УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОБРАБОТКИ ПАНХРОМАТИЧЕСКИХ ИЗОБРАЖЕНИЙ (ВАРИАНТЫ)
APPARATUS FOR PROCESSING PANCHROMATIC IMAGES (VERSIONS)

Предлагаемое устройство относится к области обработки панхроматических изображений (широкополосных по спектру формирующего их электромагнитного излучения) с целью совершенного извлечения содержащихся в них спектрозональных компонент и, в первую очередь, к области обработки сигналов с целью повышения спектрального разрешения и линейного (пространственного) разрешения элементов в спектрозональных и панхроматическом каналах, в том числе для экономных передачи и хранения данных.
Известны [1, 2] устройства для обработки панхроматических изображений, содержащие одноканальный оптико-электронный блок (ОБ), формирующий на своем выходе изображение наблюдаемой сцены в одном панхроматическом спектральном диапазоне (СД). Для формирования изображения в любом из заданных СД в составе ОБ могут быть использованы сменные светофильтры (ССФ) на эти диапазоны. Недостатком этих устройств является последовательное во времени получение заданного набора спектрозональных изображений.
Известны [3] устройства для обработки панхроматических изображений, содержащие многоканальный ОБ, обеспечивающий одновременное формирование группы изображений наблюдаемой сцены в разных СД. Для возможности получения изображений в большем числе СД в составе каждого канала ОБ используют ССФ на эти диапазоны. Недостатком этих устройств является недостаточное число (от силы, десятки) одновременно формируемых спектрозональных изображений.
Общим недостатком устройств [1], [2] и [3] является высокая сложность (большие габариты и масса), пропорциональная числу одновременно работающих СД, и низкое спектральное разрешение.
От этих недостатков свободны устройства [4] для обработки панхроматических изображений, содержащие гирперспектральный ОБ и формирующие на своем выходе одновременно сотни СД (сотни спектрозональных изображений) за счет разложения панхроматического излучения (например, на основе оптической призмы или дифракционной решетки) и облучения узкими участками разложенного спектра своих строк фоточувствительных элементов, каждая из которых экономно выполняет роль самостоятельного канала гиперспектрального устройства.
Однако и эти устройства имеют недостатки, состоящие в низком линейном разрешении элементов спектрозональных изображений, в недостаточных спектральном разрешении и числе спектральных каналов, в попиксельной несовмещенности изображений разных каналов, в низкой избирательности спектральных каналов (в низкой степени прямоугольности характеристик спектральной чувствительности спектральных каналов), в проблематичности повышения разрешения элементов панхроматических изображений как единого целого, в чрезмерно большом объеме данных (по сравнению с минимально необходимым) для представления изображений спектрозональных каналов, в высокой сложности, что обусловлено принципом действия - разложением спектра панхроматического оптического излучения и привязкой к участкам спектра своих совокупностей аппаратурных средств при низкой энергии сигнала и соответствующем низком отношении сигнал/шум в узких спектральных каналах, а в части проблематичности повышения разрешения элементов панхроматических изображений - невозможностью разделения их спектрозональных компонент.
В то же время известен [5] метод РСП (метод редукции к совершенному прибору; совершенный прибор есть прибор с импульсной реакцией в виде δ-функции) высокоточного решения обратной задачи, который может быть адаптирован к решению задачи выделения спектрозональных изображений из панхроматического без использования средств оптического разложения панхроматического излучения, без облучения узкими участками разложенного спектра своих строк фоточувствительных элементов, без использования этого множества строк фоточувствительных элементов и сопутствующей аппаратуры.
Заявляемое изобретение направлено на упрощение устройства за счет исключения из ОБ физических (аппаратурных) средств формирования участков спектра и уменьшения числа каналов передачи до одного панхроматического, что основывается на выделении из панхроматического изображения содержащихся (интегрированных) в нем спектрозональных изображений и стало возможным с появлением метода РСП [5] высокоточного решения обратной задачи.
Решение этой задачи обеспечивает:
- повышение спектрального разрешения;
- повышение спектральной избирательности каналов;
- повышение в спектрозональных каналах линейного (пространственного) разрешения элементов сигнала;
- увеличение числа спектрозональных каналов;
- попиксельную совмещенность изображений разных спектральных каналов между собой и с исходным панхроматическим;
- повышение линейного разрешения элементов сигнала в панхроматическом канале;
- уменьшение объема данных, представляющих изображения спектрозональных каналов;
- упрощение устройства.
