Введение к работе
1.1. Актуальность темы
В последние годы значительно возрос интерес к задачам автоматической обработки изображений с целью решения таких задач, как обнаружение, оценка параметров, разрешение и распознавание. Это объясняется, с одной стороны, резко возрастающими возможностями современной вычислительной техники и, с другой стороны, возникновением новых информационных технологий, например, таких как геоинформационные системы, системы реконструктивной компьютерной томографии, обработка изображений штанет солнечной системы и др. Интерес к задачам автоматической обработки изображений сохранился у разработчиков автономных роботов, систем ориентации летательных аппаратов по сценам подстилающей поверхности, экологического мониторинга и др.
При этом наиболее важными задачами являются задачи обнаружения, прослеживания и распознавания изображений различных коммуникационных объектов, часто, имеющих нитевидную структуру (шоссейные, грунтовые и железные дороги, реки, лесные просеки, взлетно-посадочные полосы и др.). Характерными особенностями этих объектов, кроме большой протяженности, являются небольшая ширина (1-Ю пикселов) и наличие прямолинейных участков. Нередко исходные изображения коммуникационных объектов имеют по отношению к окружающему фону низкий контраст, меняющийся случайным образом. В этом случае обнаружение и прослеживание становятся сложной проблемой, трудно решаемой на основе известных подходов.
1.2. Цель работы и задачи исследования
Необходимо, базируясь на адекватных математических моделях фонового шума и изображений протяженных коммуникационньгх объектов нитевидной формы, осуществить синтез оптимального или квазиоптииаль-ного обнаружителя с фиксированной структурой фоноподавляющего звена.
Достижение указанной цели предполагает решение следующих основных задач:
- разработка методики построения квазиоптимального фильтра с
фиксированной структурой фоноподавляющего звена;
исследование процесса фильтрации изображений коммуникационных объектов в пространственной и частотной областях;
синтез квазиоптимального обнаружителя изображений коммуникационных объектов и построение характеристик обнаружения;
- экспериментальная оценка работоспособности и эффективности
разработанного обнаружителя.
1.3. Методы исследования
Для решения поставленных задач были использованы: теория вероятностей, теория статистических решений, линейной фильтрации, аппарат вычислительной математики, моделирование процессов генерации и обработки изображений на ПЭВМ IBM PC.
1.4. Научная новизна и практическая значимость работы
Научная новизна работы состоит в следующем:
-
Предложена методика согласованно-избирательной фильтрации для формирования статистик, по которым принимается решение об обнаружении изображений нитевидных объектов на сложном фоне. Данный метод основан на том, что спектральные характеристики реальных фонов в наиболее информативной высокочастотной части спектра изображения описываются квадратичной гиперболой, а импульсная характеристика фильтра, согласованного с обнаруживаемым изображением в этой области спектра, представляет собой контур изображения искомого объекта. Таким образом, фильтр согласуется не с изображением обнаруживаемого объекта, ас его контуром, полученным в результате двойного дифференцирования изображения.
-
Исследован процесс согласованно-избирательной фильтрации таких видов изображений как одномерные скачки и импульсы яркости, получа-
емые при сечении по строке сцены, содержащей изображение нитевидного объекта. Исследован процесс фильтрации прямоугольных и линейных скачков и импульсов яркости, а также случай, когда на вход согласованно-избирательного фильтра (СИФ) подается скачок или импульс яркости противоположной полярности. Получен дискретный аналог СИФ и исследованы его основные свойства.
3. Разработаны рекомендации по организации согласованно-избира
тельной фильтрации при неизвестной ширине изображения нитевидной
формы. Произведено обобщение результатов согласованно-избирательной
фильтрации для одномерных импульсов яркости на двумерный случай для
базовой модели нитевидного объекта.
4. Экспериментальным путем исследован закон распределения
вероятностей на выходе СИФ и показан его нормальный характер, а также
экспериментально подтверждена закономерность квадратичной гиперболы
для спектратьной плотности мощности фона.
5. Синтезирована структура обнаружителя изображений
коммуникационных объектов нитевидной формы на сложном фоне и
построены характеристики обнаружения.
Практическая ценность работы состоит в том, что ее результаты позволяют автоматизировать процесс обнаружения в сценах земной поверхности изображений объектов протяженной формы естественного и антропогенного характера. Существенно меньшие требуемые вычислительные затраты полученных в работе методов анализа в сочетании с достаточно высоким качеством принимаемых решений позволяют осуществить процесс обнаружения изображений данного класса в реальном или близком к нему масштабе времени.
1.5. Публикации и аппробации результатов работы
По материалам работы одна статья опубликована в центральной периодической печати, депонированы 3 статьи и монофафия. Результаты диссертационной работы обсуждались на Всероссийской научной конфе-
ренции "Цифровая обработка многомерных сигналов" (Йошкар-Ола, 1996); III конференции "Распознавание образов и анализ изображений: новые информационные технологии" РОАИ-3-97 (Нижний Новгород, 1997); Всероссийской научной конференции "Вавиловские чтения" (Йошкар-Ола, 1997).
Теоретические и практические результаты работы использованы в НИР, выполненных на кафедре РТС МарГТУ в период с 1994 по 1997 год. Результаты диссертационной работы внедрены и использованы в учебном процессе кафедры РТС МарГТУ в курсах "Цифровая обработка радиотехнических сигналов" и "Системы искусственного интеллекта".
1.6. Научные положения, выносимые на защиту
Результаты диссерационной работы позволили сформулировать следующие научные положения.
1. Задача квазиоптимального обнаружения изображений протяженных объектов в реальных сценах подстилающей поверхности может быть решена на основе статистик, формируемых фильтром, согласованным с энергетическим спектром изображения в области средних и высоких частот.
?.. Повышение отношения сигнал/фоновый шум при обнаружении изображений протяженной формы может быть достигнуто по одной статической сцене подстилающей поверхности за счет учета информации о форме объекта, а не путем накопления нескольких сцен, при одновременном ухудшении отношения сигнал/шум для изображений объектов другой формы.
