Особенности радиометрической коррекции изображений от кадровых съемочных систем

Традиционно в практике ДЗЗ использовались сканерные съемочные устройства, в которых строчная развертка формируется опросом линейки фотоприемных элементов, а кадровая в результате движения спутника по орбите. Кадровые системы формирования изображений имеют в своей основе матрицу светочувствительных элементов. В процессе орбитального движения спутника в дискретные моменты времени формируются кадры, имеющие небольшое пространственное перекрытие, что позволяет объединять их в непрерывное изображение. Формирование изображения происходит в режиме временной задержки и накопления заряда (ВЗН).
Неравномерность освещения фокальной плоскости, а также процессы переноса заряда в самой матрице порождают яркостные различия соседних кадров вблизи их зон перекрытия. В результате на непрерывном изображении маршрута съемки видны периодические изменения яркости. Как показали исследования, такие искажения во многом имеют статический характер, определяемый неравномерностью чувствительности по полю ПЗС-матрицы или неравномерностью засветки фокальной плоскости при использовании разных режимов ВЗН. Основываясь на таком предположении, был разработан алгоритм и реализовано программное обеспечение коррекции яркостной неоднородности для изображений от космического аппарата «Канопус-В» основанное на калибровочных данных. Но, как показал опыт его эксплуатации, полной компенсации яркостных перепадов не происходит. Совместно с разработчиками аппаратуры из НПО «Пеленг», был сделан вывод, что это связано с физическими процессами в ПЗС-матрице индивидуальными для каждой пары перекрывающихся кадров. Это значительно снижает потенциальное качество калибровочной коррекции и требует использование статистического подхода.
Для определенности необходимо разделить яркостные искажения на изображениях на два вида, имеющих различную природу возникновения:
- локальные области пониженной яркости («артефакты»), вызванные загрязнением самой матрицы или оптики прибора;
- яркостные перепады на границе соседних кадров, вызванные процессами переноса заряда в ПЗС-матрице.
Искажения первого вида имеют локальный характер, размер порядка десятков пикселей и математически с высокой точностью описываются мультипликативной моделью. Для описания и устранения артефактов наибольшую точность обеспечивает калибровочный механизм. Выделение артефактов и оценка их параметров могут выполняться в автоматизированном режиме на основе анализа кадров с однородным сюжетом (водная поверхность, песок, лед).
Предложен подход по коррекции межкадровых искажений, основанный на анализе каждого стыка кадров. В результате исследований установлено:
- яркостные искажения линейно ослабляются при удалении от края кадра;
- глубина искажения (число строк или столбцов с измененной яркостью) зависит от яркости наблюдаемых объектов;
- вдоль границы кадров интенсивность яркостного искажения изменяется в зависимости от яркости наблюдаемых объектов.
Коэффициенты полиномов, описывающих изменение искажений в направлении строк и столбцов, вычисляются путем сопоставления фрагментов зон перекрытия соседних кадров с применением метода наименьших квадратов.
Разработанный алгоритм яркостной коррекции изображений от кадровых систем ДЗЗ реализованы в виде специального программного обеспечения в составе программного комплекса «NormSatB», апробированы на реальных данных и успешно эксплуатируются в Научном центре оперативного мониторинга Земли ОАО «Российские космические системы».