Для этого (в первом варианте предлагаемого устройства) в устройство для обработки панхроматических изображений, содержащее одноканальный панхроматический ОБ, вход которого является входом устройства, дополнительно вводится гиперспектральный редуктор к совершенному прибору (гиперспектральный редуктор, ГРСП), вход которого соединен с выходом ОБ, а выход является выходом устройства. Это позволяет формировать на выходе ОБ изображение в электронной форме (как совокупность квантованных попиксельных отсчетов электрических сигналов), а в ГРСП выделять (посредством высокоточного решения обратной задачи на основе различия оптических передаточных функций (ОПФ) ОБ в разных СД) нижеописанным образом из входного для устройства панхроматического изображения совершенные (равноценные свертке в этой спектральной зоне входного спектрозонального сигнала с δ-функцией как импульсной реакцией совершенного устройства) оценки отсчетов интегрированных в нем изображений разных спектральных каналов и выдавать их на выход устройства.
При этом спектральное разрешение и пространственное разрешение ограничиваются только несовершенством ОБ, погрешностью знания его функций рассеяния точки (ФРТ) в разных СД и шумами.
2
Входной для устройства сигнал из L - панхроматическая сцена f(х,y) в используемой части панхроматического диапазона ОБ описывается выражением
а при делении диапазона длин волн панхроматического канала на I частей (спектрозональных участков) может быть представлен суммой
I искомых спектрозональных компонент
где s(λ,x,y) - спектральная компонента входного сигнала с длиной волны λ излучения;
н
в
λ, λ - соответственно нижнее и верхнее значения длин волн используемой в устройстве части панхроматического канала ОБ;
i - номер спектрозонального участка (спектральной зоны, спектрального диапазона, спектрального канала);
- ширина каждого спектрального участка, обеспечивающая покрытие длин волн панхроматического диапазона без пропусков и перекрытий.
При этих обозначениях входной сигнал может быть в каждой точке (х,y) описан приемлемой (с проектным допуском представления) его оценкой  как суперпозицией
i
I финитных базисных сигналов α(i,x,y) с весами р(i,х,y). Для минимизации погрешности оценки  далее будем определять веса р(i,х,y) методом Фурье, поэтому выражения (4), (5) рассматриваем как ряд Фурье с областями A существования базисных сигналов α(i,x,y).
0
При дискретном представлении сигналов в качестве базисных сигналов α(i,x,y) естественно принять единичные импульсы u(·) - аналог δ-функции для дискретного случая. Тогда выражение (5) принимает вид
0
где u(а,b,с)=1/0 при (а,b,с)=(0,0,0)/ в противном случае;
j, η, ξ - свободные переменные.
Проблема такого определения оценок  искомых спектрозональных компонент состоит в зависимости весов p(i,x,y) от недоступного на выходе системы сигнала f(x,y).
Но выходная реакция системы на оценку  была бы равной
где h(i,x,y) - ФРТ (импульсная реакция) ОБ в i-й спектральной зоне.
Следовательно, веса p(i,x,y) являются также весовыми коэффициентами в аппроксимации выходного сигнала  ОБ суперпозицией базисных сигналов , то есть могут быть определены по выходу системы. Учет этого обстоятельства делает задачу (4) корректно разрешимой.
В соответствии с (4) и (5), (4) и (6), веса p(i,x,y) определяются как коэффициенты ряда Фурье, в связи с чем линейно независимые реакции  на базисные сигналы α(i,x,y) в каждой спектральной зоне ортогонализируются:
где {•} - обозначение множества элементов,
〈•〉 - операция ортогонализации.
Тогда коэффициенты k(i,x,y) разложения реакции  устройства в каждой точке (х,y) в ряд Фурье (по ортогонализированным реакциям  на финитные базисные сигналы) определятся в виде
где  A - область определения сигналов β(х,y) и γ(х,y).
Интегральный характер вычисления коэффициентов Фурье (9), конечность ряда (4), (5) Фурье (по одному коэффициенту Фурье на каждый спектральный канал) определяют шумостойкость, высокую точность вычисления спектрозональных компонент изображения примененным методом.
Оценки  совершенно восстановленных спектрозональных компонент S(i,x,y) входного сигнала f(x,y) определяются в виде (5) или (6) при
i
где s - коэффициенты веса (относительные уровни) сигналов  в , определяемые конкретным их видом.
Выражение (8) наиболее просто конкретизируется для варианта (6) определения оценок спектрозональных компонент входного сигнала.
