автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.01, диссертация на тему:Информационно-логическая модель автоматизированной системы обработки изображения

ВВВДЕНИЕ ;.

ГЛАВА I. АНАЖЗ СОВРЕМЕННЫХ ПРОБЛЕМ ФОРМАЛИЗАЦИИ ОПИСАНИЯ СИСТШ.

§1.1. Проблемы создания автоматизированных систем обработки изображений.

§!1.2. Системный подход и теория проектирования.

§ 1.3. Теоретико-множественная концепция описания систем.

§ 1.4. Другие подходы к определению понятия система1.

§ 1.5. Проектирование систем как задача конструктивного описания.

ВЫВОДЫ ГЛАВЫ 1.

ГЛАВА П. КАТЕГОРИАЛЬНЫЙ АППАРАТ ОПИСАНИЯ ИНФОРМАЦИОННЫХ ОБЪЕКТОВ.

§ П.1. Объект, имя, свойство, отношение.

§ П.2. Макро- и микроописания объекта.

§ П.З. Влияние задащих свойств объекта на порождающую процедуру.

П.3.1. Зависимость свойств объекта-класса от свойств его элементов.

П.3.2. Свойства объекта-агрегата и порождающая процедура.

§ П.4. Различие между свойствозависимыми и свойствонезависимыми порождающими процедурами.».

ВЫВОДЫ ГЛАВЫ П.

ГЛАВА Ш. ПОСТРОЕНИЕ ИНФОРМАЦИОННО-ЛОГИЧЕСКОЙ МОДЕМ СИСТЕМ ОБРАБОТКИ ДАННЫХ.

§ ШД. Этап анализа в построении информационно-логической модели системы обработки данных.

§ Ш.2. Этап синтеза.

Ш.2.1. Микроописание системы на основе категориального аппарата.

ВЫВОДЫ ГЛАВЫ Ш.

ГЛАВА ХУ. ПОСТРОЕНИЕ ИНФОРМАЦИОННО-ЛОГИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ СИСТЕМЫ ОБРАБОТКИ ИЗОБРАЖЕНИЯ.

§ 1У.1. Предметные области АСОИз.

§ 1У.2. Этап анализа в построении информационно-логической модели АСОИз.

§ ЗХ.'З. Этап синтеза в построении информационно-логической модели АСОИз.

1У.3.1. Этап анализа элементов изображения.

1У.3.2. Этап синтеза элементов изображения.

1У.З.З. Этап синтеза в построении изображения.

§ 1У.4. Структура программного обеспечения автоматизированной системы обработки изображения.

§ 1У.5. Интерактивный выбор структуры программного обеспечения АСОИз. вывода ГЛАВЫ 1У.

Органическое соединение достижений научно-технической революции с преимуществами социалистической системы хозяйства, новый этап процесса превращения науки в непосредственную производительную силу - все это имеет большое значение в продвижении нашей страны к коммунизму.

В "Основных задачах экономического и социального развития страны на I98I-I985 годы и на период до 1990 года утвержденных ХХУ1 съездом КПСС, указано на необходимость в области естественных и технических наук сосредоточить усилия на решении такой важнейшей проблемы, как развитие математической теории, повышение эффективности е е использования в прикладных целях ^ В широкий спектр вопросов, успешному решению которых способствовала бы математическая теория, можно поставить и задачи проектирования и создания новой техники, оборудования и механизмов. Расширение автоматизации проектно-конструктор-ских работ с применением электронно-вычислительных машин требует создания единого математического аппарата, позволяющего с единых методологических позиций подходить к созданию той или иной системы, переходить от узко ориентированных методик проектирования к достаточно универсальному подходу,

В теории проектирования наступает период, когда требуется ~1 системный подход как к объекту проектирования, так и, в первую очередь, самому процессу проектирования. Причем в таком подходе должны гармонично сочетаться количественные и качест

I) Материалы ХХУ1 съезда КПСС. - М.: Политиздат, 1У81, с.146. венные методы, учитываться объективные и субъективные факторы, отражающие процесс проектирования. Однако ни качественные, ни субъективные моменты не должны препятствовать формализации проектирования, а в дальнейшем и его автоматизации.

