемника на выбор рационального коэффициента сжатия.

3.5. Нахождение рациональной области коэффициентов сжатия с помощью структурной функции.

3.6 Сжатие с постоянным коэффициентом квантования.

3.7. Выводы по главе.,.

Глава 4. Исследование эффективности применения алгоритмов сжатия к данным видеоспектрометра.

4.1. Введение.

4.2. Технология съемки объекта наблюдения видеоспектрометром.

4.3. Исследование эффективности применения компрессии к серии двухкоординатных изображений (ДИ).

4.4. Исследование эффективности применения компрессии к последовательности однокоординатных многоспектральных кадров (ОМК).

4.5. Выводы по главе.

Глава 5. Анализ применимости алгоритмов компрессии к видеотелеметрической информации. Выполнение требований к устройству компрессии путем модификации алгоритма

SPECK.

5.1. Введение.

5.2. Требования к алгоритму компрессии.

5.3. Анализ наиболее известных алгоритмов компрессии.

5.4. Выводы по главе.

Развитие космических методов и средств дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ) является одним из наиболее важных и перспективных направлений космической деятельности России с ее огромной территорией и географическим положением. Богатство природных ресурсов, труднодоступность отдельных районов, сложность в организации и проведении наземных, аэрологических и авиационных наблюдений обуславливают необходимость дальнейшего развития средств и методов ДЗЗ.

С помощью данных ДЗЗ решаются многие важные научные и практические задачи экономического, социального и экологического развития как отдельных регионов, так и страны в целом.

Данные ДЗЗ широко используются при решении задач в интересах сельского, лесного и рыбного хозяйства; поиске, инвентаризации и освоении природных ресурсов; охране природы; прогнозировании погоды; оценке глобальных изменений и эволюции климата и др.

В настоящее время среди средств дистанционного зондирования поверхности земли доминируют оптико-электронные средства видимого и ближнего ИК диапазонов спектра. Они включают, как правило, бортовую специальную аппаратуру на базе фотоприемников с пространственно-регулярной дискретной структурой элементов.

Отдельный класс средств дистанционного зондирования составляют так называемые микроспутники ДЗЗ. Современная элементная база позволяет сделать вес микроспутников малым (не более 100 кг) при практически полном сохранении функциональности, присущей аппаратам с массой порядка 1 т.

Однако на современном технологическом уровне пока нет возможности решить основные проблемы микроспутников, связанные в большей мере с ограничениями на мощность бортовой системы электропитания. Так, количество информации, получаемое целевой аппаратурой, очень велико. Энергетическая установка, в частности солнечные элементы, из-за малого веса и размеров не в состоянии произвести достаточно энергии для передачи всей информации на пункт приема за заданное время. Это вынуждает разрабатывать радиоэлектронное устройство для обработки информации, которое уменьшает поток видеоданных, поступающий от фотоприемника к радиолинии. Такое устройство получило название «система компрессии данных».

Основной целью работы является повышение эффективности применения системы компрессии. Результаты работы использовались при разработке радиоэлектронного устройства - системы компрессии видео-телеметрической информации.

Система компрессии представляет собой схему, реализующую один из известных алгоритмов компрессии данных. По общему мнению [57], наиболее эффективным на настоящий момент следует считать алгоритм JPEG2000, основанный на вейвлет-преобразовании. В режиме real mode он вносит некоторые искажения в данные, но позволяет значительно уменьшить занимаемый ими объем.

Чтобы использовать систему сжатия наиболее эффективно, разработчик должен выбрать оптимальное соотношение между уровнем искажений и объемом закодированных данных, задав в системе коэффициент компрессии либо коэффициент квантования [11, 12]. Несмотря на большое количество публикаций, посвященных применению компрессии в аппаратах ДЗЗ [58, 59, 66], ни в одной из работ не было предложено решение данной задачи.

Известно, что проблема оптимального выбора коэффициента компрессии обсуждалась в некоторых НИИ, и эта проблема была решена путем экспертных оценок. Группа экспертов, как правило, представляющая заказчика космического аппарата, визуально рассматривала ряд цифровых изображений (снимки поверхности Земли из космоса), прошедших компрессию («сжатие») с разными коэффициентами. Эксперты анализировали уровень вносимых компрессией искажений и выбирали такой уровень, при котором сохранялась вся интересующая их информация, а объем закодированных данных был минимален. Но при этом не учитывались корреляционные свойства изображений, что в итоге обуславливало существенно неоптимальный выбор характеристик системы компрессии данных.

