Разработка цифровых методов трансформирования и воспроизведения сверхбольших массивов видеоданных тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 25.00.35, кандидат технических наук Дао Кхань Хоай

• Дао Кхань Хоай
• кандидат технических наук
• 2005

Оглавление диссертации кандидат технических наук Дао Кхань Хоай

Введение.

Глава 1. Обзор методов цифрового трансформирования снимков.

1.1. Исходные понятия и теоретические положения.

1.2. Методы цифрового трансформирования снимков.

1.3. Традиционные методы передачи оптической плотности при трансформировании изображений.

Глава 2. Разработка методов двухмерной фильтрации для передачи оптической плотности при трансформировании видеоизображений.

2.1. Разработка метода сравнительной оценки алгоритма трансформирования изображений.

2.2. Разработка метода свёртки при трансформировании аэрокосмических изображений.

2.3. Разработка алгоритма половинного деления для цифрового трансформирования изображений.

Глава 3. Разработка и исследования аппаратно-программных средств для отображения сверхбольших массив видеоданных.

3.1. Анализ и выбор аппаратных средств для отображения цифровых изображений высокого пространственного разрешения.

3.2. Анализ традиционных методов организации хранения сверхбольших объемов данных.

3.3. Построение архитектуры систем отображения сверхбольших массивов видеоданных на экране большого формата.

3.4. Компьютерное моделирование системы отображения видеоданных на основе мультимедийных проекторов.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка цифровых методов трансформирования и воспроизведения сверхбольших массивов видеоданных»

Актуальность темы.

Фактически любой процесс тематической обработки аэрокосмических снимков включает этап (или этапы) получения трансформированного изображения (ТИ), который представляет собой преобразование проекции исходного изображения в проекцию выходного документа, необходимую потребителю. Этап трансформирования обычно выполняется перед процессами стереоизмерений и дешифрирования снимков, а также при составлении фотопланов. Во всех перечисленных процессах важно обеспечить высокую геометрическую точность трансформирования изображения при сохранении на ТИ изобразительного качества исходного изображения.

Особую значимость вопросы цифрового трансформирования изображений получили в современной фотограмметрии. В последнее время цифровые фотограмметрические системы (ЦФС) с успехом заменяют традиционные системы, основанные на использовании аналоговых изображений.

Теоретические основы трансформирования снимков детально разработаны в трудах отечественных и зарубежных специалистов. Среди них следует назвать Н.М Алексапольского, Ф.В.Дробышева, А.Н.Лобанова, Г.П.Жукова, И.Г.Журкина, Е.И.Калантарова, А.В.Чекалина и другие, а также Blachut Т, FinsterWalder R, Konesny G, Krauss К и другие [26,28,33,42,45,71]. Вместе с тем, реализация современной технологии цифрового трансформирования на персональных компьютерах требует дополнительных исследований.

Среди основных производителей ЦФС в настоящее время являются "Не lava" (США), "Intergraph" (США), ОгШоп'ХФранция), "Phodis"(TepMaH№i), "Leica GeoSystem"(IIlBeñ4apra), "OrthoPhoto-SDS", "Талка", "PhotoMod" (Россия) и другие [55,70 и др.].

Во всех фотограмметрических станциях вышеперечисленных фирм в основном реализуется метод обратного трансформирования изображения. Этот метод обеспечивает простоту в реализации и строгость в сохранении геометрических свойств снимков, но он не всегда гарантирует хорошее визуальное дешифровочное качества ТИ. Так как при передаче оптической плотности элементу ТИ из исходного изображения, в которой используются упрощенные методы передачи, например «метод ближайшего соседа» или «метод билинейной интерполяции», то во многих случаях это приводит к существенному ухудшающего фотометрического качества исходного изображения. Таким образом, необходимо разработать новые алгоритмы трансформирования изображения с возможностью более эффективной передачи оптической составляющей исходного изображения в трансформированное, что позволило бы повысить изобразительное качество конечного продукта.

Кроме того, важной задачей при проектировании и эксплуатации ЦФС и ГИС является процесс визуализации цифровых изображений. Все производители этих систем стремятся к совершенству и расширению возможности отображения цифровых моделей местности. В настоящее время имеется широкий выбор программ: GIS(ro комплекта Erdas Imagine), MultiGEN, Arcview 3D-Alalyst и т.д.

