Цифровая обработка 2D слабоконтрастных изображений, формируемых оптико-электронным прибором в сложных фоновых условиях. Обнаружение, распознавание, сопровождение динамических объектов

410 Pages·2018·32.166 MB·Russian

by  Катулев А.Н., Храмичев А.А., Я гольников С.В.

А
.Н А.Н. Катулев, А.А. Храмичев, С.В. Ягольников
.
К
а
т
у
л
е
в
,
А ЦИФРОВАЯ ОБРАБОТКА
.А
.
Х
р
а
м 2D СЛАБОКОНТРАСТНЫХ
и
ч
е
в
,
С.В ИЗОБРАЖЕНИЙ, ФОРМИРУЕМЫХ
.
Я
г
о
л
ьн ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫМ ПРИБОРОМ
и
к
о
в

В СЛОЖНЫХ ФОНОВЫХ УСЛОВИЯХ
Ц
И
Ф
Р
О
В ОБНАРУЖЕНИЕ, РАСПОЗНАВАНИЕ,
А
Я
СОПРОВОЖДЕНИЕ

О
ДИНАМИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ
Б
Р
А
Б
О
Т
К
А

2D

С
Л
А
Б
О
К
О
Н
Т
Р
А
С
Т
Н
Ы
Х

И
З
О
Б
Р
А
Ж
Е
Н
И
Й
А.Н. Катулев, А.А. Храмичев, С.В. Ягольников
ЦИФРОВАЯ ОБРАБОТКА
2D СЛАБОКОНТРАСТНЫХ ИЗОБРАЖЕНИЙ,
ФОРМИРУЕМЫХ
ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫМ ПРИБОРОМ
В СЛОЖНЫХ ФОНОВЫХ УСЛОВИЯХ
ОБНАРУЖЕНИЕ, РАСПОЗНАВАНИЕ,
СОПРОВОЖДЕНИЕ
ДИНАМИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ
Москва
Радиотехника
2018
УДК 621.396
ББК 32.95
К 29
Р е ц е н з е н т ы :
А.С. Сигов - докт. физ.-мат. наук, проф.,
академик РАН;
Г.П. Слукин -докт. техн. наук, проф.,
зав. кафедрой, МГТУ им. Г.Э. Баумана
Катулев А.Н., Храмичев А.А., Ягольников С.В.
К 29 Цифровая обработка 2D слабоконтрастных изображений,
формируемых оптико-электронным прибором в сложных фо­
новых условиях. Обнаружение, распознавание, сопровожде­
ние динамических объектов. Монография. - М.: Радиотехни­
ка, 2018. -408 с.
ISBN 978-5-93108-161-8
Разработано новое направление в теории и практике цифровой об­
работки изображений, формируемых оптико-электронными прибо­
рами в сложных условиях функционирования при априорной неоп­
ределенности относительно контролируемой фоновой обстановки.
Направление основано на вейвлет-фрактально-корреляционных
свойствах выборки измерений оптико-электронным прибором.
Для специалистов, проектирующих программные комплексы обра­
ботки информации в оптико-электронных информационных систе­
мах, а также студентов, аспирантов и преподавателей вузов, зани­
мающихся иконикой и проектированием информационных оптико­
электронных систем.
УДК 621.396
ББК 32.95
© Авторы, 2018
ISBN 978-5-93108-161-8 © ООО «Издательство «Радиотехника», 2018
Оглавление
Предисловие.............................................................................................8
Введение..................................................................................................12
Глава 1
ОБНАРУЖЕНИЕ ДИНАМИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ
НА ИЗОБРАЖЕНИЯХ, ФОРМИРУЕМЫХ ОЭП
ПРИ АПРИОРНОЙ НЕОПРЕДЕЛЕННОСТИ
1.1. Условия обнаружения динамических объектов
в контролируемом ОЭП пространстве......................................28
1.2. Образование оптического излучения ДО.................................36
1.3. Экспериментальные оценки
статистических характеристик оптического излучения
фона и ДО. Фрактальные и корреляционные
минимальные достаточные статистики.....................................44
1.4. Семейство вейвлетов на основе волновой
вытянутой сфероидальной функции нулевого порядка
для вейвлет-анализа реализаций измерений
пространственных координат
обнаруживаемых ОЭП ДО............................................................59
1.5. Обнаружение изменений текущего состояния
контролируемого пространства..................................................75
1.6. Восстановление функций правдоподобия
по выборкам фрактальной размерности
и максимального собственного значения
корреляционной матрицы.............................................................82
Восстановление функции правдоподобия по малой выборке........83
Восстановление функции правдоподобия
по выборке классического объема....................................................86
1.7. Сегментация изображения на фрагменты
при обнаружении ДО. Введение окон на изображении.
Автоматическое формирование окон.........................................90
1.8. Адаптивное обнаружение объектов
по малоконтрастным пространственно протяженным
и малоразмерным изображениям
на фоноцелевых кадрах ОЭП......................................................95
1.9. Контрастность объекта на изображении ОЭП.......................104
1.10. Автоматическое построение контура изображения ДО
и окружающего его фона по граничным точкам....................115
1.11. Оценка дальности обнаружения ДО........................................121
1.12. Построение алгоритма сопровождения ДО
на последовательности фоноцелевых кадров ОЭП................127
Глава 2
ОБРАБОТКА ДВУМЕРНЫХ ИЗОБРАЖЕНИЙ,
ФОРМИРУЕМЫХ ОЭП ПРИ ОБНАРУЖЕНИИ
ДВИЖУЩИХСЯ ОБЪЕКТОВ
2.1. Методы и алгоритмы фильтрации гауссовских помех
на изображении.............................................................................132
2.2. Фильтрация аппликативных фоновых помех
при формировании опорного
двумерного изображения............................................................134
2.3. Методы и алгоритмы оценки фрактальной размерности
