Метод оценки линейного разрешения на пиксель цифровых аэрофотосистем при различном угловом положении штриховой миры относительно приемника оптического излучения

УДК 629.7

МЕТОД ОЦЕНКИ ЛИНЕЙНОГО РАЗРЕШЕНИЯ НА ПИКСЕЛЬ ЦИФРОВЫХ АЭРОФОТОСИСТЕМ ПРИ РАЗЛИЧНОМ УГЛОВОМ

ПОЛОЖЕНИИ ШТРИХОВОЙ МИРЫ ОТНОСИТЕЛЬНО ПРИЕМНИКА ОПТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

А. С. Молчанов

Представлен способ расчета оценки линейного разрешения на пиксель цифровых аэрофотосистем при различном угловом положении штриховой миры относительно приемника оптического излучения при проведении летных (натурных) испытаний, в также выводы из результатов исследования амплитудного пространственно-частотного спектра изображения прямоугольной штриховой миры и результаты лабораторных и летных испытаний по определению линейного разрешения на пиксель цифровых аэрофотосистем при различном угловом положении штриховой миры относительно приемника оптического излучения.

Ключевые слова: аэрофотосистема, линейное разрешение, методика, пиксель, тест-объект, фотоизображение.

В последнее время при проведении летных испытаний цифровых аэрофотосистем (ЦАФС) необходимо получить количественную оценку линейного разрешения на местности на пиксель, заданную в тактико-техническом задании [1, 2]. Под ЦАФС понимаются системы использующие в качестве приемника оптического излучения (ПОИ) приборы, предназначенные для преобразования энергии оптического излучения в электрический сигнал, такие как фоточувствительные приборы с переносом заряда (ФППЗ), фоточувствительные приборы с зарядовой связью (ФПЗС) и КМОП фотоприёмники (комплементарная структура металл-оксид-проводник) [3].

В настоящее время в соответствии с нормативно-техническими документами системы общих технических требований перед принятием в эксплуатацию каждого типа ЦАФС военного назначения проводятся их летные испытания, целью которых является подтверждение заданных в тактико-техническом задании характеристик и выдача рекомендаций о принятии образца на вооружение (снабжение) и постановке на серийное производство [1, 3-5]. Существующие методы испытаний предусматривают аэрофотографирование участка аэроландшафта с расположенными на нем мирами (тест-объектами). Затем группа дешифровщиков дает экспертную оценку качества и определяет по действующим методикам величину линейного разрешения ЦАФС [3].

Наземные штриховые миры содержат наборы групп штрихов различных пространственных частот. Каждая группа состоит не менее чем из двух светлых и трех темных штрихов; ширина и длина штрихов в пределах каждой группы остаются постоянными; отношение длины штриха к его ширине составляет не менее 5:1; ширина штрихов в соседних группах изменяется в раз; расстояние между группами штрихов миры составляет не меньше ширины штриха большей группы.

338

Рис. 1. Штриховые миры видимого диапазона

Из ряда изображений миры находят предельно разрешаемую группу. Это одна из самых сложных в методическом отношении операций. Предельно разрешенной считают ту наивысшую по частоте группу штрихов миры в фотографическом изображении, в которой можно отчетливо сосчитать полное число штрихов [6]. Предельно разрешенной группу штрихов в изображении считают ту, в которой:

все светлые полосы одной группы полос различимы; имеется визуальное восприятие разницы в уровне серого тона на экране между каждой светлой полосой и соседними с ней темными полосами или полосами по значительной части всей длины полосы.

Пространственно-частотные спектры различного вида мир определяются в соответствии с Фурье-преобразованием функции лучистости. Для светлого участка миры b(Jx ,Jy), смещенного на x°, y° относительно другого

светлого участка, Фурье-преобразование функции лучистости которого известно и равно b0(Jx, J ), определяется следующим образом:

,Jy) = bo

Амплитудный спектр штриховой миры в этом случае имеет вид [3,

6]:

b

y 2pJxnd mJy cos 7tJxd

где a и d - линейные размеры штриха миры, представленной на рис. 2; n -число светлых участков миры.