Тот факт,что до последнего времени проектирование не стало формальной теорией, а представляет собой конгломерат различных методик, полуформальных предложений, эмпирических зависимостей, ориентированных на узконаправленные области применения, говорит о малом теоретическом осмыслении этого важного вида человеческой умственной деятельности. Говоря о проектировании технических систем, необходимо сказать, что увеличивающиеся потребности в создании новых систем, во-первых, усложнение проектируемых систем, во-вторых, и широкое развитие средств вычислительной техники, в-третьих, создают необходимость перехода от Эмпиризма и интуиции к научной теории проектирования. Разработка и создание систем автоматизации проектирования тому подтверждение. Однако, несмотря на примеры успешного функционирования подобных систем, можно говорить пока о формализации проектирования в тех спещкрчных областях, где исрользуются подобные САПР. Общая методологическая основа проектирования, независимая от областей приложения, только начинает развиваться. Безусловно, что "наполнение" формальной теории проектирования должно осуществляться в конкретных предметных областях, однако, теория проектирования не опускаясь до тривиальности, должна представлять собой дедуктивную теорию, описывающую основные, общие закономерности процесса проектирования.

Одним из основных направлений применения кибернетики является создание автоматизированных систем обработки данных, в число которых входят и системы обработки изображения. Во многих областях науки и техники возникают задачи извлечения информации об исследуемых объектах посредством анализа их изображений.

Огромные массивы информации, связанные с изображением, необходимость оперативной ее обработки требуют использования в этих целях ЭВМ.

В число многих проблем обработки плоскостных изображений входят и задачи получения описания изображения, то есть выделения определенного класса, признаков,по которым в дальнейшем на этапе принятия решения проводится классификация и распознавание исследуемого изображения, а в конечном итоге и объекта, которое оно представляет.

Некоторые признаки изображения имеют естественные определения в том случае, если в изображении выделены некоторые подмножества, иначе говоря характерные образования. Одна из проблем при построении описания изображения, даже при условии унификации класса определяемых признаков, состоит в чрезвычайном разнообразии и специфичности изображений и характерных образований в нем в различных предметных областях. Эти трудности приводят к тому, что при автоматизации процесса обработки структурированных изображений, разрабатываемые автоматизированные системы обработки изображения (АСОИз) ориентированы на узко специальные предметные области, поскольку в них заложены, как правило, один критерий образования характерных образований. Но практика требует создания гибко перестраиваемых АСОИз, ориентированных на достаточно широкую сферу применения.

Задача проектирования подобных систем чрезвычайна актуальна. Однако эта практическая задача без использования единого теоретического подхода к описанию процесса количественной обработки структурированных изображений чрезвычайна затруднительна.

В процессе проектирования систем обработки данных можно в качестве основного этапа выделить именно &£ап построения описания процесса, лежащего в основе проектируемой системы.Несмотря на обилие существующих подходов к описанию систем, • большинство из них затруднительно использовать в задачах проектирования систем вообще и систем обработки данных в частности.

Целью данной работы является создание системного подхода к построению описаний информационных процессов, лежащих в основе проектируемых систем обработкидданных.

Научная новизна работы заключается в следущем.

1. Проведена классификация различных определений понятия системы и установлены различные способы ее описаний. Выделен этап создания информационно-логической модели системы как основной этап ее проектирования. Показано, что для адекватного описания проектируемой системы необходим учет как фактора цели проектирования, так и фактора цели функционирования данной системы.

2. Предложен аппарат на основе развития категорий "объект", "свойство", "отношение" для построения макро- и микроописания объекта. Показана связь между макро- и микроописаниями объекта.

3. Разработан системный подход к построению информационно-логической модели проектируемой системы обработки данных.

4. Создана на основе такого подхода информационно-логическая модель автоматизированной системы обработки изображения.

5. Реализовано гибкое построение необходимой структуры программного обеспечения автоматизированной системы обработки изображения в зависимости от задачи исследования.

