Спосіб відображення багатозонального цифрового аерокосмічного знімка на кольоровому дисплеї

Реферат: Спосіб відображення багатозонального цифрового аерокосмічного знімка на кольоровому дисплеї належить до візуальної інтерпретації цифрових аерокосмічних зображень, що отримуються системами дистанційного спостереження. Спосіб дозволяє підвищити інтерпретаційні властивості багатозональних цифрових знімків за рахунок оптимального UA 102774 C2 (12) UA 102774 C2 відображення компактних об'єктів за їх спектральними сигнатурами. Мета досягається шляхом адаптивного кольорового синтезування багатозонального зображення на комп'ютерному дисплеї, яке забезпечує максимальний для людського зору колірний контраст компактних об'єктів знімка у скануючому вікні. UA 102774 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 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. Зараз чіткою тенденцією розвитку бортової оптико-електронної знімальної апаратури середньої та високої розрізненості є збільшення числа спектральних каналів від одиниць до десятків і навіть сотень [1]. В цьому разі можливості зорового апарата оператора не дозволяють використати всю корисну інформацію, що міститься в багатоспектральному зображенні, для виявлення і розпізнавання об'єктів. Практично всі існуючі комп'ютерні системи та програмні пакети обробки багатозональних цифрових знімків передбачають їх візуалізацію в кольорах, але вони або просто дозволяють вибирати 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 [2]. Добре відомо, що сприймання оператором кольорового зображення є більш інформативним, ніж аналогічного напівтонового (у відтінках сірого - grayscale) з однаковим яскравісним контрастом [3]. Разом з тим, використання довільно синтезованого кольорового зображення може призвести до зниження колірного контрасту АС у порівнянні з вхідним зональним зображенням. Для вимірювання величини колірного контрасту має використовуватися 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 апаратнозалежні колірні системи, що застосовуються в практиці [4]. Відомі різноманітні способи маніпулювання з кольоровими цифровими зображеннями в різних колориметричних системах, таких як HSV (телевізійне та аналогове відеообладнання), RGB (комп'ютерні відеоадаптери та дисплеї), CYMK (поліграфічне обладнання) та інші, в тому числі й L*ab [5]. Метою застосованих при цьому прямих та зворотних колориметричних перетворень є візуальне покращення (підвищення насиченості або зміна відтінків) кольорів [6-8], кольорова корекція при відтворенні кольорових зображень на принципово різних пристроях чи носіях [9-11], або оцінювання точності відтворення кольору іконічною системою [12]. В будьякому разі функції конверсії колірних координат будуються на основі апаратнонезалежних колориметричних систем типу СІЕ XYZ, СІЕ L*ab, CIE Luv та подібних. Для нелінійних апаратних засобів, зокрема комп'ютерних дисплеїв, ці функції задаються таблично, як так звані профілі колірної корекції [13], які також побудовано на основі колориметричної системи СІЕ L*ab. Маючи такий профіль, можна визначити всі необхідні характеристики кольоровідтворення конкретного дисплею. Відомий спосіб перетворення спектрального розподілу зображення до заданого апаратнонезалежного кольору [14], в якому здійснюється: - визначення цільового, не залежного від пристрою відображення, кольору об'єкта на цифровому зображенні трійкою колірних координат в колірному просторі; - отримання спектрального колориметричного опису кожного кольоровідтворюючого компонента (колоранта) в наборі колорантів; - задання початкового наближення набору коефіцієнтів складу колорантів, причому кожний коефіцієнт визначає частку відповідного колоранта в наборі; - генерування скінченого ітераційного перебору коефіцієнтів складу колорантів, при якому на кожній ітерації розраховується проміжний колір, утворений сумішшю колорантів з поточним набором коефіцієнтів; - обчислення різності між черговим проміжним кольором об'єкта і цільовим кольором в рівноконтрастному лінійному колірному просторі у вигляді скалярного поля по набору колорантів; - зміна коефіцієнтів набору колорантів в залежності від різності між проміжним кольором та цільовим кольором шляхом оцінювання часткової похідної скалярного поля відносно кожного колоранта; - завершення ітераційного перебору по досягненні порогу обчисленої різності між проміжним кольором та цільовим кольором на наступній ітерації. Недоліком вказаного способу є довільне задання цільового кольору, яке не забезпечує максимуму колірного контрасту, що знижує ефективність візуальної інтерпретації багатозонального цифрового аерокосмічного зображення, відтвореного на кольоровому дисплеї. 