автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.01, диссертация на тему:Методы, алгоритмы и технические средства оперативной оценки качества изображений

На правах рукописи

ВОРОНЦОВ ЕВГЕНИЙ АЛЕКСАНДРОВИЧ

оперативной оценки качества изображений

Специальность 05.11.01 - Приборы и методы измерения по видам измерений (механические величины)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург 2006

Работа выполнена на кафедре мехатроники Санкт-Петербургского государственного университета информационных технологий, механики и оптики.

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Мусалимов Виктор Михайлович Научный консультант: кандидат технических наук

Глейзер Валерий Иосифович Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Аршанский Михаил Маркович кандидат технических наук, ст.н.с. Анитропова Ирина Леонидовна

Ведущая организация: Санкт-Петербургский филиал академии стандартизации, метрологии и сертификации

Защита состоится « ,/Ус2006г. на заседании диссертационного совета Д212.227.04 при банкт-Петербургском государственном университете информационных технологий, механики и оптики по адресу: 197101, Санкт-Петербург, Кронверкский пр., д.49, аудитория 2

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке СПбГУ ИТМО. Автореферат разослан « 22»

Ученый секретарь диссертационного совета Д212.227.04

к.т.н., доцент Иванов А.Ю.

Общая характеристика работы Актуальность темы

Задачи оценки качества изображений возникают при проектировании интеллектуальных систем с техническим зрением, при анализе степени деградации граничных поверхностей различного рода технических устройств. В равной мере подобные задачи, например, возникают в медицинской практике, при формировании реалистичных 3D сценариев механических процессов.

Сформулированная таким образом проблема подразумевает возможности определения экспертной интеллектуальной системы, для которой критерий качество каждой исследовательской программы оригинален.

При решении задач оценки качества изображения доминирующую роль играют как методы исследования, так и технические средства. При этом с одной стороны, необходимо решить вопрос разработки, выбора и модернизации устройств работающих в рамках экспертной системы; и с другой стороны, обеспечить оперативные возможности оценки качества изображения.

Известен ряд исследований, в которых сформулированы и решены задачи оценки качества изображения. В области исследования космоса: это проект NASA Telerobotic Construction Challenge (создание интеллектуального робота), проект NASA LEMUR (создание робота для самостоятельного перемещения по внешней обшивке космической станции); совместная программа Европейского космического агентства (ЕКА) и российских ученых - робот-манипулятор «Дорес» для Международной космической станции (МКС). При анализе качества рельефа граничных поверхностей в чеканном производстве: это проекты НИИ ГОЗНАК, Administration Des Monnaies et Medailles (Франция, Австрия), исследовательские программы Microsystem Controls PTY. LTD (Австралия), Mars Incorporated (Великобритания, США).

Решение данной проблемы в рамках экспертной интеллектуальной системы предусматривает широкое использование компьютерных, математических, оптических технологий и определяет актуальность темы работы.

Целью работы является разработка методов, алгоритмов и технических средств, а также критериев оценки качества изображения на основе теории естественного зрительного восприятия пространства.

Задачи исследования. Выполненный обзор по проблемам зрительного восприятия человеком пространства, теории шкал, компьютерного зрения позволяет сформулировать следующие основные задачи исследования:

1. Анализ проблемы и постановка задачи

2. Разработка методов исследования на основе теории зрительного восприятия.

3. Постановка эксперимента в рамках теории. Вывод общих принципов и закономерностей

4. Выбор технических средств определения геометрии пространства, классификация и анализ с точки зрения теории зрительного восприятия

5. Анализ существующих компьютерных технологий с целью выявления различных вариантов расширения возможностей отображения пространства техническими средствами

6. Построение шкалы зрительной восприимчивости и обоснование ее использования как характеристики качества изображения

7. Практические решения задач, связанных с естественным отображением трехмерных объектов и пространства

Научная новизна заключается в следующем:

• Разработаны методика и технические средства формирования образа пространства, соответствующего естественному видению человека

• Разработана методика и тех. средства анализа качества изображений

Основные положения, выносимые на защиту:

• Разработка метода исследования в рамках теории зрительного восприятия

• Постановка эксперимента в рамках теории

• Выбор и модернизация технического средства с целью решения задач исследования.

• Методика и средство определения координат естественного видения человека

• Формирование естественного образа пространства

• Разработка оперативной экспертной системы оценки качества изображения на монетах

Практическая ценность

1. предложено техническое решение формирования изображения, соответствующего естественному видению человека, тем самым решена одна из задач адаптации зрения робота и зрения человека;

2. определена шкала зрительной восприимчивости;

3. реализована методика оперативной оценки продукции чеканного производства, в частности, решена задача оценки деградации поверхности монеты.

Апробация работы

Основные положения диссертационной работы докладывались, обсуждались и получили положительную оценку более чем на 10 конференциях, в том числе: на девятом Всероссийском съезде по теоретической и

прикладной механике (Нижний Новгород, 2006), на седьмой сессии международной научной школы «Фундаментальные и прикладные проблемы надежности и диагностики машин и механизмов» (СПб, 2005 г.), на Всероссийской научной конференции студентов и аспирантов (с международным участием) «Робототехника, мехатроника и интеллектуальные системы», (Таганрог, 2005), на международной конференции «Интеллектуальные системы» AIS'06 (Геленджик, 2006), на VI Международном оптическом конгрессе «Оптика - XXI век» (СПб, 2006), на II и 1П конференциях молодых ученых СПбГУ ИТМО (СПб, 2005-2006).

Публикации

По материалам диссертации опубликовано 10 печатных работ, в том числе в журнале «Приборостроение», тематических выпусках научно-технического вестника СПбГУ ИТМО, материалах указанных конференций.

Структура и объем работы Диссертационная работа изложена на 104 страницах и состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы (85 наименований), а также включает приложения (62 страницы ).

Содержание работы Во введении обоснована актуальность темы исследования, сформулирована цель и основные задачи работы, приводятся положения, выносимые на защиту.

В первой главе выполнен аналю состояния исследований по проблеме диссертации, представлены основные положения теории зрительного восприятия.