Практическая ценность. Выдвинутые в работе теоретические положения и разработанная системная основа обобщают различные способы построения описаний систем, объединяют макрои микро подходы в проектировании, делают возможным формализацию построения информационно-логической модели проектируемой системы обработки данных, а также создание формального аппарата проектирования информационных систем.

Аппробавдя результатов работы. Материалы диссертации докла*-дывались и обсуждались на семинарах кафедр Вычислительной техники и Кибернетики МИШ, I Всесоюзной конференции "Автоматизированные системы обработки изображений ( АСОИз-81 )" ( Москва^ июнь, 1981г. ), I Всесоюзной научно-технической конференции "Синтез и проектирование многоуровневых систем управления " ( Барнаул, сентябрь, 1982г. ), Всесоюзной конференции "Измерение и контроль при автоматизации производственных процессов " (Барнаул, октябрь, 1982г. ), Всесоюзном симпозиуме "Проблемы цифрового кодирования и преобразования изображений " ( Тбилиси, сентябрь, 1980г. ), Всесоюзной конференции " Теория систем и разработка АСУ" ( Москва, январь, 1982г. ), школе-семинаре по проблемам управления качеством продукции ( Москва, февраль, 1983г. ).

По результатам диссертационной работы опубликовано 6 печатных работ [32-37] , получено I авторское свидетельство.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложения.

Основные результаты работы состоят в следующем.

1. Проведен анализ задач обработки изображений и определены основные проблемы создания автоматизированных систем обработки изображений, заключающиеся в построении адекватного описания процессов обработки визуализированной информации.

2. Проанализированы различные подходы в разрезе системной концепции к описанию информационных систем. Сформулированы основные их недостатки, заключающиеся в слабом учете целей проектирования и функционирования описываемой системы, влияния первой цели на вторую, выявлено отсутствие единства макро- и микроподходов в описании систем.

3. На основе ^проведенного анализа определена необходимость использования системных концепций в задачах проектирования и выделен этап построения информационно-логической модели системы в качестве основного и главного этапа процесса проектирования систем.

4. Исходя из существа задач проектирования, оцениваемого с точки зрения построения описания процессов обработки данных, разработан формальный аппарат, основанный на категориях "объект", "свойство", "отношение" для описания и представления гомогенных информационных объектов (процессов), связывающий воедино макрои микроописания.

5. Предложен системный подход к построению информационно-логической модели систем обработки данных, адекватной целям про

-ектирования. Адекватность определяется полнотой учета целей функционирования системы, структурно-функциональностыо представления, Данный подход базируется на введенном категориальном аппарате•

6. Разработанный подход применен для построения информационно-логической модели автоматизированной системы обработки изображений,

7. На основе полученных результатов решена задача гибкого перестроения структуры программного обеспечения АСОИз (диалоговая настройка) в зависимости от предметной области и целей функционирования.

8. На основе построенной информационно-логической модели разработано и реализованно программное обеспечение гибкой АСОИз, позволяющей решать рассматриваемый класс задач количественной обработки структурированных изображений.

Результаты теоретических и экспериментальных исследований позволяют сделать следующие выводы.

1, Предложенный подход к построению информационно-логической модели систем* данных является эффективным средством построения описаний информационных процессов в задачах проектирования рассматриваемого класса систем. Данный подход в отличие от большинства существующих подходов позволяет осуществлять целенаправленность в построении описания, учитывать влияние цели проектирования на выбор целей Функционирования системы, единство макро- и микроописаний.

2. Представление процессов АСОИз с помощью информационно-логических моделей повышает адекватность их описания целям проектирования, которая определяется достижимостью целей функционирования, структурно- функциональностью моделей. Все это позволяет повысить точность распознавания, избежать избыточности в описании изображения.

3. Адаптивность подхода позволяет строить многоцелевую информационно-логическую модель .АСОИз, достигая гибкость в перестроении система под разные предметные области и задачи обработки изображений.

4. Предложенный подход является основой для формализации и автоматизации одной из наиболее сложных задач теории САПР, связанных с автоматизированной обработкой данных, в целом, и структурированных изображений, в частности.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.

