close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Патент BY16703

код для вставкиСкачать
ОПИСАНИЕ
ИЗОБРЕТЕНИЯ
К ПАТЕНТУ
РЕСПУБЛИКА БЕЛАРУСЬ
(46) 2012.12.30
(12)
(51) МПК
НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР
ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ
СОБСТВЕННОСТИ
(54)
G 06T 5/40
G 06T 5/50
(2006.01)
(2006.01)
СПОСОБ АВТОМАТИЧЕСКОГО СВЕДЕНИЯ ЯРКОСТЕЙ ДВУХ
РАЗНОВРЕМЕННЫХ СПУТНИКОВЫХ ИЗОБРАЖЕНИЙ
НАЗЕМНОГО ОБЪЕКТА
(21) Номер заявки: a 20091863
(22) 2009.12.24
(43) 2011.08.30
(71) Заявитель: Государственное научное учреждение "Объединенный
институт проблем информатики
Национальной академии наук Беларуси" (BY)
(72) Авторы: Белозерский Леонид Анатольевич; Орешкина Лариса Владиславовна (BY)
BY 16703 C1 2012.12.30
BY (11) 16703
(13) C1
(19)
(73) Патентообладатель: Государственное
научное учреждение "Объединенный
институт
проблем
информатики
Национальной академии наук Беларуси" (BY)
(56) БЕЛОЗЕРСКИЙ Л.А. и др. Искусственный интеллект. - 2008. - № 3. - С. 254265.
RU 2296433 C1, 2007.
RU 2148858 C1, 2000.
SU 1658176 A1, 1991.
JP 6325150 A, 1994.
JP 2007/013666 A.
(57)
Способ автоматического сведения яркостей двух разновременных спутниковых изображений наземного объекта, в котором принимают одно из изображений в качестве опорного, а другое в качестве текущего, строят опорную и текущую гистограммы
распределения значений яркостей пикселей соответственно для опорного и текущего
изображений, формируют дискретную выборку заданных коэффициентов сжатия и растяжения текущей гистограммы и дискретную выборку заданных величин ее сдвига влево и
вправо вдоль яркостной шкалы в пределах исходного диапазона яркостей указанных
изображений, сжимают текущую гистограмму с первым из выбранных коэффициентов
сжатия и сдвигают ее на первую из выбранных величин сдвига, восстанавливают равномерность яркостной шкалы путем суммирования в полученной гистограмме пикселей, получивших в результате сжатия одинаковую яркость, восстанавливают исходный диапазон
яркостей гистограммы путем устранения всех ее значений за его пределами, находят разность полученной и опорной гистограмм и вычисляют сумму положительных значений
этой разности, которую выбирают в качестве показателя оптимальности сведения яркостей, затем аналогичным образом последовательно вычисляют показатели оптимальности
для каждого сдвига при сжатии исходной текущей гистограммы с тем же коэффициентом
сжатия и находят наименьшее значение из всех вычисленных, далее повторяют указанные
операции для каждого из коэффициентов сжатия вплоть до нулевого, затем растягивают
исходную текущую гистограмму с первым из выбранных коэффициентов растяжения и
сдвигают ее на первую из выбранных величин сдвига, восстанавливают равномерность
яркостной шкалы путем добавления в гистограмму нулевых значений на образовавшихся
в результате растяжения пустых местах яркостной шкалы, восстанавливают указанным
выше образом исходный диапазон яркостей гистограммы с одновременным суммировани-
BY 16703 C1 2012.12.30
ем всех ее значений, оказавшихся в результате растяжения за правой границей этого диапазона, вычисляют показатель оптимальности сведения, затем аналогичным образом последовательно вычисляют показатели оптимальности для каждого заданного сдвига при
растяжении исходной текущей гистограммы с тем же коэффициентом растяжения и находят наименьшее значение из всех вычисленных, далее повторяют указанные операции для
каждого из коэффициентов растяжения вплоть до максимального, а затем находят среди
всех указанных наименьших значений глобальный минимум показателя оптимальности
сведения и окончательно сводят яркости обоих изображений путем преобразования исходной текущей гистограммы с коэффициентом сжатия или растяжения и величиной
сдвига, соответствующими найденному глобальному минимуму.