Рис. 2. Штриховая мира с чередующимися белыми и черными штрихами, равностоящими друг от друга

339

Если исследовать выражение амплитудного спектра на экстремум, то максимумы его значений получаются при следующих значениях пространственных частот З и З :

Г х у

Зз = 01б(ЗХ ,ЗУ)=¿(0,0)=Б0пас1

З =± —

X ^

2а

З = 0

1 2

Ь(Зх,Зу) = Ь(±—;0) = -БоПаС . 2С р

Один квадрант модуля пространственно-частотного спектра функции лучистости штриховой миры представлен на рис. 3.

Рис. 3. Амплитудный пространственно-частотный спектр изображения прямоугольной штриховой миры

Из выражения (2) можно получить формулы для пространственно-частотных спектров 2-, 3-, и 4-х штриховых мир.

Выражение для нормированного спектра двухштриховой миры (рис. 4, а) имеет вид [3, 6, 7]:

Ь 2 (З,З) =

2 норм V х ' у /

Бт 4рЗ Ь бШ ЗуА

1

4рЗ Ь З А соб рЗЬ

БтрЗЬ втрЗ А

соб 2рЗ Ь

рЗ Ь

рЗ А

у

а

б

Рис. 4. Штриховая мира с чередующимися равностоящими белыми

и черными штрихами

Одномерный разрез этой функции по оси представлен на рис. 5 (кривая 2).

в

Выражение для нормированного спектра трёхштриховой миры (рис. 4б) имеет вид [3, 6, 7]:

, /Q sin6pJbsin JyA 1 sin 3Jb Г .. JyA

b 3 (J, J) =----y--=-— l2cos2pJb -11 sin——

3 норм x y 6Jb J A cos pJb 3Jb x J A

x y x x y

График одномерного разреза нормированного спектра трехштрих вой миры изображен на рис. 5 (кривая 3).

Наконец, выражение для спектра четырехштриховой миры (рис. 4в) имеет вид [3, 6]:

sin 8J b sin pJ A 1 sin pJ b sin pJ A

b4 J J ) ^ - -y--1-= x-cos 2pJ b

4норм x y 8pJb pJ A cos pJ b pJb pJ A x

y y

График одномерного разреза такой функции изображён на рис. 5 (кривая 4).

Рис. 5. Графики нормированного спектра для 2-, 3-, и 4-х

штриховых мир

Из графиков спектров (рис. 5) видно, что частотный спектр таких мир группируется вокруг нечётных гармоник, в то время как четные гармоники равны нулю. Из анализа графиков спектров и их выражений видно, что с возрастанием числа штрихов в мире пик вокруг основной частоты

$о = — становится уже, а форма спектра все больше приближается к фор-о 2 <

ме спектра, представленной на рис. 5. Максимальная амплитуда в спектре двухштриховой миры появляется на частоте, меньшей основной частоты , но по мере возрастания штрихов в мире максимум все ближе придвигается к основной частоте.

Различные участки пространственно-частотного спектра вносят свой вклад в общее построение изображений пространственных частот.

Низкочастотные составляющие пространственно-частотного спектра несут основную информацию о больших распределениях лучистости, крупных деталях, больших штрихов группы миры и равномерных участках в изображении. Среднечастотные составляющие пространственно-частотного спектра сигналов имеют большое значение для правильного тоновоспроизведения. Высокочастотные составляющие пространственно-

частотного спектра сигналов играют основную роль при воспроизведении мелких деталей, меньших штрихов группы миры, резких переходов и контуров изображений.

Пространственные сигналы, верхние частоты которых воспроизводятся без искажений, а среднечастотные составляющие ослаблены, будут создавать изображения с уменьшенным количеством градаций.

Если низкие и средние частоты сигналов воспроизводятся без искажений, а ослаблены высокочастотные составляющие, то в полученных изображениях будут плохо переданы мелкие детали и резкие границы, что эквивалентно изображениям с низким линейным разрешением.

