Спосіб відображення багатозонального цифрового аерокосмічного знімка на кольоровому дисплеї

УКРАЇНА (19) UA (11) 90989 (13) C2 (51) МПК (2009) G06K 9/00 МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ ДЕРЖАВНИЙ ДЕПАРТАМЕНТ ІНТЕЛЕКТУАЛЬНОЇ ВЛАСНОСТІ ОПИС ДО ПАТЕНТУ НА ВИНАХІД (54) СПОСІБ ВІДОБРАЖЕННЯ БАГАТОЗОНАЛЬНОГО ЦИФРОВОГО АЕРОКОСМІЧНОГО ЗНІМКА НА КОЛЬОРОВОМУ ДИСПЛЕЇ 2 сплеї, при якому одержують багатозональний цифровий аерокосмічний знімок, отримують спектральний колориметричний опис кожного колоранта дисплея, задають початкове наближення набору коефіцієнтів складу колорантів дисплея, де кожний коефіцієнт визначає частку відповідного колоранта в наборі колорантів, розраховують різницю інтенсивності зображень об'єкта і фону або зональних контрастів між об'єктом і фоном, обчислюють колірну відміну між кольорами об'єкта і фону та проводять ітераційний перебір коефіцієнтів складу колорантів до досягнення максимуму колірної відміни, отримують відображення знімка на кольоровому дисплеї, який відрізняється тим, що виконують попередній аналіз та класифікацію фонів багатозонального цифрового аерокосмічного знімка, визначають частки площ фонів кожного з класів знімка, а колірну відміну обчислюють як середньозважену з відповідними частками площ колірну відміну між кольорами об'єкта і всіх класів фонів, наявних на знімку. Винахід належить до науково-технічного напрямку цифрового оброблення та аналізу аерокосмічних зображень. Детальна інтерпретація цифрових аерокосмічних знімків в теперішній час виконується, як правило, візуально людиною-оператором. Більшість сучасних оптико-електронних систем дистанційного спостереження зараз є багатозональними, що ускладнює не тільки їх обробку, а й навіть візуалізацію їх зображень для інтерпретації. Практично всі існуючі комп'ютерні системи та програмні пакети обробки багатозональних цифрових знімків передбачають їх візуалізацію в кольорах, але вони або просто дозволяють обирати тільки три зональних зображення для їх синтезування в червоному (R), зеленому (G) та синьому (В) каналах кольорового дисплею, або потребують попередніх алгебраїчних операцій над зональними каналами знімка (Band Mathematics), які виконуються оператором довільно та мають цілком непередбачений результат [1]. Зараз добре відомо, що сприймання оператором кольорового зображення є більш інформативним, ніж аналогічного напівтонового (у відтінках сірого - grayscale) з однаковим яскравісним контрастом [2]. Разом з тим, використання довільно синтезованого кольорового зображення може привести до зниження колірної відміни (колірного контрасту) С у порівнянні з вхідним зональним зображенням. Для вимірювання величини колірної відміни необхідно використовувати лінійний рівноконтрастний колірний простір, величини кольорів в якому не залежать від конкретного пристрою кольоровідтворення. Ідеальним варіантом такого колірного простору є колірний простір стандартної міжнародної колориметричної системи СІЕ L*ab, для якого відомі формули перерахунку в практично всі нерівноконтрастні та апаратно-залежні колірні системи, що використовуються на практиці [3]. Відомі різноманітні способи маніпулювання з кольоровими цифровими зображеннями в різних колориметричних системах, таких як HSV (телевізійне та аналогове відеообладнання), RGB (ком (19) UA (11) 90989 (13) (21) a200913160 (22) 17.12.2009 (24) 10.06.2010 (46) 10.06.2010, Бюл.№ 11, 2010 р. (72) ПОПОВ МИХАЙЛО ОЛЕКСІЙОВИЧ, СТАНКЕВИЧ СЕРГІЙ АРСЕНІЙОВИЧ, МОСОВ СЕРГІЙ ПЕТРОВИЧ, КОНДРАТОВ ОЛЕКСАНДР МИХАЙЛОВИЧ, АНДРОНОВ ВІТАЛІЙ ВІТАЛІЙОВИЧ, ТИТАРЕНКО ОЛЬГА ВІКТОРОВНА (73) ПОПОВ МИХАЙЛО ОЛЕКСІЙОВИЧ, СТАНКЕВИЧ СЕРГІЙ АРСЕНІЙОВИЧ, МОСОВ СЕРГІЙ ПЕТРОВИЧ, КОНДРАТОВ ОЛЕКСАНДР МИХАЙЛОВИЧ, АНДРОНОВ ВІТАЛІЙ ВІТАЛІЙОВИЧ, ТИТАРЕНКО ОЛЬГА ВІКТОРОВНА (56) UA 75298 C2, G06K9/00, публ. 15.03.2006. RU 2075780, G06K9/56, публ. 20.03.1997. US 6600833, G06K9/00, публ. 29.07.2003. US 6646763, G06K13/00, публ. 11.11.2003. US 6804390, G06K9/62, публ. 12.10.2004. (57) Спосіб відображення багатозонального цифрового аерокосмічного знімка на кольоровому ди C2 1 3 90989 4 п'ютерні відеоадаптери та дисплеї), CYMK (поліграстному лінійному колірному просторі у вигляді рафічне обладнання) та інші, в тому числі й L*ab скалярного поля по набору колорантів; [4]. Метою застосованих при цьому прямих та звозміна коефіцієнтів набору колорантів в залежротних колориметричних перетворень є візуальне ності від різності між проміжним кольором та ціпокращення (підвищення насиченості або зміна льовим кольором шляхом оцінювання часткової відтінків) кольорів [5-7], кольорова корекція при похідної скалярного поля відносно кожного коловідтворенні кольорових зображень на принципово ранта; різних пристроях чи носіях [8-10], або оцінювання завершення ітераційного перебору по досягточності відтворення кольору іконічною системою ненні порогу обчисленої різності між проміжним [11]. В будь-якому разі функції конверсії колірних кольором та цільовим кольором на наступній ітекоординат будуються на основі апаратнорації. незалежних колориметричних систем типу СІЕ Недоліком вказаного способу є довільне заXYZ, СІΕ L*ab, CIE Luv та подібних. Для нелінійних вдання цільового кольору, яке не забезпечує макапаратних засобів, зокрема комп'ютерних дисплеїв симуму колірної відміни, що зніжує ефективність ці функції задаються таблично, як так звані профівізуального дешифрування багатозонального цилі колірної корекції [12], які також побудовано на фрового аерокосмічного зображення, відтвореного основі колориметричної системи СІЕ L*ab. Маючи на кольоровому дисплеї. такий профіль, можна визначити всі необхідні хаРозглянемо m-зональний цифровий аерокосрактеристики кольоровідтворення конкретного мічний знімок, на якому є зображення об'єкта і фодисплею. ну, визначені послідовностями зональних сигналів Відомий спосіб перетворення спектрального E0j та Еj, j=1…m відповідно. Нехай на кольоровому розподілу зображення до заданого апаратноRGB-дисплеї відтворюється лінійно синтезоване із незалежного кольору (аналог) [13], в якому здійсзональних кольорове зображення. Колірні сигнали нюється: об'єкта С0={R0, G0, В0} і фону С={R, G, В} складуть: визначення цільового, не залежного від пристрою відображення, кольору об'єкта на цифровоm m му зображенні трійкою колірних координат в колірR0 rj 0 j, R rj j, ному просторі; j 1 j 1 отримання спектрального колориметричного m m опису кожного кольоровідтворюючого компонента G0 g j 0 j, G g j j, (1) (колоранта) в наборе колорантів; j 1 j 1 задання початкового наближення набору коеm m фіцієнтів складу колорантів, причому кожний коеb j 0 j, b j j, 0 фіцієнт визначає долю відповідного колоранта в j 1 j 1 наборі; генерування скінченого ітераційного перебору    коефіцієнтів складу колорантів, при якому на кожде r r j , g g j , b b j , j=1...m - вектори ної ітерації розраховується проміжний колір, утвокольорового синтезування. рений сумішшю колорантів з поточним набором Виразимо відтворені кольори в лінійній рівнокоефіцієнтів; контрастній апаратно-незалежній колориметричній обчислення різності між черговим проміжним системі СІЕ L*ab: кольором об'єкта і цільовим кольором в рівноконтL0 a0 b0 xR R0 uR R0 R R0  xR xG x , u  де x  R G xG G0 uG G0 G G0 L a b де R G  x  u  rj j 1 j , , (2) , m G - вектори, що характеризують m R 0, L xR R xG G x 0, a uR R uG G u 0, b R R G G uR uG u , кольоро-відтворення дисплею. Вектор колірної відміни L*abскладе:  x  u  x u  r  g  b  E  r  E, в системі СІЕ (3) gj j 1 j  g  E, j  b  E , - колірні відміни; m bj j 1 Ej=E0j-Ej , j=1...m - вектор різниць зональних сигналів. В нинішній час колірний простір СІЕ L*ab є міжнародним стандартом роботи з кольорами. Основна перевага СІЕ L*ab - незалежність від механізму відтворення кольору на моніторах і на інших засобах відображення візуальної інформації. Цей фактор дає можливість кількісно оцінювати колірні відміни кольорів довільної яскравості з точки зору 5 90989 6 людини. Колірна відміна в просторі СІЕ L*ab опиня на кожної ітерації колірної відміни між об'єктом і сується просто евклідовою метрикою: фоном, утвореної сумішшю колорантів з поточним набором коефіцієнтів; зміна коефіцієнтів набору колорантів в залежL ності від градієнта колірної відміни між об'єктом і 2 2 2 C a L a b (4) фоном шляхом оцінювання часткової похідної скаb лярного поля відносно кожного колоранта; завершення ітераційного перебору по досягненні максимуму колірної відміни між об'єктом і Тепер, варіюючи коефіцієнтами синтезування, фоном, коли на наступній ітерації ніяка зміна коеможна добитися максимуму колірної відміни (4) на фіцієнтів набору колорантів не призводить до збісинтезованому зображенні на дисплеї: льшення колірної відміни; застосування одержаних коефіцієнтів набору  r колорантів для відображення багатозонального  цифрового аерокосмічного знімку на кольоровому g arg max C (5)  дисплеї. b Недоліком даного способу є забезпечення максимуму відміни кольорів об'єкта і лише одного Для знаходження екстремуму кольорової відфону, хоча при практичному дешифруванні аероміни (4) можуть застосовуватися різні математичні космічного знімка один і тій же самий об'єкт може методи: прямі, пов'язані з аналітичним розв'язанзнаходитися на різних фонах, причому заздалегідь ням (5), наприклад класичного математичного невідомо, на яких саме. Помилкове визначення аналізу: фону може призвести до неправильного визначення коефіцієнтів кольорового синтезування та ускладнення дешифрування й навіть невиявлення C 0 об'єкта спостереження на синтезованому зобраri женні. C 0, j 1...m, (6) Для усунення вказаного недоліку пропонуєтьgi ся до початку визначення коефіцієнтів синтезування провести попередній аналіз та класифікацію C 0 bi фонів багатозонального цифрового аерокосмічного знімка з метою визначення тих з них, на яких в принципі може розташовуватися об'єкт спостерестатистичні, що враховують різноманітні шуми ження. Такий аналіз може включати автоматичну [14]; численні, наприклад потенційного пошуку в або напівавтоматичну сегментацію та класифікаколірному просторі [15]; евристичні, наприклад на цію багатозонального цифрового аерокосмічного основі комп'ютерно-емульованої нейронної мережі знімка, які є стандартними процедурами майже [16]. В запропонованому способі можливо викоривсіх сучасних програмних пакетів обробки багатостовувати будь-якої математичний метод максимізональних цифрових знімків, а також тематичне зації колірної відміни, наприклад, використаний в зіставлення властивостей виявлених класів місцепрототипі - ітераційний градієнтний пошук в скалявості з характеристиками заданого об'єкта спостерному полі над системою векторів синтезування. реження задля визначення, чи може він знахоНайбільш близьким до способу, що пропонудиться всередині того чи іншого класу. Прикладом ється, є спосіб відображення багатозонального реалізації такого зіставлення може служити спосіб цифрового аерокосмічного знімку на кольоровому тематичного дешифрування зображень [18]. дисплеї (прототип) [17], в якому здійснюється: Необхідний порядок операцій способу, що визначення послідовності інтенсивностей зопропонується, подано на схемі Фіг. бражень об'єкта і фону в кожному зональному зоВхідний багатозональний цифровий аерокосбраженні багатозонального цифрового аерокосмімічний знімок (блок 1) містить послідовності зоначного знімку; льних інтенсивностей зображень (зональні сигнаобчислення послідовності різностей інтенсивтури) об'єкта Е0={E0j}, та фонів Еi={Еij}, j=1...m. За ностей об'єкта і фону або зональних контрастів результатами попереднього аналізу та класифікаміж об'єктом і фоном в кожному зональному зоції на багатозональному цифровому аерокосмічбраженні; ному знімку визначаються n фонів (блок 2), на яких отримання спектрального колориметричного може розташовуватися об'єкт спостереження. Для опису кожного кольоровідтворюючого компонента кожного з фонів Ei, і=1...n, розраховується його (колоранта) системи кольорового відображення відносна площа на знімку wi, i=1...n (блок 3), яка (відеоадаптера та дисплею) в наборі колорантів; дорівнює відношенню кількості пікселів, марковазадання початкового наближення набору коених класом і, до сумарної кількості пікселів всіх n фіцієнтів складу колорантів, причому кожний коекласів. Зональна сигнатура заданого об'єкта спофіцієнт визначає долю відповідного колоранта в стереження (блок 5) перераховується на різності наборі; інтенсивностей об'єкта і фону або зональних контобчислення відміни між кольорами об'єкта і растів між об'єктом і фоном в кожному зональному фону в рівноконтрастному лінійному кольоровому зображенні (блок 6) для всіх n класів. Задається просторі; початкове наближення набору коефіцієнтів синтегенерування скінченого ітераційного перебору коефіцієнтів складу колорантів з метою збільшен 7 90989 8    4. Patent №6,341,175 United States. Method of зування r , g , b (блок 7), по яких за (1) обчислюconverting color data / Usami Y. - Publication Date: ються відміни RGB-сигналів Ri, Gi, Bi (блок 8) 01/22/2002. системи кольорового відображення (відеоадапте5. Patent №6,031,543 United States. Image ра та дисплею) для кожного класу фонів. Далі за processing apparatus for correcting color space ними та відомими спектральними колориметричcoordinates and method / Miyashita N., Kanda Т.,  ними описами колорантів кольорового дисплея x , Aoki M. - Publication Date: 02/29/2000.   u, (блок 4) за (3) обчислюються відміни між 6. Patent №6,249,315 United States. Strategy for pictorial digital image processing / Holm J.M. кольорами об'єкта і фонів Сi, i=1...n в рівноконтPublication Date: June 19, 2001. растному лінійному кольоровому просторі СІЕ L*ab 7. Patent №6,546,132 United States. Color table (блок 9), які згортаються до критеріальної колірної manipulations for smooth splicing / Bhattacharjya A., відміни С (блок 10) з вагами wi, і=1...n, що було Ancin H. - Publication Date: April 8, 2003. визначено в блоці 3: 8. Patent №6,563,945 United States. Pictorial digital image processing incorporating image and output n device modifications / Holm J.M. - Publication Date: C w i Ci . (7) May 13, 2003. i 1 9. Patent №6,594,388 United States. Color image reproduction of scenes with preferential color Всі подальші операції виконуються як в протоmapping and scene-dependent tone scaling / Gindele типі: організується ітераційний градієнтний пошук E., Topfer K., Buhr J., Woolfe G., Gallagher A. в скалярному полі над системою коефіцієнтів синPublication Date: July 15, 2003. тезування, який забезпечує знаходження макси10. Patent №6,697,519 United States. Color муму критеріальної колірної відміни (блок 12), а management system for converting computer graphic одержані по завершенні градієнтного пошуку опimages to film images / Rao A. - Publication Date: тимальні значення коефіцієнтів набору колорантів February 24, 2004. застосовуються для відображення багатозональ11. Patent №6,608,925 United States. Color ного цифрового аерокосмічного знімку на кольоprocessing / Edge C.J., Rozzi W.A., Fischer T.A. ровому дисплеї (блок 11). Для зручності візуальної Publication Date: August 19, 2003. інтерпретації синтезованого багатозонального 12. Nielsen M. The creation of the sRGB ICC profile / цифрового аерокосмічного знімку у вільній частині M. Nielsen, M. Stokes // MACUP Magazineio. - 2002. дисплея доцільно пред'явити оператору зразок - Vol. 2. - No. 12. - P. 19-24. кольору об'єкта спостереження R0, G0, B0 на оп13. Patent №6,646,763 United States. Spectral color тимально синтезованому зображенні, який легко matching to a device-independent color value / може бути обчислено за (1). Estrada J.J. - Publication Date: November 11, 2003. Таким чином, в запропонованому способі за14. Patent №6,600,833 United States. Methodology безпечується оптимальне в розумінні середньозfor color correction with noise regulation / Tan Y., важеної по фонах сцени колірної відміни об'єкта Acharya T. - Publication Date: July 29, 2003. спостереження відображення багатозонального 15. Patent №6,633,667 United States. Image цифрового аерокосмічного знімку на кольоровому processing apparatus and method / Matsuoka H. дисплеї, що суттєво поліпшує візуальні розпізнаPublication Date: October 14, 2003. вальні властивості синтезованого кольорового 16. Patent №6,804,390 United States. Computerзображення. implemented neural network color matching Література formulation applications / McClanahan C.J. 1. Landgrebe D.A. Information extraction principles Publication Date: October 12, 2004. and methods for multispectral and hyperspectral 17. Пат. №75298 Україна. Спосіб відображення image data / D.A. Landgrebe. - River Edge: World багатозонального цифрового аерокосмічного знімScientific Publishing, 2000. - 508p. ку на кольоровому дисплеї / Мосов С.П., Станке2. Wyszecki G., Stiles W.S. Color science: concepts вич С.А., Попов М.О., Волошин В.І. - опубл. and methods, quantitative data and formulae / G. 15.03.2006. Wyszecki, W. Stiles. - N.Y.: John Wiley, 1982. - 950p. 18. Пат. №2075780 Российская Федерация. Спо3. Mann S. Comparametric equations with practical соб тематического дешифрирования изображений applications in quantigraphic image processing / S. и устройство для его осуществления / Попов М.А., Mann // IEEE Transactions on Image Processing. Гунько Ю.И., Зимин Ю.М., Мосов С.П., Станкевич 2000. - Vol. 9. - No. 8. - P. 1389-1394. С.А. -опубл. 20.03.1997. 9 Комп’ютерна верстка О. Гапоненко 90989 Підписне 10 Тираж 26 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601