Системы восстановления изображений.
В большинстве систем цифровой обработки изображений электрические сигналы, представляющие собой отсчеты изображения, поступают с выхода вычислительной машины последовательно, согласно обычной схеме развертки. Эти электрические отсчеты следует подавать на устройство воспроизведения синтеза непрерывных изображений, например на электронно-лучевую трубку ЭЛТ или фоторегистратор.
Ниже рассмотрены три способа выполнения такой операции. Способы воспроизведения изображений. рис. 4.5.1. Некогерентная оптическая система восстановления изображений. Маленькое световое пятно скачками перемещается по экрану ЭЛТ, образуя растр яркость каждой точки модулируется пропорционально значениям отсчетов изображений. С помощью проекционной системы, содержащей некогерентный пространственный фильтр с желательными свойствами, картинку с экрана ЭЛТ можно затем отобразить на большой экран для просмотра или на фотопленку для записи. Как правило, оптимальный фильтр, равномерно пропускающий спектр изображения и имеющий резкую отсечку за пределами спектра, физически реализовать не удается.
Для восстановления одноцветных изображений, можно применить когерентную оптическую систему рис. 4.5.2. Когерентная оптическая система восстановления изображений.
В этой системе сначала фотографируют картинку с экрана ЭЛТ и изготавливают диапозитив, который затем освещают лазерным лучом. Свет прошедший через диапозитив, попадает на линзу, которая в своей задней фокальной плоскости создает световое поле с распределением интенсивности, пропорциональным двухмерному спектру Фурье, пространственного распределения коэффициента пропускания диапозитива. Можно рассчитать оптический фильтр, который желательным образом изменял бы распределение амплитуды и фазы светового поля в плоскости фильтрации, т.е. мог бы играть роль восстанавливающего фильтра.
Вторая линза тоже выполняет преобразование Фурье и восстанавливает изображение на поверхности фотопленки. Главным достоинством устройства, является сравнительная простота изготовления восстанавливающего фильтра. Оптимальный фильтр является просто диафрагмой, пропускающей только дифракционную картинку нулевого порядка. В сканирующих фоторегистратарах обычно восстанавливают непрерывное изображение, проектируя прямоугольное световое пятно на фотопленку.
В большинстве случаев размер светового пятна выбирают равным шагу дискретизации с тем, чтобы целиком заполнить все поле изображения. Такая интерполяция выполняется просто, но она не является оптимальной. Если в восстанавливающем устройстве удается сфотографировать очень маленькое световое пятнышко, то с помощью дополнительной подразвертки можно с некоторой погрешностью синтезировать любую желаемую интерполяционную функцию, как следует из приведенного ниже рисунка 4.5.3. рис. 4.5.3. Восстановление изображений методом подразвертки а - квадратное пятно б - круглое пятно.
Существуют три метода получения значений промежуточных элементов изображения для восстановления с подразверткой подгона пространственной функции, свертка и фильтрация в частной области. Все вышеизложенное относится к теоретической части вопроса обработки изображений. Теперь перейдем к конкретному практическому рассмотрению автоматизированной системы обработки космической информации. 4.6. Обработка спутниковых данных и система оперативного доступа к ним удаленных пользователей.
Как уже отмечалось ранее, в соответствии с международными соглашениями, пользователи, имеющие необходимые средства приема, могут бесплатно получать информацию непосредственно со спутников NOAA режим HRPT и пользоваться ею. Таким образом, локальные потребители получили возможность прямого доступа и достаточно качественным спутниковым данным. Для этого им необходимо иметь собственную приемную станцию, создание или покупка которой обходятся примерно в 15-20 тыс. долларов США. Проанализируем возможности реализации программы первичной обработки спутниковой информации, на примере персональной станции приема и обработки информации SCANOR. В первичную обработку данных обычно входят следующие этапы ввод данных в компьютер распаковка визуализация просмотр данных в момент приема колибровка географическая привязка организация хранения.
В работе не рассматривается этап географической привязки, который сам по себе достаточно сложен.
Ввод спутниковых данных в компьютер. Реализация данной процедуры - основная задача станции приема спутниковой информации. Скорость поступления спутниковых данных в канале 1.7 Ггц сравнительно невелика примерно 80 Кбайт с, поэтому с задачей приема может справиться обычный персональный компьютер ПК . Поступающий со спутников цифровой поток имеет кадровую структуру. Кадры разделены синфроно-последовательностями.
Традиционно на станциях приема реализуется аппаратная распаковка сигнала, т.е. для поиска синхронопоследовательностей и разделения данных на кадры создается специальная аппаратура с жесткой фиксацией структуры сигнала. С одной стороны это приводит к необходимости создания дополнительного специализированного устройства и повышению стоимости приемной станции, а с другой к дополнительным трудностям модификации приема данных с новых аппаратов. Этих недостатков можно избежать. если организовать ввод в компьютер всего битового потока.
