Электронная библиотека Веда
Цели библиотеки
Скачать бесплатно
Доставка литературы
Доставка диссертаций
Размещение литературы
Контактные данные
Я ищу:
Библиотечный каталог российских и украинских диссертаций

Вы находитесь:
Диссертационные работы России
Технические науки
Оптические приборы и системы

Диссертационная работа:

Сивяков Игорь Николаевич. Исследование информационных возможностей оптико-электронных систем наблюдения : диссертация ... кандидата технических наук : 05.11.07 / Сивяков Игорь Николаевич; [Место защиты: ГОУВПО "Санкт-Петербургский государственный университет информационных технологий, механики и оптики"]. - Санкт-Петербург, 2008. - 117 с. : 22 ил.

смотреть содержание
смотреть введение
Содержание к работе:

Введение

  1. Цель работы 4

  2. Постановка задачи 4

  3. Актуальность проблемы 5

  4. Научная новизна и значимость работы 6

  5. Защищаемые положения 7

  6. Практическая полезность работы и внедрение 7

  7. Апробация работы 8

  8. Публикации 9

  9. Структура диссертации 9

Глава 1. Литературный обзор

1.1. Качество изображения 11

1.2. Регистрация изображения оптико-электронной системой 13

  1. Общая схема регистрации изображения оптико-электронной системой 13

  2. Влияние атмосферы 16

  3. Оптическая система 16

  4. Смаз 21

  5. Фотоприёмное устройство. Дискретизация и квантование 22

  6. Визуализация 27

1.3. Модель фотопроцесса

  1. Линейное звено фоторегистрации 28

  2. Нелинейное звено фоторегистрации 29

  3. Шум фоторегистрации 3О

1.4. Апостериорная обработка

  1. Зрительное восприятие 36

  2. Выводы по главе 43

Глава 2. Разработка вероятностной модели опознавания изображения

  1. Вероятность распознавания двух зашумленных изображений 44

  2. Оптимизация параметров системы по максимуму информации, 49

содержащейся в изображении

2.3. Вероятность опознавания изображений в присутствии аддитивно- 54

мультипликативного шума

2.4. Вероятность опознавания изображений в случае 65

многоальтернативной задачи

  1. Качество изображения. 67

  2. Модель зрительного восприятия 73

  3. Расчёт разрешения для систем с дискретизацией 76

  4. Выводы по главе 82

Глава 3. Экспериментальное исследование зрительного восприятия человека-наблюдателя

  1. Методика эксперимента 83

  2. Результаты психофизического эксперимента 87

  1. Временные характеристики опознавания размытых изображений 87

  2. Опознание размытых зашумленных изображений 88

  3. Улучшение опознания размытых изображений при наложении шума 92

  1. Сопоставление результатов эксперимента с модельными расчётами 94

  2. Зрительное восприятие дискретизованных изображений 97

  3. Выводы по главе 108

Заключение 110

Литература 112

Приложение1 118

Приложение2 ПриложениеЗ Приложение4 Приложение5

Введение к работе:

1. Цель работы.

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

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

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

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

2. Постановка задачи.

Рассматривались чёрно-белые или монохроматические неподвижные плоские изображения.

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

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

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

Зі Актуальность проблемы.

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

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

балансе между степенью размытия и уровнем шума на изображении приобретает решающее значение.

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

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

4. Научная новизна и значимость работы.

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

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

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

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

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

Разработан метод определения максимальной вероятности правильного опознавания изображений в присутствии аддитивно-мультипликативного гауссова шума. Показано, что полученные формулы сводятся к известным ранее зависимостям при чисто аддитивном и

чисто мультипликативном шуме, как к частным случаям при предельных значениях параметров.

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

5. Защищаемые положения.

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

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

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

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

6. Практическая полезность работы и внедрение.

Результаты исследования позволяют численно оценивать информационные возможности изображения в условиях, приближенных к условиям его реального использования. Это в свою очередь позволяет оптимизировать условия первичной регистрации с учётом и без учёта апостериороной обработки, сравнивать между собой

различные системы первичной регистрации, оптимизировать их параметры, оптимизировать

условия предъявления изображений наблюдателю, в частности, выбор параметров

I апостериорной обработки. Сопоставление предельных информационных возможностей и

* информационных возможностей при дешифрировании изображений человеком позволяет

оценить целесообразность апостериорной обработки и её эффективность.

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

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

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

7. Апробация работы.

; Результаты работы докладывались на 7 международных и всесоюзных конференциях:

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

  2. "Расчетный анализ эффективности апостериорной обработки изображений" в соавторстве с Березиным Н.П. с публикацией тезисов в сборнике "Всесоюзная

I конференция "Оптическое изображение и регистрирующие среды" (27-29 апреля

1982г) Тезисы докладов" Ленинград, 1982, с. 143.