изображения как мультифрактала
на текущем фоноцелевом кадре................................................137
2.4. Вейвлет-адаптивный метод
и алгоритм сегментации изображения
на текущем фоноцелевом кадре.................................................141
2.5. Сегментация изображения фоноцелевого кадра....................156
2.6. Метод и алгоритм вычисления авто- и взаимной
корреляционной матрицы между оконными фрагментами
текущего изображения ОЭП
и опорным изображением...........................................................160
2.7. Метод и алгоритм вычисления
максимального собственного значения
авто- и взаимной корреляционной матрицы...........................166
Глава 3
ОБНАРУЖЕНИЕ И СОПРОВОЖДЕНИЕ
ДИНАМИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ
НА 2D ИЗОБРАЖЕНИЯХ
3.1. Обнаружение динамических объеков
на пространственно протяженном изображении
в сложных фоновых условиях..................................................170
Принцип и статистика обнаружения
динамических объектов..................................................................172
Статистика обнаружения динамических объектов........................173
Критерии принятия решений об обнаружении
динамических объектов..................................................................175
Показатели качества алгоритма обнаружения
динамических объектов..................................................................182
3.2. Критерий и алгоритм обнаружения
динамических объектов на сложном фоне
по точечному слабоконтрастному
изображению ОЭП......................................................................184
Критерий обнаружения динамических объектов...........................192
Алгоритм обнаружения динамических объектов..........................200
Оценка показателей качества алгоритма обнаружения
динамических объектов..................................................................201
3.3. Вейвлет-фрактально-корреляционный алгоритм
повышения и оценки контрастных характеристик
изображения динамических объектов.....................................204
Критерий оценки реального контраста,
контрастные характеристики изображения
динамического объекта...................................................................205
Вейвлет-фрактально-корреляционное вычисление
контрастных характеристик изображения
динамических объектов..................................................................208
3.4. Анализ фоноцелевой обстановки
в зоне контроля ОЭП..................................................................222
Глава 4
РАСПОЗНАВАНИЕ ТИПОВ ДИНАМИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ,
ОБНАРУЖИВАЕМЫХ ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫМ ПРИБОРОМ
4.1. Вейвлет-фрактально-корреляционный метод
и алгоритм распознавания типа динамического объекта,
обнаруживаемого ОЭП...............................................................236
4.2. Структурно-адаптивный иерархический алгоритм
распознавания обнаруживаемых
оптико-электронным прибором динамических объектов,
движущихся по близким и неблизким траекториям
на конечном отрезке времени....................................................257
4.3. Показатели качества и оценка робастности алгоритма
распознавания типа динамического объекта,
обнаруживаемого на конечной последовательности
2D фоноцелевых кадров оптико-электронного прибора....295
Глава 5
СОПРОВОЖДЕНИЕ ДИНАМИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ
5.1. Метод решения задачи сопровождения
динамических объектов.............................................................319
5.2. Алгоритм адаптивного интерполяционного фильтра
нелинейного оценивания...........................................................326
5.3. Следствие адаптивного интерполяционного метода...........328
5.4. Результаты моделирования.......................................................336
Глава 6
КОНТРОЛЬ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ ОЭП
В РЕЖИМЕ ОБНАРУЖЕНИЯ ДИНАМИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ
6.1. Стохастическая эквивалентность теоретических
и экспериментальных оценок оптического излучения
динамических объектов............................................................342
6.2. Метод контроля состояния ОЭП
с использованием фрактального шумового тест-сигнала ...348
Глава 7
ПРОГРАММНАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ БАЗОВЫХ МОДУЛЕЙ
КОМПЛЕКСНОГО АЛГОРИТМА В СИСТЕМЕ MATLAB
7.1. Модуль оцифровки изображения...........................................359
7.2. Модуль фильтрации гауссовских помех
на изображении...........................................................................359
7.3. Модуль вычисления вейвлет-коэффициентов.......................360
7.4. Модуль вычисления координат вершин окон
для сегментации изображения..................................................362
7.5. Модуль оценки фрактальной размерности изображения
в окнах..........................................................................................366
7.6. Модуль вычисления автокорреляционной матрицы...........367
