автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.16, диссертация на тему:Методы обработки многокадровых моделей изображений в информационно-измерительных системах

ТУЛЬСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

Р Г 'з О Д На правах рукописи

' 2 Ш\Р 1398 0

КОТОВ Владислав Викторович

МЕТОДЫ ОБРАБОТКИ М1ШГОКАДРОЦЫХ МОДЕЛЕЙ ИЗОБРАЖЕНИЙ В ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫМ

СИСТЕМАХ

Специальность 05.11.16 - Информационло-изМеритбльные системы

Автореферат диссертация иц соксншшз уа|?ИоН степей» кандидата ть\ш<15гши* па?«

Тула 199Й

выполнена ¡} Тульском государетренном университете.

Шуедый руководитель - доктор технических ндук, профессор,

ИГНАТЬЕВ В.М,

Научный консультант - кандидат технических »щук, доцент

ДАНИЛКИН Ф.Л.

Официальные оппоненты - доктор технические наук, профессор

КИСЕЛЕВ В.Д.

кандидат технических нцук СЕЛЬКИН В.Е,

Редуцщя орпшиз<Щ((Ч - Нау'ша-нсследопательедш ирсгнтут

«Стрела».

Зшщ срстонтря « ( » _жшж.1998 г, р |40(- наррв на заседании диссертационного совет» К 063.47.09 а Тульском государственном университете (300500, г, Туля, проспект им. Ленина, 92,9-101).

С диссертацией «ажио ознакомиться д библиотеке университета. Автореферат разослан « А. ». февраля 1998 г-

Ученый секретарь

диссертационного совел;', ' д.т.н., профессор Ларкин Е.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуян-нрсте, тты. Современный "»таи размин:; инфсркацяошга-Измерителышх систем характеризуется широким использованием изображений р качестве первичного сцпшпп, обеспечивавшего передачу информации о состоянии объекта, Это обусловлено следующими факторами: _ ^

- высс-ад }1ифорттнпнасть изобрэжения, хорошо согласующаяся с задачами функционирования информационно-измерительных систем;

- существующая развитая номенклатура приборов, обеспечивающих цресбразоаанйе оптического изображения в электрический сигнал, с целью последующей обработки средствами вычислительной техники;

- значительное повышение быстродейепни ЭВМ, упздичениэ объемов оперативной и постоянной памяти, способны?, обеспечить обрч(5отку изображений в реальном времени.

Вместе с тем, технические системы формирования изображении, как и всякие системы, преобразующий информацию, п прсцессе преобразования вносят в нее некоторые искажения, следствием которых чрлг.эття невозможность непосредственного испольтозания моделей Пзобрпжсин:": для решения задач фушшиелнра.гшиа информии.нонио-измерктельннх снстем.

Перечисленные лыше оипхг'гс;ист,гл обусловили выбор я$1 Ь^ШП. ЦШШШЩШ13 днесертапии, которым гпясгтея оцтнко-здектроитя ин-формацнонно-нзмеригелышл сгас&<з, сеущ-г-сипшсипп р;;д измергилй, по результата» которых оценипается состояние' иОьскт^, г.'отор"Л' иог-игг быть ■охарактеризована ¡саг алн^;атпдфо:.чГп;;?н п; р '••: комплекс обработки многокадровы'х нидспей нзсЗрягггпнй.

Традиционно нау'шие исс<гло.*а:П{:5 к сб:пст сОряботи» «*о{?р8* жений ризвипалпсь п направлении аналтд дг.умерныя скплтрНчн и гг.:-тордых полей. Это счязано как о оеоР'ацгг.'гтш фундцпоинроаншс? к:я-пирующих систем, которые формируют »юцргглгннз п иид~ дг.умерноП сцены, Гак а с ограниченными псиг-икхиегмии срсягчп лмчнсдчтачыюП техники, пре:;«да лсего огрпниченкой нронзт'ИЯ ЧдьИосТ'ДЭ проптггороа и емкостью запоминающих устройств.

В настоящее врзмя су!х;есгпук<т телнн'ге-кка ерздетйз, позг.алчЮЩИг попугать множество килроз одного и тоггг'се «Обртхе.'ШЯ, где Каждый калр являегсч Недоем го»и;о пиформншанмм, Конечной задачей сОра-

ботки такого множества кадро» является получение одного, результирующего кадра с максимальным качеством визуального восприятия. При этом, исходные изображения представляют собой модель в виде многомерного, пространегшшо-временного сигнала, представленного множеством кадро?, несущих информацию о некоторой сканируемой сцене.

. В связи с этим представляет научный и практический интерес разработка методов, основанных на применении к многомерному сигналу, представленному множеством кадров, систем преобразовании, обеспечивающих формирование единственного результирующего кадра повышенного качества.

Среди характерны* особенностей многомерных сигналов необходимо выделит^ высокую информационную емкость, вызванную необходимостью обеспечения высокого пространственного разрешения, высокую избыточность информации и наличие искажений, вызванных, с одной стороны, воздействием аддитивных и мультипликативных помех на каналы преобразовании и передачи информации в сканирующих системах и, С другой - аберрациями оптической системы, боковыми засветками и т.п.