Формирование зрительного образа объемного объекта зрительным анализатором человека обладает рядом особенностей. В объективном пространстве рельсы на горизонте не сходятся, а в субъективном сходятся. Следует отметить, что человек «видит» не глазами, а мозгом. Глаз -

источник первичной информации, за формирование зрительного образа отвечает мозг. Зрительное восприятие есть результат восприятия сформированного мозгом зрительного образа. В данном контексте рассматривается система глаз+мозг. Под естественным зрительным восприятием следует понимать восприятие зрительных образов без искажений, присущих работе мозга. Для оценки зрительного восприятия геометрических параметров пространства вводится понятие восприимчивость. Восприимчивость- умение воспринимать особенности пространства. Под особенностью пространства, прежде всего, понимается глубина.

Первые упоминания о методике формирования образа естественного видения принадлежат Леонардо да Винчи. Теории зрительного восприятия пространства посвящены работы таких ученых, как Н. Baravalle, Л.В. Мочалов, Б.В. Раушенбах, Ю.П. Нагорнов. Проблемами механизма константности зрительного восприятия занимались Г.Мартиус, В.Вундт, Э.Геринг, Г. Гельмгольц, A.A. Смирнов, М.Н. Волокитина. Исследованиям свойств зрительного анализатора в области визометрии посвящены работы Г.Снеллена, Г. Ландольта, Ю.З.Розенблгома, Л.И.Айзенштата, в области офтальмологии Е.И.Сидоренко, В.Ф.Даниличева. Известно практическое решение проблемы естественного зрительного восприятия посредством создания оптической системы: патент Н.Г.Кувшинова, В.И.Решетникова (6G 02В 13/00А) на объектив обратной перспективы. Отдельно следует отметить работы Н.И. Лобачевского, связанные с геометрией пространства. По теории шкал можно отметить работы И. Пфан-цангля, С. Кумбса, МЛ. Марусиной. По системах компьютерного зрения известны работы Д.Форсайта, Ж.Понса, Л.Шапиро, Дж.Стокмана. Проблемы оценки качества изображения на монетах рассмотрены в работах И.Г.Спасского, A.A. Щелокова. Мехатронные аспекты автоматизации производственных процессов рассматриваются в работах М.М. Аршан-

ского. Проблемы оценки качества изображения на чеканном инструменте рассмотрены в работах Мусалимова В.М., Орлова C.B..

Исследования и эксперименты в рамках теории зрительного восприятия показали, что в зависимости от расстояния до наблюдаемого объекта зрительный анализатор человека формирует различные варианты построения перспективы. Перспектива - система проекционного построения пространства на плоскости, основанная на методе центрального проектирования.

Установлено, что человек воспринимает ближний план в обратной перспективе, неглубокий дальний - в аксонометрии и только дальний план в прямой перспективе. Такая полная многоплановая перспектива называется перцептивной (от перцепция - восприятие) и является продуктом совместной работы зрения и мозга человека.

Согласно теории, дня каждого объекта и окружающей обстановки существует оптимальное расстояние наблюдения, обеспечивающее наиболее естественное зрительное восприятие. Классическая теория перспективы, как, и классическая оптика, не учитывает механизмы константности величины и формы.

Описаны характерные признаки естественного зрительного восприятия человека. Приводится формулировка закона сохранения искажений. Закон сохранения искажений имеет важное практическое значение. Он позволяет, например, пренебрегая корректностью отображения подобий, уменьшить ошибки масштаба и глубины.

Во второй главе рассматриваются экспериментально-аналитические методы построения изображения трехмерных объектов и пространств на плоскости. Для того чтобы оценить качество искажения и внести коррективы в плоское изображения трехмерных объектов с целью приближения к естественному видению человека вводится функция F(L). Она выполняет роль поправочного коэффициента. Эта функция зависит

от расстояния наблюдения объекта, что было подтверждено описанным в главе 2 экспериментом.

На основании экспериментальных данных была построена зависимость у (отсчет по условной шкале приведенный к величине шкалы) от

X. На графике (рис.1) приводятся экспериментальные данные для трех исследуемых сечений (1,2,3). Приводится аналитическая функция преобразования предложенная Раушенбахом:

Рис. 1 Графики функции у(х) Показана линейная зависимость, соответствующая классической перспективе (рис. 1, прямая - 4, уравнение у + х — 1).

виде необходимо проделать ряд процедур по переводу отсчетов по условной шкале в значения собственно функции. Сначала необходимо привести значение отсчета к величине шкалы:

1-х

О)

.а

Для того чтобы получить функцию преобразования ) в явном

Затем определяется непосредственно значение функции преобразования:

= + (3)

Таким образом, получены зависимости функций преобразования от расстояния. Очевидно существование трех функции преобразования -Р1{Ь),Р2(Ь),РЗ(Ь). Основополагающей является функция так

как остальные выражаются через нее (4,5).

На графике (рис.2) приводятся три функции преобразования.

(4)

(5)

а я . к> .»

» эо « « 4* » •

Рис.2 Функции преобразования Представленная на графике кривая /^о(Г) описывается следующей зависимостью:

Р0(Ь ) = 1 + О.бя- • а/год

Г ^

(6)

, 0.86Я-)

Данная кривая является адекватной функцией преобразования. Для количественной оценки адекватности описания функции преобразования было рассчитано среднеквадратическое отклонение экспериментальных данных (табл.1):

где V* = (уср — у,)2 - отклонение значения функции преобразования (в неявном виде) от среднеарифметического значения.

Таблица 1

СКО функций преобразования

№ Название функции Вид функции Значение СКО

10м 25м 50м

1 Экспериментальная функция «Г)-140.6я 0,05 0,05 0,06

2 Аналитическая функция Раушснбаха дГ>---^--1 '-Ст 0,05 0,11 0Д1

3 Линейная перспектива 0Д2 0,21 0,15

Анализ рассчитанной СКО позволяет сделать вывод о допустимости использования функции F0(Z,) в качестве функции преобразования.

Рассматриваются элементы теории шкал. Теория шкал используется в данной работе при определении шкалы зрительного восприятия.

Исходя из определения зрительного восприятия, зрительный образ формируется мозгом. Первичной информацией для зрительного анализатора является информация, поступающая из объективного пространства (или эмпирического пространства).

