Система автоматизированного анализа пространственной структуры изображений. Подсистема линейной сегментации

Пояснительная записка к дипломной работе на тему «Система автоматизированного анализа пространственной структуры изображений. Подсистема линейной сегментации» оформлена на 119 листах, содержит 34 рисунка, 10 таблиц.
Подсистема предназначена для анализа графических изображений, содержащих различного рода пересекающиеся линии. Она включает в себя модуль поиска и выделения узлов пересечений, модуль поиска и выделения сегментов линий, заданных данными узлами, модуль вывода координат узлов и направлений кодирования сегментов для последующего применения в качестве входных данных подсистемы цепного кодирования. Также в подсистему входит модуль просмотра и редактирования изображений, представляющий собой базовый графический редактор и модуль импорта/экспорта, позволяющий открывать и сохранять изображения как в стандартном формате графических файлов (BMP), так и в виде файлов массивов точек.
Целью данной работы являлась разработка подсистемы линейной сегментации, которая будет интегрирована в состав Системы автоматизированного анализа пространственной структуры изображений и будет взаимодействовать с другими подсистемами, такими как подсистема фильтрации и подсистема цепного кодирования.
Результатом работы является подсистема, позволяющая принимать на входе результаты обработки различных подсистем фильтрации изображений, при необходимости вносить дополнительные изменения в изображения, производить анализ структуры изображения, выделяя в нем узлы пересечения линий, сегменты, образованные между этими узлами и получать на выходе координаты узлов, сегментов и направляющих координат, позволяя сохранять как промежуточные, так и конечные результаты и передавать их для обработки в другие подсистемы.
Осуществляется возможность пошаговой обработки входного изображения: отдельное выделение узлов, выделение сегментов, вывод координат, вывод последовательного кода линий. Также все шаги могут быть выполнены последовательно автоматически, получая на выходе результат, готовый для передачи в другие подсистемы, что позволяет использовать подсистему в автоматическом режиме работы всей системы.
В подсистему встроен модуль визуализации, позволяющий интерактивно на самом изображении наблюдать результаты его обработки. Это позволяет наглядно изучать работу подсистемы и оценивать характеристики ее работы.
Система реализована для персональных электронно-вычислительных машин, работающих под управлением MicrosoftWindows98/Me/2000/XP/NT и выше, не требует установки дополнительных инструментов и не требовательна к системным ресурсам.

СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ............................................................................................ 7
1. РАЗРАБОТКА «ПОДСИСТЕМЫ ЛИНЕЙНОЙ СЕГМЕНТАЦИИ» В СОСТАВЕ «СИСТЕМЫ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО АНАЛИЗА ПРОСТРАНСТВЕННОЙ СТРУКТУРЫ ИЗОБРАЖЕНИЙ»......................... 9
1.1. Обоснование целесообразности разработки системы................... 9
1.1.1. Назначение системы..................................................................... 9
1.1.2. Обоснование цели создания системы......................................... 10
1.1.3. Назначение «Подсистемы линейной сегментации»................... 11
1.1.4. Характеристика организационной и функциональной структуры 11
1.1.5. Обоснование состава автоматизируемых задач........................ 11
1.1.6. Обоснование применения типовых и оригинальных решений 12
1.1.7. Общая оценка экономической целесообразности создания подсистемы........................................................................................................................ 13
1.2. Основные требования к «Подсистеме линейной сегментации»... 13
1.2.1. Основные цели создания подсистемы........................................ 13
1.2.2. Функциональное назначение подсистемы................................. 14
1.2.3. Требования к функциональной структуре подсистемы............ 14
1.2.4. Требования к техническому обеспечению................................. 15
1.2.5. Требования к информационному обеспечению........................ 15
1.2.6. Требования к программному обеспечению.............................. 16
1.3. Основные технические решения проекта подсистемы «Линейная сегментация».................................................................................................. 16
1.3.1. Решения по комплексу технических средств............................. 16
1.3.2. Описание организации информационной базы........................ 17
2. РАЗРАБОТКА ЗАДАЧИ «ПОИСК УЗЛОВ».................................. 19
2.1. Описание постановки задачи........................................................ 19
2.1.1. Характеристика задачи.............................................................. 19
2.1.2. Входная информация................................................................. 19
2.1.3. Выходная информация............................................................... 19
2.1.4. Математическая постановка задачи........................................... 20
2.1.5. Специальные требования к техническому обеспечению........... 23
2.2. Описание алгоритма «Поиск узлов»............................................ 23
2.2.1. Назначение и характеристика.................................................... 23
2.2.2. Используемая информация........................................................ 24
2.2.3. Результаты решения................................................................... 24
2.2.4. Алгоритм решения..................................................................... 24
2.2.6. Условные обозначения............................................................... 25
2.3. Описание программы «Поиск узлов».......................................... 26
2.3.1. Вводная часть............................................................................. 26
2.3.2. Функциональное назначение...................................................... 26
2.3.3. Описание информации............................................................... 27
2.3.4. Используемые подпрограммы................................................... 27
2.3.5. Описание логики......................................................................... 27
2.3.6. Настройка программных средств.............................................. 28
3. РАЗРАБОТКА ЗАДАЧИ «ПОИСК СЕГМЕНТОВ»....................... 30
3.1. Описание постановки задачи........................................................ 30
3.1.1. Характеристика задачи.............................................................. 30
3.1.2. Входная информация................................................................. 31
3.1.3. Выходная информация............................................................... 31
3.1.4. Математическая постановка задачи........................................... 31
3.1.5. Специальные требования к техническому обеспечению........... 34
3.2. Описание алгоритма «Поиск сегментов»..................................... 34
3.2.1. Назначение и характеристика.................................................... 34
3.2.2. Используемая информация........................................................ 35
3.2.3. Результаты решения................................................................... 35
3.2.4. Алгоритм решения..................................................................... 35
3.2.5. Требования к контрольному примеру...................................... 36
3.2.6. Условные обозначения............................................................... 36
3.3. Описание программы «Поиск сегментов».................................... 37
3.3.1. Вводная часть............................................................................. 37
3.3.2. Функционально назначение....................................................... 37
3.3.3. Описание информации............................................................... 37
3.3.4. Используемые подпрограммы................................................... 38
3.3.5. Описание логики......................................................................... 38
3.3.6. Настройка программных средств.............................................. 38
4. РАЗРАБОТКА ЗАДАЧИ «ОБРАБОТКА И КОДИРОВАНИЕ СЕГМЕНТОВ»........................................................................................................................ 40
4.1. Описание постановки задачи........................................................ 40
4.1.1. Характеристика задачи.............................................................. 40
4.1.2. Входная информация................................................................. 40
4.1.3. Выходная информация............................................................... 40
4.1.4. Математическая постановка задачи........................................... 41
4.1.5. Специальные требования к техническому обеспечению........... 42
4.2. Описание алгоритма «Обработка и кодирование сегментов».... 42
4.2.1. Назначение и характеристика.................................................... 42
4.2.2. Используемая информация........................................................ 42
4.2.3. Результаты решения................................................................... 43
4.2.4. Алгоритм решения..................................................................... 43
4.2.5. Требования к контрольному примеру...................................... 44
4.2.6. Список условных обозначений.................................................. 44
4.3. Описание программы «Обработка и кодирование сегментов»... 45
4.3.1. Вводная часть............................................................................. 45
4.3.2. Функциональное назначение...................................................... 45
4.3.3. Описание информации............................................................... 45
4.3.4. Используемые подпрограммы................................................... 46
4.3.5. Описание логики......................................................................... 47
4.3.6. Настройка программных средств.............................................. 48
4.4. Описание контрольного примера................................................. 48
4.4.1. Назначение.................................................................................. 48
4.4.2. Исходные данные....................................................................... 49
4.4.3. Результаты расчета..................................................................... 51
4.4.4. Результаты испытания программы............................................ 54
5. ОРГАНИЗАЦИОННО-ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ.................... 56
5.1. Расчет затрат на разработку «Подсистемы линейной сегментации» 56
6. ЭКОЛОГИЧНОСТЬ И БЕЗОПАСНОСТЬ ПРОЕКТА................... 61
6.1. Актуальность безопасности труда................................................ 61
6.2. Анализ опасных и вредных производственных факторов.......... 62
6.3. Техника безопасности при работе с компьютером...................... 64
6.4. Организация рабочего места оператора...................................... 68
6.5. Расчет защитного заземления....................................................... 69
6.6. Требования к параметрам микроклимата.................................... 73
6.7. Пожаробезопасность..................................................................... 73
6.8. Выводы.......................................................................................... 74
ЗАКЛЮЧЕНИЕ.................................................................................... 75
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ.................................................................... 77
ПРИЛОЖЕНИЕ 1 РУКОВОДСТВО ПРОГРАММИСТА.................. 79
ПРИЛОЖЕНИЕ 2 РУКОВОДСТВО ОПЕРАТОРА........................... 85
ПРИЛОЖЕНИЕ 3 ТЕКСТ ПРОГРАММЫ......................................... 96

