Спосіб підвищення просторової розрізненості при дистанційній зйомці з використанням субпіксельної реєстрації зображень та пристрій для його здійснення

Реферат: Винахід належить до напрямку дистанційної аерокосмічної зйомки. Пропонується спосіб підвищення просторової розрізненості при багатоспектральній дистанційній зйомці за рахунок спільної обробки n зображень того ж самого об'єкта, зміщених відносно один одного на 1 геометричного розміру піксела вздовж рядків і на ( z  k ) n n UA 109181 C2 (12) UA 109181 C2 геометричного розміру піксела вздовж стовпців матричного приймача випромінювання, а також пристрій для його здійснення. Пристрій містить об'єктив, спектророздільний пристрій, що формує задані спектральні діапазони, матричний приймач випромінювання, з'єднаний з матричним приймачем випромінювання електронний блок для управління часовим інтервалом між формуванням суміжних кадрів в кожному спектральному діапазоні та зберігання отриманих зображень. Матричний приймач випромінювання розташований під заданим кутом відносно напрямку орбітального руху носія. Запропоновані спосіб та пристрій для його здійснення забезпечують суттєве покращення просторової розрізненості багатоспектральної знімальної апаратури без збільшення кількості пікселів матричного приймача випромінювання та без застосування додаткових конструктивних елементів. UA 109181 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Винахід належить до напрямку дистанційної зйомки та може застосовуватися в багатоспектральній апаратурі орбітальних супутників для отримання знімків поверхні Землі. Просторова розрізненість аерокосмічних зображень є однією з найважливіших характеристик, яка безпосередньо впливає на ефективність вирішення задач дистанційної зйомки поверхні Землі [Дистанційне зондування Землі з космосу. Терміни та визначення понять / ДСТУ 4220:2003. - К.: Держспоживстандарт України. - 15.09.2003]. В сучасних системах дистанційної зйомки для одержання зображень широко застосовуються матричні приймачі випромінювання. Забезпечення високої просторової розрізненості одержуваних зображень при незмінному значенні поля огляду вимагає збільшення кількості пікселів матричного приймача випромінювання. Але це призводить до суттєвого ускладнення конструкції знімальної апаратури та підвищення її вартості. Крім того, технологія виготовлення пікселів матричного приймача випромінювання накладає жорсткі обмеження на збільшення їх кількості. Для вирішення цієї проблеми застосовують субпіксельну реєстрацію зображень багаторазове послідовне одержання кількох зображень того ж самого об'єкта, зміщених відносно один одного на певну частку геометричного розміру піксела з наступною програмною обробкою для обчислення окремих значень сигналу від умовних частин пікселів (субпікселів). Субпіксельна реєстрація зображень реалізується шляхом послідовного екранування певної частини пікселів матричного приймача випромінювання [патент ЕР 2385698 А2, від 09.11.11], послідовного лінійного субпіксельного зміщення зображення в фокальній площині вздовж рядків і стовпців матричного приймача випромінювання [патент США 8055098, від 23.08.07], послідовного кутового зміщення оптичної осі знімального приладу вздовж рядків і стовпців матричного приймача випромінювання [патент України 95696 С2, від 25.08.11], паралельної реєстрації субпіксельно зміщених зображень на різні матричні приймачі випромінювання за допомогою оптичного розщеплення променів [патент США 6240219, від 29.05.01]. Недоліком вказаних способів субпіксельної реєстрації зображень є необхідність введення до знімального приладу додаткових пристроїв, які ускладнюють конструкцію. Відомий спосіб формування кольорового зображення субпіксельної розрізненості з використанням окремих кольорово-компонентних зображень як субпіксельних, тобто зміщених відносно один одного на третину піксела [патент США 7515747, від 23.02.06]. Недоліком цього способу є жорстке обмеження на кількість субпікселів, яка має дорівнювати кількості кольорових компонент - трьом. Відомий спосіб отримання зображень з підвищеною розрізненістю шляхом обробки кількох зображень, геометрично зміщених відносно один одного на невідому частку піксела внаслідок збурень та вібрацій знімального приладу з використанням алгоритму мінімізації неузгодженості [патент США 7602997, від 13.10.09], або внаслідок руху об'єкта з визначенням вектору руху зображення [патент США 6285804, від 04.09.01]. Недоліком цих способів є неможливість гарантії визначеного рівня підвищення розрізненості, оскільки субпіксельні зміщення зображень є стохастичними. Найбільш близьким до запропонованого способу є спосіб отримання зображень з субпіксельною розрізненістю [патент США 6344893, від 