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.

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.

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 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 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 где лин (U) – суммарный шум до применения переквантования.

В работе рассматривается ряд законов переквантования следующего вида:

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.

С помощью программы, разработанной в НПО «Лептон», исследуется степень ухудшения показателей информативности оптико-электронного тракта после использования метода нелинейного переквантования. Показателями являются ЛРМ (линейное разрешение на местности) и NE (приращение альбедо, эквивалентное интегральному шуму системы наблюдения). Приведенная на рис. 2 зависимость показывает, что в условиях, когда альбедо межшпального промежутка ф = 0.07 и отсутствует атмосферная дымка, то в рабочем диапазоне углов Солнца [0…70°] изменение NE незначительно и не превышает 5%.

Оцененное по этой программе изменение ЛРМ значительно меньше – не более 0,8%. Таким образом можно утверждать, что в данных условиях наблюдения (а это наиболее вероятные условия) нелинейное переквантование не оказывает заметного влияния на показатели NE и ЛРМ.

С целью экспериментального подтверждения полученных выше результатов проведен эксперимент, позволяющий визуально оценить степень ухудшения качества видения цифровых изображений, после использования принятого закона нелинейного переквантования. В эксперименте определяется оценка вероятности распознавания предельно-разрешаемого элемента миры, до и после применения метода нелинейного переквантования. Эксперимент показал хорошую сходимость результатов априорных и апостериорных оценок величины линейного разрешения на местности.

Рис. 2. Влияние нелинейного переквантования на NE при ф = 0. Во второй главе рассматривается модель оптико-электронного тракта и обосновывается новый показатель En, позволяющий априорно оценить уровень искажений первого рода, возникающих в бортовой части оптико-электронного тракта из-за неидеальности параметров анализирующей дискретизации.

Искажения 1-го рода (интермодуляционные искажения) появляются вследствие дискретизации и последующего восстановления сигнала при невыполнении правил теоремы Котельнииова. Для оценки этих искажений существует показатель /, где – параметр результирующей апертурной функции (описываемой функцией Гаусса) оптико-электронного тракта, – шаг решетки фотоприемника. Приведена зависимость уровня нелинейных искажений от /, которая позволяет установить, что для оптико-электронного тракта оптимальным является значение / = 0.5..0.6.

Показатель / получен в предположении, что растворы апертурных функций звеньев оптико-электронного тракта (атмосфера, «смаз», оптическая система, фотоприемник) соразмерны и по центральной предельной теореме результирующая апертурная функция может быть описана функцией Гаусса.

Однако в реальных системах возможны случаи, когда апертурные функции отдельных звеньев заметно отличаются друг от друга. На рис. 3 показан такой пример (для наглядности рассматривается функциональная пара «оптика – фотоприемник»).

Рис. 3. Пример пространственных соотношений звеньев ОЭТ.

В этом примере апертура фотоприемника P(x) заметно «шире» апертуры оптической системы O(x). При таких условиях аналог центральной предельной теоремы неприменим, и суммарная АФ T(x) существенно отличается от гауссовой формы. Данный конкретный пример показывает, что параметр не всегда определим.

Автором предложен новый показатель:

vn – частота Найквиста, F{T(x)} – преобразование Фурье результирующей апертурной функции.

Такой показатель отражает долю спектральной энергии, содержащейся в интервале [0, vn]. Чем больше En, тем меньше перекрытие спектров. Если вся энергия спектра содержится в [0, vn] (En = 1), то перекрытия спектров нет совсем, соответственно, нет искажений.

возможный (максимальный) уровень нелинейных искажений как функцию показателя En (рис. 4).

Рис. 4. Зависимость уровня нелинейных искажений от En. M(R) – среднее значение функции взаимной корреляции между Проведен визуальный эксперимент, облегчающий выбор оптимального значения En. Результатом эксперимента является значение En = 0.98.

коэффициента компрессии К для алгоритма JPEG2000 в системе сжатия изображений, получаемых оптико-электронным трактом.

