автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.16, диссертация на тему:Аффинное преобразование растровых изображений в информационно-измерительных системах

Л ....... ./

>> /.А Л ? / . мм», г—*.

о-. * ^ / / ^ ^ ' -

ТУЛЬСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

Завьялов Константин Александрович

АФФИННОЕ ПРЕОБРАЗОВАНИЕ РАСТРОВЫХ ИЗОБРАЖЕНИЙ В ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМАХ

Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук

Специальность 05.11.16 - Информационно-измерительные системы

Научный руководитель: доктор технических наук,

профессор Ларкин Е.В.

Тула 1999

оглавление

введение...................................................................................................................................5

1. анализ методов обработки растровой информации в иис............11

1.1. Особенности ИИС технического зрения на основе датчиков видеоинформации......................................................................................11

1.2. Анализ особенностей сигнала, поступающего от датчика видеоинформации......................................................................................14

1.3. Аффинное преобразование на плоскости..............................................17

1.4. Требования к схеме аффинного преобразования растровых изображений...............................................................................................20

1.5. Выводы......................................................................................................23

2. теоретические основы выполнения аффинных преобразований

растровых изображений............................................................................25

2.1. Описание растровых моделей изображений.........................................25

2.2. Спектральный анализ растровых моделей изображений....................29

2.3. Связь дискретизирующих структур в сигнальной и спектральной области.........................................................................................................36

2.4. Выполнение аффинного преобразования растровых моделей изображений...............................................................................................39

2.5. Обобщённая методика аффинного преобразования растровых моделей изображений................................................................................42

2.6. Выводы......................................................................................................54

3. методы аффинного преобразования растровых моделей

изображений..................................................................................................55

3.1. Классификация аффинных преобразований растровых моделей изображений...............................................................................................55

3.2. Метод аффинного преобразования в сигнальной области..................59

3.3. Методы аффинного преобразования в спектральной области...........68

3.4. Энергетические потери при аффинном преобразовании....................72

3.5. Ошибка аффинного преобразования...................................................78

3.6. Влияние шума квантования и ошибки квантования на результат аффинного преобразования......................................................................82

3.7. Выводы......................................................................................................84

4. методология моделирования изображений трёхмерных динамических сцен в реальном масштабе времени...........................86

4.1. Этапы моделирования изображений трёхмерных динамических сцен в реальном масштабе времени..................................................................86

4.2. Математическое моделирование динамики трёхмерной сцены.........89

4.3. Синтез векторного описания объектов трёхмерной сцены...............101

4.4. Основной этап моделирования изображений.....................................104

4.5. Выводы....................................................................................................112

5. экспериментальные исследования методов аффинного преобразования растровых моделей изображений........................114

5.1. Описание программного комплекса ИИС ТЗ.....................................114

5.2. Исследование вычислительной сложности методов аффинного преобразования.........................................................................................118

5.3. Исследование потерь при аффинных преобразованиях....................125

5.4. Исследование погрешности методов аффинного преобразования .. 131

5.5. Устранение дефектов, характерных для аффинных преобразований растровых изображений..........................................................................140

5.6. Исследование ограничений методов аффинного преобразования... 144

5.7. Выводы....................................................................................................145

заключение.......................................................................................................147

приложение.......................................................................................................156

П1. Результаты аффинных преобразований тестовых изображений......156

П2. Результаты экспериментальных исследований погрешности

масштабирования, выполняемого по алгоритму 4.2.......................................161

ПЗ. Технико-экономическая эффективность внедрения результатов работы...................................................................................................................162

введение

Актуальность_темы. Совершенствование управления

производственными процессами является одной из важнейших научно-технических задач. Её решению способствует внедрение информационно-измерительных систем (ИИС), как составной части технологических процессов. Современные ИИС различного назначения характеризуются широким применением изображений объектов, полученных с использованием технических средств восприятия визуальной информации, в качестве источника измерительной информации. Это обусловлено следующими причинами:

во-первых, сигналы изображения обладают наибольшей информативностью из всех видов сигналов, используемых как живыми организмами, так и техническими системами [19, 26, 43, 44, 63, 67, 68, 70];

во-вторых, в современной технике существует широкий класс измерительных приборов, построенных на основе датчиков видеоинформации, предназначенных для получения в цифровом виде изображений трёхмерных сцен [11, 19, 26, 32, 44];

в-третьих, ЭВМ имеют достаточное быстродействие для решения задач преобразования изображений в реальном масштабе времени [32, 34, 37, 55, 60, 65, 72, 75].

Указанные обстоятельства определили выбор объекта исследования диссертации, который может быть охарактеризован как ИИС технического зрения на основе датчика видеоинформации, предназначенная для извлечения полезной информации из изображений.