В этом случае реакции ОБ на базисные сигналы определяются как ФРТ h(i,x,y) и вычисляются обратным преобразованием Фурье [6] ОПФ H(i,ν,µ) с учетом ее четности по обеим пространственным координатам, например, в виде
ν
µ
где k, k - номера значений пространственных частот ν, µ (по координатам х, у);
Δν, Δµ - шаги выборки значений H(i,ν,µ) по пространственным частотам ν, µ.
Ортогонализация (8) реакций ОБ на базисные сигналы производится, например, методом Грама-Шмидта [6]:
;
i=2,3,…, I.
ОПФ H(i,ν,µ) спектральных зон ОБ специфицированы различием их внутриполосных значений и значений граничных пространственных частот (определяемых минимальными значениями длины волны спектральных зон). Этого достаточно для разделения и совершенного восстановления в ГРСП спектрозональных изображений с получением их оценок  на основе решения обратной задачи методом РСП описанной модификации.
Второй вариант предлагаемого устройства состоит в том, что в устройстве для обработки панхроматических изображений по первому варианту ГРСП содержит последовательно соединенные узел формирования ФРТ спектральных зон (узел формирования ФРТ), узел ортогонализации ФРТ спектральных зон (узел ортогонализации ФРТ), узел совершенного выделения из панхроматического изображения спектрозональных изображений (узел совершенного выделения), второй вход и выход которого являются соответственно входом и выходом ГРСП. Это позволяет вышеописанным образом формировать на входе ГРСП отсчеты панхроматического изображения, в узле формирования ФРТ на основе известных передаточных характеристик спектральных каналов, например, обратным преобразованием Фурье [6], (11) рассчитывать их ФРТ, в узле ортогонализации ФРТ, например, известным [6] (12) образом производить их ортогонализацию, а в узле совершенного выделения высокоточным решением обратной задачи на основе вычисления коэффициентов преобразования Фурье производить ((6), (8), (9), (10)) выделение спектрозональных изображений с одновременным определением (расчетом) оценок отсчетов совершенно восстановленных спектрозональных изображений и выдавать их на выход ГРСП, являющийся выходом устройства.
Третий вариант предлагаемого устройства состоит в том, что в устройство для обработки панхроматических изображений, содержащее панхроматический ОБ, вход которого является входом устройства, дополнительно вводятся последовательно соединенные ГРСП, вход которого соединен с выходом ОБ, а выход является выходом устройства, и блок совершенного восстановления (БСВ), выход которого является вторым выходом устройства. Это позволяет вышеописанным решением обратной задачи формировать на выходе ГРСП (выходе устройства) оценки отсчетов совершенно восстановленных спектрозональных изображений, а в БСВ, в соответствии с выражением
i
i
попиксельно суммировать произведения оценок  отсчетов заранее заданных (наборами значений {iн, iк}) совершенно восстановленных (то есть, высокоточных) спектрозональных изображений и индивидуальных весов q и тем самым формировать оценки отсчетов заранее заданных совершенно восстановленных (линейная комбинация совершенно восстановленных величин дает совершенно восстановленную величину) более широкополосных (по сравнению с оценками ) по спектру электромагнитного излучения (заданной ширины) спектрозональных изображений (в частности, компонент цветных, псевдоцветных изображений) и, в том числе, (при iн=0, iк=I-1, q=1) оценок совершенно восстановленных отсчетов панхроматического изображения и выдавать их на второй выход устройства.
Четвертый вариант предлагаемого устройства состоит в том, что в устройстве по третьему варианту ГРСП содержит последовательно соединенные узел формирования ФРТ, узел ортогонализации ФРТ, узел совершенного выделения, второй вход и выход которого являются соответственно входом и выходом ГРСП. Это позволяет вышеописанным образом формировать на входе ГРСП отсчеты панхроматического изображения, в ГРСП вышеописанным образом рассчитывать ФРТ спектральных каналов, производить их ортогонализацию, производить выделение спектрозональных изображений с одновременным определением оценок отсчетов совершенно восстановленных спектрозональных изображений и выдавать их на выход ГРСП, являющийся выходом устройства, в БСВ формировать оценки отсчетов заданных совершенно восстановленных более широкополосных по спектру электромагнитного излучения спектрозональных изображений, в том числе, при необходимости, панхроматического изображения и выдавать их на второй выход устройства.
На фиг.1, фиг.2 представлены блок-схемы предлагаемого устройства по пунктам 1, 3 формулы изобретения.