Задача исследований сводится к нахождению таких рациональных значений К, при которых искажения, возникающие при сжатии, не превышали бы допустимого уровня.

Ранее этот вопрос обсуждался в некоторых НИИ, 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 неоптимальный выбор характеристик системы компрессии данных.

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 (которые являются функцией от / или En). Основную сложность представляет задача выделить и оценить по отдельности влияние каждого из этих факторов на эффективность сжатия.

Эти рассуждения обосновывают тот факт, что при выборе тестового изображения, по которому оценивается рациональное значение К необходимо выбирать максимально информативное изображение, текстура которых состоит исключительно из микромасштабных элементов, причем микромасштабный элемент (микромасштаб) определяется (при хорошей энергетике) исключительно пространственно-частотными свойствами оптико-электронного тракта. При снижении энергетики (увеличении шума) изображение декоррелируется и микромасштаб стремится к радиусу корреляции шума.

Именно поэтому тестовый объект не должен содержать низкочастотных однородных элементов, поскольку они определяют сильно коррелированную текстуру. Говорят, что в таких изображениях имеет место сильная корреляция или значительный уровень макромасштаба.

Предлагается формировать тестовое изображение с помощью алгоритма, показанного на рис. 5.

Рис. 5. Блок-схема формирования тестового изображения В реальных условиях космической съемки аналог такого теста достаточно точно реализуется участком сплошного леса. Его изображение состоит из микромасштабных элементов и не содержит макромасштабной текстуры.

Далее автором излагается следующий установленный визуальный эффект.

До определенной величины степени компрессии К любой сжатый снимок сохраняет все детали, практически не теряет в информативности, несмотря на некоторое изменение амплитуды отдельных пикселей на уровне микромасштаба.

Начиная с некоторого граничного коэффициента сжатия Кгр, размытие резко становится настолько сильным, что с изображения исчезает множество мелких и малоконтрастных деталей (исчезет «микромасштаб»). В задаче космической съемки исчезновение любых, даже мелких деталей недопустимо. Вот почему так важно правильно определить допустимую область коэффициентов сжатия [1…Кгр], и использовать звено сжатия с коэффициентом К из этой области. Для это необходимо ввести показатель, способный количественно описать установленный визуальный эффект.

В работе показано, что общепринятый показатель качества компрессионных изображений PSNR в этом случае неприменим. Этот показатель плавно меняется при увеличении К и не согласован с резким изменением характеристик тестового изображения.

Автором предлагается описывать эффект с помощью радиуса корреляции соседних значений пикселей. Радиус корреляции вычисляется следующим образом (дискретный случай):

Сначала определяется автокорреляционная функция Bxx:

где x – сигнал (строка изображения), Mx – мат.ожидание по строке.

Затем автокорреляционная функция нормируется:

Радиус корреляции оценивается площадью под автокорреляционной функцией на отрезке от 0 до первого пересечения автокорреляционной функции с осью абсцисс (точка Т). Можно записать:

Для моделирования упомянутого эффекта резкого ухудшения качества тестовое изображение (показанное на рис. 5) подвергается компрессии алгоритмом JPEG2000, и у сжатого изображения вычисляется радиус R. На рис. представлена зависимость R от коэффициента компрессии К для различных значений /.

Рис. 6. Изменение радиуса корреляции тестового изображения в коэффициент компрессии Кгр. Таким образом, предложенный показатель качества R адекватно отражает замеченный визуальный эффект, при этом искомый Кгр существенно зависит от показателя / (En).

Учитывается влияние шума, присутствующего в оптико-электронном тракте (см. глава 1). Показано, что искомый рациональный коэффициент компрессии целесообразно применять при SNR > 3. Более сильно зашумленное изображение имеет другие корреляционные свойства, и коэффициент компрессии следует уменьшить.