ВВЕДЕНИЕ
Компьютерная графика и обработка изображений с помощью электронно-вычислительных машин в настоящее время являются одними из наиболее важных аспектов использования ЭВМ во всех сферах человеческой деятельности. Зрительное восприятие человеком информации является одним из наиболее информативных способов передачи информации, в то же время, являясь наиболее удобным для человека способом представления и понимания. Не случайно и основным интерфейсом общения человека и машины выбран графический. Текущее состояние развития вычислительных мощностей оборудования позволяют использовать их не только для передачи информации от машины к человеку, но и разрабатывать алгоритмы, дающие ЭВМ возможность принимать и понимать информацию в той форме, в которой ее воспринимает человек, делая общение между человеком и машиной удобным и не требующим дополнительных преобразований информации. Это позволяет еще больше увеличить область применения ЭВМ, как в науке и промышленности, так и на бытовом уровне.
Система автоматизированного анализа пространственной структуры изображений позволяет выделять в исходном изображении структурные элементы, предварительно подвергая изображение различного рода фильтрациям для выделения критически важных участков. Она также позволяет производить синтез изображений по описаниям, полученным в результате их анализа. Здесь следует отметить существенную разницу в требованиях к объему, необходимому для хранения изображений, представленных в исходной (растровой) форме и изображений, а точнее их описаний, полученных в результате обработки их в системе. Уровень сжатия информации с помощью анализа структурных единиц и последующего их кодирования является выигрышным по сравнению с современными технологиями сжатия изображений. Также нужно добавить, что способ хранения информации в виде, описанном выше, позволяет воспроизводить изображения без ухудшения качества, являясь разновидностью векторного способа представления графической информации.
Подсистема линейной сегментации позволяет выделять участки (сегменты) линий, образованных в результате пересечения различного рода кривых, а также выделять узлы образующиеся за счет этих пересечений, получая координаты необходимых точек и передавая их в другую подсистему для представления в виде цепных кодов. Подсистема тесно связана со многими другими подсистемами, такими, как подсистема фильтрации, позволяющая устранить шумы и получить изображение в наиболее удобной для обработки форме, а также подсистемой цепного кодирования, представляющей линии в виде цепных кодов – коды, позволяющие использовать относительные значения соседних точек, тем самым занимая значительно меньший объем информации по сравнению с растровым изображением.

1. РАЗРАБОТКА «ПОДСИСТЕМЫ ЛИНЕЙНОЙ СЕГМЕНТАЦИИ» В СОСТАВЕ «СИСТЕМЫ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО АНАЛИЗА ПРОСТРАНСТВЕННОЙ СТРУКТУРЫ ИЗОБРАЖЕНИЙ»
1.1. Обоснование целесообразности разработки системы
1.1.1. Назначение системы
Система автоматизированного анализа пространственной структуры изображений осуществляюет обработку различного рода изображений, которая включает в себя их фильтрацию, анализ структурных элементов изображений, получение описания изображений, визуализацию, сегментацию и кодирование полученных данных об изображении. Обобщенная структурная схема системы представлена на рис. 1.1.

