Модели и алгоритмы получения и первичной обработки информации о пространственных объектах в АСУ с оптической обратной связью тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.06, кандидат технических наук Сиротинин, Денис Олегович

• Сиротинин, Денис Олегович
• кандидат технических наук
• 2011

Оглавление диссертации кандидат технических наук Сиротинин, Денис Олегович

Введение

1. Анализ существующих методов и систем сбора, обработки и представления информации о пространственных объектах и подходов к реализации оптической обратной связи в автоматизированных системах управления

1.1 Анализ применения оптической обратной связи в автоматизированных системах управления

1.2 Анализ существующих методов сбора и обработки информации о пространственных объектах

1.3 Анализ существующих систем сбора, обработки и представления информации о пространственных объектах.

1.4 Цели и задачи исследования

2. Разработка и исследование структурной модели получения и первичной обработки, информации о пространственных объектах

2.1 Исследование технологии получения исходных данных и разработка структурной модели первичной обработки информации о пространственных объектах

2.2 Разработка подмоделей цветовой индексной палитры и сегментации изображений

2.3 Разработка подмоделей структурирования сегментированных областей и генерации и идентификации опорных точек

2.4Разработка модели данных для представления информации о пространственных объектах

Выводы к главе

3. Разработка и исследование алгоритмов реализации структурной модели получения и первичной обработки информации о пространственных объектах

3.1 Адаптация и исследование алгоритма синтеза цветовой индексной палитры

3.2 Модификация алгоритма сегментации изображений и разработка алгоритма структурирования областей

3.3 Разработка и исследование алгоритма генерации и идентификации опорных точек на структурированных областях.

Выводы к главе

4. Программная реализация тестовой системы и исследование методики получения и первичной обработки информации о пространственных объектах

4.1 Формулировка методики получения и первичной обработки информации о пространственных объектах

4.2 Структура тестовой системы

4.3 Организация и проведение экспериментов

4.4 Оценка эффективности автоматизации исследования

Выводы к главе

Заключение диссертации по теме «Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (по отраслям)», Сиротинин, Денис Олегович

Выводы по главе 4

Исследована и разработана методика, объединяющая описанные модели и алгоритмы в единый комплекс.

Разработана структура тестовой системы исследования предложенной методики получения и первичной обработки информации о пространственных объектах и выполнена её программная реализация. Данная система позволяет проводить анализ результатов получения и первичной обработки информации для определенного типа объектов и определения оптимальных параметров передачи данных с учетом установленных ограничений.

Спроектирован пользовательский интерфейс программного приложения.

Предложена и выполнена последовательность этапов проведения экспериментальных исследований представленной методики. В результате чего получены значения оптимальных параметров для передачи данных о пространственном объекте с учетом установленных ограничений. Получены результаты экспериментальных исследований алгоритмов соответствующие аналитическим данным теоретического исследования.

Проведена сравнительная оценка получаемых объемов данных для тестового объекта при использовании разработанной системы с системами лазерного сканирования и видеопотоковой передачи данных.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В виду перспективности развития роботов-манипуляторов и использовании систем оптической обратной связи возможно удаленное наблюдение и управление при отсутствии возможности непосредственной близости к объекту исследования в связи с опасностью окружающей среды. Важной характеристикой такой связи является оперативность получения информации о результатах реакций взаимодействия объектов, чему может препятствовать несовершенство каналов передачи данных. Создание механизмов получения и первичной обработки информации о пространственных объектах при ограничениях на объемы передаваемой информации и отсутствии физического контакта с объектом является актуальной задачей.

В результате проведенных исследований получены следующие результаты:

1. Проведен анализ существующих систем сбора, обработки и представления информации о пространственных объектах, основанных на оптической обратной связи. Исследованы методы, позволяющие организовать сбор и обработку получаемой информации. В результате анализа были выявлены недостатки таких систем, определены цель и задачи исследования.

2. Предложена структурная модель получения и первичной обработки информации о пространственных объектах в АСУ с оптической обратной связью, главной особенностью которой является возможность бесконтактной маркировки объекта, основанной на цветовых данных изображений.

