Введение к работе
Актуальность темы. В настоящее время по мере развития средств вычислительной техники появляются все новые возможности для прикладного использования телевизионных измерительных систем (ТИС) Важным направлением при создании таких систем является разработка эффективных алгоритмов и программного обеспечения для анализа изображений движущихся объектов
Системы видеонаблюдения широко применяют в целях охраны, для контроля и управления дорожным движением, на железнодорожном транспорте и в других отраслях Однако алгоритмы обработки информации, используемые в подобных системах, позволяют обеспечить выполнение только простейших операций, таких как обнаружение движущегося объекта на сравнительно простом фоне и оценка скорости его перемещения Подобные системы, в сущности, являются системами видеонаблюдения, а не измерительными системами
Существенное увеличение быстродействия и объемов памяти вычислительных устройств снимает ограничения на сложность алгоритмов, а прогресс технологии микроэлектроники привел к существенному снижению стоимости матричных фотоприемников и изделий микропроцессорной техники
Одним из перспективных направлений применения телевизионных измерительных систем нового поколения является контроль дорожного движения Данное применение имеет как общие черты с некоторыми другими типами телевизионных измерительных систем (выделение подвижного объекта на сложном фоне), так и ряд специфических требований
В настоящее время телевизионные измерительные системы для контроля дорожного движения нового поколения находятся в стадии разработки При их реализации встречается большое число проблем и трудностей Такие проблемы до сих пор не решены или решаются с потерей информации и качественных показателей систем Все возникающие проблемы можно разделить на аппаратные (связанные с повышением рабочих параметров оптико-электронных устройств измерительной системы) и алгоритмические, заключающиеся в определенных процедурах обработки массивов данных, описывающих характеристики наблюдаемых изображений, поскольку при громадном количестве известных алгоритмов обработки изображений решение задачи измерений требует исследования и разработки конкретной последовательности определенных операций преобразования исходной информации, обеспечивающей решение поставленной задачи с минимальной погрешностью и минимальной вычислительной трудоемкостью
Особенности разработки ТИС для контроля дорожного движения заключаются в следующем объект измерения является большеразмерным (т е занимает значительную часть кадра и невозможно ограничение области обработки), цвет объекта измерения может быть произвольным (что затрудняет использование спектральных узкополосных фильтров для подавления фона), на изображениях присутствует динамический фон из-за колебаний растительности, что затрудняет процедуру выделения движения в кадре, в поле
зрения может находиться большое количество аналогичных объектов, от которых надо отселектировать объект измерения В конечном счете, все перечисленные причины приводят к усложнению алгоритма обработки (выделение и измерение параметров полезного объекта возможно только на основе комплексного алгоритма, учитывающего совокупность признаков объекта), повышению объема вычислений и времени измерений
Проведенный анализ состояния телевизионных измерительных систем для контроля дорожного движения позволяет сформулировать цель и задачи диссертационной работы
Цель работы Повышение качественных характеристик телевизионных измерительных систем для контроля движения транспортных средств на основе разработки и совершенствования принципов построения систем и алгоритмов обработки видеопоследовательностей изображений
Для достижения цели диссертации необходимо решить следующие задачи
разработать общий алгоритм работы измерительных систем контроля движения транспортных средств, т е определить состав, содержание и последовательность операций обработки изображений,
провести анализ характеристик фонов и транспортных объектов и разработать алгоритмы компенсации влияния фона и выделения подвижных объектов,
разработать специализированный комплексный алгоритм селекции полезных объектов на изображениях,
разработать алгоритмы определения координат и динамических параметров (вектора скорости) транспортных объектов,
исследовать возможность использования оптических методов обработки информации в телевизионных измерительных системах,
провести анализ источников погрешностей телевизионных измерительных систем и разработать пути их снижения
Основные положения, выносимые на защиту:
Алгоритм измерения скорости и предварительной классификации транспортных средств в телевизионной измерительной системе
Комплексный алгоритм селекции полезных объектов на изображениях телевизионных измерительных систем контроля движения транспортных средств
Алгоритмы компенсации влияния фона, выделения подвижных объектов, определения координат и динамических параметров (вектора скорости) транспортных объектов на телевизионных изображениях
Компьютерные модели алгоритмов обработки изображений и результаты экспериментального исследования макета измерительной системы для определения координат и скорости транспортных средств
Методы исследований. В работе применялись методы двумерного преобразования Фурье и вейвлет-преобразования, методы линейной и
нелинейной обработки изображений, численные методы, методы экспериментальной радиооптики
Научная новизна состоит в получении новых научных знаний и разработке прикладных алгоритмов обработки изображений в телевизионных измерительных системах для контроля скорости транспортных средств, включающих в себя
разработан комплексный алгоритм селекции полезных объектов на изображениях телевизионных измерительных систем контроля движения транспортных средств, обеспечивающий высокую вероятность обнаружения при воздействии фона и динамических помех,
предложены алгоритмы спектральной (цветовой) селекции транспортных средств, позволяющие подавить посторонние объекты в поле зрения измерительной системы,
предложены алгоритмы компенсации влияния фона на телевизионных изображениях на основе вейвлет-преобразования,
создана база данных комплексных характеристик изображений в телевизионных измерительных системах контроля дорожного движения, включающие яркостные характеристики, Фурье и вейвлет-спектры и корреляционные характеристики изображений природных и дорожных фонов, а также транспортных средств, позволяющая конкретизировать параметры алгоритмов обработки изображений в различных условиях,
проведено моделирование алгоритма работы измерительной системы и экспериментальное исследование макета телевизионной измерительной системы, показавшие высокую эффективность предложенных алгоритмов обработки
Практическая ценность результатов работы определяется следующими факторами
Определены конкретные требования к структуре телевизионных измерительных систем для контроля скорости транспортных средств и фотоприемному устройству системы
Разработан общий алгоритм и конкретные алгоритмы выделения информации о скорости транспортного средства по видеопоследовательности кадров изображений в условиях воздействия помех, что позволило существенно повысить достоверность измерительной информации и точность измерений
Разработан комплекс программ для моделирования процессов и обработки видеопоследовательностей изображений в телевизионных измерительных системах
Разработан и экспериментально исследован макет телевизионной измерительной системы для измерения скорости транспортных средств
Реализация результатов работы. Разработанные в диссертации алгоритмы цифровой и оптической обработки изображений были внедрены в учебный процесс при подготовке специалистов направления 210300 «Радиотехника» В частности, алгоритмы цифровой обработки изображений внедрены в лекционный и лабораторный циклы по дисциплине «Основы
телевидения и видеотехники», на основе экспериментальных конструкций когерентных оптических процессоров разработаны и внедрены две лабораторные работы по дисциплине «Оптические методы и устройства в радиотехнике»
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались на I Всероссийской научно-технической конференции студентов и аспирантов «Идеи молодых - новой России», Тула 2004г, Международной молодежной научной конференции XXXI Гагаринские чтения - Москва, МАТИ 6-8 апреля 2005г, III Всероссийской научно-технической конференции «Современные методы и средства обработки пространственно-временных сигналов», Пенза, 24-25 мая 2005г, на электронных конференциях Российской Академии Естествознания «Новые информационные технологии и системы» в 2005-2007гг
Публикации. Основное содержание работы отражено в 19 публикациях, включающих 13 статей, 6 тезисов докладов на международных и Российских НТК
Структура и объем работы. Работа состоит из введения, пяти глав, заключения и приложений, изложенных на 192 страницах основного текста и содержащих 66 рисунка, 19 таблицы, списка литературы из 84 наименований и 9 приложений
Похожие диссертации на Алгоритмы обработки изображений в телевизионных измерительных системах контроля движения транспортных средств
