Оптикоелектронні паралельні методи та засоби обробки зображень логіко-часового типу

Аналіз та систематизація методів та засобів обробки зображень.

Розробка адаптивних методів представлення зображення та відповідно до них просторово-розподіленої структури сприйняття інформації в логіко-часовому базисі.

Реалізація операції "виділення контурів" з фільтрацією завад на вхідному зображенні.

Виявлення типових особливостей зображення (виступів, міток, однорідностей, вершин і т. п.).

Формулювання системних вимог щодо архітектурної організації паралельної обробки великорозмірних масивів інформації.

Розробка спеціалізованих швидкодіючих структур для реалізації розроблених методів попередньої обробки відео даних (фільтрації, сегментації, виявлення типових ознак).

Проведення комп'ютерного моделювання розроблених методів логіко-часової обробки на базі оптико електроніки.

В роботі отримано наступні наукові результати:

Розроблено математичну модель логіко-часового представлення відеоінформації з реалізацією її на однорідних багатошарових матричних структурах, що дозволяє спростити подальший процес обробки структурованих даних в око-процесорних структурах штучного інтелекту.

Запропоновано метод виділення контурів з фільтрацією на вхідному зображенні, який дозволяє зменшити кількість операцій, необхідних для виконання даної задачі, і, відповідно, скоротити загальний час обробки відеоінформації.

Запропоновано метод визначення координат геометричного центру об'єкта, який дозволяє визначати обидві координати (Х та Y) одночасно;

Розроблено однорідне багатофункціональне логіко-часове середовище для паралельної попередньої обробки зображень (фільтрації, сегментації, виявлення типових ознак), здатне функціонувати в реальному часі.

Запропоновано структури процесорних елементів однорідного багатошарового матричного середовища та зв'язків між ними.

Новизна викладених в роботі наукових результатів підтверджується виданими статтями у фахових журналах та двома патентами України на винаходи.

Практичне значення одержаних результатів полягає в створенні схемотехнічної бази та архітектурних рішень для розробки адаптивних до зовнішніх збуджень структур в системах попередньої обробки зображень.

Теоретичні і практичні дослідження, які викладені в дисертації, дозволили:

розробити метод кодування інформації для систем сприймання відео даних;

розробити методи та засоби для реалізації операції виділення контурів з фільтрацією на вхідному зображенні та виявлення його характерних ознак;

розробити логіко-часове середовище (ЛЧС), в якому логічна і арифметико-символьна обробка інтегрована в одному функціональному блоці;

спроектувати на основі багатошарових ЛЧС ряд спеціалізованих швидкодіючих засобів, які спроможні функціонувати в реальному часі;

розробити біопроцесорний таймер для визначення показників стану організму людини протягом визначеного проміжку часу з використанням багатошарової оптико електронної структури при сприйманні і відображенні відео даних;

Методи логіко-часової обробки великорозмірних масивів інформації на базі багатошарових однорідних матричних середовищ впроваджені у навчальний процес на кафедрі лазерної та оптоелектронної техніки ВДТУ та використовувалися при обробці та відображенні інформації на ПМ НВІП "Струм".

1. Актуальність та необхідність розробки паралельних алгоритмів

Проаналізовано принципи паралельної обробки на обчислювальних однорідних структурах. Приведена класифікація засобів попередньої обробки зображень. При побудові систем сприйняття інформації виділяють два основних підходи: перший, так званий підхід "знизу" - створення таких систем, структура яких подібна структурі мозку людини - так звані імітаційні структури; другий - підхід "зверху" - моделювання процесів, що відбуваються в мозку людини під час сприйняття інформації, при цьому не враховується внутрішня структура самого мозку - функціональні або інформаційні структури.

Перші моделі ока, в яких сітчатка розглядалась як елемент, що реагує на промені пропущені кришталиком, були побудовані Ф. Платтером та І. Кеплером на початку XVII ст.

На відміну від імітаційних, системи машинного зору інформаційного типу моделюють, як правило, лише основні функції зору у вигляді алгоритмів для ЕОМ.

Таким чином актуальним є створення для роботів і систем штучного інтелекту таких засобів, які були б здатні імітувати функції зорової системи людини, на оптичному рівні самостійно сприймати, обробляти та аналізувати відеоінформацію в реальному часі, з можливістю само налагодження на конкретні умови експлуатації та оптимальною апаратно-програмною реалізацією, що по аналогії функціонування людського сприйняття визначаються як інтерактивні оптико електронні середовища око-процесорного типу.

