ОСОБЕННОСТИ АЛГОРИТМОВ ЦИФРОВОЙ ОБРАБОТКИ ИЗОБРАЖЕНИЙ В ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫХ СИСТЕМАХ НОВОГО ПОКОЛЕНИЯ
АППАРАТНАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ АЛГОРИТМОВ ЦИФРОВОЙ ОБРАБОТКИ ИЗОБРАЖЕНИЙ В ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫХ СИСТЕМАХ
УДК 621.383
Ю. И. БЕЛОУСОВ, В. Т. ФИСЕНКО
ОСОБЕННОСТИ АЛГОРИТМОВ ЦИФРОВОЙ ОБРАБОТКИ ИЗОБРАЖЕНИЙ В ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫХ СИСТЕМАХ НОВОГО ПОКОЛЕНИЯ
Представлен подход к обобщению требований к алгоритмам цифровой обработки изображений как к одному из обязательных функциональных элементов обработки сигнала, участвующих в преобразованиях информации в оптикоэлектронных системах нового поколения. Изложены общие идеи относительно разработки и аппаратной реализации алгоритмов цифровой обработки и синтеза изображений, выработки исходных данных для них в форме фоноцелевых моделей и обоснования методов оценки качества алгоритмов обработки.
Ключевые слова: цифровая обработка изображений, оптико-электронные системы.
Цифровая обработка изображений является одной из наиболее стремительно развивающихся областей знаний. Количество алгоритмов и компьютерных программ цифровой обработки изображений столь велико, что вряд ли можно назвать конкретных авторов наиболее распространенных алгоритмов обработки, например, телевизионных изображений. Зачастую одновременно появляются сообщения о разработке схожих процедур преобразований цифровых массивов, которые в самом общем виде можно отнести к алгоритмам обработки изображений. Учитывая разнообразие целей, методов и аппаратных средств, а также отсутствие общепризнанных количественных критериев качества обработки изображений, следует согласиться с мнением, что „обработка изображений в большей степени прикладная технология, чем теоретическая наука“.
И хотя действительно трудно найти бесспорный количественный критерий качества обработки изображений, необходимость решения практических задач современного оптикоэлектронного приборостроения заставляет разработчиков создавать или выбирать вполне определенные алгоритмы обработки телевизионных и тепловизионных изображений. Процедура обработки изображения уже не выступает как дополнительная опция (что характерно для оптико-электронных систем, ОЭС, предыдущих поколений), но является непременной составляющей общей процедуры обработки сигнала в цепочке преобразований информации от ее регистрации фотоприемным устройством до предъявления оператору. Так же как и другие основные составляющие ОЭС, „удачная“ обработка изображений может существенно повысить эффективность всей системы, либо, наоборот, свести на нет успех в разработке и конструировании других функциональных узлов. Поэтому практика заставляет оценивать и выбирать алгоритмы обработки изображений исходя из их системной полезности и пригодности.
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2009. Т. 52, № 8
8 Ю. И. Белоусов, В. Т. Фисенко
Целесообразно определить роль и место самих ОЭС среди технических средств получения информации. В общих чертах задача ОЭС состоит в получении такой информации, которая позволила бы оператору делать надежный прогноз развития наблюдаемой ситуации, причем чем больше промежуток времени, на который дан надежный заблаговременный прогноз, тем лучше функционирует система в целом. Количественным критерием эффективности информационной системы может служить время такого прогноза, а надежность традиционно оценивается вероятностными характеристиками. Время заблаговременного прогноза развития ситуации должно быть больше, чем время, необходимое для принятия решения и выполнения оператором ответных упреждающих действий.
Такой подход годится для медицинских оптико-электронных приборов, для экологических дистанционных обследований и для военного применения ОЭС. Более того, такой подход применим и для большинства других технических средств, поэтому можно сравнивать эффективность различных по физическому принципу приборов, например, радиолокационных, гидроакустических и ОЭС обнаружения, ультразвуковых и тепловизионных приборов медицинской диагностики и т.д. Таким образом, обобщенным критерием эффективности информационных систем, и ОЭС в частности, можно принять время и надежность прогноза развития наблюдаемой ситуации или процесса.
Надежность прогноза обеспечивается в первую очередь достоверностью получаемой информации. Речь идет не о количественном (шенноновском) подходе к информации, а о содержательной структуре воспринимаемой оператором информации, которая понятна ему без дополнительной расшифровки, достоверна и не нуждается в перепроверке или уточнениях.
