книги из ГПНТБ / Рубахин, В. Ф. Психологические основы обработки первичной информации

сфотографированы. Изображения, полученные на борту, пере­ даются с носителя на землю фототелевизионным путем.

Выдача информации

1

Пространство решений

Пространство информационных моделей и соответствующих им перцептивных образов

Пространство сигналов

1

Как видно, система получения первичной информации в об­ щем виде складывается из нескольких подсистем: приемного устройства сигналов, подсистемы усиления и преобразования сигналов в информационную модель, фотоприставки для фикса­ ции изображения с экрана электронно-лучевой трубки (ЭЛТ),

10

подсистемы обработки фотопленки, устройства преобразования изображения в электрические сигналы, телевизионного прием­ ного устройства. В случае непосредственной обработки инфор­ мации на борту носителя или сбрасывания контейнера с пленкой для наземной обработки информации рассмотренная система упрощается.

Обработка первичной информации связана со съемом инфор­ мации с аэроснимка, экрана ЭЛТ или его фотоизображения, с телевизионного и фототелевизионного изображения; с обработ­ кой полученной информации, в конечном итоге, с ее декодирова­ нием и оценкой; с выдачей информации, связанной с ее формаль­ ным перекодированием, характер которого определяется стоящей задачей.* Здесь условно осуществляется переход от пространства перцептивных образов к пространству решений.

§ 1.2. Характеристика различных видов первичных информационных моделей

1.2.1. Особенности аэрофотографических информационных моделей

В настоящее время основным видом ’аэрометодов является аэрофотосъемка, а наиболее распространенными информацион­

рические щелевые и панорамные снимки. Щелевые аэроснимки представляют собой сплошное фотоизображение местности в виде фотограммы, полученное при фотографировании через узкую щель в кассете (щелевого аэрофотоаппарата АЩАФА) на дви­ жущуюся аэропленку, скорость перемещения которой синхронна со скоростью движения оптического изображения в фокальной плоскости. Панорамные аэроснимки представляют собой фото­ изображение на неподвижную аэропленку, образующую часть некоторой цилиндрической поверхности. При достаточном пере­ крытии кадровые и щелевые аэроснимки могут рассматриваться стереоскопически. Различают черно-белые аэроснимки, получен­ ные с аэропленки, сенсибилизированной ко всей видимой части спектра или ее отдельным участкам; цветные (трехслойные), дающие изображение с натуральной передачей цветов, и спектро­

* По данным XI Международного фотограмметрического конгресса (1968), способы фиксации отдешифрированной информации распределяются следующим образом: количественные показатели — 19%, текстовые показа­ тели— 39%, графические показатели — 42% (Рейнхольд и Вольф).

11

жение в условных цветах. Все эти разновидности аэрофотографических информационных моделей обладают своими специфиче­ скими структурными и индикаторными свойствами.

На формирование аэрофотоизображения и на его качество влияет огромное количество факторов. Эти факторы можно объе­ динить в пять групп: 1) свойства объектов; 2) атмосферно-опти­ ческие условия; 3) аэросъемочные условия; 4) характеристика технических средств съемки, их передаточных функций; 5) усло­ вия фотолабораторной обработки. К первой группе относятся: спектральные и яркостные характеристики объектов, структура поверхности объектов, их форма, размеры, физическое состояние объектов, географическое положение и окружающий фон; ко второй: освещенность, оптическая толща атмосферы, ее прозрач­ ность, воздушная дымка, облачность, влажность, температура, радиация; к третьей: высота, скорость, угловые колебания и ви­ брация носителя, угол наклона оптической оси аэрофотоаппарата (АФА), азимут съемки и др.; к четвертой: характеристики свето­ фильтра, аэрофотообъектива, затвора, устройств компенсации линейного сдвига изображения, выравнивания аэропленки и дру­ гих подсистем АФА, а также применяемых фотоматериалов; к пятой: состав проявителя, режим обработки. Ко всему этому надо добавить время суток и года, а также условия работы бор­ товой аппаратуры (температура, давление и т. и.).

