Методы, алгоритмы и технические средства оперативной оценки качества изображений тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.11.01, кандидат технических наук Воронцов, Евгений Александрович

• Воронцов, Евгений Александрович
• кандидат технических наук
• 2006

Оглавление диссертации кандидат технических наук Воронцов, Евгений Александрович

Введение.

Глава 1. Теории зрительного восприятия.

1.1. Основные определения и положения.

1.1.1. Свойства зрительного восприятия.

1.1.2. Характерные признаки естественного видения.

1.2. Закон сохранения искажений.

1.3. Практическое построение различных вариантов перцептивной перспективы.

1.4. Выводы к главе 1.

Глава 2. Экспериментально-аналитические методы построения изображения трехмерных объектов па плоскости.

2.1 .Эксперименты по определению функции преобразования.

2.2.0бработка экспериментальных данных.

2.3.Анализ экспериментальных данных.

2.4.0пределение шкалы зрительного восприятия

2.5.Выводы к главе 2.

Глава 3. Отображение пространства оптико-электроппыми геодезическими приборами.

3.1.Классификация геодезических приборов.

3.1.1 .Теодолиты.

3.1.2.Тахеометры.

ЗЛ.З.Лазерные геодезические приборы.

3.1.4.Спутниковое навигационное оборудование (GPS).

3.2.Выбор технического средства.

3.3.Программа связи.

3.4.Определение метрологических характеристик.

3.5.Выводы к главе 3.

Глава 4. Естественное восприятие пространства оптическими (оптико-электронными) приборами с применением компьютерных технологий.

4.1. Решение задачи естественного видения посредством оптической системы.

4.2. Алгоритм формирования трехмерной модели естественного видения.

4.2.1 Формирование аксонометрической проекции.

4.2.2.Реализация алгоритма формирования трехмерной модели естественного видения.

4.3. Определение координат естественного видения в реальном времени.

4.4.Выводы к главе 4.

Глава 5. Постановка и решение прикладных задач.

5.1.Формирование изображения, соответствующего естественному видению человека.

5.2.0перативная экспертная система оценки качества продукции чеканного производства.

5.2.1. Традиционная экспертная система.

5.2.2. Цифровая экспертная система.

5.3.Выводы к главе 5.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Методы, алгоритмы и технические средства оперативной оценки качества изображений»

Задачи оценки качества изображений возникают при проектировании интеллектуальных систем с техническим зрением, при анализе степени деградации граничных поверхностей различного рода технических устройств. В равной мере подобные задачи возникают в медицинской практике, в практике оценки предметов искусства, при формировании реалистичных 3D сцен.

Во всех перечисленных случаях доминирующую роль при решении задач оценки качества изображения играют как методы исследования, так и технические средства. При этом с одной стороны, необходимо решить вопрос разработки, выбора и модернизации устройств (приборов); и с другой стороны, обеспечить оперативные возможности оценки качества изображения.

Известен ряд программ исследований, в которых обозначены и решаются задачи оценки качества изображения. В области исследования космоса: проект NASA Telerobotic Construction Challenge (создание интеллектуального робота), проект NASA LEMUR (создание робота для самостоятельного перемещения по внешней обшивке космической станции); совместная программа Европейского космического агентства (ЕКА) и российских ученых - робот-манипулятор «Дорес» для Международной космической станции (МКС). При анализе граничных поверхностей в чеканном производстве: проекты НИИ ГОЗНАК, Administration Des Monnaies et Medailles (Франция, Австрия), целевые исследовательские программы Microsystem Controls PTY. LTD (Австралия), Mars Incorporated (Великобритания, США).

Решение данной проблемы в рамках указанных программ предусматривает широкое использование компьютерных, математических, оптических технологий и определяет актуальность темы работы.

Целыо диссертационной работы является разработка методов, алгоритмов и технических средств, а также критериев оценки качества изображения на основе теории естественного зрительного восприятия пространства.

Выполненный обзор по проблемам зрительного восприятия человеком пространства, теории шкал, компьютерного зрения позволяет сформулировать следующие основные задачи исследования:

1. Анализ проблемы и постановка задачи.

2. Разработка методов исследования отображения геометрии пространства зрительным анализатором на основе теории зрительного восприятия.

3. Постановка эксперимента в рамках теории. Вывод общих принципов и закономерностей.