Понятие достоверности интерпретации информации наиболее просто можно представить в количественном виде в задачах, связанных с обнаружением, распознаванием и классификацией объектов, в которых может быть рассчитана или измерена соответствующая вероятность правильного решения задачи на данном иерархическом уровне принятия решений, время или дистанция, на которых такое решение принимается с заданной вероятностью. Более сложная трактовка понятия интерпретации информации присуща задачам, в которых оператор на основе содержательной структуры тепловизионного изображения выбирает один вариант решения из нескольких, и она характерна для медицинских, промышленных и экологических областей применения ОЭС.
В настоящее время повышение достоверности информации, получаемой с помощью современных ОЭС, напрямую связывается с увеличением их чувствительности и разрешающей способности. Однако для некоторых приложений этого уже сейчас недостаточно. В частности, для систем, имеющих несколько каналов, реализация потенциального преимущества (например, в многоспектральных ОЭС), наталкивается на проблему адаптации к текущим условиям приоритетов отличительных признаков, регистрируемых в разных каналах. Чаще всего выход находится в использовании дополнительной информации в виде количественных (радиометрических, фотометрических и др.) данных, которые непосредственным образом включаются в алгоритмы обработки информации.
В области военного применения ОЭС достоверность информации определяется не столько их пороговой чувствительностью, сколько помехозащищенностью, т.е. способностью выделять нужные объекты в присутствии сложных фоновых и организованных помех и маскировки целей. Поэтому прямое наращивание потенциальной пороговой чувствительности и разрешающей способности уже не дает пропорционального прироста эффективности ОЭС, поскольку одновременно возрастает вклад фоновых помех. Обработка изображений в этом случае чаще всего направлена на дискриминацию отображения тех деталей сюжета, которые априорно отнесены к помехам.
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2009. Т. 52, № 8
Особенности алгоритмов цифровой обработки изображений в ОЭС нового поколения
9
Благодаря малоальтернативному характеру принимаемых решений в области военного применения ОЭС существует возможность количественно оценивать эффективность обработки изображений вообще или сопоставлять между собой эффективность разных алгоритмов обработки изображений, например, телевизионных или тепловизионных. Критериями сравнения могут выступать либо время, требующееся оператору для принятия правильных решений по изображению без обработки и после обработки определенным способом, либо совокупность вероятностей правильных и ошибочных решений до и после обработки при прочих равных условиях и при использовании единых тестовых сюжетов. Поскольку исходно получение тепловизионных и телевизионных изображений ориентировано на их восприятие человеком, то для количественной оценки эффективности разных алгоритмов обработки изображений можно использовать все методы экспертных оценок времени и вероятности правильного обнаружения и распознавания тестовых объектов по их телевизионному изображению.
Два направления на пути создания ОЭС нового поколения можно очертить сегодня. Первое связано с расширением физических характеристик оптического поля, регистрируемых и привлекаемых к анализу отличительных признаков целей. Регистрация дополнительного устойчивого отличительного признака может дать качественный выигрыш в достоверности интерпретации получаемой информации. Именно таким путем может быть реализован переход к ОЭС следующего поколения.
Однако прямое наращивание количества объединяемых каналов многоспектральных ОЭС обусловливает столь существенное увеличение нагрузки на оператора, что при традиционных способах обработки и предъявления ему информации потенциальные возможности ОЭС не реализуются. Их эффективность ограничивается неспособностью оператора в течение длительного времени достоверно выделять нужные объекты в присутствии сложных естественных и искусственных помех, особенно при смене приоритета отличительных признаков целей и помех в изменяющихся условиях наблюдения. Преодоление этой проблемы составляет содержание второго направления при формировании облика ОЭС нового поколения.
Для реализации потенциальных возможностей перспективных ОЭС принципиально необходимо освободить оператора от рутинных операций и предъявлять ему необходимую и достаточную совокупность данных и прогнозов, на основании которой он с большей достоверностью принимает решения более высокого иерархического уровня в широком диапазоне изменяющихся условий наблюдения. Статьи [1, 2] в определенной степени описывают практические приемы, направленные на решение этой задачи. Ключевым моментом является процедура измерения скорости перемещения изображения цели в плоскости ее телевизионного изображения. Количественные данные позволяют прогнозировать (краткосрочно) маневры объекта и на основании совпадения или несовпадения результатов прогноза с текущим положением цели выносить решения более высокого уровня — от предварительной классификации до выработки параметров вектора движения цели.