Характерными особенностями изображений, поступающих от видео датчика, кроме высокой информационной избыточности, наличия сигналов от объектов второго плана, наличия шумов (помех разного вида), являются: наличие искажений (амплитудные, координатные искажения, искажения

спектра пространственных частот), а также разномасштабность и несоответствие исходных координат объекта [19, 44]. Указанные особенности не позволяют при решении ряда задач измерений непосредственно использовать первичный сигнал датчика видеоинформации. В то же время, некоторые задачи извлечения полезной информации, такие как распознавание образов, оценка размеров на изображении, могут быть успешно решены только после предварительной обработки, в результате которой изображения объектов приводятся к эталонному виду. Приведение к эталонному виду в этом случае осуществляется посредством аффинных преобразований изображений объектов, например, путём поворотов, масштабирования.

Указанные обстоятельства определили выбор предмета исследования диссертации, который может быть охарактеризован как методы аффинного преобразования растровых изображений.

Целью диссертационной работы является создание методов аффинного преобразования растровых изображений и реализация указанных методов в программном комплексе ИИС.

В соответствии с поставленной целью автором решаются следующие задачи:

- предложена обобщённая методика аффинных преобразований растровых моделей изображений;

- найдено интерполяционное соотношение для расчёта результата аффинного преобразования растровой модели изображения;

- на основе спектрального анализа проведена классификация аффинных преобразований растровых моделей изображений;

- разработан комплекс алгоритмов и программ, реализующих методы аффинного преобразования растровых моделей изображений, а также методологию моделирования изображений в соответствии с классификацией;

- проведены экспериментальные исследования вычислительной сложности и погрешности алгоритмов аффинного преобразования, в результате которых выбраны параметры алгоритмов, обеспечивающие лучшие показатели качества и быстродействия.

Методы исследования. В работе, главным образом, используются методы теории дискретизации, линейной алгебры, теории линейных преобразований и теории алгоритмов.

Научная новизна работы заключается в следующем.

1. Предложена обобщённая методика аффинного преобразования растровых моделей изображений на основе модифицированной системы со вторичной дискретизацией.

2. Разработаны методы аффинного преобразования растровых моделей изображений в сигнальной и спектральной областях.

3. Исследованы потери при аффинных преобразованиях растровых моделей изображений.

4. Разработан метод вычисления ошибки аффинного преобразования растровых моделей изображений.

Практическая ценность работы заключается в применении теоретических положений и выводов диссертации для решения практических задач извлечения полезной информации из изображений:

1. Разработаны универсальные алгоритмы аффинного преобразования растровых изображений в сигнальной и спектральной областях, позволяющие выполнять как произвольное аффинное преобразование, так и композицию последовательности аффинных преобразований.

2. Разработан алгоритм преобразования растяжения-сжатия растровых изображений в спектральной области, не сопровождающийся ошибкой преобразования.

3. Разработаны алгоритмы расчёта энергетических потерь при аффинном преобразовании и вычисления погрешности аффинного преобразования.

Направление исследований по теме диссертации является частью работ по хоздоговорной НИР «Разработка математического и программного обеспечения имитационной системы испытательного стенда» по договору № 022701 от 1.10.97 г. с конструкторским бюро приборостроения г. Тула.

Реализация результатов диссертационной работы. Прикладные результаты диссертационной работы были внедрены в рамках хоздоговорной НИР «Разработка математического и программного обеспечения имитационной системы испытательного стенда» по договору № 022701 от 1.10.97 г. с конструкторским бюро приборостроения г. Тула.

Теоретические результаты работы внедрены в учебных курсах «Машинная графика» и «Системы искусственного интеллекта» на кафедре ЭВМ Тульского государственного университета.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на следующих конференциях и семинарах. 1. XI межвузовская научно-техническая конференция (г. Тула, ТВАИУ, 1997 г.). 2. XIV научная сессия, посвященная дню радио (г. Тула, ТулГУ, 1997 г.). 3. Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Микроэлектроника и информатика - 98» (г. Москва, МИЭТ, 1998 г.). 4. XV научная сессия, посвященная дню радио (г. Тула, ТулГУ, 1998 г.). 5. VI научно-техническая конференция «Современное телевидение» (г. Москва, 1998 г.). 6. Научно-техническая конференция «Медико-экологические информационные технологии - 98» (г. Курск, 1998 г.) 7. Научно-техническая конференция «Математические методы в технике и технологии», (г. Новгород-Великий, 1999 г.) 8. Ежегодные научно-практические конференции профессорско-преподавательского состава

ТулГУ (г. Тула, 1996-99 г.г.). 9. Ежемесячные семинары аспирантов и магистров ТулГУ (г. Тула, 1998-99 г.г.).

Публикации. По результатам исследований опубликовано 12 печатных

работ.

Характеристика работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти разделов и заключения, изложенных на 154 страницах машинописного текста, содержит 35 рисунков, 12 таблиц, список использованной литературы из 83 наименований и приложения.

