Способ автоматического сведения яркостей двух разновременных спутниковых изображений наземного объекта

(51) МПК НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ СПОСОБ АВТОМАТИЧЕСКОГО СВЕДЕНИЯ ЯРКОСТЕЙ ДВУХ РАЗНОВРЕМЕННЫХ СПУТНИКОВЫХ ИЗОБРАЖЕНИЙ НАЗЕМНОГО ОБЪЕКТА(71) Заявитель Государственное научное учреждение Объединенный институт проблем информатики Национальной академии наук Беларуси(72) Авторы Белозерский Леонид Анатольевич Орешкина Лариса Владиславовна(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Объединенный институт проблем информатики Национальной академии наук Беларуси(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 16703 1 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 -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 повто 2 16703 1 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 указанныеоперации 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 ги 3 16703 1 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 0 опорного изображения итекущего изображения (фиг. 3),рассчитывают значения коэффициентов сжатия диапазона яркостей гистограммы, которые определяются следующим образом 21,2 1 где- 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 1. Затем рассчитывают значения коэффициентов растяжения диапазона яркостей гистограммы следующим образом 21,21 где- 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 1. Далее формируют объединенную выборку коэффициентов сжатия и растяжения в виде единой последовательности коэффициентов преобразования , представляющую группу уменьшающихся коэффициентов сжатия до 01, переходящих в группу коэффициентов растяжения от 01 до максимального его значения. Формируют дискретную выборку величин сдвигов гистограммы по шкале яркостей(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 где 02 1 - дискретные значения шкалы яркостей текущей гистограммы- коэффициент преобразования шкалы яркостей- квадратные скобки, которые означают операцию выделения целой части произведения. Восстанавливают равномерность яркостной шкалы гистограммы, нарушаемой в результате ее сжатия при(1), путем суммирования пар значений (чисел пикселей) для одинаковых преобразованных яркостей(1) с одновре 4 16703 1 2012.12.30 менным восстановлением исходного диапазона яркостей гистограммы 021 путем дополнения ее значений нулями в интервале больших яркостей 2))(2) а)(1) при(1)(4) б)0 при (21)21). Восстанавливают равномерность яркостной шкалы гистограммы, нарушаемой в результате растяжения при 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 Восстанавливают установленный диапазон яркостей 0(21) и площади преобразованной гистограммы при сдвиге влево 0 путем устранения ее значений на яркостях 0 0 б)0 в диапазоне(21)(21). Восстанавливают установленный диапазон яркостей 0(21) преобразованной гистограммы при сдвиге вправо 0 путем устранения ее значений на яркостях 21 а)0 в диапазоне 0 б) (21) Преобразуют шкалу яркостей гистограммы дискретными сдвигами принятой выборки для каждого коэффициента сжатия-растяжения текущей гистограммы.. Используют критерий оптимальности преобразования яркостей текущей гистограммы в виде 255- преобразованная текущая гистограмма для 0, (21), , . 0 - опорная (базовая, эталонная) гистограмма для 0, (21) . По результатам вычисления значений показателя (,) преобразованной текущей гистограммы определяют локально оптимальные значения сдвигадля каждого локального значенияи соответствующие им значения показателяЛО (,). По найденным локально оптимальному значению сдвига для каждого локального значениядалее производят поиск параметров ГО, ГО, обеспечивающих глобально оптимальное совпадение преобразованной текущей гистограммы для сведения ее по яркостям с опорной(13) ГОЛО(ГО). Преобразуют текущее изображение с параметрами ГО и ГО как(14) пт(,)ГО(, )ГО для , ,где (, ) - текущее изображение космической съемки объекта пт(, ) - 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 06 5/40,049/69, 2009. 3. Патент Российской Федерации 2171499, МПК 5/00, 5/40,06 9/00, 9/62, 9/68,9/70, 2000. 4. Белозерский Л.А. и др. Искусственный интеллект. - 2008. -3. - С. 254-265 (прототип). Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.