Спосіб підвищення розрізненості кольорового зображення цифрового аерокосмічного знімка

Реферат: Винахід належить до галузі аерокосмічного знімання. Спосіб підвищення розрізненості кольорового зображення цифрового аерокосмічного знімку базується на зсуві оптичної осі кольорової цифрової камери і виконанні експозиції в заданих положеннях осі з подальшою обробкою отриманих даних. Для підвищення розрізненості аерокосмічних знімків зсув оптичної осі виконують по П-подібній траєкторії в напрямку рядків і стовпців з експозиціями в вершинах отриманих траєкторій незамкнутого чотирикутника, сторони якого відповідають кутовим розмірам сторін прямокутника піксела ПЗЗ-матриці. Використовуючи дані по рядках і стовпцях отриманих чотирьох зображень об'єкта кольорової ПЗЗ-матриці, будують нові віртуальні однокольорові рядки та стовпці та формують з них окремі віртуальні однокольорові матриці за числом основних кольорів блока пікселів ПЗЗ-матриці. Після формування віртуальних однокольорових матриць виконують субпіксельні зсуви оптичної осі цифрової камери в UA 107047 C2 (12) UA 107047 C2 напрямку рядків та стовпців на n величин розмірів субпікселів та на основі отриманих даних будують субпіксельні віртуальні рядки та стовпці і потім віртуальні однокольорові субпіксельні матриці за числом кольорів пікселів основної матриці. UA 107047 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Винахід належить до галузі аерокосмічного знімання. Відомі способи аерокосмічного знімання, що ґрунтуються на реєстрації зображення об'єкта на мішені багатоелементної фотоприймальної матриці оптико-електронного приладу (ОЕП) [1], відомі традиційні фотографічні способи з фіксацією зображення об'єкта на фотоплівці [2], способи аерокосмічного знімання (АКЗ) зі скануванням зображення місцевості оптикоелектронною системою, що містить ПЗЗ-лінійку [1]. До недоліків відомих способів цифрового аерокосмічного знімання треба віднести: - недостатньо високу розрізнювальну здатність (розрізненість); - мале поле зору. Відомий спосіб та пристрій для реєстрації зображень [3], в якому забезпечується субпіксельна реєстрація країв на зображені шляхом врахування відхилень розподілу яскравості від унімодального. Недоліком цього способу є відсутність фізичного вимірювання субпіксельних сигналів, тобто він є різновидом інтерполяції. Відомий спосіб, що реалізується пристроєм для одержання зображень з реєстрацією субпіксельної інформації [4], в якому визначаються інтенсивності сигналів та центроїди місць розташування сигналів в межах кожного піксела. Недоліком цього способу та пристрою є висока складність конструкції: кожний фотоприймальний елемент матриці обладнується декількома додатковими вимірювальними електродами та передпідсилювачами сигналів. Ще відомий спосіб для одержання зображень з надрозрізненістю, що реалізується пристроєм [5], в якому субпіксельний сигнал формується за допомогою дифракційних елементів з мікролінзами в кожному пікселі. Недоліком цього способу та пристрою також є висока складність конструкції. Відомий оптико-електронний пристрій та спосіб його функціонування [6], в якому здійснюється субпіксельний зсув зображення за рахунок додаткової оптичної системи. Недоліком цього способу є обмеження кількості субпікселів, що розрізняються, кількістю додаткових оптичних систем, що унеможливлює значне підвищення розрізнювальної здатності знімальної системи. Загальним недоліком вищеописаних відомих способів аерокосмічної зйомки є неможливість суттєвого підвищення роздільності кольорової цифрової камери та отримуваного камерою кольорового цифрового знімку з використанням субпіксельних технологій. Спосіб дистанційного знімання [7] є ефективним у чорно-білому варіанті, але для кольорових знімків може бути використаний тільки частково. Спосіб [7] дистанційного знімання аерокосмічних знімків ґрунтується на субпіксельній технології і його можна використовувати як аналог, прийнятого за прототип. Загальною ознакою з запропонованим способом є наявність зсуву зображення об'єкту при зніманні. Задачею винаходу