1 UA 102774 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Відомий спосіб відображення багатозонального цифрового аерокосмічного знімка на кольоровому дисплеї [15], в якому здійснюється: - визначення послідовності інтенсивностей зображень об'єкта і фону в кожному зональному зображенні багатозонального цифрового аерокосмічного знімка; - обчислення послідовності різностей інтенсивностей об'єкта і фону в кожному зональному зображенні; - отримання спектрального колориметричного опису кожного колоранта системи кольорового відображення (відеоадаптера та дисплею) в наборі колорантів; - задання початкового наближення набору коефіцієнтів складу колорантів, причому кожний коефіцієнт визначає частку відповідного колоранта в наборі; - обчислення контрасту між кольорами об'єкта і фону в рівноконтрастному лінійному колірному просторі; - генерування скінченого ітераційного перебору коефіцієнтів складу колорантів з метою збільшення на кожній ітерації колірного контрасту між об'єктом і фоном, утвореної сумішшю колорантів з поточним набором коефіцієнтів; - зміна коефіцієнтів набору колорантів в залежності від градієнта колірного контрасту між об'єктом і фоном шляхом оцінювання часткової похідної скалярного поля відносно кожного колоранта; - завершення ітераційного перебору по досягненні максимуму колірного контрасту між об'єктом і фоном, коли на наступній ітерації ніяка зміна коефіцієнтів набору колорантів не призводить до збільшення колірного контрасту; - застосування одержаних коефіцієнтів набору колорантів для відображення багатозонального цифрового аерокосмічного знімка на кольоровому дисплеї. Недоліком даного способу є забезпечення максимуму контрасту кольорів об'єкта і лише одного фону, хоча при практичному інтерпретуванні аерокосмічного знімка один і той же самий об'єкт може знаходиться на різних фонах, причому заздалегідь невідомо, на яких саме. Найбільш близьким до способу, що пропонується, є спосіб відображення багатозонального цифрового аерокосмічного знімка на кольоровому дисплеї (прототип - Патент України на винахід № 90989) [16], в якому здійснюється: - визначення переліку фонів, на яких може розташовуватися об'єкт спостереження за результатами попереднього аналізу та класифікації багатозонального цифрового аерокосмічного знімка; - розрахунок відносних площ фонів на знімку; - обчислення послідовності різностей інтенсивностей об'єкта і кожного з фонів в кожному зональному зображенні; - отримання спектрального колориметричного опису кожного колоранта системи кольорового відображення в наборі колорантів; - задання початкового наближення коефіцієнтів складу колорантів, причому кожний коефіцієнт визначає частку відповідного колоранта в наборі; - обчислення контрастів між кольорами об'єкта і кожного фону в рівноконтрастному лінійному колірному просторі; - лінійне згортання всіх колірних контрастів до критеріального колірного контрасту з вагами, що дорівнюють відносним площам фонів на знімку; - градієнтний пошук таких коефіцієнтів набору колорантів, що забезпечують максимум критеріального колірного контрасту; - застосування знайдених коефіцієнтів набору колорантів для відображення багатозонального цифрового аерокосмічного знімка на кольоровому дисплеї. Недоліком даного способу є забезпечення максимуму лише середньозваженого по фонах сцени колірного контрасту, хоча для різних фонів існує свій оптимальний колірний контраст, який, очевидно, буде кращим, ніж середньозважений критеріальний. Для усунення вказаного недоліку пропонується застосовувати адаптивне кольорове синтезування багатозонального цифрового аерокосмічного зображення для наступного відображення на кольоровому дисплеї. Справді, в прототипі за результатами попереднього аналізу та класифікації вже визначено належність кожного піксела цифрового зображення тому чи іншому фону, а значить синтезування можна виконувати не за єдиним для всіх критеріальним колірним контрастом, а для кожного фону - за своїм оптимальним. Для цього оптимізацію слід провести стільки разів, скільки виявлено фонів у сцені, а для синтезування застосовувати саме той набір коефіцієнтів зі знайдених, що відповідає поточному фону цифрового знімка. Необхідний порядок операцій способу, що пропонується, подано на схемі фіг. 1. 2 UA 102774 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Вхідний багатозональний цифровий аерокосмічний знімок (блок 1) містить послідовності інтенсивностей зональних зображень (зональні сигнатури) заданого об'єкта (блок 2) та фонів (блок 5). За результатами попереднього аналізу та класифікації на багатозональному цифровому аерокосмічному знімку визначаються всі фони сцени (блок 4). Для кожного з визначених фонів (цикл 3) зональна сигнатура заданого об'єкта перераховується на вектор різниць зональних сигнатур об'єкта і фону (блок 6). Задається початкове наближення набору коефіцієнтів синтезування (блок 7), по яких за відомими спектральними колориметричними описами колорантів кольорового дисплея (блок 8) обчислюються рівноконтрастні колірні об'єкта і поточного фону в рівноконтрастному