Изобретение относится к такой области знаний, как цифровая обработка изображений
дистанционного зондирования Земли, и может быть использовано в решении задач обнаружения изменений внешнего облика наземных объектов с последующей их классификацией, а также при синтезе мозаичных изображений.
В основе сведения яркостей двух изображений разновременной съемки для обеспечения корректности их сопоставления лежат преобразования яркостей одного из них, полученного, как правило, позже по сравнению с другим (опорным, эталонным, базовым), уже
имеющимся ранее при другой освещенности. Указанные преобразования относятся к широко известным градационным преобразованиям изображений [1]. Особенностью их применения к рассматриваемой задаче является необходимость специального определения
параметров этих преобразований.
Известен способ для сравнения изображений с различными уровнями контрастности
[2], выполняющие нормирование контрастности путем выравнивания производных уровня
серого между сопоставляемыми цифровыми изображениями и регулировку установки яркости вручную или автоматически. К недостаткам способа относятся предположение о
постоянстве исходного превышения уровня контрастности второго изображения над
уровнем контрастности первого, в то время как в разновременной космической съемке
контрастность текущего изображения может отличаться от предшествующего опорного
(базового, эталонного) изображения в одну и другую сторону, расчет на "n-битные" изображения, характеризуемые наличием фона на самом нижнем или на самом верхнем конце
диапазона данных, что существенно отличает их от изображений дистанционного зондирования Земли, содержащих только информационные составляющие ненормированного
уровня; регулировка установки яркости по ее среднему значению в окне, формируемом
посредством исключения фона и текста, которые отсутствуют в изображениях дистанционного зондирования; неопределенность в понимании настройки яркости на величину,
"существенно совпадающую" с рассчитанной средней; отсутствие критериев качества
нормирования контрастности и установки яркости.
Известен способ формирования изображения для фотометрического совмещения общих областей отдельных изображений при формировании единого мозаичного изображения [3]. Особенностью этого способа в части интересующего фотометрического
совмещения является формирование гистограмм яркостей пикселей в общей области перекрытия совмещаемых изображений, их "растяжение" и перемещение по оси яркостей с
решением задачи корреляционно-экстремального поиска аддитивного и мультипликативного коэффициентов фотометрического выравнивания.
К недостаткам способа следует отнести то, что он не предполагает возникающей
необходимости преобразования гистограммы текущего изображения по сравнению с гистограммой опорного изображения за пределы левой и правой границ диапазона яркостей,
характеризуется большими временными затратами обработки данных в результате повто2
BY 16703 C1 2012.12.30
ряющихся расчетов взаимно-корреляционной функции, значение максимума которой используется как критерий близости гистограмм.
Наиболее близким к заявляемому способу автоматического сведения яркостей изображений объектов разновременной космической съемки является способ автоматизации
сведения яркостей разновременных изображений [4], определяющий коэффициенты полинома первой степени через использование разности гистограмм этих изображений одного и того же объекта, где эквивалентность их обеспечивается минимизацией яркостных
отличий гистограмм.
К недостаткам этого способа следует отнести то, что он не отражает решения проблем, связанных с дискретным представлением яркостей измененной гистограммы для
сохранения корректности сопоставления преобразованного изображения с опорным (базовым, эталонным), не предполагает возникающей необходимости восстановления исходного диапазона яркостей гистограммы, оказавшихся за пределами левой и правой границ
яркостной шкалы в результате нарушения ее равномерности после преобразований, а также ограничивает реализацию за счет необходимости выделения четких геодезических
границ и площадей интересующих участков земной поверхности.