Таким образом, проблема априорного выбора коэффициента компрессии (качества) для спутника ДЗЗ с конкретными характеристиками бортовой аппаратуры представляет собой важную научно-техническую задачу, которая до сих пор не была всесторонне исследована и приемлемо решена. В представляемой диссертационной работе предлагается решение данной задачи.

Эффективность сжатия существенно зависит от корреляционных свойств сжимаемого изображения. Это явление широко известно и описано в ряде работ [11, 12, 56, 57]. Но в соответствующих работах нигде не упоминается тот факт, что корреляционные характеристики обусловлены как сюжетом изображения, так и пространственно-частотными свойствами оптико-электронной аппаратуры. Основную сложность представляет задача выделить и оценить по отдельности влияние каждого из этих факторов на эффективность сжатия. Чтобы решить эту задачу, а также учесть действие остальных факторов, необходимо:

- обосновать и выбрать тест-объект, по которому определяется уровень искажений компрессионных изображений.

- обосновать и выбрать показатель искажений компрессионных изображений.

- разработать методическое обеспечение для оценок уровня искажений компрессионных изображений, учитывающего пространственно-частотные свойства оптико-электронной аппаратуры, с помощью которой сформированы эти изображения;

- учесть влияние шума, вносимого оптико-электронной аппаратурой.

Необходимо пояснить выбор показателя искажений компрессионных изображений. Дело в том, что разработано большое количество таких показателей [54], которые имеют свои достоинства и недостатки. Искомый показатель должен адекватно отражать визуально замеченное в ходе работы явление резкого ухудшения информативности сжимаемого изображения при определенном коэффициенте компрессии Кгр. В диссертационной работе показано, что наилучшим образом это отражают радиус корреляции и структурная функция; а коэффициент К^ представляет собой искомый рациональный коэффициент компрессии, при котором оптимально сочетаются уровень искажений и объем закодированных данных.

В ходе разработки указанного выше методического обеспечения возникла проблема, связанная с адекватным описанием пространственно-частотных свойств оптико-электронной аппаратуры. Используемый для этого показатель а/А применим только в случае, когда результирующая апертурная функция оптико-электронного тракта описывается функцией Гаусса, что выполняется не всегда. В работе представлен новый универсальный показатель Еп, который имеет ясную физическую интерпретацию, вычислим для любого вида апертурной функции и адекватно описывает пространственно-частотные свойства ОЭТ. Этому посвящена отдельная глава.

Актуальность работы.

Современные требования, предъявляемые к уровню целевой эффективности систем космической разведки наземных объектов, предопределяют все возрастающую роль оптико-электронных средств оперативного наблюдения (мониторинга, дистанционного зондирования) в общей совокупности привлекаемых средств. Наиболее активно развивается направление малых (весом до 100 кг) спутников оперативного наблюдения, т.к. разработка и выведение таких спутников на орбиту обходится сравнительно дешево. Особенности конструкции таких спутников обуславливают применение в них устройства сжатия видеоинформации.

Отсюда возникает необходимость и актуальность создания методики, позволяющей выбрать рациональный коэффициент компрессии (коэффициент качества) такого устройства. Использование данной методики позволяет повысить эффективность средств дистанционного зондирования.

В диссертационной работе получено новое решение актуальной научно-технической задачи, связанной с рациональным выбором коэффициента компрессии алгоритма сжатия 1РЕ02000, используемого для сжатия видеоданных, получаемых оптико-электронной аппаратурой в видимом и ближнем инфракрасном диапазоне спектра.

Целью диссертации является:

Повышение эффективности применения системы сжатия данных, применяемой в КА. Достижение основной цели в работе реализовано за счет:

1. Исследования совокупных корреляционных свойств оптико-электронного тракта и описания этих свойств универсальным показателем, инвариантным к форме апертурной функции оптического тракта.

2. Разработки методики формирования тестовых изображений, по которым оценивается уровень компрессионных искажений.

