Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
8
Харківський національний університет радіоелектроніки
Машталір Сергій Володимирович
УДК 004.932: 007.52
МЕТОДИ МОРФОЛОГІЧНОЇ НОРМАЛІЗАЦІЇ
БІНАРНИХ ПЕРЕРІЗІВ ЗОБРАЖЕНЬ
01.05.02 –математичне моделювання та обчислювальні методи
Автореферат
дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата технічних наук
Харків –
Дисертацією є рукопис.
Робота виконана в Харківському національному університеті радіоелектроніки Міністерства освіти і науки України.
Науковий керівник – доктор технічних наук, професор Путятін Євгеній Петрович,
Харківський національний університет радіоелектроніки, завідувач кафедри інформатики.
Офіційні опоненти: доктор фізико-математичних наук, професор Смеляков Сергій Вячеславович, Харківський університет повітряних сил,
професор кафедри математичного і програмного забезпечення АСУ;
кандидат технічних наук, доцент Авраменко Віктор Васильович,
Сумський державний університет, доцент кафедри інформатики.
Провідна установа – Інститут проблем машинобудування ім. А.М. Підгорного НАН України (відділ математичного моделювання та оптимального проектування), м. Харків.
Захист відбудеться “” лютого 2005 р. о 13 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.052.02 у Харківському національному університеті радіоелектроніки (61166, м. Харків, пр. Леніна, 14).
З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Харківського національного університету радіоелектроніки (61166, м. Харків, пр. Леніна, 14).
Автореферат розіслано “” січня 2005 р.
Вчений секретар
спеціалізованої вченої ради _____________________ Безкоровайний В.В.
ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
Актуальність теми. В останні десятиріччя спостерігається безупинний зріст інформаційних потоків. З одного боку, це стимулюється розвитком телекомунікаційних і обчислювальних засобів, що найчастіше може приводити до практично некерованого збільшення обсягів даних різної природи. З іншого боку, ускладнення технологічних процесів, розвиток соціальної сфери пред’являють до інформаційних ресурсів усе більш жорсткі вимоги, що, як правило, випереджають можливості програмно-апаратних засобів. Компроміс досягається за рахунок скорочення інтерактивного аналізу й удосконалювання методів реєстрації, прийому-передачі, збереження, обробки та інтерпретації даних. Особливо гостро зазначені протиріччя виявляються при цифровій обробці зображень, інтерес до якої не слабшає в силу високої інформаційної ємності відеоданих. Розвиток методів і засобів автоматичного аналізу зображень створює передумови для розширення інформаційного простору України, упровадження перспективних технологій.
Необхідність синтезу нових методів автоматичної обробки та інтерпретації зображень підкреслюється розширенням спектра актуальних проблемно-орієнтованих задач, підвищенням інтенсивності практичного використання засобів аналізу візуальної інформації, диверсифікованістю форм і властивостей цифрового представлення відеоданих, вимогами реалізації в реальному масштабі часу. Складність таких задач пов’язана, насамперед, з розходженнями умов реєстрації відеоінформації, серед яких одну з провідних ролей грає зміна взаємного положення та орієнтації об’єктів і датчиків. Незважаючи на те, що роботи з інваріантного до геометричних трансформацій аналізу зображень, а також по нормалізації подібних перекручувань відеоданих, здійснюються вже більше сорока років, підходи, засновані на обробці множин бінарних перерізів напівтонових і кольорових зображень, залишилися за межами кола інтересів дослідників. Разом з тим, перехід до сімейств таких бінарних зображень дозволяє без втрати інформації, по-перше, синтезувати адекватні і прості з погляду програмно-апаратної реалізації моделі представлення, обробки та інтерпретації даних, по-друге, використовувати добре розвинений апарат математичної морфології, що в підсумку забезпечує досить високу надійність і точність нормалізації зображень.
2
Основний вплив на розвиток методів обробки зображень в умовах різного роду збурювань зробили дослідження українських і закордонних учених: В.В. Авраменко, А.М. Ахметшина, Р.А. Воробеля, Г.П. Катиса, В.А. Ковалевського, В.П. Кожем’яко, В.Г. Лабунця, Є.П. Путятіна, Б.Н. Русина, М.І. Шлезінгера, L. Alvarez, H. Burkhardt, B.K.P. Horn, M.K. Hu, T.S. Huang, I.M. Ri-chardson. У розвиток методів аналізу складної, у тому числі геометричної інформації, а також напівтонової і бінарної морфології найбільший внесок зробили Ю.І. Журавльов, І.Б. Сироджа, С.В. Смеляков, Ю.Г. Стоян, Ю.П. Шабанов-Кушнаренко, H.J.A.M. Heijmans, P.A. Maragos, G. Matheron, A. Rosenfeld, J. Serra, S.R. Sternberg, а також ряд інших учених. Незважаючи на істотні досягнення в цій області, багато питань синтезу моделей і методів обробки множин бінарних зображень усе ще залишаються недослідженими, зокрема, задачі аналізу сімейств бінарних перерізів в умовах впливів, що заважають, вимагають свого рішення в силу можливостей уніфікації і простоти реалізації потенційних методів, які володіють подібними показниками ефективності з алгоритмами обробки напівтонових зображень.
Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертація виконана на кафедрі інформатики Харківського національного університету радіоелектроніки в рамках держбюджетних науково-дослідних робіт: “Дослідження і розробка методів аналізу зображень в умовах складних перекручувань”(№ ДР 0103U001572, виконавець), “Розробка теоретичних основ і математичного забезпечення нейро-фаззі-систем ранньої діагностики, прогнозування і моделювання в умовах апріорної і поточної невизначеності”(№ ДР 0101U001762, відповідальний виконавець розділу “Розробка теоретичних основ і алгоритмів розпізнавання в багатомірних ознакових просторах в умовах невизначеності”), “Інтелектуальний аналіз і обробка даних у реальному масштабі часу на основі засобів обчислювального інтелекту”(№ ДР 0104U003432, відповідальний виконавець розділу “Методи морфологичної обробки бінарних зображень в умовах геометричних перетворень”) координаційного плану Міністерства освіти та науки України, а також ряду робіт з договорів про науково-технічне співробітництво.
Мета і задачі дослідження: Метою дисертаційного дослідження є розробка моделей і методів аналізу та обробки множин бінарних перерізів зображень в умовах геометричних перетворень для покращення характеристик систем технічного зору.
Для досягнення мети треба розв’язати такі задачі:
–розробити моделі аналізу напівтонових зображень на основі n-арних відношень між бінарними перерізами, що представляють собою “еквіпотенційні”рівні функцій розподілу яркостей;
–синтезувати, обґрунтувати і дослідити методи морфологічної нормалізації афінних перетворень відеоінформації на базі пошуку характерних точок бінарних перерізів за умови забезпечення уніфікації і простоти операцій обробки двоградаційних зображень;
–вивчити специфіку реалізації і застосування методів морфологічної нормалізації, створити і впровадити дослідницькі і спеціалізовані програмні засоби.
Об’єкт дослідження –моделі та методи обробки візуальної інформації в умовах геометричних трансформацій для систем технічного зору.
Предмет дослідження –морфологічні методи обробки бінарних перерізів зображень та іх множин під дією групи афінних перетворень площини.
Методи дослідження –при розробці та дослідженні моделей аналізу множин бінарних перерізів і методів морфологічної нормалізації зображень використаний апарат математичної морфології, алгебра, теорія множин, елементи теорії груп і статистичного аналізу даних.
Наукова новизна одержаних результатів. Наукова новизна дисертації полягає в постановці і розв’язанні задачі нормалізації напівтонових зображень на основі аналізу множин їх бінарних перерізів:
–вперше на основі двоместних та n-арних відношень запропоновані моделі аналізу напівтонових зображень по їхніх бінарних перерізах, що створює передумови для синтезу нових алгоритмів обробки та інтерпретації відеокадрів;
–стосовно до задач обробки зображень в умовах геометричних перетворень одержали подальший розвиток методи пошуку афінно-еквівалентних точок, що забезпечує їх стійке виділення на базі операцій алгебри Мінковського і теоретико-множинних операцій;
–вперше запропоновані, обґрунтовані і досліджені методи морфологічної нормалізації, які на відміну від традиційних підходів оперують лише з геометричними характеристиками зображень об’єктів, враховуючи яскравісні властивості відеоінформації лише на етапі формування бінарних перерізів.
Практичне значення одержаних результатів. Розроблені методи забезпечують уніфікацію програмно-апаратних засобів, спрямованих на обробку та аналіз зображень в умовах геометричних перетворень. Уніфікація досягається за рахунок зведення всіх перетворень до операцій згорткового типу (на базі алгебри Мінковського і теоретико-множинних операцій), коли в якості одного операнда виступає власне зображення, а в якості другого –деяка множина (фрагмент відеокадру, прототип), яка фактично визначає характеристики результату. Основне достоїнство пропонованого підходу полягає в простоті побудови обчислювальних конструкцій. Реалізація результатів дисертації проведена у виді програмних комплексів обробки зображень, два з який сертифіковані УкрСЕПРО.
4
Матеріали дисертації впроваджені в Науковому центрі Військ ППО України при розробці програмно-алгоритмічного комплексу “Основа-ТВ”(акт про упровадження від 7.05.2004 р.), у Харківському державному технічному університеті сільського господарства при проведенні досліджень і розробці мікропроцесорних засобів розпізнавання образів у системах точного землеробства для АПК України (акт про упровадження від 11.03.2004 р.), у Науковому метрологічному центрі військових еталонів при виконанні робіт з дослідження метрологічних характеристик вихідних і робочих еталонів (акт про упровадження від 11.10.2004 р.), у навчальному процесі в Харківському національному університеті радіоелектроніки (акт про упровадження від 11.10.2004 р.).
