Введение к работе
Актуальность темы. Широкий круг задач в области цифровой обработки изображений требует использования нелинейных преобразований для выделения или подавления малоразмерных объектов (МРО) в телевизионных изображениях. Если такие объекты имеют резкие перепады яркости, то их выделение с помощью линейных дифференцирующих фильтров сопровождается появлением паразитных «выбросов» от этих перепадов. Использование линейных сглаживающих фильтров для устранения МРО, например, отсчётов импульного шума, сопровождается искажением этих объектов, так как каждый импульс даёт отклик в виде импульсной характеристики используемого фильтра и тем самым искажает обрабатываемое изображение.
В настоящее время сформирован целый класс нелинейных ранговых преобразований, которые более эффективны для обработки МРО, чем линейные преобразования. Ранговой обработке посвящены работы таких российских и зарубежных авторов, как Л.П. Ярославский, И.Н. Пустынский, И.С. Грузман, В.С. Киричук, В.Ю. Лапий, Т.С. Хуанг, У. Прэтт, Р. Гонсалес, Р. Вудс, Б. Яне и др. Однако до сих пор недостаточно освещены некоторые аспекты ранговой обработки, например, использование межкадровой информации для повышения эффективности алгоритмов обработки.
Задача обработки МРО весьма актуальна в области построения систем видения на базе высокочувствительных телевизионных (ТВ) датчиков с электронно-оптическим преобразователем (ЭОП). Созданию систем с подобными датчиками посвящены работы таких российских и зарубежных авторов, как Ю.Г. Якушенков, А.Г. Берковский, М.М. Мирошников, В.В. Белов, А.С. Дунаев, М.М. Бутслов, А.Б. Бельский, С.Т. Архутик, И.Л. Гейхман, Дж. Ллойд и др. В ТВ-датчиках с ЭОП можно наблюдать паразитные световые образования (сцинтилляции), являющиеся малоразмерными объектами, которые необходимо устранить. При этом в ряде случаев необходимо устранять МРО в режиме реального времени без потери динамики движения. То есть, алгоритмы устранения сцинтилляций должны быть по возможности просты и эффективны при аппаратно-программной реализации.
Выделение МРО более эффективно при применении ранговых алгоритмов с вариационным рядом из первых и вторых разностей, однако подобным алгоритмам свойственен эффект «затемнения» – частичного или полного устранения объекта близкорасположенным объектом или фоновым образованием. Поэтому стоит задача исследования возможности использования межкадровой информации в ранговой обработке и поиска путей по оптимизации известных ранговых алгоритмов, использующих первые и вторые разности, с целью устранения эффекта «затемнения». Так как ранговые фильтры являются нелинейными системами, для которых однозначного решения в общем случае не существует, то для их исследования используют методы математического и имитационного моделирования и сравнения результатов обработки. Для проведения исследований принято использовать программные инструментальные средства, которые, по мнению автора, должны удовлетворять следующим требованиям: открытый исходный код для контроля корректности программных реализаций алгоритмов, генераторов моделей и т.д.; эксплуатация под учётной записью обычного пользователя компьютера; отсутствие необходимости дополнительной установки каких-либо программных продуктов для обеспечения нормального функционирования; использование в первую очередь эффективных, а не универсальных решений. Несоблюдение этих требований усложняет проведение исследований. В настоящее время отсутствуют программные инструментальные средства, полностью удовлетворяющие перечисленным выше требованиям. То есть стоит задача создания открытого программного продукта для разработки и исследования алгоритмов ранговой обработки.
Целью работы является повышение эффективности алгоритмов ранговой обработки при выделении полезных малоразмерных объектов и при устранении паразитных малоразмерных объектов; создание открытого алгоритмическо-программного комплекса для разработки и исследования ранговых алгоритмов. Для достижения поставленной цели необходимо решить задачи:
-
Провести анализ известных ранговых алгоритмов с целью исследования возможности использование межкадровой информации для повышения эффективности ранговой обработки телевизионных изображений.
-
Разработать программное обеспечение для исследования и оптимизации известных алгоритмов ранговой обработки.
-
Предложить методику проведения экспериментального исследования алгоритмов ранговой обработки с оценкой эффективности по выбранным критериям.
-
На основе проведённого анализа оптимизировать рассмотренные алгоритмы ранговой обработки и провести исследование исходных и оптимизированных версий алгоритмов согласно предложенной методике с помощью разработанного программного обеспечения.
Методы исследования: имитационное моделирование тестовых изображений, в том числе полей сцинтилляций в высокочувствительных ТВ-датчиках с ЭОП, численный эксперимент с использованием моделей, сравнение результатов обработки.
Научная новизна
-
Создан метод формирования неоднородных случайных полей для моделирования полей сцинтилляций в высокочувствительных ТВ-датчиках с ЭОП.
-
Разработан алгоритм усовершествованного минимума первых разностей элементов вариационного ряда для выделения МРО положительного и отрицательного контраста с резкими и плавными перепадами яркости.
-
Предложена и подтверждена гипотеза о применимости алгоритма межкадрового минимума для устранения сцинтилляций на ТВ-изображениях, получаемых в высокочувствительных ТВ-датчиках с ЭОП.
-
Предложена и подтверждена гипотеза о применимости алгоритма межкадрового максимума в дополнение к внутрикадровым ранговым алгоритмам, использующим первые и вторые разности, для ослабления эффекта «затемнения».