Во введении обоснована актуальность выбора темы диссертационной работы, охарактеризованы объект и предмет исследования, поставлена задача разработки методов аффинного преобразования растровых изображений, дана краткая характеристика работы.

В первом разделе исследованы особенности функционирования ИИС на основе технического зрения датчика видеоинформации. Проанализированы особенности изображений, поступающих от датчиков видеоинформации. Определено аффинное преобразование на плоскости и его основные свойства. Сформулированы требования к схеме аффинного преобразования растровых изображений. Поставлена задача отыскания интерполяционной зависимости для расчёта растровой матрицы изображения на выходе аффинного преобразования.

Во втором разделе дано формальное определение растровой модели изображения, позволяющее провести математический анализ аффинного преобразования растровых изображений. Предложена обобщённая методика аффинных преобразований растровых моделей изображений. Получены соотношения для дискретного аффинного преобразования в сигнальной и спектральной области. Получена искомая интерполяционная зависимость. Доказаны теоремы, облегчающие формальный вывод основных соотношений.

В третьем разделе рассмотрены вопросы формирования методов аффинного преобразования растровых моделей изображений в сигнальной и спектральной областях. Разработан метод расчёта потерь при аффинном преобразовании растровых моделей изображений и метод вычисления ошибки преобразования. Проанализировано влияние шума квантования и ошибки квантования на результат аффинного преобразования.

В четвёртом разделе рассмотрены вопросы моделирования тестовых . изображений трёхмерных динамических сцен в реальном масштабе времени. Формулируются требования к программному комплексу моделирования изображений и обосновывается выбор растровой графики. Построена математическая модель перемещения объекта в трехмерном пространстве по сложной траектории, позволяющая вычислить номер проекции объекта и параметры аффинного преобразования проекции объекта. Выбран метод для выполнения аффинных преобразований проекций объектов.

В пятом разделе содержится описание программного комплекса ИИС. Исследована вычислительная сложность и погрешность алгоритмов, реализующих методы аффинного преобразования растровых моделей изображений в сигнальной и спектральной области. Исследованы потери при выполнении аффинных преобразований масштабирования и поворота. Рассмотрены основные дефекты, характерные для аффинных преобразований растровых изображений и выработаны рекомендации по устранению дефектов.

В заключении сделаны выводы по работе.

В приложении приводятся тестовые изображения и результаты их преобразования, таблицы с результатами экспериментов, копии актов внедрения результатов и выводов диссертации в промышленности.

1. анализ методов обработки растровой информации в

иис

1.1. Особенности ИИС технического зрения на основе датчиков

видеоинформации

Значительная часть измерительной информации в исследовательских и производственно-технологических процессах представляется в виде многомерных величин, для которых существенны корреляционные связи по различным аргументам. В таких случаях необходимо использовать информационно-измерительные системы, позволяющие проводить количественный анализ сигнала, зависящего от нескольких переменных. К классу указанных измерительных систем относятся ИИС технического зрения на основе датчика видеоинформации (ИИС ТЗ) (рис. 1.1).

Управление ориентацией

Рис. 1.1 Структура ИИС ТЗ

Широкое применение ИИС ТЗ в процессах автоматизации экспериментов [19, 44, 67], производственно-технологических процессах [43, 63, 68, 70, 82, 83], при исследовании природных ресурсов [11, 19] объясняется обновлением элементной базы и возросшей точностью датчиков видеоинформации [19, 44], а также совершенствованием средств

вычислительной техники. На основании этого можно указать следующие особенности ИИС ТЗ. Во-первых, в связи с повышенной чувствительностью и точностью датчиков видеоинформации предъявляются высокие требования к точности измерений (космическая и аэро- фотосъёмка) [11]. Во-вторых, применение универсальных ЭВМ определяет способность ИИС решать различные задачи без существенной перестройки аппаратуры путём изменения алгоритмов управления и обработки данных. Таким образом, значительное внимание при разработке автоматизированной системы на основе ИИС ТЗ уделяется разработке алгоритмов. В-третьих, использование в качестве первичного сигнала многомерных величин требует специфических методов предварительной обработки сигнала на ЭВМ.

Измеряемые величины могут относиться к отдельным объектам или к группе объектов, содержащихся во входном сигнале, либо ко всему входному сигналу. Измеряемые параметры в этом случае содержатся в некотором связном подмножестве точек изображения [11, 19, 26, 61], характеризуемом некоторыми признаками (точки в пределах замкнутого контура, точки, в которых значения сигнала коррелированы и т.п.). К измеряемым параметрам можно отнести параметры группы преобразований, переводящей исследуемый объект к некоторому эталонному виду [19, 26]. В качестве группы преобразований часто используется группа аффинных преобразований, определяющая положение, ориентацию �