В результате проведенных теоретических и экспериментальных исследований и опытной эксплуатации-системы можно заключить, что получена информационно-логическая модель автоматизированной системы обработки изображений, достаточно адекватно представляющая реальные процессы обработки информации в классе систем обработки данных, отвечающих требованиям гомогенности.

1. Акофф Р., йлери Ф., Фишберн П. Теория полезности для принятия решений. М.:Мир, 1978.

2. Анисимов Б.В., Курганов В.Д., Злобин В.К. Распознавание и цифровая обработка изображений. М.: Высшая школа, 1983.

3. Бурбаки Н. Элементы математики. Кн.1. Теория множеств. Пер. с франц. М,: Мир, 1965.

4. Вилкас Э.И., Майминас Е.З. Решения: теория, информация, моделирование. М.: Радио и связь, 1981.

5. Гвардейцев М.И., Морозов В.П., Розенберг В.Я. Специальное математическое обеспечение управления. М.: Советское радио, 1980.

6. Гвишиани Д.М. Теоретико-методологические основания системы исследований и разработка проблем глобального развития. В кн.: Системные исследования. Ежегодник 1982. - М.: Наука, 1982.

7. Гренандер I. Лекции по теории образов: Пер. с англ., кн.1, кн.2, кн.З. М.: Мир, 1979, 1981, 1983.

8. Глушков В.М., Капитонова Ю.В., Летичевский А.А. Математическая информационная среда и проектирование систем искусственного интеллекта. М.: АН СССР, Научный совет по комплексной проблеме "Кибернетика", 1980.

9. Дешко А.И., Игнатенко Б.В., Костюк В.И. Информационная модель проблемной области в системах принятия решения. Кибернетика, 1983, № I, с.46-49.

10. Дружинин В.В., Конторов Д.С. Проблемы системологии. М.: Советское радио, 1976.

11. Дубров Я.А., Штелик В.Г., Маслова Н.В. Системное моделирование и оптимизация в экономике. Киев: Наукова Думка, 1976.

12. Емельянов С.В., Наппельбаум Э.Л. Системы, целенаправленность, рефлексия. В кн.: Системные исследования. Ежегодник1981. М.: Наука. 1981.

13. Жарков В.И. Множество как система. В кн.: Системный метод и современная наука. Ежегодник 1981. - Новосибирск: НГУ,1981.

14. Заде Л., Дезоер Ч. Теория линейных систем. Пер.с англ.-М.:Мир, 1970.

15. Калман Р., Фалб П., Арбиб М. Математическая теория систем. Пер. с англ. М.: Мир, 1971.

16. Каськов Н.Н. Логико-философский анализ общей теории систем и системного подхода. Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата философских наук. - М.: МГУ, 1971.

17. Кузин Л.Т. Основные проблемы проектирования больших систем. Сб. статей: Некоторые вопросы кибернетики. Вып. I. - М.: МИФИ, 1970.

18. Кузин Л.Т. 0 проблеме искусственного интеллекта. Сб. статей: Некоторые вопросы кибернетики. Вып. 2. - М.: МИФИ,1975.

19. Коэн П.ДЖ. Об основаниях теории множеств: Пер. с англ. -Успехи математических наук, 1974. № 5.

20. Крон Г. Исследование сложных систем по частям диакоп-тика. Пер. с англ. - М.: Наука, 1972.

21. Ларичев О.И. Наука и искусство принятия решений. М.: Наука, 1979.

22. Левченков B.C., Пропой А.И. 0 математической теории систем. В сб.тр.: Математические методы в теории систем.

23. М.: ВНИИСИ, 1980, с. 6-14.

24. Левченков B.C. Математическое описание систем с субъективно определенными параметрами. В сб.тр.: Математические методы в теории систем. - М.: ВНИИСИ, 1980, с. 14-33.

25. Макаров Н.Г. Категория "цель" в марксистской философии.- Л.: Наука, 1977.

26. Макаров Н.Г. Категория "цель" в домарксистской философии.- Л.: Наука, 1974.

27. Мальцев А.И. Алгебраические системы. М.: Наука, 1970.