Это приводит к необходимости разработки эффективных алгоритмов обработки,'повышающих точность измерений и общее качество визуального восприятия изображений, формируемых сканирующими системами.

Указанное обстоятельство обусловило выбор предмета исследований диссертации, который может быть охарактеризован как методы обработки многокадровых моделей изображении, обеспечивающие повышение визуального 'качества восприятия изображений в автоматизированных программных комплексах исследуемого класса.

Целью диссертаццрнцоц работы является создание методологии обработки многокадровых моделей изображений, разработка алгоритмов их цифровой фильтрации и реализация методологии в программном комплексе обработки изображений, формируемых сканирующими системами.

В соответствии с поставленной целью авшром решены следующие задачи:

Созданы методы предварительной подготовки многокадровых моделей изображений к их последующей фильтраций;

разработаны, рдзличныа типы фильтров многокпдросых моделей изображений, обеспечивающие повышение точности измерений и общего качества изображений и исследованы их сравнительные характеристики;

разработан комплекс алгоритмов и программ обработки много» кадровых моделей изображений, формируемых сканирующими системами и рекомендации по его ншользоваш^о з лнтеряктнзном н азтоиати-ческам режимах;

проведены экспериментальные нсслсдогшшл, подтверждающие эффективность цифровой обработка мпогокадрочыя моделей изображений и программном комплексе.

Мсголм исследования. В работа используются нет оды теории лилейной фильтрации, теории нелинейной фильтрации, теории вероятностей, теории распознавания обрачоч. Разработка алгоритмов и программ осуществлялась на основе объектио-ориецтироплиного подхода организации данных п алгоритмов,

.НВ-У!Нзаключается в следующем,

1. На основе анализа особенностей ¡.юдолей изображений, формируемых сканирующими системами, разработана методика формирование

' множеств базовых и приводимых точек п условиях воздействия помех.

2, Разработан метод нахождения оптимальных опенок параметров преобразования кадров миогокадроссй подели в единую систему коор. динзт, устойчивый к помехам, вносимыми снаннру-одшми системами.

3. На базе фундаментальной теории днчеааой и нелинейной фильтрации разработаны типы фильтроу, обобщенные на случай обработки многокадровых ».¡оделен изображений. Пройден анализ слияния типов и характеристик фильтров на визуальное качеотпо обработки изображений.

4, Разработана -методика хранения многокадровых моделей изображений, предусматривающая их схатне и декомпрессию без потерь информации на основе эффективного кодирования.

Практическая ценность работы энкл'.отастся в применении теоретических положений и выводов диссертации длч решения практических задач обработки изображений в системах исследуемого класса,

1, Для повышения визуального качества изображений разработаны эффективные и простые п реализации алгоритмы линейной и нелинейной фильтрации многокадровых моделей изображении

-62. Г; ipuüöifti глгорпгмоз аффинный преобразований, учитываю-тих днсх"ргг}1мй :;ардктср изображения кадров модели,

3. ХЬчдаог.ш».! быстрые алгоритмы рычисвеиня параметров преоб-ij^souaii»!« кадра;; :»эдяяи к едкиу» сисгску координат.

*1. ?:орабог.л:о алгоритмическое и программное обеспечение ком-ррсссиц моделей изображений в системах архивного

хрйнеяий,

Нсптчг.по теми диссертации является чистые mSoT на илпогациошюй научно-техннчсскоИ программе

ГЪг?АГ.рг12г!ИЧ(ГС к'^ртега РФ по' гысшгму образованию «Создзнае изображении и средств отображения ииформа-

Прикладные ре-

зулУгап.и:пс;чрТч>дцон(!оГ1 работы были внедрены в ррмкпх комплексной, bHHO^HUHOsmOii ¡^у'лю-тсшн^сскол программе Государственного коми-тотг t'-i) кс< рысих-;«}' пира^озаниго lj.22- (199J-l$2v г, проект «Создание ,;омпи.'»;с<.- oöpn'Joi ки ызобра.::елиИ к средств отображения информации»), < Д;:ш}Сй» 199» Г., ;:/д те.» J»sl5 «Алгоршмнческоо обес-riv'iö-ifI. »¿рг.Счз'тщ /люгогапрозыл «одглг!} цзобре.::;сшш», а текгсо з рамка:; r,J ¿¡аучн.;-иседздогцгельексЯ темы tä 02JJ5 «Иседедозаиие про-;у,сго.-, .. :pr& • .'.о^гитл и oio3pa>:ciam информации», раздел '!liccn-;*.a/!Hf.-: ¿г.растфнглп* фильтров цветных мнргокадровых. моделей ПМбьа^Л'НИйл.

Г;оротпм-:г;":::; результаты русогы внедрены и учебных курсах •;Сне»емп мекуезпдэшого тггзилекта» « «Конструирование и пронз?;од-•,/пю Эог.'Ь/ на гмфедрз ЗЙМ Тульского государственного университета.