Такая схема реализована на станциях SCANOR. В них ввод данных выполняется с помощью специальной платы, которая осуществляет преобразование битового потока в последовательность 16-разрядных слов данных, вводимых в память компьютера. Распаковка данных. На станциях SCANOR распаковка данных начинается в реальном времени - непосредственно во время сеанса. При этом происходит поиск кадровых разделителей, извлечение данных для расчета колебательных коэффициентов и запись на жесткий диск файлов в промежуточном формате.
Кроме того, также в темпе приема производится выборка части данных для визуализации В реальном времени. Визуализация данных. При работе с информацией, поступающей со спутников серии NOAA, для визуального контроля удобно использовать один из каналов радиометр AVHRR. Для того, чтобы уже в момент сеанса иметь возможность осуществить примерную географическую привязку получаемых данных, в системе SCANOR используется два способа, которые могут быть применены одновременно. 1. Одновременно с программой приема данных запускается программа расчета траектории спутников, позволяющая в реальном времени определять и визуализировать на карте положение спутника, с которого принимаются данные.
Это позволяет оператору сразу оценить географические координаты района, о котором передаются данные. 2. Если прием планируется принять в строго фиксируемое время, то пред началом приема можно построить географическую сетку региона над которым будет пролетать спутник во время сеанса.
В момент сеанса принимаемые данные могут сразу существенно облегчает поиск наблюдаемых участков. Калибровка данных. Она заключается в преобразовании телеметрических отсчетов, передаваемых со спутника, в радиояркостную температуру или мощность излучения для ИК каналов и в альбедо для каналов видимого диапазона. Чтобы осуществить калибровку, необходимо знать функцию, переводящую отсчеты бортовых сенсоров в физические величины - калибровочную кривую.
Расчет калибровочных коэффициентов может быть начат параллельно с проведением сеанса и автоматически продолжен после его завершения. На станции SCANOR полностью процесс калибровки данных заканчивается примерно через 5-7 мин. после окончания сеанса. Организация хранения данных. Один из существенных моментов организации хранения данных - способ сохранения данных прибора AVHRR. Дело в том, что в поступающих со спутников данных передается 1024 градации яркости в отдельных каналах, т.е. используются 10-битовые слова.
Работа с такими словами очень неудобна и поэтому нужно или сжать информацию до одного байта, что приводит к некоторой её потере, либо растянуть до двух байт, что сильно увеличивает объем хранимой и обрабатываемой информации. Но есть возможность уменьшения разрядности данных для хранения и обработки с 10 до 8 бит 1 байт на элемент изображения. Реально, это может привести к потере лишь одного значащего заряда. Естественно, что уменьшение разрядности должно осуществляться не просто отбрасыванием нескольких младших разрядов, а выбором оптимального диапазона, в котором сосредоточена большая часть для конкретного изображения. Эта возможность реализована в программе FRAME. Опыт эксплуатации комплекса SCANOR подтвердил правомерность такой организации хранения информации.
Ошибки, связанные со сжатием динамического диапазона, не превышают обычно других ошибок, возникающих при обработке. В момент приема, уже откалиброванные данные записываются в форме Level 1B точное описание структуры этого формата можно найти в информационной системе по адресу http smis.iki.rssi.ru data I1f txt. Сразу же после завершения принятых данных, составляется их аннотация и все они записываются в оперативный архив, расположенный на дисках рабочей станции SUN Spare Station LX smis.iki.rssi.ru. Обмен данными между станцией приема и архивом осуществляется по сетевому протоку Net BIOS, использующемуся совместно с протоколами TCP IP. В оперативном архиве данные хранятся в течение двух-трех недель, после чего переносятся в постоянный архив.
Для долговременной архивации используется рабочая станция SUN Sparc Classic, оборудованная магнитофоном Exabyte и системой автоматической смены лент Jukebox. Таким образом, данные с метеорологических спутников попадают в общую базу данных и могут быть использованы всеми заинтерисованными лицами.
Удаленный доступ к информации организован через российскую космическую научную сеть Интернет Russian Space Science Internet - RSSI , связанную с сетью NASA Science Internet NSI спутниковым каналом с пропускной способностью 256 К бит с. RSSI имеет соединение с сетями Bitnet, CNES, с московской спорной сетью, а также с коммерческими компьютерными сетями России.
Такое соединение позволяет широко распространять информацию как в России, так и за рубежом. Система удаленного доступа базируется на использовании информационного сервиса сети Интернет - World Wide Wed адрес WWW - сервер-Ошибка! Источник ссылки не найден основанного на технологии компьютерного гипертекста, содержащего перекрестные ссылки между страницами WWW - сервера.
Общий вид первой станицы, обеспечивающей доступ к архиву телеметрии, приведен на рис. 4.6.1. Информация на сервере обновляется и становится доступной для удаленных пользователей в течение нескольких часов после данных со спутника. Сейчас создается система автоматической обработки запросов пользователей для выделения фрагментов из сырой телеметрической информации, находящейся в архиве.
В заключение отметим, что данная система позволяет пользователям, занятым разработкой методов и алгоритмов обработки данных метеорологических спутников NOAA, оперативно получать свободный доступ к реальной информации. Это один из существенных моментов поддержки развития работ по использованию спутниковых данных. 4.7.