Задачей изобретения является достижение максимально возможного равенства яркостей разновременных изображений на участках, не подвергшихся изменениям, с одновременным сохранением диапазона регистрации яркостей, ее дискретности и площади
объекта.
Поставленная задача решается следующим образом. В способе автоматического сведения яркостей двух разновременных спутниковых изображений наземного объекта, в котором принимают одно из изображений в качестве опорного, а другое в качестве
текущего, строят опорную и текущую гистограммы распределения значений яркостей
пикселей соответственно для опорного и текущего изображений, формируют дискретную
выборку заданных коэффициентов сжатия и растяжения текущей гистограммы и дискретную выборку заданных величин ее сдвига влево и вправо вдоль яркостной шкалы в пределах исходного диапазона яркостей указанных изображений, сжимают текущую
гистограмму с первым из выбранных коэффициентов сжатия и сдвигают ее на первую из
выбранных величин сдвига, восстанавливают равномерность яркостной шкалы путем
суммирования в полученной гистограмме пикселей, получивших в результате сжатия
одинаковую яркость, восстанавливают исходный диапазон яркостей гистограммы путем
устранения всех ее значений за его пределами, находят разность полученной и опорной
гистограмм и вычисляют сумму положительных значений этой разности, которую выбирают в качестве показателя оптимальности сведения яркостей, затем аналогичным образом последовательно вычисляют показатели оптимальности для каждого сдвига при
сжатии исходной текущей гистограммы с тем же коэффициентом сжатия и находят
наименьшее значение из всех вычисленных, далее повторяют указанные операции для
каждого из коэффициентов сжатия вплоть до нулевого, затем растягивают исходную текущую гистограмму с первым из выбранных коэффициентов растяжения и сдвигают ее на
первую из выбранных величин сдвига, восстанавливают равномерность яркостной шкалы
путем добавления в гистограмму нулевых значений на образовавшихся в результате растяжения пустых местах яркостной шкалы, восстанавливают указанным выше образом исходный диапазон яркостей гистограммы с одновременным суммированием всех ее
значений, оказавшихся в результате растяжения за правой границей этого диапазона, вычисляют показатель оптимальности для каждого заданного сдвига при растяжении исходной текущей гистограммы с тем же коэффициентом растяжения и находят наименьшее
значение из всех вычисленных, далее повторяют указанные операции для каждого из коэффициентов растяжения вплоть до максимального, а затем находят среди всех указанных
наименьших значений глобальный минимум показателя оптимальности сведения и окончательно сводят яркости обоих изображений путем преобразования исходной текущей ги3
BY 16703 C1 2012.12.30
стограммы с коэффициентом сжатия или растяжения и величиной сдвига, соответствующими найденному глобальному минимуму.
Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежами, где:
на фиг. 1 показано опорное изображение;
на фиг. 2 показано текущее изображение;
на фиг. 3 показаны огибающие гистограмм изображений до сведения яркостей;
на фиг. 4 показаны огибающие гистограмм изображений после сведения яркостей.
Для сравнения на фиг. 3-4 приведены огибающие гистограмм опорного и текущего
изображений до сведения яркостей и после, где по оси абсцисс отложены значения градации яркости, а по оси ординат - число пикселей.
Ниже приведена последовательность операций автоматического сведения яркостей
изображений объектов разновременной космической съемки.
Выбирают любую пару разновременных изображений одного и того же наземного
объекта, одно из которых принимают в качестве опорного (фиг. 1), а другое принимают в
качестве текущего изображения (фиг. 2). Строят гистограммы распределения значений
яркостей пикселей H0(L) опорного изображения и H(L) текущего изображения (фиг. 3),
рассчитывают значения коэффициентов сжатия диапазона яркостей гистограммы, которые
определяются следующим образом:
2k − 1 − r
(1)
,
α C [r ] = k
2 −1
где r - число дискретов яркости сжатия гистограммы, выбираемое в зависимости от имеющихся представлений о предельных изменениях яркостей в разновременных съемках
наземного объекта, т.е. коэффициент сжатия должен быть менее единицы αC[r] < 1. Затем
рассчитывают значения коэффициентов растяжения диапазона яркостей гистограммы
следующим образом:
2k − 1 − r
(2)
α P [r ] =
,
2k − 1
где r - число дискретов яркости растяжения гистограммы, выбираемое в зависимости от
имеющихся представлений о предельных изменениях яркостей в разновременных съемках
наземного объекта, т.е. коэффициент растяжения должен быть больше единицы αP[r] > 1.