лінійному кольоровому просторі СІЕ L*ab (блок 9), та обчислюється поточний колірний контраст (блок 11). Далі здійснюється ітераційний градієнтний пошук над системою коефіцієнтів синтезування (блок 10), який забезпечує знаходження максимуму колірного контрасту для поточного фону (знов блок 11), а одержані по завершенні градієнтного пошуку оптимальні значення коефіцієнтів набору колорантів застосовуються для синтезування поточного сегменту цифрового аерокосмічного зображення (блок 12). Якщо той самий фон повторюється на іншому сегменті зображення, оптимізація не проводиться, а просто використовуються раніше знайдені оптимальні значення коефіцієнтів синтезування. Для зручності візуальної інтерпретації адаптивно синтезованого багатозонального цифрового аерокосмічного знімка доцільно пред'явити оператору зразок кольору об'єкта спостереження на синтезованому зображенні для кожного з фонів сцени. Синтезування завершується після вичерпання всіх сегментів зображення в циклі 3. По завершенні адаптивного синтезування проводиться відображення багатозонального цифрового аерокосмічного знімка на кольоровому дисплеї (блок 14). Отже, в запропонованому способі реалізується оптимально-адаптивне посегментне кольорове синтезування багатозонального цифрового аерокосмічного знімка для відображення на кольоровому дисплеї, що покращує можливості візуального розпізнавання об'єкта спостереження. Проте для реалізації запропонованого способу потрібно багато апріорних даних для забезпечення попереднього аналізу та надійної класифікації багатозонального цифрового аерокосмічного знімка, наприклад спектральних характеристик всіх наявних в сцені фонів, координат та точного часу зйомки, освітленості та атмосферних умов тощо. Але при практичному інтерпретуванні аерокосмічних знімків досить часто оператор не має доступу до всіх необхідних апріорних даних. В цьому разі можна застосувати різновид запропонованого способу адаптивного кольорового синтезування багатозонального цифрового аерокосмічного зображення, в якому визначення оптимального набору коефіцієнтів синтезування проводиться в локальному вікні наперед заданого розміру. Порядок операцій цього способу описується схемою фіг. 2. Вхідний багатозональний цифровий аерокосмічний знімок (блок 1) послідовно сканується локальним вікном (цикл 2). В черговому вікні шляхом перебору визначається пара опорних пікселів, які будуть використані для кольорового синтезування (блок 4). Для підкреслення можливо наявного компактного об'єкта опорні пікселі мають забезпечувати найкращу статистичну роздільність один від одного. Найбільш адекватною мірою статистичної роздільності є імовірність правильного відокремлення багатовимірних радіометричних сигналів в опорних пікселах. Ця імовірність залежить від багатьох інформаційних характеристик цифрового зображення, перш за все - від просторової розрізненості та забезпечуваного відношення "сигнал-шум" [17]. Стосовно багатозональних цифрових аерокосмічних знімків імовірність статистичного виявлення компактного об'єкта визначаються еквівалентною просторовою розрізненістю та еквівалентним відношенням "сигнал-шум" і може бути оцінена за радіометричними сигналами в опорних пікселах та статистичними характеристиками в локальному вікні [18]. Оцінка імовірності виконується в блоці 3. Всі подальші операції повторюють вищеописаний варіант способу: розраховується вектор різниць зональних сигнатур об'єкта і фону (блок 5), з урахуванням колориметричних характеристик колорантів кольорового дисплея (блок 7) проводиться оптимізація коефіцієнтів кольорового синтезування шляхом ітераційного градієнтного пошуку (блоки 6, 8, 9, 10), виконується кольорове синтезування багатозонального цифрового аерокосмічного зображення в поточному локальному вікні (блок 11). По завершенні сканування зображення локальним вікном (кінець циклу 3) проводиться відображення багатозонального цифрового аерокосмічного знімку на кольоровому дисплеї (блок 12). Отже, описаний різновид запропонованого способу реалізує локально-адаптивне кольорове синтезування багатозонального цифрового аерокосмічного знімка для відображення на 3 UA 102774 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 кольоровому дисплеї. Синтезування за спеціально вибраними опорними пікселами дозволяє підвищити інтерпретаційні властивості зображень компактних об'єктів. Наприклад, для оптимально синтезованого багатозонального супутникового знімка Ikonos, фрагмент якого показано на фіг. 3б, середня радіометрична модуляція компактних об'єктів збільшилася на 3,5 %, а пікова радіометрична модуляція - на 12 % у порівнянні з тим же фрагментом вихідного зонального знімка фіг. 3а. Таким чином, запропонований спосіб відображення багатозонального цифрового аерокосмічного знімка на кольоровому дисплеї дозволяє підвищити ефективність візуальної інтерпретації матеріалів багатозонального аерокосмічного знімання за рахунок оптимального адаптивного кольорового синтезування. Описані два різновиди запропонованого способу можуть бути застосовані для відображення багатозонального цифрового аерокосмічного знімка на кольоровому дисплеї як при наявності апріорних даних про сцену зйомки, так й при їх відсутності. Джерела інформації: 1. Gupta M.R., Hrustemovic N. Color science and engineering for the display of remote sensing images // Optical Remote Sensing: Advances in Signal Processing and Exploitation Techniques / S. Prasad, L.M. Bruce, J. Chanussot (Eds.). - Berlin: Springer-Verlag, 2011. - P. 65-79. 