Информационные модели систем автоматической обработки изображений

В современной науке и технике широко используются системы, служащие для сбора, обработки или передачи информации. Основное отличие таких систем состоит в том, что результатом их функционирования являются не материальные объекты реального мира, а лишь сведения или знания о них (информация) и поэтому основными характеристиками этих систем являются информационные характеристики. Такого рода системы носят название информационных систем.

К информационным системам следует отнести и системы автоматической обработки результатов дистанционного зондирования. Исходным источником информации в таких системах чаще всего служат оптические или фотографические изображения, полученные в результате регистрации распределения отраженных или излученных электромагнитных волн оптического диапазона, а цель обработки заключается в получении каких-либо параметров изображения, его передачи или преобразовании. Поэтому такие системы принято называть системами автоматической обработки изображений.

Сложность проектирования и исследования информационных систем требует их моделирования с целью оценки их информационных свойств, причем, учитывая специфику этих систем, основным видом их моделирования должно быть математическое информационное моделирование.

Информационные модели - это вид математических моделей, которые позволяют моделировать информационные процессы в различных системах.

Общая информационная модель любой системы может быть представлена в виде, изображенном на рис. 4.1.

Рис. 4.1. Общая информационная модель системы.

Отдельные блоки, входящие в общую информационную модель, определяются следующим образом.

Источник сообщений - физический объект, обладающий возможностью генерировать сообщение.

Датчик сообщений - техническое устройство, преобразующее исходное сообщение в изоморфную (аналогичную) форму, удобную для дальнейшей передачи или обработки.

Канал - техническое устройство, представляющее собой последовате6льность преобразователей, которые передают или обрабатывают исходное сообщение по заданному алгоритму.

Приемник сообщений - техническое устройство, с помощью которого переданное или обработанное сообщение преобразуется в форму, удобную для получателя.

Получатель - некий объект, способный принимать решения на основе полученной или обработанной соответствующим образом информации. Так, в качестве получателя сообщения может быть или человек, или логическое устройство, или регистрирующий прибор.

Источник помех - совокупность помех и шумов, действующих на отдельные блоки информационной модели, приведенных к каналу.

Следует отметить, что в конкретных информационных моделях могут отсутствовать один или даже несколько блоков, приведенных в общей информационной модели.

Информационная модель в общем виде может быть применена при моделировании самых различных устройств и процессов, связанных с передачей и обработкой информации. Однако при моделировании конкретного устройства или процесса гораздо удобнее пользоваться такими информационными моделями, в которых указаны конкретные функциональные блоки, входящие непосредственно в эти устройства. На рис. 4.2 в качестве примера представлена информационная модель системы автоматической обработки фотоизображений на основе ЭВМ. При этом наряду с функциональными блоками системы показано и их обозначение в терминах информационной модели общего вида.

Рис. 4.2. Информационная модель системы автоматической обработки фотоизображений на основе ЭВМ.

Современные информационные системы, в частности, системы, используемые для исследования природных ресурсов, представляют собой довольно сложные структуры. Поэтому построение их информационных моделей, как правило, требует их предварительного разбиения на несколько подсистем, после чего можно переходить к информационному моделированию каждой отдельной подсистемы с учетом их информационной согласованности.

В большинстве случаев построение информационной модели сложной системы можно представить в виде одной из следующих трех основных блок-схем, изображенных на рис. 4.3, или их комбинаций:

Рис. 4.3. Основные блок-схемы построения информационных модей сложных систем.

Следует отметить, что каналы связи между отдельными подсистемами могут и отсутствовать (обычно в тех случаях, когда получатель сообщения одной подсистемы служит источником сообщения другой подсистемы). Например, если требуется построить информационную модель автоматической системы получения изображений земной поверхности из космоса, которая состоит из фоторегистрирующей системы, установленной на борту космического аппарата, и системы передачи изображений с космического аппарата на Землю, то удобно рассмотреть информационную модель этой системы как последовательную комбинацию двух информационных моделей: информационной модели получения фотоизображения поверхности Земли и информационной модели передачи изображений на Землю. В этом случае фотоизображение земной поверхности, принятое на борт КА, будет для первой информационной системы получателем сообщения, а для второй - источником сообщения.