Радиус корреляции не является единственным параметром, по которому можно судить об изменении качества сжатого изображения. Как возможный вариант рассматривается так называемая структурная функция, так как она имеет схожую «физическую природу» с радиусом корреляции. Структурная функция, как следует из названия, реагирует на изменение «структуры» изображения, т.е.

на изменение микромасштаба. Результаты определения Кгр по структурной функции полностью совпадают с результатами по радиусу R. При этом метод структурной функции более удобен для вычисления.

Рис. 7. Влияние характеристик ОЭТ на выбор коэффициента сжатия.

Как основной результат на рис. 7 показан график рекомендованных коэффициентов компрессии для различных значений / (En).

Разработанные методики можно также применить и к режиму работы «сжатия с постоянным коэффициентом квантования». В этом режиме размер закодированных данных зависит от информативности изображения. При этом подразумевается, что уровень искажений при сжатии постоянен.

В стандартном варианте алгоритма JPEG2000 не предусмотрено возможности «вручную» задать коэффициент квантования, поэтому вопрос «что считать коэффициентом квантования» оставлен на усмотрение разработчика и нуждается в отдельном исследовании. Как правило, в алгоритмах с «вложенным кодированием» таким коэффициентом является номер верхнего «отбрасываемого битового этажа» (truncated bit plane) (см. рис. 1.2). В JPEG2000 этот вариант неприменим из-за наличия R-D оптимизации (rate-distortion optimization), поэтому в данной работе предлагается определять коэффициент квантования суммой закодированных стадий (coding passes) всех спектральных блоков. Проверено, что при постоянной сумме уровень искажений неизменен, а меняется размер сжатых данных, определяемый корреляционными свойствами исходного изображения.

В четвертой главе анализируется применение компрессии алгоритмом JPEG2000 к данным гиперспектрометра, использующего технологию съемки PushBroom. В НПО «Лептон» изготовлен действующий макет гиперспектрометра с 290 спектральными каналами в видимом и ближнем ИК диапазонах спектра.

Большое число каналов позволило получить спектральное разрешение гиперспектрометра от 1 до 10 нм (разрядность цифровых данных – 12). Прибор с такими характеристиками в России создан впервые.

Т.к. гиперспектрометр предполагается использовать как измерительный прибор, то искажения при компрессии недопустимы. Поэтому JPEG используется в режиме без потерь int mode.

Излагаются основные понятия гиперспектральной съемки и технологии PushBroom. По технологии PushBroom информационная строка раскладывается на спектральные составляющие и записывается в память в виде однокоординатного (по пространству) многоспектрального кадра (ОМК). Таким образом, весь маршрут съемки записывается в бортовой памяти как последовательность ОМК.

Применив переупаковку, вместо пакета ОМК получают серию обычных двухкоординатных изображений, полученных в узких спектральных диапазонах (в гиперспектральных каналах). Таким образом, алгоритм компрессии можно применить как напрямую к последовательности ОМК, так и к двухкоординатным изображениям.

Первый способ удобен тем, что перед сжатием нет необходимости выполнять процедуру переупаковки, занимающую значительное время. Также не требуется ожидать окончания съемки всего маршрута, компрессию можно начинать, получив первый ОМК. С другой стороны, алгоритм JPEG разработан и оптимизирован для сжатия именно двухкоординатных изображений.

В работе исследуется и сравнивается эффективность компрессии для этих двух вариантов входных потоков. Результаты сведены в таблицу.

По итогам делается вывод, что алгоритм JPEG 2000 предпочтительно применять к данным, упакованным в ОМК. К числу преимуществ такого метода относятся:

1) отсутствие процедуры переупаковки, 2) возможность компрессии данных в потоке (не дожидаясь окончания съемки маршрута), 3) высокая помехоустойчивость.

В пятой главе выбирается наиболее подходящий алгоритм компрессии для применения в видео-телеметрическом датчике. Данная задача возникла в процессе разработки в НПО «Лептон» видео-телеметрического датчика, устанавливаемого на КА «Кондор» (разработчик КА – НПО «Машиностроение», г. Реутов). ВТД предназначен для наблюдения процессов, происходящих снаружи космического аппарата в условиях орбитального полёта при больших и малых освещённостях наблюдаемых объектов.