Поданий огляд і узагальнення існуючих підходів паралельної обробки інформації дозволили аргументувати подальші дослідження в області однорідності і функціональної цілісності, паралельності роботи пристроїв і гнучкого переналагодження структур з якісно новою оптоелектронною багатофункціональністю. Проведено принципи побудови однорідних матричних структур та зв'язків між ПЕ в багатопроцесорних системах та дано загальну класифікацію існуючих на сьогодні засобів обробки зображень. На базі приведеного аналізу встановлено основні вимоги до адаптивних багатошарових однорідних матричних структур.

2. Організація рівно-вагових первинних структур в інтелектуальних око-процесорних системах

Розглянуто цифрову та аналогові моделі зорового каналу. Проте, цифрова організація такої структури не приводить до вирішення проблеми, так як, насправді, в реальному організмі відбувається процес обробки аналогових сигналів, а не цифрових. Тому був розроблений варіант аналогової схеми з використанням елементів оптикоелектронiки, який представляє собою квантрон з оптичним зворотнім зв'язком.

Для функціонування логіко-часових структур в реальному часі було розроблено принцип рівно-вагового кодування, який полягає в наступному. В основі коду лежить так званий рівно-ваговий початок, який відповідає фоновому рівню. Від нього починається поширення коду в одному з двох протилежних напрямків: в одинично-нормальному чи одинично-позиційному поданні. Такі коди реєструють часові інтервали у вигляді набору одиниць, кількість яких відповідає довжині вхідного збудження. Структура коду при реєстрації точки зображення представлена таким чином:

де "+" вказує на перевищення стану рівноваги, а "-" - на рівень, менший стану рівноваги. Всі ваги дорівнюють одиниці. Сума одиниць коду в тому чи іншому напрямку відповідає величині вхідного збудження, і отримується в результаті різниці з величиною стану спокою:

.

Якщо в результаті отримуємо додатне число, то одиниці присвоюємо вагам розрядів зі знаком "+", якщо від'ємне, то одиниці присвоюємо вагам із знаком "-".

Величина рівно-вагового початку Хn визначається як усереднене значення вхідних збуджень всієї робочої сцени, що надійшли до вхідної апертури системи:

Хn=.

За допомогою такого подання інформації найбільш ефективним є розмежування окремих об'єктів з подальшою їх деталізацією.

Крім того, кодування ефективне для здійснення різних паралельних операцій над кількома зображеннями. Наприклад: порівняння напівтонових зображень, видалення невидимих частин об'єкту, розмежування декількох зображень і т. д.

В якості теоретичної основи побудови високопродуктивних логіко-часових структур на базі оптоелектроніки подано принцип, оснований на використанні жорстко нормованого часу спрацьовування одного квантрону, який є інформаційним параметром, інваріантним до елементної бази.

Розглянуто принципи побудови однорідної структури для виділення контурів зображень в логіко-часових середовищах. Логічну картину для кожної точки, що належить бінарному зображенню логіко-часового середовища (ЛЧС), дає такий вираз:

де: bi,j - стан (логічної "1" або "0") точки ai,j в ЛЧС.

В кожній комірці середовища (КСi,j) розміщується інформація із знаком відхилення від стану спокою. На межі між двома сусідніми комірками розміщено суматор СМ. Кожна точка зображення має дискрет з відповідною площею.

Виділення контурів полягає у виділення меж між дискретами з різними інтенсивностями і наданні цим межам відповідних пріоритетних параметрів. Суматори складають окрему матрицю, в якій фіксуються виділені контури.

Значення в комірках, відповідно зі знаками "+" чи "-", вказують на перевищення або зменшення сигналу відносно рівня рівноваги.

Якщо на входи СМ поступають значення з різними знаками, то вони складаються, і навпаки, з рівними знаками - віднімаються. На рис. в клітинках решітки має місце результат обчислень. Чим більше значення в суматорі, тим вищий пріоритет сприймається системою в першу чергу. Це дає можливість виділяти області зображень об'єктів з заданою яскравістю свічення.

Для цього необхідно встановити заданий рівень контрастності і виділяти межу вищу за нього. Модель реалізації даного принципу:

де Q - сигнал стану на виході схеми; усм - значення на виході СМ; уе - еталонне значення заданого контура.