7.7. Модуль вычисления взаимной корреляционной матрицы
между изображениями в окнах текущего
фоноцелевого кадра ОЭП и опорным изображением..........368
7.8. Модуль вычисления максимального собственного значения
авто- и взаимной корреляционной матрицы..........................369
7.9. Модуль первичного обнаружения динамического объекта
по критерию Неймана-Пирсона...............................................370
7.10. Модуль фильтрации фрактальных фоновых помех
при формировании опорного двумерного
сигнала-изображения.................................................................371
7.11. Модуль принятия решения об обнаружении
бинарным накопителем динамического объекта
на изображении ОЭП.................................................................373
7.12. Модуль выделения граничных точек обнаруженного
динамического объекта..............................................................374
7.13. Модуль построения контуров обнаруженных
динамических объектов.............................................................375
7.14. Модуль распознавания типа динамического объекта
по критерию неблизких гипотез...............................................376
7.15. Модуль распознавания типа динамического объекта
по критерию близких гипотез..................................................379
Заключение..........................................................................................382
Литература...........................................................................................392
Предисловие
Разработанные к настоящему времени теория и алгоритмы
цифровой обработки двумерных изображений, формируемых оп­
тико-электронными приборами (ОЭП), дают хорошие результа­
ты лишь для простых условий их функционирования.
Простые условия имеют место при отсутствии в зоне кон­
троля облаков. Оптическое излучение фона определяет величину
и знак контраста изображений динамических объектов (ДО),
подлежащих обнаружению ОЭП и обусловливает появление це­
леподобных отметок.
Эти объективно существующие факторы приводят к слож­
ным условиям функционирования ОЭП:
* исключается однородность и стационарность фоноцелевой
обстановки;
* существенно изменяется структура формируемых изобра­
жений;
■ становится невозможным их априори описание.
В результате эффективность существующих алгоритмов ав­
томатического обнаружения и сопровождения слабоконтрастных
ДО, в условиях отсутствия априорной информации о характери­
стиках фоноцелевой обстановки не соответствует требуемой, что
вызывает актуальную необходимость разработки новых методов
и алгоритмов цифровой обработки изображений.
Главные задачи цифровой обработки изображений
с единых научно-практических позиций
■ Обнаружение динамических объектов.
■ Распознавание типов динамических объектов.
■ Сопровождение объектов и выработка информации для рас­
познавания объектов и принятия соответствующих решений
в текущих условиях контроля сложной фоноцелевой обста­
новки.
Структурно книга состоит из введения, семи глав и заклю­
чения.
Во введении определены объект и цель исследования,
обоснованы актуальность, приведены основные научные ре­
зультаты и результаты практического значения и раскрыта но­
визна результатов.
В главе 1 ставится задача обнаружения динамических объек­
тов - (на примере летательных аппаратов), подлежащих обнару­
жению современными ОЭП, формулируются принципы решения
задачи при априорной неопределенности относительно оптиче­
ского излучения ДО и текущих фоновых условий в зоне контроля
ОЭП. Обоснован вывод о необходимости разработки адаптивных
обнаружителей малоконтрастных пространственно протяженных
и малоразмерных ДО, раскрыты необходимые исходные данные
и логико-математические принципы оптимальности обнаружите­
лей ДО в условиях априорной неопределенности. Построено но­
вое семейство вейвлетов на основе волновой вытянутой сферои­
дальной функции нулевого порядка для реализации в алгоритмах
решения задач обнаружения и распознавания типа обнаруживае­
мых ОЭП динамических объектов.
В главе 2 изложены основы вейвлет-фрактально-корреля-
ционной теории и методы обработки изображений: фильтрация
аддитивных гауссовых и фоновых помех, сегментация изображе­
ния на фоноцелевых кадрах, оценивание фрактальной размерно­
сти изображений в окнах, формирование опорного изображения,
вычисление авто- и взаимной корреляционной матриц и выработ­
ка минимальных достаточных статистик обнаружения ДО на фо­
ноцелевых кадрах ОЭП в условиях априорной неопределенности
относительно текущих условий его функционирования.
В главе 3 изложены критерии и новые алгоритмы обнаруже­
ния ДО на сложном фоне, алгоритм повышения контрастных ха­
рактеристик их изображений и алгоритм нелинейного оценива­
ния координат ДО при его сопровождении. Предложен метод
анализа текущего состояния фоноцелевой обстановки в зоне кон­
троля ОЭП.
Моделированием по экспериментально полученным изобра­
жениям типовых летательных аппаратов многоспектральным и
сформированным ОЭП, установлены высокие показатели эффек­