Далее формируют объединенную выборку коэффициентов сжатия и растяжения в виде единой последовательности коэффициентов преобразования {α[r]}, представляющую
группу уменьшающихся коэффициентов сжатия до αC[0] = 1, переходящих в группу коэффициентов растяжения от αP[0] = 1 до максимального его значения.
Формируют дискретную выборку величин сдвигов гистограммы по шкале яркостей
{q[r]} (влево - отрицательный и вправо - положительный) от минимального значения с
принятой единичной дискретностью возрастания через 0 до максимального значения в
диапазоне представлений о предельно возможных сдвигах яркостей разновременных съемок наземного объекта.
Преобразуют текущую гистограмму сжатием или растяжением шкалы яркостей с сохранением дискретности:
H([α ⋅ L]) := H(L ) ∀α ,
(3)
k
где L = 0 ÷ 2 –1 - дискретные значения шкалы яркостей текущей гистограммы;
α - коэффициент преобразования шкалы яркостей;
[…] - квадратные скобки, которые означают операцию выделения целой части произведения.
Восстанавливают равномерность яркостной шкалы гистограммы, нарушаемой в результате ее сжатия при [α⋅L] = [α⋅(L + 1)], путем суммирования пар значений (чисел пикселей) для одинаковых преобразованных яркостей H([α⋅L]) := H(L) + H(L + 1) с одновре4
BY 16703 C1 2012.12.30
менным восстановлением исходного диапазона яркостей гистограммы L = 0 ÷ 2k–1 путем
дополнения ее значений нулями в интервале больших яркостей ([α⋅(2k–l)] + l) ÷ (2k–l):
а) H([α⋅L]) := H(L) + H(L + 1) при [α⋅L] = [α⋅(L + 1)];
(4)
б) H(L) := 0 при (2k–1) ≥ L > L([α⋅(2k–1)].
Восстанавливают равномерность яркостной шкалы гистограммы, нарушаемой в результате растяжения при [α⋅(L + l)]–[α⋅L] = 2, путем добавления в каждом таком случае
нулевого значения в гистограмму на пропущенное дискретное значение яркости и соответствующего сдвига следующих за этим нулем значений гистограммы на один дискрет в
сторону больших яркостей с одновременным суммированием ее значений, превышающих
правую границу диапазона яркостей:
(5)
а) H([α⋅L] + 1) := 0 при [α⋅(L + 1)]–[α⋅L] = 2;
б) H ( 2 − 1 ) : =
L = 2 k − 1+ q
∑ H ( L ).
k
L=2k − 1
Восстанавливают установленный диапазон яркостей L = 0 ÷ (2k–1) и площади преобразованной гистограммы при сдвиге влево q ≤ 0 путем устранения ее значений на яркостях L < 0:
L=0
а) H(0) := ∑ H(L) ;
(6)
L =q
б) H(L) := 0 в диапазоне L = (2k–1–q) ÷ (2k–1).
Восстанавливают установленный диапазон яркостей L = 0 ÷ (2k–1) преобразованной
гистограммы при сдвиге вправо q > 0 путем устранения ее значений на яркостях L > 2k–1:
а) H(L) := 0 в диапазоне L = 0 ÷ q;
б) H(2 − 1) :=
k
L = 2 k − 1+ q
∑ H(L).