Испытания проводились в два этапа: 1 этап - лабораторные испытания; 2 этап - летные испытания. Лабораторные испытания проводились путем визуального анализа изображений штриховой миры видимого диапазона (рис. 6), расположенной при различном угловом положении, полученных в наземных лабораторных условиях ЦАФС. По каждому изображению оценены значения линейного разрешения на местности на пиксель (ЛРМП) ЦАФС. Результаты испытаний были подвергнуты статистической обработке: определены оценки математического ожидания, среднеквадра-тического отклонения и интервальные оценки ЛРМП. Доверительные интервалы для математического ожидания ЛРМП оценивались с использованием распределения Стьюдента по уровню значимости а=0,05, пороговой (критической) вероятности ошибки, заключающейся в отклонении (не принятии) нулевой гипотезы, когда она верна. С точки зрения дешифров-щика это вероятность совершения статистической ошибки первого рода -ошибки того, что различия сочтены существенными, а они на самом деле случайны [8]. Статистические характеристики результатов эксперимента представлены в табл. 1.

Рис. 6. Штриховая мира видимого диапазона при выполнении

лабораторных испытаний

Из табл. 1 следует, что для всех вариантов фокусных расстояний ЦАФС среднее значение ЛРМП:

определенное по продольным группам штрихов миры лучше (меньше) на 28 % (0,0087 м), чем определенное по поперечным группам штрихов миры;

определенное по продольным группам штрихов миры лучше (меньше) на 8 % (0,002 м), чем определенное по группам штрихов миры под углом 45°;

определенное по группам штрихов миры под углом 45° лучше (меньше) на 22 % (0,0068 м), чем определенное по поперечным группам штрихов миры.

Доверительные интервалы оценок математического ожидания ЛРМП пересекаются в 47% случаях, то есть истинные значения ЛРМП, полученные для различных групп штрихов могут совпадать.

Таблица 1

Статистические характеристики результатов эксперимента

I, мм Тип группы штрихов миры шь оь

18 Продольные штрихи 0,022 0,0070

Поперечные штрихи 0,030 0,0094

Штрихи под углом 45° 0,023 0,0031

50 Продольные штрихи 0,023 0,0051

Поперечные штрихи 0,031 0,0044

Штрихи под углом 45° 0,028 0,0064

100 Продольные штрихи 0,021 0,0027

Поперечные штрихи 0,029 0,0064

Штрихи под углом 45° 0,027 0,0028

135 Продольные штрихи 0,022 0,0056

Поперечные штрихи 0,033 0,0049

Штрихи под углом 45° 0,024 0,0074

При проведении летных испытаний выполнена аэросъемка штриховой миры (рис. 7) при заданных значениях высоты и курса полета носителя в пределах ±10° от линии, перпендикулярной и параллельной направлению полета, при отсутствии объектов, затеняющих поверхность участка, выполнен автоматизированный анализ изображений миры и оценивание линейного разрешения на пиксель ЦАФС, проведенная после предварительной обработки, выделения и отбора фрагментов с изображением штриховой миры, проведения анализа изображения путем последовательного считывания изображения каждой группы штрихов с различными значениями пространственных частот по всей его длине на автоматизированном рабочем месте средств визуализации изображений операторами-дешифровщиками [3, 6].

Задача оценивания ЛРМ на пиксель ЦАФС достигается в определении предельно распознанной группы штрихов, в которой все штрихи наблюдаются раздельно по всей их длине, увеличении изображения распознанной группы штрихов штриховой миры до предельного значения, когда отображается структура наименьшего элемента разрешения - пикселя, проведении подсчета числа пикселей, укладывающихся между белыми штрихами миры, определении величины расстояния, равной одному пикселю, укладывающуюся между белыми штрихами миры распознанной группы штрихов. За окончательную величину линейного разрешения на пиксель принимается среднее арифметическое значение, полученное всеми дешифровщиками по всем дешифрированным изображениям.

343

Рис. 7. Увеличенный фрагмент штриховой миры видимого

диапазона

Увеличить изображение распознанной группы штрихов штриховой миры до предельного значения, когда отображается структура наименьшего элемента разрешения - пикселя. Для каждой группы штрихов миры по строке пикселя строится переходная функция на основе измерения количества градаций яркости (в дальнейшем - градаций серого) или полутонов, которыми и создается изображение. Интервал градаций строится на основе получаемого изображения от белого к черному.

Рис. 8. Увеличенный фрагмент штриховой миры видимого диапазона

Для повышения объективности оценок ЛРМ на пиксель переходная функция окончательно вычисляется как среднее значение полученных переходных кривых, полученных по всей длине штриха (по строке пикселя).

Полученные средние значения переходных кривых представлен на рис. 9. Как видно из рисунка каждой группе штрихов миры соответствует своя переходная кривая от черного к белому.