Структурная схема системы автоматизированного анализа
пространственной структуры изображений
Рис. 1.1
Процесс обработки изображения начинается с его фильтрации. На входе системы имеется изображение, полученное каким-либо способом и еще не подготовленное к обработке. На данном этапе в зависимости от состава изображения выполняется подбор фильтров для обработки изображения. С помощью различного рода выбранных фильтров устраняются случайные помехи, лишние точки, не несущие информации о структурных элементах изображения, выделяются основные элементы. Данная обработка осуществляется в подсистемах формирования центроидных фильтров и центроидной фильтрации. После фильтрации изображение можно подвергать дальнейшей обработке в следующих подсистемах:
- подсистема центроидной релаксации, которая осуществляет выделение кривых, углов, окружностей, определение их геометрических характеристик;
- подсистема линейной сегментации, выполняющая обработку пересекающихся линий, образующих узлы и сегменты;
- подсистема цепного кодирования, позволяющая в дифференциальном кодированном виде представить линии;
- подсистема визуализации, осуществляющая графическое представление файлов описания изображения, полученных в результате работы подсистем распознавания изображений.
1.1.2. Обоснование цели создания системы
Количество информации, обрабатываемой на ЭВМ, неизменно увеличивается. Это связано и с увеличением требований к качеству данных, и с увеличением объемов самих данных, обусловленным научно-техническим прогрессом. Несмотря на непрерывное увеличение производительной мощности рабочих станций, каналов передачи данных, массивов хранения информации, вычислительных ресурсов не всегда бывает достаточно для своевременной и качественной обработки информации. В результате происходит увеличение объемов обрабатываемой информации за счет ухудшения ее качества.
При обработке графических данных постоянно возникают вопросы, связанные с требованиями к электронно-вычислительным ресурсам. Графические изображения всегда требовали обработки больших объемов данных. Необходимо иметь возможность оптимизировать ресурсоемкие операции по обработке изображений за счет разработки алгоритмов анализа и понимания данных, представленных в растровом виде, позволяющих получать описания этих данных, приводя их к векторному виду. Векторная и кодированная формы представления информации имеют ряд преимуществ:
- значительное уменьшение объемов хранимой информации;
- увеличение скорости и качества синтеза изображений;
- аккумуляция информации с целью последующего использования.
1.1.3. Назначение «Подсистемы линейной сегментации»
В процессе обработки любого графического изображения возникает необходимость выделения его структурных единиц. Одними из основных таких единиц являются различного рода линии, присутствующие почти в каждом изображении. Линии, в свою очередь могут пересекаться, разделяясь таким образом на сегменты и образуя узлы пересечения. Выявление узлов и сегментов является важной задачей анализа любого изображения. Данная подсистема предназначена для автоматизации алгоритма нахождения узлов и линий на растровом изображении, преобразуя точки растра в координаты узлов и сегментов линий, образованных ими.
1.1.4. Характеристика организационной и функциональной структуры
Для синтеза изображения требуется наличие описания элементов изображения, которое получается в результате распознавания его элементов. Для построения изображения, состоящего из различного рода линий, требуется описание этих линий, которое может быть представлено в виде цепных кодов. Для получения данных кодов необходимо произвести анализ изображения на наличие узловых точек, определяющих начало и конец линии, а также области пересечения линий. Данную обработку производит подсистема линейной сегментации, структурная схема которой представлена на рис. 1.2.

