Главная » 2014 » Сентябрь » 24 » Скачать Комплекс программ для исследования алгоритмов оконтуривания объектов в изображениях, аппроксимированных марковскими полями. бесплатно
9:11 PM
Скачать Комплекс программ для исследования алгоритмов оконтуривания объектов в изображениях, аппроксимированных марковскими полями. бесплатно
Комплекс программ для исследования алгоритмов оконтуривания объектов в изображениях, аппроксимированных марковскими полями
Диссертация
Автор: Лаевский, Виктор Евгеньевич
Название: Комплекс программ для исследования алгоритмов оконтуривания объектов в изображениях, аппроксимированных марковскими полями
Справка: Лаевский, Виктор Евгеньевич. Комплекс программ для исследования алгоритмов оконтуривания объектов в изображениях, аппроксимированных марковскими полями : диссертация кандидата технических наук : 05.13.18 / Лаевский Виктор Евгеньевич; [Место защиты: Том. гос. ун-т систем упр. и радиоэлектроники (ТУСУР) РАН] - Томск, 2010 - Количество страниц: 179 с. ил. Томск, 2010 179 c. :
Объем: 179 стр.
Информация: Томск, 2010
Содержание:
СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ
ВВЕДЕНИЕ
1 Методы и алгоритмы выделения контуров на изображениях
11 Обзор алгоритмов выделения контуров
12 Показатели качества контурных детекторов
13 Сравнение систем с несколькими показателями качества
14 Постановка задач исследования:
15 Выводы
2 Формирование одноуровневых марковских полей
21 Теория выбранного класса мозаичных изображений
22 Получение алфавита мозаик
23 Получение описания условных вероятностей
24 Методика моделирования мозаичных полей
25 Динамика марковского поля
26 Обсуждение результатов моделирования
27 Выводы
3 Разработка критериев оценки качества алгоритмов оконтуривания
31 Показатели качества выделения контурного рисунка изображения
32 Оценка схожести контурного вектора с растровым изображением
33 Оценка толщины контура
34 Оценка средней длины разрывов контурного рисунка
35 Оценка сложности алгоритмов получения контурного рисунка
36 Оценка смещения контурного рисунка
37 Обобщённый количественный критерий оценки качества алгоритмов оконтуривания
38 Методика расчёта доверительных интервалов полученных значений количественного критерия оценки качества алгоритмов оконтуривания
39 Выводы
4 Программный комплекс для исследования алгоритмов оконтуривания объектов в изображениях
41 Краткое описание программного комплекса системы тестирования алгоритмов оконтуривания областей в изображениях
42 План эксперимента по тестированию алгоритмов оконтуривания Функции частей программного комплекса
43 Обсуждение результатов эксперимента по оценке эффективности алгоритмов оконтуривания, рекомендации по их использованию
44 Обсуждение направлений возможных исследований алгоритмов оконтуривания на разработанном программном комплексе
45 Выводы
5 Применение разработанных методов и алгоритмов при моделировании аэрокосмических изображений местности и в задачах дефектоскопии полимерных и металлических конструкций
51 Анализ применения разработанных алгоритмов при синтезе аэрокосмических изображений
52 Принципы работы систем телевизионной бестраншейной диагностики трубопроводов
53 Результаты применения разработанных алгоритмов в задачах дефектоскопии полимерных и металлических конструкций
54 Выводы
Введение:
В настоящее время большой круг научно — технических задач связан с представлением информации в виде изображений. Изображения являются одновременно результатом и объектом исследований в космонавтике, геологии, картографии, биологии, медицине, навигации, дефектоскопии и во многих других областях человеческой деятельности.
