Коррекция пространственно-частотных спектров изображений малоразмерных объектов на изображении высокого разрешения

Современные технологии методов зондирования Земли, в том числе и методов реализации сверхразрешения не затрагивают вопросы реализации улучшения точности позиционирования и улучшения информационной емкости пространственно-частотных спектров (ПЧС) объектов, апертуры которых на фокальной плоскости (ФП) бортовой оптико-электронной аппаратуры (БОЭА) целиком вписываются в апертуры пикселов чувствительного транспаранта. Задачи такого плана весьма актуальны, например, для достаточно удаленных наблюдаемых объектов (или уже удалившихся). Их образы на фокальной плоскости – это один засвеченный пиксел, и весьма проблематично повысить точность вычисления значений координат местонахождения объекта на фокальной плоскости – матричном транспаранте, а также реанимировать спектральный портрет объекта, а тем более отследить и пересчитать в реальное пространство его координаты если объект еще и движется ненаблюдаемо внутри апертуры пиксела. Обнаружение наличия внутрипиксельного объекта наиболее вероятно при многоспектральном зондировании при отличии яркостей таких пикселов от ожидаемых яркостей их окрестностей в спектре карты яркостей при осуществлении Землеобзора или наблюдения околоземного пространства (Винтаев, Ушакова, 2018).
Расфокусировка на выходе БОЭА формируемого изображения в разумных пределах, может засвечивать необходимого размера площадки на ФП для необходимых расчетов. Расфокусировка соответствующим смещением линз телескопа или изменением положения транспаранта относительно стандартной фокальной плоскости не является увеличением изображения, т.к. для этого необходимо заметное изменение фокусного расстояния на телескопе аппарата.
Профиль яркости на пятне расфокусировки, как правило, гауссоподобного вида, само пятно на дискретном транспаранте ограничено замкнутым и неправильным по симметрии контуром; параметры расфокусировки заданы и известны и, соответственно, известны пределы изменения индексов (номеров) пикселов, входящих полностью или частично в это пятно.
Удаление при этом информации типа шума или ненужного фона осуществляется попиксельным вычитанием паттернов, полученных нормализованной сверткой расфокусированного пятна с матрицами небольших, но разных размеров. Перебор значений этих размеров с пороговой обработкой, уменьшающей динамический диапазон яркостей изображения малых объектов в пределах позволяемых формулой изменений вероятности ложной тревоги при первичной расфокусировке позволяет с точностью до вероятности 0,9 выявить на фоне шумов некоторый протяженный объект, для ПЧС которого выработаны ранее формулы коррекции в согласовании с оптимизированной и кавазипрямоугольной по огибающей частотно-контрастной характеристикой тракта обработки (Винтаев, Ушакова, 2018).
В формулу для оценки вероятности ложной тревоги входят параметы , измеряемые на расфокусированном пятне: среднеквадратичная дисперсия яркости, динамический диапазон контрастов выделяемых образов, полоса пространственных частот, занимаемая спектральными портретами образов, полоса пересечения пространственных частот спектральных портретов образов и шумов, радиус корреляции шума, средняя апертура пятна расфокусированного образа.
Максимум яркости выявляемого объекта в пятне проявляется тогда, когда размеры двух матриц подобраны так, что при вычитании друг из друга двух дополнительно (хотя и не так сильно) и различно расфокусированных этими матрицами объектов аппликаты результата по значениям ложатся между аппликатами яркостей, участвующих в вычитании объектов.
Коррекция выявленного ПЧС внутрипиксельного объекта выполняется дообработкой изображения пятна так, чтобы при контроле на каждой итерации в тракте обработки синтезируемая ЧКХ соответствовала требованиям обеспечения квазипрямоугольной формы ее огибающей по всем азимутальным направлениям (Макриденко и др., 2017). Реализовать коррекцию с контролем в координатном пространстве над объектом крайне затруднительно из-за невозможности выдвинуть соответственные требования по обработке изображения внутрипиксельного объекта.
Два приведенных выше с разнесенными орбитами наблюдателя удаленного объекта могут уже реализовать как распознавание, так и слежение в трехмерном пространстве.
На основе модели сверхудаленного объекта, построенной на фрагменте панхроматического нормализованного изображения Houston-24466-0-8bit со спутника OrbView-3 показана реализация описанной технологии. При этом модель получения точечного объекта из наблюдаемого на фрагменте самолета и описанный процесс восстановления не являются взаимными прямой и обратной процедурами, а представляют собой так называемые прямой и обратный проект с различными операциями и различной структурой алгоритмов.
Исследование выполнено при финансовой поддержке Российского Фонда Фундаментальных Исследований (РФФИ) в рамках научного проекта № 19-07-00697 «Разработка основ системного анализа и моделирования коррекции резкости космических изображений сверхвысокого разрешения на базе модернизации теоретико-типовых математических и семантических подходов для прогноза и реализации максимально возможных характеристик по пространственному разрешению».