Введение к работе
Актуальность работы. Задаче обнаружения движущихся объектов в цифровых методах обработки изображений всегда уделялось большое внимание и посвящалось значительное число работ. В то же время обнаружение объектов по изображениям, зарегистрированным двумя камерами, расположенными в различных точках пространства, является новым, мало исследованным подходом. Такой режим наблюдения имеет ряд преимуществ по сравнению с обнаружением по изображениям, регистрируемым одной камерой. Наблюдение объекта с различных точек пространства позволяет получить его трехмерные координаты. За счет использования информации о положении объекта в трехмерном пространстве может быть увеличена точность прогнозирования его движения, что дает возможность более эффективно отслеживать траекторию движения объекта. Кроме того, совместная обработка изображений, зарегистрированных каждой камерой, позволяет увеличить вероятность обнаружения, что делает возможным обнаружение объектов меньшей интенсивности.
Значительное развитие технических средств наблюдения и передачи информации позволило проводить совместную обработку данных, зарегистрированных камерами, расположенными на двух спутниюис, движущихся по круговой орбите. Такой подход приводит к необходимости создания алгоритмов, позволяющих обрабатывать квазистационарные последовательности, то есть последовательности с субпиксельным смещением фона. Таким образом, является актуальной задача разработки и исследования алгоритмов обнаружения динамических объектов по последовательностям квазистационарных стереоизображений.
Работа проводилась в лаборатории цифровых методов обработки изображений Института автоматики и электрометрии СО РАН, в соответствии с планами НИР на 2001-2006 гг. по темам "Математические методы, модели и программно-алгоритмические средства для создания интеллектуальных систем восприятия и анализа сигналов и изображений, управления и принятия решений", № гос. регистрации 0120.0 405433 и "Разработка математических методов, построение моделей и программно-алгоритмических средств для создания интеллектуальных информационно-вычислительных систем восприятия, анализа и понимания сигналов и изображений", № гос. регистрации 01.2.00 103376.
Целью работы является разработка комплекса алгоритмов для обнаружения малоразмерных быстродвижущихся объектов по серии изображений, полученных с двух спутников, движущихся по круговой орбите.
Задачи исследования:
разработать алгоритм компенсации стационарного фона для случая движущихся камер с высоким темпом регистрации данных;
исследовать характеристики и область применимости разработанного алгоритма;
разработать алгоритм обнаружения объекта по изображениям, зарегистрированным двумя камерами, расположенными в различных точках пространства;
разработать алгоритм эффективного обнаружения объекта по изображениям, зарегистрированным двумя камерами, расположенными в различных точках пространства, в ситуации, когда совместная обработка всего объема данных не представляется возможной;
получить для разработанных алгоритмов экспериментальную оценку зависимости вероятности обнаружения от уровня ложных тревог;
реализовать предложенные алгоритмы в виде программного комплекса и провести математическое моделирование обнаружения объекта.
Методы исследования. В работе использовались методы линейной алгебры, аналитической геометрии, математического анализа, методы теории вероятности и математической статистики, математического моделирования и теории алгоритмов.
На защиту выносятся:
двухэтапный алгоритм компенсации стационарного фона, основанный на линейной фильтрации трех последовательных изображений, который существенно увеличивает отношение сигнал/фон, что дает возможность обнаруживать объект на сложном пространственно неоднородном фоне;
способ обнаружения объекта по синхронной паре изображений, зарегистрированных двумя камерами, расположенными в различных точках пространства, который является оптимальным в смысле метода максимального правдоподобия;
экспериментальные зависимости вероятности обнаружения объекта от вероятности ложной тревоги для алгоритмов обнаружения объекта по изображениям, зарегистрированным двумя камерами, расположенными в различных точках пространства, которые хорошо согласуются с теоретическими расчетами;
алгоритм обнаружения объекта по синхронной паре изображений с аэрокосмических носителей, который позволяет на порядок уменьшить объем совместно обрабатываемых данных, незначительно уменьшая вероятность обнаружения относительно оптимального алгоритма.
Обоснованность и достоверность научных положений и фактов
вытекает из корректной постановки задач на основе современных математических методов;
обеспечивается представительным объемом исследованных экспериментальных данных;
подтверждается хорошим согласованием теоретических и экспериментальных результатов.
Научная новизна работы состоит в том, что:
компенсация стационарного фона достигается за счет двухэтапной обработки, основанной на линейной фильтрации трех последовательных кадров;
использование эпиполярной геометрии и метода максимального правдоподобия для объединения данных и проверки гипотезы о наличии объекта при совместной обработке пары изображений, зарегистрированных двумя камерами, приводит к увеличению вероятности обнаружения;
существенное уменьшение объема совместно обрабатываемых данных при незначительном уменьшении вероятности обнаружения объекта достигается за счет предварительной пороговой обработки данных и их последующей совместной обработки.
Личный вклад автора. Основные теоретические и практические результаты получены автором лично. В. С. Киричуку принадлежит первичная постановка задачи обнаружения объекта по последовательности изображений, зарегистрированных одной и двумя камерами. В соавторстве с В. С. Киричуком получены теоретические зависимости вероятности обнаружения от вероятности ложной тревоги и максимальной интенсивности объекта. При разработке алгоритмов обнаружения были использованы достижения и опыт специалистов лаборатории цифровых методов обработки изображений (В. П. Косых, В. А. Иванов, Г. И. Перетягин, С. А. Попов и др.). Из печатных работ, опубликованных диссертантом в соавторстве, в диссертацию вошли только те результаты, в получении которых он принял непосредственное творческое участие на всех этапах: от постановки задач и теоретического анализа алгоритмов, до написания программ и проведения численных экспериментов.
Практическая ценность работы заключается в возможности:
проводить обнаружение объекта по изображениям с мощной квазистационарной фоновой составляющей;
обнаруживать слабоконтрастные объекты за счет совместной обработки изображений, зарегистрированных двумя камерами, расположенными в различных точках пространства;
эффективно использовать преимущества наблюдения двумя камерами в ситуации, когда невозможна совместная полнокадровая обработка изображений, зарегистрированных каждой камерой;
использовать созданное программное обеспечение в процессе разработки наземных макетов и бортовых вариантов программно-аппаратного комплекса обнаружения объектов для моделирования процесса обнаружения;
использовать созданные программные библиотеки и модули при проектировании и создании программ для вычислительного центра наземной обработки данных.
Реализация работы. Результаты работы реализованы в многофункциональном программном исследовательском комплексе, применяющемся в ФГУП ЦНИИ «Комета» и Институте автоматики и электрометрии СО РАН.
Апробация работы. Основные научные и практические результаты докладывались и получили одобрение на международной конференции "Automation, control, and information technology " (Новосибирск, июнь 2003 г.), на международной конференции аспирантов, студентов и молодых ученых «Современные техника и технологии» (ТПУ, Томск, март 2004 г.) и на международной конференции «Pattern recognition and image analysis: new information technologies» (Санкт-Петербург, октябрь 2004 г.).