Практическая значимость
-
Создан телевизионно-вычислительный комплекс с радиационно-стойкой камерой для визуально-измерительного контроля внутренних поверхностей трактов технологических каналов, металлоконструкций и рабочего пространства уран-графитовых ядерных реакторов, обеспечивающий получение, цифровую обработку и архивирование видеоданных.
-
Разработана активная телевизионная система наблюдения для визуального обнаружения и идентификации объектов в тёмное время суток и в сложных метеоусловиях, в части обработки формируемых системой изображений.
-
Создан электронно-измерительный комплекс на базе лазерного дальномера, позволяющий получать, анализировать и архивировать результаты проводимых измерений.
-
Разработан комплекс алгоритмического и программного обеспечения для проведения видеоконференций в части получения и обработки информации от видеоустройства, а также для организации приёма-передачи мультимедийной информации между устройствами на базе сигнальных процессоров фирмы Texas Instruments в режиме реального времени.
-
Созданы программные инструментальные средства для применения в учебном процессе по дисциплине «Цифровая обработка сигналов» и выпущено учебно-методическое пособие используемое в курсовом и дипломном проектировании.
На защиту выносятся следующие положения:
-
Разработанный алгоритм внутрикадровой ранговой обработки "усовершенствованный минимум первых разностей", созданный на базе известного алгоритма минимума первых разностей, позволяет выделять малоразмерные объекты положительного и отрицательного контраста с резкими и плавными перепадами яркости.
-
Применение рангового алгоритма «межкадровый минимум» позволяет более эффективно устранять сцинтилляции на телевизионных изображениях, получаемых в высокочувствительных ТВ-датчиках с ЭОП, по сравнению с межкадровыми медианой и скользящим средним. При использовании 2-3 кадров синтезированных изображений преимущество по пиковому отношению сигнал-шум достигает 20 дБ.
-
Применение рангового алгоритма межкадрового максимума в дополнение к внутрикадровым ранговым алгоритмам, использующим первые и вторые разности для выделения малоразмерных объектов, позволяет при определённых условиях устранить эффект «затемнения».
Внедрение и использование результатов работы
Результаты работы использованы при разработке программного обеспечения телевизионно-вычислительного комплекса с радиационно-стойкой камерой для визуально-измерительного контроля внутренних поверхностей трактов технологических каналов, металлоконструкций и рабочего пространства уран-графитовых ядерных реакторов; при создании активной телевизионной системы наблюдения, предназначенной для визуального обнаружения и идентификации объектов в тёмное время суток и в сложных метеоусловиях: туман, дождь, снегопад, дым, пыль; при разработке комплекса алгоритмического и программного обеспечения для проведения видеоконференций в части получения и обработки информации от видеоустройства, а также для организации приёма-передачи мультимедийной информации между устройствами на базе сигнальных процессоров фирмы Texas Instruments в режиме реального времени; при создании электронно-измерительного комплекса на базе лазерного дальномера, позволяющего получать, анализировать и архивировать результаты проводимых измерений; в учебном процессе по дисциплине «Цифровая обработка сигналов» ввиде лабораторного практикума, позволяя изучать особенности линейной и ранговой обработки изображений. Использование результатов подтверждается актами о внедрении.
Личный вклад автора:
-
Предложена и подтверждена гипотеза о применимости алгоритма межкадрового минимума для устранения сцинтилляций на телевизионных изображениях, получаемых в высокочувствительных телевизионных датчиках с электронно-оптическим преобразователем.
-
Разработан алгоритм ранговой обработки «усовершенствованный минимум первых разностей».
-
Создан алгоритмическо-программный комплекс для исследования алгоритмов ранговой обработки, включающий в себя генератор полей сцинтилляций и других тестовых изображений, а также программные реализации разработанных и исследованных ранговых алгоритмов.
-
Созданный алгоритмическо-программный комплекс адаптирован для решения практических задач (п.1–4 практической значимости).
Результаты, полученные в соавторстве:
-
Разработаны 10 вариантов формирования неоднородных случайных полей для моделирования полей сцинтилляций.
-
Созданное программное обеспечение адаптировано для применения в учебном процессе по дисциплине «Цифровая обработка сигналов».
Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на ряде научно-технических мероприятий: Юбилейная научно-техническая конференция, посвященная 50-летию радиотехнического факультета, 2000 г. (г. Томск); Межрегиональная научно-техническая конференция, посвященная 40-летию ТУСУР, 2002 г. (г. Томск); Международная конференция "Телевидение: передача и обработка изображений", 2002 г. (г. Санкт-Петербург); Всероссийская научно-техническая конференция "Современное телевидение", 2003 г. (г. Москва); Межрегиональные научно-технические конференции "Научная сессия ТУСУР", 2002 г., 2005 г. (г. Томск), Сибирско-Тайваньский Форум (г. Томск), 2009 г.
Публикации. По теме опубликовано 24 работы. Из них две в изданиях, рекомендованных ВАК. Получены 6 авторских свидетельств на разработанное программное обеспечение, выпущено учебно-методическое пособие.
Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и трёх приложений общим объёмом 210 страниц, содержит 78 иллюстраций и 6 таблиц. Библиографический список включает 107 наименований.