3. Разработки методики оценки уровня искажений компрессионных изображений.

Объектом исследования является бортовое устройство сжатия данных.

В качестве предмета рассмотрения выступает коэффициент компрессии системы сжатия данных.

На защиту выносятся следующие положения:

1. Выбор и обоснование выбора закон нелинейного переквантования цифровых видеоданных, сформированных линейным АЦП. Оценка степени ухудшения частного и агрегированного показателей качества изображений для выбранного закона.

2. Показатель, позволяющий априорно оценить уровень искажений первого рода, возникающих в бортовой части оптико-электронного тракта КА наблюдения из-за неидеальности параметров анализирующей дискретизации.

3. Методика, позволяющая определить рациональную степень сжатия (коэффициент качества) изображений с помощью устройств компрессии на основе алгоритма 1РЕС2000. и

4. Способ компрессии видеоданных, формируемых гиперспектрометром, использующим технологию съемки PushBroom.

5. Методы повышения эффективности алгоритма SPECK применительно к задаче сжатия телеметрических данных.

Научная новизна работы заключается в том, что:

1. Закон нелинейного переквантования сигналов линейного АЦП обоснован с позиций максимизации отношения сигнала к шуму в цифровом изображении.

2. Предложенный показатель, позволяющий априорно оценить уровень искажений первого рода, отвечает требованиям системного подхода и инвариантен к любым пространственно-частотным соотношениям, имеющим место в оптико-элетронном тракте (ОЭТ).

3. Предложенная методика, позволяющая определить рациональную степень сжатия изображений, учитывает пространственно-частотные соотношения в ОЭТ и основана на анализе микроструктуры компрессионных изображений с помощью автокорреляционных и структурных функций.

4. Обоснованный эффективный способ компрессии гиперспектральных видеоданных алгоритмом JPEG2000 сокращает расход бортовых вычислительных ресурсов. Способ применим к технологии съемки PushBroom и подразумевает компрессию видеоданных "гиперкуба" по его пространственно-спектральному сечению.

5. Предложенная модификация алгоритма компрессии SPECK, позволила применить его в видео-телеметрическом датчике. Суть доработки в разбиении поля вейвлет-коэффициентов на 16 частей (для конкретной задачи), что позволяет уменьшить объем вспомогательной памяти в 16 раз.

Достоверность полученных результатов обеспечивается:

-использованием в работе статистических методов, методов преобразования Фурье, корреляционного и структурного анализа, теорий вероятности, теории линейной фильтрации и оценки погрешностей; подтвеждается:

-результатами проведенных экспериментальных исследований.

Работа выполнялась в Московском физико-техническом институте (государственном университете). Тема диссертации связана с плановыми работами базового предприятия МФТИ НПО «Лептон».

Практическая значимость.

Предложенный показатель En позволяет повысить адекватность оценок уровня искажений первого рода в области низких значений (0.1—0.3) отношения раствора апертурной функции бортового оптического тракта к периоду дискретизации. Получена зависимость уровня потенциальных искажений от показателя En, позволяющая разработчикам оптико-электронной аппаратуры осуществлять рациональный выбор характеристик информационного тракта.

Предложенная методика определения рациональной степени сжатия изображений дает возможность минимизировать объем компрессионных данных при сохранении микроструктуры сжимаемых изображений, т.е. их качества.

Предложенный способ компрессии данных гиперспектрометра, сформированных по технологии съемки PushBroom позволяет сократить расход бортовых вычислительных ресурсов, требуемых на переупаковку видеоданных. Этот способ будет использован при создании в НПО «Лептон» перспективного космического гиперспектрометра.

Описанная в работе модификация алгоритма сжатия SPECK снизила объем вспомогательной памяти в 16 раз. Это позволило применить данный алгоритм в разработанном НПО «Лептон» видео-телеметрическом датчике, который устанавливается на спутник «Кондор». Датчик прошел все испытания и готов к применению.

Апробация работы, публикации.

Материалы диссертационной работы представлены на 14-ой и 15-ой Всероссийской научно-технической конференции «Современное телевидение» (Москва, 2006 и 2007г.); на ХЬУИ, ХЬУШ и ХЬУ1У научной конференции Московского Физико-Технического института (г. Долгопрудный Московской области, 2004, 2005 и 2006г.); на V научных чтениях имени М.К. Тихонравова, 2006.

