Адаптивная строчная радиометрическая коррекция для компенсации аппаратурного строчного шума данных гиперспектральной съемки

Современная аппаратура получения данных гиперспектральной съемки (ГСС) строится на основе схемы “push broom”, что соответствует сканированию пространства предметов путевой скоростью с захватом области «гребенкой» приемников. На результирующем снимке образ пространства предметов формируется с искажениями в виде «строчного» шума, направление которого совпадает с направлением путевой скорости носителя. В качестве «гребенки» фотоприемников в реальной аппаратуре выступает совокупность линеек, каждая из которых формирует видовые данные на отдельной, достаточно узкой по длине волны, спектральной линии. Радиометрическая чувствительность элементов таких линеек различается как между собой, так и от одной к другой линии, а разброс этой чувствительности носит случайный характер. В результате спектральные характеристики двумерных образов существенно искажаются, что неизбежно сказывается на качестве спектральной идентификации объектов и фонов.
В связи с особой спецификой данных ГСС, состоящей в существенной информативности малой (вплоть до единичного пикселя) пространственной совокупности спектральных векторов, любые, даже относительно незначительные возмущения взаимной чувствительности строк опосредованно приводят к значительному «спектральному шуму», снижающему конечное качество спектрального распознавания. Отсюда следует важность программной радиометрической компенсации «строчных» возмущений.
Описанный в литературе и традиционно используемый метод реализуется путем приведения двух первых моментов строчных яркостей двумерного образа к их значениям, соответствующим снимку в целом. Яркостная коррекция по такому методу позволяет получать высокое качество только в том случае, когда уровень присутствующего регулярного шума достаточно высок и соизмерим с общим уровнем яркостной модуляции по сюжету. Если же полученное изображение имеет общее высокое отношение сигнала к шуму и уровень модуляции «полосовым» шумом составляет величины в пределах 10-20% от градационной шкалы регистрируемых сигналов, что характерно для данных ГСС, применение такого типа коррекции приводит к снижению пространственного и спектрального разрешения. Вместе с тем, по сути дела, оно должно возрастать.
Применительно к данным ГСС предлагается специально разработанный метод компенсации строчных шумов, подстраиваемый к вариабельности сюжета и не затрагивающий основную измерительную информацию спектральных данных. Суть метода состоит в «сглаживании» собственно локальных параметров шумов, не внося изменений в образ сцены в целом. Строится адаптивный к колебаниям первых случайных моментов строчного шума фильтр, выделяющий случайную (высокочастотную) составляющую снимка и регулярный тренд, обусловленный сюжетом регистрируемой сцены. Выделенный высокочастотный «срез» в дальнейшем участвует в расчете компенсации строчного шума только в пределах толщины его пространственного спектра. В результате реализующий алгоритм обработки, адаптирующийся к сюжетным колебаниям регистрируемой сцены, перед проведением собственно строчной коррекции, проходит два этапа подстройки. Первый - на стадии выделения высокочастотного среза, второй – на этапе расчета корректирующих параметров. Для выделения высокочастотного среза исходного изображения используется специально разработанный для этой цели скользящий фильтр с фиксированной выборкой.
Весьма важным моментом является оценка качества результата коррекции. Перебор ряда методов показал, что наиболее чувствительной к качеству коррекции строчного шума является специально разработанный алгоритм представления спектрального «куба» в метрике расстояния Хэмминга. Такое представление позволяет визуально оценить качество исходных данных и проведенной коррекции.
Практическое использование разработанного подхода иллюстрируется на данных ГСС, полученных аппаратурой ЗАО «НТЦ «Реагент» и НТЦ ОАО «Красногорский завод им.С.А. Зверева».