Приводится определение прямой и обратной задачи измерения на примере решения геодезических задач. Прямой задачей измерения является получение необходимой и достаточной информации о состоянии эмпирической системы с отношениями. При проведении геодезической съемки местности исследуемая территория представляет собой эмпирическую систему с отношениями. Информация об этом объекте исследования

будет представляться в виде координат реперных точек, которые связаны между собой определенными отношениями. Количество точек зависит от выполняемой задачи. Требуется синтезировать соответствие между эмпирической системой с отношениями и числовой системой с отношениями. В геодезии известна и обратная задача. Имеется массив координат точек, которые являются реперными точками сооружения. Необходимо «вынести их в натуру», т.е. отобразить их из числового массива (числовой системы с отношениями) в пространство (эмпирическую систему с отношениями). Отображение должно быть гомоморфным. Правила, позволяющие решить данные задачи, представляют собой шкалу. Шкала — гомоморфизм неприводимой э.с.о. в числовую с.о.. Для решения различных задач требуются и различные шкалы.

Зрительный анализатор человека, осуществляющий отображение окружающего пространства, использует шкалу зрительного восприятия, т.е. правило формирования образа, функцию отображения.

Для определения координат естественного видения и формирования трехмерной модели, определения отклонения от действительных координат необходимо определить действительную геометрию пространства.

В третьей главе произведен выбор технических средств определения геометрии пространства.

Для определения действительной геометрии пространства могут быть использованы различные технические средства: гироскопические приборы, ОРБ-системы, оптико-электронные геодезические приборы. В настоящей работе решается проблема зрительного восприятия, поэтому средство исследования должно позволять выполнять процедуру визирования (наведения) на объект с непосредственным использованием зрительного анализатора, а также оперативно определять координаты точек пространства.

На основании этого принято решение использовать в качестве инструмента оптико-электронные геодезические приборы, позволяющие решить поставленную задачу. В связи с этим приводится классификация геодезических приборов различного функционального назначения, описаны принципы организации связи оптико-электронных геодезических приборов с ПК.

Как показал анализ, рынок геодезических приборов и инструментов, применяемых при изысканиях и в практике строительных работ, достаточно разнообразен. Приборы, выпускаемые ведущими производителями, такими как: ФГУП ПО «УОМЗ» (Россия), "Leica" (Швейцария), "Sokkia" (Япония), "Trimble" (США) и многими другими, сегодня имеют российские «сертификаты, утверждения типа средства измерения» и поставляются на территорию Российской Федерации.

Прибором, отвечающим основным требованиям для решения ряда поставленных задач диссертационной работы, является электронный тахеометр. Электронный тахеометр позволяет оперативно определить координаты пространства и передать их в ПК. Конструктивно тахеометр (рис.3) сочетает кодовый теодолит с электронным дальномером. Этот прибор обеспечивает цифровую индикацию измеряемых величин: горизонтальных и вертикальных углов, наклонных расстояний, горизонтальных расстояний, превышений, а также выполняет автоматическую регистрацию результатов измерений на различные виды носителей информации. Эти первичные измерения служат основой для последующих вычислений, производимых встроенным или внешним контроллером. Точность измерения определяют блоки или модули измерения углов, расстояний и модуль компенсатора.

Приведено решение проблемы коммуникации ПК и тахеометра с целью получения первичных данных (вертикальный, горизонтальный угол и расстояние до точки).

Рис.3. Конструктивные элементы тахеометра Существующие на сегодняшний день программное обеспечение ограничивает возможности последующей обработки данных, поскольку является узконаправленным продуктом (передача данных осуществляется в определенном формате) для решения конкретной задачи.

Задача связи тахеометра и ПК заключается в разработке программного обеспечения для ПК. Тахеометр имеет свое программное обеспечение с готовым модулем связи.

Разработан алгоритм программы связи тахеометра и ПК (рис.4)

ОбраОатка данных

Закрытие порта

Рис.4. Алгоритм программы связи тахеометра и ПК

14

На основании разработанного алгоритма создано программное обеспечение для обеспечения связи тахеометра и ПК, с целью получения первичной информации.

Таким образом, на основании анализа и разработанной классификации современных геодезических средств, выбран прибор, удовлетворяющий требованиям в рамках данного исследования - тахеометр, разработано программное обеспечение связи тахеометра и ПК, первичные данные переданы в ПК.

В четвертой главе рассмотрены различные варианты решения проблемы естественного восприятия пространства оптическими (оптико-электронными) приборами с помощью компьютерных технологий.

Для определения координат, соответствующих образу естественного восприятия объекта был разработан алгоритм работы программы (рис.5). При написании программы использовался язык программирования Delphi.

Рис. 5. Алгоритм преобразования

Для получения аксонометрической проекции на экране дисплея необходимо определенным образом сориентировать модель объекта относительно экрана дисплея, т.е. относительно плоскости проекции. Для этого используется ряд матриц. Матрица системы отсчета:

М0={Х0,у0,20) (8)

Матрица М„, описывающая вращение вокруг оси X:

"10 0 0

0 соб0 Б'тв 0 (9)

Л/. —

0 соэ<? О

0 0 0 1

где в - угол поворота модели вокруг оси X.

Удобно работать с матрицей, описывающей вращения вокруг двух осей:

^сояф; з'т&в'тф; - со5вшф; 0

0 соэА втб» 0 (10)

вт^ — э1п<9со5^; сое*? со 0

0 0 0 1

Мух^Му-Мх

где ф - угол поворота модели вокруг оси У. Произведение матриц 1,Ма и Мух даст:

1-М„-Мух = 1

(И)

Новая матрица I , содержит значения координат всех точек всех

сечений, причем модель сориентирована относительно экрана так, что, выполняя ее ортогональную проекцию, на экране получим изометрическое изображение объекта. Из трехмерного пространства аксонометрическое изображение на плоскость может быть получено ортогональным проектированием с помощью матрицы Т:

т =

1-000 0 10 0 0 0 0 0 О О и 1

Если плоскость проекции есть плоскость экрана, то нужно принять п ~ 0. Теперь остается только выполнить эту процедуру:

плоскости экрана и дают картину изометрической проекции нашей модели на экране. Это точечное изображение. Соединив соответствующие точки отрезками прямых, получим изображение каркасной (проволочной) модели объекта на плоскости экрана дисплея.