\ /

V /

— V —. у

ч / 17°/

V / 51°>

—0 ?- 73 %

и, ^м

Рис. 9. Значения переходных кривых для групп штрихов

344

В качестве критериев оценивания могут использоваться глубина модуляции, глубина (размах) переходной кривой и др.

Глубина модуляции АК выходного сигнала, характеризует контраст тест-объекта, нормированный к единице на нулевой пространственной частоте:

л^ L -L .

Д Tf _ max_mm

~ L + L . ,

max mm

где Lmax, Lmin - максимальная и минимальная яркости изображения периодического тест-объекта, полученного ЦОЭС.

Критерий АТ характеризует глубину (размах) переходной кривой и определяемую как разность между минимальным и максимальным значением величины яркости пикселя. Другими словами определяется динамический диапазон как максимальная разница между самым светлым и самым темным элементом изображения, фокусируемым на ФППЗ. Динамический диапазон у ЦАФС характеризуется свойствами ФППЗ одновременно воспринимать сигнал с максимальной и минимальной яркостью. Динамический диапазон «снизу» ограничен уровнем собственных шумов, а «сверху» - максимальным уровнем яркости, который приводит к растеканию электронов по поверхности ФППЗ (блюминг). Количество градаций серого присутствующих в изображении объекта, проходя, через видеотракт будет определяться на мониторе выбранным режимом экрана [3, 9, 10].

Если диапазон градаций серого, выходит за пределы динамического диапазона монитора, то он (динамический диапазон) относительно реального изображения будет «сжат» до возможностей монитора, а точнее - выбранного режима экрана.

Градаций серого, которые способен передать монитор, имеет значительно меньший диапазон различимых градаций. чем воспринимает человеческое зрение. При увеличении яркости свечения экрана количество различимых градаций серого увеличивается. Калибровка монитора производится по специальным тестовым таблицам, такие как, градационный клин, представляющий собой набор полос с несколькими градациями яркости в диапазоне от 100% белого до 100% черного. Настройка по этой таблице состоит в установке таких уровней яркости и контрастности, чтобы все поля клина были видны и не сливались с соседними. Изменения освещенности на объекте и динамика их изменения в работе не рассматривалась и на качество видеотракта не влияет.

Рис. 10. Градационный клин для калибровки монитора

Путем визуального анализа изображений, были оценены значения ЛРМП ЦАФС по каждому изображению. Результаты каждого этапа летного эксперимента были подвергнуты статистической обработке: определены оценки математического ожидания, среднеквадратического отклонения и интервальные оценки ЛРМП [3, 8, 11, 12].

345

Штриховые миры видимого диапазона располагались на полигоне, фотографирование которых производилось с 5 направлений ориентированные - параллельно (0°) и под углами 10°, 20°, 30°, 45° к стороне ПОИ.

Для проведения этого лабораторного эксперимента на полигоне были размещены штриховая традиционная мира, штриховые полупериод-ные миры двух типов и эти же тест-объекты, ориентированные под углом 45° к стороне приемника оптического излучения.

На рис. 6 показаны штриховые миры ориентированные под углами 10°, 20°, 30°, 45° к стороне ПОИ при проведении летного эксперимента.

10° 20° 30° 45°

Рис. 11. Штриховые миры ориентированные под углами

к стороне ПОИ

Таблица 2

Статистические характеристики результатов эксперимента

Тип миры шь оь АК, % Примечание

0° 0,5 0,044 49 /=50 мм

10° 0,51 0,034 47 /=50 мм

20° 0,52 0,029 46 /=50 мм

30° 0,54 0,030 45 /=50 мм

45° 0,55 0,039 44 /=50 мм

60° 0,57 0,051 43 /=50 мм

70° 0,60 0,038 40 /=50 мм

80° 0,63 0,052 39 /=50 мм

90° 0,68 0,040 37 /=50 мм

Проведенный сравнительный анализ значений оценок ЛРМП полученных по мирам, ориентированным под углами 0°, 10°, 20°, 30°, 45° к стороне ПОИ, показал, что явление увеличения значения оценок ЛРМП полученных по мирам, ориентированных под углом от 0° до 45° к стороне приемника оптического излучения, можно объяснить увеличением периода, за счет проекции ширины штрихов на элементы изображения (пиксели) ПОИ.