2. Landgrebe D.A. Information extraction principles and methods for multispectral and hyperspectral image data. - River Edge: World Scientific Publishing, 2000. - 508 p. 3. Wyszecki G., Stiles W.S. Color science: concepts and methods, quantitative data and formulae. - N.Y.: John Wiley. - 1982. - 950 p. 4. Mann S. Comparametric equations with practical applications in quantigraphic image processing // IEEE Transactions on Image Processing, 2000. - Vol. 9. - No. 8. - P. 1389-1394. 5. Usami Y. Method of converting color data / United States Patent No 6,341,175. - January 22, 2002. 6. Miyashita N., Kanda Т., Aoki M. Image processing apparatus for correcting color space coordinates and method / United States Patent No 6,031,543. - February 29, 2000. 7. Holm J.M. Strategy for pictorial digital image processing / United States Patent No 6,249,315. June 19, 2001. 8. Bhattacharjya A., Ancin H. Color table manipulations for smooth splicing / United States Patent No 6,546,132. - April 8, 2003. 9. Holm J.M. Pictorial digital image processing incorporating image and output device modifications / United States Patent No 6,563,945. - May 13, 2003. 10. Gindele E.B., Topfer K., Buhr J.D., Woolfe G.J., Gallagher A.C. Color image reproduction of scenes with preferential color mapping and scene-dependent tone scaling / United States Patent No 6,594,388.- July 15, 2003. 11. Rao A. Color management system for converting computer graphic images to film images / United States Patent No 6,697,519. - February 24, 2004. 12. Edge C.J., Rozzi W.A., Fischer T.A. Color processing / United States Patent No 6,608,925. August 19, 2003. 13. Nielsen M., Stokes M. The creation of the sRGB ICC profile // MACUP Magazine, 2002. Vol. 2. - No. 12. - P. 19-24. 14. Estrada J.J. Spectral color matching to a device-independent color value / United States Patent No 6,646,763. - November 11, 2003. 15. Мосов С.П., Станкевич С.А., Попов М.О., Волошин B.I. Спосіб відображення багатозонального цифрового аерокосмічного знімку на кольоровому дисплеї / Патент України на винахід № 75298. - 15.03.2006. 16. Попов М.О., Станкевич С.А., Мосов С.П., Кондратов О.М., Андронов В.В., Титаренко О.В. Спосіб відображення багатозонального цифрового аерокосмічного знімку на кольоровому дисплеї / Патент України на винахід № 90989.-10.06.2010. 17. Кононов В.И. Связь информационных и вероятностных оценок систем формирования изображений (иконических систем) // Оптико-механическая промышленность, 1991. - № 11. С. 13-18. 18. Станкевич С.А., Пономаренко CO., Собчук О.М., Шолонік О.В. Інформативність багатозональних цифрових аерокосмічних зображень при інтерпретації антропогенних об'єктів // Збірник наукових праць Державного науково-дослідного Інституту авіації. - Вип. 3(10). - Київ: ДНДІА, 2007. – С. 160-164. 4 UA 102774 C2 ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 5 10 15 20 1. Спосіб відображення багатозонального цифрового аерокосмічного знімка на кольоровому дисплеї, 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, виконують попередній аналіз та класифікацію фонів багатозонального цифрового аерокосмічного знімка, розраховують різницю інтенсивності зображень об'єкта і фону, обчислюють колірний контраст між кольорами об'єкта і фону та проводять ітераційний перебір коефіцієнтів складу колорантів до досягнення максимуму колірного контрасту, отримують відображення знімка на кольоровому дисплеї, який відрізняється тим, що максимум колірного контрасту досягають послідовно для кожного з фонів, а відображення знімка на кольоровому дисплеї виконують з власними наборами коефіцієнтів окремо для всіх фонів, наявних на знімку. 2. Спосіб відображення за п. 1, який відрізняється тим, що виконують одержання знімка вікном заданого розміру, для кожного положення вікна визначають два опорні пікселі, в яких забезпечується максимальна імовірність виявлення компактного об'єкта, максимум колірного контрасту досягають послідовно для кожного положення вікна за різницями інтенсивностей опорних пікселів, а відображення знімка на кольоровому дисплеї виконують з власними наборами коефіцієнтів окремо для кожного положення вікна. 5 UA 102774 C2 Комп’ютерна верстка Л. Ціхановська 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 6