В настоящее время технические возможности создания систем, получающих информацию об окружающей обстановке в разных диапазонах длин волн электромагнитного излучения, опережают теоретическую базу, обосновывающую наиболее эффективное использование этой информации. Современные системы ограничиваются лишь выбором того приоритетного спектрального канала, в котором в данный момент обеспечивается наибольшее отношение полезного сигнала к совокупности внешних и внутренних помех. Однако преимущества совместного автоматического анализа спектральных характеристик оптического поля потенциально значительно шире: он повышает помехоустойчивость многоспектральных ОЭС, позволяет оператору за более короткое время оценивать развитие наблюдаемой ситуации и более надежно прогнозировать ее развитие. Общая идея построения перспективной многоспектральной ОЭС состоит в том, чтобы вести непрерывную автоматическую обработку информации, поступающей по каждому из каналов, оповещать об отклонениях от нормы и
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2009. Т. 52, № 8
10 Ю. И. Белоусов, В. Т. Фисенко
одновременно обеспечивать возможность предъявления оператору исходной „картинки“ от любого из каналов для общей ориентации оператора в текущей обстановке. Результаты автоматической обработки в символьном виде отображаются на мониторах одновременно с традиционным телевизионным/тепловизионным изображением наблюдаемой обстановки. За счет этого резко снижается помеховая нагрузка на оператора, но не уменьшается надежность регистрации опасных целей или возникновения внештатных ситуаций. Кроме того, оператор сохраняет пространственную и временную ориентацию, может прогнозировать развитие ситуации. Качественное отличие от ОЭС предыдущего уровня состоит в том, что оператор может достоверно судить о степени возможной угрозы со стороны наблюдаемой цели при изменении условий наблюдения, когда изменяется приоритетность отличительных признаков целей в разных спектральных диапазонах.
Отличительная особенность ОЭС следующего поколения состоит в том, что при прочих равных условиях они позволяют решать более сложные задачи, т.е. принимать решения более высокого иерархического уровня. Если вопрос об обеспечении регистрации изображений, получаемых в разных спектральных каналах, может быть решен прямым конструктивным совмещением поля зрения и оптической оси различных каналов (как, например, в цветном телевидении), то обработка и представление этой информации традиционными способами принципиально не позволяют реализовать потенциальную эффективность ОЭС. Направленность статьи [3] свидетельствует о наличии резервов не только в элементной базе и схемотехнике, но и в области алгоритмов обработки сигналов при борьбе за повышение эффективности ОЭС.
Определяя место и роль процедуры обработки изображений как одной из ключевых функциональных составляющих ОЭС нового поколения, следует сделать вывод, что развитие алгоритмов обработки изображений должно иметь опережающий характер.
В настоящее время не существует общепринятых теоретически обоснованных методов создания алгоритмов обработки и предъявления оператору информации от нескольких спектральных каналов ОЭС с автоматической адаптацией критериев выбора и приоритетности отличительных признаков целей и помех в каждом из спектральных каналов при изменяющихся условиях наблюдения. Поэтому разработка цифровых алгоритмов автоматического распознавания с помощью многоспектральных оптико-электронных систем дистанционного зондирования динамических объектов сложной формы на фоне естественных и организованных помех носит характер экспериментальных поисков.
Оставляя в стороне (совершенно незаслуженно) проблемы творческого характера при разработке алгоритмов, следует обозначить еще три проблемы, несомненно, влияющие на реальное положение дел в данной области. Первая связана с качеством используемых исходных данных относительно тех изображений, которые должны обрабатываться новыми алгоритмами. Поскольку речь идет о перспективных системах, то разработчики алгоритмов не имеют возможности проверять свои решения на „реальных“ натурных данных. Аналитические модели фоноцелевой обстановки являются редким исключением и не удовлетворяют в полной мере по форме и содержанию разработчиков алгоритмов. В наиболее удачных моделях сделан акцент на физические аспекты формирования оптического поля, и они непригодны для простой формализации.
Вторая проблема связана с количественной оценкой качества алгоритмов обработки изображений, которая позволила бы судить как об эффективности применения данного алгоритма при решении круга конкретных задач, так и сравнивать несколько разных алгоритмов между собой. Возвращаясь к исходной посылке о том, что алгоритмы разрабатываются для новых ОЭС, следует констатировать: в настоящее время не наблюдается опережающего характера создания алгоритмической базы и как необходимого инструмента для этого — способов количественного сравнения между собой разных алгоритмов.
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2009. Т. 52, № 8
Особенности алгоритмов цифровой обработки изображений в ОЭС нового поколения 11
Третья проблема носит комплексный характер, и ее можно было бы в самых общих чертах обозначить следующим образом: „аппаратная реализация разработанных алгоритмов и сроки/процедура/критерии модернизации алгоритмов в реальных ОЭС“. Трудно найти границы необходимой и достаточной избыточности аппаратных средств, рассчитанные на предполагаемую модернизацию и усовершенствование алгоритмов (без замены физических устройств обработки информации).
