Введение к работе
Актуальность работы
Использование видеоинформации в современном мире стремительно возрастает развиваются различные системы мониторинга, наблюдения, технического зрения, видеотелефонии, медицины, Интернета, регистрирующие и передающие огромные объемы данных Исследование временной динамики наблюдаемых объектов приводит к необходимости анализа последовательностей изображений, учета не только динамики наблюдаемой сцены, но и пространственных перемещений датчиков сигналов и других факторов, приводящих к межкадровым геометрическим деформациям изображений (МГДИ) Современные информационные системы характеризуются очень большими скоростями передачи данных, что требует создания новых методов оценивания параметров МГДИ, ориентированных на реализацию в реальном времени Для изображений больших размеров перспективным направлением является использование рекуррентных псевдоградиентных процедур (ПГП), которые применимы к обработке изображений в условиях априорной неопределенности и предполагают небольшие вычислительные затраты Однако их недостатком является сравнительно небольшой рабочий диапазон, в котором обеспечивается эффективная сходимость оценок, что предполагает оптимизацию процедур по скорости сходимости и вычислительным затратам Характер сходимости оценок параметров и вычислительные затраты во многом определяются планом локальной выборки отсчетов изображений, используемой на каждой итерации для нахождения псевдоградиента целевой функции (ЦФ) качества оценивания Однако вопросы оптимизации псевдоградиента ЦФ мало исследованы Поэтому актуальным является создание и исследование методов, алгоритмов и программного обеспечения, направленных на решение этой проблемы
Цель и задачи исследований
Целью диссертационной работы является разработка методик, алгоритмов и программного обеспечения оптимизации псевдоградиента ЦФ качества при оценивании параметров МГДИ Для достижения цели исследования необходимо решить следующие задачи
1 Разработать и проанализировать способы вычисления псевдоградиента ЦФ
по локальной выборке и текущим оценкам параметров с учетом дискретности
цифровых изображений.
Разработать методику нахождения оптимальной и субоптимальной областей взятия отсчетов локальной выборки для расчета псевдоградиента ЦФ при заданном классе полутоновых изображений (заданных плотности распределения вероятностей и автокорреляционной функции)
Разработать алгоритмическое и программное обеспечение, позволяющие для заданного класса полутоновых изображений оптимизировать нахождение псевдоградиента ЦФ
Проверить соответствие аналитических результатов, полученных с помощью методики оптимизации области взятия отсчетов, экспериментальным результатам, полученным на различных классах имитированных и реальных изображений
Методы исследований
При решении поставленных задач в диссертационной работе использовались методы математического моделирования, теории вероятностей, математической статистики, теории случайных процессов и полей, статистических испытаний
Научная новизна результатов
С учетом дискретности цифровых изображений впервые проанализированы возможные способы вычисления псевдоградиента ЦФ по локальной выборке и текущим оценкам измеряемых параметров Выработаны рекомендации по применению полученных способов в различных прикладных задачах.
Для ситуации оценивания одного параметра межкадровых деформаций разработана методика нахождения оптимальной и субоптимальной областей взятия отсчетов локальной выборки, основанная на максимизации коэффициента улучшения оценки
Найдены расчетные выражения для коэффициента улучшения как функционала дисперсии яркости, отношения сигнал/шум и корреляционной функции изображения для случаев использования в качестве ЦФ среднего квадрата межкадровой разности и коэффициента межкадровой корреляции
Для ситуации оценивания вектора параметров предложена и реализована методика нахождения оптимальной (субоптимальной) области взятия отсчетов, основанная на обеспечении оптимального значения евклидова расстояния рассогласования Методика позволяег находить оптимальное расстояние по ЦФ, отношению сигнал/шум и корреляционной функции изображений
Практическая ценность результатов работы
Разработанные методики оптимизации области взятия отсчетов локальной выборки и правила выбора начального приближения параметров, обеспечивающие увеличение быстродействия процедур оценивания МГДИ, позволяют реализовать эти процедуры в системах реального времени
Полученные расчегные соотношения для различных способов нахождения псевдоградиентов квадрата межкадровой разности и коэффициента межкадровой корреляции дают возможность при проектировании реальных систем оценить время вычисления для конкретных вычислительных средств
Разработанные способы оптимизации псевдоградиента ЦФ, алгоритмическое и программное обеспечение могут быть непосредственно использованы в различных прикладных задачах обработки изображений, где применяется рекуррентное оценивание параметров
Реализация результатов работы
Результаты диссертационной работы использованы в научно-исследовательском проекте 209 0101 072 «Рекуррентное оценивание параметров пространственных деформаций последовательностей многомерных изображений» (№ roc per 01200312433) программы «Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники». НИР № 1 1.01 «Статистический анализ неоднородных динамических изображений, заданных на многомерных сетках со случайными пространственно-временными деформациями» (№ roc per 01200111127), а также при выполнении грантов РФФИ № 05-08-65472-а «Оценивание парамегров межкадровых пространственных деформаций последовательностей изображений», № 07-01-00138-а «Анализ и оптимизация процедур псевдоградиентного оценивания геометрических деформаций последовательностей изображений», № 08-07-99000-р «Разработка алгоритмического и программного обеспечения для решения задач автоматизированной обработки и анализа пространственных деформаций последовательностей изображений в реальном времени».