Алгоритмы оконтуривания границ объектов на любых разновидностях двумерных сигналов являются необходимым инструментом для решения различных прикладных задач, связанных с их редактированием, анализом, синтезом, восстановлением или сжатием. Хотя в настоящий момент уже разработано большое число таких алгоритмов, возникают вопросы выбора и оптимизации, подбора параметров и адаптации к определённой предметной области. Возникают вопросы, связанные с субъективной и объективной оценкой качества выбранного алгоритма с целью получения удовлетворительного конечного результата. Существующие в настоящее время подходы к решению указанных задач проводятся с привлечением специалистов определённой предметной области. Полученные оценки, результаты и рекомендации зачастую носят субъективный характер и не могут быть использованы для решения задач в других предметных областях. Избежать этого можно с помощью введения показателей качества работы существующих алгоритмов обработки двумерных сигналов.
Важными факторами, влияющими на точность и помехоустойчивость оптических систем, являются статистические характеристики используемых изображений. Они, в свою очередь, зависят от статистических свойств местности, характеристик датчиков и регистрирующих систем. Поэтому при проектировании соответствующих комплексов, формировании базы данных изображений и т. д., необходимо учитывать ряд факторов, характеризующих местность и условия её наблюдения, использовать те алгоритмы обработки сигнала, которые в данной ситуации дают наилучшие результаты.
Сложность этих процессов такова, что их исследования аналитическими методами, позволяющими наиболее глубоко проникнуть в физику явлений, очень трудоёмки и не всегда могут быть доведены до конца. Экспериментальные исследования слишком дороги, ограничены в возможности проведения факторного анализа и в конечном итоге основаны на субъективных оценках. Компьютерное моделирование является разумной альтернативой натурному эксперименту, имеет ряд преимуществ: позволяет проводить быструю проверку гипотез, упрощать выкладки, осуществлять детальный анализ полученных результатов, по сравнению с другими методами, допускает рассматривать гораздо большее число альтернатив, улучшать качество предмета исследования и точнее прогнозировать последствия. Проведение факторного анализа, повтора экспериментов, при использовании цифрового моделирования не вызывает больших затруднений.
В связи с вышеизложенным целью работы являлось: создание комплекса программ, позволяющего проводить сравнительный анализ алгоритмов оконтуривания объектов в изображениях, аппроксимированных марковскими полями в присутствии аддитивного нормального шума, разработка критериев оценки качества оконтуривания и рекомендаций по выбору алгоритмов оконтуривания для конкретных приложений.
Для достижения сформулированной цели были поставлена задача создать комплекс программ, позволяющий:
1. формировать одноуровневое марковское поле с определёнными морфологическими и статистическими свойствами,
2. формировать растровое изображение на основе векторного описания марковского поля и введения шумовой составляющей с нормальным законом распределения и заданным отношением сигнал/шум (с/ш),
3. тестировать алгоритмы оконтуривания, вычислять обобщённый критерий качества,
4. проводить анализ данных, формировать статистику получаемых результатов, проверять и подготавливать данные для дальнейшей обработки и визуализации.
Объект исследования: Системы мониторинга земной поверхности и навигации, в которых наблюдение ведётся в оптическом диапазоне. Геоинформационные системы, предназначенные для проведения картографирования. Оптические системы по выделению контекстуальной информации. Системы измерения параметров повреждений и деформаций полимерных и металлических конструкций при их эксплуатации.
Предмет исследования: Возможность использования марковских полей для решения задачи тестирования алгоритмов оконтуривания. Определение устойчивости марковского поля в алгоритме генерации мозаики с расширенным набором контурных элементов. Эффективность выделения контурного рисунка при обработке изображения различными видами контурных детекторов. Влияние аддитивного гауссовского шума на эффективность выделения контурного рисунка. Определение границ применимости различных видов контурных детекторов и квазиоптимальных значений их параметров.
Научная новизна работы заключается в следующем:
1. впервые предложена цифровая имитация изображений для решения задач оконтуривания на основе марковского поля;
2. получен новый алгоритм моделирования мозаичных случайных полей, позволяющий контролировать их морфологические, вероятностные и корреляционные свойства, структура контурного рисунка которых имеет не только горизонтальные и вертикальные, но и диагональные составляющие элементы;
3. создан комплекс программ для формирования имитационных двумерных сигналов- изображений. В основе моделирования используются алгоритмы построения случайных одномерных марковских полей с различной морфологией и вероятностными и свойствами генерируемого поля. Осуществлён принципиально новый подход к решению подобного рода исследовательской проблемы, позволяющий вносить вероятностный фактор в процесс исследования, а также проводить факторный анализ эксперимента;
4. впервые предложены критерии оценки качества оконтуривания, учитывающие толщину контурного рисунка, величины схожести и средней длины разрывов.