28. Мальцев А.И. Алгоритмы и рекурсивные функции. М.: Наука,1965.

29. Мартин-Леф П. Очерки по конструктивной математике. М.: Мир, 1975.

30. Месарович М., Мако Д., Такахара И. Теория иерархических многоуровневых систем. Пер. с англ. М.: Мир, 1973.

31. Месарович М., Такахара Я. Общая теория систем: математические основы. Пер. с англ. М.: Мир, 1978.

32. Мостовский А.А. Конструктивные множества и их приложения. Пер. с англ. М.: Мир, 1973.

33. Никитин В.В. и др. Проектирование многоуровневой системы управления с растровым микроскопом в контуре управления. В сб.: Синтез и проектирование многоуровневых систем управления. Тезисы докладов I Всесоюзной конференции. - Барнаул: Минвуз СССР, 1982.

34. Никитин В.В. Организация математического обеспечения исследовательского комплекса РЭМ-ЭВМ. В сб.: Измерение и контроль при автоматизации производственных процессов. Тезисы докладов Всесоюзной конференции. Барнаул: АН СССР и Минприбор СССР, 1982.

35. Никитин В.В., , Митрофанов С.А., Мухин М.В. О выборе алгоритмов определения размерных характеристик односвязных областей.-В сб.: Автоматизированные системы обработки изображения. Тезисы докладов I Всесоюзной конференции. М.: Наука, 1981.

36. Никитин В.В. Интерактивное построение программного обеспечения АСОИз в зависимости от задач пользователя. В сб.: Теория систем и разработка АСУ. Тезисы докладов Всесоюзной конференции.-М.: НТО Минприборпром, 1982.

37. Никитин В.В. Макро- и микроподход к описанию систем.

38. В сб.: Проблемы управления качеством продукции. Тезисы докладов Всесоюзной школы-семинара. М.: НТО Приборостроительной промышленности, 1983.

39. Новиков П.С. Конструктивная математическая логика с точки зрения классической. М.: Наука, 1977.

40. Новиков П.С. Элементы математической логики. М.: Наука, 1973.

41. Оптнер Ст.Л. Системный анализ для решения деловых и промышленных проблем: Пер. с англ. М.: Советское радио, 1969.

42. Патрик Э. Основы теории распознавания образов: Пер. с англ.-М.: Советское радио, 1980.

43. Разин Ю.Б. Вопросы методологии системного проектирования.

44. В кн.: Системный метод и современная наука. Ежегодник 1975. -Новосибирск: НГУ, 1975.

45. Расева Е., Сикорский Р. Математика метаматематики: Пер. с англ. М.: Наука, 1972.

46. Распознавание образов при помощи цифровых вычислительных машин. Сб. статей, пер. с англ. - М.: Мир, 197^.

47. Роджерс X. Теория рекурсивных функций и эффективная вычислимость. М.: Мир, 1972.

48. Розенфельд А. Распознавание и обработка изображений с помощью вычислительных машин: Пер. с англ. М.: Мир, 1972.

49. Сагатовский В.Н. Системная деятельность и ее философское осмысление. В кн.: Системные исследования. Ежегодник 1980. -М.: Наука, 1981.

50. Сагатовский В.Н. Опыт содержательной классификации систем. В кн.: Системный метод и современная наука. Ежегодник 1972.-Новосибирск: НГУ, 1972.

51. Садовский В.Н. Основания общей теории систем. М.: Наука,1974.

52. Садовский В.Н. Принцип системности, системный подход и общая теория систем. В кн.: Системные исследования. Ежегодник 1978. - М.: Наука, 1978.

53. Садовский В.Н. Системный подход и общая теория систем: статус, Основные проблемы и перспективы развития. В кн.: Системные исследования: Методологические проблемы. Ежегодник 1979.-М.: Наука, 1980, с. 29-54.

54. Садовский В.Н. Методологические проблемы исследования объектов, представляющих собой системы. В кн.: Социология в-114

55. CCCP. T.I. М.: Наука, 1965, с.164-192.

56. Смирнов Г.А. Основы формальной терии целостности.

