Система технического зрения для управления мобильным роботом

 

ВЫПУСКНАЯ КВАЛИФИКАЦИОННАЯ РАБОТА

Система технического зрения для управления мобильным роботом

Уфа - 2011

Оглавление

Введение

Глава 1. Информационные системы мобильных роботов и технологии их разработки

1.1 Роль и место информационно-измерительных систем в составе роботов

1.2 Системы технического зрения производства СССР и России

1.3 Дескриптивный подход к обработке, анализу и распознаванию изображений И.Б. Гуревича и В.В. Яшиной

1.4 Модифицированные дескриптивные алгебры изображений Исхакова

Выводы по первой главе

Глава 2. Разработка системы технического зрения мобильного робота для пространственной ориентации в комнате

2.1 Требования к СТЗ и разработка концепции АИС

2.2 Техническое задание на проектирование системы технического зрения

2.3 Технический проект системы технического зрения мобильного робота

2.3 Разработка системы технического зрения для ориентации мобильного робота в комнате

Выводы по второй главе8

Заключение

Литература

Введение

Информационно-измерительные системы для робототехнических систем являются той неотъемлемой частью, которая играет очень важную роль, а именно позволяет взаимодействовать в информационном плане с внешней средой. Ясно, что она по-своему составу неоднородна и состоит из разных датчиков, которые также по-разному вносят свой вклад в перцепцию окружающего мира. При этом наибольшую работу делает система технического зрения (СТЗ), фиксируя не менее 70-76% информации.

По-своему строению и принципам функционирования СТЗ отличаются от остальных датчиков информационно-измерительных систем. В современном мире датчики робототехнических систем детально изучены, а исследования в этой сфере направлены на улучшение их функциональности за счет расширения рабочего диапазона технических параметров. Исследования же СТЗ коренным образом отличаются от выше упомянутых систем. Это связано с модальностью той информации, которую призвана фиксировать СТЗ. Как, например, в случае с естественным языком, считается, что многозначность или полисемия является его центральным недостатком. В изображениях же так же присутствуют подобные «минусы», важным из числа которых является субъективность восприятия зафиксированных данных. Не меньшую проблему создает отсутствие универсальной модели любого объекта наблюдения, описывающей одновременно все его аспекты. Если же такая модель существовала, распознаванию бы можно было свести простому сопоставлению двух подобных изображений и ответить на вопрос «Какой из аспектов мы наблюдаем для текущего объекта?». К сожалению, ни один и этих проблем даже частично не разрешены. Они же являются фундаментальными проблемами не только искусственного интеллекта и информатики, но ряда смежных наук: когнитивная психология, нейрофизиология, геометрия и т.п.

Однако вернемся к проблеме, которая планируется разрешить в рамках исследований дипломного проекта, что обуславливает ее актуальность. Эта проблема заключается в творческом подходе к созданию СТЗ. В области информационно-измерительных систем создание каждого СТЗ требует творческого подхода. Тем самым, уже в корне, не обсуждается проблема автоматического проектирования и реализации таких систем. Впервые эта идея была предложена А.Р. Исхаковым в целой серии изданных работ по модифицированным дескриптивным алгебрам изображений. Эти работы построены на основе научных работ академика Ю.И. Журавлева и его школы по дескриптивному подходу к обработке, анализу и пониманию изображений. В дипломном проекте планируется проведение работ по проектированию и реализации программного обеспечения, направленного на создание редактора СТЗ. Также предполагается применение этого редактора в разработке системы технического зрения мобильного робота для ориентации в комнате.

Объектом исследования дипломного проекта является система технического зрения для мобильного робота.

Предмет исследований заключается в возможности использования трехуровневой архитектуры для решения задачи ориентации мобильного робота в комнате с помощью СТЗ.

Предлагаемая технология к разрешению актуальной проблемы предметной области основана на использовании алгебраического подхода к обработке , анализу и распознаванию изображений. Ее новизна заключается в:

·решении задачи ориентации робота с использованием модифицированных дескриптивных алгебр изображений А.Р. Исхакова

·проектировании программного обеспечения автоматизирующего процесс создания СТЗ

·реализации редактора СТЗ в среде технических вычислений MATLAB.

Таким образом, основная цель дипломного проекта формулируется следующим образом: спроектировать и реализовать в среде MATLAB программное обеспечение для автоматического создания СТЗ мобильных роботов в модифицированных дескриптивных алгебрах изображений, а также решить задачу автоматической ориентации мобильного робота в комнате на основе решенного в этом ПО системы технического зрения.

Для достижения этой цели необходимо решение следующих задач:

·изучить зарубежный и отечественный опыт создания систем технического зрения

·детально исследовать возможности математических аппаратов дескриптивных алгебр изображений, дескриптивных алгебр изображений с одним кольцом и модифицированных дескриптивных алгебр изображений

·разработать концепцию решения задачи, архитектуры разрабатываемой СТЗ и сформулировать требования к его функционированию

·разработать проект программного обеспечения для редактирования математических моделей СТЗ

·реализовать ПО редактора СТЗ в среде MATLAB и решить задачу ориентации робота в комнате.

Глава 1. Информационные системы мобильных роботов и технологии их разработки

.1 Роль и место информационно-измерительных систем в составе роботов

В работе [Юревич, 2005] отечественного исследователя Е.И. Юревича приведена обобщенная функциональная схема робота (рис. 1.1). Согласно этой функциональной схеме информационно-управляющей системе любого очуствленного робота отводится центральная роль.

Рис. 1.1 Обобщенная функциональная схема робота

Она позволяет выполнять две основные задачи:

1.обработка прямых управляющих сигналов от оператора при дистанционном управлении;

2.обработка информации, поступаемой от сенсорной системы по обратной связи.

Известно, что роботы изначально были придуманы для копирования человека с целью автоматизации его деятельности. Поэтому обратимся к другой схеме - общей функциональной схеме управления движениями человека. Эта схема рассмотрена в той же самой работе (рис. 1.2) [юревич, 2005].

Как видно на рис. 1.2 у человека, аналогично роботу, блок обработки сенсорной информации расположен на стратегическом уровне. Это однозначно говорит о централизованном управлении всей человеческой системой. Так как данная работа не ставит целью подробный системный анализ функциональных схем роботов и людей, приведем всего лишь их краткую характеристику.

Рис. 1.2 Общая функциональная схема управления движениями человека

Проведем краткий сравнительный анализ функциональных схем роботов и людей, хотя нужно отметить, что вторая схема, как раз и обусловило появление первой. Информационно-управляющая система роботов направлена на обработку сенсорной информации. На рис. 1.1 приведена укрупненная схема роботов, поэтому не наблюдается деление сенсорной системы на внешние и внутренние рецепторы. Системы технического зрения, которые будут исследованы в пределах данной работы, являются частным случаем внешних рецепторов, предназначенных для получения информации об окружающей внешней среде. Порядка 85-92% информации робот получает именно через системы технического зрения []. Эта информация у роботов используется для синхронизации внутренней информационной модели с реальной обстановкой в окружающей среды. Задачи стратегического и тактического уровней также решаются у роботов. На рис. 1.1 они объединены в информационно-управляющую систему.

Ясно, что детальное исследование строения человеческого зрения и его функциональности является первоочередной актуальной задачей в робототехнике и мехатронике. Вообще нужно говорить про размывание четких границ между этими направлениями исследований, ибо сейчас наблюдается тенденция предпочтения именно очуствленных интеллектуальных роботов простым мехатронным системам, хотя последние и занимают большую долю в парке технических систем этого направления (рис. 1.3) [Юревич, 2007]. Миниатюризация и интеллектуализация являются основными направлениями развития подобных технических систем. Интеллектуализация роботов проводится не только на стратегическом уровне, но и на тактическом и исполнительном. Например, известны случаи применения интеллектуальных нейросетевых и нечетких ПИД регуляторов. Это означает, что интеллектуализация роботов идет не только по вертикали в их структурно-функциональной схеме, но и по горизонтальным уровням. Последнее означает, что любая отдельная подсистема в данной схеме может быть реализована с применением интеллектуальных технологий. Поэтому одним из используемых подходов в разработке математической модели системы технического зрения для пространственной ориентации мобильного робота является описание ее функциональной схемы на базе модифицированных дескриптивных алгебр изображений А.Р. Исхакова в пространстве состояний изображений.

Рис. 1.3 Хронология развития робототехнических технических систем

Вернемся к руслу нашей работы и рассмотрим системы технического зрения в срезе их современного состояния с целью детализации блока обработки сенсорной информации. Как видно на рис. 1.4 в интеллектуальные роботы функционируют согласно централизованному принципу измерения параметров внешней среды и построению и выполнению распределенного алгоритма решения задач для достижения глобальной цели.

В своей работе «Управление роботами и робототехническими системами» Е.И. Юревич отмечает, что задача проектирования и разработки мобильной подсистемы в настоящее время не относится к числу задач робототехники. Было бы ошибочным исключить проектирование и разработку ходового комплекса мобильного робота из перечня задач робототехники. Наоборот, повышение технических и ходовых качеств любой мобильной платформы за счет ее интеллектуализации должна рассматриваться в рамках изучения дисциплин по теоретической и прикладной робототехники в ВУЗах.

Рис. 1.4 Обобщенная структурно-функциональная схема интеллектуального управления роботом

Ярким примером тому является четырехногий робот с адаптивным управление BigDog [#"justify">

Рис. 1.5 Американский военный робот BigDog от Boston Dynamics

Согласно общедоступным документам (рис. 1.6) в Интернете робот наделен стереоскопической системой технического зрения, решая при этом две основные задачи [#"justify">1.обнаружение препятствия

2.измерение наклона поверхности земли, наблюдаемого по СТЗ.

Рис. 1.6 Состав сенсорной системы BigDog и решаемые задачи

Обратимся в этих документах к программной архитектуре робота (рис. 1.7).

Рис. 1.7 Программная архитектура BigDog

Из рис. 1.6 ясно, что с применением СТЗ BigDog решаются задачи проприоцепции в пространстве - ощущение положения частей собственного тела относительно друг друга. Кроме того данные от СТЗ применяются на этапе оценки текущего положения и тела робота, а также подтверждения его пространственного расположения на карте местности и ориентации на этапе планирования действий (рис. 1.7). Измерение пути перемещения мобильного робота относительно предыдущего положения может быть произведено и другими способами и средствами [#"justify">Требуемый объем данной выпускной квалификационной работы не позволяет провести наиболее полный обзор современных робототехнических систем, в которых СТЗ играет важную роль в структуре любого робота. Поэтому здесь был рассмотрен наиболее интересный, по-мнению автора, зарубежный проект, где активно используется СТЗ. Следующий параграф работы представляет собой обзор известных отечественных и зарубежных систем технического зрения современности, советского и постсоветского пространства.

.2 Системы технического зрения производства СССР и России

Для обзорной работы СТЗ в дипломном проекте были выбраны следующие источники, которые, по-мнению автора, наиболее полно отражают текущее состояние парка машинного зрения:

1.справочник по системам технического зрения под общей редакцией В.И. Сырямкина и В.С. Титова от 1993 года;

2.учебное пособие по информационным устройствам робототехнических систем С.А. Воротникова от 2005 года;

.обзорную статью по машинному зрению и цифровой обработке изображений А. Головастова от 2010 года;

.материалы научно-технической конференции «Техническое зрение в системах управления» с 2010 по 2013 годы, организованные Институтом космических исследований РАН (ИКИ РАН), ФГУП «Государственный научно-исследовательский институт авиационных систем» (ГосНИИАС) и Институтом прикладной математики им. М.В. Келдыша РАН (ИПМ РАН).

В совокупности эти источники отражают текущее состояние разработок и тенденцию развития отечественных систем технического зрения.

В поздний период советской эпохи и на начальном этапе постсоветского пространства в области развития систем технического зрения были известны работы группы по системам технического зрения при научном Совете АН СССР «Робототехника и автоматизированное производство» ряда отечественных школ Москвы, Ленинграда, Томска, Минска, Ижевска, Красноярска и ряда других городов страны. Итогом работы этой группы стал справочник, где отражены основные результаты работы следующих авторов: Титов В.С., Якушенков Ю.Г., Пряничников В.Е., Ширабакина Т.А., Жаботинский Ю.Г., Александров Е.И., Жданов А.А., Карели-Лямина Э.С., Соколов С.М., Сырямкин В.И., Мошкин В.И., Петров А.А., Потехин В.А., Никитина Ю.А., Титов В.С., Нечунаев П.И., Фомин А.А., Боровик О.С., Неруш Г.И., Рыбак В.И., Вальков В.М., Ващило А.А., Долженков В.А., Милорадов И.А., Галиуллин В.М., Андреев Ю.А., Пустынский И.Н., Мищенко Н.И., Воронин Ф.В., Шевлягин М.М., Четвергов Н.П., Яричин Е.М., Лопухин В.А., Шелест Д.К., Балкибеков С.Э., Мартынов А.К., Мухин С.П., Сапронов И.А., Барановский А.А., Колодин В.А., Свендровский А.Р., Гафаров Р.М., Тептин Ю.Л., Юдашкин В.А., Златкис В.М., Шелест Д.К., Салмин П.Н., Урбанович В.К., Малышевский В.П., Перелыгин А.П., Фомин А.А., Шаманов И.В., Петухов С.В., Ланге М.М., Парфенов А.П., Киселев О.Д., Раппопорт О.Л., Кравченко А.Н., Орлов Ю.А., Вихров Г.А.

В рамках этой огромной обобщающей отечественной работы: сформулирована общая концепция построения систем технического зрения и проведена систематизированная классификация систем технического зрения роботов, описаны методы и алгоритмы обработки зрительной информацией (в настоящее время под этим термином понимаются изображения в тех диапазонах, в которых возможна их фиксация), классифицированы типовые элементы и узлы СТЗ, описана методика расчета и проектирования систем технического зрения, приведены 14 различных примеров разработанных СТЗ отечественного производства, заложены основы корреляционным и акустическим СТЗ. Перечислим названия СТЗ, раскрываемые в справочнике:

светолокационные СТЗ,

СТЗ для контроля качества и формы полупроводниковых изделий,

СТЗ для контроля печатных плат и фотошаблонов,

телевизионные СТЗ для контроля и проверки стрелочных индикаторных устройств,

помехоустойчивые СТЗ робототехнического гибкого производственного модуля сварки,

СТЗ для гибких производственных модулей механообработки,

СТЗ для контроля объектов в рабочей зоне робота,

СТЗ для распознавания символов,

СТЗ для автоматизации хлопкоуборочных процессов,

СТЗ для контроля распределения температуры на поверхности,

СТЗ для робототехнических комплексов, обслуживающих подвесные и ленточные конвейеры,

СТЗ для контроля параметров оптических деталей,

СТЗ для раскроя материала

СТЗ на основе бесконтактных чувствительных линеек или поверхностей.

Приведем основные результаты этой коллективной работы и кратко их охарактеризуем. Техническим зрением понимается процесс восприятие объектов окружающей среды с помощью оптических датчиков и их распознавание. В составе СТЗ находятся датчики оптической информации (ДОИ) и информационные средства обработки и анализа изображений, реализованные на программном или аппаратном уровнях. Каждое такое СТЗ работает по следующему принципу:

1.воспринимает или регистрирует (осуществляет захват) изображения сцены наблюдения

2.формирует модель захваченного изображения (в основном, это оцифровка)

.осуществляет поиск на оцифрованном изображении объектов интереса

.проводит классификацию найденных объектов интереса

.для каждого объекта интереса определяет местонахождение в рабочей зоне

.определяет ориентацию объектов интереса в рабочей зоне

.проводит измерение параметров, выбранных в качестве признаков распознавания

Такие СТЗ имеют структурную схему, приведенную ниже на рис. 1.8.

Рис. 1.8 Структурная схема СТЗ советского периода

На рис. 1.8 ДИ1,…, ДИN - датчики изображения в основной цепи, ДИД - дополнительный датчик изображения, ОМ - объект манипулирования, ОС - осветитель системы. Подобные СТЗ классифицировались по десяти принципам:

) логике действия;

) функциональному предназначению;

) автономности работы;

) дальности действия;

) методу получения изображений;

) числу используемых оптических датчиков;

) виду рабочей информации;

) способу пространственного размещения;

) методам обработки изображений;

) методам анализа изображений.

При проектировании и разработке любых СТЗ техническое задание должно содержать следующие требования: к способности решения различного уровня сложности функциональных задач; форме и размерам рабочей области; метрологические; к совместимости временных затрат с временными характеристиками технологических процессов при решении задач; программной и аппаратной совместимости СТЗ с системой управления (СУР); к удобству оперативного функционального расширения; устойчивости процессов управления; надежности СТЗ; конструктивно-технологические; эксплуатационные; эргономические; технико-экономические. При этом перечисленные требования не являются независимыми. Так, например, первое требования к «интеллекту» СТЗ влияет на конструктивно-технологические, временные, технико-экономические и т.п.

Для более ясного понимания опишем примерные процесс разработки технического задания СТЗ для решения задачи дипломного проекта. Состав такой задачи будет состоять из подзадачи классификации и определения ориентации неперекрывающихся объектов, перемещаемых на ленте транспортера. В таком случае, можно в качестве ДИ использовать матрицу дискретных датчиков оптической информации - камеру ПЗС (прибор с зарядовой связью). Такой выбор позволяет улучшить параметры надежности СТЗ и уменьшит время оперативной перестройки структуры всей СТЗ при необходимости. Требования к форме рабочей области формируются исходя из общих принципов:

1.фокальная плоскость датчика текущего изображения располагается параллельно одной из основных плоскостей или осей системы координат, что позволит: упростить процедуру обработки и анализа изображений, устранить перспективные искажения изображений;

2.необходимо такое перемещение конвейера, которое обеспечивает минимизацию изменений размеров наблюдаемых деталей;

.детали должно максимально контрастировать между собой и минимально перекрывать друг друга;

.входной зрачок ДОИ максимально должен быть защищен от воздействия брызг красителей, стружки, охлаждающих смазочных и расплавленных веществ и т.д.;

.СТЗ должна обладать возможность использования несколько ДОИ.

Требования к программной и аппаратной совместимости заключаются в следующем. При разработке структуры СТЗ используются рекомендованные Государственной системой промышленных приборов (ГСП) изделия. Они должны быть включены в систему промышленных приборов, средств вычислительной техники и автоматизации (ППСА). Стандарты ГСП должны быть включены в Единую систему стандартов приборостроения (ЕССП). При всем этом аппаратная совместимость включает: конструктивную совместимость, используемых разъемов, плат, модулей, стоек и других конструкций; энергетическую совместимость по напряжениям и токам; сигнальную совместимость по уровням аналоговых и цифровых сигналов; схемотехническую совместимость; информационную совместимость. Под программной совместимостью подразумевается совместимость: протоколов информационного обмена; способов кодирования изображений; интерфейсную; операциональную. Требования к устойчивости процессов управления формулируются в форме ограничений на выбор времени реакции комплекса «СТЗ-СУР-привод» с целью исключения автоколебательных процессов:

,

где - показатель колебательности, - частота среза

Требования к надежности формулируются, как способность системы безотказной работы в течении определенного срока времени. Вероятность отказа системы подчиняется экспоненциальному закону:

,

где - интенсивности потока отказов n элементов.

К концу советского периода был достигнут следующий уровень показателей: среднее время наработки на отказ - 100-1000 ч., средний срок службы до капитального ремонта - 2-20 лет, допустимое время непрерывной работы - 16-24 ч.

Рис. 1.9 Алгоритм работы СТЗ советского периода

Следующей важной особенностью коллективной монографии является общепринятый в то время алгоритм работы СТЗ (рис. 1.9). Забегая вперед нужно отметить, что все СТЗ советского периода были однопроцессорными. Данный принцип заложен в современную структурно-функциональную схему современных однопроцессорных СТЗ, называемой трехуровневой архитектурой СТЗ [воротников-2005]. Перед тем, как приступить к обсуждению процессов обработки, анализа и распознавания изображений кратко охарактеризуем состояние и технические требования к современным СТЗ на примере рынка России и зарубежа.

В современном мире СТЗ относятся к группе бесконтактных пассивных информационных средств. В большинстве случаев они в своем составе не имеют излучателя и функционируют в широком диапазоне волн электромагнитного излучения - от 10-12 до 10-1. Как известно [воротников-2005] СТЗ, работающие в оптическом диапазоне (0,38…0,78 мкм) наиболее распространенные (рис. 1.10).

Рис. 1.10 Электромагнитное излучение

Особенностью таких СТЗ является их способность формировать изображение в виде массива амплитуд его двумерной функции яркости

У современных СТЗ выделяют 3 основных признака:

) по сложности решаемых задач - мощные, средние, малые и персональные;

) по структуре вычислительного процесса - однопроцессорные, многопроцессорные, системы на базе матричного процессора, системы поточной обработки;

) по типу первичного преобразователя - одномерные 1D, двумерные 2D, подвижные двумерные K2D, трехмерные 3D. В работе [воротников-2005] отмечается, что распространение получили 5 типов СТЗ. Такое деление обусловлено сложностью технической задачи и типом используемых датчиков (табл. 1).

Таблица 1

Основные типы современных СТЗ

№Тип изображенияТип вычислительной структурыТип датчикаплосокобъемноепоследовательнаяпараллельнаясмешаннаяцветнойЧерно-белый1+-+---+2++-M-++3+---MK-+4++-K--+5++-T-++

В таблице 1 использованы следующие обозначения: M - матричная архитектура, K - конвейерная архитектура, MK - смешанная, т.е. матрично-конвейерная архитектура, Т - транспьютер.

На рис. 1.11 изображена структурная схема однопроцессорных СТЗ. Здесь в персональный компьютер входит блок предварительной обработки изображений. Обычно он реализуется программно, но при необходимости на рынке можно купить и специализированную аппаратную реализацию, называемую фреймграббером. Аппаратная реализация более быстрая, но предоставляет меньше возможностей оперативной корректировки управляющих параметров методов предварительной обработки изображений, реализованных на аппаратном уровне.

Рис. 1.11 Архитектура однопроцессорного СТЗ

Примером отечественных фреймграбберов являются системы «Видеоскан» и «Мегапиксел». В таблице 2 приведены некоторые реализации промышленных СТЗ и их краткая техническая и прикладная характеристики [воротников-2005].

Таблица 2

СТЗ зарубежного и российского производства

Дипломный проект ставит целью не исследование, проектирование или разработку СТЗ на аппаратном уровне, а создание эффективного проекта и программной системы на базе однопроцессорной архитектуры. Поэтому проведем обзор современных СТЗ по их основным техническим параметрам и функциональным возможностям. Это позволит четко выделить отдельные виды современных архитектур СТЗ, хотя в таблице 1 они предварительно уже были озвучены. Для обзора используем статью [головастов-2010] и ассортимент товаров компании ADLINK.