Все эти факторы влияют на контрастность, степень разреше­ ния и масштаб аэрофотоизображения. Совокупность последних характеристик, определяющих качество изображения, можно рас­ сматривать как его «литер». Очевидно, что состав литера, в за­ висимости от решаемой задачи, может быть расширен за счет включения в него других параметров, связанных с физическими условиями формирования информационной модели.

Многие из перечисленных факторов, определяющих конечное изображение, являются случайными. К их числу, в частности, можно отнести изменения характеристик фотографической си­ стемы из-за вибраций, поступательного движения и угловых ко­ лебаний носителя, атмосферно-оптических условий, а также из­ менения условий обработки аэрофильма. Следовательно, само изображение будет иметь случайный характер, а процесс извле­ чения информации из него содержать статистические аспекты. Аэроснимок можно рассматривать как случайное поле оптиче­ ских плотностей. Однако в пределах отдельных контуров аэро­ фотоизображения сохраняется стационарность распределения яркостей по множеству реализаций. Такие участки представляют собой стационарные эргодические поля. Для описания аэрофото­ изображения могут быть использованы микрофотометрическая развертка изображения, при которой регистрограмма рассмат­ ривается как случайная функция координат аэронегатива, и ап­ парат математической статистики и теории случайных функций.

12

В работах [303, 16 и др. ] в качестве математических моделей используются законы распределения оптических плотностей и геометрических элементов, корреляционная функция и спек­ тральная плотность.

Каковы же основные особенности аэрофотографических инфор­ мационных моделей? Прежде всего к ним можно отнести:

б) геометрическую определенность положения точек на пла­ новом аэроснимке;

в) высокую информационную емкость по сравнению с другими моделями, как формальную, определяемую большим числом воспроизводимых элементов (1~1010 дв. единиц на кадр 30x30 см при числе градаций яркости т = 16 и разрешающей способности /? = 50 линий на 1 мм), так и смысловую, определяемую разнооб­ разными характеристиками объектов и обилием информации, заключенной во взаимосвязях между объектами;

г) малую степень обобщения,* связанную с передачей боль­ шого количества объектов и их деталей, в том числе сторонних, а также с отсутствием четко выделенных границ контуров, нали­ чием зон постепенного перехода;

д) известное кодирование информации за счет проективных, ** масштабных и фотометрических преобразований характеристик объектов и маскировки последних.

Первые три из перечисленных особенностей можно рассмат­ ривать как положительные свойства аэрофотоизображений. По­ следние особенности определяют сложность восприятия и дешиф­ рирования аэроснимков. По мере разрушения структуры изобра­ жения, уменьшения контрастности, увеличения степени размы­ тости трудности восприятия возрастают.

Рассмотренные особенности аэрофотоизображений определяют их изобразительные и измерительные свойства. Изобразительные свойства аэроснимков связаны с «деталированностью», степенью наглядности и кодированности изображения. В настоящее время стёпень воспроизведения деталей местности на аэроснимке оце­ нивается через разрешающую способность. Разрешающая спо­ собность системы объектив-фотослой (количество линий на 1 мм) определяется путем тестовых испытаний. Разрешающая способ-

* Для изучения больших пространств, выявления микроструктуры зна­ чительных территорий выгоднее использовать мелкомасштабные и сверх­ мелкомасштабные аэроснимки.

** Подобие передачи на аэроснимке нарушается в силу свойств централь­ ной проекции, особенно для объектов, имеющих значительные высотные раз­ меры и расположенных на краю аэроснимка, а также за счет отклонения оси АФА от отвесной линии и вследствие влияния рельефа и теней за счет дей­ ствия различных внешних факторов.

13

ность системы при отсутствии шумов, с учетом контраста объек­ тов съемки, определяется по формуле Фризера-Истомина:

изображения объекта.

Разрешающая способность в полете может быть определена экспериментально по изображению тест—объекта (миры) или вычислена, если известны коллиматорная разрешающая спо­ собность и данные, характеризующие помехи. Наибольшее вли­ яние на разрешающую способность реальных аэроснимков ока­ зывают воздушная дымка и сдвиг изображения. Остальные по­ мехи значительно меньше влияют на результирующую разре­ шающую способность.

