Повышение эффективности применения методов компрессии цифровых изображений на основе вейвлет-преобразования для космических систем наблюдения видимого и ближнего ИК диапазонов спектра

Развитие космических методов и средств дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ) является одним из наиболее важных и перспективных направлений космической деятельности России с ее огромной территорией и географическим положением. Богатство природных ресурсов, труднодоступность отдельных районов, сложность в организации и проведении наземных, аэрологических и авиационных наблюдений обуславливают необходимость дальнейшего развития средств и методов ДЗЗ.

С помощью данных ДЗЗ решаются многие важные научные и практические задачи экономического, социального и экологического развития как отдельных регионов, так и страны в целом.

Данные ДЗЗ широко используются при решении задач в интересах сельского, лесного и рыбного хозяйствапоиске, инвентаризации и освоении природных ресурсовохране природыпрогнозировании погодыоценке глобальных изменений и эволюции климата и др.

В настоящее время среди средств дистанционного зондирования поверхности земли доминируют оптико-электронные средства видимого и ближнего ИК диапазонов спектра. Они включают, как правило, бортовую специальную аппаратуру на базе фотоприемников с пространственно-регулярной дискретной структурой элементов.

Отдельный класс средств дистанционного зондирования составляют так называемые микроспутники ДЗЗ. Современная элементная база позволяет сделать вес микроспутников малым (не более 100 кг) при практически полном сохранении функциональности, присущей аппаратам с массой порядка 1 т.

Однако на современном технологическом уровне пока нет возможности решить основные проблемы микроспутников, связанные в большей мере с ограничениями на мощность бортовой системы электропитания. Так, количество информации, получаемое целевой аппаратурой, очень велико. Энергетическая установка, в частности солнечные элементы, из-за малого веса и размеров не в состоянии произвести достаточно энергии для передачи всей информации на пункт приема за заданное время. Это вынуждает разрабатывать радиоэлектронное устройство для обработки информации, которое уменьшает поток видеоданных, поступающий от фотоприемника к радиолинии. Такое устройство получило название «система компрессии данных».

Основной целью работы является повышение эффективности применения системы компрессии. Результаты работы использовались при разработке радиоэлектронного устройства — системы компрессии видео-телеметрической информации.

Система компрессии представляет собой схему, реализующую один из известных алгоритмов компрессии данных. По общему мнению [57], наиболее эффективным на настоящий момент следует считать алгоритм JPEG2000, основанный на вейвлет-преобразовании. В режиме real mode он вносит некоторые искажения в данные, но позволяет значительно уменьшить занимаемый ими объем.

Чтобы использовать систему сжатия наиболее эффективно, разработчик должен выбрать оптимальное соотношение между уровнем искажений и объемом закодированных данных, задав в системе коэффициент компрессии либо коэффициент квантования [11, 12]. Несмотря на большое количество публикаций, посвященных применению компрессии в аппаратах ДЗЗ [58, 59, 66], ни в одной из работ не было предложено решение данной задачи.

Известно, что проблема оптимального выбора коэффициента компрессии обсуждалась в некоторых НИИ, и 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. Но 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 (качества) для спутника ДЗЗ с конкретными характеристиками бортовой аппаратуры представляет собой важную научно-техническую задачу, которая до сих пор не была всесторонне исследована и приемлемо 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 [11, 12, 56, 57]. 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.

Необходимо пояснить выбор показателя искажений компрессионных изображений. Дело в том, что разработано большое количество таких показателей [54], которые имеют свои достоинства и недостатки. Искомый показатель должен адекватно отражать визуально замеченное в ходе работы явление резкого ухудшения информативности сжимаемого изображения при определенном коэффициенте компрессии Кгр. В диссертационной работе показано, что наилучшим образом это отражают радиус корреляции и структурная функцияа коэффициент К^ представляет собой искомый рациональный коэффициент компрессии, при котором оптимально сочетаются уровень искажений и объем закодированных данных.

В ходе разработки указанного выше методического обеспечения возникла проблема, связанная с адекватным описанием пространственно-частотных свойств оптико-электронной аппаратуры. Используемый для этого показатель а/А применим только в случае, когда результирующая апертурная функция оптико-электронного тракта описывается функцией Гаусса, что выполняется не всегда. В работе представлен новый универсальный показатель Еп, который имеет ясную физическую интерпретацию, вычислим для любого вида апертурной функции и адекватно описывает пространственно-частотные свойства ОЭТ. Этому посвящена отдельная глава.

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 сжатия видеоинформации.