К алгоритму компрессии предъявляются следующие требования:

1) возможность напрямую задать постоянную степень сжатия, 2) высокая скорость выполнения компрессии, 3) работа с малым объемом памяти.

Кроме того, алгоритм сжатия должен обеспечивать хорошее качество восстановленного изображения при средней степени сжатия (4-6).

Проведен анализ наиболее известных алгоритмов компрессии. В качестве кандидатов для использования в ВТД рассмотрены алгоритмы: 1) Алгоритм JPEG, использующий дискретное косинусное преобразование, 2) алгоритм LIC, использующий вейвлет-преобразование, процедуру квантования вейвлеткоэффициентов и кодирование Хаффмана. Этот алгоритм используется в серийной микросхеме компрессии ADV601. 3) алгоритмы на основе вейвлетпреобразования и «вложенного кодирования» (embedded coding) «нулевых деревьев» (zerotrees) EZW и SPIHT. 4) алгоритм JPEG2000. 5) алгоритм SPECK, использующий вейвлет-преобразование и итеративное деление на блоки. Он тоже использует «вложенное кодирование».

Показано, что в стандартном варианте ни один из рассматриваемых алгоритмов не удовлетворяет условиям поставленной задачи. Однако установлено, что алгоритм SPECK после незначительной модификации возможно применить в ВТД. Повышение быстродействия достигается путем отказа от механизма сортировки, при этом качество сжатия снижается незначительно.

Уменьшение объема вспомогательной памяти достигается путем отдельного кодирования 16 блоков вместо целого изображения (рис. 8). Такое разбиение возможно из-за того, что в SPIHT не используются межспектральные связи.

Рис. 4. Разбиение поля вейвлет-коэффициентов на 16 отдельных блоков.

полученные результаты с точки зрения их соответствия поставленным целям и положениям, вынесенным на защиту.

В диссертационной работе получено новое решение актуальной научнотехнической задачи, связанной с повышением эффективности применения методов компрессии изображений для задач ДЗЗ. В ходе её решения основное внимание было уделено влиянию характеристик звеньев оптико-электронного тракта на эффективность применения методов компрессии. В ходе работы были получены следующие новые научные результаты:

1) Выбран и обоснован закон нелинейного переквантования цифровых видеоданных, сформированных линейным АЦП. Оптимальность выбора обосновывается минимизацией уровня суммарного шума оптико-электронного тракта. Данный метод компрессии позволяет значительно (в 1.5 раза) уменьшить объем передаваемых с борта КА наблюдения видеоданных. Проведена оценка степени ухудшения частного и агрегированного показателей качества изображений для выбранного закона. Априорные оценки, показали, что предложенный закон переквантования снижает частный показатель качества изображений (NE) не более чем на 5%. Ухудшение агрегированного показателя, отражающего информативность оптико-электронного тракта (линейного разрешения на местности) не более 0,8%.

подтверждены результатами апостериорных оценок, полученных при проведении физического эксперимента.

Точность апостериорных оценок составляла не хуже 5% при надежности не ниже 0.8.

2) Предложен новый показатель, позволяющий априорно оценить уровень искажений первого рода, возникающих в бортовой части оптико-электронного тракта КА наблюдения из-за неидеальности параметров анализирующей дискретизации.

Используемый ранее показатель / применим только для оптикоэлектронного тракта с результирующей апертурной функцией Гауссового вида, что не всегда выполняется.

интерпретацию, вычислим для любого вида апертурной функции и 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 оптико-электронной аппаратуры осуществить рациональный выбор характеристик тракта.

проектировании ОЭТ оптимальным является значение En = 0.98.

3) Предложена методика, позволяющая определить рациональную степень сжатия изображений с помощью устройств компрессии на основе алгоритма JPEG2000.