На решение вопросов, связанных с обозначенными проблемами, направлена другая группа статей настоящего сборника. В статье [4] развивается аналитическая модель ИКизлучения взволнованной поверхности моря. Предшествующие исследования установили сугубо негауссов характер закона распределения флуктуаций ИК-излучения пригоризонтной области моря — обстоятельство, которое необходимо учитывать при разработке алгоритмов выделения пороговых сигналов в присутствии фоновых помех. Связь вида и параметров закона распределения флуктуаций фонового излучения с количественно измеряемыми параметрами условий наблюдения входит в совокупность исходных данных при разработке алгоритмов и моделировании работы ОЭС различного назначения.
Моделирование работы систем занимает важнейшее место при создании любых приборов и комплексов. На первоначальном этапе разработки систем нового поколения компьютерное моделирование работы ОЭС является единственным способом оценки эффективности тех или иных технических решений. Поэтому на разработчиков моделей такого рода воздействуют два обстоятельства. С одной стороны, ценность любой модели определяется ее достоверностью (валидностью), и удостовериться в степени соответствия модели реальным процессам можно лишь при сопоставлении с результатами натурных экспериментов. С другой стороны, сама возможность проведения натурного эксперимента (по определению) имеется только в перспективе. Кроме того, исходные данные для модели получены с помощью технических средств предыдущего поколения, как правило, более грубых по техническим параметрам. Поэтому разработчики должны отчетливо представлять (и уведомлять потребителя) о соотношениях между качественными зависимостями и количественными параметрами, которые можно прогнозировать с помощью используемых моделей функционирования ОЭС.
Непременным требованием является возможность корректировки тех данных, которые могут измениться или уточниться в реальных условиях. Две статьи [5, 6] посвящены описанию законченных программных продуктов, позволяющих в интерактивном режиме исследовать как качественные закономерности особенностей наблюдения морского дна c подводного аппарата, так и поверхности Земли с космического носителя телевизионной аппаратуры. Хотя предметы и методы исследования (моделирования) этих работ различны, их объединяет то, что они позволяют как визуально наблюдать изменяющуюся ситуацию, так и оперировать количественными значениями текущих параметров модели. Последнее позволяет использовать данные модели в качестве составляющих блоков в более крупных моделях.
Таким образом, при всем различии содержания статей настоящего сборника они направлены на достижении общей цели — разработку цифровых алгоритмов автоматической обработки изображений, оперативно адаптирующихся к текущим условиям наблюдения за счет оптимизации выбора критериев принятия решений и приоритетности отличительных признаков целей и помех, обеспечивающих повышение надежности прогнозов развития наблюдаемой обстановки и принятия оператором решений высокого иерархического уровня с большей достоверностью.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Фисенко В. Т., Вилесов Л. Д., Можейко В. И., Фисенко Т. Ю. Oбнаружение маневра объекта и прогнозирование его траектории в телевизионной следящей системе // Изв. вузов. Приборостроение. 2009. Т. 52, № 8. С. 12—19.
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2009. Т. 52, № 8
12 В. Т. Фисенко, Л. Д. Вилесов, В. И. Можейко, Т. Ю. Фисенко
2. Можейко В. И., Обухова Н. А., Тимофеев Б. С., Фисенко В. Т., Фисенко Т. Ю. Телевизионные методы сопровождения объектов в сложных условиях наблюдения // Изв. вузов. Приборостроение. 2009. Т. 52, № 8. С. 20—29.
3. Можейко В. И., Фисенко В. Т., Фисенко Т. Ю. Адаптивный метод ранговой многоканальной фильтрации для подавления шумов в цветных изображениях // Изв. вузов. Приборостроение. 2009. Т. 52, № 8. С. 30—37.
4. Белоусов Ю. И., Иванов Д. В. Учет характеристик флуктуаций фонового излучения пригоризонтной области моря в алгоритмах обработки сигналов инфракрасных приборов // Изв. вузов. Приборостроение. 2009. Т. 52, № 8. С. 43—49.
5. Шмидт В. К., Галикеев Г. Б., Горбацевич Ф. Ф., Кудрявцев А. С. Моделирование и визуализация локальных областей на поверхности Земли при наблюдении со спутника // Изв. вузов. Приборостроение. 2009. Т. 52, № 8. С. 53—57.
6. Кудрявцев А. С. Система отображения и наблюдения подводных сцен для тренажерного комплекса // Изв. вузов. Приборостроение. 2009. Т. 52, № 8. С. 49—52.
Юрий Иванович Белоусов Валерий Трофимович Фисенко
Сведения об авторах — д-р техн. наук, профессор; Центральный научно-исследовательский ин-
ститут „Комета“, Научно-проектный центр оптоэлектронных комплексов наблюдения, Санкт-Петербург; зам. директора; E-mail: lab6@eoss.ru — канд. техн. наук, доцент; Центральный научно-исследовательский институт „Комета“, Научно-проектный центр оптоэлектронных комплексов наблюдения, Санкт-Петербург; директор; E-mail: valery@eoss.ru
Рекомендована кафедрой оптико-электронных приборов
Поступила в редакцию 29.05.08 г.