Таким образом, преобразуя исходный образ, получаем максимально приближенную модель естественного восприятия объекта зрительным анализатором человека, при этом, исключая искажения присущие работе мозга. Данная программа позволяет строить различные варианты перцептивной перспективы (с различным соотношением параметров), а также изображение в классической (ренессансной) перспективе. Результаты работы программы представлены на рис.6: а - исходная модель и б - модель преобразованная в нелинейную (перцептивную) перспективу).

(13)

а.

Рис.6. Модель исходного объекта: а-прямая перспектива, 6- перцептивная перспектива. 17

Так же приводится описание программы для определения отклонения координат соответствующих естественному видению человека (координат Раушенбаха) от действительных.

Данная программа использует первичную информацию (вертикальный и горизонтальный углы и расстояние до объекта), полученную с тахеометра, для расчета пространственных координат и координат естественного видения человека. На рис.7-а представлен внешний вид программы — вкладка «координаты». На этой вкладке отображаются действительные координаты объекта («Действительные координаты»), координаты естественного видения («Координаты Раушенбаха»). Зная действительные координаты и координаты Раушенбаха, возможно рассчитать отклонение (или искажение) координат при восприятии пространства зрительным анализатором человека («Отклонение координат»).

а.

6.

К I'*>»«**'1|

П г

* Г

Рис.7, а - вкладка «Действительные координаты»,

б - вкладка «Функции» —

На рис.7-б представлена вкладка «функции», в которой отображаются рассчитанные функции преобразования и адекватная функция преобразования Р. Функции преобразования допускается использовать в качестве критерия естественного видения.

Представлены решения задачи определения координат естественного видения, определения отклонения от действительных координат,

продемонстрирован механизм построения трехмерных моделей, в том числе модели естественного видения.

В пятой главе представлены практические решения задач, связанных с естественным зрительным восприятием.

1.Разработана методика и технически реализована процедура получения образа естественного видения. Для решения данной задачи необходимо построить изображение трехмерного объекта по закону перцептивной перспективы.

Исходное изображение получено цифровым фотоаппаратом (рис.8-а). Далее изображение передается в ПК.

а.

Рис8.. а - исходное изображение, б - цилиндр с исходным изображением на поверхности, в- трехмерная модель естественного видения.

образуется в массив (матрицу). Задаются параметры геометрического тела, на которое будет отображаться исходное изображение, т.е. параметры цилиндра. Изображение отображается на поверхность цилиндра (рис.8-б).

Если сравнить изображение на цилиндре (рис.8-б) и трехмерную модель естественного видения (рис.8-в), то очевидно - закон формирования перспективного изображения имеет нелинейный характер и является законом перцептивной перспективы.

2. Разработана методика оперативной экспертной оценки качества изображения на монетах в процессе производства. Представлена техниче-

Используя специальное программное обеспечение, фотография пре-

екая реализация данной методики с использованием достижений компьютерных технологий.

На сегодняшний день контроль качества продукции чеканного производства (художественного оформления, деградации рельефа рисунка) производится методом сравнения. В основе этой методики лежит принцип сравнения деталей оформления исследуемой монеты и ее технических параметров с подлинными образцами и требованиями отраслевых стандартов (технических условий) на монеты, действующих в Российской Федерации. Сравнение производят эксперты. Во многих методических указаниях по работе с монетами (определение качества, определение подлинности и т.д.) присутствует фраза: «необходим определенный опыт практической работы с монетами». Это означает, что большую роль в работе эксперта играет его профессиональный опыт. Следует отметить влияние психофизиологических особенностей текущего состояшм и личности эксперта на особенности его зрительного восприятия.

Таким образом, возникает задача создания экспертной системы для контроля качества продукции чеканного производства. При этом экспертная система должна быть оперативной (в режиме реального времени), т.к. скорость чеканки достаточно высока.

Задача оценки качества изображения решена с помощью высокоскоростной цифровой камеры и специального программного обеспечения, реализованного в виде прикладных программ оцифровки изображения, учитывающих характер перспективы (линейный, нелинейный). В работе исследовалась деградация поверхности штемпеля и монеты, а также соответствие рельефа штемпеля и монеты.

Изображение было оцифровано. На основании данных массива представляется возможным построить «трехмерную модель» изображения.

Для оценки степени деградации поверхности в конкретном сечении проанализирован одномерный профиль изображения.

50 тыс. 130 тыс. 210 тыс.

Рис.9. Двумерные профили изображения В качестве критерия степени деградации использовались нормы матриц изображения поверхности монеты. Рассчитаны евклидова норма, бесконечная норма, нормы в пространстве Ы и Ь2 . Результаты вычислений приведены в табл.2.

Таблица 2

Критерии оценки степени деградации

Наименование нормы Определение Партия образцов

50 тыс. 130 тыс./ деградация, % 210 тыс./ деградация, %

В пространстве Ь1 2.746x10* 2.774 х104 /1 2.896 хЮ4/5

В пространстве 12. И., - ' 2-<— 2.116x104 2.201 хЮ4/4 2.334 хЮ4/ 10

Евклидова 2.27 х104 2.345 х104 / 3 2.435 хЮ4/7

Бесконечная ! ^ П!|1\ ¿Л,] 2.543 хЮ4 2.576 х104/1 2.827 хЮ4 / 11

Для получения количественной оценки степени деградации в одномерном случае рассчитаны определенные интегралы для одномерного профиля и разница между ними для различных партий. Для двумерного

случая подсчитаны площади деградирующих поверхностей, определены абсолютная и относительная величина деградации. При анализе поверхности использовались различные проекции трехмерной модели изображения, в том числе проекция сформированная по закону перцептивной перспективы.

Описанная система является независимой от состояния эксперта -человека.

Таким образом, решена задача формирования образа соответствующего естественному видению человека, разработана шкала зрительной восприимчивости, решена задача оперативной экспертной оценки качества изображения на монетах.

Основные выводы и результаты работы Основные научные и практические результаты, полученные в результате исследований, заключаются в следующем:

1. На основании теории зрительного восприятия разработаны методы исследования отображения трехмерных объектов.

2. Разработана методика проведения эксперимента по определению функции преобразования.

3. Получены адекватные функции преобразования как критерия оценки качества отображения.