4. Выбор технических средств определения геометрии пространства, классификация и анализ с точки зрения теории зрительного восприятия

5. Анализ существующих компьютерных технологий с целью выявления различных вариантов расширения возможностей для отображения пространства техническими средствами.

6. Построение шкалы зрительной восприимчивости и обоснование использования ее как характеристики качества изображения.

7. Практические решения задач, связанных с естественным отображением трехмерных объектов и пространства.

Научная новизна заключается в следующем:

• Разработаны методика и технические средства формирования образа пространства, соответствующего естественному видению человека.

• Разработана методика и технические средства анализа качества изображений.

Основные положения, выносимые на защиту:

• Разработка метода исследования в рамках теории зрительного восприятия.

• Постановка эксперимента в рамках теории.

• Выбор и модернизация технического средства с целью решения задач исследования.

• Методика и средство определения координат естественного видения человека.

• Формирование естественного образа пространства.

• Разработка оперативной экспертной системы оценки качества изображения на монетах.

Практическая ценность диссертационной работы заключается в следующем.

1. Предложено техническое решение формирования изображения, соответствующего естественному видению человека, тем самым решена одна из задач адаптации зрения робота и зрения человека.

2. Определена шкала зрительной восприимчивости.

3. Реализована методика оперативной оценки продукции чеканного производства, в частности, решена задача оценки деградации поверхности монеты.

Основные положения диссертационной работы докладывались, обсуждались и получили положительную оценку более чем на 10 конференциях, в том числе: на девятом Всероссийском съезде по теоретической и прикладной механике (Нижний Новгород, 2006), на седьмой сессии международной научной школы «Фундаментальные и прикладные проблемы надежности и диагностики машин и механизмов» (СПб, 2005 г.), на Всероссийской научной конференции студентов и аспирантов (с международным участием) «Робототехника, мехатроника и интеллектуальные системы» (Таганрог, 2005), на международной конференции «Интеллектуальные системы» AIS'06 (Геленджик, 2006), на VI Международном оптическом конгрессе «Оптика - XXI век» (СПб, 2006), на II и III конференциях молодых ученых СПбГУ ИТМО (СПб, 2005-2006).

По материалам диссертации опубликовано 10 печатных работ, в том числе в журнале «Приборостроение», тематических выпусках научно-технического вестника СПбГУ ИТМО, материалах указанных конференций.

Диссертационная работа изложена на 104 страницах и состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы (85 наименований), а также включает два приложения (62 страницы).

Заключение диссертации по теме «Приборы и методы измерения по видам измерений», Воронцов, Евгений Александрович

Основные выводы и результаты работы

Основные научные и практические результаты, полученные в результате исследований, заключаются в следующем:

1. Рассмотрены закономерности теории зрительного восприятия. Показано, что современные представления о свойствах зрительного восприятия являются основой разработки методов оценки качества изображения.

2. Разработаны методы экспериментально-аналитического построения функции преобразования, подобраны адекватные функции, произведена оценка адекватности. Установлено, что линейная перспектива приводит к значительным ошибкам при отображении зрительного восприятия и не рекомендуется для использования в этих целях.

3. В соответствии с разработанной классификацией известных геодезических приборов выработаны критерии выбора технических средств для целей перцептивной визуализации пространства с использованием компьютерных технологий. Показано, что этим требованием удовлетворяет геодезический прибор тахеометр.

4. Разработан алгоритм организации связи тахеометра и ПК, который реализован в виде программного обеспечения связи (модем - программа) с целью передачи в ПК первичной информации с тахеометра. Модем -программа использована также для автоматизации процедуры поверки тахеометра.

5. Разработан алгоритм и решена задача определения координат естественного видения посредством программного обеспечения с использованием в качестве источника первичной информации тахеометра.

6. Разработан алгоритм построения модели объекта, соответствующей естественному видению человека, построена модель пространства в соответствии с перцептивным законом формирования перспективы. Установлено, что образ естественного восприятия - это отображение образов на цилиндре. Разработанное программное обеспечение является альтернативой оптической системы.

7. Предложена методика оценки продукции чеканного производства, тем самым решена задача оценки деградации поверхности монеты посредством программного обеспечения, при этом в качестве параметра качества рекомендуется использовать нормы матрицы изображения. Методика рекомендуется для использования при оперативной оценке качества изображений.