Представлено метод виділення визначення центру зображень в око-процесорних рівно-вагових структурах. В основу метода покладена ідея визначення величини сумарних фотострумів, що виникають в квадратах матриці, яка поділена вісями двомірної системи координат на чотири однакових квадрата, під дією падаючого через об'єктив світлового потоку, який утворює на поверхні фото-чутливої матриці світлову пляму. Підсумовування здійснюють так, щоб отримати дві пари величин сумарних фотострумів, що виникають відповідно в верхній та нижній, а також в правій та лівій половинах матриці. Потім порівнюють величини сумарних фотострумів в парі і здійснюють зсув світлової плями на один дискрет по горизонталі, по вертикалі або по діагоналі матриці в сторону більшого сумарного фотоструму. Зсув проводять до тих пір, поки сумарні фотоструми в парі не стануть рівними між собою. Координати центра спроектованого об'єкта визначають по кількості зсувів світлової плями відповідно по горизонталі і по вертикалі.

3. Розробка і дослідження однорідних оптоелектронних багатошарових середовищ

Вони в силу своєї специфіки, використовуються, в основному, для обробки великих масивів інформації, адаптованості СТЗ та підвищенню швидкодії перетворень. Розроблена система подає з себе багатошарову матричну структуру з N процесорних елементів (ПЕ), перший шар якої складають інформаційні ПЕ, а другий - допоміжний шар - включає ПЕ, дія яких спрямована на обробку інформації, що надходить від матриці 1-го шару. Кількість та функціональне призначення ПЕ матриць 1-го та 2-го шарів можуть бути різними. ПЕ одного шару (як інформаційного, так i допоміжного) мають однорідну, як фізичну так i функціональну, структуру, i в певний момент часу t виконує одну i ту ж операцію (як i всі N процесорів) на протязі деякого інтервалу часу .

Якщо в момент часу t почали працювати ПЕ 1-го шару, то в момент часу t1 на їх виході з'явиться оброблене зображення:

t1=t + ,

де - час перетворення інформації ПЕ 1-го шару. На вході ПЕ 2-го шару інформація буде в момент часу:

t2= t1 + ,

де - час затримки надходження сигналу від 2-го шару; а на їх виході:

t3 = t2 + ,

де - час обробки даних ПЕ допоміжної матриці. Отже загальний час обробки однієї сцени вміщує в собі затрати часу на обробку сигналів елементами 1-го, 2-го шарів та час передачі інформації від одного шару до іншого:

=+ + +.

Розроблено структуру елементарних комірок різних шарів оброблювальних матриць та розглянуто можливі зв'язки як на рівні шару так і між ними.

Було запропоновано ряд критеріїв, яких потрібно дотримуватися при розробці багатопроцесорних однорідних структур обробки зображень. Було проведено порівняльний аналіз розробленої структури з існуючими з урахуванням їх ефективності при обробці зображень. Критерій ефективності визначався за такими параметрами: Пт - швидкодією, Пп - споживаною потужністю, Пі - розрядністю представлення інформації, Пф - функціональною повнотою.

Ефективність для пристроїв обробки зображень розраховували таким чином:

де в знаменнику знаходяться ідеальні значення параметрів, а в чисельнику - реальні. За даними результатів досліджень були зроблені висновки стосовно запропонованих структурних рішень, які показали доцільність їх використання.

4. Комп'ютерне моделювання процесів обробки зображень та порівняльний аналіз з існуючими методами

Метою комп'ютерного моделювання є оцінка продуктивності і порівняння методів попередньої обробки зорової інформації існуючих алгоритмів, а також алгоритму, який розглядається в даній роботі.

В машинному досліді моделювалися такі алгоритми:

послідовний алгоритм виділення контурів - оператор Робертса;

алгоритм виділення контурів зображень за допомогою аналізу межі між двома сусідніми областями зображень;

алгоритм виділення контуру на базі пірамідальної обробки картинного типу зображення;

алгоритм виділення контуру на базі багатошарових структур.

За алгоритмами, що моделюються, визначалася функція часу, яка необхідна для аналізу зображення. Аргументами даної функції є кількість точок зображення і форма області, для якої створюється контур, а значення функції - час, який необхідно затратити на обробку зображення. Час вираховувався за допомогою обробки переривань таймера, вмонтованого в ПЕОМ.

Отримані часові залежності експериментально доводять, що робота алгоритму №4 за своєю ефективністю перевищує роботу інших 3-х алгоритмів, при визначені контуру зображення. Особливо, переваги багатошарових матричних структур проявляються при збільшені поля зображення, що обробляється, і його складності. Це дає можливість зробити висновок, що використання багатошарових структур при обробці великих масивів відеоінформації є найбільш доцільним.