Несмотря на достоинства вышесказанных ГИС программ, в них реализуются алгоритмы отображения данных с учетом только локального экрана с невысоким физическим разрешением. Следовательно, объем выводимых данных на экран всегда ограничен и тем самым ограничивается скорость работы оператора.

Важно также обратить внимание и на такой важный этап эксплуатации ГИС как редактирование цифрованных данных. От его качества в значительной мере зависят последующие этапы проектирования и эффективности функционирования ГИС проекта в целом. Взаимодействие оператора с ГИС осуществляется в диалоговом режиме, суть которого заключается в формировании запросов серверу ГИС и получении откликов в виде картографических изображений. Просматривая фрагменты карты, оператор редактирует оцифрованные данные для выявления ошибок цифрования. Следовательно, чем больше число оцифрованных объектов оператор может одновременно увидеть на экране монитора, тем быстрее и точнее он осуществит процесс редактирования. Таким образом, экран большого формата и высоким разрешением позволил бы точнее и быстрее выполнять этап Ш редактирования в ГИС.

Традиционные аппаратные средства, которые непосредственно служат для отображения данных, являются мониторами ЭВМ, от характеристик которых существенно зависит работа пользователей с графическими приложениями.

При обработке и визуализации больших объемов видеоданных, к экранам отображения видеоданных требуется предъявлять существенно более высокие требования, чем к традиционным мониторам ЭВМ, которые в основном и используются в существующих системах обработки изображений: ЦФС и ГИС. Таким образом, становится весьма актуальной проблема разработки более эффективных систем отображения цифровых изображений, которые имели бы возможность визуализации видео данных с более высоким разрешением и ^ большим увеличением.

Цели диссертации

Целью диссертационной работы является разработка алгоритмов цифрового трансформирования изображения с повышенным качеством дешифровочных свойств и разработка технологии отображения изображений на БЭВР. Реализации поставленной цели потребовала решения следующих задач:

• Проанализировать существующие методы цифрового трансформирования изображений;

• Разработать новые алгоритмы цифрового трансформирования изображений с повышенным качеством дешифровочных свойств;

• Разработать методику сравнительной оценки качества различных способов цифрового трансформирования изображений;

• Проанализировать традиционные методы организации хранения сверхбольших объемов данных;

• Разработать подходы к созданию технологии отображения изображений на экране большого формата.

Методы исследования

Диссертационное исследование строится на системном подходе и опирается на теоретические и практические разработки в области геоинформатики, обработки изображения, цифровой фотограмметрии и картографии.

На защиту выносятся

• Разработка методов двухмерной фильтрации для передачи оптической плотности при трансформировании видеоизображений: а) метод свертки при цифровом трансформировании аэрокосмических снимков. б) метод «деление пополам» при цифровом трансформировании аэрокосмических снимков.

• Разработка методики сравнительной оценки качества различных способов цифрового трансформирования изображений и программные модули, реализующие данные методы.

• Разработка требований к параметрам системы отображения видеоданных на экране большого формата.

• Архитектура системы воспроизведения видеоданных на экране большого формата.

• Программное обеспечение для моделирования процесса отображения цифровых видеоизображений на основе мультимедийных проекторов. Научная новизна

В диссертации - Разработаны и исследованы два новых алгоритма цифрового трансформирования изображения на основе двухмерной фильтрации: а) метод свертки при цифровом трансформировании аэрокосмических снимков; б) метод «деление пополам» при цифровом трансформировании аэрокосмических снимков.

Разработана архитектура системы визуализации цифровых изображений на основе мультимедийных проекторов.

Разработана методика сравнительной оценки качества различных способов цифрового трансформирования аэрофотоснимков.

Практическая значимость работы.

Разработанные в диссертации алгоритмы и программные модули цифрового трансформирования аэрокосмических снимков использовались при выполнении договорных работ с предприятиями «Роскартографии».

Методика оценки качества цифрового трансформирования передана для тестирования ЦФС в «Роскадастрнедвижимости».