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2009. Т. 52, № 8
УДК 621.383
Ю. И. БЕЛОУСОВ, В. Т. ФИСЕНКО
ОСОБЕННОСТИ АЛГОРИТМОВ ЦИФРОВОЙ ОБРАБОТКИ ИЗОБРАЖЕНИЙ В ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫХ СИСТЕМАХ НОВОГО ПОКОЛЕНИЯ
Представлен подход к обобщению требований к алгоритмам цифровой обработки изображений как к одному из обязательных функциональных элементов обработки сигнала, участвующих в преобразованиях информации в оптикоэлектронных системах нового поколения. Изложены общие идеи относительно разработки и аппаратной реализации алгоритмов цифровой обработки и синтеза изображений, выработки исходных данных для них в форме фоноцелевых моделей и обоснования методов оценки качества алгоритмов обработки.
Ключевые слова: цифровая обработка изображений, оптико-электронные системы.
Цифровая обработка изображений является одной из наиболее стремительно развивающихся областей знаний. Количество алгоритмов и компьютерных программ цифровой обработки изображений столь велико, что вряд ли можно назвать конкретных авторов наиболее распространенных алгоритмов обработки, например, телевизионных изображений. Зачастую одновременно появляются сообщения о разработке схожих процедур преобразований цифровых массивов, которые в самом общем виде можно отнести к алгоритмам обработки изображений. Учитывая разнообразие целей, методов и аппаратных средств, а также отсутствие общепризнанных количественных критериев качества обработки изображений, следует согласиться с мнением, что „обработка изображений в большей степени прикладная технология, чем теоретическая наука“.
И хотя действительно трудно найти бесспорный количественный критерий качества обработки изображений, необходимость решения практических задач современного оптикоэлектронного приборостроения заставляет разработчиков создавать или выбирать вполне определенные алгоритмы обработки телевизионных и тепловизионных изображений. Процедура обработки изображения уже не выступает как дополнительная опция (что характерно для оптико-электронных систем, ОЭС, предыдущих поколений), но является непременной составляющей общей процедуры обработки сигнала в цепочке преобразований информации от ее регистрации фотоприемным устройством до предъявления оператору. Так же как и другие основные составляющие ОЭС, „удачная“ обработка изображений может существенно повысить эффективность всей системы, либо, наоборот, свести на нет успех в разработке и конструировании других функциональных узлов. Поэтому практика заставляет оценивать и выбирать алгоритмы обработки изображений исходя из их системной полезности и пригодности.
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2009. Т. 52, № 8
8 Ю. И. Белоусов, В. Т. Фисенко
Целесообразно определить роль и место самих ОЭС среди технических средств получения информации. В общих чертах задача ОЭС состоит в получении такой информации, которая позволила бы оператору делать надежный прогноз развития наблюдаемой ситуации, причем чем больше промежуток времени, на который дан надежный заблаговременный прогноз, тем лучше функционирует система в целом. Количественным критерием эффективности информационной системы может служить время такого прогноза, а надежность традиционно оценивается вероятностными характеристиками. Время заблаговременного прогноза развития ситуации должно быть больше, чем время, необходимое для принятия решения и выполнения оператором ответных упреждающих действий.
Такой подход годится для медицинских оптико-электронных приборов, для экологических дистанционных обследований и для военного применения ОЭС. Более того, такой подход применим и для большинства других технических средств, поэтому можно сравнивать эффективность различных по физическому принципу приборов, например, радиолокационных, гидроакустических и ОЭС обнаружения, ультразвуковых и тепловизионных приборов медицинской диагностики и т.д. Таким образом, обобщенным критерием эффективности информационных систем, и ОЭС в частности, можно принять время и надежность прогноза развития наблюдаемой ситуации или процесса.
Надежность прогноза обеспечивается в первую очередь достоверностью получаемой информации. Речь идет не о количественном (шенноновском) подходе к информации, а о содержательной структуре воспринимаемой оператором информации, которая понятна ему без дополнительной расшифровки, достоверна и не нуждается в перепроверке или уточнениях.
Понятие достоверности интерпретации информации наиболее просто можно представить в количественном виде в задачах, связанных с обнаружением, распознаванием и классификацией объектов, в которых может быть рассчитана или измерена соответствующая вероятность правильного решения задачи на данном иерархическом уровне принятия решений, время или дистанция, на которых такое решение принимается с заданной вероятностью. Более сложная трактовка понятия интерпретации информации присуща задачам, в которых оператор на основе содержательной структуры тепловизионного изображения выбирает один вариант решения из нескольких, и она характерна для медицинских, промышленных и экологических областей применения ОЭС.
