Обобщенное субпиксельное представление и проблема интерполяции на изображениях, формируемых бортовой оптико-электронной аппаратурой космического аппарата

Лабораторные (и математические) модели представления изображений с улучшенным разрешением на основе субпиксельных сдвигов и ряда предварительных расфокусировок, проецируемых на приборы с зарядовой связью (ПЗС) изображений показывают неоправданно обнадеживающие результаты, тогда как реальные достижения измеряются показателями улучшения в 1,4-2 раза (Москвитин А.Э., Vintaev V.N. и др.), при этом в первом случае фатальным фактором являются малые разбросы коэффициентов и особенно кривых чувствительности и незначительное геометрическое несовершенство элементов и строк пикселов ПЗС, а во втором - соотношение между радиометрическим разрешением и средним порогом маскировки шумом огибающей сформированной при расфокусировке функции рассеяния точки (ФРТ), при котором достижимые пределы снижения апертуры пятна ФРТ в обратной задаче остаются «неидеальными», особенно при решении задачи слепыми методами. Что касается комплексирования улучшенного изображения из фрагментов ранее отснятых снимков, то выполнение требований по нивелированию невязок фрагментов или практически невозможно или требует неоправданно высоких вычислительных затрат. При этом подгонка одного из выбранных фрагментов к состоянию необходимого сдвига на долю пиксела, требуемого субпиксельной технологией, реализуется интерполяцией промежуточных отсчетов на изображении с последующей децимацией и сохранением отсчетов, сдвинутых относительно исходных. При выполнении интерполяции методом Уиттекера-Шеннона осуществляется достаточное снижение среднего значения распределения вероятности «паразитного» сглаживания фронтов градаций яркости на изображениях (в том числе и при выполнении промежуточных вычислений), вызываемое интерполяциями «по соседним отсчетам» и другими видами интерполяции, что негативно сказывается на расширении радиуса пространственного спектра результирующего изображения получаемого субпиксельными технологиями. При этом используется свойство сохранения ширины спектра интерполируемой методом Уиттекера-Шеннона функции и возможность расположить вычисляемый дополнительный отсчет достаточно близко к одному из исходных отсчетов, чем при итоговом формировании интерполированного изображения сохранить (не сгладить) имеющийся заметный скачек градации яркости (в общем случае критерии наличия скачков - вероятностные в исходной пиксельной системе и подключаются к процедуре интерполяции в автоматизированном режиме анализа исходного изображения). Соблюдение этих правил при использовании, например, интерполяции «по соседям» с учетом пропорционального деления интервала вызывает неуверенность в сохранении ширины спектра исходного изображения. Так как радиусы спектров (пространственночастотных) изображения с повышенным разрешением или контрастированного («почти» нелинейным) преобразованием изображения с худшим разрешением могут совпасть, то при формировании изображения методом субпиксельной технологии (и даже при построении процедур снижения пятна ФРТ) предлагается функционал-супервизор, нацеливающий процесс выполняемых преобразований на преследуемый фактор - разрешение, или контрастирование, или их сочетание в заданной пропорции.
На основе моделирования влияющих негативно факторов предлагается схема формирования «субпиксельного» изображения, дающая профит улучшения еще в районе 20%, организованная на трех ПЗС-линейках (или матрицах) с совмещением в схеме и «разумного» уровня расфокусировки за счет различия апертур пикселов от одного ПЗС к другому и техники субпиксельного сдвига: как вариант, например, это реализуется на сдвинутых относительно друг друга идентичных линейках на треть апертуры пиксела, но с подачей на вычислитель полусуммы каждой соседней пары элементов одной ПЗС и вычислитель трети суммы с каждых трех соседних элементов другой ПЗС-линейки. Для двух субпиксельно сдвинутых линеек эффект улучшения разрешения, как установлено эмпирически, несильно превышает значение корня из 2, для трех линеек - корня из 3 (с учетом двух дополнительных состояний полученных расфокусировок)- последнее значение корректируется в сторону увеличения на малую величину за счет падения относительного уровня шума (в силу фильтрации расфокусировкой) - по отношению к суммарной энергии сигнала на трех линейках.
Литература
1. Москвитин А.Э. Технологии и алгоритмы повышения качества изображений земной поверхности на основе комплексирования спектрозональной информации. Диссертация на соискание уч. степени кандидата технических наук по специальности 05.13.01. Рязань, 2003. 130 с.
2. Vintaev V.N., Urazbakhtin A. I., Ushakova, N. N. The Criterion of Admissibility of the Required Resolution Degradation of Images Synthesized by Some Radio Systems. Telecommunications And Radio Engineering, Vol. 64 '2005,Begell House, Inc., New York, 315-319 pages.