(7)
L =2k − 1
Преобразуют шкалу яркостей гистограммы дискретными сдвигами принятой выборки
для каждого коэффициента сжатия-растяжения текущей гистограммы.
(8)
H([α⋅L] + q) := H(L) ∀q.
Используют критерий оптимальности преобразования яркостей текущей гистограммы
в виде:
255
γ (α, q ) := ∑ ∆H(L, α, q ) ∀∆H(L, α, q ) > 0,
(9)
L=0
где ∆H(L,α,q) = H(L,α,q)–H0(L);
H(L,α,q) - преобразованная текущая гистограмма для L = 0, (2 k − 1), ∀q, ∀α.
H0(L) - опорная (базовая, эталонная) гистограмма для L = 0, (2 k − 1) .
По результатам вычисления значений показателя γ(α,q) преобразованной текущей гистограммы определяют локально оптимальные значения сдвига q для каждого локального
значения α и соответствующие им значения показателя:
q ЛО (α = const ) = arg min γ (α = const , q ).
(10)
q
γ ЛО (α = const ) = min γ (α = const , q ).
q
(11)
По найденным локально оптимальному значению сдвига для каждого локального значения α далее производят поиск параметров αГО, qГО, обеспечивающих глобально оптимальное совпадение преобразованной текущей гистограммы для сведения ее по яркостям
с опорной:
5
BY 16703 C1 2012.12.30
α ГО = arg min λ ЛО (α );
α
(12)
(13)
qГО := qЛО(αГО).
Преобразуют текущее изображение с параметрами αГО и qГО как
(14)
Loпт(x,y) = [αГО⋅L(x, y)] + qГО для ∀x, y,
где L(x, y) - текущее изображение космической съемки объекта;
Loпт(x, y) - текущее изображение, оптимально сведенное по яркостям с опорным (базовым, эталонным);
[…] - квадратные скобки, которые означают операцию выделения целой части произведения.
Фиг. 4 показывает преобразованную гистограмму текущего изображения, оптимально
сведенную по яркостям с гистограммой опорного изображения.
Предложенный способ позволяет: сопоставить геометрически совмещенные разновременные изображения космической съемки одного и того же наземного объекта (геодезически выделенного участка земной поверхности) аппаратурой одного и того же
спутника (постоянство пространственной разрешающей способности), что обусловливает
постоянство числа пикселей изображений этого объекта и гистограмм независимо от изменений освещенности и настроек аппаратуры съемки; учесть дискретности шкалы яркостей изображений космической съемки, сохранить ее и площади объекта при любых
изменениях его освещенности и преобразованиях яркости; применить простой и физически очевидный критерий оптимальности сведения яркостей разновременных изображений, использующий только вычитание и суммирование; исключить необходимость
интерактивных действий в процессе сведения яркостей разновременных изображений
космической съемки интересующего наземного объекта.
Предложенный способ может быть использован для автоматического сведения яркостей разновременных космических изображений наземных объектов в решении задач обнаружения изменений их внешнего облика, а также при синтезе мозаичных изображений.
Источники информации:
1. Гонсалес Р., Вудс Р. Цифровая обработка изображений: Пер. с англ. / Под ред.
П.А. Чочиа. - М.: ТЕХНОСФЕРА, 2006. - 1072 с.
2. Патент Российской Федерации 2367022, МПК G 06T 5/40, H 04N9/69, 2009.
3. Патент Российской Федерации 2171499, МПК T 5/00, 5/40, G 06K 9/00, 9/62, 9/68,
9/70, 2000.
4. Белозерский Л.А. и др. Искусственный интеллект. - 2008. - № 3. - С. 254-265 (прототип).
Фиг. 1
6
BY 16703 C1 2012.12.30
Фиг. 2
Фиг. 3
Фиг. 4
Национальный центр интеллектуальной собственности.
220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.
7
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
0
Размер файла
1 322 Кб
Теги
by16703, патент
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа