Алгоритмы обработки изображений в телевизионных измерительных системах контроля движения транспортных средств тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.11.16, кандидат технических наук Нгуен Лием Хиеу

• Нгуен Лием Хиеу
• кандидат технических наук
• 2007

Оглавление диссертации кандидат технических наук Нгуен Лием Хиеу

Введение

1. Обзор и анализ методов обработки информации в телевизионных 11 измерительных системах

1.1. Структурные схемы и алгоритмы работы телевизионных 11 измерительных систем

1.2. Методы обработки изображений в измерительных системах и 17 системах обработки информации

1.3. Особенности обработки информации в телевизионных 28 измерительных системах контроля

Ь 1.4. Постановка задачи на исследование

2. Исследование характеристик изображений фонов и объектов 35 телевизионных измерительных систем для контроля дорожного движения

2.1. Характеристики изображений

2.2. Характеристики изображений фонов и транспортных средств

2.3. Результаты исследования характеристик природных и 43 индустриальных фонов

2.4. Результаты исследования характеристик изображений 50 транспортных средств

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Алгоритмы обработки изображений в телевизионных измерительных системах контроля движения транспортных средств»

Актуальность темы. В настоящее время по мере развития средств вычислительной техники появляются все новые возможности для прикладного использования телевизионных измерительных систем (ТИС). Важным направлением при создании таких систем является разработка эффективных алгоритмов и программного обеспечения для анализа изображений движущихся объектов.

Системы видеонаблюдения широко применяют в целях охраны, для ц контроля и управления дорожным движением, на железнодорожном транспорте и в других отраслях. Однако алгоритмы обработки информации, используемые в подобных системах, позволяют обеспечить выполнение только простейших операций, таких как обнаружение движущегося объекта на сравнительно простом фоне и оценка скорости его перемещения. Подобные системы, в сущности, являются системами видеонаблюдения, а не измерительными системами.

Существенное увеличение быстродействия и объемов памяти вычислительных устройств снимает ограничения на сложность алгоритмов, а прогресс технологии микроэлектроники привел к существенному снижению стоимости матричных фотоприемников и изделий микропроцессорной техники.

Одним из перспективных направлений применения телевизионных измерительных систем нового поколения является контроль дорожного движения. Данное применение имеет как общие черты с некоторыми другими типами телевизионных измерительных систем (выделение подвижного объекта на сложном фоне), так и ряд специфических требований.

В настоящее время телевизионные измерительные системы для контроля дорожного движения нового поколения находятся в стадии разработки. При их реализации встречается большое число проблем и трудностей. Такие проблемы до сих пор не решены или решаются с потерей информации и качественных показателей систем. Все возникающие проблемы можно разделить на аппаратные (связанные с повышением рабочих параметров оптико-электронных устройств измерительной системы) и алгоритмические, заключающиеся в определенных процедурах обработки массивов данных, описывающих характеристики наблюдаемых изображений, поскольку при громадном количестве известных алгоритмов обработки изображений решение задачи измерений требует исследования и разработки конкретной последовательности определенных операций преобразования исходной информации, обеспечивающей решение поставленной задачи с минимальной погрешностью и минимальной вычислительной трудоемкостью.

Особенности разработки ТИС для контроля дорожного движения заключаются в следующем: объект измерения является болынеразмерным (т.е. занимает значительную часть кадра и невозможно ограничение области обработки); цвет объекта измерения может быть произвольным (что затрудняет использование спектральных узкополосных фильтров для подавления фона); на изображениях присутствует динамический фон из-за колебаний растительности, что затрудняет процедуру выделения движения в кадре; в поле зрения может находиться большое количество аналогичных объектов, от которых надо отселектировать объект измерения. В конечном счете, все перечисленные причины приводят к усложнению алгоритма обработки (выделение и измерение параметров полезного объекта возможно только на основе комплексного алгоритма, учитывающего совокупность признаков объекта), повышению объема вычислений и времени измерений.

Проведенный анализ состояния телевизионных измерительных систем для контроля дорожного движения позволяет сформулировать цель и задачи диссертационной работы.