По теме диссертационной работы опубликованы две статьи.

Внедрение и использование.

Результаты диссертационной работы внедрены в процессе разработки гиперспектрометра в НПО «Лептон» и видео-телеметрического датчика НПО «ЦНИИМаш».

Структура и объем работы.

Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы. Содержит 113 страниц текста, 42 рисунка, 2 таблицы. Список цитируемой литературы содержит 69 наименований.

5.4. Выводы.

Таким образом, в работе решена научно-техническая задача разработки и построения устройства сжатия телеметрической информации, выполняющего все сформулированные требования к ВТД. Предложенный модифицированный алгоритм БРШТ является выгодным компромиссом между быстродействием, простотой реализации и качеством компрессии.

Заключение.

В диссертационной работе получено новое решение актуальной научно-технической задачи, связанной с повышением эффективности применения методов обработки (компрессии) цифровых изображений для задач ДЗЗ. В ходе её решения основное внимание было уделено влиянию характеристик звеньев оптико-электронного тракта на эффективность применения методов компрессии. В ходе работы были получены следующие новые научные результаты:

1) Выбран и обоснован закон нелинейного переквантования цифровых видеоданных, сформированных линейным АЦП. Оптимальность выбора обосновывается минимизацией уровня суммарного шума оптико-электронного тракта. Данный метод компрессии позволяет значительно (в 1.5 раза) уменьшить объем передаваемых с борта КА наблюдения видеоданных. Проведена оценка степени ухудшения частного и агрегированного показателей качества изображений для выбранного закона. Априорные оценки, показали, что предложенный закон переквантования снижает частный показатель качества изображений (NE Ар) не более чем на 5%. Ухудшение агрегированного показателя, отражающего информативность оптико-электронного тракта (линейного разрешения на местности) не более 0,8%.

Априорные оценки степени ухудшения качества изображений подтверждены результатами апостериорных оценок, полученных при проведении физического эксперимента.

Точность апостериорных оценок составляла не хуже 5% при надежности не ниже 0.8.

2) Предложен новый показатель, позволяющий априорно оценить уровень искажений первого рода, возникающих в бортовой части оптико-электронного тракта КА наблюдения из-за неидеальности параметров анализирующей дискретизации.

Используемый ранее показатель а/А применим только для оптико-электронного тракта с результирующей апертурной функцией Гауссового вида, что не всегда выполняется.

Новый показатель Еп универсален, имеет ясную физическую интерпретацию, вычислим для любого вида апертурной функции и позволяет повысить адекватность оценок уровня искажений первого рода в области низких значений (0.1—0.3) отношения раствора апертурной функции бортового оптического тракта к периоду дискретизации.

Получена зависимость уровня потенциальных искажений от показателя Еп, позволяющая разработчикам оптико-электронной аппаратуры осуществить рациональный выбор характеристик тракта.

Проведен эксперимент, с помощью которого показано, что при проектировании ОЭТ оптимальным является значение Еп = 0.98.

3) Предложена методика, позволяющая определить рациональную степень сжатия изображений с помощью устройств компрессии на основе алгоритма 1РЕ02000.

Показано, что рациональный коэффициент сжатия существенно зависит от показателя Еп, определяющего степень исходной коррелированности сжимаемых изображений.

Разработан метод формирования тестовых изображений, позволяющий выявить потенциальные (максимально возможные) искажения при заданной степени сжатия.

Предложены показатели (радиус корреляции и структурная функция) для оценки качества сжатых изображений. Выявлено, что данные показатели резко изменяются в определенной области коэффициентов компрессии. В области этого резкого изменения рекомендовано выбирать рациональный коэффициент сжатия. Правильность такого выбора подтверждает проведенный в работе визуальный эксперимент. Установлена зависимость рационального коэффициента сжатия от предложенного показателя Еп. Так, например при Еп = 0.98 рациональный коэффициент сжатия составит К = 2.5.3.

Полученные результаты распространяются для изображений с аппаратным отношением сигнала к шуму более 3.

