Введение к работе
Актуальность темы.
Реконструкция трехмерных поверхностей является важным элементом івтоматизированньїх систем неразрушающего контроля и дистанционного юндирования. Весь видимый мир можно рассматривать как некоторую сомпозицию гладких поверхностей, функции отражательных способностей соторых могут отличаться сложной пространственной структурой. Поэтому юлучение информации о пространственной глубине окружающего мира [вляется также одним из основных механизмов объемного зрения, которое пироко используется в различных областях науки и техники: объемном елевидении и кинематографе, синтезе цифровых голограмм и системах машинной графики, аэрофотосъемке, картографии и робототехнике.
Технические системы, использующие алгоритмы трехмерной
«конструкции, находят все большее применение в различных областях науки и
іроизводства. Так, задача реконструкции поверхностей с помощью
інтерферометрических изображений решалась в лаборатории цифровой оптики
ШПИ РАН Фаянсом А.М. (1979) и Ушаковым А.Н. (1980) под руководством
Ірославского Л. П. Как показывает опыт создания автоматизированных систем
рехмерной реконструкции поверхностей объектов, разработчики, предлагая
ювые и улучшенные алгоритмы, стараются найти универсальный подход,
григодный для различных задач и объектов реконструкции. Результаты
ікспериментов показывают, что алгоритмы ведут себя лучше или хуже в
іависимости от объекта. Принципиальным является то, что исследователи не
тремятся классифицировать объекты трехмерной реконструкции, что
юзволило бы создать адаптивную систему с различными алгоритмическими юдходами, учитывающими специфику реконструируемого объекта. Известно, гго некоторые специализированные алгоритмы трехмерной реконструкции юрошо работают в условиях ограниченного пространства и применяются в юботозрении, другие дают высокую эффективность при дистанционном юндировании. Поэтому правильно сформулированные принципы массификации объектов реконструкции повысят эффективность работы издаваемых алгоритмических систем и придадут им универсальность. Кроме ого, понимание природы эффективности того или иного алгоритма в :оикретных физических условиях является эвристическим элементом, лособствующим дальнейшему прогрессу в исследовании и реализации задачи рехмерной реконструкции. Эти принципы можно отработать на программно-ілгоритмической модели с применением известных и оригинальных алгоритмов )бработки изображений. Поэтому создание программно-алгоритмической модели :истемы трехмерной реконструкции на базе
алгоритмов обработки изображений в настоящее время является актуальной
задачей.
Целью работы является:
разработка алгоритмической модели системы трехмерной реконструкции
поверхностей объектов;
разработка принципов классификации объектов, подлежащих трехмерной
реконструкции с целью более эффективного использования алгоритмических и программных средств в задаче трехмерного восстановления;
разработка эффективных алгоритмов трехмерной реконструкции объектов,
использующих вариационные методы и динамическое программирование;
создание программных средств для трехмерной реконструкции поверхностей
объектов.
Научная новизна.
-
Сформулированы принципы классификации объектов в задачах реконструкции поверхностей этих объектов, согласно которым объекты объединяются в классы по признакам: удаленность объекта от системы получения изображения, гладкость функции глубин, отражательные свойства реконструируемой поверхности.
-
Дана геометрическая интерпретация задачи стереограмметрии, согласно которой каждой точке реконструируемого пространства ставится в соответствие значение некоторой функции, определяющей степень возможности того, что эта точка принадлежит реконструируемой поверхности. Затем эта функция используется в задаче оптимизации.
-
Разработан локально-адаптивный подход к задачам реконструкции поверхности объектов, в котором локальный параметр гладкости поверхности для алгоритмов реконструкции и интерполяции варьируется в функциональном соответствии с локальными значениями яркости изображения объекта реконструкции.
-
Предложено преобразование функции возможности на основе оптимизационной схемы динамического программирования, позволяющее модифицировать одномерный алгоритм реконструкции к двумерному.
-
На основе локально-адаптивного подхода и предложенного преобразования функции возможности разработан итеративный двумерный алгоритм реконструкции поверхностей, при этом параметр гладкости реконструируемой поверхности варьируется в функциональной зависимости от локальной яркостной информации изображения объекта реконструкции.
-
На основе локально-адаптивного подхода разработан алгоритм интерполяции реконструируемой поверхности в недостоверных точках, при этом параметр, определяющий локальную метрику, а следовательно, и локальную кривизну, варьируется в зависимости от локальной яркостной информации изображения объекта реконструкции.
7. Предложен пороговый критерий оценки качества реконструкции исследуемой поверхности, заключающийся в том, что среднеквадратичная мера несовпадения истинной поверхности и ее реконструкции вычисляется только для точек, где это несовпадение превышает некоторый порог. Критерий позволяет оценить топологическое несовпадение истинной поверхности и ее реконструкции, выявляет способность оцениваемого алгоритма реконструировать мелкие фрагменты поверхности объекта.
Положения, выносимые на яящнту,
-
Построение системных средств для реконструкции поверхностей целесообразно проводить с использованием классификации объектов, подлежащих реконструкции.
-
Использование локальных яркостных характеристик объекта реконструкции для адаптации локальных параметров применяемых алгоритмов увеличивает точность и качество реконструкции.
-
Итеративный локально-адаптивный двумерный алгоритм реконструкции поверхностей позволяет получить более точную по сравнению с корреляционными методами реконструкцию и не приводит к нежелательному сглаживанию реконструируемой поверхности.
-
Локально-адаптивный алгоритм интерполяции в недостоверных точках позволяет получить более точную по сравнению с неадаптивными методами реконструкцию и не приводит к нежелательному сглаживанию реконструируемой поверхности.
-
Использование мультиспектрального фокусатора вместо моноспектрального при контроле гладкости поверхности прецизионных зеркал дает возможность решить задачу технологически более просто, то есть без перенастройки системы контроля под нужную длину волны.
Практическая значимость работы.
На базе ЭВМ IBM PC и устройства ввода-вывода изображений FEAG-200 создана программно-алгоритмическая система трехмерной реконструкции и проведена апробация работы системы на тестовых и реальных изображениях.
Предложен и программно реализован итеративный локально-адаптивный двумерный алгоритм реконструкции поверхностей, позволяющий получить более точную реконструкцию, не приводящую к нежелательному сглаживанию реконструируемой поверхности. При этом время работы алгоритма и число операций увеличивается незначительно по сравнению с традиционными корреляционными алгоритмами реконструкции.
Предложен и программно реализован локально-адаптивный алгоритм интерполяции в недостоверных точках, дающий возможность получить более точную по сравнению с неадаптивными методами реконструкцию, не приводя при этом к нежелательному сглаживанию реконструируемой поверхности.
Синтезирован на ЭВМ и зарегистрирован на физической среде мультиспектральный фокусатор - цифровой оптический элемент для контроля гладкости поверхности прецизионных зеркал.
Практическая значимость работы подтверждена актами о внедрении.
Результаты диссертации докладывались на 26-ой, 27-ой и 28-ой конференциях молодых ученых ИППИ РАН (Москва, 1991-1993), на 3-ем, 4-ом и 5-ом международных семинарах: "Цифровая обработка изображений в медицине, дистанционном зондировании и визуализации информации" (Рига, 1992), "Анализ и синтез изображений" (Грац, Австрия, 1993),"Обработка изображений и компьютерная оптика" (Самара, 1994), на 22-ой всесоюзной школе по голографии "Голографические методы в науке и технике" (Долгопрудный, 1994), на семинарах лаборатории Цифровой оптики ИППИ РАН. Структура диссертации.
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложения. ПуЄлякядли,
По теме диссертации опубликовано 11 печатных работ.