Широкое применение систем автоматической обработки изображений и необходимость при их разработке и эксплуатации учета информационных характеристик требует более подробного рассмотрения присущих этим системам специфических составляющих и процессов в них происходящих с точки зрения информационного моделирования.

Источники сообщений, входящие в информационные модели систем автоматической обработки изображений, с целью подчеркивания их специфики, обыкновенно называют источниками визуальных сообщений. При этом источник визуальных сообщений определяют как любой физический процесс, объект или явление, происходящий в некоей физической среде и сопровождающийся излучением или отражением лучистой энергии, при условии, что мгновенные состояния этого процесса с достаточной полнотой и точностью характеризуются мгновенными пространственными распределениями мощностей и спектральных составов элементарных потоков лучистой энергии, излучаемых (или отражаемых) различными областями физической среды, в которой протекает данный процесс или явление.

Приведенное определение требует дополнительных пояснений. Строго говоря, термин «источник визуальных сообщений» следует применять только к тем источникам, спектр лучистой энергии которых не выходит за пределы видимой части оптического спектра, то есть от 0,450 до 0,700мкм. Однако, в связи с тем, что основные физические свойства электромагнитных излучений сохраняются в гораздо более широком диапазоне длин волн и что аналогичные по принципу действия преобразователи лучистой энергии, выступающие в качестве датчиков сообщений, также могут быть использованы в более широком частотном диапазоне, к источникам визуальных сообщений относят источники сообщений, спектр которых принадлежит всей оптической области электромагнитных излучений с длинами волн от 0,01мкм до 300мкм.

За элементарный поток лучистой энергии будем принимать поток, излучаемый (или отражаемый) элементарной площадкой таких размеров, что его мощность и спектральный состав могут восприниматься только как интегральные величины. Примером элементарного потока лучистой энергии может служить поток лучистой энергии, излучаемый звездой или точечным источником света.

По аналогии с терминологией, принятой в теории информации, символом визуального сообщения называют любое мгновенное состояние источника визуальных сообщений, то есть отдельное (мгновенное) пространственное распределение мощностей и спектральных составов потоков лучистой энергии, излучаемых элементарными площадками источника визуальных сообщений. В этом случае все множество различных (неповторяющихся) символов, генерируемых источником визуальных сообщений, называют алфавитом источника визуальных сообщений, число различных символов – объёмом алфавита источника визуальных сообщений, а любую последовательность символов визуального сообщения, имеющую для получателя сообщения законченное смысловое (семантическое) значение - визуальным сообщением.

Если взять в качестве примера аэрофотосъемку земной поверхности, то в терминах информационных моделей можно считать земную поверхность источником визуальных сообщений, последовательность аэрофотоснимков, относящихся к одному маршруту, - визуальным сообщением, а каждый отдельный аэроснимок - символом визуального сообщения. Однако отметим, что при информационном моделировании других процессов аэрофотоснимок уже можно рассматривать как источник визуальных сообщений.

Поверхность любого источника визуальных сообщений Q (Рис. 4.4) можно разбить на элементарные площадки таким образом, что вся поверхность источника визуальных сообщений будет равна сумме всех элементарных площадок, то есть .

Рис. 4.4. Разбиение поверхности источника визуальных сообщений на совокупность элементарных площадок,

При этом каждый символ визуального сообщения ( ), генерируемый таким источником в момент времени , в общем случае будет описываться мгновенным пространственным распределением мощностей и спектральных составов элементарных потоков лучистой энергии, излучаемой элементарными площадками:

, (4.1)

где - декартовы координаты центров тяжести элементарных площадок.