Платы видеозахвата по способу обработки сигналов делятся на аналоговые и цифровые. Четырехканальные промышленные платы PCI-RTV24 и PCIe-RTV24 c шиной PCI Express x1 позволяют захватывать аналоговое видео с 4 композитных входов, как цветных (PAL, SECAM, NTSC), так и черно-белых форматов (CCIR и EIA). Такие реализации работают на частоте 30кадров в секунду по каждому каналу и позволяют получить изображение разрешением 640х480 и 768х576. Программным путем можно установить требуемый масштаб изображений, изменить яркость, контрастность и насыщенность в пределах 0 до 200%. Дополнительно для стандарта NTSC возможна регулировка оттенка, и все платы снабжены системой автоматической регулировки цветности. Опционально эти платы могут быть дополнены модулями расширения RTV-E4, которые позволяют увеличить число видеоканалов до 16. Еще одним вариантом расширения системы является плата RTV-I4, предназначенный для увеличения количество дискретных линий ввода-вывода. Платы PCIe-RTV24/PCI-RTV24 поддерживают следующие ОС: Windows Vista (64/32 разрядные версии)/XP/Xpe, Microsoft DirectX? Linux Platform Fedore Core 3, Kernel 2.6.22. В состав рекомендуемого ПО входят C#/.NET/VC++/VB/C++ Builder/Delphi, драйвер приложений Angelo-LVIEW на платформе LabVIEW, программа для тестирования и инсталляции основных функций ViewCreatorProTM. К числу аналоговых плат этой фирмы также относятся платы cRTV-24/cRTV-44. Они обычно выполняется в формате CompactPCI. Плата cRTV-24 поддерживает 32-разрядную шину PCI с частотой 32 МГц. Плата cRTV-44 рассчитана на 64-разрядную шину частотой 66 МГц. Эти платы используются в составе шасси CompactPCI/PXI. Основными недостатками аналоговых плат видеозахвата являются: гребешковые искажения, обусловленные чересстрочной разверткой; их привязанность к телевизионным стандартам PAL, NTSC, SECAM; снижение четкости изображения из-за цифро-аналогово-цифровых преобразований; чрезмерная подверженность к помехам. Такие системы как стандарт имеют двух и более шинную архитектуру (рис. 1.12а). Основными областями применения представленных устройств являются системы охранного видеонаблюдения, аппаратура многоканальной видеозаписи, промышленные системы контроля, устройства управления, построенные на базе машинного зрения, приборы для научных исследований, медицинской диагностическое оборудование [головастов-2010].

Рис. 1.12 Современные архитектуры СТЗ (а - двухшинная, б - на базе матричного процессора, в - конвейерная)

Использование цифровых видеосистем имеет неоспоримые преимущества. У ADLINK она представлена линейкой товаров PCIe-CML64F. Одноканальная PCI Express x4 плата видеозахвата PCIe-CML64F поддерживает захват видео и передачу видеоданных по цифровому интерфейсу Camera-Link в трехконфигурациях Base/Medium/Full. В составе платы используются микросхемы ПЛИС, что позволяет получить высокую гибкость, большую производительность и улучшить качество, используя функции предварительной обработки изображений. Анализ протокола CameraLink позволяет сделать предположения об архитектуре платы. Протокол CameraLink создавался для стандартизации разработок ведущих компаний EPIX, Integral Technologies, Matrox, National Instruments с целью подключения высокоскоростных видеокамер. Режиму Base характерно: один чип, один разъем, передача 28 битов за такт связи, максимальная пропускная способность 3х56 МГц=255 Мбайт/с (теоретически). Режим Full характеризуется тем, что используется три чипа, два разъема, передача 84 битов за такт связи, максимальная пропускная способность составляет 8х85 МГц=680 Мбайт/с. Протокол CameraLink при всех своих достоинствах имеет и недостатки: длина кабеля до 10 метров, в конфигурациях Medium и Full пары кабелей должны быть одинаковыми, стоимость реализации получается достаточно высокой, соединение имеет вид точка-точка, что усложняет подключение нескольких камер. Плата поддерживает работу с ОС Windows Vista (64/32 разраядные)/XP. Рекомендуемое ПО для разработки прикладных решений в лице C#/.NET/VC++ 6.0/VB 6.0/ Borland C Builder 6.0. Другая линейка товаров представлена в виде плат PCIe-CPL64, PCIe-GIE62 и FIW64/FIW62. Особенностью этих плат является использованная в них технология POD (Power Over Data, питание поверх данных) - питающее напряжение подается на подключенную камеру по кабелю передачи данных от интегрированного на плате видеозахвата модуля питания. Двухканальная PCI Express плата видеозахвата PCIe-CPL64 поддерживает передачу по интерфейсу POCL (Power over Camera Link). Используется два независимых источника видеосигналов стандарта CameraLink со скоростью 512 Мбайт/с. Плата поддерживает 64 разрядную адресацию до 16 Гбайтного пространства, DDR RAM объемом 128 Мбайт. Новинкой такого класса оборудования является плата PCIe-GIE62+ способностью передача данных в 1000Мбит/с от видеоустройств, подключенных к двум независимым портам Gigabit Ethernet. Неоспоримыми преимуществами применения данных плат следует отнести простую инсталляцию, отсутствие необходимости в дополнительных линиях питания, невысокие затраты на обслуживание оборудования, низкая стоимость владения. Эти платы используются в различных отраслях промышленности, на транспорте, в системах безопасности.

Как видно из обзора высказывание автора работы [воротников-2005] об обхвате однопроцессорными СТЗ в пределах 80% существующего рынка подтверждается. Дипломный проект будет посвящен в дальнейшем именно этому типу архитектуры. Не умаляя общего, кратко опишем и другие виды СЗТ. Появление явного аппаратного параллелизма предварялась попыткой смоделировать параллельные вычисления на однопроцессорных архитектурах. Первый шаг в этом направлении был сделан разработкой многошинной архитектуры, т.е. в целях уменьшения времени на пересылочные операции из памяти в процессор и обратно были разделены информационные потоки. Примером такого технического и коммерческого хода является модель DT-100 от фирмы Data Translation. Архитектура DT-100 относится к типу двухшинных и более (рис. 1.12а). В двухшинных и более варианте архитектур СТЗ блоки БО1,…, БОN прямо подключены к шине изображения и могут работать независимо от остальных и при всем этом параллельно решать определенный круг задач. Основным недостатком такой архитектуры является возникновение конфликтов на шинах. Разрешение этого конфликта возможно в двух вариантах:

1.организация жесткой приоритетной дисциплины обращения к шинам, что дает большой выигрыш по быстродействию, но реализация такой технологии возможна только для определенного круга задач;

2.использование шинного арбитра и диспетчера заданий, что позволяет анализировать любые изображения, но его реализация ведет к временным потерям на их анализ, определение процедур обмена и выдачу текущих заданий блокам обработки данных.

Реализация параллельной обработки требует слишком большого числа вычислительных блоков, что обусловило переход к смешанному последовательно-параллельному принципу организации вычислений. Примером реализации этого принципа является модель79а фирмы Kawasaki [воротников-2005].

Система на базе матричного процессора проводит параллельную обработку данных. Архитектура матричных процессоров обозначается SIMD (Single Instruction Multiple Data) представляет собой матрицу процессоров, каждый из которых имеет свою локальную память, и управляются одним устройством (рис. 1.12б). Для задач, которые можно разбить на слабосвязанные подзадачи матричная архитектура предоставляет максимально возможный вариант по скорости его решения. Примером реализации такой системы является СТЗ PEPE, используемая Министерством обороны США [воротников-2005].

Конвейерная (поточная) архитектура СТЗ эффективно при обработке массивов данных за длительный период времени (рис. 1.12в). Архитектуры подобных систем обозначаются MISD (Multiply Instruction Single Data). Такая система эффективна при обработке массивов с большим числом элементов поля и градаций яркости. Структурно конвейерная архитектура реализуется в виде линейно связанных вычислительных процессоров. Максимальный эффект от этого достигается только тогда, когда все они загружены своими задачами. Если какой-то из процессоров завершает решение задачи раньше, то следовательно он не успел получить от предыдущих вычислительных элементов задачу на выполнение, и как следствие максимальный эффект снижается. Примером такой системы является СТЗ PIPE для обработки сложных изображений в реальном времени [воротников-2005].

Ну и наконец, самым передовым видом СТЗ являются технологии построения высокоскоростных систем параллельной обработки изображений на базе транспьютеров. Транспьютерные системы позволяют изменять топологию процессоров, создавая различные типы параллельных архитектур вида: линейка, кольцо, дерево, решетка, гиперкуб и т.п. Известно, что для каждой задачи обработки и анализа изображений существует оптимальная технология, гарантирующая ее эффективное решение. Например, для задачи распознавания технических изделий наибольший эффект дал бы транспьютер древовидной архитектуры. Это обусловлено тем, что процесс обработки начинается с цветных изображений большой разрешенности и протекает в сторону уменьшения их сложности за счет перехода к менее информативным изображениям. И так далее от простых изображений к анализу и распознаванию на признаковой основе [воротников-2005].

Дипломный проект не ставит целью исследование других архитектур, отличных от архитектуры однопроцессорной СТЗ. Поэтому их изучение остается за рамками данной работы, и они ранее были бегло описаны. Выбрав даже в качестве объекта исследования архитектуру однопроцессорной СТЗ, отметим, что аппаратная реализация части задач процесса обработки, анализа и распознавания изображений обусловлена всего лишь необходимостью убыстрения этого процесса, но не позволяет ответить на вопрос о составе методов обработки и анализа изображений, а также последовательности их применения. Более сложным современным аспектом в области цифровой обработки и анализа изображений остается проблема автоматического проектирования СТЗ. Этим вопросом отдельно занимается теория автоматического управления по проблеме параметрического и структурного синтеза систем []. Ту же самую проблему можно исследовать и в области цифровой обработки и анализа изображений с привлечением специализированного математического аппарата дескриптивных алгебр изображений [Журавлев, Гуревич, Яшина, Исхаков].

Исследованием методов обработки и анализа изображений занимается специализированное научное направление, называемое компьютерным зрением или цифровой обработкой и анализом изображением. Задача распознавания изображений остается за рамками этих исследований и принадлежит области научных разработок теории распознавания образов технической кибернетики. Цифровая обработка и анализ изображений не имеет своего математического аппарата, а его методология базируется на классической математике. Разрозненность методов цифровой обработки и анализа изображений обусловлена применением различных разделов этой математики, что привело к использованию, хотя бы, различных терминологий, не говоря уже об используемых математических методах обработки и анализа изображений и их описании. С целью исключить эту фундаментальную методологическую проблему в Вычислительном Центре им. А.А. Дородницына РАН под руководством акад. Ю.И. Журавлева и к.ф.-м.н. И.Б. Гуревича был разработан новый математический аппарат, позднее получивший название дескриптивного подхода к обработке, анализа и пониманию изображений.

1.3 Дескриптивный подход к обработке, анализу и распознаванию изображений И.Б. Гуревича и В.В. Яшиной

Основы дескриптивного подхода были заложены академиком РАН Ю.И. Журавлевым. Алгебраический подход к обработке, анализу и распознаванию изображений базируется на алгебраическом подходе к распознаванию образов и алгебре алгоритмов [журавлев]. Существенное влияние на форму этого подхода также оказала теория образов У. Гренандера [гренандер]. Аналогичные исследования проводились зарубежными учеными С. Стернберг и Г. Риттер []. В настоящее время официальные работы по алгебраическому подходу к обработке, анализу и распознаванию изображений ведутся только в пределах Российской Федерации ВЦ им. А.А. Дородницына РАН комитетом IAPR TECHNICAL COMMITTEE #16 по тематике «Algebraic and Discrete Mathematical Techniques in Pattern Recognition and Image Analysis» [#"justify">Проведем подробный анализ методологии дескриптивного подхода (ДП) опираясь на математический аппарат дескриптивных алгебр изображений (ДАИ), опираясь на работы И.Б. Гуревича и В.В. Яшиной [Гуревич, Яшина-2012]. Основные результаты научных исследований опубликованы в обзорной статье «Descriptive Approach to Image Analysis: Image Formalization Space» в 2012 году. Эти результаты можно сформулировать следующими пунктами:

) проведена концептуализация системы понятий, характеризующих изображений в задачах распознавания в виде исходной информации;

) определены дескриптивные модели изображений, ориентированные на задачи распознавания;

) введено понятие пространства формализации изображений, элементами которого являются различные формы (состояния, фазы) представления изображения на любом этапе решения задачи;

) сформулированы 5 аксиом ДП.

Математический аппарат ДАИ состоит из следующих структурных составляющих

) концептуализация и формализация фаз, которые проходит изображение в процессе преобразования при решении задачи распознавания;

) классификация и спецификация допустимых моделей изображений (ДМИ);

) алгебраический язык для описания моделей изображений и процедур их построения и преобразования (ДАИ);

) реализация моделей изображений и процедур их построения и преобразования на языке (ДАИ);

) постановки задач анализа и распознавания изображений;

) модель процесса решения стандартной задачи распознавания изображений. Теперь обратимся и опишем некоторые, наиболее важные, базовые элементы аппарата ДАИ. Каждый из них будет состоять из авторской формулировки определения и графической интерпретации.

Объектами оперирования аппарата ДАИ являются цифровые представления изображений, называемых реализациями. Реализациями называются только исходные цифровые изображения. Об этом говорит следующие 2 определения.

Определение 1 [Гуревич, Яшина-2012]. Исходным изображением Á в задачах распознавания называется упорядоченный некоторым образом набор зарегистрированных начальных пространственных и контекстных данных, отражающий вид (форму и состояние) объектов, событий и процессов отображенной сцены и допускающий возможность применения к нему преобразований ПВУР.

Определение 2 [Гуревич, Яшина-201213]. Реализацией изображения называется множество точек , принадлежащих области определения реализации изображения , и множество значений в каждой точке .

Согласно концепции ДАИ, исходные изображения - реализации изображений составляют только часть исходных данных согласно лемме.

Лемма 1 [Гуревич, Яшина-2012]. Изображение задается множеством исходной информации }, являющимся прямой суммой двух подмножеств и : .

К последнему также относятся: дополнительная информация о содержании исходных изображений (контекстная и семантическая информация об изображении) и промежуточные изображения, получаемые в ходе преобразования начальных и предыдущих промежуточных изображений (рис. 1.13).

Рис. 1.13 Состав изображения в ДАИ

Множество методов обработки и анализа изображений в ДАИ классифицированы по трем группам: процедурным, параметрическим и порождающим преобразованиям. Они составляют базу для определения формальных схем, используемых при создании моделей изображений, и определяются следующим образом.

Определение 4 [Гуревич, Яшина-2012]. Дескриптивная алгебраическая схема представления изображения (ДАСПИ) - формальная схема, предназначенная для получения стандартизированного формального описания поверхностей, точечных конфигураций, форм, образующих , и отношений между ними, и записанная с помощью ДАИ.

Для каждого класса преобразований создаются свои уникальные ДАСПИ, которые являются параметризованными процедурами и позволяют получать уникальные модели изображений (рис. 1.14).

Рис. 1.14 Связи преобразований, ДАСПИ и моделей ДАИ

Согласно ряду работ [Гуревич - Яшина] процесс генерации исходных изображений в ДАИ может быть описан в виде (рис. 1.15). В ходе этой процедуры первоначальные реализации изображений с помощью реализаций ДАСПИ (ДАСПИ с означенными параметрами) преобразовываются в промежуточные реализации изображений, называемые представлениями изображений. Если эти представления допускают распознавание содержания изображения, то они перечисляются к одному из классов моделей: процедурных, параметрических или порождающих. Этой процедурой также допускается итерационное уточнение создаваемых моделей изображений.

Рис. 1.15 Процесс преобразования реализаций изображений в модели изображений

Вернемся к преобразованиям ДАИ из работа [Гуревич, Яшина - 2012].

Определение 5 [Гуревич, Яшина-2012]. Процедурное преобразование арности r над изображениями - это такая операция, применение которой ко множеству изображений преобразовывает его в некоторое другое множество изображений, в некоторое изображение или в его фрагменты. Отметим, что процедурное преобразование, по сути, применяется к реализациям исходных (ого) изображений (ия).

Определение 6 [Гуревич, Яшина-2012]. Параметрическое преобразование над изображением I - это такая операция, применение которой к изображению I преобразовывает его в числовую характеристику p, которой можно сопоставить свойства геометрических объектов, яркостных характеристик или конфигураций, образующихся за счет регулярных повторений геометрических объектов и яркостных характеристик исходного изображения.

Определение 7 [Гуревич, Яшина-2012]. Порождающее преобразование над изображением I - это такая операция, применение которой к изображению I преобразовывает его в некоторое частное представление, отображающее специфические особенности анализируемого изображения.

Определение 10 [Гуревич, Яшина-2012]. Структурирующим элементом SÎ называется двухмерный пространственный объект, свертка которого с изображением приводит к разбиению изображения на систему окрестностей, с целью его локального анализа. Структурирующий элемент задается с помощью параметров, определяющих его форму, и числовые и геометрические характеристики. Для более ясного понимания взаимоотношений между приведенными понятиями проанализируем ниже расположенный рис. 1.16.

Рис. 1.17 Строение ДАСПИ в ДАИ

Согласно убеждениям авторов [Гуревич, Яшина-2012] ДАСПИ гарантируют получение моделей изображений в ходе их обработки и анализа. Структурно все ДАСПИ однородны и распознать их разновидность возможно только по используемому в ее составе, преобразованию. На рис. 1.17 показано, что ДАСПИ получается в ходе свертки структурирующего элемента с одним из трех видов преобразований. Уточнение такого ДАСПИ приводит к реализациям ДАСПИ (рис. 1.18), готовым уже к их применению.

Рис. 1.18Получение реализаций ДАСПИ из формальных ДАСПИ

Полученные реализации ДАСПИ являются допустимыми ДАСПИ, т.е. корректно сформулированными. Далее в ДАИ вводится новое понятие «пространство формализации изображений» (ПФИ). Оно базируется на понятии «фазовое состояние», которое применимо только к представлениям изображений, полученных путем применения допустимых ДАСПИ. Совокупность использованных ДАСПИ образуют фазовую траекторию в ПФИ.

Таким образом, фазовая траектория описывает процедуру преобразования исходных реализаций изображений в их модели. На рис. 1.19 изображено ПФИ в двух вариантах: в первом случае под фазовым состоянием подразумевается изображение в начальном, промежуточном или конечном состояниях, во втором случае фазовое состояние является формальной схемой ДАСПИ. Если рассматривать ПФИ в первом варианте, то фазовая траектория описывает процедуру преобразования изображения. Второй же вариант ПФИ позволяет описывать процедуры преобразования ДАСПИ, т.е. процессы получения одних ДАСПИ на основании других ДАСПИ.

Рис. 1.19 Пространство формализации изображений в ДАИ и ДАИ1К

На базе ДП и математического аппарата была проведена специализация ДАИ в виде дескриптивных алгебр изображений с одним кольцом (ДАИ1К). Автором этого цикла работ является сотрудник ВЦ им. А.А. Дородницына В.В. Яшина. Дипломный проект не ставит целью детальное изучение ДАИ и ДАИ1К. Еще одним, не менее важным, источником является цикл работ А.Р. Исхакова, направленных на модификацию аппарата ДАИ и ДАИ1К. Цель таких исследований заключается в исключении основного недостатка ДАИ и ДАИ1К - отсутствие в методологии ДП механизма автоматического построения решения для поставленных задач. Следующая глава дипломного проекта кратко описывает математический аппарат модифицированных дескриптивных алгебр изображений (МДАИ), представляющих частный случай ПФИ, а именно ПФИ в первом варианте.

1.4 Модифицированные дескриптивные алгебры изображений Исхакова

Появление модифицированных дескриптивных алгебр изображений (МДАИ) обусловлено прикладными трудностями использования ДАИ и ДАИ1К. К числу этих недостатков можно отнести: отсутствие глубоких исследований ПФИ, применение классического подхода к образованию новых элементов ДАИ на базе имеющихся, и как следствие, отсутствие подхода к автоматизации этой процедуры, некоторые математические конструкции ДАИ (например, порождающие преобразования и G-ДАСПИ) не имеют соответствующих процедур в теории обработки и анализа изображений и т.п. Для проведения сравнительного анализа между ДАИ и МДАИ приведем основные определения из цикла работ А.Р. Исхакова. Хотелось бы отметить, что МДАИ являются частным случаем ДАИ, а ПФИ в МДАИ называется пространством состояний изображений и представляет собой ПФИ для состояний изображений.

Анализ начнем с определения основного объекта МДАИ - реализации изображения. В отличие от реализации изображения в ДАИ, здесь он представлен в матричной форме. А.Р. Исхаков утверждает, что возможно представлять изображения не только в трех видах - бинарном, полутоновом и цветном [исхаков-12,16].

Определение: Реализацией изображения называется любой из видов матриц

1., где

2., где

3.,

где

Такие разновидности были выбраны всего лишь для удобства в проведении исследований, что позволяет в дальнейшем применять формализованные вычисления. В МДАИ, как и в ДАИ и ДАИ1К, сцена наблюдения задается также и дополнительной информацией. Именно в МДАИ она получила уточнение.

Определение: Семантической и контекстной информацией об изображении называется множество , где - есть контекст (аспект) наблюдения за объектом сцены, а - информационная модель об объекте в априори.

Семантическая и контекстная информация , совместно с реализациями изображений образуют первоначальные данные - множество исходных данных.

Определение: Множеством исходных данных в МДАИ называется

Графическая интерпретация этих понятий не приводится в силу ограничения работы количеством страниц. В МДАИ также используются дополнительные понятия. Одним из них является понятие фигуры, которое, как считает автор, просто необходимо ввести, потому, что оно будет в дальнейшем использовано в определении одного из центральных терминов - модели изображений. Определение: Фигурой в реализации называется тернарное отношение технический зрение мобильный робот

Фигура, как сложный объект МДАИ, имеет также и альтернативную форму ее определения:

Определение: Фигурой в реализации называется множество

,

где - признаки объекта сцены наблюдения в реализации .

Таким образом, понятия реализации и промежуточные представления изображений в ДАИ и ДАИ1К здесь называются только одним термином - реализацией изображений. Это значит, что в ходе обработки изображения изменяют свое состояние, но остаются такими же реализациями. Эти преобразования используются в целях упрощения первоначальных данных. На упрощенных изображениях уже можно получать числены оценки параметров наблюдаемых объектов сцены, т.е. легко решаются задачи анализа изображений. Такие конечные реализации, которые допускают проведение достоверного анализа с необходимой точностью относятся уже к категории моделей изображений:

Определение: Дескриптивной моделью изображений , характеризующих сцену наблюдения, называется контекстная информация об изображении , зависящая от углов Эйлера объекта в пространстве.

Такое подход к определению дескриптивных моделей изображений (ДМИ) не входит в противоречие с понятием ДМИ в ДАИ и ДАИ1К соответствуя ранее сформулированным требованиям в ДП.

Цикл работ А.Р. Исхакова [исхаков-12,13,15,16,17,18,19,20] образует некоторую базу для исследований по автоматизации процесса моделирования систем технического зрения и систем машинного зрения. Именно в этих исследованиях делается шаг в интеграции методов цифровой обработки и анализа изображений в МДАИ. В работе [исхаков-12] описано определение методов: конвертирования изображений (цветных в полутоновые, полутоновых в бинарные и цветных в бинарные), улучшения зрительных характеристик (линейное повышение контраста, повышение контраста приведением плотности распределения), препарирования изображений (9 разновидностей), фильтрации полутоновых изображений (4 разновидности) и морфологические операции над бинарными реализациями (замыкание, размыкание, дилатация и эрозия). Работа сделана на глубоком уровне и обладает элементами конструктивизма. В качестве примера приведем формальную запись комплексного метода конвертирования цветного изображения в бинарное:

Все эти методы в МДАИ называются процедурными преобразованиями и используются в обработке изображений. В другой работе А.Р. Исхакова [исхаков-13] описывается применение методов анализа изображений в МДАИ, которые называются параметрическими преобразованиями. В этой работе были рассмотрены методы вычисления детерминированных, вероятностных и статистических, а также структурных признаков. Следующий пример демонстрирует формализованную запись алгоритма вычисления границ некоторого паттерна на изображении.

Видно, что данная запись опирается на теоретико-множественный подход и использует элементы классической абстрактной алгебры. К полученному результату уже можно легко применять метод Фримена для правильного кодирования границ паттерна. В МДАИ порождающие преобразования и G-ДАСПИ не определены и не используются. В них просто нет необходимости. Процедурные и параметрические преобразования являются образующими элементами T- и P-ДАСПИ соответственно, представляя операции для решения задач обработки и анализа изображений. Основная задача МДАИ на этом уровне заключается в получении новых эффективных методов обработки и анализа на базе других уже существующих. Однако для получения нового преобразования нужны операции над преобразованиями. Последнее означает, что, если подобная операция будет найдена, то она на множестве оперируемых преобразований обработки и анализа будет замкнутой. Такая совокупность множества элементов какой-либо природы и замкнутых на данном множестве операций над элементами образуют универсальную алгебру. Эта мысль и обусловила становление дальнейших исследований по алгебраизации области цифровой обработки и анализа изображений.

В работе [исхаков-16] приводится следующее определение модифицированной дескриптивной алгебры изображений:

Определение: Модифицированной дескриптивной алгеброй изображений называется универсальная алгебра без операторного кольца, элементы основного множества которой являются реализациями изображений, а главные операции - допустимыми операциями над реализациями.

В ходе проведенных исследований А.Р. Исхаковым были получены следующие результаты:

·для МДАИ бинарных реализаций с логическими главными операциями было: сформулировано 3 определения, доказаны 15 утверждений и сформулированы 3 следствия;

·для МДАИ бинарных реализаций с морфологическими главными операциями было: доказано 1 утверждение и сформулировано 1 следствие;

·для МДАИ полутоновых реализаций с логическими главными операциями было: сформулировано 3 определения, доказано 3 утверждения и сформулировано 1 следствие;

·для МДАИ полутоновых реализаций с главными операциями фильтрации было: сформулировано 1 определение и доказано 1 утверждение.

На рис. 1.20 приведена карта исследований универсальных алгебр, элементами которых являются черно-белые изображения. Главными операциями этих МДАИ являются: конъюнкция , дизъюнкция , исключающее «или» и т.д. Автором этого цикла работ были получены результаты, имеющие прикладную ценность - все эти МДАИ являются всего лишь слоями одного единого пространства, где протекают процессы обработки изображений. Поэтому оно и получило название пространства состояний изображений (ПСИ).

Определение: совокупность дескриптивных алгебр изображений , элементы основных множеств которых содержательно одинаковы, а переход между ними осуществляется процедурным преобразованием , называется пространством состояний изображений (ПСИ) и обозначается , т.е.

,

где

Рис. 1.20 Карта исследований в МДАИ алгебр бинарных реализаций

Ясно, что ПСИ является частным случаем ПФИ. Каждое МДАИ состоит из реализаций изображений только одного вида. Отдельные МДАИ соединяются процедурными преобразованиями, которые позволяют менять вид реализаций, например операция конвертирования цветных изображений в полутоновые реализации моделирует переход из алгебры цветных реализаций (АЦР) в алгебру бинарных реализаций (АБР). Как утверждает А.Р. Исхаков, такие смены алгебр влекут потери информации в реализациях, но упрощают их оценивание, что позволяет быстро решать задачи анализа изображений. Автором были получены также и оценки размеров ПСИ:

,

где - количество взаимно различных элементов множества/

Становится понятным, что применение любого алгоритма поиска того или иного состояния приведет к «пространственному взрыву» экспоненциальной сложности. Это означает, что персональные компьютеры потенциально не могут работать в ПСИ. Моделирование систем технического зрения в ПСИ возможно провести с применением только высокопроизводительных вычислительных систем или облачных технологий. Несмотря на кажущийся непреодолимым препятствие, данное ограничение не является существенным. Возможно, при проведении более глубоких исследований строения и природа ПСИ, экспоненциальную проблему в построении математических моделей СТЗ можно будет решить.

Выводы по первой главе

Системы технического зрения в современном мире находят очень большое применение. Все больше и больше сегментов промышленности, социальной среды, области экстремальных ситуаций решают свои проблемы за счет автоматизации процессов, которые раньше управлялись людьми. Сложные автоматические или автоматизированные механизмы развиваются от мехатронной формы к роботизированному. Тем самым возникает необходимость в построении различных видов, типов и форм систем технического зрения. В настоящее время СТЗ требуют творческого подхода к их созданию. Благодаря алгебраическому подходу появилась возможность их автоматической генерации в форме математических моделей. В первой главе дипломного проекта были рассмотрены различные работы и проанализированы существующего подходы к созданию систем технического зрения. Достаточно подробно исследованы математические аппараты дескриптивных алгебр изображений и модифицированных дескриптивных алгебр изображений. Последний аппарат будет использован в качестве математического обеспечения в техническом проекте. Во второй главе планируется спроектировать архитектуру системы технического зрения мобильного робота для ориентации в комнате.

Глава 2. Разработка системы технического зрения мобильного робота для пространственной ориентации в комнате

2.1 Требования к СТЗ и разработка концепции АИС

Система технического зрения является комплексом аппаратного и программного обеспечения. Так как в ходе исследований по дипломному проекту не предполагается проектирование или разработка ее аппаратной части, то в дальнейшем речь будет идти только про АИС СТЗ. Разрабатываемое СТЗ будем основывать на классической трехуровневой архитектуре (рис. 2.1):

·нижний уровень СТЗ - подсистема, направленная на решение задач выбора подходящей аппаратуры (например, доступной камеры наблюдения); подготовка оборудования к работе; захват цветных изображений сцены наблюдения; фильтрация шумов на захваченном изображении; восстановление изображения, при необходимости;

·средний уровень СТЗ - подсистема, предназначенная для сегментации изображения на области интереса; измерение выделенных ранее признаков; составление в апостериори описаний областей интереса;

·верхний уровень СТЗ - подсистема, направленная на решение задач распознавания областей интереса и принятие решений на результатах распознавания.

После перечисления требований к СТЗ становится понятным, что она может быть реализована не на базе мобильного робота, а отдельно на другой вычислительной машине. Территориально эта машина может быть расположена на удаленном расстоянии от самой робототехнической платформы. Используемая аналоговая камера обеспечивает стабильную передачу цветного видео и звука на расстоянии не более 300 м при прямой видимости. Однако учитывая, что после принятия решения управляющая команда возвращается мобильному роботу по bluetooth каналу, который может обеспечить всего лишь дальность до 100 м, ставим окончательное ограничение на стабильную управляющую связь до 100 м.

Рис. 2.1 Архитектура СТЗ и ее связь с мобильным роботом

Таким образом, эти требования можно свести в одну таблицу (табл. 2.1).

Таблица 2.1

Технические показатели оборудования и ПО СТЗ МР

Основные технические показатели СТЗЗначения основных показателейкамера наблюденияаналоговая камера с беспроводной передачей сигналадополнительное оборудованиересивер, ТВ-тюнерпередача видео от МО к СТЗрадиоканал, цветное видео и монозвукразрешенность кадра видео640х480частота кадров30 кадр/срасстояние передачи, макс.300 мчастота захвата кадровкаждые 2-3 свнутренняя буферизация кадровДапрограммная фильтрацияДапрограммное препарированиеДапрограммная сегментациябинарных изображенийвычисление признаковДетерминированныепринятие решенийпродукционная системапередача управляющих командbluetooth-каналрасстояние передачи команд, макс.100 м

2.2 Техническое задание на проектирование системы технического зрения

Раздел «Общие сведения»

1. Система технического зрения мобильного робота для пространственной ориентации в комнате. Условное обозначение: СТЗО МР.

. шифр темы или шифр (номер) договора

. Разработчик: Тухватуллин Артур Шамилевич, студент 55 группы ИПОИТ, специальность: информационные системы и технологии

Заказчик:

Полное наименование - федеральное государственное бюджетноеобразовательное учреждение высшего профессионального образования «Башкирский государственный педагогический университет им. М. Акмуллы»

Краткое наименование - ФГБОУ ВПО «БГПУ им. М. Акмуллы»

РБ, 450000, г. Уфа, ул. Октябрьской революции, 3а

тел.: 272-58-05, 273-02-32

ИНН 0274035573

КПП 027401001

ОКАТО 80401000000

ОГРН 1020202554778

ОКОПФ 81

ОКВЭД 80.30.1

(УФК по Республике Башкортостан ФГБОУ ВПО «БГПУ им. М. Акмуллы»

л/с 20016X54020)

Р/с 40501810500002000002 в ГРКЦ НБ РБ г. Уфы

БИК 048073001

КБК 00000000000000000130 предоставление платных образовательных услуг

4. Перечень документов для разработок

Таблица 2.2

Список документов на разработку

Наименование документа Ответственное лицоДата подписанияДата начала действия документаУчебный планР.И. СаитовПриказР.И. СаитовЗадание на дипломный проектИсхаков А.Р.

. Плановые сроки начала и окончания работы по созданию системы

№ п/пНаименование этапов работыСрок выполнения этапов работыПримечаниеНазначение руководителя.Выбор и согласование темы курсового проектаОформление задания по подготовке курсового проекта.Изучение литературы и сбор материалов.Обследование предметной области.Патентная проработка по теме курсового проектаФормирование выводов по первой (теоретической) главеПроектирование и разработка системы (программного продукта, базы данных)Подготовка доклада и презентаций к защите. Первая предзащита.Исправление замечаний по курсовому проекту. Вторая предзащита.Написание отзыва научным руководителем проектаЗащита курсового проекта

6. разработка дипломного проекта и программного обеспечения, соответствующего этому проекту, не подлежит стороннему финансированию.

. Порядок оформления и предъявления заказчику результатов работ по созданию системы

Таблица 2.3. Этапы проектирования и разработки системы

Наименование этапаРегулирующие документыЗадание на дипломную работуЗадание на дипломную работу ГОСТ 34.003-90 Информационная технология. Комплекс стандартов на автоматизированные системы. Автоматизированные системы. Термины и определения.Проектирование АИС. Формирование требований к АИС. Разработка концепции АИС.Литература ГОСТ 34.003-90 Информационная технология. Комплекс стандартов на автоматизированные системы. Автоматизированные системы. Термины и определения.Проектирование АИС. Техническое задание.ГОСТ 34.602-89 Информационная технология. Комплекс стандартов на автоматизированные системы. Техническое задание на создание автоматизированной системы ГОСТ 34.003-90 Информационная технология. Комплекс стандартов на автоматизированные системы. Автоматизированные системы. Термины и определения.Проектирование АИС. Технический проект.ГОСТ 34.601-90 Информационная технология. Комплекс стандартов на автоматизированные системы. Технический проект. ГОСТ 34.003-90 Информационная технология. Комплекс стандартов на автоматизированные системы. Автоматизированные системы. Термины и определения.Проектирование АИС. Рабочая документация.ГОСТ 19.505-79. ЕСПД. Руководство оператора. Требования к содержанию и оформлению.Разработка АИС по проекту.ГОСТ Р ИСО/МЭК 12207Прием-передача АИС заказчикуАкт приемки АИС.

Раздел «Назначение и цели создания системы»

1.Назначение системы.

Разрабатываемая система технического зрения должна быть использована на мобильном роботе для поддержки подсистем исполнительного, тактического и стратегического уровней мобильного робота. Мобильный робот должен быть разработан на базе конструктора Lego Mindstorms NXT 2.0.

2.Цели создания системы

Технические показатели СТЗ МР приведены в табл. 2.1. В технологическом плане процедура подготовки МР и СТЗ МР должна предполагать прохождение следующих этапов:

a.сборка МР по схеме

b.настройка bluetooth приемника МР.инсталляция управляющего ПО на МР.установка камеры наблюдения с автономным питанием на МР.установка ТВ-тюнера на персональный или переносной компьютер.инсталляция драйверов для ТВ-тюнера.установка ресивера для камеры наблюдения и подключение его к ТВ-тюнеру.инсталляция программного обеспечения СТЗ на компьютере.подключение bluetooth передатчика.инсталляция драйверов bluetooth передатчика на компьютере

К числу экономических показателей относятся себестоимость комплекта, состоящего из:

a.комплект видеонаблюдения: аналоговая камера с беспроводной передачей сигнала (1 шт.), набор автономного питания для камеры (1 шт.), ресивер (1 шт.), набор кабелей для соединения ресивера с ТВ-тюнером (1 шт.), блок питания для ресивера (1 шт.)

b.внутренний или внешний ТВ-тюнер (1 шт.), установочный диск с ПО (1 шт.).установочный диск с ПО СТЗ МР (1 шт.)

d.bluetooth модуль (1 шт.), установочный диск с ПО для модуля (1 шт.)

Критерием оценки достижения цели является способность системы провести обработку и анализ захваченного платой кадра и выработать решение об управляющем сигнале мобильному роботу до захвата следующего кадра.

Раздел «Характеристики объекта автоматизации»

1.Автоматизируемым объектом является человек-оператор, дистанционно управляющий мобильным роботом. Операторное управление МР занимает много времени у оператора. В основном задача заключается в перемещении МР от начальной точки траектории до конечной точки. Процедуру этого перемещения можно полностью автоматизировать. Ситуацию в рабочей зоне может осложнить экстремальная обстановка среды.

2.Условия эксплуатации камеры наблюдения и ПО СТЗ согласно ГОСТ Р ИСО 8756-2005.

Раздел «Требования к системе»

1.Программное обеспечение СТЗ должно быть разработано в среде Matlab и иметь простейший дружелюбный GUI интерфейс. Допускается использование функций модуля Image Procesing Toolbox. Система должна работать хотя бы с двумя камерами наблюдения. На выходе ПО СТЗ должно сформировать описание наблюдаемой сцены (состав). В состав СТЗ не включается подсистема принятия решения. ПО СТЗ используется одним оператором. Требования надежности СТЗ обусловлены высокой степенью распознавания сцены (не менее 80%). Каналы приема изображений и передачи описания сцены на аппаратном и программном уровнях не подлежат защите.

2.Функции нижнего уровня СТЗ: определение доступной камеры, инициализация камеры, захват изображения, фильтрация, восстановление изображения, обработка цветных и полутоновых изображений, конвертирование цветных изображения в полутоновые изображения; Функции среднего уровня СТЗ: обработка полутоновых и бинарных изображений, конвертирование полутоновых изображений в бинарные, фильтрация полутоновых изображений, морфологическая обработка бинарных изображений, сегментация бинарных изображений;

Функции верхнего уровня СТЗ: выделение краев фигур на бинарном изображении, вычисление комплекса детерминированных признаков, составление описания сегментированных объектов интереса, классификация объектов сцены наблюдения по признаковому описанию.

3.В качестве математического обеспечения системы выбрать аппарат модифицированных дескриптивных алгебр изображений. Информационное обеспечение системы: от ТВ-тюнера в ПО СТЗО МР передаются цифровые сигналы, оцифрованные изображения в СТЗО МР представляются конечномерными матрицами форматов uint8, uint16, double, logic. Между bluetooth модулями ПО СТЗО МР и МР результаты распознавания передаются в форме целых чисел, кодирущих объекты интереса. Лингвистическое обеспечение системы представлено языком матричных вычислений Matlab. Программное обеспечение системы состоит из: среды моделирования и разработки Matlab с модулями Image Processing Toolbox, Image Acquisition Toolbox, Matlab GUI. Техническое обеспечение состоит из аналоговой видео камеры с беспроводной передачей 208С, ресивера, блоков питания для камеры и ресивера, внутреннего ТВ-тюнера Aver Media, модуля bluetooth Dongle 2.0. Метрологическое обеспечение: расстояние (м), линейные размеры (м), линейные углы (º), цвет (RGB), площади (м2).

Раздел «Состав и содержание работ по созданию системы»

Наименование этапаРегулирующие документыЗадание на дипломную работуЗадание на дипломную работу ГОСТ 34.003-90 Информационная технология. Комплекс стандартов на автоматизированные системы. Автоматизированные системы. Термины и определения.Проектирование АИС. Формирование требований к АИС. Разработка концепции АИС.Литература ГОСТ 34.003-90 Информационная технология. Комплекс стандартов на автоматизированные системы. Автоматизированные системы. Термины и определения.Проектирование АИС. Техническое задание.ГОСТ 34.602-89 Информационная технология. Комплекс стандартов на автоматизированные системы. Техническое задание на создание автоматизированной системы ГОСТ 34.003-90 Информационная технология. Комплекс стандартов на автоматизированные системы. Автоматизированные системы. Термины и определения.Проектирование АИС. Технический проект.ГОСТ 34.601-90 Информационная технология. Комплекс стандартов на автоматизированные системы. Технический проект. ГОСТ 34.003-90 Информационная технология. Комплекс стандартов на автоматизированные системы. Автоматизированные системы. Термины и определения.Проектирование АИС. Рабочая документация.ГОСТ 19.505-79. ЕСПД. Руководство оператора. Требования к содержанию и оформлению.Разработка АИС по проекту.ГОСТ Р ИСО/МЭК 12207Прием-передача АИС заказчикуАкт приемки АИС.

Раздел «Порядок контроля и приемки системы»

Дипломный проект и ПО СТЗО МР проходят две предзащиты, проверку антиплагиата, норму-контроль и устную защиту содержания работы (презентация проекта) при комиссии по защите ВКР на стороне заказчика.

Раздел «Требования к документированию»

ПО СТЗО МР должен быть обеспечен руководством пользователя (оператора системы) в электронной форме согласно ГОСТ 34.201.

2.3 Технический проект системы технического зрения мобильного робота

Раздел «Пояснительная записка»

Основанием для разработок официально являются: учебный план, приказ на дипломный проект и задание на разработку (табл. 2.2). Разработчик: Тухватуллин Артур Шамилевич, студент 55 группы ИПОИТ, специальность: информационные системы и технологии. Технически СТЗО МР состоит из:

1.аналоговой камеры наблюдения 208С с беспроводной передачей и ресивера с набором блоков питания, которая устанавливается на платформе МР;

2.внутреннего ТВ-тюнера Aver Media, соединенного с ресивером камеры наблюдения через разъемы типа «тюлпан-тюльпан», что позволяет передавать видео и аудио сигналы на компьютер;

.модуля bluetooth для передачи команд МР.

Себестоимость продукта складывается из цен на выше перечисленные технические продукты.

Раздел «Функциональная и организационная структура системы»

Согласно построенной концепции для решения задачи в §2.1 «Требования к СТЗ и разработка концепции АИС» СТЗО МР имеет простейшую архитектуру, состав которой образуют: камера наблюдения, ресивер, ТВ-тюнер, низкий уровень СТЗ, средний уровень СТЗ, верхний уровень СТЗ, bluetooth-модуль. Все перечисленные составляющие, за исключением низкого, среднего и верхнего уровней СТЗ, представлены в аппаратной форме. Аппаратная часть СТЗ является заменяемой, при условии соответствия к требованиям из табл. 2.1 Технический проект описывает программную часть СТЗ, состоящую из низкого, среднего и верхнего уровней СТЗ. Топологически, эти структурные элементы расположены и связаны линейно. Между ними отсутствуют обратные связи, что усложнит не только архитектуру, но и сможет увеличить возможности СТЗ, наделив его способностью к эволюции. Низкий, средний и верхний уровни СТЗ направлены на решение прикладных задач. До начала их решения необходимо решить технические задачи: получение информации о доступных камерах, получение информации о выбранной камере, включение и отключение камеры, захват изображения с выбранной камеры, формирование библиотеки изображений для обработки и анализа. Дополнительно также вводятся операции формирования модели СТЗ и проверка ее функционирования. Методологические задачи перечислены в разделе «Требования к системе» из §2.2 «Материалы технического задания на проектирование системы технического зрения».

Структурная и функциональная схема однозначно описывают состав и принципы работы СТЗО МР. На рис. 2.2 приведена контекстная диаграмма СТЗ. Входными данными в диаграмме являются изображения, захваченные камерой наблюдения. Система использует управляющие параметры и механизмы и преобразовывает входные данные в выходной результат. В роли механизмов выбраны методы обработки и анализа изображений. Каждый из этих методов имеет свои настроечные характеристики, которые и будут являться управляющими. Так как МДАИ в составе своего аппарата содержит преобразования только двух видов (процедурные и параметрические), в контекстной диаграмме были выделены два вида механизмов и соответствующих им управляющих параметров. В дальнейшей контекстная диаграмма подлежит декомпозиции (рис. 2.3). Результатом декомпозиции является диаграмма A0. В дальнейшем каждая ее составляющая будут декомпозированы: нижний уровень СТЗ - в A1 (рис. 2.4), средний уровень СТЗ - в А2 (рис. 2.5), верхний уровень СТЗ - в А3 (рис. 2.6).

Рис. 2.2. Контекстная диаграмма СТЗО МР.

Рис. 2.3. Диаграмма A0 СТЗО МР.

Рис. 2.4. Диаграмма А1 нижнего уровня СТЗО МР.

Рис. 2.5. Диаграмма А2 среднего уровня СТЗО МР.

Рис. 2.6 Диаграмма А3 верхнего уровня СТЗО МР

Раздел «Постановка задач и алгоритмы решения»

Выбранная архитектура СТЗ МО выбрана с учетом на то, что МР может функционировать в среде близкой к экстремальным и подвергать к риску не только робототехническую платформу, но и аппаратуру информационно-измерительной системы. При критических значениях термодинамических показателей, некоторые камеры могут прийти в нерабочее состояние. С целью исключения дизъфункциональности, платформа может быть оборудована дополнительными камерами наблюдения, которые ПО СТЗ МР будет также поддерживать. Пространственное отчуждение СТЗ от платформы МР преследует экономическую выгоду, а именно, исключается риск потери информационно-измерительной подсистемы МР.

Задачи нижнего уровня СТЗ:

1.Организационно-экономическая сущность. Наименование: задачи низкого уровня СТЗ. Цель решения: уменьшить влияние шумов негативных факторов внешней среды и увеличить показатели информационной емкости изображений. Для достижения поставленной цели надо решить следующие задачи в указанном порядке: фильтрация, препарирование, восстановление изображений. Эти задачи решаются на следующем этапе после захвата изображений с камер.

2.Экономико-математическая модель задачи в аппарате МДАИ:

3.Входная оперативная информация: цветные изображения разрешенности 480х640.

4.Нормативно-справочная информация: литература по модифицированным дескриптивным алгебрам изображений и цифровой обработке и анализу изображений.

.Информация, хранимая для связи с другими задачами: полученные результаты (полутоновые изображения) являются исходными данными для задач среднего уровня СТЗ.

.Алгоритм решения задачи: математическая модель описывает алгоритм решения задачи.

.Контрольный пример:

, где

Задачи среднего уровня СТЗ:

1.Организационно-экономическая сущность. Наименование: задачи среднего уровня СТЗ. Цель решения: получение описание примитивов (области интереса) сцены наблюдения. Для достижения поставленной цели надо решить следующие задачи в указанном порядке: морфологическая обработка бинарных изображений, сегментация областей интереса, вычисление признаков для областей интереса, построение образов областей интереса. Эти задачи решаются на следующем этапе после предобработки захваченных изображений.

2.Экономико-математическая модель задачи в аппарате МДАИ:

3.Входная оперативная информация: полутоновые изображения разрешенности 480х640.

4.Нормативно-справочная информация: литература по модифицированным дескриптивным алгебрам изображений и цифровой обработке и анализу изображений.

.Информация, хранимая для связи с другими задачами: полученные результаты (бинарные изображения) и семантико-контекстная информация об изображении являются исходными данными для задач верхнего уровня СТЗ.

.Алгоритм решения задачи: математическая модель описывает алгоритм решения задачи.

.Контрольный пример:

, где

Задачи верхнего уровня СТЗ:

1.Организационно-экономическая сущность. Наименование: задачи верхнего уровня СТЗ. Цель решения: применяя известный метод классификации решить задачу распознавания по описаниям бластей интереса. Для достижения поставленной цели надо решить следующие задачи в указанном порядке: на основании признаков образов областей интереса вычислить признаки взаимоотношений между ними, используя рабочий алфавит признаков провести классификацию образов (использовать нейронную сеть), подготовить результаты классификации для отправки МР. Эти задачи решаются на следующем этапе после решения задач среднего уровня СТЗ.

2.Экономико-математическая модель задачи в аппарате МДАИ:

3.Входная оперативная информация: множество образов для объектов сцены наблюдения.

4.Нормативно-справочная информация: теории распознавания образов, теории нейронных сетей.

.Информация, хранимая для связи с другими задачами: множество образов, результаты распознавания.

.Алгоритм решения задачи: математическая модель описывает алгоритм решения задачи.

.Контрольный пример: например, домик

Раздел «Организация информационной базы»

Информационная база о разрабатываемой системе будет состоять только из руководства оператора, согласно ГОСТ 19.505-79. «ЕСПД. Руководство оператора. Требования к содержанию и оформлению». Электронный вариант документации будет связан с ПО СТЗО МР через пункт «Помощь» в пункте главного меню «Моделирование». Привязка осуществляется командой загрузки load в формате pdf.

Раздел «Система математического обеспечения»

Математическое обеспечение проекта полностью базируется на математическом обеспечении модифицированных дескриптивных алгебр изображений, которое опирается, в свою очередь, не теорию цифровой обработки и анализа изображений и теорию распознавания образов. Интерфейс ПО СТЗО МР состоит из 5 пунктов: «Камера», «Нижний уровень», «Средний уровень», «Верхний уровень» и «Моделирование». Каждый из этих пунктов меню объединяет операции свои типичные операции. При использовании той или иной операции, система запоминает выбранный метод и его параметры. Процедура разработки СТЗ представляет варьирования метода каждого этапа и параметров этих методов, в результате чего синтезируется математическая модель СТЗО МР.

Для программирования GUI приложения была выбрана среда технических вычислений Matlab с модулями Image Processing toolbox и Image Acquisition Toolbox. Наличие этих трех составляющих выделяет Matlab среди всех остальных инструментариев. К числу последних можно отнести: OpenCV, LabView IMAQ Vision. Основным преимуществом Matlab является возможность генерации выполняемого кода на языке C++ и библиотеки уже разработанных программ для стандартных методов обработки и анализа изображений: фильтрация, препарирование, сегментация, морфологические операции, конвертирование и т.п. Специфика перечисленных операций описана в справочнике команд этих модулей Matlab. Рекомендуется источник: Дьяконов В., Абраменко И. MATLAB. Обработка сигналов и изображений. Специальный справочник.- Питер, 2002. - 608 с.: ил.

Раздел «Принцип построения комплекса технических средств»

Технологический процесс обработки данных описан в структурной и функциональной схеме СТЗ. Как уже отмечалось, для решения задачи ориентации МР в комнате достаточно использовать трехуровневую архитектуру СТЗ для однопроцессорных вычислительных систем. Технологически процедура обработки изображений представляет последовательное преобразование исходных изображений с контролем потери информации при их упрощении на каждом уровне. Схема сборки МР и СТЗО МР приведена в разделе «Назначение и цели создания системы». Согласно схеме IDEF0, разрабатываемое ПО позволяет построить любую систему технического зрения для решения любых задач МР. Группировка подобных операций в отдельные пункты меню повышает дружелюбность интерфейса и поддерживает понимание оператора о месте отдельных операций в структуре СТЗ, а также об их предназначении. ПО СТЗ позволяет автоматизировать процедуру написания программы СТЗ путем выбора вида операции и их настроечных параметров.

Раздел «расчет экономической эффективности системы»

Расчет полной стоимости СТЗО МР формируется из стоимостей: оборудования, работы по проектированию и работы по реализации проекта в среде Matlab.

Таблица 2.4

Расчет стоимости работ на проектирование и реализацию СТЗО МР в среде Matlab

Activity NameActivity Cost (Рубль)Cost CenterCost Center Cost (Рубль)Duration (Days)Обработка и анализ изображения в СТЗ53 000,00Затраты на проектирование6 000,0013,00Затраты на разработку47 000,00Нижний уровень СТЗ17 500,00Затраты на проектирование1 500,003,00Затраты на разработку16 000,00Конвертирование цветных изображений в полутоновые5 500,00Затраты на проектирование500,001,00Затраты на разработку5 000,00Фильтрация5 500,00Затраты на проектирование500,001,00Затраты на разработку5 000,00Препарирование6 500,00Затраты на проектирование500,001,00Затраты на разработку6 000,00Средний уровень СТЗ14 500,00Затраты на проектирование1 500,003,00Затраты на разработку13 000,00Конвертирование полутоновых изображений в бинарные2 500,00Затраты на проектирование500,001,00Затраты на разработку2 000,00Композиция морфологических операций7 500,00Затраты на проектирование500,001,00Затраты на разработку7 000,00Выделение границ4 500,00Затраты на проектирование500,001,00Затраты на разработку4 000,00Верхний уровень СТЗ21 000,00Затраты на проектирование3 000,007,00Затраты на разработку18 000,00Сегментация областей интереса3 500,00Затраты на проектирование500,001,00Затраты на разработку3 000,00Сегментация краев областей интереса4 500,00Затраты на проектирование500,001,00Затраты на разработку4 000,00Вычисление геометрических параметров7 000,00Затраты на проектирование1 000,004,00Затраты на разработку6 000,00Добавление в модель информации6 000,00Затраты на проектирование1 000,001,00Затраты на разработку5 000,00

Расчет стоимости работ выполнен в среде BPWin 4.1. с применением стоимостного анализа ABC. Полная стоимость системы приведена в таблице 2.6.

Таблица 2.6

Расчет полной стоимости системы

Наименование статьи затратСтоимость, руб.Стоимость оборудования7000Стоимость проектирование системы6000Стоимость реализации системы47000Итого60000

2.4 Разработка системы технического зрения для ориентации мобильного робота в комнате

Разработка программного обеспечения СТЗО МР проводится в среде технических вычислений MATLAB 7.4.0.287 (R2007a). Дополнительно используются модули Image Processing Toolbox, Image Acquisition Toolbox и встроенная программа для разработки GUIDE приложений. Запуск среды осуществляется «Пуск?Все программы?MATLAB?R2007a?MATLAB R2007a» (рис. 2.6).

Рис. 2.7 Среда технических вычислений MATLAB

Для запуска GUIDE нужно нажать на одноименную кнопку в списке кнопок, расположенных под главным меню, в результате чего будет открыт «GUIDE Quick Start».

Рис. 2.8 Окно создания и открытия проекта

Первый раз нужно выбрать «Create New GUI» для открытия редактора формы приложения (рис. 2.9). Разработка приложения начинается с создания главного меню, которое будет состоять из операций, сгруппированных в пункты: камера, нижний уровень, средний уровень, верхний уровень и моделирование. Создание всех этих пунктов однотипно, поэтому в дальнейшем будет продемонстрирована разработка только группы операций «Камера».

Рис. 2.9 Редактор формы приложения

Разработка приложения начинается с создания и редактирования главного меню приложения. Для этого запускаем «Menu Editor» (рис. 2.10).

Рис. 2.10 Редактор меню «Menu Editor»

Для создания пунктов меню используется команда «New Menu» (рис. 2.11)

Рис. 2.11 Редактор меню «Menu Editor»

Здесь нужно ввести: название пункта меню в Label, имя переменной в модуле в Tag и нажать на кнопку View (рис .2.11).

Рис. 2.12 Создание подпунктов меню для пункта «Камера»

В создании уже подпунктов используется другая кнопка - «New Menu Item» (рис. 2.12). Для каждого создаваемого подпункта выше описанные действия повторяются в указанном порядке. В результате создания пункта меню «Камера» в Menu Editor была получена следующая структура (рис. 2.13).

Рис. 2.13 Структура пункта меню «Камера»

В модуле stzomr.m этих пунктов меню обслуживают следующие обработчики событий (табл. 2.7).

Таблица 2.7

Фрагмент листинга из модуля stzomr.m.