Полученные результаты позволяют сделать выводы: 1. Предложен новый критерий качества ЦАФС - критерий АТ, которому соответствует глубина (размах) переходной кривой, определяемой как разность между минимальным и максимальным значениями освещен-ностей пикселей анализируемого участка изображения предельно распо-

346

знанной группы штрихов миры. В качестве пороговой величины, характеризующей распознанную группу штрихов, принято значение ДТ=20%. Результаты лабораторных и летных испытаний показали удовлетворительную сходимость результатов оценивания ЦАФС по "критерию ДТ" с результатами оценивания ЛРМП с использованием традиционного критерия визуальной различимости операторами-дешифровщиками.

2. Результаты летных экспериментов показали разницу в результатах оценки ЛРМП, полученных по штриховым мирам, ориентированных под различными углами к стороне приемника оптического излучения. Относительная разница оценок ЛРМП, полученных по указанным тест-объектам, находится в диапазоне от 2 % до 5 %. Поэтому для получения более достоверных оценок ЛРМП при организации летных экспериментов необходимо выбирать различные направления проходов относительно тест-объекта.

3. Лучшие оценки ЛРМП дают группы штрихов миры, расположенные продольно (горизонтально относительно сторон приемника излучения). Это объясняется свойствами накопления сигнала в приемнике оптического излучения при формировании изображения, широкой разверткой видеоконтрольных устройств (мониторов) и характеристиками пространственно-частотного спектра изображения прямоугольной штриховой миры.

4. При проведении испытаний необходимо тщательно проработать правила принятия решения о величине предложенного порогового критерия ДТ, характеризующую глубину (размах) переходной кривой и определяемую как разность между минимальным и максимальным значением величины яркости пикселя.

5. Оценивание ЛРМП по штриховым мирам требует точной угловой ориентации направления захода на миру (тест-объект) относительно стороны приемника оптического излучения. При использовании штриховых тест-объектов необходимо учитывать ориентацию штрихов относительно регулярной структуры приемника оптического излучения.

6. Предлагаемая методика направлена на повышение достоверности летных испытаний, реализации способа определения и оценивания линейного разрешения на пиксель ЦАФС, по штриховым мирам видимого диапазона, ориентированных под различными углами к стороне приемника оптического излучения, повышении производительности свойств операто-ра-дешифровщика при оценивании характеристик цифровых аэрофотосистем. Методика может быть использована при оценивании параметров качества авиационных цифровых аэрофотосистем на основе методов обработки и анализа изображений наземных штриховых мир, полученных в процессе проведения натурных (летных) испытаний, а также в разработках конструкций наземных штриховых мир видимого диапазона электромагнитного спектра, обеспечивающих формирование тестовых сигналов для оценивания аэрофотосистем в условиях открытых полигонов.

347

Список литературы

1. Молчанов А.С. Методика оценки линейного разрешения на пиксель аэрофотосистем военного назначения при проведении летных испытаний // Известия высших учебных заведений. Геодезия и аэрофотосъемка. 2018. Т. 62, № 4. С. 390-396.

2. Аникеева И. А., Кадничанский С. А. Оценка фактической разрешающей способности аэро- и космических фотоснимков по пограничной кривой // Геодезия и картография. 2017. Т. 78. № 6. С. 25-36.

3. Молчанов А.С. Теория построения иконических систем воздушной разведки. Волгоград: Панорама, 20l7. 224 с.

4. Веселов Ю.Г., Данилин А.А., Мельник Ю.С., Сельвесюк Н.И. Штриховой тест-объект оценки в натурных экспериментах пространственно-частотного и энергетического разрешений цифровых инфракрасных систем получения видовой информации // Радиостроение. 2018. № 1. С. 1-8.

5. Коломиец Л.В., Федоров М.В., Богомолов А.В., Мережко А.Н., Солдатов А.С., Есев А.А. Метод поддержки принятия решений по управлению ресурсами при испытаниях авиационной техники // Информационно-измерительные и управляющие системы. 2010. Т. 8. № 5. С. 38-40.

6. Дубинский Г.П., Кононов В.И., Федоровский А.Ф. Методы оценки качества оптических систем. М.: Машиностроение, 1978. 231 с.

7. Ребрин Ю.К. Оптико-электронное разведывательное оборудование летательных аппаратов. Киев: КВВАИУ, 1988. 450 с.

8. Вентцель Е.С. Теория вероятностей. М.: Академия, 2003. 576 с.

9. Молчанов А.С., Чаусов Е.В. Методика оценивания линейного разрешения авиационных цифровых оптико-электронных систем в процессе летных испытаний // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2019. Вып. 2. С. 140-150.

10. Молчанов А.С. Оценка качества аэрофотосистем методом математического моделирования с использованием критерия Шадэ // Известия высших учебных заведений. Геодезия и аэрофотосъемка. 2018. Т. 61, № 1. С. 28-33.

11. Макаренко В.Г., Подорожняк А.А., Рудаков С.В., Богомолов А.В. Инерциально-спутниковая навигационная система управления транспортными средствами // Проблемы управления. 2007. № 1. С. 64-71.

12. Веселов Ю.Г., Молчанов А.С., Глушко В.А. Математическая модель аэрофотосистемы, построенной на основе фоточувствительных приборов с переносом заряда // Наука и образование. 2013. № 9. С. 219232.

Молчанов Андрей Сергеевич, канд. техн. наук, доцент, заместитель начальника отдела - начальник отделения (старший инженер-испытатель), andryoe@yandex.ru, Россия, Ахтубинск, Войсковая часть 15650

METHOD OF ESTIMATION OF A LINEAR PERMISSION TO A PIXEL OF DIGITAL AEROPHOTOSYSTEMS AT DIFFERENT ANGULAR POSITIONS OF THE DASHBOARD

WORLD WITH RESPECT TO THE RECEIVER OF OPTICAL RADIATION

A.S. Molchanov 348

A method for calculating the linear resolution per pixel of digital aerial systems at different angular positions of the dashed worlds relative to the optical radiation receiver during flight (full-scale) tests is presented, as well as conclusions from the results of studies of the amplitude spatial-frequency spectrum of the image of a rectangular dashed worlds and the results of laboratory and flight tests to determine the linear pixel resolution of digital aerial systems at different angular positions of the dashed worlds of the relative Optical radiation receiver.

Key words: aviation photosystem, linear resolution, technique, pixel, test object, photo image.

Molchanov Andrey Sergeevich, candidate of technical sciences, docent, deputy head of department - head of department (senior test engineer), andryoe@yandex. ru, Russia, Akh-tubinsk, Military unit 15650

УДК 004.942

ПРЕДЛОЖЕНИЯ ПО ЗАЩИТЕ УЗЛОВ КОМПЬЮТЕРНЫХ СЕТЕЙ ОТ DDOS-АТАК ЗА СЧЕТ УПРАВЛЕНИЯ КОЛИЧЕСТВОМ ПРЕДОСТАВЛЯЕМЫХ УСЛУГ СВЯЗИ АБОНЕНТАМ

М.М. Добрышин, А.А. Горшков, Д.С. Горбуля

Совершенствование видов информационно-технического оружия способствовало тому, что применение различных компьютерных атак превратилось в хорошо оплачиваемый бизнес. Одним из действенных способов применяемых недобросовестными конкурентами является применение DDoS-атак, направленные на блокирование процесса управления компанией, нанесению финансовых, а самое главное рейтинговых убытков. Рост количества DDoS-атак, а так же ущерба от их применения свидетельствуют о недостаточной эффективности существующих решений. В связи с этим задача защиты от DDoS-атак является достаточно актуальной. В статье представлено предложение обеспечивающее предоставление услуг связи абонентам более высших категорий, за счет сокращения количества услуг связи абонентам низших категорий.

Ключевые слова: DDoS-атака, защищенность, динамическое управление.

Принципы ведения современного бизнеса требуют наличие устойчивых информационных связей между всеми подразделениями и филиалами компании. Тенденции развития частных сетей связи, показывают, что большинство компаний используют арендуемые у провайдеров связи информационные потоки (происходит интеграция в мировое информационное пространство), на основе которых формируют собственные компьютерные сети. Однако, наряду с рядом удобств для пользователей этих сетей, злоумышленникам потенциально становятся доступны все узлы связи, интегрированные в мировое информационное пространство.

349