/•рпуучпг -yß^jkb Оснорныо положения диссертационной работы докшш.!г.шшсь па следующих конференциях и семинарах. 1, Международна школа-ссмюар «Нопые информационные технологии» (г. Судак, 1995 г.), 2. Всероссийски* научно-!ехдическаз конференция «Биотехнические, медицински«) и экологические системы и комплексы» (г. Рязань, РГРА, 1996 г.). 3, Межвузовская научно-техническая Конференция «Микроэлектроника и информатика - 97» (г. Москва, МП-1ЭТ (ТУ), 1997 г.). 4. XIV научная сессия, посвященная Дщо Радио (г. Тула, ТулГУ, 1997 г.). 5 XI межвузовская научно-техническая конференция (г. Тула, TßA-ИУ, (991 г.). 6. III международная конференция «Оптико-электронные приборы i! устройства и системах распознавания образов, обработки

изображений и символьной информации», (г- Курск, КГТУ, 1997 г.). 7. Всероссийская научно-техническая конференция «Биотехнические, медицинские и экологические системы и комплексьс» (г. Рядил., Л'ГРЛ, 1997 г.). 8. Ш Научно-техническая конференция ЦНИИ МО ГФ (г. Москва, 1997 г.). 9. 35-ан ннучно-тсхиичштя конференция Михайловской артиллерийской академии (г. Санкт-Петербург, 1997 г.). 10. Молодежная научная конференция «XXI Гагаринскне чтения» (г. Москва, МГЛТУ, 1996 г.). 11. Научно-практические конференции профессорско-преподавательского состава ТулГУ (г. Тула 1996-98 гг.).

Пуйиш?ши1!1- По результатам исследований опубликовано 14 печатных работ.

^.■шакщщш'шкрайшщ- Диссертационная работа состоит из введения, четырех mats и заключения, /пложенных на 145 страницах машинописного текста, содержит 37 рисунков, 3 таблицы, список использованной лшературы из 83 наимеиойаиии и приложения.

КРАТКОЕ СО/Ц-РЖАНИЕ РАБОТЫ

Ро нреденип содержится обоснование актуальности темы исследования, сформулированы цел» и задачи диссертационной работы, дано краткое изложение результатов по основным разделай,

В первои разделе на основе аиал»ш отечеепдчшой н зарубзгкной научной и патентной литературы• рассмотрен!! рлзЛичиый типы сканирующих систем, и особенности их фуикционирпярчия. Зто позволило классифицировать дефекты молте-й я?огу/у vir.'i п>? источнику six r-oi' пнкнозения-и показать nniü;iiü- эти.-; --гт v. гл формпрорачи-з цисго-калровых моделей изображений. К п; „.• г. ■ с ":еГс>, ov.wwi нарушения фокусировки, reoucipin:? •„"•; : ;жгаж<::п>,г1. йшиспс: несовпадением npocipaiierrainoro с.-' . :■ ел ;>ч:г<'« д сс-л Ь'ри леед?-доьчпелыюм фермировапит кадтк. • ">.v,., , что .•. ч»«2г ■ ;-ойчодпуглпт, нрнменешш предварительной обрпб:и ;гч гп.си^гпарсчоЯ Mdrvmi, ср ¡Million с коррекцией геометрических нем: т;н>й ч цр-«;<>|шок:»тзм кядрсп г» единую систему координат. Дрейф клра;-«¡¿чг. £•••:•■•{ ctaOltmmmm ,'М-нряжешы ннгашМ осветителя влечет к*иикн1'$ c45:i ?ft шя'епо'.н'иисти излучения и, как следсгвие, возшк;1!0!"Л1ие дополнительной ¡icpanuoMOpno-стн гистограммы распределения уролней яркости в инеяедозателыю формнруемык кадрах миогокалропой глодали тсбра;кегпн:. Аналогично

проявлязотся дефекты, вызванные протяженными во времени изменениями параметров схем аналогового усиления и аналого-цифрового преобразования, вызванные дрейфом параметров как самих схем усилителей, так и схем стабилизации напряжения их питания. Кроме того, тепловые шумы активных элементов схем усиления вносят дополнительные аддитивные помехи. В результате на последовательно формируемых кадрах модели характер и параметры дефектов могут варьироваться. Это следует учитывать при разработке методов многокадровой обработки.

Рассмотрены различные варианты кодирования интенсивности и спектрального сос тава светового потока, несущего информацию о сканируемой сцены. Показано, что преимуществом растровых моделей изображений явдкетсл простота к единообразие подхода к обработке. Отличительно!! особенностью таких Моделей изображений является большая размерность матриц, связанная с необходимостью обеспечения высокого пространственного разрешения. Это предъявляет достаточно жесткие требоваш:"» к техническим средствам формирования, передами и хранения изображений, а также эффективности алгоритмов их обрабогги.

Рассмотрены основные существующие методы обработки изображений и сделан вывод о том, что известные методы основаны на подавлении сигнала в определенных областях спектра пространственных частот, как правило, высоких, соответствующих шуму, иго приводит к размыванию границ, снижению контраст и т.н.

Из существа задачи обработки моделей изображений и характера дефектоа сделан вывод о том, что переход к многокадровой обрабоп;е изображений позьолиет снизить влияние этих факторов.

По топом разделе введено понятие миогокадровой модели изображения, как множества кадров I = формируемых в резульппе многократного сканирования некоторой неподвижно» или медленно меняющейся сцены. При этом отдельный кадр нредстанляет собой прямоугольную конечную матрицу размера УхХ, элемешы ко трои, в случае монохромных моделей, являкпея скалярными величинами, характеризующими усредненную по спектру интенсивность излучения к соот-встст вующеи точке изображения сканируемой сцены в рассматриваемом кадре, а в случае цветных моделей изображений - век юрами, с кчшпо-ьетами, характеризующими интенсивность излучения в енотетств>к>

щей точке изображения, усредненную по некоторого;/ нттерпалу полного спектра.

Процесс фильтрации подобных моделей крепко очдащаетсл следующим образом. Если и ироцесро формирования модели выдерживалось условие инвариантности сканируемой сцены при полиоЧ неподвижности оптической систем!;! с.щцерп, то г.-обой точечный объект скани-

руемой сцепы будет представлен множеством пиксел:!)! ^Р(0'(х,у),Р(|)(х,у),.,.,Р(К~|)(л:,ту)| п гоотпетствугощих кадрах

Это позволяет производить фильтрацию модели, представляя элементы результирующего изебря/яния, далез обозначаемого как в пиде некоторого функционального преобразования соответствующих элементов нз вс«;; годных дядрол

Рид преобрячопаиня О оппегел,.".т (-:>ш.'стйя фильтра и должен избираться исходя нз требований, пред>гг:дае>!ыг. к фильтр«'. Рассмогрси-нын подход позволяет осуществить «.жлг.транщя шум« С") подавления высоких пространственных часто: иол-лнего счпппа, поскольку при формировании элемента Р<К)(х,у) результирующего изображения ¿~*!1> не используется информация о яркости зкеггчто;», ссгсичг. с ячгчштамн ,1/) из входных кадров, • ,

• В боле': общем случае эпя;«снт " ''(-••>?--') гщл*.тируюгд;го нз«--

браэтенид пожег Сыть сформируй плгр.'деп'ои применения одпк-го пли нескольких последовательных фуиотдеиллышк преобразований г значениям пикселей из некоторых логгаяыгп областей входных кадре»

оалхчяющпх а себя элементы Л("'(.\-;-у). Но дахе в лом случае \т,-' честно фильтрации будет ':>» :ше зглёдстмк? 'опмиего объема накапливаемой статистики.

В реальныт услопилг. л процессе сгыигфо.мнпя неизбежно возник;-, ют сдвиги как с:«»иирус»>ой сн'чи:, та:: и о»гтчес:со|1 системы сканирующего устройства. Эгр опычаст, что г.'"";':.)!«/-'.?!'« точечный объект 3 сканируемой спечы ни разпмч кадрьч будет гр:;;е:;;ллеи пикселями Г(я-) с различными координатами. Тд*:«м ••"•р:гом. для осуществления фи.тл-

рации модели необходимо найти соответствие между системами координат различных кадров. -Для этого были введены вспомогательные определения базового н приводимого кадров, базовой к приводимой точки.

Базовый кадр - кадр многокадровой модели изображения, к системе координат которого приводятся все остальные кадры модели.

Приводимый кадр Р(к> - кадр многокадровой модели изображения, система координат которого приводится к системе координат базового кадра.

Базовая точка Р<">(хп,г/п) - пиксель, отображающий точечный объект 8„ сканируемой сцены в базовом кадре Р(0).

Приводимая точка Р(к>(хп ,уп) - пиксель, отображающий точеч-

1

рый объект В„ сканируемой сцены в приводимом кадре

Показано, что произвольный выбор некоторого кадра модели в качестве базового, не ярляется оптимальным. В качестве критерия оптимальности предложено рассматривать минимизацию суммарной площади областей с неопределенным значением яркости, возникающих в результате совмещения кадров.

Сформулирован критерий формирования множества базовых точек, обеспечивающий выделение в базовом кадре некоторых «характерных» пикселей, которые в дальнейшем можно будет с достаточной точностью идентифицировать в приводимых кадрах.

Определен критерий формирования множества провидимых точек. Найдена оценка достоверности определения координат приводимой точки в условиях воздействия аддитивного белого гауссовского шума.

Разработана процедура преобразования кадров многокадровой модели изображения в единую систему координат. Очевидно, что любые два кадра молено привести к единой системе координат, выполнив над одним из них один линейный сдвиг на вектор (Яд.,/?^) и один поворот относительно некоторой наперед заданной точки с координатами (х,у) на угол (р. Оба этих преобразования обеспечивают сохранение расстояний и, как следствие, неизменность масштаба и формы.