05.02.02], який взято за прототип, згідно з яким визначають суцільну піксельну сітку для зміщених кадрів поля огляду, в межах цього поля огляду формують зображення, геометрично зміщені одно відносно одного на певну частку піксела вздовж рядків і стовпців матричного приймача випромінювання, обчислюють значення сигналів від субпікселів спільного поля огляду за допомогою перетворення Габора, в результаті чого одержують зображення з субпіксельною розрізненістю. Недоліком прототипу є необхідність застосування додаткових конструктивних елементів для формування геометрично зміщених зображень - кількох об'єктивів, просторових масок, часових мультиплексорів, дифракційних ґраток, тощо. Усунути недолік дозволяє запропонований спосіб підвищення просторової розрізненості при дистанційній зйомці з використанням субпіксельної реєстрації зображень, за яким визначають єдину піксельну сітку зображення для спільного поля огляду, в межах вказаного поля огляду формують кілька зображень, геометрично зміщених один відносно одного на певні частки піксела вздовж рядків і стовпців піксельної сітки, обчислюють значення сигналів від субпікселів спільного поля огляду, в результаті чого одержують зображення субпіксельної розрізненості, субпіксельні зміщення зображення вздовж рядків і стовпців матричного приймача випромінювання здійснюються за рахунок власного руху носія знімальної апаратури та повороту матричного приймача випромінювання або його носія на заданий кут відносно напрямку орбітального руху носія, причому необхідна величина геометричних зміщень по осях забезпечується дотриманням розрахованого часового інтервалу між формуванням суміжних 1 UA 109181 C2 5 кадрів в залежності від висоти польоту, шляхової швидкості носія та параметрів знімального приладу. Отримати зображення з підвищеною розрізненістю можна шляхом формування декількох геометрично зміщених зображень за рахунок руху носія знімальної апаратури. Для забезпечення величини зміщення зображення вздовж напрямку орбітального руху носія на частку піксела, що дорівнює часовий інтервал 1 , де n - кількість отриманих геометрично зміщених зображень, n t між формуваннями суміжних кадрів має складати aH , (1) nf V де a - геометричний розмір піксела матричного приймача випромінювання, H - висота польоту, f - фокусна відстань оптичної системи знімального приладу, V - шляхова швидкість носія знімального приладу. t 10 15 Субпіксельну реєстрацію зображень можна реалізувати, використовуючи поворот матричного приймача випромінювання відносно напрямку орбітального руху носія. Наприклад, для забезпечення однакового вздовж стовпців і рядків приймача випромінювання зміщення, рівного 20 φ=45° відносно напрямку орбітального руху носія, як показано на фіг. 1 (n=3; a" - проекція піксела на поверхні Землі). При дистанційній зйомці субпіксельна реєстрація зображень може бути реалізована також шляхом кутового повороту всього космічного апарату відносно траєкторії орбітального руху носія. У цьому разі часовий інтервал (1) з геометричних міркувань матиме значення: t 25 30 1 піксела, використовується поворот матричного приймача випромінювання на кут n a H cos  . (2) nf V Поворот матричного приймача випромінювання на значні кути відносно орбітального руху носія апаратури при дистанційній зйомці поверхні Землі може призвести не тільки до зменшення ширини смуги зйомки, але й до значних викривлень та розривів зображення, неприпустимих в реальних системах. Тому пропонується здійснювати субпіксельні зміщення вздовж повздовжньої та поперечної осей матричного приймача випромінювання неоднаковими з метою підвищення ступеня колінеарності з напрямком орбітального руху носія. Крім того, зміщення вздовж повздовжньої осі може бути також більше одного піксела, але при цьому буде втрачено кілька рядків зображення по передньому та задньому краях матричного приймача випромінювання. 1 піксела, а вздовж повздовжньої - ( z  k ) n n піксела, де z  0 - ціле число, що визначає кількість "пропущених" рядків, k - ціле число, 0  k  n . Для створення рівномірної по осях піксельної сітки при парному значенні n значення Зміщення вздовж поперечної осі складатиме 35 k має бути непарним. В такому випадку кут φ повороту матричного приймача випромінювання відносно напрямку орбітального руху носія визначатиметься відношенням зміщень по осях:   arctg 40 На фіг. 2 зображено проекції кадрів, отриманих в результаті субпіксельної реєстрації на поверхні Землі при кількості кадрів n=3 і значенні параметрів z=1 та k=1. Іншою перевагою зменшення кута повороту φ є збільшення часового інтервалу t між формуванням суміжних кадрів із забезпеченням необхідних зміщень: t 45 1 . (3) zn  k a n H cos  . (4) z n  k  f V В такому випадку