На фиг.3 представлена блок-схема ГРСП предлагаемого устройства по пунктам 2 и 4 формулы изобретения.
Первый вариант устройства содержит оптико-электронный блок 1, гиперспектральный редуктор 2.
Третий вариант устройства содержит оптико-электронный блок 1, гиперспектральный редуктор 2, блок совершенного восстановления 3.
Во втором и четвертом вариантах устройства ГРСП 2 содержит узел 4 формирования ФРТ, узел 5 ортогонализации ФРТ, узел 6 совершенного выделения.
ОБ 1 представляет собой, например, панхроматическую оптико-электронную часть системы [1] дистанционного зондирования или оптико-электронную часть панхроматического (с черно-белым изображением) фотоаппарата [2].
БСВ 3 реализуется, например, на основе сигнального процессора 1879 ВМ2 (NM6404) [7], содержащего векторный сопроцессор с высокой производительностью на важных для (13) операциях умножения с накоплением.
Входы устройства:
7 - информационный вход.
Выходы устройства:
8 - первый информационный выход,
9 - второй информационный выход.
Входы и выходы составных частей, являющиеся входами и выходами составной части более высокого уровня, имеют номера входов и выходов составной части более высокого уровня.
Остальные входы гиперспектрального редуктора 2, блока 3 совершенного восстановления, узла 5 ортогонализации ФРТ, узла 6 совершенного выделения:
10 - вход ГРСП 2, второй вход узла 6 совершенного выделения,
11 - вход БСВ 3,
12 - вход узла 5 ортогонализации ФРТ,
13 - первый вход узла 6 совершенного выделения.
Остальные выходы ОБ 1, узла 4 формирования ФРТ, узла 5 ортогонализации ФРТ:
14 - выход ОБ 1,
15 - выход узла 4 формирования ФРТ,
16 - выход узла 5 ортогонализации ФРТ.
В исходном состоянии всех вариантов устройства на их информационном входе 7 сигнал отсутствует (действует сигнал, равный нулю), устройство обрабатывает нулевой входной сигнал, формируя нулевой сигнал во всех информационных сечениях и на своих выходах 8 и 9, то есть, устройство находится в состоянии динамической готовности к обработке сигнала.
Первый вариант устройства для обработки панхроматических изображений работает следующим образом.
С поступлением сигнала на вход 7 устройства ОБ 1 преобразовывает его, формируя на своем выходе 14 панхроматическое изображение в электронной форме (в виде совокупности попиксельных двоичных кодов значений отсчетов электрических сигналов). С выхода 14 ОБ 1 двоичные коды отсчетов сигнала поступают на вход 10 ГРСП 2, который решением обратной задачи на основе различия ФРТ h(i,x,y) разных спектральных каналов выделяет, соответственно выражениям (9), (10), (6), из панхроматического изображения совершенные оценки интегрированных в нем изображений разных спектральных каналов и выдает их на свой выход, являющийся выходом 8 устройства.
Второй вариант устройства работает следующим образом.
С поступлением входного сигнала на вход 7 устройства ОБ 1 вышеописанным образом формирует на своем выходе 14, являющемся входом 10 ГРСП 2 и вторым входом узла 6 совершенного выделения, панхроматическое изображение в электронной форме. Узел 4 формирования ФРТ обратным преобразованием Фурье (11) известных передаточных характеристик H(i,ν,µ) ОБ 1 в i-х спектральных зонах, i=0, 1, 2,…, I-1, вычисляет отсчеты ФРТ и со своего выхода 15 выдает их на вход 12 узла 5 ортогонализации ФРТ. Узел 5 ортогонализации ФРТ в соответствии с (8), (12) производит ортогонализацию ФРТ и в ортогонализированном виде выдает их через свой выход 16 на первый вход 13 узла 6 совершенного выделения. Узел 6, в соответствии с (9), (10) и (5) или (6), определяет оценки совершенных значений отсчетов спектрозональных изображений и выдает их на выход 8 устройства.
Третий вариант устройства работает следующим образом.
i
С поступлением входного сигнала на вход 7 устройства ОБ 1 и ГРСП 2 вышеописанным образом формируют на выходе 8 устройства, являющемся также входом БСВ 3, отсчеты совершенно выделенных спектрозональных изображений. БСВ 3, в соответствии с выражением (13), попиксельно суммирует произведения оценок поступивших на его вход отсчетов, заданных (наборами значений {iн, iк}) совершенно восстановленных спектрозональных изображений, и индивидуальных весов q и тем самым формирует оценки отсчетов заранее заданных к совершенному восстановлению более широкополосных (по сравнению со спектрозональными изображениями) по спектру электромагнитного излучения (заданной ширины) спектрозональных изображений, в том числе, при необходимости, панхроматического изображения и выдает их на второй выход 9 устройства.