Разработанное программное обеспечение для моделирования отображения цифровых видеоизображений на основе мультимедийных проекторов использовалось в учебном процессе и при презентации на международных выставках программных продуктов по ГИС.

Апробация результатов работы.

Диссертационные исследования докладывались и обсуждались: на ежегодных научно-практических конференциях студентов, аспирантов и молодых ученых МИИГАиК (2003, 2004 гг.); на международной научно-технической конференции «Геодезия, картография, кадастр на службе России», посвященной 225-летию МИИГАиК (Москва, 25-26 мая, 2004г.); на VII, VIII и IX международной научно-практической конференции <<Оео1№ЮСА1)2003-2005»; на международной научно-технической конференции «СеоРогш2005».

Публикации.

По теме диссертации опубликовано 3 статьи.

Заключение диссертации по теме «Геоинформатика», Дао Кхань Хоай

Заключение.

В процессе работы над диссертацией получены следующие основные результаты:

1. Разработаны методы двухмерной цифровой фильтрации при трансформировании видеоизображений.

2. Разработана методика сравнительной оценки качества алгоритмов цифрового трансформирования изображений, позволяющая осуществить выбор наиболее эффективного алгоритма трансформирования.

3. Разработан подход к созданию системы отображения сверхбольших массивов видеоданных.

4. Разработаны требования к параметрам системы отображения видеоданных на основе мультимедийных проекторов, и предложена архитектура построения такой системы.

5. Разработано программное обеспечение для моделирования процесса отображения цифровых видеоизображений на основе мультимедийных проекторов.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Дао Кхань Хоай, 2005 год

1. Р. Гонсалес, Р. Вудс: Цифровая обработка изображений. Москва, Техносфера, 2005 г.

2. В.А. Сойфер: Методы компьютерной обработки изображений. Москва, ФИЗМАЛИТ, 2003 г.

3. B.C. Тикунов: Основы геоинформатики,2 книги, Москва, «Академия», 2004 г.

4. B.C. Тикунов: Геоинформатика. Москва, «Академия», 2005 г.

5. И.К. Лурье, А.Г. Косиков: Теория и практика цифровой обработки изображений. Москва, 2003 г.

6. К.Линди: Практическая обработка изображений на языке си. Издательство «МИР», 1996 г.

7. Журкин И.Г. Лобанов А.Н. Способ аналитического трансформирования аэроснимков: A.c. 349891// Б.И. 1972г.

8. Шайрура С.В: Геоинформационные системы и методы их создания. Калуга 1998 г.

9. Сергиенко А.Б: Цифровая обработка сигналов. Москва. 2005 г.

10. Быков Р.Е: Цифровое преобразование изображений. Москва. 2003г.

11. Дж. Бендат, А. Пирсол: Применения корреляционного и спектрального анализа. Москва 1983г.

12. Д. Худсон: Статистика для физиков. Москва, 1970г.

13. Г. Дженкинс, Д. Ватте: Спектральный анализ и его приложения. Москва, 1972г.

14. С.Хаимов: Статистическое исследование геодезических сетей. Москва, 2003г.

15. Е.В.Шишкин, А.В.Боресков: Компьютерная графика. Москва, 2001г.

16. Н.Н.Красильников: цифровая обработка изображений. Москва, 2001г.

17. С.Г.Валеев: Регрессивное моделирование при обработке данных. Казань, 2001г.

18. A.C.Дубовик: Прикладная оптика. Москва, 1982г.

19. Ю.Ф.Книжников, В.И Кравцова, О.В.Тутубалина: Аэрокосмические методы географических исследований. Москва, 2004 г.

20. А. В. Фролов, Г. В. Фролов. Защищенный режим процессоров Intel 80286/80386/80486. Москва «Диалог-МИФИ», 1993г.

21. В. JI. Григорьев. Микропроцессор 1486 книга 1. Москва «Гранал»-«Бином», 1993г.

22. Архитектура Windows для разработчиков. Microsoft Press, 1998г.

23. А. В. Фролов, Г. В. Фролов. Программирование под Windows NT часть первая. Москва «Диалог-МИФИ».

24. А. В. Фролов, Г. В. Фролов. Программирование под Windows NT часть вторая. Москва «Диалог-МИФИ».

25. Аковецкий В.Г. Исследование погрешностей цифровых методов стерео измерений изображений местности. «Геодезия и картография», 1993, №9, с. 32-37.

26. Александров В.Н. Цифровое картографирование и геоинформационные системы. «Геодезия и картография», 1994, №3, с. 49-51.

27. Алексапольский Н.М. Фотограмметрия. Ч. 1. М.: Геоиздат, 1956, 256 с.

28. Барабин Г.В., Вершинин В.И., Елюшкин В.Г., Яблонский Л.И. Компьютерная технология создания цифровых моделей местности с использованием аэрокосмических фотоснимков. «Геодезия и картография»,1993, №12, с. 49-53.

29. Белошапкин М.А OrthoPhoto-SDS: фотограмметрический модуль настольной ГИС. М., САПР и графика, № 11,1997, с. 37-41.

30. Белошапкин М.А., Гук А.П. Эффективный алгоритм ортотрансформирования цифровых аэрокосмических изображений. Вестник СГТА, Новосибирск, 1997, вып. 2, с. 28-37.

31. Бирюков В.С, Агапов СВ., Желтов С.Ю., Скрябин СВ. О перспективах создания и внедрения отечественных цифровых стереофотограмметрических комплексов. «Геодезия и картография»,1994, №9, с. 23-26.

32. Васмут A.C. Электронные карты и технология их создания. «Геодезия и картография», 1991, № 7, с. 40.

33. Гвоздева В.А. О проблемах обновления топографических карт. «Геодезия и картография», 1994, №2, с. 34-37.

34. Грисбах Рене. Разработка технологии сбора и фотограмметрической обработки комплексных данных дистанционного зондирования для информационного обеспечения инженерного мониторинга. Автореферат кандидатской диссертации. Новосибирск, СГГА, 2000г.

35. Гук А.П., Смердов Н.Е. Особенности использования цифровых систем обработки снимков для топографических задач. «Исследование гравитационного поля и природных ресурсов Земли космическими средствами»: Тез. Докл. Всес. Конф. Львов, 1994, с. 45.

36. Гук А.П., Журкин И.Г., Пяткин В.П., Смердов Н.Е. Калибровка устройства ввода-вывода при цифровой обработке изображений. «Исследование Земли из космоса», 1990, № 5, с. 90-96.

37. Гук А.П., Коркин В.С, Белошапкин М.А. и др. Цифровой фотограмметрический комплекс для создания и обновления карт.М.:Геодезия и картография., 1996, № 12, с. 52-61.

38. Даргель В.А., Козлов Ю.П. Обновление топографических карт по одиночным фотоснимкам с использованием цифровой информации о рельефе. «Геодезия и картография», 1992, №9-10, с. 3134.

39. Дервиз В. Д. Системы цифровой обработки аэрокосмических изображений. Основные пути их развития. Обзорная информация. М.: ЦНИИГАиК,1984,с.32.

40. Дмитриев В.Г., Сюняев Т.И. Аналитическое задание областей автоматического поиска соответственных точек наснимках. Изв. Вузов. Геодезия и аэрофотосъемка, 1990, № 2, с. 104114.

41. Дмитриев В.Г., О некоторых аналитических задачах цифровой стерефотограмметрии. Тезисы докладов на научной конференции, посвященной 215-летию МИИГАиК. М. МИИГАиК, 1994, с. 105-106.

42. Дражнюк A.A., Нехин С.С, Павлихин С. А. XVII конгресс Международного общества фотограмметрии и дистанционного зондирования. «Геодезия и картография», 1993, №2, с. 24-30.

43. Дубиновский В.Б. Калибровка снимков. М., Недра, 1982, 224 с.

44. Дубиновский В.Б., Основные направления совершенствования технологии обновления топографических карт. Изв. Вузов. Геодезия и аэрофотосъемка, 1990,№ 5 ,с. 59-64.

45. Жданов Н.Д., Жалковский Е.А. Цифровое картографирование в Российской Федерации. «Геодезия и картография», 1995, №3, с. 1-4.

46. Журкин И.Г., Смирнов В.И. Опыт автоматизации фотограмметрических процессов. ВИА им. Куйбышева, 1972.