В якості практичної реалізації було запропоновано біопроцесорний таймер, що представляє собою наручний годинник з накладенням на нього виконання додаткових життєво важливих для людини функцій (визначення ступеня насичення крові киснем, тиску, температури). В даному комплексі особливий інтерес представляє операційний оптоелектронний екран (ОЕ), який має двошарову структуру. Нижній шар працює в режимі перемикання і представляє собою набір оптоелектронних індикаторів (світлодіод-фотодіод) необхідних для відображення відліків часу (години, хвилини, секунди) та температури. Він також може використовуватися в якості датчика, який здатен випромінювати світлову енергію і сприймати випромінювання від об'єктів, що досліджуються. При цьому ОЕ виступає в якості приймача при визначенні положення світлового пера. Верхній шар виготовляється на рідкокристалічному індикаторі, неактивний стан якого прозорий, а в активному ступінь непрозорості дозволяє спостерігати нижній шар індикатора. Індикатор верхнього шару представляє собою матричну структуру. Він дозволяє відображати алфавітно-цифрову та графічну (пульсова хвиля, графіки зміни параметрів, гістограми і т. д.) інформацію. Зроблено висновки до розділу.

просторовий часовий комп'ютерний

Висновки

В дисертаційній роботі обґрунтовано і теоретично проаналізовано розпаралелення алгоритмів обробки зображень з відтворенням методів визначення характерних ознак об'єктів (контурів, геометричного центру, областей і т. п.) на багатопроцесорні однорідні середовища. Обґрунтовано ефективність обробки відео даних в логіко-часовому базисі з використанням оптико електронних структур. Зокрема:

Теоретично та експериментально обґрунтовано багатофункціональність однорідних обчислювальних середовищ стосовно паралельної обробки зображень, на базі апарата логіко-часових функцій.

Удосконалено метод виділення контурів з фільтрацією на вхідному зображенні, що дозволило підвищити якість вихідного зображення завдяки видаленню завад безпосередньо під час виконання самої операції контурного препарування.

Запропоновано оптико електронний метод визначення координат центру об'єкта, який при апаратній реалізації на оптико електронних ЛЧС принципово підвищує швидкодію обробки зображень за ознаками.

Розроблено математичну модель логіко-часового представлення відеоінформації та адаптивну реалізацію її на однорідних просторово-орієнтованих структурах матричного типу, що в цілому сприяє коректному вирішенню проблеми створення ефективних око-процесорних засобів штучного інтелекту.

Удосконалено спеціалізовані швидкодіючі структури, які дозволяють обробляти зображення за один машинний такт.

Розроблено однорідне багатошарове матричне логіко-часове середовище для паралельної обробки відеоінформації, яке функціонує в реальному часі.

Запропоновано структурну реалізацію процесорних елементів розробленого середовища, які здатні адаптуватися до зміни зовнішніх впливів і дозволяють підвищити ефективність обробки зображень за рахунок їх функціональної гнучкості.

Доведено доцільність використання розроблених методів і засобів логіко-часової обробки з реалізацією їх на багатошарових однорідних оптико електронних матричних середовищах за результатами комп'ютерного моделювання.

Література

Кожем'яко В.П., Білан С.М., Савалюк І.М. Організація око-процесорних рівновагових структур для виділення контурів зображень на основі оптоелектронних матричних логіко-часових середовищ // Вісник ВПІ. - 1996. - №2. - С. 37-43.

Кожем'яко В.П., Семенюк М.В., Савалюк І.М. Особливості формування зображень на великих екранах та методи підвищення його якості // “Інформаційно-вимірювальна та обчислювальна техніка в технологічних процесах”. - 1997. - №2. - С. 125-129.

Кожем`яко В.П., Головань Т.В., Савалюк І.М., Рамі Р. Хамді Граничні умови стиснення та відтворення логіко-часової інформації // Вісник ВПІ. - 1997. - №4. - С. 51-54.

Мартинюк Т.Б., Хомюк В.В., Савалюк І.М., Охрущак Д.В. Використання зрізів різниць для багатооперандного додавання числових величин // Вісник ВПІ. - Вінниця. - №2. - 1998. - С. 63-68.

Кожем'яко В.П., Білан С.М., Семенюк М.В., Савалюк І.М. Системи розпізнавання образів на основі багатошарових матричних структур // Праці 3 Всеукраїнської конференції "Обробка сигналів і зображень та розпізнавання образів". - Київ. - 1996 р. - С. 234-235.