є підвищення геометричної розрізненості аерокосмічного кольорового знімку. Поставлена задача вирішується за рахунок створення способу підвищення розрізненості кольорового зображення цифрового аерокосмічного знімку, що базується на зсуві оптичної осі кольорової цифрової камери і виконанні експозиції в заданих положеннях осі з подальшою обробкою отриманих даних, який відрізняється тим, що зсув оптичної осі виконують по Пподібній траєкторії в напрямку рядків і стовпців з експозиціями в вершинах отриманих траєкторій незамкнутого чотирикутника, сторони якого відповідають кутовим розмірам сторін прямокутника піксела ПЗЗ-матриці, при цьому, використовуючи дані по рядках і стовпцях отриманих чотирьох зображень об'єкта кольорової ПЗЗ-матриці, будують нові віртуальні однокольорові рядки та стовпці та формують з них окремі віртуальні однокольорові матриці за числом основних кольорів блока пікселів ПЗЗ-матриці; після формування віртуальних однокольорових матриць виконують субпіксельні зсуви оптичної осі цифрової камери в напрямку рядків та стовпців на n величин розмірів субпікселів та на основі отриманих даних будують субпіксельні віртуальні рядки та стовпці і потім віртуальні однокольорові субпіксельні матриці за числом кольорів пікселів основної матриці. Технічним результатом є підвищення розрізненості кольорового зображення цифрового аерокосмічного знімку як мінімум в чотири рази. На фіг. 1 показана схема пристрою для реалізації запропонованого способу: 1 - об'єктив 2 - ППП (плоско-паралельна пластина) 3 - п'єзоелектричні шайби 4 - фотоприймальна матриця 5 - корпус 6 - передпідсилювач 1 UA 107047 C2 5 10 15 20 25 30 35 7 - блок обробки інформації 8 - блок управління 9 - генераторний блок 10 - програмний блок 11 - блок запису і збереження інформації. Вузли 1...4 розміщені в єдиному жорсткому корпусі 5. Електронні блоки 6...11 можуть бути розміщені як в корпусі 5, так і поза корпусом та зв'язані між собою і з матрицею 4 електрично. Робота пристрою відбувається наступним чином. Світлові промені від об'єкту з зовнішнього простору падають на об'єктив 1, який фокусує промені, що проходять через ППП 2 на мішень матриці 4, де утворюється зображення об'єкта. Прозора скляна ППП 2 закріплена на внутрішніх виступах корпусу 5 на трьох п'єзоелектричних шайбах, розташованих під кутами 120° по окружності корпуса. За командою блока управління 8 здійснюється включення блоків 4, 6, 7, 8, 9, 10, 11, при цьому електричні сигнали від блока 4 посилюються блоком 6 та направляються на вхід блока 7, де виконується обробка отримуваних цифрових зображень. Одночасно по команді блока 8 через блок 10 (за закладеною в нього програмою) блок 9 подає необхідні напруги на п'єзоелектричні шайби 3, при цьому змінюються розміри шайб, викликаючи зміну нахилу ППП 2 в заданих напрямках на задані кути, що забезпечує зміщення зображення об'єкту, що знімається, на мішені матриці 4. За сигналами блока 9 зміна товщини шайб 3 відповідно з програмою блока 10 призводить до траєкторії переміщення зображення об'єкта мішені матриці 4 у вигляді чотирикутника зі сторонами mрх та mру, кратними сторонам піксела матриці; при положенні зображення в кожній вершині цього чотирикутника за командою блока 8 виконується експозиція. Отримані таким чином сигнали дозволяють сформувати чотири варіанти однокольорових матриць, тобто чотири віртуальні матриці, кожна з яких складається з однокольорових пікселів, наприклад, R, G1, G2, В. Порівняно з вихідною матрицею віртуальні рядки та стовпці мають лінійну розрізненість в два рази вище, а отримана віртуальна матриця має розрізненість по площі в чотири рази вище. Подальше підвищення розрізненості отримують зменшуючи дискретне зміщення p p зображення послідовно по осях X та Y матриці на величину m x та m y , де n - знаменник n n при діленні сторони піксела на субпіксельні відрізки. Наприклад, при n = 2 для кожного кольору отримаємо дві віртуальні матриці з підвищенням лінійної розрізненості в два рази, а відносно вихідної матриці - в чотири рази. Сигнали про рівень засвічування