Введение к работе
Актуальность темы. Все объекты излучают, поглощают, пропускают и отражают инфракрасное (ИК) излучение определенным образом, что позволяет получать определенную информацию об исследуемом объекте. Если произвести обработку данной информации, то можно определить и проконтролировать параметры объекта, особенно ценно то, что измерения производятся бесконтактным методом. Инфракрасное излучение лучше, чем видимое, проходит сквозь атмосферную дымку, замутненную среду, туманы большой плотности, что дает возможность видеть объекты, удаленные на расстояние в десятки и сотни километров, в том числе и полной темноте, осуществлять аэровидеосъемку как с самолета, так и со спутника. Но для того чтобы визуально увидеть объекты, полученные с помощью ИК излучений, необходимо провести предварительную обработку изображения. На сегодняшний день одной из актуальных задач инфраобработки является обработка динамических изображений в реальном времени с хорошим визуальным качеством на выходе, а это предъявляет очень жесткие требования к вычислительной мощности устройства обработки, и ведет к росту его стоимости.
Сейчас появилась потребность в создании компактных переносных те-пловизионных приборов с более низкой себестоимостью, с внутренней обработкой динамической информации в реальном времени. Для реализации тепловизоров с такими требованиями существует несколько подходов:
усовершенствовать технику, а именно использовать современные цифровые сигнальные процессоры;
преобразовать существующие известные методы работы с изображениями;
произвести распараллеливание процесса вычислений.
В качестве цифрового сигнального процессора был выбран нейропро-цессор отечественного производства NM6403 (далее — Л1879ВМ1). Важнейшая особенность данного векторного процессора — работа с операндами произвольной длины (даже не кратной степени двойки) в диапазоне 1-64 бит, чего не делает ни один другой процессор. За счет данной особенности нет простоев процессора, а значит увеличивается скорость вычислений векторных операций.
Архитектура Л1879ВМ1 требует новых подходов к программированию известных алгоритмов обработки изображений в части улучшения визуального качества. Поэтому для получения более эффективной аппаратной реализации на нейропроцессоре Л1879ВМ1 можно и нужно воспользоваться двумя оставшимися путями, a гиненно произвести модификацию известных алгоритмов для их реализации на Л1879ВМ1 и использовать параллельные вычисления, в данном случае заключающиеся в деление разрядной сетки ней-ропроцессора для векторных операций.
Актуальность диссертационной работы заключается в удовлетворении потребности отечественного производства в эффективной обработке изображений в инфракрасном диапазоне. В диссертации эта задача решается с по-
9:
мощью нейропроцессора Л1879ВМІ с использованием модифицированных алгоритмов обработки сигналов, получаемых с матричного неохлаждаемого микроболометрического фотоприемного устройства (далее — тепловизор), в режиме реального времени.
Целью работы является модификация классических методов улучшения визуального качества изображения и разработка комплекса программ для Л1879ВМ1, обрабатывагощего в режиме реального времени поступающие на тепловизионный прибор ИК сигналы от динамических объектов.
В связи с поставленной целью в диссертации решаются следующие основные задачи:
анализ существующих классических методов и алгоритмов обработки изображения в инфракрасном диапазоне;
модификация метода рекурсивной фильтрации и его программная реализация на нейроматричном аппарате вычисления процессора Л1879ВМ1;
модификация метода двухточечной калибровки и его программная реализация на нейроматричном аппарате вычисления процессора Л1879ВМ1;
модификация метода порогового подавления шумов в метод исправления «дефектных» элементов и его программная реализация на нейроматричном аппарате вычисления процессора Л1879ВМ1;
модификация метода коррекции слабоконтрастных динамических объектов на изображениях с помощью линейного контрастирования в режиме реального времени и его программная реализация на нейроматричном аппарате вычисления процессора Л1879ВМ1;
программная реализация гистограммной обработки в режиме реального времени на нейроматричном аппарате вычисления процессора Л1879ВМ1;
модификация метода коррекции слабоконтрастных динамических объектов на изображениях с помощью нелинейного контрастирования в режиме реального времени с учетом значений линейного контрастирования и его программная реализация на нейроматричном аппарате вычисления процессора Л1879ВМ1;
проверка эффективности реализации на процессоре Л1879ВМ1 алгоритмов обработки сигналов с матричного неохлаждаемого микроболометрического фотоприемного устройства.
Объект исследования. В работе исследуются методы обработки изображений в инфракрасном диапазоне.
Предмет исследования. Методы обработки изображений с целью улучшения визуального восприятия и эффективность обработки изображений нейроматричным аппаратом процессора Л1879ВМ1 в режиме реального времени.