Методы исследования:
Решение задач исследования проводилось с применением теории случайных процессов, методов математической статистики, теории матричного исчисления, теории погрешностей, методов имитационного моделирования, а также методов планирования численных экспериментов. Разработка ПО и исследование предлагаемых алгоритмов выполнялись с использованием пакетов Khoros 2.2/2001, Borland С++ Builder, Delphi 7.0, Mathcad, библиотеки языка FORTRAN, систем управления версиями на основе CVS 2.1, ECLIPSE 3.4 и анализа кодов Together 6.0.
Практическая значимость:
В рамках решения задачи моделирования марковского поля исследована методика использования полного алфавита, состоящего из 248 возможных элементов. Проверена возможность формирования мозаичного поля и получения векторного описания контурного рисунка для типов мозаик известных ранее (работы А. Г. Буймова). На основе полного алфавита получены новые типы контурного рисунка, построение которых было принципиально невозможно при использовании ограниченного алфавита. В целях исследования динамики марковских полей, моделируемых на основе полного алфавита, состоящего из 248 возможных элементов, проведено исследование вопросов устойчивости управляющего пальмовского поля для отдельных реализаций. Предлагаемая автором методика тестирования алгоритмов оконтуривания на основе векторного описания марковского поля позволят проводить объективную оценку качества полученного результата. Показана возможность проводить факторный анализ с целью выявления закономерностей детектирования конкретных формирующих элементов. Определена совокупность показателей качества детектирования; введён обобщённый критерий качества. Показано влияние аддитивной гауссовской помехи и морфологии поля на качество оконтуривания.
Выработаны рекомендации по применению различных видов контурных детекторов и их параметров. Модули комплекса программ применены для тестирования оборудования, используемого для измерений параметров повреждений и деформаций полимерных и металлических конструкций при их эксплуатации. Внедрение подтверждено соответствующими актами. Модули комплекса программ применены для настройки и доводки комплексов программного обеспечения оборудования дефектоскопии. Внедрение подтверждено соответствующими актами. Модули комплекса использовались в целях имитации аэрокосмических изображений земной поверхности для проведения статистических исследований корреляционно- экстремальных систем (КЭС) в системе имитационного моделирования аэрокосмических снимков (СИМАКС).
Достоверность и обоснованность полученных результатов заключаются в следующем. Полученные в диссертационной работе теоретические результаты и формулируемые на их основе выводы обеспечиваются строгостью математических выкладок. Справедливость выводов относительно эффективности предложенной системы подтверждена статистическим моделированием, обработкой реальных изображений, рядом успешных внедрений в производство.
Основные положения, выносимые на защиту:
1. разработанный алгоритм генерации одноуровневых марковских полей на основе расширенного набора контурных элементов является устойчивым и позволяет получать структуру контурного рисунка не только с горизонтальными/вертикальными, но и с диагональными составляющими;
2. использование одноуровневых марковских полей для получения двумерных растровых изображений позволяет устранить субъективность оценки эффективности работы контурных детекторов;
3. разработанная система тестирования позволяет проводить факторный анализ с целью выявления закономерностей детектирования конкретных формирующих элементов;
4. двумерные марковские поля позволяют имитировать структуру квазиреальных геофизических полей земли пригодны для анализа технических систем;
5. векторное представление контурного рисунка позволяет существенно (на порядок) повысить скорость вычисления оценки качества контурного детектора.
Апробация работы.
Результаты диссертационной работы докладывались на шести международных и двух всероссийских научно- технических конференциях. Метод построения марковских полей был использован для создания комплексов программного обеспечения оборудования дефектоскопии полимерных и металлических конструкций при их эксплуатации. Ряд материалов диссертации был задействован для реализации комплекса
СИМАКС, а также для проведения статистических исследований КЭС.
Личный вклад:
1. Постановка задач исследования и разработка концепции программного комплекса для проведения сравнительного анализа алгоритмов оконтуривания объектов в изображениях.
2. Разработана методология тестирования алгоритмов оконтуривания изображений с использованием одноуровневых марковских полей.
3. Предложен обобщённый подход к построению марковского поля, разработан и протестирован универсальный алгоритм построения одноуровневого марковского поля. Проведена проверка динамики всех полученных разновидностей морфологий.
4. Определен обобщённый критерий качества контурного рисунка. Проведены исследования эффективности критерия, получены рекомендации по его использованию.
5. Спроектировано и реализовано алгоритмическое и программное обеспечение комплекса для проведения сравнительного анализа алгоритмов оконтуривания.
6. Получены и проанализированы результаты применения программного комплекса при решении задач измерений параметров повреждений и деформаций полимерных и металлических конструкций. Даны рекомендации по использованию алгоритмов оконтуривания и выбора их квазиоптимальных входных параметров.
Публикации.
По материалам диссертации опубликовано 13 работ: 2 статьи в журнале, рекомендованном ВАК, 8 публикаций в сборниках материалов международных и всероссийских конференций, 3 отчёта по НИР.
Краткое содержание работы
Первая глава посвящена анализу отечественной и зарубежной литературы, на основе которого рассмотрены подходы к решению задачи оконтуривания изображений, проведена классификация понятия границ объектов, сформулирована актуальность проблемы и направления её решения; дана классификация методов оконтуривания, выделены три основные класса критериев оценок качества контурных детекторов, рассмотрены основные методы сравнения систем с несколькими показателями качества, проведена постановка задач исследования.
Во второй главе представлена теория выбранного класса мозаичного изображения., Изложены принципы построения мозаик, произведён выбор алфавита формирования мозаичных изображений. Приведён математический аппарат, лежащий в основе формирования одноуровневого марковского поля. Разработан и описан алгоритм генерации одноуровневого марковского поля, позволяющий получать мозаики с расширенным набором контурных элементов. Сгенерирована структура контурного рисунка не только с горизонтальными/вертикальными, но и с диагональными составляющими. Проведена проверка устойчивости получаемого марковского поля для всех генерируемых мозаик.
В третьей главе обобщены критерии оценок качества алгоритмов получения контурного рисунка изображений. Представлен математический аппарат показателей качества выделения границ, проведена их геометрическая интерпретация. Показатели качества детектирования объединены в обобщенный количественный критерий, который объединяет пять основных составляющих. Предложены весовые коэффициенты обобщённого критерия качества, полученные в результате накопленного опыта и анализа литературы. Предложен подход к вычислению полной арифметической сложности алгоритма. Изложена методика вычисления доверительных интервалов оценок показателей качества.
В четвёртой главе кратко сформулировано, назначение программного комплекса, его основные цели и возможности. Описана методика проведения эксперимента с целью получения обобщённой оценки качества тестируемых алгоритмов оконтуривания. Проведено описание системы тестирования, её структурная и функциональная схемы, предложен вариант выбора компонент аппаратной поддержки, как для самого программного комплекса, так и для реализации минимально возможной конфигурации. Обоснован выбор программных продуктов используемых в комплексе и языков реализации. Рассмотрена последовательность работы с программным комплексом. Детально представлены отдельные блоки, такие как, блок генерации марковского поля, блок формирования растрового изображения, блок тестирования и анализа полученных данных. Обсуждены результаты цифрового моделирования. Даны рекомендации по использованию алгоритмов оконтуривания. Кратко изложены основные направления возможных исследований.
В пятой главе проведено описание внедрения результатов диссертационной работы. Показаны результаты внедрения комплекса программ в технологию настройки и доводки систем программного обеспечения дефектоскопии полимерных и металлических конструкций в условиях их эксплуатации. Приведены результаты проведённых работ на кафедре моделирования систем ТАСУРа.
В заключении подведены итоги работы.