ПРЕДИСЛОВИЕ
Многочисленные публикации, посвященные оптико-электронным системам, свидетельствуют о все более расширяющихся сферах их применения, в том числе и научной. Однако в последнем случае, как правило, рассматриваются достаточно узкие задачи, касающиеся отдельных этапов обработки оптической информации. В то же время разработчикам и исследователям конкретных систем требуются материалы по систематическому изложению методов и алгоритмов всей последовательности этапов обработки, выдержанных в едином методическом стиле. В силу большого разнообразия вариантов такое возможно лишь для конкретных классов систем. В настоящее время целенаправленное изложение материалов такого рода имеется для оптико-электронных систем сопровождения наблюдаемых объектов, и то время как для других классов, в частности обзорно-поисковых систем, публикации разрознены и их число незначительно. Несмотря на общность в методах исследования систем различных классов, существуют и характерные отличия, вытекающие из назначения и условий использования этих систем.
В данной монографии сделана попытка систематического изложения методов и алгоритмов основных этапов обработки изображений в пассивных обзорно-поисковых оптико-электронных системах с учетом их особенностей. Предлагаемые материалы базируются на результатах научных исследований, проведенных в Институте прикладной физики Национальной академии наук Беларуси в содружестве с Радар». При этом авторы пользовались неизменной поддержкой и консультациями своих коллег и выражают глубокую благодарность доктору технических наук, профессору , доктору физико-математических наук , доктору технических наук, профессору . В процессе работы авторы обсуждали ряд аспектов проводимых исследований и получили полезные советы от сотрудников и , за что выражают им свою признательность.
Авторы будут благодарны за замечания, предложения и отзывы о настоящей работе, которые просят присылать по адресу *****@***.
ВВЕДЕНИЕ
Пассивные оптико-электронные системы (ОЭС) видимого и инфракрасного диапазонов находят применение в комплексах наблюдения и управления движением воздушных объектов*.
* Методы автоматического обнаружения и сопровождения объектов. Обработка изображений и управление / [и др.]. М.: Радиотехника, 20с.; Third-generation infrared imagers / P. Norton [et al.] // SPIE Proc. 2000. Vol. 4130. P. 226-235.
Они подразделяются на системы сопровождения и обзорно-поисковые системы*. В первом случае используются фотоприемники с матричными датчиками, позволяющими получать изображения размерностью порядка 103 х103 элементов и частотой следования 25-50 кадров в секунду.
* Некоторые перспективы применения оптико-электронных приборов для оперативного дистанционного мониторинга экосистем / [и др.] // Приборостроение. 2002. Т. 45, №2. - С. 5-12; Third generation imaging sensor system concepts / D. A. Rengo [et al.] // SPIE Proc. 1999. Vol. 3701. P. 108-117.
Во втором - применяются фотоприемники с линейными датчиками, осуществляющие круговое или секторное сканирование наблюдаемого пространства с периодом обзора 0,5 - 3,5 (с). В результате образуется панорамный кадр с шириной полосы порядка 103 и протяженностью до нескольких десятков тысяч элементов, на котором имеются изображения объектов и помех, включающих элементы фона и шумов. На больших дальностях изображение объекта может занимать лишь один элемент изображения, и ему соответствует одноточечный сигнал. В общем случае имеют место изображения конечных размеров, которые представлены группой одноточечных сигналов. Основными источниками изображений фона являются облака и местные предметы. Шумовая составляющая в основном обусловлена шумами фотоприемного устройства, среды распространения излучения и шумами квантования сигналов. В сравнении с радиолокационными системами дальность обнаружения ОЭС невелика (~20 км), поэтому пребывание объектов в ее зоне действия мало. Это приводит к тому, что для реализации возможностей обзорных ОЭС требуется автоматическая обработка поступающих данных. Круг вопросов, связанных с обработкой, касается этапов фильтрации, обнаружения, построения траекторий движения объектов и их распознавания в режиме реального времени.
В ОЭС используется пространственно-временная обработка изображений, однако ее технологии в указанных выше двух классах систем могут быть различными. Так, в системах сопровождения может производиться обработка сразу нескольких кадров с одновременным решением задач обнаружения и построения траекторий. В обзорно-поисковых системах вследствие низкой частоты следования кадров и их большой размерности используется раздельная обработка. Пространственная обработка осуществляется в пределах отдельного кадра, а временная реализуется по числовым данным от нескольких последовательных кадров.
Проблематика исследования обзорно-поисковых ОЭС достаточно широка и в первую очередь касается разработки методов и алгоритмов обработки изображений, зависящих от условий ее работы и вытекающих отсюда особенностей. К ним следует отнести большую размерность изображения, что затрудняет работу в реальном масштабе времени. В процессе обзора изменяются размеры изображений объектов от одного элемента на предельных дальностях до десятков на малых. Этот фактор имеет важное значение при разработке алгоритмов фильтрации и обнаружения. Наличие помех в виде сигналов фона и шумов должно быть учтено на всех этапах обработки, поскольку они существенно влияют на эффективность работы системы. Наличие априорной информации о характеристиках сигналов объектов и помех может повысить качество обработки, однако по причине разнообразных условий работы и сложностей в получении экспериментальных данных приходится решать задачи при априорной неопределенности. Малое время пребывания объекта в зоне обнаружения повышает требования к быстродействию алгоритмов в условиях работы по дискретным данным, вследствие чего целесообразно отдавать предпочтение алгоритмам, представленным в явной форме записи. Из-за указанных и некоторых других особенностей возможен ряд вариантов построения систем обработки изображений.
Проблематика книги посвящена одному из них, по мнению авторов, достаточно универсальному и учитывающему перечисленные выше особенности работы. Ее содержание преследовало цель предложить алгоритмы, пригодные для реализации при современных технических возможностях и основанные на методах, знакомых научным работникам и инженерам в области разработки информационных технологий, в частности обработки изображений.