Кожем`яко В.П., Білан С.М., Савалюк І.М. Матричні однорідні структури з двошаровою організацією середовища // Праці міжнар. конф. "Автоматика - 96". - Севастополь. - 1996. - С. 189-190.

Семенюк М.В., Савалюк І.М. Системи визначення геометричних розмірів плоских об'єктів // Праці міжнар. конф. "Датчик - 96" - Гурзуф. - Том 2. - 1996. - С. 85.

Семенюк М.В., Савалюк І.М. Реалізація повороту і масштабування зображень на оптоелектронних ЛЧС // Праці 1-го міжнар. форуму "Електроніка і молодь в 20 столітті". - Харків. - 1997. - С. 132.

Патент України на винахід 17980 А, МКІ G 06 К 9/36. Пристрій для виділення контурів багатоградаційного зображення / Кожем'яко В.П., Білан С.М., Семенюк М.В., Савалюк І.М. Заявл. 21.04.95; Опубл.31.10.97. Бюл. № 5. - С. 7.

Про деякі наслідки теореми граничного стиснення логіко-часової інформації / Кожем'яко В.П., Головань Т.В., Савалюк І.М. - Київ, 1997. - 7 с. - Укр. - Деп. в ІНТЕІ України 16.04.97, №331 - Ук97.

Кожем'яко В.П., Павлов С.В., Савалюк І.М., Кожем'яко Н.В. Принцип створення оптико-електронного таймерного медичного біопроцесору // Праці V науково-техн. конф "Вимірювальна та обчислювальна техніка в технологічних процесах" . - Хмельницький. - 1998. - №1. - С. 66-70.

V. Kozhemyako, S. Pavlov, P. Kolisnyk, I. Savalyuk, O. Kozhemyako Optic-Electronic Processor for the Diagnostic of the Human Organism State // Proc. International Conf."Microelectronic Technologies and Microsystems". - Lviv (Ukrain). - 1998. - P. 86-93.

V. Kojemiako, S. Pavlov, Rami R. Hamdi, I. Savaliuk, N. Kojemiako, Biomedical Optoelectronic Processor For Control Of Human Organism State // Proc. 1th International Conf. "Biomedical Measurement and Instrument". - Croatian. - 1998. - P. 2-70-2-71.

Кожем'яко В.П., Павлов С.В., Чепорнюк С.В., Савалюк І.М., СтецюраО.Г. Оптикоелектронний метод визначення координат центру спроектованого об'єкта // Праці Всеукраїнської конф. "УкрОбраз - 98". - Київ. - 1998. - С. 177-180.

Савалюк І.М., Стецюра О.Г. Интеллектуализация фильтрации многоградационных изображений // Праці міжнар. конф. "ХХIV Гагаринские чтения". - Москва (Россия). - 1997. - С. 89.

I. Savaliuk, Y. Schavinskaia The system of logic-temporary information preliminary statistical processing // Proc. 20th International scientific symposium of students and young research workers. - Zielona Gora (Poland). - 1998. - P. 339-342.

Белан С.Н., Кондратенко Н.Р., Ваховськая Л.М., Савалюк И.Н. Разработка устройств с использованием глаз-процесорных равновесных систем // Труды НТК с междунар. участием "Приборостроение - 95". - Львов. - 1995. - С. 28.

Кожемяко В.П., Белан С.Н., Мусаев И.М., Савалюк И.Н. Принципы повышения контрастности и сегментация изображений на основе матричных двух-слойных структур // Труды НТК с междунар. участием "Приборостроение - 96". - Часть 1. - Судак. - 1996. - С. 126.

Патент України на винахід. Оптоелектронний годинник / В.П. Кожем'яко, С.М. Білан, С.В. Павлов, В.П. Подорожнюк, Савалюк І.М., Кожем'яко К.В. Заявл. 18.02.97; Опубл. 30.06.98, Бюл. № 3. - С. 18.

В.П. Кожем'яко, Т.Б. Мартинюк, Савалюк І.М. Методичні вказівки до виконання лабораторних робіт з дисципліни "Системотехніка оптоелектронних та лазерних систем". - В.: ВДТУ, 1998. - 58с.

Схемотехніка сучасного приладобудування, ч. 1: Навчальний посібник / В.П. Кожем'яко, С.В. Павлов, О.К. Колесницький, І.М. Савалюк. - Вінниця: ВДТУ, 1999. - 144с.

Размещено на Allbest.ru