Выбранные показатели позволяют выявить механизм ухудшения качества изображения при различных уровнях компрессии. Так, при незначительных уровнях компрессии происходит изменение качества за счет добавления шумовой компоненты. Затем, при увеличении степени сжатия изменяется микромасштаб, т.е превалирует низкочастотная фильтрация.

4) Предложен способ компрессии к видеоданным, формируемым гиперспектрометром, использующим технологию съемки PushBroom.

Поскольку для измерительного прибора искажения видеоданных недопустимы, то алгоритм JPEG2000 рассматривался в режиме компрессии «без потерь».

Гиперспектрометр формирует гиперкуб данных, две координаты которого пространственные, а третья спектральная.

Компрессию можно применять к разным слоям куба:

-двухкоординатным узкоспектральным изображениям;

-однокоординатным многоспектральным изображениям.

Исследования показали, что в одном и в другом варианте коэффициент компрессии примерно одинаков, но для первого варианта из-за технологии съемки требуется дополнительный расход бортовых вычислительных ресурсов. При создании перспективного космического гиперспектрометра будет использован алгоритм JPEG2000 применительно к второму варианту входных данных.

5) Разработано и подготовлено к работе устройство компрессии телеметрических данных, используемое в видео-телеметрическом датчике спутника «Кондор».

Проведен анализ существующих методов компрессии на степень пригодности к применению в данном устройстве. Проведенный анализ показал, что ни один из методов в полной мере не может обеспечить заданных характеристик устройства сжатия.

Тем не менее после модификации наиболее подходящего алгоритма компрессии SPECK, поставленная задача была решена в полном объеме. Доработка заключалась в изменении механизма разбиения поля вейвлет-коэффициентов, что позволило снизить объем вспомогательной памяти в 16 раз.

Таким образом, полученные результаты позволяют повысить эффективность применения современных средств ДЗЗ видимого и блжнего РЖ диапазонов спектра в условиях ограничения пропускной способности информационного канала связи.

1. Аблеков В.К. и др. Высокоразрешающие оптические системы. М.: Машиностроение, 1985.- 172с.

2. Аванесов Г.А. Оперативные средства получения космической видеоинформации оптического диапазона/ Космические исследования земных ресурсов. М.: Наука, 1975. с. 24 - 34.

3. Акаев A.A., Майоров С. А. Оптические методы обработки информации. М.: Высшая школа, 1988. - 236с.

4. Астапов Ю.М. и др. Теория оптико-электронных следящих систем. -М.: Наука, 1988.-328с.

5. Баклицкий В.К. Методы фильтрации сигналов в корреляционно-экстремальных системах навигации. М.: Радио и связь, 1986 - 215с.

6. Барбе Дж. Приборы с зарядовой связью для формирования сигналов изображения. ТИИЭР, 1975, т. 63, N1, с.45.

7. Бобылёв В.И. Анализ и синтез космических систем мониторинга различных спектральных диапазонов. НИИ КС, докторская диссертация, 2000г.-340с.

8. Бобылёв В.И. Методика апостериорной оценки ЧКХ бортовой части ОЭТ по характеристике резкого края. Справка о депонировании статьи №14872, выпуск 5(32), серия А, 1991. 14с.

9. Бобылёв В.И. Результаты психофизического эксперимента по уточнению порогового отношения сигнала к шуму в изображении тест-объекта расширенных условий наблюдения. Международная научно-техническая конференция, тезисы доклада, г. Москва, 1993.

10. Борн М. Вольф Э. Основы оптики. М.:Наука, 1973. 713с.

11. Ватолин Дмитрий «Media Data Compression» Московский Государственный Университет CMC Graphics&Media Lab, 2003.

12. Ватолин Д., Ратушняк А., Смирнов М., Юкин В. «Методы сжатия данных. Устройство архиваторов, сжатие изображений и видео». Диалог-МИФИ, 2002.

13. Вентцель Е. С., Овчаров JI. А. Теория вероятностей и её инженерные приложения. М.: Наука, 1988. 475с.

14. Выгодский М. Я. Справочник по высшей математике. М.: Наука, 1986.

15. Гарбук C.B., Гершензон В.Е. Космические системы дистанционного зондирования Земли. M.: А и Б, 1997. - 324с.