пікселів віртуальних матриць обробляються в блоці 7 по технології, викладеній в [7], при цьому в процесі подальшого знімання почергово виконують кутове зміщення оптичної осі знімального приладу по напрямку рядків і стовпців фотоприймача матриці на кількість позицій n з інтервалом: 40 Px  Py  та , ѓn ѓn де: Px , Py - лінійні розміри сторін прямокутного піксела матриці;  - фокусна відстань об'єктива цифрової камери;   20626 5 - кутова константа. При дешифруванні визначають рівень електричних сигналів від засвічування прямокутних PxPy P P ділянок пікселів, де x , y - сторони прямокутної ділянки відповідно по напрямках n2 n n рядків і стовпців, базуючись на групи пікселів з однаковим рівнем сигналів від їх засвічування, переважно мінімального рівня, після чого по даних сигналах від прямокутних ділянок визначають рівень електричного сигналу для кожної ділянки піксела площиною 45 50 PxPy n2 , що відповідає його засвічуванню, і таким чином поділяють кожний піксел кожної віртуальної 2 однокольорової ПЗЗ-матриці на n субпікселів. На фіг. 2 показано поетапне перетворення кольорової матриці R, G1, G2, В у віртуальні однокольорові субпіксельні матриці для варіанта n = 2 а) вихідна ПЗЗ-матриця; б) перший етап: віртуальні однокольорові матриці R, G1, G2, В; в) другий етап: віртуальні однокольорові субпіксельні матриці із розміром субпіксела PxPy 4 при n = 2. 2 UA 107047 C2 5 10 15 Таким чином, запропонований спосіб дозволяє отримати підвищення розрізненості 2 аерокосмічних знімків по площі в 4n разів за рахунок заміни пікселів субпікселами для кожної з отриманих на першому етапі віртуальних матриць R, G1, G2, В. Література: 1. Савиных В.П., Цветков В.Я. Геоинформационный анализ данных дистанционного зондирования Земли. - М.: Картгеоцентр-Геоиздат, 2001. - 228 с. 2. Дорожинський О.Л. Основи фотограмметрії. - Львів: Видавництво Національного університету «Львівська політехніка», 2003. - 214 с. 3. Shiba H. Image registration method, image registration apparatus and recording medium/ United States Patent No 6,434,279. - August 13, 2002. 4. Jackson W.B., Jared D.A., Basu S., Biegelsen D.K. Position sensitive detector based image conversion system capable of preserving subpixel information/ United States Patent No 5,754,690. May 19, 1998/. 5. Mendlovicy D., Zalevski Z., Konforti N., Marom E., Shabtay G., Levy U., Karako S. Superresolving imaging system/ United States Patent No 6,344,893. - February 5, 2002. 6. Waslowski K., Merettig G. Opto-electronic device and method for its operation/ European Patent No 1821120. - 16.02.2007. 7. Бурачек В.Г., Зацерковний В.I., Попов М.О., Станкевич С.А. Спосіб дистанційної зйомки. Патент України на винахід № 95696, 25.08.2011, Бюл. № 16. 20 ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 25 30 35 Спосіб підвищення розрізненості кольорового зображення цифрового аерокосмічного знімка, що базується на зсуві оптичної осі кольорової цифрової камери і виконанні експозиції в заданих положеннях осі з подальшою обробкою отриманих даних, який відрізняється тим, що зсув оптичної осі виконують по П-подібній траєкторії в напрямку рядків і стовпців з експозиціями в вершинах отриманих траєкторій незамкнутого чотирикутника, сторони якого відповідають кутовим розмірам сторін прямокутника піксела ПЗЗ-матриці, при цьому, використовуючи дані по рядках і стовпцях отриманих чотирьох зображень об'єкта кольорової ПЗЗ-матриці, будують нові віртуальні однокольорові рядки та стовпці та формують з них окремі віртуальні однокольорові матриці за числом основних кольорів блока пікселів ПЗЗ-матриці; після формування віртуальних однокольорових матриць виконують субпіксельні зсуви оптичної осі цифрової камери в напрямку рядків та стовпців на n величин розмірів субпікселів та на основі отриманих даних будують субпіксельні віртуальні рядки та стовпці і потім віртуальні однокольорові субпіксельні матриці за числом кольорів пікселів основної матриці. 3 UA 107047 C2 4 UA 107047 C2 Комп’ютерна верстка С. Чулій Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 5