Разрешающая способность с учетом воздушной дымки опре­ деляется из выражения:

где х = яркость дымки; г — коэффициент яркости объекта. Разрешающая способность с учетом сдвига изображения опре­

деляется по эмпирической формуле:

где 8 — сдвиг изображения относительно светочувствительного слоя, г] — оптический кпд затвора АФА.

Зная разрешающую способность системы в полете, а также высоту съемки (Н) и f k АФА, можно определить линейное разре­ шение на местности, приведенное к горизонтальной плоскости;

R u = 2fkR3 cos а •

Величина i?M в силу случайного влияния различных помех из­ меняется в пределах кадра по нормальному закону.

Для строгого расчета разрешающей способности реального аэроснимка необходим учет всех рассмотренных выше факторов, влияющих на построение изображения через законы их распре­ деления. Измерения должны вестись в нескольких точках кадра. Эта сложная задача может быть решена методами статистиче­ ского моделирования на ЭЦВМ.

Рассмотренный критерий имеет ряд недостатков: неполно от­ ражает реальные условия оъемки, субъективен, невысок по точ­ ности (^ 1 5 —30%) и т. д. Для его реализации необходимы

14

тестовые испытания. Правда, в последнее время предложены до­ статочно надежные способы определения разрешающей способ­ ности аэронегативов, полученных при фотографировании мест­ ности, не оборудованной специальными мирами, через функцию рассеивания [185].

Более эффективным критерием для оценки передаточных функций системы, строящей изображения, являются простран­ ственные контрастно-частотные характеристики (ПКЧХ). Однако эти характеристики, особенно для объектов съемки и атмосферы, изучены недостаточно. Поэтому в настоящее время для практи­ ческих целей используются значения R с учетом влияния кон­ трастов объектов и помех, вносимых условиями фотографирования.

Рассмотренные критерии являются функциональными крите­ риями, обеспечивающими частично оценку качества изображе­ ния. Помимо этого, для оценки качества любого изображения могут быть использованы информационные критерии, определяю­ щие количество воспроизведенной информации, и так называе­ мые «кибернетические» интегральные критерии, являющиеся ме­ рой информации управления, воздействующей на зрительный анализатор, и его «отклика» на воспринятое изображение [13]. Несомненно, главным «оценщиком» качества изображения яв­ ляется наблюдатель.

Наглядность изображения определяется структурной целост­ ностью изображения, полнотой воспроизведения характеристик объектов, например цветовых. Более наглядны перспективные аэроснимки, представляющие собой вид сбоку при нахождении центра проекции высоко под земной поверхностью. Если опо­ знание объектов на перспективных аэроснимках требует лишь усиления восприятия проекционных отношений между элемен­ тами местности [63], то опознание объектов на плановом аэро­ снимке требует общей перестройки восприятия. Правда, как будет показано дальше, эффективность опознания объектов, не­ значительных по своим линейным и высотным размерам, при наличии достаточных дешифровочных навыков у операторов выше на плановых аэроснимках. На рис. 1.1 видно уменьшение на­ глядности и повышение степени обобщенности при переходе от наземных фотографий местности к перспективным и плановым аэроснимкам, а затем к топографической карте.

Вероятность опознания объектов при дешифрировании, ви­ димо, является сложной функцией, с одной стороны, ряда пара­ метров, определяющих построение изображения, а с другой — характеристик оператора-дешифровщика.

Измерительные свойства аэрофотоизображения связаны с точ­ ностью определения координат точек и производства различных измерений — линейных, площадных, высотных и угловых. Из­ мерительные свойства определяются влиянием угла наклона аэроснимка, рельефа, фотографического качества и т. п. [256 и др.].

15

Для плановых аэроснимков значения 8*а в пределах рабочей площади невелики (доли миллиметра). К краям аэроснимка эти значения возрастают. Измерения следует производить в пределах рабочей площади. В силу тех же причин на аэроснимке искажа­ ются отдельные направления и углы между ними. Ошибки сте­ реоизмерений зависят во многом от используемых способов: и будут рассмотрены отдельно. Значительные трудности с выпол­ нением измерительных операций возникают при работе с косми­ ческими аэроснимками за счет влияния кривизны земли и реф­ ракции.