47. Журкин И.Г. Вопросы электронного трансформирования снимков. Кандидатская диссертация. М., 1976.

48. Журкин И.Г., Лобанов А.Н. Способ аналитическоготрансформирования аэроснимков. Авторское свидетельство. № 1679407.18-10,1972.

49. Журкин И.Г., Зайцев A.A., Богомолов П.Л. Цифровое трансформирование снимков, полученных различными съемочными системами. Тезисы докладов на научной конференции, посвященной 215-летию МИИГАиК. М. МИИГАиК, 1994, с. 104.

50. Иванов В.И., Кружков В. А. Определение оптимального шага дискретизации математической модели рельефа местности. «Геодезия и картография», 1992, №5, с. 47-51.

51. Иноземцев Д.П. Цифровая фотограмметрия оперативный способ развития геодезического обоснования в городах. «Геодезия и картография», 2001, №8.

52. Инструкция по фотограмметрическим работам при создании топографических карт и планов. М., Недра, 1974г.

53. Кадничанский С.А., Хмелевской СИ. Обзор цифровых фотограмметрических систем. Тезисы докладов на первой научно-практической конференции Российского общества содействияразвитию фотограмметрии и дистанционного зондирования (РОФДЗ), М., 2000, с. 2-4.

54. Коппсарев A.B., Тикунов B.C. Геоинформатика. М., «Картгеоцентр» -«Геодезиздат», 1993., 213 с.

55. Кудлаев A.A. Разработка цифровой технологии создания ортофотопланов при оперативном обновлении карт по аэрофотоснимкам. Кандидатская диссертация. М, МИИГАиК, 1995.

56. Лисицкий Д.В. Основные принципы цифрового картографирования местности. М., «Недра», 1988,261 с.

57. Лобанов А.Н. Фотограмметрия. М., «Недра», 1984, 552 с.

58. Лобанов А.Н., Журкин И.Г. «Автоматизация фотограмметрических процессов», Москва, Недра, 1980.

59. Лобанов А.Н., Журкин И.Г. Аналитическое трансформированиеснимков для составления топографических карт и фотокарт в заданной проекции. Изв. Вузов. Геодезия и аэрофотосъемка, 1972, № 5, с. 79-88.

60. Макаров СБ., Чибуничев A.A. Цифровая фотограмметрическая рабочая станция для создания ортофотопланов. Известия Вузов «Геодезия и аэрофотосъемка», 1997, №5 стр. 48-53.

61. Малыхин А.Е. Трансформирование фотоснимков в проекцию Гаусса-Крюгера с учетом рельефа местности. В кн.: Математические и технические проблемы обработки изображений. Новосибирск, ВЦ СО АН, 1986, с. 63-73.

62. Малыхин А.Е. Геометрические преобразования и манипуляции цифровыми изображениями. В кн. Обработка изображений и дистанционные исследования. Тез. Докл. Всесоюзной конференции. 4.1, Новосибирск, 1984, с. 15-17.

63. Малыхин А.Е. Линейные и нелинейные геометрические преобразования цифровых изображений. В кн. Методы статистической обработки изображений и полей. Новосибирск, 1985, с. 72-76.

64. Малявский Б.К. Автоматизированная система кадастровой обработки снимков. «Геодезия и картография», 1992, № 2, с. 43-46.

65. Михайлов А.П., Чибуничев А.Г. Фотограмметрические рабочие станции для построения цифровых моделей местности по аэрокосмическим и наземным снимкам. Тезисы докладов на научной конференции, посвященной215-летию МИИГАиК. М. МИИГАиК, 1994, с. 6-8.

66. Нехин С.С. От аналитических фотограмметрических приборов к цифровым. «Геодезия и картография», 1993, № 4, с. 29-37.

67. Нехин С.С. Вопросы математической обработки информации на XVII конгрессе МОФДЗ. «Геодезия и картография», 1993, № 5, с. 2329.

68. Нехин С.С. Вопросы картографического применения фотограмметрии и дистанционного зондирования на XVII конгрессе МОФДЗ. «Геодезия и картография», 1993, № 6, с. 26-31.