В настоящее время повышение достоверности информации, получаемой с помощью современных ОЭС, напрямую связывается с увеличением их чувствительности и разрешающей способности. Однако для некоторых приложений этого уже сейчас недостаточно. В частности, для систем, имеющих несколько каналов, реализация потенциального преимущества (например, в многоспектральных ОЭС), наталкивается на проблему адаптации к текущим условиям приоритетов отличительных признаков, регистрируемых в разных каналах. Чаще всего выход находится в использовании дополнительной информации в виде количественных (радиометрических, фотометрических и др.) данных, которые непосредственным образом включаются в алгоритмы обработки информации.
В области военного применения ОЭС достоверность информации определяется не столько их пороговой чувствительностью, сколько помехозащищенностью, т.е. способностью выделять нужные объекты в присутствии сложных фоновых и организованных помех и маскировки целей. Поэтому прямое наращивание потенциальной пороговой чувствительности и разрешающей способности уже не дает пропорционального прироста эффективности ОЭС, поскольку одновременно возрастает вклад фоновых помех. Обработка изображений в этом случае чаще всего направлена на дискриминацию отображения тех деталей сюжета, которые априорно отнесены к помехам.
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2009. Т. 52, № 8
Особенности алгоритмов цифровой обработки изображений в ОЭС нового поколения
9
Благодаря малоальтернативному характеру принимаемых решений в области военного применения ОЭС существует возможность количественно оценивать эффективность обработки изображений вообще или сопоставлять между собой эффективность разных алгоритмов обработки изображений, например, телевизионных или тепловизионных. Критериями сравнения могут выступать либо время, требующееся оператору для принятия правильных решений по изображению без обработки и после обработки определенным способом, либо совокупность вероятностей правильных и ошибочных решений до и после обработки при прочих равных условиях и при использовании единых тестовых сюжетов. Поскольку исходно получение тепловизионных и телевизионных изображений ориентировано на их восприятие человеком, то для количественной оценки эффективности разных алгоритмов обработки изображений можно использовать все методы экспертных оценок времени и вероятности правильного обнаружения и распознавания тестовых объектов по их телевизионному изображению.
Два направления на пути создания ОЭС нового поколения можно очертить сегодня. Первое связано с расширением физических характеристик оптического поля, регистрируемых и привлекаемых к анализу отличительных признаков целей. Регистрация дополнительного устойчивого отличительного признака может дать качественный выигрыш в достоверности интерпретации получаемой информации. Именно таким путем может быть реализован переход к ОЭС следующего поколения.
Однако прямое наращивание количества объединяемых каналов многоспектральных ОЭС обусловливает столь существенное увеличение нагрузки на оператора, что при традиционных способах обработки и предъявления ему информации потенциальные возможности ОЭС не реализуются. Их эффективность ограничивается неспособностью оператора в течение длительного времени достоверно выделять нужные объекты в присутствии сложных естественных и искусственных помех, особенно при смене приоритета отличительных признаков целей и помех в изменяющихся условиях наблюдения. Преодоление этой проблемы составляет содержание второго направления при формировании облика ОЭС нового поколения.
Для реализации потенциальных возможностей перспективных ОЭС принципиально необходимо освободить оператора от рутинных операций и предъявлять ему необходимую и достаточную совокупность данных и прогнозов, на основании которой он с большей достоверностью принимает решения более высокого иерархического уровня в широком диапазоне изменяющихся условий наблюдения. Статьи [1, 2] в определенной степени описывают практические приемы, направленные на решение этой задачи. Ключевым моментом является процедура измерения скорости перемещения изображения цели в плоскости ее телевизионного изображения. Количественные данные позволяют прогнозировать (краткосрочно) маневры объекта и на основании совпадения или несовпадения результатов прогноза с текущим положением цели выносить решения более высокого уровня — от предварительной классификации до выработки параметров вектора движения цели.
В настоящее время технические возможности создания систем, получающих информацию об окружающей обстановке в разных диапазонах длин волн электромагнитного излучения, опережают теоретическую базу, обосновывающую наиболее эффективное использование этой информации. Современные системы ограничиваются лишь выбором того приоритетного спектрального канала, в котором в данный момент обеспечивается наибольшее отношение полезного сигнала к совокупности внешних и внутренних помех. Однако преимущества совместного автоматического анализа спектральных характеристик оптического поля потенциально значительно шире: он повышает помехоустойчивость многоспектральных ОЭС, позволяет оператору за более короткое время оценивать развитие наблюдаемой ситуации и более надежно прогнозировать ее развитие. Общая идея построения перспективной многоспектральной ОЭС состоит в том, чтобы вести непрерывную автоматическую обработку информации, поступающей по каждому из каналов, оповещать об отклонениях от нормы и
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2009. Т. 52, № 8
10 Ю. И. Белоусов, В. Т. Фисенко
одновременно обеспечивать возможность предъявления оператору исходной „картинки“ от любого из каналов для общей ориентации оператора в текущей обстановке. Результаты автоматической обработки в символьном виде отображаются на мониторах одновременно с традиционным телевизионным/тепловизионным изображением наблюдаемой обстановки. За счет этого резко снижается помеховая нагрузка на оператора, но не уменьшается надежность регистрации опасных целей или возникновения внештатных ситуаций. Кроме того, оператор сохраняет пространственную и временную ориентацию, может прогнозировать развитие ситуации. Качественное отличие от ОЭС предыдущего уровня состоит в том, что оператор может достоверно судить о степени возможной угрозы со стороны наблюдаемой цели при изменении условий наблюдения, когда изменяется приоритетность отличительных признаков целей в разных спектральных диапазонах.
Отличительная особенность ОЭС следующего поколения состоит в том, что при прочих равных условиях они позволяют решать более сложные задачи, т.е. принимать решения более высокого иерархического уровня. Если вопрос об обеспечении регистрации изображений, получаемых в разных спектральных каналах, может быть решен прямым конструктивным совмещением поля зрения и оптической оси различных каналов (как, например, в цветном телевидении), то обработка и представление этой информации традиционными способами принципиально не позволяют реализовать потенциальную эффективность ОЭС. Направленность статьи [3] свидетельствует о наличии резервов не только в элементной базе и схемотехнике, но и в области алгоритмов обработки сигналов при борьбе за повышение эффективности ОЭС.
Определяя место и роль процедуры обработки изображений как одной из ключевых функциональных составляющих ОЭС нового поколения, следует сделать вывод, что развитие алгоритмов обработки изображений должно иметь опережающий характер.
В настоящее время не существует общепринятых теоретически обоснованных методов создания алгоритмов обработки и предъявления оператору информации от нескольких спектральных каналов ОЭС с автоматической адаптацией критериев выбора и приоритетности отличительных признаков целей и помех в каждом из спектральных каналов при изменяющихся условиях наблюдения. Поэтому разработка цифровых алгоритмов автоматического распознавания с помощью многоспектральных оптико-электронных систем дистанционного зондирования динамических объектов сложной формы на фоне естественных и организованных помех носит характер экспериментальных поисков.
Оставляя в стороне (совершенно незаслуженно) проблемы творческого характера при разработке алгоритмов, следует обозначить еще три проблемы, несомненно, влияющие на реальное положение дел в данной области. Первая связана с качеством используемых исходных данных относительно тех изображений, которые должны обрабатываться новыми алгоритмами. Поскольку речь идет о перспективных системах, то разработчики алгоритмов не имеют возможности проверять свои решения на „реальных“ натурных данных. Аналитические модели фоноцелевой обстановки являются редким исключением и не удовлетворяют в полной мере по форме и содержанию разработчиков алгоритмов. В наиболее удачных моделях сделан акцент на физические аспекты формирования оптического поля, и они непригодны для простой формализации.
Вторая проблема связана с количественной оценкой качества алгоритмов обработки изображений, которая позволила бы судить как об эффективности применения данного алгоритма при решении круга конкретных задач, так и сравнивать несколько разных алгоритмов между собой. Возвращаясь к исходной посылке о том, что алгоритмы разрабатываются для новых ОЭС, следует констатировать: в настоящее время не наблюдается опережающего характера создания алгоритмической базы и как необходимого инструмента для этого — способов количественного сравнения между собой разных алгоритмов.
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2009. Т. 52, № 8
Особенности алгоритмов цифровой обработки изображений в ОЭС нового поколения 11
Третья проблема носит комплексный характер, и ее можно было бы в самых общих чертах обозначить следующим образом: „аппаратная реализация разработанных алгоритмов и сроки/процедура/критерии модернизации алгоритмов в реальных ОЭС“. Трудно найти границы необходимой и достаточной избыточности аппаратных средств, рассчитанные на предполагаемую модернизацию и усовершенствование алгоритмов (без замены физических устройств обработки информации).
На решение вопросов, связанных с обозначенными проблемами, направлена другая группа статей настоящего сборника. В статье [4] развивается аналитическая модель ИКизлучения взволнованной поверхности моря. Предшествующие исследования установили сугубо негауссов характер закона распределения флуктуаций ИК-излучения пригоризонтной области моря — обстоятельство, которое необходимо учитывать при разработке алгоритмов выделения пороговых сигналов в присутствии фоновых помех. Связь вида и параметров закона распределения флуктуаций фонового излучения с количественно измеряемыми параметрами условий наблюдения входит в совокупность исходных данных при разработке алгоритмов и моделировании работы ОЭС различного назначения.
