ПОДАВЛЕНИЕ АДДИТИВНОГО ПЕРИОДИЧЕСКОГО ШУМА НА ИЗОБРАЖЕНИИ ВИЗИРНОЙ ЦЕЛИ ГАУССОВЫМ УЗКОПОЛОСНЫМ РЕЖЕКТОРНЫМ ФИЛЬТРОМ

ПОДАВЛЕНИЕ АДДИТИВНОГО ПЕРИОДИЧЕСКОГО ШУМА НА ИЗОБРАЖЕНИИ ВИЗИРНОЙ ЦЕЛИ ГАУССОВЫМ УЗКОПОЛОСНЫМ РЕЖЕКТОРНЫМ ФИЛЬТРОМ

Рощин Дмитрий Александрович

научный сотрудник, Научно-исследовательский испытательный центр Железнодорожных войск,

РФ, г. Москва

ADDITIVE PERIODIC NOISE SUPPRESSION ON THE IMAGE OF THE SIGHTING TARGET BY A GAUSSIAN NARROW-BAND NOTCH FILTER

Dmitry Roshchin

Researcher, Research and Testing Center of Railway Troops,

Russia, Moscow

АННОТАЦИЯ

Приведены практические способы уменьшения уровня шума и метод цифровой обработки изображения, позволяющие минимизировать влияние шума на точность определения параметров визирной цели. Снижение шума на изображении осуществлялось посредством охлаждения фотоприемного устройства, повышения уровня его освещенности, а также путем фильтрации шума на изображении с помощью режекторного фильтра высоких частот. В результате значение сигнал-шум увеличилось на 67,3%, при этом относительная погрешность измерения радиуса и координат визирной цели уменьшились на 2,9% и 0,44%, соответственно.

ABSTRACT

Practical ways to reduce the noise level and methods of digital image processing to minimize the impact of noise on the accuracy of determining the coordinates of the sighting target are given. Noise reduction in the image was carried out by cooling the photodetector, increasing its illumination level, as well as by filtering noise in the image using a high-frequency notch filter. As a result of these actions, the signal-to-noise value increased by 67,3 %. At the same time, the relative errors of measuring the coordinates and radius of the sighting target decreased by 2,9 % and 0,44 %.

Ключевые слова: цифровая обработка изображений, шум изображения, фотограмметрическая система, фотоприёмное устройство, визирная цель, частотная область, фильтр высоких частот.

Keywords: digital image processing, image noise, photogrammetric system, photodetector, sighting target, frequency domain, high-pass filter.

Визирная цель (рис. 1) представляет собой предмет, на который наводится визирное устройство геодезического прибора. Их использую при проведении различных геодезических измерений в процессе создания топографических карт и планов территории, определения координат и высот точек земной поверхности, при выполнении обмерных работ, выноски инженерных проектов в натуру, строительстве и другой хозяйственной деятельности [1].

Рисунок 1. Визирная цель на изображении (а) и в частотной области (б)

Любое изображение визирной цели содержит аддитивный шум, который проявляется в частотной области (рис. 1, б) и не зависит от параметров визирной цели, а также не коррелирует с её изображением [2]. Причиной появления периодического шума обычно являются электрические или электромеханические помехи возникающие в процессе получения изображения на фотоприемном устройстве. Основными факторами, влияющими на величину шума, являются уровень освещенности и температура фотоприёмного устройства. Также, в процессе передачи, изображение может искажаться помехами, возникающими в каналах связи.

Подавление шума на изображении визирной цели осуществлялось путем охлаждения фотоприемника, повышением уровня его освещенности, а также с помощью методов цифровой обработки изображения. Охлаждение фотоприемника неполностью снижает уровень шума усилителя считывания (рис. 2, а). Охлаждение фотоприемника ниже 20°С значительно уменьшает накопление темнового заряда и позволяет достигнуть оптимального отношения сигнал-шум. Однако, темновой ток, не связан с фотонно-индуцируемым сигналом поскольку фоточувствительные элементы непрерывно осуществляют накопление «шумовых» электронов. Уровень фотонного шума зависит от освещенности фотоприемника за период накопления «сигнального» заряда [3]. При малом уровне освещенности фотоприемника и длительном времени накопления заряда уровень фотонного шума возрастает (рис. 2, б).