69. Овсянников Р.П. Оценка точности трансформирования аэроснимков. Изв.Вузов. Геодезия и аэрофотосъемка, 1987, № 6, с. 84-89.75.0сипук Е.С. Некоторые аспекты топографо-геодезического обеспечения кадастра. «Геодезия и картография», 1994, № 1, с. 45-50.

70. Прудников В.В. Оценка условий трансформирования снимков на наклонную плоскость. Изв. Вузов. Геодезия и аэрофотосъемка, 1994, № 1, с. 84-89.

71. Прэтт У. Цифровая обработка изображений. М., «Мир», 1982. Кн. 2, 480 с.

72. Родионов Б.Н. Об оперативном создании фотопланов сельскихнаселенных пунктов. «Геодезия и картография», 1995, № 2, с. 42-46.

73. Руководство по фототрансформированию аэроснимков и изготовлению фотопланов. М., ГУГК, 1977.

74. Руководство по обновлению топографических карт. М., «Недра», 1978.

75. Система Photomod. Руководство пользователя. Ракурс. М., 2002.

76. Тюкавкин Д.В. О цифровой фотограмметрической системе «Талка». Тезисы докладов на первой научно-практической конференции Российского общества содействия развитию фотограмметрии и дистанционного зондирования (РОФДЗ), М., 2000, с. 14-15.

77. Тюфлин Ю.С. Развитие отечественной фотограмметрии. «Геодезия и картография», 1994, № 3, с. 33-40.

78. Тюфлин Ю.С. Цифровая фотограмметрия. «Геодезия и картография», 1992, №9-10, с.28-31.

79. Уолкер A.C., Миллер СВ., Тиде Дж.Е. Автоматизированные цифровые фотограмметрические рабочие станции. «Геодезия и картография», 1993, №8, с. 27-32.

80. Чекалин В.Ф. Ортотрансформирование фотоснимков. М., «Недра», 1986,168 с. Чибуничев A.A. Создание цифровых ортофотопланов. Известия Вузов «Геодезия и аэрофотосъемка», 1998, №3.

81. Чибуничев A.A. Построение цифровых ортофотоизображений с учетом высот искусственных сооружений. Известия Вузов «Геодезия и аэрофотосъемка», 2002, №5.

82. Чибуничев A.A. Построение стереопар из трансформированных цифровых изображений. Известия Вузов «Геодезия и аэрофотосъемка», 2002,№6,с.65-69.

83. Чугреев И.Г., Владимирова М.Р. Цифровая фотограмметрическая система «Апертура». Тезисы докладов на первой научно-практической конференции Российского общества содействия развитию фотограмметрии и дистанционного зондирования (РОФДЗ), М., 2000, с. 21-23.

84. Шавров С.А., Цветков А.В., Сидоренко Н.А. Быстрое трансформирование цифровых картографических изображений. «Геодезия и картография», 1985, №1, с. 34-35.

85. Дэвид Форсайт. Жан Понс: Компьютерное зрение. Москва, Санкт-Петербург, Киев. 2004 год.

86. Серапинас Б.Б. Основы теории картографических проекции. М: МГУ, 1988. 142с.

87. Лурье И.К. Основы геоинформатики и создание ГИС. Учебное пособие «Дистанционное зондирование и географические информационные системы», 4.1. М.: ООО «ИНЭКС 92», 2002. 140с.

88. Paul R.Wolf: Elements of photogrammetry with Applications in GIS. 2000 year.

89. Michel Kasser,Yves Egles: Digital Photogrammetry. New York. 2002 year.

90. Jonathan Williams: GIS Processing of Geocoded Satellite Data. UK 2001 year.

91. Tian-Yuan Shih, Fraser D.,Derehyi E. Orthoimage generation in a GIS environment.Proc. 17 ISPRS Congress, Comission 4. Washington, 1996.

92. Krauss K. Photogrammetry. Vol. 2. Advanced Methods and Applications. Bonn, 1997.

93. Amhar F., Ecker R. IAPR, Commission IV, 84-89, Vienna, 1996.100. http://merlin.com.ru/Articles DLP.htm.101. www.portcom.ru102. http://zoom.cnews.ru/ru/publication/