Таким образом, цель диссертациоиной работы - разработка методов, алгоритмов и технических средств, а также критериев оценки качества изображений на основе теории естественного зрительного восприятия, достигнута.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В данной диссертационной работе сформулирован и решен ряд задач, связанных с оценкой качества изображения.

Теория зрительного восприятия и теория перспективы позволили разработать ряд методов и алгоритмов оценки качества изображения, формирования образов естетсвенного восприятия. Для достижения этой цели был разработан метод исследования отображения трехмерных объектов на плоскости, был поставлен эксперимент.

Решен ряд прикладных задач: автоматизация метрологического обслуживания оптико-электронных геодезических приборов, контроль качества продукции чеканнго производства.

На базе составляющей терии измерений - теории шкал определена шкала зрительного восприятия.

Решение описанных задач предусматривает широкое использование компьютерных, математических, оптических технологий и определяет актуальность темы работы.

Таким образом, разработаны методы, алгоритмы и технические средства, а также критерии оценки качества изображения на основе теории естественного зрительного восприятия пространства.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Воронцов, Евгений Александрович, 2006 год

1. Андронов А.А., Витт А.А., Хайкин С.Э. Теория колебаний. М.: Физматгиз, 1959

2. Арнольд В.И., Варченко А.Н., Гусейн-заде С.М. Особенности дифференцируемых отображений. М.: МЦНМО, 2004, 672 с.

3. Аршанский М.М. Мехатроника. Учебное пособие. М.: МГАПИ, 1996, 86 с.

4. Балягин С.Н. Черчение. Справочное пособие. М: АСТ-Астрель, 2005, с. 256-305

5. Баран П.И. Геодезические работы при монтаже и эксплуатации оборудования. -М.: Недра, 1990, 233с.

6. Белошеев В.П. Триггерная модель фоторецепции палочки сетчатки глаза. Оптический журнал №5, 2002, с.45-50

7. Воронков Н.Н., Плотников B.C., Калантаров Е.И. и др. Геодезические и фотограмметрические приборы. М.: Недра, 1991, 429с.

8. Воронцов Е.А. Прямые и обратные перспективы динамических систем на цилиндре и их зрительное восприятие на плоскости. Материалы конференции Робототехника, мехатроника и интеллектуальные системы, Таганрог: Издательство ТРТУ, 2005, с. 155-160

9. Воронцов Е.А. Классификация геодезических приборов. Вестник II межвузовской конференции молодых ученых СПб ГУ ИТМО. Сборник научных трудов-2005 г., СПб: СПбГУ ИТМО, 2005 г., с. 167-171

10. Ю.Воронцов Е.А., Глейзер В.И. К вопросу о классификации геодезических приборов. Изв. Вузов. Приборостроение. 2006.Т.49, №3. с.60-64

11. Воронцов Е.А., Демин Д.А., Коваленко П.П., Липатов П.А. Магический шестиугольник кратномасштабного преобразования. Вестник III межвузовской конференции молодых ученых СПб ГУ ИТМО. Сборник научных трудов 2006 г., СПб: СПбГУ ИТМО, 2006 г., с. 63-68

12. Воронцов Е.А., Черноусое А.С. Классификация методов и средств определения остроты зрения. Вестник III межвузовской конференции молодых ученых СПб ГУ ИТМО. Сборник научных трудов 2006 г., СПб: СПбГУ ИТМО, 2006 г, с. 75-83

13. Н.Воронцов Е.А. Задачи обратной перспективы и их техническая реализация. Материалы третьей студенческой научно-учебной конференции «Моделирование явлений в технических и гуманитарных науках», СПб: СПбГМТУ, 2006 г., с. 135-139

14. Воронцов Е.А., Мусалимов В.М., Орлов С.В., М.А. Сапожков. Динамика, мониторинг и визуализация фрикционного взаимодействия. Девятый Всероссийский съезд по теоретической и прикладной механике, Нижний Новгород, 2006 г.,т.3.,с.62

15. Воронцов Е.А., Мусалимов В.М., Орлов С.В. Оперативная экспертная система оценки качества продукции чеканного производства. Материалы международной конференции «Интеллектуальные системы» AIS'06, Геленджик, 2006, т. 1, с. 181 -189

16. Вяткин Г.П. Машиностроительное черчение. М.: Машиностроение, 1985,368с.