Следовательно, математической моделью визуального сообщения будет последовательность во времени дискретных распределений при Такая модель позволяет охватить все множество источников визуальных сообщений (ИВС), различных по физической природе и информационным свойствам, однако на практике представляет интерес разбиение всего множества ИВС на классы, в которые входят ИВС однородные по своей структуре, физической природе и информационным свойствам.

Представляется рациональным положить в основу классификации ИВС выражение (5.4) и классифицировать их по размерности дискретных функций и и по размерности дискретных распределений , описывающих символы визуальных сообщений.

Очевидно, что ИВС могут быть одномерными - , и двумерными - , а размерность функций и может принимать значения от 0 до 3.

В особый класс можно выделить источники визуальных сообщений, для которых

и , (4.2)

то есть распределения W и L не зависят от координат пространства. По своим физическим свойствам они аналогичны точечным источникам и полностью характеризуются значением величин W и L. Поэтому их называют интегральными источниками визуальных сообщений.

Все остальные источники, для которых хотя бы одно условие (4.2) не выполняется - относятся к классу дифференциальных источников визуальных сообщений.

Если для дифференциальных ИВС справедливо

(4.3)

то такие ИВС называют дифференциальными объемными.

Соответственно, ИВС, для которых

и (4.4)

называют дифференциальными плоскими (площадными) источниками.

Дифференциальные ИВС, для которых

; и ; (4.5)

называют дифференциальными линейными источниками.

Исходя из этого на рис.4.5 представлена классификация источников визуальных сообщений.

Рис. 4.5. Классификация источников визуальных сообщений.

Примерами различных классов источников визуальных сообщений (ИВС) могут служить:

- интегральные одномерные: оптический телеграф ( ), светофор ( );

- интегральный двумерный: излучение звезд;

- дифференциальный одномерный линейный: оптический плоскостной клин ( ), цветовой клин ( );

- дифференциальный одномерный плоский: черно-белое фотоизображение ( ), цветовое поле ( );

- дифференциальный одномерный объемный: черно-белое стереоизображение ( ), цветовое тело ( );

- дифференциальный двумерный линейный: спектрограф;

- дифференциальный двумерный плоский: цветное фотоизображение;

- дифференциальный двумерный объемный: цветное стереоизображение.

При дистанционных методах зондирования в качестве источников сообщения используют дифференциальные плоские и объемные (как одномерные, так и двумерные) ИВС. При технической же реализации систем автоматической обработки результатов дистанционного зондирования объемные ИВС, как правило, приводят путем соответствующих проективных преобразований к совокупности нескольких плоских ИВС, например, объемный ИВС заменяют стереопарой плоских ИВС, а различные участки оптической области электромагнитных излучений ( ), которым принадлежат спектры исследуемых ИВС, однозначно преобразуются в видимую часть оптического диапазона с помощью соответствующих датчиков и регистрирующих устройств, например, инфракрасные ИВС визуализируют в видимой области. Указанные преобразования выполняют с целью получения ИВС приемлемых для субъективного визуального контроля и использования, а также для сокращения номенклатуры видов ИВС и, следовательно, числа различных датчиков, используемых в системах автоматической обработки результатов дистанционного зондирования.

Таким образом, в системах автоматической обработки изображений в качестве источников сообщений в подавляющем числе случаев используются (или приводятся к ним) дифференциальные плоские одномерные и двумерные ИВС со спектром электромагнитных излучений, лежащем в видимой части диапазона оптического излучения, а символы таких ИВС традиционно называют оптическими изображениями или просто изображениями (черно-белыми или цветными соответственно). В дальнейшем при рассмотрении информационных аспектов систем автоматической обработки изображений именно такие ИВС и генерируемые ими символы (изображения) используются в них в качестве источников сообщения, при этом полученные результаты могут быть распространены и на другие виды ИВС.