Метод и устройство визуализации пространственно распределенных образов со сложными топологическими портретами тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.05, кандидат технических наук Чаплыгин, Александр Александрович

• Чаплыгин, Александр Александрович
• кандидат технических наук
• 2005

Оглавление диссертации кандидат технических наук Чаплыгин, Александр Александрович

Введение.

Глава 1. Аналитический обзор методов, алгоритмов и аппаратных средств

1.1 Введение.

1.2 Обзор методов распознавания образов.

1.3 Области применения и особенности задач визуализации объектов 11-мерного пространства.

1.4 Основные методы визуализации многомерных данных.

1.5 Сущность предлагаемого подхода к визуализации пространственно распределенных образов, имеющих сложный топологический портрет.

1.6 Выводы по главе.

Глава 2. Разработка математических методов распознавания образов.

2.1 Введение.

2.2 Существующие методы отображения многомерных объектов.

2.2.1 Линейное отображение.

2.2.2 Нелинейное отображение.

2.2.3 Ортогональная проекция.

2.2.4 Геометрический смысл нелинейного ¡{-отображения точки 11-мерного пространства на плоскость.

2.2.5 Перенос начала координат п-мерного пространства и биплоскостные сечения.

2.3 Метод секущих гиперплоскостей.

2.4 Алгоритм секущих гиперплоскостей.

2.5 Выводы по главе.

Глава 3. Разработка устройства нелинейного отображения с секущими гиперплоскостями.

3.1 Введение.

3.2 Общее описание устройства.

3.3 Синтез операционного автомата.

3.4 Синтез управляющего автомата.

3.5 Временные характеристики операционного устройства.

3.6 Выводы по главе.

Глава 4. Сравнительный анализ устройства нелинейного отображения с аналогами.

4.1 Введение.

4.2 Аналог 1.

4.3 Аналог 2.

4.4 Сравнение временных характеристик синтезированного устройства с аналогами.

4.5 Выводы по главе.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Метод и устройство визуализации пространственно распределенных образов со сложными топологическими портретами»

Актуальность работы. Задачи визуализации объектов n-мерного пространства находят применение в системах управления технологическими процессами, в системах диагностики и распознавания образов, экспертных системах и системах принятия решений в технике, экономике и медицине, в лингвистике и психологии. В последнее время широкое распространение получили интерактивные системы принятия решений, в которых ответственное лицо принимает решение и оценивает их последствия на основе визуализированных данных.

Для визуализации объектов, имеющих большое число признаков в виде совокупности параметров, на плоскости существует множество методов. Широкое распространение получили методы, относящиеся к линейным и нелинейным преобразованиям.

Решению проблем визуализации объектов многомерного пространства посвятили свои работы А.И Галушкин, К. Фу, К. Пирсон, К Фукунага, Н.Г. Загоруйко, P.C. Лбов и другие отечественные и зарубежные авторы.

К наиболее распространенным методам визуализации объектов многомерного пространства в интерактивных системах принятия решений относятся нелинейные R-отображения ф: Rn—»R2. При визуализации объектов многомерного пространства рассматриваемые образы могут быть вытянуты вдоль одного или нескольких параметров или иметь сложный топологический портрет. Такие образы называются пространственно распределенными. Между тем в результате использования нелинейных R-отображений для визуализации пространственно распределенных образов часто возникают ситуации их ложного пересечения, в результате чего может произойти ошибочное принятие решения. Это обстоятельство определяет основную проблемную ситуацию данного диссертационного исследования. В системах принятия решений обрабатываемые данные носят преимущественно многомерный характер с большим числом признаков, что требует для визуализации значительных временных затраты. Для сокращения времени визуализации, требуются аппаратно-технические средства акселерации. Сущность основной решаемой задачи заключается в развитии существующих методов и разработке аппаратно-технических средств для визуализации точечных многомерных объектов в пространственно распределенных образах со сложными топологическими портретами на основе нелинейных отображений. На основании изложенного тема диссертационной работы является перспективной и актуальной. Работа выполнялась в рамках НИР по гранту Г02-4.2-5 (2002-2005 г.г.) «Разработка методов, алгоритмов, программных и технических средств быстрых символьных вычислений» при непосредственном участии автора.