16. Гудмен Дж. Введение в Фурье-оптику.: Пер. с англ. М.: Мир, 1988. - 528с.

17. Грязин Г.Н. Оптико-электронные системы для обзора пространства. -JL: Машиностроение, 1988.- 224с.

18. Зи С.М. Физика полупроводниковых приборов: Пер. с англ. М.: Энергия, 1973.-523 с.

19. Катыс Г.П. Обработка визуальной информации. М: Машиностроение, 1990. - 317с.

20. Кондратьев К. Я. И др. Влияние атмосферы на исследования природных ресурсов из космоса. М.: Машиностроение, 1985. - 271с.

21. Кондрашов В.Е., Королёв С.Б. MATLAB как система программирования научно-технических расчётов. М.: Мир, 2002. 334с.

22. Космонавтика: Энциклопедия. М.: Сов. энциклопедия, 1985. - 528с.

23. Креопалова Г. В. и др. Оптические измерения: Учебник для вузов. -М.: Машиностроение, 1987. 264с.

24. Куликов Е.И. Методы измерения случайных процессов. М.: Радио и связь, 1986.-270с.

25. Курков И. Н., Миленин Н. К. Высокочувствительные преобразователи свет-сигнал и камеры ЦТ. / Техника кино и телевидения, 1984, №5, с. 59.

26. Лансберг Г. С. Оптика. М.: Наука, 1976.

27. Лебедев А.А., Нестеренко О.П. Космические системы наблюдения. -М.: Машиностроение, 1991. 221с.

28. Ллойд Дж. Системы тепловидения. М.: Мир, 1978. 414с.

29. Мартинес Ф. Синтез изображений. М.: Радио и связь, 1990. - 191с.

30. Матвеев А. Н. Оптика. М.: Высшая школа, 1985. 351.

31. Математические методы и моделирование. / Под ред. Колмогорова А. Н., Новикова С.П. М.: Мир, 1989. - 382с.

32. Михельсон Н. Н. Оптические телескопы. М.: Наука, 1976. - 51 Ос.

33. Мирошников М. М. Теоретические основы оптико-электронных приборов. Л.: Машиностроение, 1983.

34. Мишин В.П. Механика космического полета. М.: Машиностроение, 1989.-401с.

35. Мосягин Г.М. и др. Теория оптико-электронных систем. М.: Машиностроение, 1990. - 431с.

36. Носов Ю.Р., Шилин В.А. Основы физики приборов с зарядовой связью. М.: Наука, 1986. - 318с.

37. Порфирьев Л. Ф. Основы теории преобразования сигналов в оптико -электронных системах. Учебник для приборостроительных специальностей вузов. Л.: Машиностроение, 1989. - 387с.

38. Пресс Ф. П. Формирователи видеосигнала на приборах с зарядовой связью. М.: Радио и связь, 1981. - 136с.

39. Прэтт У. Цифровая обработка изображений. Пер с англ. под ред. канд. техн. наук Д. С. Лебедева. М.: Мир, 1982.

40. Реконструкция изображений: Пер. с англ./ Под ред. Старка Г. М. Мир, 1992.-635с.

41. Савиных В.П., Соломатин В.А. Оптико-электронные системы дистанционного зондирования. М.: Недра,1995. - 314с.

42. Секен К., Томпсет М. Приборы с переносом заряда. М.: Мир, 1987. - 327с.

43. Сергеев B.B Анализ и обработка изображений, получаемых при наблюдениях Земли из космоса. Стенограмма научного сообщения на совместном семинаре ИСОИ РАН и Института компьютерных исследований СГАУ 18 апреля 2006 года.

44. Сикорский Д. А. "Метод оценки пороговой частотно-энергетической характеристики оптико-электронного тракта".//Электронный журнал "Исследовано в России", 112, стр. 1355-1368, 2003 г. http://zhural.ape.lerarn.ru/articles/2003/112.pdf

45. Сикорский Д. А., Бобылёв В. И. Разработка методики оценки показателя информативности оптико-электронного тракта видимого диапазона средств ДЗЗ. НПО "Лептой", ГР № Я679896; Инв. № 67773 (1 этап), 2003 г. -65с. (авт. 38с.).