Цель работы. Повышение качественных характеристик телевизионных измерительных систем для контроля движения транспортных средств на основе разработки и совершенствования принципов построения систем и алгоритмов обработки видеопоследовательностей изображений.

Для достижения цели диссертации необходимо решить следующие задачи:

- разработать общий алгоритм работы измерительных систем контроля движения транспортных средств, т.е. определить состав, содержание и последовательность операций обработки изображений;

- провести анализ характеристик фонов и транспортных объектов и разработать алгоритмы компенсации влияния фона и выделения подвижных объектов;

- разработать специализированный комплексный алгоритм селекции полезных объектов на изображениях;

- разработать алгоритмы определения координат и динамических параметров (вектора скорости) транспортных объектов;

- исследовать возможность использования оптических методов обработки информации в телевизионных измерительных системах;

- провести анализ источников погрешностей телевизионных измерительных систем и разработать пути их снижения.

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Алгоритм измерения скорости и предварительной классификации транспортных средств в телевизионной измерительной системе.

2. Комплексный алгоритм селекции полезных объектов на изображениях телевизионных измерительных систем контроля движения транспортных средств.

3. Алгоритмы компенсации влияния фона, выделения подвижных объектов, определения координат и динамических параметров (вектора скорости) транспортных объектов на телевизионных изображениях.

4. Компьютерные модели алгоритмов обработки изображений и результаты экспериментального исследования макета измерительной системы для определения координат и скорости транспортных средств.

Методы исследований. В работе применялись методы интегрального и дифференциального исчисления, двумерного преобразования Фурье и вейвлет-преобразования, методы линейной и нелинейной обработки изображений, численные методы, методы экспериментальной радиооптики.

Научная новизна состоит в получении новых научных знаний и разработке прикладных алгоритмов обработки изображений в телевизионных измерительных системах для контроля скорости транспортных средств, включающих в себя:

- разработан комплексный алгоритм селекции полезных объектов на изображениях телевизионных измерительных систем контроля движения транспортных средств, обеспечивающий высокую вероятность обнаружения при воздействии фона и динамических помех;

- предложены алгоритмы спектральной (цветовой) селекции транспортных средств, позволяющие подавить посторонние объекты в поле зрения измерительной системы;

- предложены алгоритмы компенсации влияния фона на телевизионных изображениях на основе вейвлет-преобразования;

- создана база данных комплексных характеристик изображений в телевизионных измерительных системах контроля дорожного движения, включающие яркостные характеристики, Фурье и вейвлет-спектры и корреляционные характеристики изображений природных и дорожных фонов, а также транспортных средств, позволяющая конкретизировать параметры алгоритмов обработки изображений в различных условиях;

- проведено моделирование алгоритма работы измерительной системы и экспериментальное исследование макета телевизионной измерительной системы, показавшие высокую эффективность предложенных алгоритмов обработки.

Практическая ценность . результатов работы определяется следующими факторами:

1. Определены конкретные требования к структуре телевизионных измерительных систем для контроля скорости транспортных средств и фотоприемному устройству системы.

2. Разработан общий алгоритм и конкретные алгоритмы выделения информации о скорости транспортного средства по видеопоследовательности кадров изображений в условиях воздействия помех, что позволило существенно повысить достоверность измерительной информации и точность измерений.

3. Разработан комплекс программ для моделирования процессов и обработки видеопоследовательностей изображений в телевизионных измерительных системах.

4. Разработан и экспериментально исследован макет телевизионной измерительной системы для измерения скорости транспортных средств.

Реализация результатов работы. Разработанные в диссертации алгоритмы цифровой и оптической обработки изображений были внедрены в учебный процесс при подготовке специалистов направления 210300 «Радиотехника». В частности, алгоритмы цифровой обработки изображений внедрены в лекционный и лабораторный циклы по дисциплине «Основы телевидения и видеотехники»; на основе разработанных конструкций когерентных оптических процессоров внедрены две лабораторные работы по дисциплине «Оптические методы и устройства в радиотехнике».

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались на I Всероссийской научно-технической конференции студентов и аспирантов «Идеи молодых - новой России», Тула 2004г.; Международной молодежной научной конференции

XXXI Гагаринские чтения - Москва, МАТИ 6-8 апреля 2005г.; III Всероссийской научно-технической конференции «Современные методы и средства обработки пространственно-временных сигналов», Пенза, 24-25 мая 2005г.; На электронная конференциях Российской Академии Естествознания «Новые информационные технологии и системы» в 20052007гг.

Публикации. Основное содержание работы отражено в 19 публикациях, включающих 13 статей, 6 тезисов докладов на международных и Российских НТК.

Структура и объем работы. Работа состоит из введения, пяти глав, заключения и приложений, изложенных на 192 страницах основного текста и содержащих 66 рисунка, 19 таблицы, списка литературы из 84 наименований и 9 приложений.

Заключение диссертации по теме «Информационно-измерительные и управляющие системы (по отраслям)», Нгуен Лием Хиеу

Основные результаты и выводы

В диссертации решена научно-техническая задача разработки и совершенствования принципов построения систем и алгоритмов обработки видеопоследовательностей изображений телевизионных измерительных систем, позволяющая в конечном итоге обеспечить повышение качественных характеристик телевизионных измерительных систем для контроля движения транспортных средств за счет расширения их функциональных возможностей и снижения погрешности измерений.

Полученные в работе результаты позволяют расширить области практического применения телевизионных информационно-измерительных систем за счет повышения помехозащищенности и возможности предварительной классификации объектов измерений.

Основные научные и практические результаты работы, большинство которых получено и использовано впервые при создании телевизионных измерительных систем, состоят в следующем:

1. На основе исследования процессов в телевизионных измерительных системах:

- предложен комплексный алгоритм селекции полезных объектов на изображениях телевизионных измерительных систем контроля движения транспортных средств; экспериментальные исследования показали высокую эффективность предложенного алгоритма;

- разработан алгоритм сегментации объектов с одновременной селекцией объектов по размеру, основанный на вычитании из исходного изображения усредненного фона с последующей бинаризаций по порогу, определяемому по результатам анализа гистограммы; проведенное моделирование алгоритма показало его эффективность и невысокую вычислительную сложность;

- разработаны алгоритмы размерной, цветовой и траекторией селекции объектов на изображении, обеспечивающие подавление подвижных помех в поле зрения измерительной системы и возможность работы ее при сонаправленном и встречном движении транспортных средств.

2. На базе разработанных алгоритмов и моделей впервые достигнуты результаты:

- предложен комплексный алгоритм спектральной, размерной и траекторной селекции, позволивший обеспечить высокую вероятность обнаружения изображения объекта в условиях присутствия динамических помех (70-95% в зависимости от вида фона и погодных условий);

- установлены яркостные, Фурье и вейвлет спектральные, корреляционные характеристики природных и дорожных фонов и транспортных средств, позволяющие обосновать требования к фильтрам для подавления фоновой составляющей изображений;

- оценены возможности использования оптических методов обработки информации в телевизионных измерительных системах.

3. Разработан комплекс программ для моделирования и исследования процессов обработки изображений в телевизионных измерительных системах и измерения скорости транспортных средств.

4. Определены конкретные параметры операций преобразования изображений транспортных средств на сложном динамическом фоне, обеспечивающие надежное выделение изображений транспортных средств и измерение их скорости.

5. Проведено экспериментальное исследование макета телевизионной измерительной системы в дорожных условиях, показавшее правильность разработанных принципов построения и алгоритмов обработки информации.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Нгуен Лием Хиеу, 2007 год

1. Горелик С.Л., Кац Б.М., Киврии В.И. Телевизионные измерительные системы -М.: Связь, 1980г.- 168с.

2. Катыс Г.П. Информационные сканирующие системы М.: Машиностроение, 1965г.

3. Краус М., Вошни Э. Измерительные информационные системы М.: Мир, 1968г.

4. Цапенко М.П. Измерительные информационные системы М.: Энергия, 1974г.

5. Нгуен Лием Хиеу. Сравнительный анализ оптических и цифровых методов обработки изображений // I Всероссийская научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Идеи молодых новой России» -Изд-во ТулГУ: Тула, 2004г. С. 197.

6. Макарецкий Е.А., Нгуен Лием Хиеу. Сравнительный анализ оптических и цифровых методов обработки изображений // Известия Тульского государственного университета. Серия «Радиотехника и радиооптика». Том VI Изд-во ТулГУ: Тула, 2004г. - С. 81-86.

7. Нгуен Лием Хиеу. Сравнительный анализ оптических и цифровых методов обработки изображений // XXXI Гагаринские чтения -международная молодежная научная конференция М.: МАТИ, 6-8 апреля 2005г. - С. 34.

8. Оптическая обработка информации. Применения // Под редакцией Кейсесента Д. М.: Мир, 1980г. - 349с.

9. Методы и вычислительные средства обработки изображений. // Катыс Г.П. и др. М.: Кишинев, 1991г. - 209с.

10. Ю.Прэтт У. Цифровая обработка изображений: Пер. с англ. под редакцией Лебедева Д.С.-М.: Мир 1982г.-312с.

11. Нгуен Лием Хиеу. Исследование фильтрации изображений на основе методов вейвлет-анализа в телевизионных измерительных системах.

12. М.Макарецкий Е.А., Нгуен Лием Хиеу. Экспериментальное исследование оптических методов обработки изображений // Российская Академия естествознания. Журнал «Современные проблемы науки и образования» №3,2006г. С. 34-35.

13. Макарецкий Е.А., Паринский А.Я. Радиооптические устройства обработки информации. ТулГУ: Тула, 2002г. - 184с.

14. Акаев А.А., Майоров С.А. Оптические методы обработки информации. -М.:В.Ш., 1988г.-237с.

15. Дьяконов В.П. MATLAB 6/6.1/6.5 + SIMULINK 4/5: Основы применения. Полное руководство пользователя. М.: Солон-Пресс, 2002г. - 768с.

16. Дьяконов В.П., Абраменкова И. MATLAB: Обработка сигналов и изображений. Специальный справочник. Санкт-Петербург: Питер, 2002г. - 608с.

17. Соколовский И.И., Покровский Ю.А. Прикладная радиооптика. Теория и методы резонансной угловой фильтрации. Киев: Наук, думка, 1986г. -220с.

18. Методы компьютерной обработки изображений // Под ред. Сойфера В.А.-М.: Физматлит, 2001г. 784с.

19. Майоров С.А., Очин Е.Ф., Романов Ю.Ф. Оптические аналоговые вычислительные машины Ленинград: Энергоатомиздат, 1983г. - 120с.

20. Макарецкий Е.А., Нгуен Лием Хиеу. Контроль и измерение параметров движения транспортных средств с помощью телевизионных измерительных систем // Российская Академия естествознания. Журнал «Успехи современного естествознания» №9, 2006г. С. 84-85.

21. Тимофеев Б.С. Сегментация и сопровождение движущихся объектов // «Телевидение: передача и обработка изображений». Материалы международной конференции, 21-22 мая 2002г. Санкт-Петербург, 2002г. -С. 5-9.

22. Макарецкий Е.А., Нгуен Лием Хиеу. Исследование характеристик изображений природных и городских фонов // Известия Тульского государственного университета. Серия «Радиотехника и радиооптика». Том VII Изд-во ТулГУ: Тула, 2005г. - С. 97-104.

23. Макарецкий Е.А., Нгуен Лием Хиеу. Исследование характеристик изображений природных и городских фонов // Российская Академия естествознания. Журнал «Фундаментальные исследования» №2, 2006г. -С.43-44.

24. Макарецкий Е.А., Нгуен Лием Хиеу. Исследование фурье и вейвлет спектров изображений транспортных средств // Известия Тульского государственного университета. Серия «Радиотехника и радиооптика». Том VIII. Выпуск 1 Изд-во ТулГУ: Тула, 2006г. - С. 92-99.

25. Астратов О.С., Чернышова Н.В. Компенсация фона при выделении подвижных объектов // «Телевидение: передача и обработка изображений». Материалы международной конференции. 21-22 мая 2002г. Санкт-Петербург, 2Шт. - С. 32-34.

26. Тао Н., Sawhney Н. S., Kumar R. Object Tracking with Bayesian Estimation of Dynamic Layer Representations // IEEE transactions on pattern analysis and machine intelligence, 2002. Vol. 24. № 1.

27. McCandIess. Detection of Aircraft in Video Sequences Using a Predictive Optical Flow Algorithm // Optical Engineering. 1999. № 3.

28. Алпатов Б.А. Оптимальное оценивание параметров движущегося объекта в последовательности изображений // Автометрия. 1994. - №2. - С. 3237.

29. Нгуен Лием Хиеу. Телевизионные системы контроля скоростного режима транспортных средств // Российская Академия естествознания. Журнал «Современные наукоемкие технологии» №10, 2007г. С. 68-70.

30. Макарецкий Е.А., Овчинников А.В., Нгуен Лием Хиеу. Телевизионные измерительные системы контроля скоростного режима дорожного движения. Журнал «Компоненты и технологии» М.: Изд-во Файнстрит, 2007г.-С. 34-37.

31. Теория обнаружения сигналов // Акимов П.С., Бакут П.А., Богданович В.А. и др. // Под ред. Бакута П.А. М.: Радио и связь, 1984г.

32. Пространственные модуляторы света. Васильев А.А., Касасент Д., Компанец И.Н., и др. М.: Радио и связь, 1987г. - 320с.

33. Дьяконов В.П. Вейвлеты. От теории к практике М.: СОЛОН-Пресс. 2004г.-400с.

34. Нгуен Лием Хиеу. Предварительная обработка изображений в телевизионной системе измерения скорости транспортных средств // Российская Академия естествознания. Журнал «Современные наукоемкие технологии» №10,2007г. С. 66-68.

35. Применение методов Фурье оптики. Под редакцией Старка Г. М.: Радио и связь, 1988г. - 536с.

36. Сойфер В. А. Компьютерная обработка изображений. Часть 1. Математические модели // Соросовский образовательный журнал, №2, 1996. С. 118-125.

37. Василенко Г.И. Голографическое опознавание образов М.: Сов. Радио, 1977г.-328с.

38. Новиков JI.B. Основы вейвлет-анализа сигналов. С.- Петербург: 1999г. -152с.

39. Воробьев В.И., Грибунин В.Г. Теория и практика вейвлет-преобразования.- С.- Петербург: 1999. 204с.

40. Покровский Ю.А. Угловая фильтрационная теория резонансных слоистых электромагнитных систем Тула: ТПИ, 1971г.

41. Справочник по лазерам. Том II // Перевод с английского языка под ред. Прохорова A.M. М.: Советское радио, 1978г.

42. Аблеков В.К., Зубков П.И. Фролов А.В. Оптическая и оптоэлектронная обработка информации М.: Машиностроение, 1976г. - 256с.

43. Сойфер В.А. Компьютерная обработка изображений. Часть 2. Методы и алгоритмы // Соросовский образовательный журнал, №3, 1996. С. 110-122

44. Основы радиооптики // Литвиненко О.Н и др. Киев: Техника, 1974г. -208с.

45. Престон К. Когерентные оптические вычислительные машины. М.: Мир, 1974г.-400с.

46. Марр Д. Зрение. Информационный подход к изучению представления и обработки зрительных образов // Пер. с англ. Под ред. Гуревича С.Б. М.: Радио и связь, 1987г.

47. Мамиев Г.В. Стереотелевизионные устройства отображения информации- М.: Радио и связь, 1983г. 96с.

48. Рубанов А.Ф. Определение параметров подвижных объектов в информационных системах // Датчики и преобразователи информациисистем измерения, контроля и управления: Тез. докл. XIII НТК с участием зарубежных специалистов Гурзуф, 2001г.

49. Alexander S. Т. Adaptive Signal Processing. Theory and Applications N.Y.: Springer-Verlag, 1986r. - 179c.

50. Алпатов Б.А., Бабаян П.В. Технологии обработки изображений в системах обнаружения и сопровождения объектов // Цифровая обработка сигналов и ее применения. Материалы 8-й междунар. конф. Том 1. М.: 2006. - С. 13-19.

51. Алпатов Б.А., Бабаян П.В. Выделение движущихся объектов в условиях геометрических искажений изображения // Цифровая обработка сигналов. -2004.-№4. -С. 9-14.

52. Горелик С.Д., Кац Б.М., Метод формирования пространственных электроно-оптических фильтров. №2.-М.: Автометрия, 1977г.

53. Алпатов Б.А., Бабаян П.В. Электронная юстировка изображений при мультиспектральном наблюдении // Цифровая обработка сигналов. 2003. -№1.-С. 24-26.

54. Бронштейн И.Н., Семендяев К.А. Справочник по математике для инженеров и учащихся вузов. 13 изд. М.: Наука, Физ.-мат., 1986г. - 544с.

55. Левшин B.JI Обработка информации в оптико-электронных системах пеленгации -М.: Машиностроение, 1978г. 164с.

56. Моделирование процесса обнаружения и измерения параметров объекта на видеизображениях // http://wWw.tvp.ru/conferen/vsppm04f/

57. Журнал «Специальная техника» // http://st.ess.ru/

58. Системы видеонаблюдения // http://www.spytek.ru/

59. Технические средства безопасности // http://www.ista-tech.ru/

60. Распознавание трехмерных объектов на сложном фоне по части контура // http://www.sciteclibrary.ru/rus/

61. Электронный журнал «Наука и образование» // http://www.techno.edu.ru/

62. Сегментация движущихся объектов в видео потоке. Научно-популярный журнал «Графика и Мультимедиа» // http://cgrn.graphicon.ru/

63. Техническое зрение роботов // http://www.bankreferatov.ru/db/M/, http://kropka.ru/refs/81/, http://www.sdai.ru/tehnologia/

64. Видеонаблюдение // http://www.iitvision.ru/

65. Система распознавания автомобильных номеров «ДИГНУМ АВТО» // http ://www.di gnum.ru/

66. Видеонаблюдение, цифровое видеонаблюдение. Интеллектуальные системы безопасности // http://www.iss.ru/

67. Алпатов Б.А., Блохин А.Н. Модели и алгоритмы обнаружения и выделения движущихся фрагментов изображений // Автометрия. 1995. -№4.-С. 100-104.

68. Наумов К.П., Ушаков В.Н. Акустооптические сигнальные процессоры. Учебное пособие. М.: Сайнс-пресс, 2002. - 80с.

69. Перебрин А.В. О систематизации вейвлет-преобразований //Вычислительные методы и программирование. 2001, Т. 2. С. 15-41.

70. Основные функции и модели дорожных радаров // http://www.simicon.com

71. Радиолокационные измерители скорости «Искра-1». Руководство по эксплуатации // http://www.simicon.com

72. Кривошеев М.И., Кустарев А.К. Цветовые измерения М.: Энергоатомиздат, 1990г.-240с.

73. Алпатов Б.А. Оценивание параметров движущегося объекта в последовательности изменяющихся двумерных изображений // Автометрия. 1991.-№3.-С. 21-24.

74. Макарецкий Е.А., Нгуен Лием Хиеу. Сравнительный анализ оптических и цифровых методов обработки изображений. Проблемы наземнойрадиолокации. Труды II научно-технической Интернет конференции. 2425 мая 2004г. - Изд-во ТулГУ: Тула, 2004г. - С. 43-45.

75. Макарецкий Е.А., Нгуен Лием Хиеу. Анализ пространственно-частотных характеристик изображений фонов. Проблемы наземной радиолокации. Труды III научно-технической Интернет конференции. 25-26 сентября 2005г. - Изд-во ТулГУ: Тула, 2005г. - С. 43-44.

76. Нгуен Лием Хиеу. XXIV Научная сессия, посвященная Дню Радио. Тульское областное правление РНТО им. А.С. Попова. 7 мая 2006г. -Тула, 2006г. С. 239-240.

77. Нгуен Лием Хиеу. Определение координат транспортных средств в телевизионных измерительных системах // Российская Академия естествознания. Журнал «Современные наукоемкие технологии» №12, 2007г. С. 73-75.

78. Нгуен Лием Хиеу. Метод траекторией селекции в системах контроля скоростного режима транспортных средств // Российская Академия естествознания. Журнал «Современные наукоемкие технологии» №12, 2007г.-С. 75-78.