Объектом исследования являются многомерные пространства, включающие в себя объекты с большим числом признаков.

Предметом исследования являются инструментально технические средства визуализации пространственно распределенных образов, имеющих сложный топологический портрет.

Цель работы: разработка методов и алгоритмов визуализации пространственно распределенных образов и построение на их основе устройства визуализации объектов многомерного пространства.

В соответствие с этим в работе решаются следующие задачи:

1) анализ существующих методов визуализации объектов многомерного пространства и обоснование необходимости развития существующих методов для визуализации пространственно распределенных образов со сложными топологическими портретами;

2) разработка метода и алгоритма секущих гиперплоскостей как развитие метода нелинейного отображения объектов многомерного пространства;

3) разработка устройства визуализации пространственно распределенных образов со сложными топологическими портретами, реализующего метод секущих гиперплоскостей;

4) моделирование устройства визуализации, получение его временных характеристик и сравнение с аналогичными устройствами визуализации.

Методы исследования. Для решения поставленных в работе задач используется теория распознавания образов, математический анализ, теория вычислительных процессов, теоретическое программирование и теория алгоритмов, а также теория автоматов.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1) разработан метод секущих гиперплоскостей как развитие метода нелинейного отображения объектов многомерного пространства, открывающий возможность корректной визуализации невыпуклых и пространственно распределенных образов, имеющих сложный топологический портрет;

2) разработан алгоритм секущих гиперплоскостей, который за счет сокращения количества циклов вычислений позволяет сократить время визуализации объектов п-мерного пространства;

3) разработано операционное устройство визуализации объектов многомерного пространства с операционным автоматом в виде I-автомата, что создает предпосылки к сокращению аппаратных затрат.

Практическая ценность работы состоит в следующем:

- построенный новый алгоритм метода секущих гиперплоскостей реализован виде программных продуктов «Навигатор» и «Навигатор-2» для решения практически важных задач в различных областях принятия решений;

- разработанное операционное устройство визуализации в виде I-автомата позволяет визуализировать объекты большой размерности с приемлемым временем визуализации, что открывает возможности к использованию в различных системах управления технологическими процессами, в системах диагностики, экспертных и других системах, использующих визуализацию многомерных объектов.

На защиту выносятся:

1. Метод и алгоритм секущих гиперплоскостей, реализующий нелинейное отображение и позволяющий определить факт отсечения точки параллельными гиперплоскостями.

2. Операционное устройство визуализации объектов многомерного пространства в пространственно распределенных образах со сложными топологическими портретами, имеющее возможность параллельной организации п операционных автоматов с единым управляющим автоматом.

3. Результаты моделирования работы операционного устройства и сопоставительного анализа с аналогичными устройствами визуализации, показывающие, что синтезированное устройство по сравнению с аналогами затрачивает меньше времени на визуализацию объектов большой размерности.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на международных и российских конференциях: "Распознавание - 2003" (г. Курск, 2003 г.), "Медико-экологические информационные технологии - 2003, 2004 (г. Курск, 2003, 2004 гг.), "Оптико-электронные приборы и устройства в системах распознавания образов, обработки изображений и символьной информации" (г. Курск, 2003 г.), а также в научно-практическом вестнике «Человек и его здоровье» (г. Курск, 2005 г.).

Результаты работы внедрены на кафедрах дерматовенерологии и гистологии Курского государственного медицинского университета, в НПО «Экран» Минздрава РФ. Акты внедрения прилагаются к материалам диссертации.

Публикации. Результаты, полученные в диссертационной работе, нашли отражение в семи печатных работах.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 99 наименований и одного приложения. Диссертация изложена на 186 страницах и содержит 34 рисунка и 16 таблиц. Основной текст работы содержит 109 страниц.

Заключение диссертации по теме «Элементы и устройства вычислительной техники и систем управления», Чаплыгин, Александр Александрович

4.5 Выводы по главе

1. Рассмотрены устройства аналогичные синтезируемому устройству: устройство визуализации объектов п-мерного пространства и мультипроцессор распознавания образов.

2. Измерены времена работы устройств при фиксированном числе объектов п-мерного пространства.

3. Синтезируемое устройство имеет преимущество во времени работы, особенно проявляющееся на высоких значениях мерности пространства (п > 40).