послаблюються вимоги до швидкодії знімальної апаратури. Застосування різних, але дискретно-узгоджених по осях зміщень принципово не змінює схему відновлення зображення субпіксельної розрізненості, проте дещо модифікується схема визначення сигналів від субпікселів. Для відновлення зображення субпіксельної розрізненості можуть застосовуватися відомі методи - розв'язання системи лінійних рівнянь з попередньо 2 UA 109181 C2 5 10 15 20 25 визначеними значеннями граничних пікселів [патент США 7239428, від 16.01.03], з ітераційним оцінюванням та усуненням похибок білінійної інтерполяції [патент США 7352919, від 03.11.05], з використанням перетворення Габора [патент США 6344893, від 05.02.02], перетворення Мелліна [патент США 7003177, від 21.02.06], бікубічної фільтрації [патент США 7110459], зваженої білатеральної регуляризації [патент США 7477802, від 20.09.07], інверсного просторово-частотного відновлення [патент США 8055098, від 23.08.03], тощо. Запропонований спосіб підвищення просторової розрізненості при дистанційній зйомці з використанням субпіксельної реєстрації зображень, в якому, на відміну від попередніх, зміщення забезпечуються за рахунок власного руху носія знімальної апаратури та повороту матричного приймача випромінювання на кут φ відносно напрямку орбітального руху носія. На практиці для покращення ефективності субпіксельної реєстрації зображень при визначенні кута повороту матричного приймача випромінювання необхідно враховувати обертання Землі. Для спільного поля огляду матричного приймача випромінювання визначають піксельну сітку зображення, в межах даного поля формують декілька кадрів зображення, зміщених відносно один одного на певні частки піксела вздовж рядків і стовпців матричного приймача випромінювання. При цьому величина геометричного зміщення забезпечується точним дотриманням часового інтервалу між формуванням суміжних кадрів згідно формули (4), отриманого по відомим значенням висоти польоту Н, шляхової швидкості носія V та параметрів знімального приладу, далі обчислюють значення сигналів від субпікселів спільного для всіх зміщених кадрів поля огляду, в результаті чого підвищують просторову розрізненість при дистанційній зйомці. Принцип дії способу пояснюється схемою фіг. 3. Вхідне зображення земної поверхні 1 надходить до формувача субпіксельно зміщених зображень 2, який утворює декілька кадрів зображення 3, зміщених один відносно одного на певні частки піксела вздовж рядків і стовпців матричного приймача випромінювання. Необхідна величина зміщення визначається міжкадровим часовим інтервалом t, який розраховується блоком 5 за величиною відношення 30 35 40 45 50 55 H , отриманого блоком 4 по значеннях висоти польоту Н та V шляхової швидкості носія V, що надходять, наприклад, від бортового навігаційного комплексу. В блоці 6 здійснюється обробка набору субпіксельно зміщених зображень 3 для відновлення зображення субпіксельної розрізненості 7. Практично всі зразки сучасної апаратури дистанційної зйомки є багатоспектральними, тобто дозволяють одержувати водночас декілька зображень в різних спектральних діапазонах. Створення окремих пристроїв для формування різних спектральних зображень є складним з технічної точки зору та витратним, тому пропонується пристрій для здійснення дистанційної зйомки з використанням субпіксельної реєстрації зображень одразу в декількох спектральних діапазонах. Пристрій для реалізації способу отримання зображень з субпіксельною розрізненістю (патент США 6344893), найбільш близький до запропонованого пристрою, який взято за прототип, містить об'єктив, матричний приймач випромінювання, просторову маску, дифракційний елемент та призму. Недоліком прототипу є наявність в пристрої додаткових елементів, що ускладнюють конструкцію та функціонування пристрою, а саме дифракційного елемента та призми. Усунути недолік дозволяє запропонований пристрій для реалізації способу підвищення просторової розрізненості при дистанційній зйомці з використанням субпіксельної реєстрації зображень, який містить об'єктив, спектророздільний пристрій, що формує задані спектральні діапазони, матричний приймач випромінювання, розташований під заданим кутом відносно напрямку орбітального руху носія та з'єднаний з матричним приймачем випромінювання електронний блок для управління часовим інтервалом між формуванням суміжних кадрів в кожному спектральному діапазоні та зберігання отриманих зображень. На фіг. 4 зображено варіант пристрою, який реалізує описаний вище спосіб. Пристрій містить об'єктив 1, спектророздільний пристрій 2, матричний приймач випромінювання 3, розташований в фокальній площині 4 об'єктива 1 та електронний блок в складі схеми управління зйомкою 5 та накопичувача цифрових зображень 6. Об'єктив 1 може бути лінзовим, дзеркально-лінзовим або дзеркальним, спектророздільний пристрій 2 може бути реалізовано у вигляді набору змінних світлофільтрів перед одним матричним приймачем випромінювання. Світлофільтри розташовуються на турелі, яка за допомогою двигуна обертається навколо своєї осі, паралельно зміщеної відносно оптичної осі об'єктива. При обертанні турелі кожний зі світлофільтрів по черзі проходить перед матричним приймачем випромінювання. Розміри світлофільтрів та швидкість обертання турелі підбираються таким чином, щоб знімати в кожному спектральному діапазоні по декілька кадрів. Матричний приймач 3 UA 109181 C2 5 10 15 20 25 випромінювання повернуто на кут φ відносно напрямку орбітального руху носія (фіг. 2) відповідно до формули (3). Субпіксельна реєстрація зображень може бути реалізована шляхом повороту матричного приймача в пристрої, повороту усього пристрою відносно напрямку орбітального руху носія або повороту платформи-носія з пристроєм відносно напрямку польоту. Пристрій працює наступним чином: об'єктив 1 створює зображення поверхні Землі в заданому спектральному діапазоні. Після проходження випромінювання через спектророздільний пристрій 2 в фокальній площині 4 об'єктива 1, де розташований матричний приймач випромінювання 3, формується зображення поверхні Землі в заданих спектральних діапазонах. При положенні світлофільтра перед матричним приймачем випромінювання схема управління зйомкою 5 електронного блока подає сигнали на зйомку на матричний приймач випромінювання 3. Від нього цифрове зображення поверхні Землі у вигляді кадру надходить до накопичувача зображень 6 електронного блока. Для отримання субпіксельно зміщених кадрів в кожному спектральному діапазоні схема управління зйомкою електронного блока подає сигнали на зйомку через інтервал часу t відповідно до формули (4). Після того як місце першого світлофільтра займає наступний світлофільтр, схема управління зйомкою електронного блока знову подає сигнали на матричний приймач випромінювання і т.д. Процес повторюється циклічно до завершення отримання всіх необхідних кадрів у всіх спектральних діапазонах. Отримані кілька кадрів для кожного спектрального діапазону, які зміщені один відносно одного на певні частки піксела вздовж рядків і стовпців матричного приймача випромінювання, сумісно обробляються для реалізації підвищення просторової розрізненості при дистанційній зйомці. Таким чином, запропонований спосіб підвищення просторової розрізненості при дистанційній зйомці з використанням субпіксельної реєстрації зображень та пристрій для його здійснення забезпечують суттєве покращення просторової розрізненості кадрової багатоспектральної знімальної апаратури без збільшення кількості пікселів матричного приймача випромінювання та введення додаткових конструктивних елементів, тим самим підвищують ефективність вирішення задач дистанційної зйомки поверхні Землі, не ускладнюючи конструкцію та функціонування. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 30 35 40 45 1. Спосіб підвищення просторової розрізненості при дистанційній зйомці з використанням субпіксельної реєстрації зображень, за яким визначають єдину піксельну сітку зображення для спільного поля огляду, в межах вказаного поля огляду формують кілька зображень, геометрично зміщених один відносно одного на певні частки піксела вздовж рядків і стовпців піксельної сітки, обчислюють значення сигналів від субпікселів спільного поля огляду, в результаті чого одержують зображення субпіксельної розрізненості, який відрізняється тим, що субпіксельні зміщення зображення вздовж рядків і стовпців матричного приймача випромінювання здійснюються за рахунок власного руху носія знімальної апаратури та повороту матричного приймача випромінювання або його носія на заданий кут відносно напрямку орбітального руху носія, причому необхідна величина геометричних зміщень по осях забезпечується дотриманням розрахованого часового інтервалу між формуванням суміжних кадрів в залежності від висоти польоту, шляхової швидкості носія та параметрів знімального приладу. 2. Пристрій для реалізації способу, який містить об'єктив, спектророздільний пристрій, що формує задані спектральні діапазони, матричний приймач випромінювання, з'єднаний з матричним приймачем випромінювання електронний блок для управління часовим інтервалом між формуванням суміжних кадрів в кожному спектральному діапазоні та зберігання отриманих зображень, який відрізняється тим, що матричний приймач випромінювання розташований під заданим кутом відносно напрямку орбітального руху носія. 4 UA 109181 C2 5 UA 109181 C2 Комп’ютерна верстка Г. Паяльніков 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