Поскольку отдельная базовая точка Рт(хп,1]п) и соответствующая ей приводимая точка Р{к)(хп,уп) характеризуют один и тот же то-

чечный объект f>„, на основании различий в их координатах можно определить параметры совмещения кадров F<0' н F^k). Однако вследствие наличия шума, дискретного характера модели и т.п. точное определение координат приводимых точек невозможно, поэтому параметры совмещения кадров рассчитываются исходя из условия обеспечения экстремального значения некоторого критерия качества совмещения кадров. В случае монохромных моделей изображений при одновременном отсутствии априорной информации о степени точности координат той пли иной приводимой точки в качестве такою критерия предложена зависимость вила

где - координаты í-ой приводимой точки в кадре по-

сле поворота и сдвига; 1 - функция расстояния между базовой точкой и соответствующей ей приводимой точкой после поворота и сдвига.

В результате, оптимальные, в рамках предложенного критерия, параметры совмещения кадров F(u) и F'^'будут определяться выражениями

i /лг-1 n-l jv-i л

R[k) = -Ц 2 x¡ü) -cos(p(k) V .r[k) - sin oik) 2 í/f > ; N v1=0 í=0 i=0 ^

K" = its'sr+s -"*vtk) Z #4

JV ч1=0 i =0 1=0 J

f N-l - U-i л'-l N-1 -v-l

tg<P{fc) = 2 S¡k)'L - N I y¡k)*¡n) иГ +

M=0 í=0 1=0 i=0 í=0

N-] , Л l(N-\ N-1 N-l

+ N z ж/к,й/0) / I *,<*> I ,Y< ! - N У Jc<k>x<°> + 1=0 // Ví=0 1=0 i-0

JV-l ЛМ Л'-l \

1=0 ¡=o i=a -

Предложена птерациопна.т процедура, обеспечивающая уточнение параметров преобразования кадров в единую систему координат, заключающаяся в последовательном определении среди приводимых точек той. которая имел' наибольшую ншренлюечь совмещения, и исключении ее и i множества прпволиммх точек с последующим перерасчетом парамем-

ров преобрззорэння кадров о единую систему координат- Подобная процедура значительно повышает точности совмещений кадров н общее качество многокндровои фильтрации,

Р третьем разлепй рассмотрены вопросы динамического формирования областей присед приводимых точек, обеспечивающие существенное ускорение обработки. Кратко предложенная методика заключается в следующем, Поиск приводимой точки в общем случае должен осуществляться в предела* некоторой локальной области приводимого кадра, размера которой определяются априорна заданными максимальными релнчпнами сдвигов отдельных кадров, Мощность множества базовых и соответственно приводимых точек выбирается существенно больше минимально необходимой, что позволяет компенсировать возможные ошибки идентификаций в процессе поиска приводимых точек, Поскольку ошибки определения координат приводимых точек являются случайными величинами, то цараметрн сормещения кадров, вычисляемые на ос-норе различий а коордннатрх базовых и приводимых точек, так же содержат некоторую случайную ошибку. Показано, что с ростом мощности мнохсеств приводимых точек зга ошибка стремится к нулю, Однако, уже После определения координат нескольких приводимых точек становится возможным вычисление предварительных оценок параметров преобразования кадров модели в единую систему координат, которые позволяют с достаточной точностью прогнозировать местоположение очередной приводимой точки. Это позволяет осуществлять ее поиск в области, размеры которой определяются не предельными величинами сдвигоз кадров, а верхней оценкой границы ошибки определении параметров преобразования, которая значительно меньше,

Разработаны различные варианты фильтров многокадровых моделей изображения, Процесс локальной фильтрации однокадровоп модели сводится к выполнению определенной последовательности преобразований над элементами изображения, входящими в некоторую его область, ограниченную плоской апертурой, как правило, прямоугольной формы. В случае фильтрации многокадровых моделей изображении. апертура фильтра рассматривается как' некоторая объемная область, включающая пиксели из различных кадров модели изображения.

Наиболее простои фильтр образует апертура-столбец. Если координаты текущего формируемого пикселя результирующего кадра F(K1 -(хаУс)< то апертура-столбец дал этого пиксел;; будет включать в себя

элемепты изображения из всех кадров модели с координа-

тами (хс,ус). Эти элементы образуют множество

При этом элемент выходного, отфильтрованного изображения Рк(хс,ус) является результатом некоторого функционального преобразования Ф, выполненного над элементами множест ва А Рт{хс,ус) = <ЦА(хс,ус)).

Конкретный вид преобразования определяет тип фильтра.

В общем случае, при фильтрации многокадровых моделей изображении апертура представляет собою прямую призму, высота которой соответствует количеству кадрон, входящих в модель. Чаще всего в качестве подобной апертуры используется параллелепипед, длина и ширина которого характеризуют размеры области, образующейся в результате пересечения апертуры с плоскостью соответствующего кадра.

Координаты геометрического центра апертуры (хс,ус) совпадают с координатами текущего формируемого пикселя результирующего изображения, а длина и ширина составляют соответственно. (2и+1) и (2п+1). При этим элементы модели изображения, ограниченные апертурой, образуют множество

а = {а(п>,а(|\...,а(*ч)),

где - матрица с элементами модели изображения, находящимися внутри области Л в кадре Рк

Пели принадлежность элемента Р(,1>(х,у) 1с кадру игнорируется, то ееи>, над всеми элементами множества Л одновременно осуществляйся единообразная обработка, то процесс фильтрации фактически сводится к рассмотренной выше фильтрации с использованием апертуры-спшбца.