В рамках исследования используются методы теории обработки изображений, цифровой обработки сигналов, основы теории инфракрасной техники, теория нейроматричного аппарата вычисления процессора Л1879ВМ1.
Научная новизна. Новизна диссертационной работы заключается в модификации известных методов обработки ИК изображений и их реализация на нейропроцессоре Л1879ВМ1 в режиме реального времени.
В результате проведенных в диссертации исследований
модифицирован метод рекурсивной фильтрации, основанный на рекуррентном соотношении между входными и выходными переменными системы для накопления значений кадров в процессе вычисления поправочных коэффициентов и значений в режиме линейного контрастирования;
модифицирован метод двухточечной коррекции, позволяющий выравнивать чувствительность, исправлять геометрические искажения;
модифицирован метод порогового подавления шумов, корректирующий ошибки «дефектных» элементов матрицы;
модифицированы для реализации в режиме реального времени методы линейного и нелинейного контрастирования, предназначенные для выделения изображения в определенном диапазоне яркостей с целью улучшения его визуального восприятия. В результате произведено сокращение времени обработки;
разработан алгоритм построения гистограммы по 25% значений каждого кадра, упрощающий расчет значений линейного контрастирования в режиме реального времени.
Практическая ценность работы определяется возможностью использования результатов работы при проектировании и внедрении новых систем обработки динамического изображения в инфракрасном диапазоне для различных тепловизионных приборов, а также возможностью использования отдельных разработанных методов и алгоритмов при разработке и исследовании широкого круга задач по предварительной обработки информации для ее последующего распознавания.
Использование результатов работы. Результаты диссертации использованы в ОКР «Разработка и изготовление опытных образцов блока цифровой обработки сигналов для тепловизионной системы изделия ТПП-9С475Н», выполненной по заказу ОАО «Красногорский завод им. С. А. Зверева», г. Красногорск; в НИР №1/02-29 «Разработка блока цифровой обработки сигналов для тепловизионного канала информационного комплекса», НТЦ «Модуль» г. Москва; а так же в других программных продуктах, разрабатываемых НТЦ «Модуль», г. Москва.
Достоверность основных положений работы и применимость предложенных методов подтверждается результатами экспериментов по обработке изображений в инфракрасном диапазоне. Полученные в диссертационной работе алгоритмы проверены экспериментально на реальных изображениях, приходящих с оптической системы тепловизора. На основе проведенных исследований для об-
работки получаемого с фоточувствительной матрицы изображения осуществлена реализация комплекса программ, являющегося частью функционального программного обеспечения вычислительной системы на базе нейропроцессора Л1879ВМ1 в составе инструментального модуля МЦ4.02 (НТЦ «Модуль», г. Москва). Результаты диссертационной работы в виде функционального программного обеспечения использованы и внедрены в ОАО «Красногорский завод им. С. А. Зверева» (г. Красногорск), НТЦ «Модуль» (г. Москва).
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на Всероссийской научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Перспектива 2002» (Нальчик: Каб.-Балк. ун-т, 2002 г.), на II Международной научно-технической конференции «Информатизация процессов формирования открытых систем на основе СУБД, САПР, АСНИ и систем искусственного интеллекта» (Вологда: ВоГТУ, 2003 г.), на IV Международной конференции молодых ученых и студентов «Актуальные проблемы современной науки» (Самара, 2003 г.), на X Всероссийской научно-технической конференции «Информационные технологии в науке, проектировании и производстве» (Нижний Новгород, 2003 г.), на XI Международной конференции «Математика, компьютер, образование» (Дубна, 2004 г.), на IX Международной открытой научной конференции «Современные проблемы информатизации в технике и технологиях» (Воронеж, 2004 г.), на IX Всероссийской научно-технической конференции студентов, молодых ученых и специалистов «Новые информационные технологии в научных исследованиях и в образовании НИТ-2004» (Рязань, 2004 г.), на X Юбилейной Международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Современные техника и технологии СТТ'2004» (Томск, 2004 г.), на XI Всероссийской научно-технической конференции «Информационные технологии в науке, проектировании и производстве» (Нижний Новгород, 2004 г.), опубликованы в сборнике научных трудов молодых ученых (Нальчик: Каб.-Балк. ун-т, 2002 г.), в Международном сборнике научных трудов «Информационные технологии моделирования и управления» (Воронеж, 2004 г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано II печатных работ. Зарегистрирована 1 программа для ЭВМ (свидетельство № 2004611614).
Структура и объем работы. Диссертация включает введение, обзорную главу, три тематических раздела, заключение, список используемых источников и приложения. Основное содержание работы изложено на 173 страницах, включая список литературы из 72 наименований, 6 таблиц, 64 рисунка и 6 программ.