Показано, что рациональный коэффициент сжатия существенно зависит от показателя En, определяющего степень исходной коррелированности сжимаемых изображений.

Разработан метод формирования тестовых изображений, позволяющий выявить потенциальные (максимально возможные) искажения при заданной степени сжатия.

Предложены показатели (радиус корреляции и структурная функция) для оценки качества сжатых изображений. Выявлено, что данные показатели резко изменяются в определенной области коэффициентов компрессии. В области этого резкого изменения рекомендовано выбирать рациональный коэффициент сжатия.

Правильность такого выбора подтверждает проведенный в работе визуальный эксперимент. Установлена зависимость рационального коэффициента сжатия от предложенного показателя En. Так, например при En = 0.98 рациональный коэффициент сжатия составит К = 2.5…3.

Полученные результаты распространяются для изображений с аппаратным отношением сигнала к шуму более 3.

Выбранные показатели позволяют выявить механизм ухудшения качества изображения при различных уровнях компрессии. Так, при незначительных уровнях компрессии происходит изменение качества за счет добавления шумовой компоненты. Затем, при увеличении степени сжатия изменяется микромасштаб, т.е превалирует низкочастотная фильтрация.

4) Предложен способ компрессии к видеоданным, формируемым гиперспектрометром, использующим технологию съемки PushBroom.

Поскольку для измерительного прибора искажения видеоданных недопустимы, то алгоритм JPEG2000 рассматривался в режиме компрессии «без потерь».

Гиперспектрометр формирует гиперкуб данных, две координаты которого пространственные, а третья спектральная.

Компрессию можно применять к разным слоям куба:

-двухкоординатным узкоспектральным изображениям;

-однокоординатным многоспектральным изображениям.

Исследования показали, что в одном и в другом варианте коэффициент компрессии примерно одинаков, но для первого варианта из-за технологии съемки требуется дополнительный расход бортовых вычислительных ресурсов.

При создании перспективного космического гиперспектрометра будет использован алгоритм JPEG2000 применительно к второму варианту входных данных.

телеметрических данных, используемое в видео-телеметрическом датчике спутника «Кондор».

пригодности к применению в данном устройстве. Проведенный анализ показал, что ни один из методов в полной мере не может обеспечить заданных характеристик устройства сжатия.

Тем не менее после доработки наиболее подходящего алгоритма компрессии SPECK, поставленная задача была решена в полном объеме.

Доработка заключалась в изменении механизма разбиения поля вейвлеткоэффициентов, что позволило снизить объем вспомогательной памяти в 16 раз.

эффективность применения современных средств ДЗЗ видимого и ближнего ИК информационного канала связи.

Список работ по теме диссертации.

1. Сокол А. В. «Оптимизация алгоритма сжатия изображений JPEG 2000 с помощью подбора длины R-D кривых».//Электронный журнал "Исследовано в России», 56, стр. 625-643, 2005 г. http://zhural.ape.lerarn.ru/articles/2005/056.pdf 2. Сокол А.В. «Выбор показателя для оценки уровня искажений 1-рода, дистанционного зондирования Земли».// «Известия высших учебных заведений Электроника» стр. 55-61, март 2007 г.

3. Сокол А.В. «Эквивалентная математическая модель алгоритма сжатия JPEG2000 в задаче описания оптико-электронного тракта систем дистанционного зондирования Земли».// Сборник тезисов XLVII научной конференции МФТИ – С 166, ноябрь 2004.

4. Сокол А.В. «Алгоритм сжатия изображений для видео-телеметрического датчика».// Сборник тезисов XLVIII научной конференции МФТИ – С 174, ноябрь 2005.

5. Сокол А.В. «Уменьшение потока цифровых данных, формируемых оптико-электронным трактом космического аппарата наблюдения путем нелинейного переквантования уровней аналого-цифрового преобразователя».

Сборник тезисов 15-й всероссийской научно-технической конференции «Современное телевидение», С – 129, март 2007.