Однако в данном случае более эффективным'является применение комбинированных фильтров. Процесс комбинированной фильтрации расиадае1ся на несколько этапов. Па первом к каждому подмножеству

Л(л) ¿2Цо:-;:еетел Д ташка прииеиштсв некоторое преобразование Ф(. Е результате:» гога формируется инозхесгао промежуточных результатов

На второй отите к этоиу множеству применяется еще одно преобразование а результате которого формируется искомый элемент

Р(г')(хс,ус | ргл/пьчкруовкго отфильтрованного изображении.

Та.:лш оСуг;зг.% а общгм ьдде процесс комбинированно]! фильтрации ма;:;цо пр^сыл^ть кал

гдз "•??!, О2 - фуикнионйльн«и нреобра¡оишш.г над элементный соэтвгг-

Пя ь:у«у алгебра ^ивнй и првдио;::ело лесчслмсо различ-¡с-:;: ¡тд'.Зхшареышцйк фкльтрои ьшогокадроиык моделей

.'¡З'эСр'О: -С!

г. -.-л-.■■ л Элемент ри»ущ.тнру*эл-;.-.го ппо5рихс-

щм п еду Судя аирвпмтгл ии]».ГАЧИнер

к. 1

~*М V - ;'г •{■'■'С + 4 ¿'"Ье- 4 -{у с + 4

и .»то • \.л.ьтрс »¡'."Д-клх- тдеКмнею калрг, (мцо.-жпял А*К)) .-.¡ара.п'.": фи; 1.гр..цн .. а шюср'лдствейио элемент »м-; О;"; щ лг анлемо изображении формируется пузе?.; линийки. фд'.и1 р;:н'л! ¡..'.¡и,.гг»ка нрч-.-;, .'улоч!Ы.л результшо«». Наи.-глзск-знгс .•>:•>

с. залети. ирссО/лсс.ГйИк; «*',. олетечцваг,- нияв: ..б/л. г'.еГ. л ¡у. : урс«Л! илпуаеал. Рлл;г//л с к;м. линейный в'-;д п;...-с^рл'ОУ'.ч;;;;; х-- уеул/лилг р~:г,л:->га;г! е3р.;0с«»:и по ран;;,чьим ¡.динам, тс;: ин«с:/.1, компенсируй' во'.чюл.лые: ^лл.олн.

■Упаа^Уи,и>,и ¡л Эл; ■■:;;;;' раудьт'нру.ищуго изображе-

на;; ^лулле будет олр-ллл'иьел ль!ра....ел».:;1а

£ ¿Р'^'Л:+ '■»«/£■ + I г),

-I

п'с Н - матрица весовых коэффициентов окна апертуры размерностью (2и+1)<(21>И). Вид элементов этой матрицы будет определять тип линейного фильтра.

Меднано-медншпп.и! фильтр. Элемент результирующего изображения в этом случае будет определяться выражением

Описанные фильтры могут применяться также в итерационной Форме, с изменением размеров и формы апертуры пли параметров сесо-г.эн функции на различных проходах. Стратегия применении определяет-сч ::онтсретными целями обработки изображения.

Предложена методика аффинных преобразопанин кадров миого-К(»дрсвон модели, учитывающая дискрешый характер изображения. Кратко, она заключается в следующем. Элемент матрицы изображения рассматривается как тггеграчьиып показатель, характеризующий интен-сивпость излучении, падающего па некоторую компактную выпуклую область плоскости непрерывного изображения, формируемого оптической системой, обладающую конечными размерами. Таким образом, при выполнении сдвигоп и поворотов кадроп модели, осуществляющихся з процессе совмещения кадров, элементы результирующего изображения вычисляются с улетом яркостей окружатащнх пикселей, "то позволяет снизить проявление «лестничного:) зф^ктя н повысить общее качество обработки изображения,

Предложена методика обработки областей с неопределенными значениями яркости пикселей, Базнш'.агаишпн иа периферийных областях приводимых кадров в результате их лрхорэзозяння в систему координат базового кадра. Методика основана на всслсчни дополнительного кода, описывающего признак неопределенно!! яркости. Предложена процедура преобразования модели изображения, обеспечивающая сохранение длины разрядной сетки кодов яркости при минимальном внесении искажений, а также, модифицированные процедуры фильтрации моделей с подобными кодами,

программного комплекса обработки многокадровых моделей пюбраже-

•v - (хс - и)..(хс + и), У" (у а - и).'(Уо + "У> к °'-(К - 0.