46. Сикорский Д. А., Бобылёв В. И. Разработка методики оценки показателя информативности оптико-электронного тракта видимого диапазона средств ДЗЗ. НПО "Лептон", ГР № Я679786; Инв. № 67785 (2 этап), 2003 г. -83с. (авт. 38с.).

47. Сокол A.B. "Оптимизация алгоритма сжатия изображений JPEG 2000 с помощью подбора длины R-D кривых". Электронный журнал "Исследовано в России", 56, стр. 625-643,2005 г.

48. Справочник по приёмникам оптического излучения/ Волков В. А. и др.; под ред. Криксунова Л. 3. Киев: Техника, 1985. - 216с.

49. Турчак Л. И., Плотников П. В. Основы численных методов. М.: Физматлит, 2002.

50. Цифровая обработка телевизионных и компьютерных изображений./ Под ред. Зубарева Ю. Б. М.: Международный центр научной и технической информации, 1997. - 211с.

51. Шалыгин А. С., Палагин Ю. И. Прикладные методы статистического моделирования. Л.: Машиностроение, 1986. - 319с.

52. Ярославский Л. П. Цифровая обработка сигналов в оптике и галографии. М.: Радио и связь, 1987. - 393с.

53. Aleks Jakulin «Baseline JPEG and JPEG2000 Artifacts Illustrated», 20022004.

54. Ismail Avcibas «Statistical evaluation of image quality measures», Journal of Electronic Imaging 11(2), 206-223 (April 2002).

55. Jin Li «Image Compression the Mechanics of the JPEG 2000», Microsoft Research, Signal Processing, 2002.

56. J. Shapiro, «Embedded image coding using zerotree of wavelet coefficients», IEEE Trans. On Signal Processing, Vol. 41, pp. 3445-3462, Dec. 1993.

57. Asad Islam, William A. Pearlman «An embedded and efficient low-complexity hierarchical image coder».

58. Janet C. Rountree, Brian N. Web and Michael W. Marcellin «Simulating On-Board Compression with JPEG 2000», NASA.

59. James E. Fowler, Justin T. Rucker «3D wavelet-based compression of hyperspectral imagery», Hyperspectral Data Exploitation: Theory and Applications, 2007.

60. A.Said and W. Pearlman, «Image compression using the spatial-orientation tree», in IEEE Int. Symposium on Circuits and Systems, Chicago, IL, pp. 279-282, May 1993.

61. Feng Xiao «DCT-based Video Quality Evaluation», Final Project for EE392J, 2000.

62. Mike Wu, Sue Twelves «JPEG2000 Arithmetic Encoding on the StarCore SC 140», Rev 0, June 2001.

63. Michael W. Marcellin, Michael J. Gormish, Ali Bilgin, Martin P. Boliek «An Overview of JPEG2000», IEEE Data Compression Conference, pp. 523-541, 2000.

64. D.Taubman and A. Zakhor, «Multirate 3-D subband coding of video», IEEE Trans. Image Processing, vol. 3, no. 5, pp. 572-689, Sept. 1994.

65. David Taubman, Erik Ordentlich, Marcelo Weinberger «Embedded Block Coding in JPEG2000», Information Theory Research Group, February 2001.

66. Johen Schiewe, «Effect of Lossy Data Compression Techniques on Geometry And Information Content of Satellite Imagery», 4 Symposium on GIS, 1998.

67. Wenjun Zeng, Scott Daly and Shawmin Lei «An Overview of the Visual Optimization Tools in JPEG 2000», Signal Processing: Image Communication Journal, Vol. 17, no 1, October 2001.

68. Gregory K. Wallace. «The JPEG Still Picture Compression Standard». IEEE Transactions on Consumer Electronics, 1991.

69. Для компрессии видеоданных, получаемых от камеры видеотелеметрического датчика изделия 14Ф133, использовано программное обеспечение, разработанное по результатам диссертационной работы А.В.Сокола.кандидата технических наук.

70. Для перспективных оптико-электронных приборов высокого разрешения, а также для космических гиперспектральных камер, разрабатываемых в НПО «Лептон», использованы результаты диссертационной работы A.B. Сокола. •1. Заместитель генерального