Достоверность результатов
Полученные результаты не противоречат известным взглядам на вопросы оценивания параметров МГДИ, их достоверность обеспечивается применением хорошо апробированного математического аппарата, полнотой учета влияющих факторов,
высокой степенью детализации математических моделей процесса псевдоградиентного оценивания межкадровых деформаций и подтверждается экспериментальными результатами
На защиту выносится:
Анализ возможных способов вычисления псевдоградиента ЦФ по локальной выборке и текущим оценкам оцениваемых параметров, позволивший выработать рекомендации по применению способов в различных задачах оценивания МГДИ
Методики нахождения оптимальной и субоптимальной областей взятия отсчетов локальной выборки, формирующей псевдоградиент ЦФ, основанные на максимизации коэффициента улучшения оценки и обеспечении оптимального евклидова расстояния рассогласования
Расчетные выражения для коэффициента улучшения как функционала дисперсии яркости, отношения сигнал/шум и корреляционной функции изображения (при выборе в качестве ЦФ среднего квадрата межкадровой разности и коэффициента межкадровой корреляции)
Выражения для нахождения оптимального евклидова расстояния по корреляционной функции и отношению сигнал/шум изображения (при использовании в качестве ЦФ ковариации, коэффициента корреляции и среднего квадрата межкадровой разности изображений)
Библиотека прикладных программ, позволяющая при заданных ЦФ, распределениях яркостей и корреляционных функциях полутоновых изображений оптимизировать область взятия отсчетов локальной выборки при решении задач оценивания МГДИ
Апробация работы
Основные положения диссертационной работы докладывались, обсуждались и получили положительную оценку на IV международном конгрессе по математическому моделированию (Нижний Новгород, 2004), на международных конференциях «Digital Signal Processing and its Applications» (Москва, 2006), «Pattern Recognition and Image Analysis New Information Technologies» (С -Петербург, 2004, Йошкар-Ола, 2007), «Континуальные алгебраические логики, исчисления и нейроин-форматика в науке и технике» (Ульяновск, 2004, 2006), на Научных сессиях, посвященных дню радио (Москва, 2005, 2006), на первой международная научно-технической школе-семинаре «Современные проблемы оптимизации в инженерных приложениях» (Ярославль, 2005), на всероссийских конференциях «Современные проблемы создания и эксплуатации радиотехнических систем» (Ульяновск, 2004, 2006), «Информационно-телекоммуникационные технологии», (Сочи, 2004), «Математические методы распознавания образов», (С -Петербург, 2007), на ежегодных научно-технических конференциях Ульяновского государственного технического университета
Публикации
По теме диссертации опубликованы 24 работы, в том числе 7 статей, три из которых в изданиях из перечня ВАК, и 14 работ в трудах и материалах международных и всероссийских симпозиумов, сессий и конференций, всего 5,4 печатных листа Некоторые результаты работы отражены также в отчетах по НИР 209 01 01 072, НИР№ 1.1 01, грантам РФФИ № 05-08-65472-а и № 07-01-00138-а
Структура и объем работы