содержится описание автоматизированного

?шй, осноаапщ.;»! лй теоретических положенная, изложенных по втором и третьем раздзлзя, • ■

Показано, что вследствие существования различи!.!!; типов фильт-роа, осзспгчиодещих Достижение различных результатов обработки, эдзитхрг г(Отр».олоеть в' {.р.чивном хранении тосокедрашя моделей рзобрюкзадС. Однако сущсстгуюише методь* сжатия видеоинформации »к; учш.члак-у о^бгкноутей подо Оных моделей, поэто му их непосредст-рршо« пр.г.-с;;-:;»:-,; '¡{¡достаточно эффективно, Предложена методика ;го;.шргс:;пл 1.;ного::;>аровых моделей изображен)!)! в системах архивного кранецм«. Кригко она зшнэчпегся в следующем, кадры, входящие в мио-гокадровую ;ю г-л: и, после приведения ил к единой системе координат жожно дожпло'.лоП точнелъвд считать одннакосым». Эго -пезаотвт применить про:; суточноепреобразование вида

Р™^)- -¡^уУ^Ы'

БЛГ» УШ'нП'!., что Присутствующий В ИЗО^-ЗЖСШШ шум яклк.лхя адвютйнын, бглк. И пмершчк нор;.:г«кьрый закон распределения амплитуды с.е;г.д;жкгг!дратиче:};и',5 отклонением ся н нулешм мвтсм&тя*

чсез.»г.; то ;ю;;.но показать, что Л;'"' Т3;;же дьл/етсл нор-

ыалждо рдспрсдопенноП случайной величиной, с пулевым . м»те.*.гдкчсг«а1-л охпдшше;.; и среднеквьдрйтичгским отклонением оа^2 , Рвсмогрешгае ьышг преобразоыта? обсспечизаегг 'существенное увеличение рзчфосз вероятностей появления отдельны/, кодовых комбинаций, что дшзег предцочтш'ельци.\тнепользо;шш« эффективных кодов. Это, г юз вотрет модифинирозат!-' злаптиг.иый алгоритм Хафймеии, что-дает дрполншельнмй выигрыш щш компрессии изображений.

Проведено сравнительное исследование характеристик одпакадро-вых I! циогскадровых. фильтров. Приведены спектры пространственных частот тестовых моделей изображений, подвергшихся фильтрации традиционными однокадровыми фильтрами и разработанными многокад-роьымн.

В_"?а]Сд.!С!Ч£ШШ сформулированы основные результаты н выводы работы.

■ В прто-гарп! прнеодчтеи-прнмеры алгоритмов 1! программ обра-Счтгкк миогэснчровых моделей изображений, описание процедуры коррекции геома ркчеекпл пскакеннй, возникающих в снециад.парованных

сканирующих системах с ралнзлитй р-пр.трг:0!|, кгдгг-; .чне.':ре::ц результатов диссертации п промышленности.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ

1. Па основании анализа отечественной зарубе*. :ной специально!« литературы произведена классификация технически;' '.'редетз, нспользус-п« :ч дел формнрорания цифровых мода/ген изображения, факторов, вносящих искажения, а также сутестзуюаих. методов обработки изображений.

2. Введено определение тюгокадровой модели изображения. Показано, что переход к ,\шого:<адровой обработке позволяет обеспечить более высокое качество фильтрации изображении но сравнению с ¡рллицн онным фильтрам, основанными на'иодаелггши сигнала в определенны.: областях спектра пространственных члегог, cooTnejciayioumx шуму.

3. Введены понятия базового и приводимою килров молети, unv> вой и приводимо!! точек. Сформулированы критерии выбора базсзсгс. кадра многокадропоа модели изображения, определенна координат базовых и прнволимых точек.

4. Разработана процедура форм-ргтеш»:, т.н:о?:еег» базовых н приводимых точек для различных типец г.иогокалропт »¡оделен пзебраге-шш. Найдена оценка точности определения координат приводимой то г-кн в условиях воздействия аддитивного белого гауссоаского шума.

5. Сформулирован критерии и ivK/ichl: оптимальные оценки параметров совмещения кадров. Разработана процедура ;;Лф:шшлх пресбра-зованнй кадров модели, уштышэщзя дттрсимй характер кзебрагге-иия и обеспечивающая снижение ирош'лс.г.г, «'дечннчиога» г,»>.-чктй ny.-.t преобразовании кадров модели в слинуг» си«.;?иу коорнимат.

6. Ралработна итерационная проггглур» датяичгского формирования областей поиска при.годймьг: тпче: при пр?£Н>рЧ2оаш«ки кнлро', многокалро.чой модели изображали л с««сиу т'еорд!Ш«г, обег-печнваюша': значительное сокращение числа арифметических операций.

7. Предложена процедура обработки облаоей с неопределенными значениями яркости пикселей, еозннкнющия о процессе нресбразоадниг; кадров модели изображения в единую си схему координат. .

8. Разработана мегодика построении алгоритме:! линейной и нелинейной локальной фильтрации HHoro:;ajjpmiw>. моделей изображении.

9, Разработан комплекс алгоритмов и программ, обеспечивающий обработку падутонсяык и цветных мкогохадровых моделей изображений, а также ик компрессию с целью архивного хранении.

