Методы и алгоритмы в задаче восстановления границ объектов по дальнометрическим изображениям Атанов, Артем Викторович

Введение к работе

Актуальность темы

Одним из главных направлений исследований при создании систем компьютерного зрения является анализ и решение проблем, связанных с задачей реконструкции (восстановления) границ объектов. Значительный интерес к созданию компьютерных реконструкций реальных объектов объясняется широкой областью их применения: в медицине, геологии, промышленном производстве, археологии, мультимедиа-технологиях и т.д. Важнейшие части этой задачи - математическое описание границ различных фигур и представлении информации о границе в форме, удобной для изменения, хранения и визуализации.

В настоящее время существует два основных подхода к решению задачи восстановления границ. Так в работах М.Гопи, Д.Эберли, Ж.-Д. Буассона предлагаются методы, использующие триангуляцию Делоне. Несмотря на простоту реализации, эти методы не подходят для использования в системах компьютерного зрения реального времени из-за появления значительных ошибок при обработке больших массивов данных и низкой скорости работы основанных на них алгоритмов. Р.Франке, С.Ошер, Дж.Карр применили получивший большую популярность подход, определяющий положение границы объекта с помощью неявно заданных функций. Однако у разработанных на его основе методов имеются недостатки, связанные, в частности, с ограничением на количество точек, по которым восстанавливается граница. Кроме того, реализация этих методов требует больших временных затрат. Таким образом, несмотря на большое число способов реконструкции, пока ещё не существует универсального метода, позволяющего с достаточно высокой скоростью восстанавливать границы произвольных фигур. Кроме того, практически все известные методы ориентированы на работу с дальнометрическими изображениями (содержащими информацию о расстоянии от камеры до точек на поверхности рассматриваемого объекта), полученными с прецезионных SD-сканеров, имеющих большую разрешающую способность. Высокая стоимость таких сканеров не позволяет использовать их для создания систем компьютерного зрения, ориентированных на массового потребителя. Однако дальнометрические изображения можно получить и с устройств с низкой разрешающей способностью, например, веб-камер, камер ноутбуков и мобильных телефонов и т.д., что может существенно снизить стоимость разрабатываемых на их базе систем компьютерного зрения. При этом следует учитывать, что информация о границе фигуры, получаемая с таких устройств, очевидно, содержит гораздо больше ошибок, чем информация с SD-сканеров. Проведённый анализ показал, что в настоящее время отсутствуют методы и алгоритмы, ориентированные на реконструкцию объектов по данным, полученным с устройств с низкой разрешающей способностью.

Следовательно, актуальной является задача создания и использования различных методов реконструкции к данным, полученным с устройств с низкой разрешающей способностью, и разработки новых методов и алгоритмов, обеспечивающих качественную и быструю реконструкцию границ объектов для систем компьютерного зрения реального времени.

Диссертационная работа выполнена на кафедре цифровых технологий Воронежского государственного университета по НИР «Разработка новых методов обработки, хранения, передачи и защиты информации в информационно-коммуникационных системах» № ГР 01200956642 (20092010 гг.) и «Разработка новых методов обработки, хранения и передачи информации в информационно-коммуникационных системах» № ГР 01201170666 (2011 г.) аналитической ведомственной целевой программы «Развитие научного потенциала высшей школы».

Цель и задачи исследования. Цель работы - разработка и исследование методов и алгоритмов восстановления границ объектов по набору дальнометрических изображений, полученных с видеоустройств с низкой разрешающей способностью.

Для достижения поставленной цели в работе решались следующие задачи:

1. Разработка и исследование метода пересечений на основе радиальных базисных функций для реконструкции границ двумерных и трёхмерных объектов.

2. Создание двухэтапного метода реконструкции, допускающего параллельную реализацию.

3. Разработка и анализ алгоритмов для предложенных моделей и методов.

4. Построение и исследование компьютерной модели реконструкции границ объектов.

Объект исследования - дальнометрические изображения, полученные с видеоустройств с низкой разрешающей способностью; предмет исследования - методы, алгоритмы и компьютерная модель восстановления границ фигур по дальнометрическим изображениям.

Методы исследования. При подготовке работы использовались численные методы, теория функций, теория алгоритмов, методы визуализации, теория уравнений в частных производных.

Новизна работы состоит в:

4. 1. Создании и исследовании метода пересечений на основе радиальных базисных функций для восстановления границ двумерных и трёхмерных фигур, который даёт возможность снять ограничение на количество точек для реконструкции.

   2. Разработке быстрого двухэтапного метода реконструкции, позволяющего использовать метод пересечений для построения приближения к искомой границе и допускающего параллельную реализацию.

   3. Создании и исследовании алгоритмов для реализации двухэтапного метода реконструкции в двумерном и трёхмерном случаях.

   4. Разработке и анализе компьютерной модели реконструкции границ двумерных и трёхмерных объектов, отличающейся возможностью восстанавливать границу объекта по данным с устройств с низкой разрешающей способностью.