17. Гантмахер Ф.Р. Теория матриц. -М.: Наука, 1966, 576с.

18. ГОСТ 10528-99 «Нивелиры. Общие технические условия»

19. ГОСТ 10529-99 «Теодолиты. Общие технические условия»

20. ГОСТ 23543-99 «Геодезические приборы. Общие технические требования»

21. ГОСТ 51774-2001 «Тахеометры. Общие технические условия»

22. Даниличев В.Ф. Современная офтальмология. СПб: Питер, 2000, 320с.

23. Дженнингс Ф. Практическая передача данных. Модемы, сети и протоколы. М.: Мир, 1989

24. Дьяконов В.П. Энциклопедия Mathcad 200i. М.: СОЛОН- Пресс, 2004, 832 с.

25. Дьяконов В.П. Mathcad 2001. Учебный курс. СПб.: Питер, 2001

26. Дьяконов В.П. MATLAB 6. Учебный курс. СПб.: Питер, 2001

27. Ефимов Н.В. Высшая геометрия. М.: Наука, 1971

28. Захаров А.И. Геодезические приборы: Справочник. М.: Недра, 1989, с.314

29. Зверев В.А. Увеличительное действие зрительной трубы. Оптический журнал, 2001, №6, с. 15-19

30. Иванов В.И., Попов В.Ю. Конформные отображения и их приложения. -М.: УРСС, 2002,324 с.

31. Каган В.Ф. Лобачевский.- М.: Издательство АН СССР, 1948, 506 с.

32. Клайн М. Математика. Поиск истины. -М.: Мир, 1988, с.30-46

33. Клайн М. Математика. Утрата определенности. М.: Мир, 1984

34. Киселев М.И., Михелев Д.Ш. Основы геодезии. М.: Высшая школа, 2001,368с.

35. Ковалев A.M. О способе отображения объектов в сферической перспективе. Автометрия, 2000, №4, с.76-81

36. Ковалевский Е.И. Офтальмология. М.: Медицина, 1995, 480 с.

37. Козлов В.Н. Элементы математической теории зрительного восприятия. -М.: МГУ, 2001

38. Коллатц Л., Альбрехт 10. Задачи по прикладной математике. М.: Мир, 1978,- 168 с.

39. Корякин А.В. Оценка глубины сцены по картине полутонов изображения космических объектов. Оптический журнал №7, 2000, с.28-32

40. Кочетов Ф.Г. Нивелиры с компенсаторами. М.: Недра, 1985, - 147 с.

41. Кравков С.В. Глаз и его работа М.: Изд-во АН СССР, 1950. - 532 с.

42. Кувшинов Н.Г., Решетников В.И. Объектив обратной перспективы. Патент RU 2042161. 6G 02В 13/00. 20.08.95

43. Кувшинов Н.Г., Решетников В.И. Принципы создания оптических систем, отображающих трехмерные объекты на плоскость по заданным законам перспективы. Оптический журнал №11, 1994, с.62-66

44. Лаптев Б.Л. Н.И. Лобачевский и его геометрия. М.: Просвещение, 1976, 112

45. Литвинов Б.А., Лобачев В.М., Воронков Н.Н. Геодезическое инструмептоведение М.: Недра, 1971, 328 с.

46. Лобачевский Н.И. Геометрические исследования по теории параллельных линий. -М: Издательство АН СССР, 1945, 177 с.

47. Марусина М.Я. Повышение качества измерений на основе теоретико-группового анализа и синтеза измерительных систем. Дис. . докт.тех.наук. СПб.: ГУ ИТМО, 2005, 340 с.

48. Мельканович А.Ф., Прищепа Ю.В. Соболев А.А. Технология компьютерного моделирования изображений трехмерных сцен. Оптический журнал №7, 2000, с.86-91

49. Мочалов Л.В. Пространство мира и пространство картины (очерки о языке живописи). М: Советский художник, 1983.

50. Мусалимов В.М. Аналитическая теория точности механических систем. В кн. «Фундаментальные проблемы теории точности», СПб, Наука, 2001, с.36-64

51. Мусалимов В.М., Воронцов Е.А. Прямые и обратные перспективы на цилиндре как средство оценки зрительной восприимчивости. VI Международный оптический конгресс «Оптика XXI век», СПб, 2006, с.255-258

52. Мусалимов В.М., Орлов С.В. Оценка деградации изображения на поверхности чеканного инструмента. Обработка металлов давлением, №2(32), 2006, с. 32-35

53. Нагорнов Ю.П. Развитие методов перспективных изображений в архитектурном проектировании. Дис. канд. тех. наук.