4. Разработаны алгоритмы построения модели естественного видения и определения координат естественного видения

5. Разработано программное обеспечение с целыр расширения возможных законов отображения пространства тахеометром;

6. Разработано программное обеспечение определения координат естественного видения посредством тахеометра;

7. Разработано программное обеспечение автоматизации поверки тахеометра с целью получения метрологических характеристик;

8. Построена шкала зрительной восприимчивости и обосновано ее использование как критерия оценки качества изображения;

9. Решена прикладная задача формирования образа естественного видения человека;

10. Разработана оперативная экспертная система оценки качества изображения на монетах, при этом:

• разработано программное обеспечение оцифровки массивов данных;

• разработано программное обеспечение получения профилей изображений на монетах;

• в качестве критерия оценки использованы нормы матриц. По теме диссертации опубликованы следующие работы:

1. Воронцов Е.А. Прямые и обратные перспективы динамических систем на цилиндре и их зрительное восприятие на плоскости. Материалы конференции Робототехника, мехатроника и интеллектуальные системы, Таганрог Издательство ТРТУ, 2005 г., с. 155-160.

2. Воронцов Е.А. Классификация геодезических приборов. Вестник II межвузовской конференции молодых ученых СПб ГУ ИТМО. Сборник научных трудов - 2005 г., СПб: СПбГУ ИТМО, 2005 г., с. 167-171

3. Воронцов Е.А., Глейзер В.И. К вопросу о классификации геодезических приборов. Изв.Вузов. Приборостроение. 2006.Т.49, №3. с.60-64

4. Воронцов Е.А., Мусалимов Е.А., Орлов C.B. Алгоритмы и технические средства оценки зрительного восприятия изображений и их приложения. Программа и тезисы докладов Седьмой сессии международной научной школы «Фундаментальные и приклад-

ные проблемы надежности и диагностики машин и механизмов», С-Пб, 24-28 октября2005 г. / СПб: СПбГУ ИТМО, 2005, c.l 11

5. Воронцов Е.А., Иванов А.Д., Липатов П.А. Естественное восприятие зрительных образов и его реализация техническими средствами тахеометра. Материалы конференции ППС СПбГУ ИТМО, 2006г, с. 129-134

6. Воронцов Е.А., Демин Д.А., Коваленко ПЛ., Липатов П.А. Магический шестиугольник кратномаснггабного преобразования. Научно-технический вестник СПб ГУ ИТМО. I сессия научной школы «Задачи механики и проблемы точности в приборостроении». Выпуск 28. СПб: СПб ГУ ИТМО, 2006 г., с. 63-68

7. Воронцов Е.А., Черноусов A.C.. Классификация методов и средств определения остроты зрения. Научно-технический вестник СПб ГУ ИТМО. I сессия научной школы «Задачи механики и проблемы точности в приборостроении». Выпуск 28. СПб: СПб ГУ ИТМО, 2006 г., с. 75-83

8. Воронцов Е.А., Мусалимов В.М., Орлов C.B., Сапожков М.А.. Динамика, мониторинг и визуализация фрикционного взаимодействия. Девятый Всероссийский съезд по теоретической и прикладной механике, Нижний Новгород, 2006 г., т.3.,с.62

9. Воронцов Е.А., Мусалимов В.М., Орлов C.B.. Оперативная экспертная система оценки качества продукции чеканного производства. Материалы международной конференции «Интеллектуальные системы» AIS'06, Геленджик, 2006г., т.1, с. 181-189

10. Мусалимов В.М., Воронцов Е.А.. Прямые и обратные перспективы на цилиндре как средство оценки зрительной восприимчивости. VI Международный оптический конгресс «Оптика - XXI век». Фундаментальные проблемы оптики, СПб, 2006 г., с. 149152 ...........

Тиражирование и брошюровка выполнены в учреждении

«Университетские телекоммуникации»

197101, Санкт-Петербург, Саблинская ул., 14, тел. (812) 233 4669.

Тираж 100 экз.

Введение.

Глава 1. Теории зрительного восприятия.

1.1. Основные определения и положения.

1.1.1. Свойства зрительного восприятия.

1.1.2. Характерные признаки естественного видения.

1.2. Закон сохранения искажений.

1.3. Практическое построение различных вариантов перцептивной перспективы.

1.4. Выводы к главе 1.

Глава 2. Экспериментально-аналитические методы построения изображения трехмерных объектов па плоскости.

2.1 .Эксперименты по определению функции преобразования.

2.2.0бработка экспериментальных данных.

2.3.Анализ экспериментальных данных.

2.4.0пределение шкалы зрительного восприятия

2.5.Выводы к главе 2.

Глава 3. Отображение пространства оптико-электроппыми геодезическими приборами.

3.1.Классификация геодезических приборов.

3.1.1 .Теодолиты.

3.1.2.Тахеометры.

ЗЛ.З.Лазерные геодезические приборы.

3.1.4.Спутниковое навигационное оборудование (GPS).

3.2.Выбор технического средства.

3.3.Программа связи.

3.4.Определение метрологических характеристик.

3.5.Выводы к главе 3.

Глава 4. Естественное восприятие пространства оптическими (оптико-электронными) приборами с применением компьютерных технологий.

4.1. Решение задачи естественного видения посредством оптической системы.

4.2. Алгоритм формирования трехмерной модели естественного видения.

4.2.1 Формирование аксонометрической проекции.

4.2.2.Реализация алгоритма формирования трехмерной модели естественного видения.

4.3. Определение координат естественного видения в реальном времени.

4.4.Выводы к главе 4.

Глава 5. Постановка и решение прикладных задач.

5.1.Формирование изображения, соответствующего естественному видению человека.

5.2.0перативная экспертная система оценки качества продукции чеканного производства.

5.2.1. Традиционная экспертная система.

5.2.2. Цифровая экспертная система.

5.3.Выводы к главе 5.

Задачи оценки качества изображений возникают при проектировании интеллектуальных систем с техническим зрением, при анализе степени деградации граничных поверхностей различного рода технических устройств. В равной мере подобные задачи возникают в медицинской практике, в практике оценки предметов искусства, при формировании реалистичных 3D сцен.

Во всех перечисленных случаях доминирующую роль при решении задач оценки качества изображения играют как методы исследования, так и технические средства. При этом с одной стороны, необходимо решить вопрос разработки, выбора и модернизации устройств (приборов); и с другой стороны, обеспечить оперативные возможности оценки качества изображения.

Известен ряд программ исследований, в которых обозначены и решаются задачи оценки качества изображения. В области исследования космоса: проект NASA Telerobotic Construction Challenge (создание интеллектуального робота), проект NASA LEMUR (создание робота для самостоятельного перемещения по внешней обшивке космической станции); совместная программа Европейского космического агентства (ЕКА) и российских ученых - робот-манипулятор «Дорес» для Международной космической станции (МКС). При анализе граничных поверхностей в чеканном производстве: проекты НИИ ГОЗНАК, Administration Des Monnaies et Medailles (Франция, Австрия), целевые исследовательские программы Microsystem Controls PTY. LTD (Австралия), Mars Incorporated (Великобритания, США).

Решение данной проблемы в рамках указанных программ предусматривает широкое использование компьютерных, математических, оптических технологий и определяет актуальность темы работы.

Целыо диссертационной работы является разработка методов, алгоритмов и технических средств, а также критериев оценки качества изображения на основе теории естественного зрительного восприятия пространства.

Выполненный обзор по проблемам зрительного восприятия человеком пространства, теории шкал, компьютерного зрения позволяет сформулировать следующие основные задачи исследования:

1. Анализ проблемы и постановка задачи.

2. Разработка методов исследования отображения геометрии пространства зрительным анализатором на основе теории зрительного восприятия.

3. Постановка эксперимента в рамках теории. Вывод общих принципов и закономерностей.

4. Выбор технических средств определения геометрии пространства, классификация и анализ с точки зрения теории зрительного восприятия

5. Анализ существующих компьютерных технологий с целью выявления различных вариантов расширения возможностей для отображения пространства техническими средствами.

6. Построение шкалы зрительной восприимчивости и обоснование использования ее как характеристики качества изображения.

7. Практические решения задач, связанных с естественным отображением трехмерных объектов и пространства.

Научная новизна заключается в следующем:

• Разработаны методика и технические средства формирования образа пространства, соответствующего естественному видению человека.

• Разработана методика и технические средства анализа качества изображений.

Основные положения, выносимые на защиту:

• Разработка метода исследования в рамках теории зрительного восприятия.

• Постановка эксперимента в рамках теории.

• Выбор и модернизация технического средства с целью решения задач исследования.

• Методика и средство определения координат естественного видения человека.

• Формирование естественного образа пространства.

• Разработка оперативной экспертной системы оценки качества изображения на монетах.

Практическая ценность диссертационной работы заключается в следующем.

1. Предложено техническое решение формирования изображения, соответствующего естественному видению человека, тем самым решена одна из задач адаптации зрения робота и зрения человека.

2. Определена шкала зрительной восприимчивости.

3. Реализована методика оперативной оценки продукции чеканного производства, в частности, решена задача оценки деградации поверхности монеты.

Основные положения диссертационной работы докладывались, обсуждались и получили положительную оценку более чем на 10 конференциях, в том числе: на девятом Всероссийском съезде по теоретической и прикладной механике (Нижний Новгород, 2006), на седьмой сессии международной научной школы «Фундаментальные и прикладные проблемы надежности и диагностики машин и механизмов» (СПб, 2005 г.), на Всероссийской научной конференции студентов и аспирантов (с международным участием) «Робототехника, мехатроника и интеллектуальные системы» (Таганрог, 2005), на международной конференции «Интеллектуальные системы» AIS'06 (Геленджик, 2006), на VI Международном оптическом конгрессе «Оптика - XXI век» (СПб, 2006), на II и III конференциях молодых ученых СПбГУ ИТМО (СПб, 2005-2006).

По материалам диссертации опубликовано 10 печатных работ, в том числе в журнале «Приборостроение», тематических выпусках научно-технического вестника СПбГУ ИТМО, материалах указанных конференций.

Диссертационная работа изложена на 104 страницах и состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы (85 наименований), а также включает два приложения (62 страницы).

Основные выводы и результаты работы

Основные научные и практические результаты, полученные в результате исследований, заключаются в следующем:

1. Рассмотрены закономерности теории зрительного восприятия. Показано, что современные представления о свойствах зрительного восприятия являются основой разработки методов оценки качества изображения.

2. Разработаны методы экспериментально-аналитического построения функции преобразования, подобраны адекватные функции, произведена оценка адекватности. Установлено, что линейная перспектива приводит к значительным ошибкам при отображении зрительного восприятия и не рекомендуется для использования в этих целях.

3. В соответствии с разработанной классификацией известных геодезических приборов выработаны критерии выбора технических средств для целей перцептивной визуализации пространства с использованием компьютерных технологий. Показано, что этим требованием удовлетворяет геодезический прибор тахеометр.

4. Разработан алгоритм организации связи тахеометра и ПК, который реализован в виде программного обеспечения связи (модем - программа) с целью передачи в ПК первичной информации с тахеометра. Модем -программа использована также для автоматизации процедуры поверки тахеометра.

5. Разработан алгоритм и решена задача определения координат естественного видения посредством программного обеспечения с использованием в качестве источника первичной информации тахеометра.

6. Разработан алгоритм построения модели объекта, соответствующей естественному видению человека, построена модель пространства в соответствии с перцептивным законом формирования перспективы. Установлено, что образ естественного восприятия - это отображение образов на цилиндре. Разработанное программное обеспечение является альтернативой оптической системы.

7. Предложена методика оценки продукции чеканного производства, тем самым решена задача оценки деградации поверхности монеты посредством программного обеспечения, при этом в качестве параметра качества рекомендуется использовать нормы матрицы изображения. Методика рекомендуется для использования при оперативной оценке качества изображений.

Таким образом, цель диссертациоиной работы - разработка методов, алгоритмов и технических средств, а также критериев оценки качества изображений на основе теории естественного зрительного восприятия, достигнута.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В данной диссертационной работе сформулирован и решен ряд задач, связанных с оценкой качества изображения.

Теория зрительного восприятия и теория перспективы позволили разработать ряд методов и алгоритмов оценки качества изображения, формирования образов естетсвенного восприятия. Для достижения этой цели был разработан метод исследования отображения трехмерных объектов на плоскости, был поставлен эксперимент.