57. В кн.: Системные исследования. Ежегодник 1979. М.: Наука,1979,

58. Смирнов Г.А. Об исходных понятиях формальной теории целостности. В кн.: Системные исследования. Ежегодник 1978. -М.: Наука, 1978,

59. Ту Д.Т., Гонсалес Р.К. Принципы распознавания образов: Пер. с англ, М.: Мир, 1978.

60. Тюхтин B.C. Отражение системы, кибернетика. Терия отражения в свете кибернетики и системного подхода. М.: Наука, 1972.

61. Уемов А.И. Логические основы метода моделирования. -М.: Мысль, 1971.

62. Уемов А.И. Вещи, свойствам отношения. М.: АН СССР, 1963.

63. Уемов А.И. , Садовский В.Н. (ред.) Проблемы формального анализа систем. М.: Высшая школа, 1968.

64. Уемов А.И. Системный подход и общая теория систем. -М.: Мысль, 1978.

65. I. Урманцев Ю.А. Опыт аксиоматического построения общей теории систем. В кн.: Системные исследования. Ежегодник 1971. - М.: Наука, 1972.

66. Урсул А.Д. Природа информации. М.: Наука, 1968.

67. Целшцев В.В. Об одном аспекте соотношения методологии дедуктивных наук и системного метода. В кн.: Системный метод и современная наука. Ежегодник 1972. - Новосибирск: НГУ, 1972.

68. Флейшман Б,С. Основы системологии. М.: Радио и связь, 1982.-11565. Фу К. Структурные методы в распознавании' образов: Пер. с англ. М.: Мир, 1977.

69. Шрейдер 10.А. Теория множеств и теория систем. В кн.: Системные исследования.Ежегодник 1978. М.: Наука, 1978.

70. Шрейдер Ю.А., Шаров А.А. Системы и модели. М.:Радио и связь, 1982.

71. Шрейдер Ю.А. Сложные системы и космологические принципы. В кн.: Системные исследования. Ежегодник. - М.: Наука,1975.

72. Шрейдер Ю.А. Равенство, сходство, порядок. М.: Наука, 1971.

73. Шрейдер Ю.А, К построению языка описания системы. В кн.: Системные исследования. Ежегодник 1973. - М.: Наука, 1973,с. 226-238.

74. Щедровицкий Г.П. Принципы и общая схема методологической организации системно-структурных исследований и разработок.

75. В кн.: Системные исследования. Ежегодник I98I.-M.: Наука, 1981.

76. Основы кибернетики. Теория кибернетических систем. Ч.2.-Под.ред. Пулкова К.А. М.: Высшая школа, 1976.

77. Челшцев Б.Е., Боброва И.В. Определение структуры математической модели автоматизации процесса проектирования.-В сб. тр. НИАТ №396 : Вопросы теории автоматизации технологического проектирования. М.: НИАТ, 1980, с.33-38.

78. Kanado Ш. Region segmentation signal vs. semantics.-Eroc. 4 Int. conf. pattern recognation. Kyoto,1979.- New

79. York, 1 979 , P . 95-1 05 .

80. KLir G.J. An approach to general systems theory. -New York.: Willey, 1972.

81. Klir G.J. Trends in general systems theory. Hew York.: Willey,1972.

82. Lilienfild R. The rise of systems theory. An ideological analysis. - Now York,1978.

83. Tarski A, Contribution to the models. 1-2.- Indagationes mathematicae, vol.16, p.572-588, 1974.

84. Shaw A.G. The formal picture description scheme as a basis for picture processing systems. Information and Control, 14, p. 9-52, 1969.

85. Главный инженер предприятие п/я В20581. Ю.Л.Козлов )1983г..( Б.М.Михайловч.\ ч-v. г1983г.1. А К То внедрении автоматизированной систеш обработки изображения.

86. Система внедрена на предприятии и/я В2058 в задачах исследования и контроля материалов ЭТ. Эффект от внедрения составил 84,7 тыс.рублей.

87. Начальник лаборатории 832-Руководитель Научного центра1. Государственной премии

88. Лауреат СССР, .фцент, к.т.н.1. Ml 1 В.П.Марин )U