10. Прикладные результаты работы внедрены: в римка,ч КомплексНой инновационной научно-теннпнеекой программы 13.22 «Создание комплексов обработки изображений и средств отображения информации», в фонде поддержки инновационных программ «Дисплей» с общим экономическим эффектом 78,8 млн. руб. в ценах 1996 г, а также в рамках г/б научно-исследовательской те»|ы М1 02_95 «Исследование процессов преобразования и отображения информации». Теоретические результаты работы внедрены в учебных курсах «Системы искусственного интеллекта» и «Конструирование и производство ЭВМ» на кафедре ЭВМ Тульского государственного университета.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Игнатьев В.М., Котов В.В. Влияние белого шума при многокадровой обработке изображений. // Сборник тезиеор докладов XI межву* зрвской НТК.-Тула: ТВАИУ, 1997.-С. 114-И5.

2. Игнатьев В.М., Ко юн В.В. Использование многокадровой обработки при флюоресцентном ангиографическом исследовании. // Сборник тезисов III международной конференции «Оптико-электронные приборы и устройства в системах распознавания образов, обработки изображений и символьной информации», - Курск:'КГГУ, 1997, - С. 24.

3. Игнатьев D.M., Котов В.В. Методика компрессии многокадровых моделей изображений на основе аффективного кодирования. Н Из-иестия Тульского государственного университета. Серия Математика. Механика . Информатика. Том 3. Выпуск 2. - Тула: ТулГУ, 1997. - С. 3138. >

4. Игнатьев В.М., Котов В.В, Особенности аффинных преобразо-ранмй многокадровых моделей изображений. Н Научно-технический сборник Ха 14 ТВАИУ. - Тула: ТВАИУ, 1997. - С, 92-102.

5. Игнатьев В.М., Котоц В.В. Особенности использования эффективных кодов при компрессии многакадройых моделей изображений, // XIV научная сессия, посвяШснцай Дню Радио. Тезисы докладов. - Тула: ТулГУ, 1997.-С. 39.

6. Игнатьев В.М., Котов В.В. Улучшение изображения радужной ободочки глаза щ\ основе многокидровой обработки. // Всероссийская

H3J"}ifQ-jcxiiH4ecK{|3 конференция «Биотехническим, медицински» и экологические системы и комплсрсы», Те'исн докладов. - Рязань; РГРА, 1996. - С. 17.

7. Игнатьев В.М., Котов П.В. Уменьшение ¡гска-дсний изображений при мчогокадровой обработке. // Сборник тезисов докладов III Научно-технической конференции ЦНИИ МОРФ. - Мрсква: ЦНИИ МО РФ, 1997, -С. 14.

8. Котов В.В. Организация интерфейса для сканирующих устройств с радиальной разверткой, // В кп. Алгоритмы и структуры систем обработки информации. - Тула: ТулГУ, 1996, - С, 67-77,

9. Котов В,В, Технология обработки цветных многоклдрояых моделей изображений. // Микроэлектроники И информатика - 97: Тезисы докладов межвузовской научно-технической конференции, Часть 2, Москва: МГИЭТ (ТУ), - 1997, - С, 62,

10. Котов В,В, Фильтрация многссадропых изображении. /,' Школа-семинар «Норме информационные технологии^, Тезисы докладов. -Москва: МГИЭМ, 1596, - С,359,

И, Котоп В.В., Игнатьева Т.В. Особенности выбора базового кадра при обработке многокадрог.ьп моделей изображений. // Сборник тезисов 35-ой научно-технической конференции Микайдовекой артиллерийской академии, Санкт-Петербург; МАА, 1997, - С, 20,

12. Котоз В.В,, Игкдтье.па Т.В. Технология улучшения изображений на основе многокпдровой обработки. // Автоматизация и сопремец-ныетехнологии. -Хй 7, 1997, -С. 15-1 Р.

13. Котов В.В,, Святенко ИЛО, Особенности сопряжения систем радиального сканирования с персональным комрыотером. // «XXI Гагп-ринские чтения», Тезисы докладов. 4.5, Москэа; МГДТУ, 1996. -С, 98-99,

14. Лпркин Е,В,, Катов В,В, Автоматизированная система обработки данных для флюоресцентных ангиографических исследований. // Всероссийская научно-техническая конференция «Биотехнические, медицинские и экологические системы и комплексы». Тезисы докладов. - Рязань: РГРА, 1997, - С.35.

Ho;iti'K".itiu « ном.in, 2 7. С 't Г. Фкрчыг Г,)м.пи 6B\S4 1Л6. Ьучага nimjipai>4'>,j« Xj 2

Оф.Ч'|1Ы!М11'Ч;1|Ь. У IM. |!П.Л / <"■/ . Усл. |.'|>.-(>ГГ. , Уч. ни. л. С С

Tlip:l.r; <СС )KJ. С-У

Ty.n.cKiiii locyaajuViicuiiuii уииисрскгкг. 3(10600, i. Тула, пр. .'Кии на, ')!.

14- KiKiuioimo- иi.ia|t'.n,ci,uii ucMip Ty.ibckuio loey.iapciiHmior/, ymnupciucia.

3!)0(i«i», i. '1>лд, j.i. Ka.i№«o, 1Я