Рисунок 2. Графики зависимости отношения сигнал-шум от температуры (а) и освещенности фотоприемника (б)

В охлаждаемой камере остается еще шум чтения, который вызывает предварительный усилитель на кристалле в процессе преобразования носителей заряда в сигнал напряжения. Шум чтения может быть устранен путем цифровой обработки изображения с применением фильтра высоких частот. Остаточный шум отдельных усилителей, в том числе шум чтения являются частотно зависимыми. Его устранение может быть достигнуто в частотной области при помощи процедуры высокочастотной фильтрации, которая подавляет низкочастотные составляющие и не затрагивает высокочастотную часть спектра изображения.

Оценка параметров периодического шума осуществляется путем анализа фурье-спектра изображения. Параметры функции плотности распределения вероятностей шума могут быть частично известны исходя из технических характеристик сенсоров, однако важно оценить параметры конкретной системы, используемой для формирования изображений. Построив гистограмму компонентов цвета фонового изображения визирной цели (рис. 3) можно выявить виды шумов, присутствующих на нем, и подобрать соответствующие фильтры для их устранения.

Рисунок 3. Гистограммы компонентов цвета шума на тестовом изображении до (а) и после (б) фильтрации

Характерная асимметричная (перекошенная вправо) форма гистограммы (рис. 3, а) свойственна модели функции плотности распределение вероятностей шума Релея. Данная модель распределения применяется при моделировании шума, который возникает на снимках, снятых с большого расстояния. Функция плотности распределения вероятностей Релея задается выражением

,

где  – координаты экстремума функции .

Аддитивный периодический шум устранялся с помощью узкополосной фильтрации, для которой применялась передаточная функция гауссова узкополосного режекторного фильтра с центром в точке :

Фильтрованное изображение получали путем вычисления обратного преобразования Фурье:

Как видно из гистограммы (рис. 3, б) режекторный фильтр позволил снизить общий уровень шума на изображении. Результат воздействия фильтра оценивался с помощью отношения сигнал-шум. При среднем квадратическом отклонении яркости изображения 13,6 стандартное отклонение шума на изображении до фильтрации составило 0,365. После фильтрации это значение снизилось до 0,063. Соответственно значение сигнал-шум увеличилось на 67,3% (с 31,5 дБ до 46,7 дБ).

Снижение шума также способствовало повышению резкости контура визирной цели на изображении, что в свою очередь оказало непосредственное влияние на точность измерения её радиуса. На рисунке 4 показана зависимость относительной погрешности определения радиуса визирной цели на изображении от отношения сигнал-шум.

Рисунок 4. График зависимости погрешности измерения радиуса визирной цели от отношения сигнал-шум

В результате подавления аддитивного периодического шума относительная погрешность измерения радиуса визирной цели на изображении снизилась до 0,1 %. Погрешность определения угловых координат визирной цели уменьшилась до 0,44 %. Таким образом, применение изложенных способов подавления шума на изображении позволило уменьшить погрешности измерения параметров визирной цели.

Список литературы:

1. Чугреев И.Г., Усова Н.В., Владимирова М.Р. Основы геодезии: учебно-методическое пособие. – М.: МИИГАиК, 2017, 146 с.
2. Гонсалес Р., Вудс Р. Цифровая обработка изображений. Москва: Техносфера, 2005. - 1072 с.
3. Горбачёв А.А., Коротаев В.В., Ярышев С.Н. Твердотельные матричные фотопреобразователи и камеры на их основе. – СПб.: НИУ ИТМО, 2013, 98 с.