Особистий внесок здобувача. Усі положення, що виносяться на захист, отримані здобувачем особисто. З 14 публікацій за темою дисертації 7 робіт на-писані в співавторстві, у яких здобувачу належать постановки задач, вибір і обґрунтування їхнього рішення, а також: [2] –модель представлення напів-тонових зображень множинами бінарних перерізів; метод морфологічної нормалізації по крайніх точках –[4], по скелетонах –[6]; [5] –дослідження властивостей n-арних відносин на бінарних перерізах зображень; [8] –до-слідження прикладних аспектів морфологічної нормалізації; [11] –алгоритмізація морфологічної обробки перерізів; [13] –аналіз особливостей по-шук характерних точок.
Апробація результатів дисертаційної роботи. Матеріали дисертацій-них досліджень доповідалися, обговорювалися і були схвалені на таких нау-ково-технічних конференціях і семінарах: VI, VIII, IX Міжнародних конференціях “Теорія і техніка передачі, прийому та обробки інформації”(2000, 2002, 2003 р., Харків-Туапсе); 4, 5, 7, 8 Міжнародних молодіжних форумах “Радіоелектроніка і молодь у XXI столітті”(2000, 2001, 2003, 2004 р., Хар-ків); International Conference on Computer Vision and Graphics (ICCVG 2004, Warsaw, Poland), Міжнародної науково-технічної конференції “Штучний ін-телект. Інтелектуальні і багатопроцесорні системи”(Таганрог-Донецьк, 2004), Міжнародної науково-технічної конференції “Автоматика”(Київ, 2004).
Публікації. Основні наукові положення дисертації відбиті в 14 роботах, серед яких 3 статті в 3 різних журналах, 1 стаття в збірнику наукових праць (усі –у виданнях, включених у переліки ВАК України), 10 публікацій у працях, матеріалах і тезах різних конференцій.
Обсяг та структура дисертації. Дисертаційна робота складається із вступу, 4 розділів, висновків, списку використаної літератури із 253 джерел на 23 с., 2 додатків на 19 с. Загальний обсяг становить 171 с., основного тексту –с., ілюстрацій –(з них 7 на 5 окремих сторінках), таблиць –(з них 2 на 8 окремих сторінках).
ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ
17
У вступі розкриті суть та стан проблеми, обґрунтовано актуальність теми дисертації, сформульовано мету, основні задачі досліджень, наукову новизну отриманих результатів. Розглянуто практичне значення та впровадження результатів дисертації. Наведено відомості про публікації та апробацію роботи.
Перший розділ присвячений аналізу сучасного становища і трендів розвитку підходів до обробки візуальної інформації в умовах геометричних перетворень.
5
Показано, що сучасний стан і тенденції розвитку інформаційних технологій підкреслюють безупинний зріст числа і частоти задач інтерактивної та автоматичної обробки відеоданих. При цьому істотно розширюється і перелік проблемно-орієнтованих галузей, де візуальна інформація відіграє домінуючу роль на всіх етапах реєстрації, прийому-передачі, обробки, кодування, архівування та інтерпретації даних. Особливу складність представляють задачі з природними або організованими деформаціями зображень. У цьому плані традиційною задачею, яка ще далека від остаточного вирішення, є обробка візуальної інформації в умовах геометричних перетворень. Як модель подібних трансформацій обрана група афінних перетворень, що пояснюється розумним компромісом між простотою обробки (перетворення лінійні) і адекватністю реальним умовам спостереження (при відстані до об’єкта, яка істотно переважає фокусну відстань відеодатчика, перспективною складовою перетворень можна зневажати).
Відзначено, що порівняння з еталонною інформацією в різних формах її представлення (у виді опорних даних або їхніх властивостей, що враховуються безпосередньо при зіставленні або опосередковано в алгоритмах обробки) є одним з найважливіших інструментів вирішення задач розпізнавання. Із найзагальніших позицій виділяються два підходи: проведення обробки, інваріантної до геометричних перетворень та пошук параметрів (з метою наступної компенсації перекручувань за умови їхньої оборотності) у заданому класі перетворень. У першому випадку увага фокусується на інформаційній ефективності ознакових просторів, тобто пошуку наборів необхідних і в той же час достатніх ознак, що забезпечують раціональні показники з погляду тимчасових витрат, точності і надійності розпізнавання і вартості програмно-апаратної реалізації. В другому випадку з’являються додаткові можливості по управлінню (наприклад, відстеженню динамічних змін об’єктів) і пред’явленню або збереженню інформації в зручній (еталонній, нормальній, стандартній) формі. На основі обліку зросту значення інтерактивної обробки зображень (унаслідок розширення впровадження мережних додатків) робиться висновок про перспективність удосконалювання методів нормалізації.
6