54. Нагорнов Ю.П. Композиция перспективных изображений: Учебное пособие. Томск: ТГУ, 1987.

55. Ope О. Теория графов. М: Наука, 1980, 336с.57.0лейник О.А. О топологии действительных алгебраических кривых на алгебраической поверхности. Мат.сборник. М.: Наука, 1951, т.29, с. 133156

56. Подмастерьев К.В. Точность измерительных устройств. Орел: ОрелГТУ, 2004, 140с.

57. Пуанкаре А. Избранные труды. Т II. М.: Наука, 1972, с.329-744

58. Пфанцангль И. Теория измерений. М.: Мир, 1976, 249 с.

59. Разин И.В., Тетерин В.В. Математическая модель для экспресс диагностики сходства изображений. Оптический журнал, 2001, №11, с.ЗЗ-37

60. Раушенбах Б. В. Пристрастие. Аграф, 1997.

61. Раушенбах Б. В. Пространственные построения в живописи. Очерк основных методов.-М.: "Наука", 1980. 288 е., илл.

62. Раушенбах Б.В. Системы перспективы в изобразительном искусстве. Общая теория перспективы. М.: Наука, 1986, 256 с.

63. Розенблюм 10.3. Оптометрия (подбор средств коррекции зрения). СПб.: Гиппократ, 1996. - 320 с.

64. Селиванов М.Н., Фридман А.Э., Кудряшова Ж.Ф. Качество измерений. -Л.: Лениздат, 1987, 295с.

65. Сидоренко Е.И. Офтальмология. Учебник. -М.: ГЭОТАР-МЕД, 2003, 408с.

66. Смирнов А.А., Волокитина М.Н. Зависимость константности воспринимаемой величины предметов от их удаленности. Кн. Зрительные ощущения и восприятия. М.: ,1935.

67. Спасский И.Г. Русская монетная система. Л.: Аврора, 1970, 256с.

68. Спиридонов А.И. Теодолиты. М.: Недра, 1985, 200с.

69. Спиридонов А.И., Кулагин Ю.Н., Крюков Г.С. Справочник каталог геодезических приборов. - М.: Недра, 1984, с.238

70. Урмахер Л.С., Айзенштат Л.И. Офтальмологические приборы. М.: Медицина, 1988

71. Федоров М.В. Рисунок и перспектива. М.: ,1960

72. Форсайт Д., Понс Ж. Компьютерное зрение. Современный подход.: Пер. с англ.- М.: Издательский дом «Вильяме», 2004, 928 с.

73. Шапиро Л., Стокман Дж. Компьютерное зрение. М.: Бином. Лаборатория знаний, 2006, 752 с.

74. Шпур Г., Краузе Ф.-Л. Автоматизированное проектирование в машиностроении. М.: Машиностроение, 1988, 648 е., илл.

75. Щелоков А.А. Монеты СССР. М.: Финансы и статистика, 1989, с. 215221

76. Справочное пособие для работников метрологической службы в топографо-геодезическом производстве. М.: ЦНИИГАиК, 1991, с. 190

77. Справочник конструктора оптико-механических приборов / Под ред. В.А. Панова. Л.: Машиностроение, 1980. - 742 с.

78. Инструкция по проведению технологической поверки геодезических приборов. М.: ЦНИИГАИК, 1999, 56с.

79. Руководство по эксплуатации безотражательного электронного тахеометра. Серия x30R. Sokkia CO.,LTD, printed in Russia, 160c.

80. Baravalle H. Von. Erwciterung der Perspektive: Krummung des Sehraumes. Shtuttgart, 1934

81. Potetz Brian, Lee Tai Sing. Статические связи между двумерным изображением и трехмерной структурой реальной сцены. Journal Opt.Soc.Amer., 2003, №7,1292-1303

82. ISO 8596. Ophthalmic optics; visual acuity testing; standard optotype and itspresentation ("оптика и оптические приборы. Проверка остроты зрения. »

83. Стандартный оптотип и его предъявление") 85.ISO 17123. Оптика и оптическое оборудование. Методики эксплуатационных испытаний геодезических приборов и приборов для съемки