WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 | 3 |

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 устройствателевидения»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

Москва – 2007 2

Работа выполнена в Московском физико-техническом институте.

Научный руководитель – доктор технических наук, Бобылёв Валерий Иванович

Официальные оппоненты: 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 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.

Учёный секретарь диссертационного совета Кандидат технических наук, доцент Петров В.Г.

3

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, т.к. 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 научнотехническую 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 / применим только в случае, когда результирующая апертурная функция оптикоэлектронного 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 научнотехнической задачи, связанной с рациональным выбором коэффициента компрессии алгоритма сжатия JPEG2000, 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-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 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 подтверждённых 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 оптикоэлектронной 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» видео-телеметрическом 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 ФизикоТехнического 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 видео-телеметрического датчика НПО «ЦНИИМаш». Получено два акта о реализации.

Структура и объём работы.

Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения и списка цитируемой литературы. Содержит 111 страниц текста, 42 рисунка, 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 п с пуассоновским законом распределения, 2) собственный аддитивный шум матрицы ПЗС с, 3) шум квантования уровней АЦП ацп.

Дисперсия суммарного шума, выраженная в эквивалентных электронах, описывается формулой 2(U) = U + 2 + (i)2 / 12, (1) с где U = п2 – среднее количество информационных электронов, накопленных в потенциальной яме элемента фотоприемника, (i): i = 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 (U), отражающий степень увеличения суммарного шума в некоторой точке динамического диапазона (U) = i (U)/ лин (U), (2) где лин (U) – суммарный шум до применения переквантования.

В работе рассматривается ряд законов переквантования следующего вида:

i = A + B·in, n = 0.5; 1; 1.5; 2; 3. (3) На рис. 1. представлены графики зависимостей (U) для выбранных n.

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

Pages:     || 2 | 3 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»