Усс Михайло Леонтійович. Оцінка параметрів та фільтрація зображень земної поверхні з урахуванням детермінованої та випадкової самоподоби їх структури

brief description

Усс Михайло Леонтійович. Оцінка параметрів та фільтрація зображень земної поверхні з урахуванням детермінованої та випадкової самоподоби їх структури : дис... канд. техн. наук: 05.07.12 / Національний аерокосмічний ун-т ім. М.Є.Жуковського "Харківський авіаційний ін-т". - Х., 2005

Усс М. Л. Оцінка параметрів та фільтрація зображень земної поверхні з урахуванням детермінованої та випадкової самоподоби їх структури. Рукопис.
Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за фахом 05.07.12 дистанційні аерокосмічні дослідження. Національний аерокосмічний університет ім. М.Є. Жуковського „ХАІ”, Харків, 2006.
У дисертаційній роботі розглядаються питання підвищення якості фільтрації й інтерпретації зображень ДЗЗ шляхом розробки методів та алгоритмів оцінки параметрів і фільтрації зображень із самоподібною (фрактальною) структурою, що враховують наявність завад з апріорно невизначеними параметрами. Для опису зображень ДЗЗ, що мають самоподібну структуру, обґрунтовано використання моделі ФБР-поля із просторово залежними параметрами й моделі на основі теорії СІФ.
Розроблено алгоритми оцінки параметрів ФБР-поля на фоні адитивної, і, вперше, на фоні мультиплікативної й імпульсної завад. Показано ефективність і незміщеність отриманих оцінок та їхня перевага в порівнянні з відомими оцінками.
Одержали розвиток алгоритми автоматичної оцінки дисперсії адитивної і мультиплікативної завад. Уперше отримано алгоритм оцінки ймовірності спотворення зображення імпульсною завадою.
Розроблено також алгоритми фільтрації ФБР-поля на фоні перерахованих завад. Запропоновано модифікацію цих алгоритмів, що враховує наявність границь на зображеннях ДЗЗ.
Розроблено метод фільтрації зображень земної поверхні шляхом використання їхньої надмірності, пов'язаної із самоподібною структурою. Метод оснований на ідеях теорії СІФ, використовує малу кількість апріорної інформації й працездатний для широкого класу реальних зображень.
Шляхом порівняльного аналізу показані достоїнства запропонованих методів і алгоритмів фільтрації в порівнянні з рядом відомих методів.

У дисертації одержали розвиток методи й алгоритми оцінки параметрів і фільтрації самоподібних (фрактальних) полів. Нові рішення, отримані в роботі, полягають у такому: отримані МП оцінки параметрів ФБР-поля, спостережуваного на фоні завад різного типу, й розроблено метод, що дозволяє врахувати самоподібність фрагментів зображень при фільтрації.
Практична цінність роботи полягає в такому. Отримані методи, алгоритми й програми дозволяють підвищити якість зображень ДЗЗ, ефективно оцінити параметри, що характеризують їх самоподібну (фрактальну) структуру. Це дозволяє в інтересах сільського, лісового господарств, екологічного моніторингу і охорони навколишнього середовища підвищити ефективність тематичного аналізу (класифікації, інтерпретації) зображень ДЗЗ шляхом додаткового аналізу їх самоподібної (фрактальної) структури й ефективного заглушення завад.
В результаті проведеного дисертаційного дослідження одержані такі основні наукові результати:

Розроблено метод використання надмірності зображень земної поверхні, яка пов'язана з їхньою самоподібною структурою й виявляє себе у вигляді подібності фрагментів зображення, що рознесені у просторі й перебувають у різних масштабах. Метод полягає в оцінці рангового блока на основі псевдовибірки, що складається з рангового й подібних йому доменних блоків. Підвищення якості обробки досягається шляхом урахування додаткової інформації, закладеної в самоподібності зображення при різних масштабах розгляду. Запропонований метод реалізовано у вигляді двох алгоритмів, що здійснюють різну обробку псевдовибірки: СІФ-фільтра й ФБРемп+СІФ-фільтра.
Розроблений СІФ-фільтр висуває найменші вимоги до оброблюваного зображення, а саме вимога самоподібності поза залежністю від його форми: детермінованої або ймовірнісної. Пошук доменних блоків і формування оцінки рангового блока здійснюється в рамках методу СІФ, відповідно до якого оцінка рангового блока шукається за методом найменших квадратів у вигляді лінійної комбінації доменних блоків, що входять у псевдовибірку. Для оцінки параметрів СІФ використано класичну схему, в яку для урахування специфіки задачі фільтрації, внесені такі модифікації: 1) при масштабуванні використовується проста операція проріджування замість усереднення для запобігання небажаному згладжуванню зображення; 2) запропоновано ітераційну схему пошуку доменних блоків, що дозволяє підвищити якість оцінки рангових блоків зі складною структурою; 3) для усунення блокових ефектів і підвищення якості фільтрації застосовано розбиття зображення на рангові блоки, що перекриваються. Оскільки СІФ-фільтр розрахований для найбільш широкого класу зображень, він показує найгірші результати серед запропонованих алгоритмів, поступаючись ФБРемп-фільтру 0,2...-0,8дБ.
Для випадку, коли модель ФБР-поля не можна прийняти як модель зображення, але спостерігається ймовірнісно-самоподібна структура зображення, розроблено ФБРемп+СІФ-фільтр. Відповідно до цього алгоритму елементи псевдовибірки описуються як взаємно корельовані фрагменти ФБР-поля з невідомими параметрами. Ранговий блок оцінюється за методом МП із урахуванням статистик корисного зображення та завад. Підвищення якості фільтрації в порівнянні із ФБР-фільтром досягається за рахунок використання кореляційних зв'язків між елементами псевдовибірки (далеких кореляційних зв'язків). Це дозволило підвищити якість фільтрації в областях зображення, не описуваних моделлю ФБР, на 1,1...1,4дБ у порівнянні із ФБРемп-фільтром.
Розроблено алгоритми спільної оцінки параметрів і фільтрації ФБР-поля (ФБР-алгоритми) на основі методу МП для всіх перерахованих типів завад. Випадок мультиплікативної й імпульсної завад розглянуто вперше. Показано, що в цих випадках вирішення рівняння правдоподібності є складною задачею при обчисленні і запропоновано більш швидкі квазіоптимальні методи вирішення, що полягають у такому. У випадку мультиплікативної завади пропонується використати гауссівське наближення для ПРВ вибірки в межах ковзного вікна, що еквівалентно її поданню сигнально-залежною адитивною завадою. У випадку імпульсної завади запропоновано ітераційний алгоритм фільтрації зображення, оцінки параметрів ФБР-поля та завад, що складається із двох кроків: виявлення спотворених пікселів зображення й оцінкипри фіксованих параметрах ФБР-поля і оцінка параметрів (фільтрації) ФБР-поля на основі неспотворених пікселів при фіксованому результаті виявлення імпульсних завад. Це дозволяє сформувати оцінку величиний автоматично врахувати її при фільтрації, завдяки чому досягнута перевага в 0,5...1дБ, у порівнянні з існуючими евристичними алгоритмами фільтрації імпульсних завад. Шляхом статистичного моделювання досліджено властивості отриманих оцінок ФБР-поля і показано їхню ефективність і незміщеність. СКВ оцінки локальної фрактальної розмірності при тому же розмірі вибірки в два-три рази менше СКВ ряду відомих оцінок.
Запропоновано модифікацію ФБР-фільтрі, основану на усередненні оцінок, одержуваних у ковзних вікнах, що перекриваються, шляхом вінерівської фільтрації даних у межах вікна (ФБРемп-фільтр). Експериментальні дослідження показали, що такий підхід приводить до підвищення якості фільтрації в порівнянні із ФБР-фільтром на 0,4...1,2дБ на околах меж і на 0,15...0,4дБ у локально-однорідних областях.
Розроблено ФБРгр-фільтр, якій оснований на моделі локально-неоднорідного ФБР-поля й, на відміну від ФБРемп-фільтрів, що враховує наявність границь на зображенні. Границі враховуються шляхом класифікації й роздільної обробки пікселів у межах ковзного вікна, що захоплює границю. Це дозволило добитися в околах меж підвищення якості фільтрації на 2,1...3,3дБ у порівнянні із ФБРемп+СІФ-фільтром і на 0,9...1,2дБ у порівнянні з MSF-фільтром.
Отримано оцінки максимальної правдоподібності дисперсій адитивної та мультиплікативної завад і алгоритм оцінювання, що виражаєіз залежності кількості пікселів, віднесених детектором до спотворених імпульсною завадою, від. Експериментально показано, що зміщеність дисперсії мультиплікативної авади не перевершує 8%, адитивної - 5%. Зміщеністьоцінокне перевищує 0,13%. З метою завдання вимог до запропонованих алгоритмів оцінки параметрів завад проведено аналіз впливу зміщеності оцінки дисперсії адитивної завади на якість фільтрації зображень і показано, що експериментально отримані величини зміщеності приводять до зниження якості фільтрації не більше, ніж на 0,05дБ, що припустимо на практиці.
Проведено аналіз масштабної залежності коефіцієнта далекої кореляції. Показано, що ця залежність дозволяє визначати діапазон масштабів самоподібності й впевнено відрізняти самоподібні текстури від несамоподібних. У перспективі цей підхід має дозволити для конкретного реального зображення перевірити гіпотезу про самоподібність, обґрунтувати використання запропонованих у дисертації методів й алгоритмів обробки зображень і вибрати найбільш придатний з них.