1.1.5. Обоснование состава автоматизируемых задач
Разрабатываемая подсистема должна производить автоматическую обработку входной информации, пригодную для использования в других подсистемах без дополнительной обработки. Она должна правильно выполнять линейную сегментацию изображения, выделяя необходимые сегменты линий и образования узлов. Подсистема должна позволять обрабатывать различного рода изображения, корректно обрабатывая изображения, не полностью соответствующие предъявленным требованиям входной информации подсистемы в связи с предусмотренным автоматическим режимом работы всей системы. Таким образом автоматизируется задача получения описания сегментов линий, формирующих изображение и узлов, сформированных пересечениями линий.
Структурная схема подсистемы линейной сегментации
Рис. 1.2
1.1.6. Обоснование применения типовых и оригинальных решений
В качестве технического обеспечения рабочей станции используется IBM-совместимый персональный компьютер, оснащенный русифицированной клавиатурой, манипулятором типа «мышь», монитором, накопителями на жестком диске. Данный состав технических средств был выбран исходя из их доступности и достаточно высокой надежности при оптимальных ценах. В качестве целевой операционной системы выбрана платформа Windows 2000/XP, являющаяся на данный момент наиболее широко распространенной платформой общего назначения. Средством разработки выбрана система C++ Builder6 фирмы Borland. Выбор этого языка обусловлен наличием развитой среды программирования и отладки, его высокой эффективностью создания рабочих приложений, и легкостью создания пользовательского интерфейса приложения.
1.1.7. Общая оценка экономической целесообразности создания подсистемы
Целью создания подсистемы линейной сегментации является интеграция ее с другими подсистемами в составе единой системы автоматизированного анализа графических изображений. Подсистема является неотъемлемой частью всей системы, целью создания которой является возможность получения описаний графических данных для уменьшения объемов хранимой и передаваемой информации. Существенное практическое значение имеет задача передачи графической информации по каналам связи. В настоящее время обширно используется сеть Интернет, однако передача информации на большие расстояния требует материальных затрат, напрямую зависящих от объемов передаваемой информации. Передача графических изображений в обычном растровом виде всегда связана с большими издержками. Большие объемы информации также сказываются на скорости передачи данных, что влияет на оперативность и своевременность получения информации.
Создание системы позволит изменить такие показатели, как:
- объем хранимой информации;
- скорость передачи информации;
- скорость синтеза изображений;
- объем знаний о графических изображениях;
- актуальность получения графической информации;
- возможность использования больших объемов графических данных в системах реального времени.
1.2. Основные требования к «Подсистеме линейной сегментации»
1.2.1. Основные цели создания подсистемы
Целью создания подсистемы является интеграция ее в состав системы автоматизированного анализа графических изображений вместе с другими подсистемами. Подсистема выполняет определенный функции, являясь частью всей системы, целью создания которой является возможность получения описаний графических данных для уменьшения объемов хранимой и передаваемой информации. Основной целью системы является уменьшение объемов хранимой, принимаемой, обрабатываемой и передаваемой информации, а, следовательно, и повышение скорости выполнения перечисленных операций. Система также позволит увеличить качество информации за счет оптимизации алгоритмов представления графической информации и экономии ресурсов.
1.2.2. Функциональное назначение подсистемы
Подсистема линейной сегментации предназначена для выполнения следующих функций:
- получение изображения из различных источников;
- первичная обработка изображения при необходимости;
- поиск узловых элементов изображения;
- поиск линейных сегментов;
- поиск принадлежности точек изображения узлам и сегментам линий;
- вывод координат распознанных сегментов линий;
- определение направлений кодирования сегментов.
1.2.3. Требования к функциональной структуре подсистемы
В связи с тем, что подсистема линейной сегментации предназначена для автоматизации процесса обработки графических изображений, то она неразрывно связана с другими подсистемами. При определении характеристик входного изображения решается задача его линейной сегментации – поиск сегментов линий, формирующих изображение. Входными данными является изображение, содержащее линии различной формы единичной толщины, расположенные в произвольном порядке, среди которых могут быть пересекающиеся и расположенные отдельно. Изображения данного типа формируются в результате работы подсистем фильтрации. Таким образом, нахождение узлов пересечений линий и сегментов этих линий, позволяет получить описание изображения, пригодное для кодирования в соответствие с выбранным методом.
1.2.4. Требования к техническому обеспечению
Для эффективного выполнения функций подсистемы линейной сегментации, необходим следующий комплекс технических средств:
- персональный компьютер IBM PC с процессором не ниже Pentium I;
- клавиатура;
- монитор;
- жесткий диск с объемом свободного пространства не менее 50 МБ;
- оперативная память объемом не менее 128 МБ.
Должны быть предусмотрены следующие возможности, обеспечивающие надежность ее функционирования:
- сохранение работоспособности подсистемы при неправильной работе других подсистем;
- дублирование информации;
- проверка вводимых данных на корректность.

Внимание, отключите Adblock

Вы посетили наш сайт со включенным блокировщиком рекламы!
Ссылка для скачивания станет доступной сразу после отключения Adblock!

Скачать полную версию