Четвертый вариант устройства работает следующим образом.
С поступлением входного сигнала на вход 7 устройства ОБ 1 вышеописанным образом формирует на своем выходе 14, являющемся входом 10 ГРСП 2 и вторым входом узла 6 совершенного выделения, панхроматическое изображение в электронной форме. Узел 4 формирования ФРТ обратным преобразованием Фурье (11) известных передаточных характеристик H(i,ν,µ) ОБ 1 в i-х спектральных зонах, i=0, 1, 2, …, I-1, вычисляет отсчеты ФРТ и со своего выхода 15 выдает их на вход 12 узла 5 ортогонализации ФРТ. Узел 5 ортогонализации ФРТ в соответствии с (8), (12) производит ортогонализацию ФРТ и в ортогонализированном виде выдает их через свой выход 16 на первый вход 13 узла 6 совершенного выделения. Узел 6, в соответствии с (9), (10) и (5) или (6), определяет оценки совершенных значений отсчетов спектрозональных изображений и выдает их на выход 8 устройства и на вход 11 БСВ 3. Последний по данным с выхода узла 6 совершенного выделения вышеописанным образом формирует оценки отсчетов заданных совершенно восстановленных более широкополосных (по сравнению со спектрозональными изображениями) по спектру электромагнитного излучения (заданной ширины) спектрозональных изображений, в том числе, при необходимости, панхроматического изображения и выдает их на второй выход 9 устройства.
Работоспособность каждого варианта устройства обеспечивается при адекватности ФРТ h(i,ν,µ) реальным техническим средствам.
Сущность предлагаемого изобретения не меняется при перераспределении функций между составными частями устройства, при использовании спектрозональных каналов с разной шириной спектра формирующего их электромагнитного излучения, при включении в его состав дополнительных средств, в том числе, для масштабирования изображения, для реализации режима калибровки ФРТ спектрозональных каналов, для ввода в устройство параметров, определяющих число и ширину спектрозональных каналов. Сущность предлагаемого изобретения не меняется также в случае, если при постоянстве характеристик выделяемых спектрозональных каналов расчет реакций ОБ на базисные сигналы в спектрозональных каналах и ортогонализация этих реакций заменяются хранением заранее рассчитанных по (11), (12) ортогонализированных реакций на базисные сигналы в узле хранения, вводимом вместо узла 4 формирования ФРТ и узла 5 ортогонализации ФРТ.
Наибольший эффект предлагаемое устройство дает при его применении в системах с необходимостью хранения и/или передачи данных, где, помимо повышения спектрального и линейного разрешения, важны упрощение устройства и уменьшение объема данных, представляющих обработанные сигналы.
Коэффициент повышения спектрального и линейного разрешения спектрозональных изображений, спектральная избирательность каналов (по сравнению с устройствами-аналогами), при которых обеспечивается анализ обработанных сигналов, а также коэффициент упрощения устройства имеют значения, не меньшие нескольких единиц.
Использованная литература
1. Бакланов А.И. Системы наблюдения и мониторинга: учебное пособие. - М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2009, стр.193-195.
2. Цифровая фотокамера Dykam Model 1 компании Logitech (1990 г.). - Сайт http://ephoto.web-3ru/history/, 09.04.2011.
3. Бакланов А.И. Системы наблюдения и мониторинга: учебное пособие. - М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2009, стр.211-216.
4. С.А.Архипов, С.А.Морозов, В.А.Целиков. Гиперспектральная аппаратура космического аппарата «Ресурс-П». Материалы VI научно-технической конференции «Системы наблюдения, мониторинга и дистанционного зондирования Земли». - М., МНТОРЭС им. Попова А.С., 2009.
5. Патент на изобретение РФ №2385489, МПК G06F 17|17, приоритет от 28.08.2008.
6. Корн Г., Корн Т. Справочник по математике для научных работников и инженеров. - М.: Наука, 1974.
7. Сигнальный процессор 1879ВМ2 (NM6404) - НТЦ «Модуль». - Сайт http://www.module.ru/, 26.04.2011.