3. "Анализ предельных информационных возможностей обработки изображений" без
' соавторов с публикацией тезисов в сборнике "Y Всесоюзная школа по оптической

обработке информации (15-21 октября 1984г) Тезисы докладов", Киев, 1984, с.173-
1 174.

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

; докладов", Рига, 1985, с.338-339.

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

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

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

8. Публикации.

Материалы диссертации опубликованы в 18 печатных работах.

9. Структура диссертации.

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

Во введении обозначена цель работы, поставлена задача, обоснованы актуальность, научная новизна, значимость и практическая полезность работы, перечислены защищаемые положения, а также кратко излагается содержание разделов диссертации.

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

Во второй главе содержится разработка вероятностной модели процесса опознавания-изображения. Обосновывается оценка минимальной вероятности ошибки и максимальной вероятности правильного распознавания двух изображений в присутствии аддитивного нормального шума. Приводятся примеры оптимизации параметров фотографической системы по максимуму информации, содержащейся в изображении. Рассматривается вероятность распознавания изображений в присутствии аддитивно-мультипликативного

10 нормального шума. Исследуется поведение полученных формул в зависимости от изменения параметров модели шума. Продемонстрирован переход этих формул в известные ранее выражения для чисто аддитивного и чисто мультипликативного шума при предельных значениях этих параметров. Выведены формулы для определения максимальной вероятности распознавания изображений в случае многоальтернативной задачи в присутствии аддитивного нормального шума. Внесены предложения по оценке качества изображений, сформированных системами с немонотонными передаточными характеристиками, а также по оценке целесообразности и эффективности апостериорной обработки. Проанализирован процесс принятия решения человеком-дешифровщиком о том, что предъявленное ему изображение штриховой миры разрешается и внесены предложения по расширению существующего понятия «разрешающая способность» на системы с немонотонными передаточными характеристиками и, в частности, на оптико-электронные системы наблюдения. Предложена математическая модель распознавания человеком-наблюдателем размытых зашумленных изображений малоразмерных малоконтрастных объектов, предъявляемых без лимита времени.

В третьей главе описывается проведённое экспериментальное исследование зрительного восприятия человеком-наблюдателем малоразмерных малоконтрастных размытых и зашумленных изображений. Описывается методика эксперимента. Приводятся-результаты психофизического эксперимента, а именно временные характеристики опознавания размытых незашумленных изображений, результаты опознания размытых зашумленных изображений, описывается обнаруженный в ходе эксперимента неизвестный ранее эффект повышения вероятности опознания размытых изображений при наложении шума. Проведено сопоставление результатов эксперимента по распознаванию четырёх размытых зашумленных объектов с модельными расчётами по приведённым во второй главе формулам для максимальной вероятности верного распознавания в случае многоальтернативной задачи, а также результатов эксперимента по распознаванию двух размытых зашумленных объектов с модельными расчётами по приведённым во второй главе формулам, соответствующим предложенной модели «реального наблюдателя». В случае сопоставления результатов эксперимента с моделью «реального наблюдателя» расхождение лежит в пределах погрешности эксперимента. В случае четырёхальтернативной задачи расхождение между расчётными и экспериментальными данными можно объяснить упрощениями, принятыми в модели с целью уменьшить громоздкость расчётов. Анализируется специфика зрительного восприятия дискретизованных изображений.

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

Подобные работы
Чуйкин Валентин Михайлович
Исследование возможности использования многоспектрального тепловизора "Терма-2" для мониторинга нефтепроводов и обнаружения несанкционированного доступа к ним
Михеев Сергей Васильевич
Исследование оптико-электронной системы контроля положения объекта методом триангуляции
Горбачёв Алексей Александрович
Исследование особенностей построения оптико-электронной системы контроля деформаций плавающего дока
Шилин Александр Николаевич
Оптико-электронные системы контроля геометрических параметров оболочек вращения в процессе их формообразования
Прокофьев Александр Валерьевич
Исследование особенностей построения автоколлимационных оптико-электронных систем контроля соосности с оптической равносигнальной зоной
Демидов Владимир Михайлович
Методы и средства цифровой коррекции изображения в оптико-электронных системах визуализации
Меламед Ольга Петровна
Математическая модель сигналов в оптико-электронных системах при дистанционном зондировании земной поверхности из космоса
Бузян Артем Тимофеевич
Исследование оптико-электронных систем измерения деформаций элементов конструкции полноповоротного радиотелескопа
Чжан Хань
Исследование оптико-электронных систем измерения параметров пространственной ориентации перемещаемых объектов
Краснящих Андрей Владимирович
Разработка и исследование оптико-электронной системы измерения деформации крупногабаритных инженерных сооружений

© Научная электронная библиотека «Веда», 2003-2013.
info@lib.ua-ru.net