Совокупность • изобразительных и измерительных свойств аэроснимков определяет их информационные свойства, инфор­ мационный потенциал. На практике информационные свойства обычно включают в понятие «дешифрируемости» аэроснимка. Под дешифрируемостью аэроснимка понимается общая сумма информации, заключенная в модели, которую можно извлечь путем дешифрирования в определенных целях. Аналогично этому определению понятие «дешифрируемости объектов». Количест­ венной мерой дешифрируемость может служить абсолютное коли­ чество заключенной в модели смысловой информации, а болеенаглядно — отношение этой информации к информации, пере­ даваемой моделью при оптимальных условиях съемки.* С помощью этих показателей возможно сравнение моделей, полученных в раз­ личных литерных условиях.

В целом рассмотренные свойства аэрофотографических ин­ формационных моделей определяют преимущества аэрофото­ съемки среди других аэрометодов, ее объективность и достовер­ ность. Разрешающая способность на местности при аэрофото­ съемке с больших высот характеризуется несколькими метрами. К сказанному надо добавить высокое быстродействие получения аэроснимков.

Но у аэрофотосъемки есть и недостатки. К ним относятся трудности и длительность обработки информации, зависимость от метеоусловий и времени суток. Мелкомасштабные и сверх­ мелкомасштабные снимки сильно «зашумлены». Отсюда возникает настоятельная необходимость по оптимизации обработки за­ шумленной аэрофотографической информации и комплексированию аэрофотосъемки с другими аэрометодами.

Перспективно применение фотосъемки из космоса.

* При специальном индикационном дешифрировании иногда в понятие дешифрируемости включают отношение количества информации, извлекае­ мой из модели, к количеству информации, необходимой для решения

поставленной задачи

18

1.2.2. Особенности телевизионных изображений

Телевизионная съемка также использует видимую часть спек­ тра. Для изучения земной поверхности применяется фототелеви­ зионная съемка, обеспечивающая считывание аэрофотографических и других изображений и передачу их с носителя на землю. На формирование телевизионного изображения влияет большое количество факторов, связанных с характеристиками воспроиз­ водимых объектов, атмосферно-оптическими и метеорологиче­ скими условиями передачи изображения, а также с техниче­ скими факторами его построения (наклон антенны, мощность излучения и т. п.). Перечисленные и другие факторы влияют на качество телевизионного изображения. Информационные свойства телевизионных изображений ниже аэрофотографических. Для телевизионных изображений свойственны: а) более низкий уровень разрешения (порядка 500—1000 строк, в не­ сколько раз ниже по сравнению с аэроснимками); б) более огра­ ниченный набор передаваемых градаций яркости (на порядок меньше) и пониженная контрастность; в) наличие значительных геометрических искажений — растровых, имеющих систематиче­ ский характер, и дифференциальных, носящих случайный ха­ рактер; г) меньшая информационная емкость (на порядок меньше по сравнению с аэрофотографическим изображением); д) непре­ рывность и динамичность изображения на экране, определяющие трудность ориентирования и привязки объектов (в среднем про­

ик фотографиям телевизионных изображений.

Внастоящее время телевизионные изображения еще далеко

не совершенны. По зарубежным данным, при высотной аэро­ съемке телевизионные системы обеспечивают разрешение по земле порядка нескольких десятков метров, а из космоса — значи­ тельно ниже. Более эффективно применение фототелевизионной съемки для передачи космических снимков из космоса. Для изу­ чения природных условий перспективно применение цветного телевидения.

1.2.3. Особенности информационных моделей, полученных фотоэлектронными методами съемки

К основным видам электронной аэросъемки относятся тепло­ вая и радиолокационная. Особое место среди них занимает аэро-

дальнюю инфракрасную часть спектра (2—14 ммк). «Тепловое» изображение возникает под действием собственного излучения природных и искусственных объектов, и следовательно, отражает иные физические свойства воспроизводимых объектов, их тепло-