Решен ряд прикладных задач: автоматизация метрологического обслуживания оптико-электронных геодезических приборов, контроль качества продукции чеканнго производства.

На базе составляющей терии измерений - теории шкал определена шкала зрительного восприятия.

Решение описанных задач предусматривает широкое использование компьютерных, математических, оптических технологий и определяет актуальность темы работы.

Таким образом, разработаны методы, алгоритмы и технические средства, а также критерии оценки качества изображения на основе теории естественного зрительного восприятия пространства.

1. Андронов А.А., Витт А.А., Хайкин С.Э. Теория колебаний. М.: Физматгиз, 1959

2. Арнольд В.И., Варченко А.Н., Гусейн-заде С.М. Особенности дифференцируемых отображений. М.: МЦНМО, 2004, 672 с.

3. Аршанский М.М. Мехатроника. Учебное пособие. М.: МГАПИ, 1996, 86 с.

4. Балягин С.Н. Черчение. Справочное пособие. М: АСТ-Астрель, 2005, с. 256-305

5. Баран П.И. Геодезические работы при монтаже и эксплуатации оборудования. -М.: Недра, 1990, 233с.

6. Белошеев В.П. Триггерная модель фоторецепции палочки сетчатки глаза. Оптический журнал №5, 2002, с.45-50

7. Воронков Н.Н., Плотников B.C., Калантаров Е.И. и др. Геодезические и фотограмметрические приборы. М.: Недра, 1991, 429с.

8. Воронцов Е.А. Прямые и обратные перспективы динамических систем на цилиндре и их зрительное восприятие на плоскости. Материалы конференции Робототехника, мехатроника и интеллектуальные системы, Таганрог: Издательство ТРТУ, 2005, с. 155-160

9. Воронцов Е.А. Классификация геодезических приборов. Вестник II межвузовской конференции молодых ученых СПб ГУ ИТМО. Сборник научных трудов-2005 г., СПб: СПбГУ ИТМО, 2005 г., с. 167-171

10. Ю.Воронцов Е.А., Глейзер В.И. К вопросу о классификации геодезических приборов. Изв. Вузов. Приборостроение. 2006.Т.49, №3. с.60-64

11. Воронцов Е.А., Демин Д.А., Коваленко П.П., Липатов П.А. Магический шестиугольник кратномасштабного преобразования. Вестник III межвузовской конференции молодых ученых СПб ГУ ИТМО. Сборник научных трудов 2006 г., СПб: СПбГУ ИТМО, 2006 г., с. 63-68

12. Воронцов Е.А., Черноусое А.С. Классификация методов и средств определения остроты зрения. Вестник III межвузовской конференции молодых ученых СПб ГУ ИТМО. Сборник научных трудов 2006 г., СПб: СПбГУ ИТМО, 2006 г, с. 75-83

13. Н.Воронцов Е.А. Задачи обратной перспективы и их техническая реализация. Материалы третьей студенческой научно-учебной конференции «Моделирование явлений в технических и гуманитарных науках», СПб: СПбГМТУ, 2006 г., с. 135-139

14. Воронцов Е.А., Мусалимов В.М., Орлов С.В., М.А. Сапожков. Динамика, мониторинг и визуализация фрикционного взаимодействия. Девятый Всероссийский съезд по теоретической и прикладной механике, Нижний Новгород, 2006 г.,т.3.,с.62

15. Воронцов Е.А., Мусалимов В.М., Орлов С.В. Оперативная экспертная система оценки качества продукции чеканного производства. Материалы международной конференции «Интеллектуальные системы» AIS'06, Геленджик, 2006, т. 1, с. 181 -189

16. Вяткин Г.П. Машиностроительное черчение. М.: Машиностроение, 1985,368с.

17. Гантмахер Ф.Р. Теория матриц. -М.: Наука, 1966, 576с.

18. ГОСТ 10528-99 «Нивелиры. Общие технические условия»

19. ГОСТ 10529-99 «Теодолиты. Общие технические условия»

20. ГОСТ 23543-99 «Геодезические приборы. Общие технические требования»

21. ГОСТ 51774-2001 «Тахеометры. Общие технические условия»

22. Даниличев В.Ф. Современная офтальмология. СПб: Питер, 2000, 320с.

23. Дженнингс Ф. Практическая передача данных. Модемы, сети и протоколы. М.: Мир, 1989

24. Дьяконов В.П. Энциклопедия Mathcad 200i. М.: СОЛОН- Пресс, 2004, 832 с.

25. Дьяконов В.П. Mathcad 2001. Учебный курс. СПб.: Питер, 2001

26. Дьяконов В.П. MATLAB 6. Учебный курс. СПб.: Питер, 2001

27. Ефимов Н.В. Высшая геометрия. М.: Наука, 1971

28. Захаров А.И. Геодезические приборы: Справочник. М.: Недра, 1989, с.314

29. Зверев В.А. Увеличительное действие зрительной трубы. Оптический журнал, 2001, №6, с. 15-19

30. Иванов В.И., Попов В.Ю. Конформные отображения и их приложения. -М.: УРСС, 2002,324 с.

31. Каган В.Ф. Лобачевский.- М.: Издательство АН СССР, 1948, 506 с.

32. Клайн М. Математика. Поиск истины. -М.: Мир, 1988, с.30-46

33. Клайн М. Математика. Утрата определенности. М.: Мир, 1984

34. Киселев М.И., Михелев Д.Ш. Основы геодезии. М.: Высшая школа, 2001,368с.

35. Ковалев A.M. О способе отображения объектов в сферической перспективе. Автометрия, 2000, №4, с.76-81

36. Ковалевский Е.И. Офтальмология. М.: Медицина, 1995, 480 с.

37. Козлов В.Н. Элементы математической теории зрительного восприятия. -М.: МГУ, 2001

38. Коллатц Л., Альбрехт 10. Задачи по прикладной математике. М.: Мир, 1978,- 168 с.

39. Корякин А.В. Оценка глубины сцены по картине полутонов изображения космических объектов. Оптический журнал №7, 2000, с.28-32

40. Кочетов Ф.Г. Нивелиры с компенсаторами. М.: Недра, 1985, - 147 с.