% -------------------------------------------------------------------- function allcam_Callback(hObject, eventdata, handles) global Selection % hObject handle to allcam (see GCBO) % eventdata reserved - to be defined in a future version of MATLAB % handles structure with handles and user data (see GUIDATA) cam=imaqhwinfo('winvideo') %получаем доступные камеры [q cnt]=size(cam.DeviceIDs); %определяем число рабочих камер s={}; for i=1:cnt s{i}=cam.DeviceInfo(1,i).DeviceName; end; [Selection,ok] = listdlg('ListString',s,... 'Name', 'Доступные камеры', 'ListSize', [300 50], 'PromptString', 'Выберите камеру', 'fus', 10);% -------------------------------------------------------------------- function activcam_Callback(hObject, eventdata, handles) global Selection global obj % hObject handle to activcam (see GCBO) % eventdata reserved - to be defined in a future version of MATLAB % handles structure with handles and user data (see GUIDATA) obj=videoinput('winvideo',Selection); preview(obj); start(obj)% -------------------------------------------------------------------- function captcam_Callback(hObject, eventdata, handles) global obj % hObject handle to captcam (see GCBO) % eventdata reserved - to be defined in a future version of MATLAB % handles structure with handles and user data (see GUIDATA) img{1}=getsnapshot(obj); imagesc(img{1}); h=gca; set(h,'Visible','off');

Пункт меню «Камера» объединяет первоочередные технические задачи, связанные с подготовкой камеры наблюдения к работе. Чтобы начать редактировать любое СТЗ в данном приложении, надо подключить камеру и получить исходные изображения. Опишем этот процесс:

Шаг 1. Запуск редактора СТЗО МР

Шаг 2. Формирование перечня доступных камер

Шаг 3. Выбор рабочей камеры

Шаг 4. Включение камеры

Шаг 5. Захват изображения с камеры

Аналогичным образом, последовательно выполняются все остальные группы операции. В силу ограниченности объема дипломного проекта, приведем всего лишь последовательность команд, которые нужно выполнить для формирования математической модели и программы СТЗО МР. Приложение также позволяет проверить созданную модель на любом другом захваченном изображении.

Группа команд, которую нужно выполнить на нижнем уровне СТЗ: Стек изображений ? Фильтрация ? Препарирование ? Конвертирование.

Группа команд, которую нужно выполнить на среднем уровне СТЗ: Суперпозиция из набора морфологических операций: эрозия, дилатация, открытие и закрытие ? Вычисление признаков.

Группа команд, которую нужно выполнить на верхнем уровне СТЗ: Формирование образа ? Сегментация ? Распознавание.

Группа команд, которую нужно выполнить на этапе моделирования СТЗ: Модель СТЗ ? Проверка модели.

В ходе проведения таких действий система позволяет получить математическую модель СТЗ. Опираясь на математическую модель всегда можно восстановить алгоритм, соответствующей ей. Модель может иметь вид, например:

Выводы по второй главе

Вторая глава состоит из концепции СТЗО МР и сформулированных к ней требований, технического задания по ГОСТ 34.602-89; технического проекта по ГОСТ 34.601-90 и описания разработки программного обеспечения согласно разработанному проекту. Архитектура СТЗО МР является трехуровневой для однопроцессорных систем. Такой классический подход может гарантировать решение задачи на дипломный проект. Сам проект направлен на решение более общей проблемы, нежели поставленная задача. Технический проект описывает программное обеспечение редактора СТЗ вообще. Такой редактор позволяет создавать любое подобное программное обеспечение.

Во второй главе решены задачи:

·разработка концепции СТЗО МР и формирование требований

·разработка технического задания, соответствующего ГОСТ 34.602-89

·разработка технического проекта, соответствующего ГОСТ 34.601-90

·разработка ПО СТЗО МР в среде технических вычислений MATLAB.

Вторая глава вносит весомый вклад в достижение поставленной цели.

Заключение

Системы технического зрения находят широкое применение в современной жизни. И чем дальше, тем сложнее и интеллектуальнее они становятся. В дипломном проекте ставилась цель: спроектировать и реализовать в среде MATLAB программное обеспечение для автоматического создания СТЗ мобильных роботов в модифицированных дескриптивных алгебрах изображений, а также решить задачу автоматической ориентации мобильного робота в комнате на основе решенного в этом ПО системы технического зрения. Достижение цели планировалось в ходе решения следующих задач:

1.изучить зарубежный и отечественный опыт создания систем технического зрения

2.детально исследовать возможности математических аппаратов дескриптивных алгебр изображений, дескриптивных алгебр изображений с одним кольцом и модифицированных дескриптивных алгебр изображений

.разработать концепцию решения задачи, архитектуры разрабатываемой СТЗ и сформулировать требования к его функционированию

.разработать проект программного обеспечения для редактирования математических моделей СТЗ

.реализовать ПО редактора СТЗ в среде MATLAB и решить задачу ориентации робота в комнате.

Первая глава дипломного проекта описывает решение 1 и 2 задач. В ходе решения первой задачи были изучены работы отечественных исследователей по созданию систем технического зрения советского и постсоветского периодов. Не остались без внимания и современные зарубежные разработки. К их числу можно отнести шагающего робота BigDog военного назначения. В ходе решения задач первой главы была найдена оптимальная для решения задачи дипломного проекта архитектура СТЗ мобильного робота.

Вторая глава дипломного проекта направлена на решение задач 3, 4 и 5. Третья задача заключается в коротком резюмировании реализуемой концепции и формировании технических требований к разрабатываемой системе. На основании задания на разработку дипломного проекта оформляется техническое задание, соответствующее ГОСТ 34.602-89. Во второй главе согласно сформулированному техническому заданию разработан проект автоматизированной информационной системы СТЗО МР, соответствующего ГОСТ 34.601-90. И, наконец, пятая задача дипломного проекта заключается в реализации спроектированной информационной системы на выбранном языке программирования и в выбранной среде разработки. В качестве среды программирования выбран MATLAB R2007a. Среда технических вычислений использует одноименный скриптовый язык программирования Matlab. В разработках также использованы дополнительные модули обработки и анализа изображений Image Processing Toolbox и работы с внешним оборудованием Image Acquisition Toolbox.

Таким образом, все задачи дипломного проекта решены, и качество их решения соответствует требованиям заказчика. Следовательно, поставленная цель дипломного проекта достигнута.

Литература

1.Боев, В.Д. Моделирование систем. Инструментальные средства GpssWorld [Текст]: учеб.пособие / В.Д. Боев. - СПб.; BHV-Петербург, 2004.-368 с.

2.Винокурова, О.А. Методы и средства переработки информации в допечатных системах: Монография [Текст] / О. А. Винокурова, М.В. Ефимов, Ю.Н. Самарин, М.А. Синяк. Моск. гос. ун-т печати. - М.: МГУП.

.Влацкая, И.В. Моделирование систем массового обслуживания [Текст]: методические указания к расчетно-графическим работам / И.В. Влацкая, О.А. Татжибаева. - Оренбург: Изд-во ГОУ ОГУ, 2005. - 20 с.

.Гасов, В.М. Программные средства допечатных процессов: Учебное пособие для вузов [Текст] / В.М. Гасов, A.M. Цыганенко. В 3 кн. М.: МГУП, 2000.

.Гнеденко, Б.Б. Введение в теорию массового обслуживания [Текст] / Б. Б. Гнеденко, И. Н. Коваленко. М., "Наука", 1966. 255 с.

.Горбачев, A.A. Автоматизация учета затрат времени и управление обработкой информации в системах допечатной подготовки [Текст] / А.А. Горбачев, Ю.Н. Самарин // КомпьюАрт. - 2006. - №6.

.Горбачев, A.A. Методика определения временных затрат на процесс допечатной подготовки полиграфического издания [Текст] / А.А. Горбачев, Ю.Н. Самарин // КомпьюАрт. - 2005. - №5.

.Горбачев, A.A. Методика определения временных затрат на процесс подготовки сверстанных полос к выводу [Текст] / А.А. Горбачев, Ю.Н. Самарин // Проблемы полиграфии и издательского дела. -2005. -№1.

.Иванова, А.Е. Анализ функционирования многоканальной системы массового обслуживания с учетом отказов и восстановлений цифровых печатных машин [Текст] / А.Е. Иванова // IX Международная конференция «Региональная информатика 2004»: Материалы конференции. - СПб. 2004.

.Ивченко, Г.И. Теория массового обслуживания [Текст] / Г.И. Ивченко, В.А. Каштанов, И.Н. Коваленко - М.:Высш. школа, 1982. - 256 с.

.Имитационное моделирование для науки и бизнеса [Электронный ресурс] // Применение имитационного моделирования. - Режим доступа: #"justify">.Карпов, Ю.Г. Имитационное моделирование систем. Введение в моделирование с AnyLogic 5. [Текст] / Ю.Г. Карпов - СПб. БХВ-Петербург, 2005. - 400 с.

.Кельтон В., Лоу А. Имитационное моделирование: 3-е изд. Пер. с англ. [Текст] / В. Кельтон, А. Лоу. - СПб.: Издательская группа BNV, 2004. - 847 с.

.Киселева, М.В. Имитационное моделирование систем в среде AnyLogic [Текст]: учебно-методическое пособие / М.В. Киселева. Екатеринбург: УГТУ - УПИ, 2009.- 88 с.

.Кондрашова, В.К. Экономика полиграфического предприятия [Текст] : учеб.пособие для вузов / В.К. Кондрашова, О. Г. Исаева. - М.: Изд-во МГУП,2005. - 317 с.

.Кофман А. Массовое обслуживание. Теория и приложения [Текст] / А. Кофман, Р. Крюон -М.: Мир, 1965.-304 с.

.Леоненко, А. В. Самоучитель UML - 2-е изд, перераб. И доп. [Текст] / А.В. Леоненко - СПб.: БХВ-Петербург, 2004. - 432с.

.Максимей, И.В. Имитационное моделирование на ЭВМ [Текст] / И.В. Максимей М.: Радио и Связь, 1988.-232 с.

.Маликов, Р.Ф. Основы разработки компьютерных моделей сложных систем. - Уфа: Изд-во БГПУ, 2012. - 256 с.

.Масалович, А.И. Моделирование и анализ поведения бизнес-процессов [Текст]: конспект лекций / А.И. Масалович, Ю.А. Шебеко - M.: Тора-Инфо Центр, 2002.

.Межотраслевые нормы времени и выработки на процессы полиграфического производства.- М.: ГП НИЦ Экономика, 1997.- 447 с.

.Мезенцев, К.Н. Моделирование систем в среде AnyLogic 6.4 [Текст]: учебное пособие. Часть 2 / Под редакцией Заслуженного деятеля

.Самарин, ЮН. Автоматизация учета затрат времени и управление обработкой информации в системах допечатной подготовки [Текст] / Ю.Н. Самарин, А.А. Горбачев. // КомпьюАрт-2006.

.Самарин, Ю.Н. Допечатное оборудование: Конструкции и расчет [Текст]: учебник для вузов / Ю.Н. Самарин. Моск. гос. ун-т печати. - М.: МГУП, 2002.

.Самарин, Ю.Н. Технико-экономическая оценка и выбор фотонаборных автоматов для полиграфического производства [Текст] / Ю.Н. Самарин, М.А. Синяк- М., 2001.

.Черемных, С.В. Структурный анализ систем: IDEF - технологий / С.В. Черемных, И.О. Семенов, В.С. Ручкин. - М.: Финансы и статистика, 2003. - 208 с.

.Черненький, В.М. Разработка САПР. Книга 9 Имитационное моделирование [Текст]: практическое пособие. / Под редакцией А.В. Петрова - М.: Высшая шк., 1990. - 112 с.

ВЫПУСКНАЯ КВАЛИФИКАЦИОННАЯ РАБОТА Система технического зрения для управления мобильным роботом

Больше работ по теме: