Алгоритм обработки снимков для космического детектора молний

Создание отечественного детектора молний космического базирования является сложной научно-технической задачей. Ключевой проблемой регистрации молний из космоса является необходимость обнаружения тусклых кратковременных вспышек на фоне ярких облаков, хорошо отражающих солнечный свет. Вспышка молнии создаёт на верхней границе облаков световое пятно диаметром 15-50 км. Молния состоит из нескольких вспышек, длительность каждой их которых составляет не более 1 мс. Соответственно, кадровая частота детектора молний должна составляет 500…1000 Гц. Это порождает задачу реализации высокоскоростных алгоритмов обработки снятых изображений в режиме реального времени.
Детектор молний состоит из двух блоков: камеры ОЭБ-ДМ (оптико-электронный блок детектора молний) и блока БЗУ-ДМ (бортовое запоминающее устройство детектора молний). ОЭБ-ДМ находится на внешней поверхности модуля МКС, а БЗУ-ДМ – в её герметичном объёме. Снимки, сделанные блоком ОЭБ-ДМ, поступают по кабелю в устройство БЗУ-ДМ, где происходит их обработка с целью выявления молний.
В докладе приведено описание алгоритма обработки снимков, разработанного для детектора молний. Также подробно рассмотрены результаты моделирования работы алгоритма и проведена оценка требуемой производительности бортового вычислителя.
Обработка каждого изображения осуществляется попиксельно. Для пикселя с координатами (i,j) и изображения с порядковым номером N алгоритм имеет следующие основные стадии:

1) Расчёт теоретического значения фонового сигнала. Так как для каждого момента времени известно положение подспутниковой точки, то, соответственно, известно и возвышение Солнца для неё. Тогда, зная чувствительность камеры, можно рассчитать величину сигнала Backgr, который должен быть, в случае, если в данном пикселе находится облако.
2) Нахождение фонового сигнала. Определение фонового сигнала Fon(i,j,N) для данного пикселя по предшествующим изображениям путём усреднения сигналов пикселей (i,j).
3) Сравнение сигнала в пикселе с расчётным фоновым сигналом. Если Fon(i,j,N) на порядок меньше, чем Backgr, то в данном пикселе точно нет облака. С учётом того, что молнии порождаются в облаках, отсутствие облака в пикселе позволяет говорить и о гарантированном отсутствии вспышки.
4) Сравнение с фоном. Проверка сигнала U(i,j,N) в данном пикселе на превышение пороговой разницы сигналов с фоном porog.
5) Пространственная проверка. Если пиксель удовлетворяет условию в п. 4, то он переходит в ранг «кандидата на молнию». Далее выполняем пространственную проверку: пятно от молнии должно занимать несколько соседних пикселей.
6) Временнáя проверка. Если на снимке выявлены хотя бы два соседних «кандидата на молнию», (то есть пиксели, где выполняется условие на превышение порога), то необходимо провести проверку на длительность события. Так как вспышка молнии длится не более 1 мс, то при кадровой частоте 1000 Гц она займёт не более двух последовательных по времени кадров. В противном случае светлое пятно на изображении создано не вспышкой, а искусственным источником света (светящимся городом, пожаром и т.д.), или же солнечным бликом, отражённым от поверхности воды.
7) Сохранение в память. Если пиксель (i,j) успешно прошёл все проверки, то он относится именно к изображению пятна от вспышки молнии. Сохраняем его данные (координаты и сигнал) в оперативную память.
8) Сегментация изображения. Объединение в один массив данных по всем пикселям, принадлежащим изображению одного отблеска от вспышки.
9) Запись в долговременную память. После выполнения сегментации изображения для каждой найденной вспышки формируется массив целевых данных, структура которого описана выше. Массив сохраняется в долговременной памяти блока БЗУ-ДМ и в дальнейшем передаётся на Землю по радиолинии.

Оценка эффективности работы алгоритма выполнялась путём компьютерного моделирования. Выполнялся синтез снимков с наложенными на них пятнами от вспышек с заранее известными характеристиками (момент вспышки, координаты на снимке, размер вспышки, яркость). Далее изображения зашумлялись в соответствии с моделируемыми условиями съёмки и размывались для учёта искажении, возникающих в оптической системе высокоскоростной камеры ОЭБ-ДМ. Полученная серия снимков подавалась на вход программы, реализующей алгоритм поиска вспышек молний. Таким образом, были построены зависимости вероятности обнаружения молнии от двух переменных: яркости молнии и возвышения Солнца. Результаты экспериментов позволяют говорить о вероятности распознавания вспышки молнии с яркостью 5 мкДж/(м2*ср) с вероятностью 60%, а вспышки с яркостью 10 мкДж/(м2*ср) - с вероятностью более 90% даже при наихудших условиях съёмки.
Для оценки времени, затрачиваемого на обработку снимков, был проведен компьютерный эксперимент с анализом серии из 1000 синтезированных снимков со вспышками. Ожидаемая оценка результирующего времени работы составляет Треал = 60,3 мс. Так как 1000 изображений снимаются за 1 с, то скорость обработки снимка на порядок превышает скорость съёмки снимка.
Проведённые эксперименты доказали правильность выбора процессорного модуля и практическую применимость предлагаемого алгоритма обработки снимков в космическом эксперименте.