41. Кравков С.В. Глаз и его работа М.: Изд-во АН СССР, 1950. - 532 с.

42. Кувшинов Н.Г., Решетников В.И. Объектив обратной перспективы. Патент RU 2042161. 6G 02В 13/00. 20.08.95

43. Кувшинов Н.Г., Решетников В.И. Принципы создания оптических систем, отображающих трехмерные объекты на плоскость по заданным законам перспективы. Оптический журнал №11, 1994, с.62-66

44. Лаптев Б.Л. Н.И. Лобачевский и его геометрия. М.: Просвещение, 1976, 112

45. Литвинов Б.А., Лобачев В.М., Воронков Н.Н. Геодезическое инструмептоведение М.: Недра, 1971, 328 с.

46. Лобачевский Н.И. Геометрические исследования по теории параллельных линий. -М: Издательство АН СССР, 1945, 177 с.

47. Марусина М.Я. Повышение качества измерений на основе теоретико-группового анализа и синтеза измерительных систем. Дис. . докт.тех.наук. СПб.: ГУ ИТМО, 2005, 340 с.

48. Мельканович А.Ф., Прищепа Ю.В. Соболев А.А. Технология компьютерного моделирования изображений трехмерных сцен. Оптический журнал №7, 2000, с.86-91

49. Мочалов Л.В. Пространство мира и пространство картины (очерки о языке живописи). М: Советский художник, 1983.

50. Мусалимов В.М. Аналитическая теория точности механических систем. В кн. «Фундаментальные проблемы теории точности», СПб, Наука, 2001, с.36-64

51. Мусалимов В.М., Воронцов Е.А. Прямые и обратные перспективы на цилиндре как средство оценки зрительной восприимчивости. VI Международный оптический конгресс «Оптика XXI век», СПб, 2006, с.255-258

52. Мусалимов В.М., Орлов С.В. Оценка деградации изображения на поверхности чеканного инструмента. Обработка металлов давлением, №2(32), 2006, с. 32-35

53. Нагорнов Ю.П. Развитие методов перспективных изображений в архитектурном проектировании. Дис. канд. тех. наук.

54. Нагорнов Ю.П. Композиция перспективных изображений: Учебное пособие. Томск: ТГУ, 1987.

55. Ope О. Теория графов. М: Наука, 1980, 336с.57.0лейник О.А. О топологии действительных алгебраических кривых на алгебраической поверхности. Мат.сборник. М.: Наука, 1951, т.29, с. 133156

56. Подмастерьев К.В. Точность измерительных устройств. Орел: ОрелГТУ, 2004, 140с.

57. Пуанкаре А. Избранные труды. Т II. М.: Наука, 1972, с.329-744

58. Пфанцангль И. Теория измерений. М.: Мир, 1976, 249 с.

59. Разин И.В., Тетерин В.В. Математическая модель для экспресс диагностики сходства изображений. Оптический журнал, 2001, №11, с.ЗЗ-37

60. Раушенбах Б. В. Пристрастие. Аграф, 1997.

61. Раушенбах Б. В. Пространственные построения в живописи. Очерк основных методов.-М.: "Наука", 1980. 288 е., илл.

62. Раушенбах Б.В. Системы перспективы в изобразительном искусстве. Общая теория перспективы. М.: Наука, 1986, 256 с.

63. Розенблюм 10.3. Оптометрия (подбор средств коррекции зрения). СПб.: Гиппократ, 1996. - 320 с.

64. Селиванов М.Н., Фридман А.Э., Кудряшова Ж.Ф. Качество измерений. -Л.: Лениздат, 1987, 295с.

65. Сидоренко Е.И. Офтальмология. Учебник. -М.: ГЭОТАР-МЕД, 2003, 408с.

66. Смирнов А.А., Волокитина М.Н. Зависимость константности воспринимаемой величины предметов от их удаленности. Кн. Зрительные ощущения и восприятия. М.: ,1935.

67. Спасский И.Г. Русская монетная система. Л.: Аврора, 1970, 256с.

68. Спиридонов А.И. Теодолиты. М.: Недра, 1985, 200с.

69. Спиридонов А.И., Кулагин Ю.Н., Крюков Г.С. Справочник каталог геодезических приборов. - М.: Недра, 1984, с.238

70. Урмахер Л.С., Айзенштат Л.И. Офтальмологические приборы. М.: Медицина, 1988

71. Федоров М.В. Рисунок и перспектива. М.: ,1960

72. Форсайт Д., Понс Ж. Компьютерное зрение. Современный подход.: Пер. с англ.- М.: Издательский дом «Вильяме», 2004, 928 с.

73. Шапиро Л., Стокман Дж. Компьютерное зрение. М.: Бином. Лаборатория знаний, 2006, 752 с.

74. Шпур Г., Краузе Ф.-Л. Автоматизированное проектирование в машиностроении. М.: Машиностроение, 1988, 648 е., илл.

75. Щелоков А.А. Монеты СССР. М.: Финансы и статистика, 1989, с. 215221

76. Справочное пособие для работников метрологической службы в топографо-геодезическом производстве. М.: ЦНИИГАиК, 1991, с. 190

77. Справочник конструктора оптико-механических приборов / Под ред. В.А. Панова. Л.: Машиностроение, 1980. - 742 с.

78. Инструкция по проведению технологической поверки геодезических приборов. М.: ЦНИИГАИК, 1999, 56с.

79. Руководство по эксплуатации безотражательного электронного тахеометра. Серия x30R. Sokkia CO.,LTD, printed in Russia, 160c.

80. Baravalle H. Von. Erwciterung der Perspektive: Krummung des Sehraumes. Shtuttgart, 1934

81. Potetz Brian, Lee Tai Sing. Статические связи между двумерным изображением и трехмерной структурой реальной сцены. Journal Opt.Soc.Amer., 2003, №7,1292-1303

82. ISO 8596. Ophthalmic optics; visual acuity testing; standard optotype and itspresentation ("оптика и оптические приборы. Проверка остроты зрения. »

83. Стандартный оптотип и его предъявление") 85.ISO 17123. Оптика и оптическое оборудование. Методики эксплуатационных испытаний геодезических приборов и приборов для съемки