Моделирование работы систем занимает важнейшее место при создании любых приборов и комплексов. На первоначальном этапе разработки систем нового поколения компьютерное моделирование работы ОЭС является единственным способом оценки эффективности тех или иных технических решений. Поэтому на разработчиков моделей такого рода воздействуют два обстоятельства. С одной стороны, ценность любой модели определяется ее достоверностью (валидностью), и удостовериться в степени соответствия модели реальным процессам можно лишь при сопоставлении с результатами натурных экспериментов. С другой стороны, сама возможность проведения натурного эксперимента (по определению) имеется только в перспективе. Кроме того, исходные данные для модели получены с помощью технических средств предыдущего поколения, как правило, более грубых по техническим параметрам. Поэтому разработчики должны отчетливо представлять (и уведомлять потребителя) о соотношениях между качественными зависимостями и количественными параметрами, которые можно прогнозировать с помощью используемых моделей функционирования ОЭС.
Непременным требованием является возможность корректировки тех данных, которые могут измениться или уточниться в реальных условиях. Две статьи [5, 6] посвящены описанию законченных программных продуктов, позволяющих в интерактивном режиме исследовать как качественные закономерности особенностей наблюдения морского дна c подводного аппарата, так и поверхности Земли с космического носителя телевизионной аппаратуры. Хотя предметы и методы исследования (моделирования) этих работ различны, их объединяет то, что они позволяют как визуально наблюдать изменяющуюся ситуацию, так и оперировать количественными значениями текущих параметров модели. Последнее позволяет использовать данные модели в качестве составляющих блоков в более крупных моделях.
Таким образом, при всем различии содержания статей настоящего сборника они направлены на достижении общей цели — разработку цифровых алгоритмов автоматической обработки изображений, оперативно адаптирующихся к текущим условиям наблюдения за счет оптимизации выбора критериев принятия решений и приоритетности отличительных признаков целей и помех, обеспечивающих повышение надежности прогнозов развития наблюдаемой обстановки и принятия оператором решений высокого иерархического уровня с большей достоверностью.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Фисенко В. Т., Вилесов Л. Д., Можейко В. И., Фисенко Т. Ю. Oбнаружение маневра объекта и прогнозирование его траектории в телевизионной следящей системе // Изв. вузов. Приборостроение. 2009. Т. 52, № 8. С. 12—19.
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2009. Т. 52, № 8
12 В. Т. Фисенко, Л. Д. Вилесов, В. И. Можейко, Т. Ю. Фисенко
2. Можейко В. И., Обухова Н. А., Тимофеев Б. С., Фисенко В. Т., Фисенко Т. Ю. Телевизионные методы сопровождения объектов в сложных условиях наблюдения // Изв. вузов. Приборостроение. 2009. Т. 52, № 8. С. 20—29.
3. Можейко В. И., Фисенко В. Т., Фисенко Т. Ю. Адаптивный метод ранговой многоканальной фильтрации для подавления шумов в цветных изображениях // Изв. вузов. Приборостроение. 2009. Т. 52, № 8. С. 30—37.
4. Белоусов Ю. И., Иванов Д. В. Учет характеристик флуктуаций фонового излучения пригоризонтной области моря в алгоритмах обработки сигналов инфракрасных приборов // Изв. вузов. Приборостроение. 2009. Т. 52, № 8. С. 43—49.
5. Шмидт В. К., Галикеев Г. Б., Горбацевич Ф. Ф., Кудрявцев А. С. Моделирование и визуализация локальных областей на поверхности Земли при наблюдении со спутника // Изв. вузов. Приборостроение. 2009. Т. 52, № 8. С. 53—57.
6. Кудрявцев А. С. Система отображения и наблюдения подводных сцен для тренажерного комплекса // Изв. вузов. Приборостроение. 2009. Т. 52, № 8. С. 49—52.
Юрий Иванович Белоусов Валерий Трофимович Фисенко
Сведения об авторах — д-р техн. наук, профессор; Центральный научно-исследовательский ин-
ститут „Комета“, Научно-проектный центр оптоэлектронных комплексов наблюдения, Санкт-Петербург; зам. директора; E-mail: lab6@eoss.ru — канд. техн. наук, доцент; Центральный научно-исследовательский институт „Комета“, Научно-проектный центр оптоэлектронных комплексов наблюдения, Санкт-Петербург; директор; E-mail: valery@eoss.ru
Рекомендована кафедрой оптико-электронных приборов
Поступила в редакцию 29.05.08 г.
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2009. Т. 52, № 8