   Теоретическая значимость работы заключается в создании методов, алгоритмов и компьютерной модели реконструкции границ объектов по дальнометрическим изображениям в системах компьютерного зрения реального времени с датчиками изображений невысокой разрешающей способности. Практическая значимость работы состоит в разработке универсальных математических и программных инструментов для решения задачи восстановления границ объектов в системах компьютерного зрения массового применения.

   Область исследования - содержание диссертации соответствует паспорту специальности 05.13.17 - «Теоретические основы информатики» (физико-математические науки), область исследований соответствует п.2 «Исследование информационных структур, разработка и анализ моделей информационных процессов и структур»; п.5 «Разработка и исследование моделей и алгоритмов анализа данных, обнаружения закономерностей в данных и их извлечениях разработка и исследование методов и алгоритмов анализа текста, устной речи и изображений»; п.7 «Разработка методов распознавания образов, фильтрации, распознавания и синтеза изображений, решающих правил. Моделирование формирования эмпирического знания».

   Реализация результатов исследования. Результаты диссертационной работы используются в учебных курсах кафедры цифровых технологий факультета компьютерных наук Воронежского государственного университета по программам подготовки бакалавров и магистров. Разработанный пакет прикладных программ используется в лабораторном практикуме по курсу "Математические методы научной визуализации". Результаты диссертационной работы могут быть использованы в практических приложениях и теоретических курсах, читаемых в вузах, организациях и НИИ, где производится разработка и изучение систем компьютерного зрения и виртуальной реальности. Созданные программные продукты могут применяться в современных компьютерных системах обработки визуальной информации, в том числе в области медицины.

   Основные результаты, выносимые на защиту:

   4. 4. 1. Быстрый двухэтапный метод реконструкции границ, использующий разработанный метод пересечений для построения начального приближения к искомой границе объекта и допускающий параллельную реализацию.

         2. Алгоритмы, реализующие метод пересечений и двухэтапный метод в двумерном и трёхмерном случаях и результаты их исследования.

         3. Компьютерная модель реконструкции границ двумерных и трёхмерных объектов, результаты анализа модели.

         Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях и семинарах: IX- XII Международных научно-методических конференциях «Информатика : проблемы, методология, технологии», г.Воронеж, 2009-2012 гг.; XVII, XIX Всероссийских научно-методических конференциях «Телематика», г.Санкт- Петербург, 2010, 2012 гг.; научно-практической конференции «Связь и телекоммуникации - инновационное развитие регионов», г.Воронеж, 2011 г.; Всероссийской научной конференции "Современные проблемы математического моделирования, супервычислений и информационных технологий", г.Таганрог, 2012 г.

         Публикации. По теме диссертации имеется 10 публикаций, в том числе 3 - в ведущих периодических изданиях, рекомендованных ВАК РФ.

         Личный вклад автора. Все основные результаты по теме диссертации, выносимые на защиту, получены лично автором. Постановки задач диссертации предложены научным руководителем. Разработка модели и методов проводились совместно всеми соавторами работ, в которых они опубликованы, в том числе и автором. Проведение рассуждений и вывод аналитических соотношений при разработке модели, методов и алгоритмов, обоснование модели и методов, их исследование и реализация в виде алгоритмов и программ, проверка достоверности результатов, получение выводов и их интерпретация выполнены автором.

         Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения и списка литературы из 107 наименований. Объём диссертации составляет 111 страниц текста, содержащего 47 рисунков и 12 таблиц.

         Похожие диссертации на Методы и алгоритмы в задаче восстановления границ объектов по дальнометрическим изображениям

         

         Методы, алгоритмы и программы для ускоренного решения трудоемких задач обработки случайных дискретных полей и цифровых изображенийРезник Александр Львович

         

         Методы решения задачи восстановления зависимости коллективами распознающих алгоритмовТкачев Юрий Игоревич

         

         Методы и средства формообразования объектов изображения Синенков Дмитрий Вячеславович

         

         Разработка и исследование метода определения высоты объектов по одиночному некалиброванному перспективному изображениюСлободин Илья Борисович

         

         Математические методы преобразования изображений с целью выравнивания освещенности и контрастирования слаборазличимых объектов Кулясов Сергей Михайлович

         Методы и алгоритмы распознавания изображений для обнаружения дефектов внутренней поверхности труб с целью автоматизации визуального контроляЦапаев, Алексей Петрович

         Разработка субполосных методов и алгоритмов предварительной обработки изображений земной поверхностиЗаливин, Александр Николаевич

         Методы и алгоритмы поэлементного анализа изображений при дешифрировании аэрофотоснимков сельской местностиБурмистров, Александр Владимирович

         

         Гибридные методы и алгоритмы для интеллектуальных систем классификации сложноструктурируемых изображенийТомакова, Римма Александровна

         

         Итерационные методы и алгоритмы решения задачи сильной отделимостиЕршова, Арина Владимировна