Отсюда возникает необходимость и актуальность создания методики, позволяющей выбрать рациональный коэффициент компрессии (коэффициент качества) такого устройства. Использование данной методики позволяет повысить эффективность средств дистанционного зондирования.

В диссертационной работе получено новое решение актуальной научно-технической задачи, связанной с рациональным выбором коэффициента компрессии алгоритма сжатия 1РЕ2 000, используемого для сжатия видеоданных, получаемых оптико-электронной аппаратурой в видимом и ближнем инфракрасном диапазоне спектра.

Целью диссертации является:

Повышение эффективности применения системы сжатия данных, применяемой в КА. 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.

На защиту выносятся следующие положения:

1. Выбор и обоснование выбора закон 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 1РЕС2000. и.

4. Способ компрессии видеоданных, формируемых гиперспектрометром, использующим технологию съемки PushBroom.

5. Методы повышения эффективности алгоритма SPECK применительно к задаче сжатия телеметрических данных.

Научная новизна работы заключается в том, что:

1. Закон нелинейного переквантования сигналов линейного АЦП обоснован с позиций максимизации отношения сигнала к шуму 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 модификация алгоритма компрессии SPECK, позволила применить его в видео-телеметрическом датчике. Суть доработки в разбиении поля вейвлет-коэффициентов на 16 частей (для конкретной задачи), что позволяет уменьшить объем вспомогательной памяти в 16 раз.

Достоверность полученных результатов обеспечивается:

— использованием в работе статистических методов, методов преобразования Фурье, корреляционного и структурного анализа, теорий вероятности, теории линейной фильтрации и оценки погрешностейподтвеждается:

— результатами проведенных экспериментальных исследований.

Работа выполнялась в Московском физико-техническом институте (государственном университете). Тема диссертации связана с плановыми работами базового предприятия МФТИ НПО «Лептон».

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 оптико-электронной 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 модификация 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 14-ой и 15-ой Всероссийской научно-технической конференции «Современное телевидение» (Москва, 2006 и 2007 г.) — на ХЬУИ, ХЬУШ и ХЬУ1У научной конференции Московского Физико-Технического института (г. Долгопрудный Московской области, 2004, 2005 и 2006 г.) — на V научных чтениях имени М. К. Тихонравова, 2006.

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».

Структура и объем работы.

Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы. Содержит 113 страниц текста, 42 рисунка, 2 таблицы. Список цитируемой литературы содержит 69 наименований.

5.4. Выводы.

Таким образом, в работе решена научно-техническая задача разработки и построения устройства сжатия телеметрической информации, выполняющего все сформулированные требования к ВТД. Предложенный модифицированный алгоритм БРШТ является выгодным компромиссом между быстродействием, простотой реализации и качеством компрессии.

Заключение

.

В диссертационной работе получено новое решение актуальной научно-технической задачи, связанной с повышением эффективности применения методов обработки (компрессии) цифровых 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 Ар) не более чем на 5%. Ухудшение агрегированного показателя, отражающего информативность оптико-электронного тракта (линейного разрешения на местности) не более 0,8%.

Априорные оценки степени ухудшения качества изображений 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 а/А применим только для оптико-электронного тракта с результирующей апертурной функцией Гауссового вида, что не всегда выполняется.

Новый показатель Еп универсален, имеет ясную физическую 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 Еп, позволяющая разработчикам оптико-электронной аппаратуры осуществить рациональный выбор характеристик тракта.

Проведен эксперимент, с помощью которого показано, что при проектировании ОЭТ оптимальным является значение Еп = 0.98.

3) Предложена методика, позволяющая определить рациональную степень сжатия изображений с помощью устройств компрессии на основе алгоритма 1РЕ2 000.

Показано, что рациональный коэффициент сжатия существенно зависит от показателя Еп, 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 Еп. Так, например при Еп = 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.

5) Разработано и подготовлено к работе устройство компрессии телеметрических данных, используемое в видео-телеметрическом датчике спутника «Кондор».

Проведен анализ существующих методов компрессии на степень 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 модификации наиболее подходящего алгоритма компрессии SPECK, поставленная задача была решена в полном объеме. Доработка заключалась в изменении механизма разбиения поля вейвлет-коэффициентов, что позволило снизить объем вспомогательной памяти в 16 раз.

Таким образом, полученные результаты позволяют повысить эффективность применения современных средств ДЗЗ видимого и блжнего РЖ диапазонов спектра в условиях ограничения пропускной способности информационного канала связи.