3. Предложена модель данных представления информации, позволяющая формировать структуру, включающую координаты идентичных точек смещенных изображений для анализа изменений их пространственного положения на каждом временном интервале.

4. Разработаны и исследованы алгоритмы сегментации, структурирования, генерации и идентификации опорных точек, позволяющие осуществлять сегментацию, структурирование и генерацию опорных точек с последующей их идентификацией на следующих снимках.

5. Сформулирована методика получения и первичной обработки информации о пространственных объектах в АСУ с оптической обратной связью, отличающаяся отсутствием необходимости физического контакта с объектом и ограничений на объемы передаваемой информации.

6. Создана тестовая система исследования методики получения и первичной обработки информации для различных типов объектов и определения параметров первичной обработки для получения рациональных объемов данных с учетом установленных ограничений, а так же для тестирования входящих в методику алгоритмов и их программной реализации.

7. Проведенные исследования показали, что полученные результаты подтверждаются соответствием аналитических данных и выводов, полученных по итогам теоретического моделирования, результатам экспериментальных исследований, полученных при помощи тестовой системы. В соответствии с данными экспериментальных исследований, использование разработанной методики позволяет достичь сокращения объема передаваемой информации по сравнению с существующими системами в 15-20 раз, что позволяет сократить временные задержки при передаче данных о пространственных объектах по каналам связи.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Сиротинин, Денис Олегович, 2011 год

1. Абрамов В.В., Киричук B.C. и др. Реконструкция трехмерных поверхностей по двум проекциям при отслеживании камерой заданной точки сцены.//Автометрия, 1998, №5, с.З.

2. Анисимов Б.В. Распознавание и цифровая обработка изображений // Курганов В.Д., Злобин В.К. М.: Высшая школа, 1983, с. — 150.

3. Андреев В. П. Эксперименты с машинным зрением / Д. А. Белов, Г. Г. Вайнштейн, Е. А. Москвина. М.: Наука, 1987.

4. Архипов О. П., Архипов П. О., Захаров В. Н., Зыкова 3. П. Аппроксимация цветных изображений для получения машиночитаемых объектов // Информационные технологии. — 2007. №7. - с. 53-57.

5. Архипов О. П., Маньяков Ю. А., Сиротинин Д. О. Вычисление пространственных координат опорных точек морфинга по плоским изображениям // Известия ОрелГТУ. 2008. -№3/271(546). - С. 18 - 24.

6. Архипов О. П., Маньяков Ю. А., Сиротинин Д.О. Вариант построения сетки опорных точек по цветовым данным растрового изображения // Известия ОрелГТУ. 2008. - №4. - С. 34 - 39.

7. Архипов О. П., Маньяков Ю. А., Сиротинин Д.О. Технология морфинга трехмерных моделей на основе данных натурного эксперимента // Известия ОрелГТУ. 2009. -№1. С. 9 - 13.

8. Архипов О. П., Маньяков Ю. А., Сиротинин Д. О. Метод регистрации морфинга трехмерного объекта на основе данных натурного эксперимента. В сб. Системы и средства информатики, выпуск 20 (2010), №1 -М.: ИЛИ РАН, 2010.

9. Архипов П. О., Стычук А. А. Технология создания палитры цветоразличимых пикселей, Известия ОрелГТУ, 2008.

10. Баев А.П. Разработка и исследование измерительных устройств с ПЗС формирователями видеосигнала системы контроля деформациирадиотелескопа. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук — JL: ЛИТМО, 1988.

11. Баранов Д.Н. Управление манипуляционными и мобильными роботами на основе следящей системы технического зрения и нечёткой логики // XXXIV Гагаринские чтения: Научные труды Международной молодежной научной конференции. — М.: МАТИ, 2008. Т.2, С.5-6

12. Барретт Фокс Анимация в Autodesk 3ds шах: от замысла до создания мультфильма(+ CD-ROM). Вильяме 2005 512 стр., с ил.; ISBN 58459-0833-7, 0-07-222893-8; мягкий переплет CD-ROM.

13. Белоусов И.Р. Виртуальная среда для телеуправления роботами через сеть Интернет // Изв. РАН, Теория и системы управления, № 4, 2002, с. 135-141.

14. Берн Джереми Цифровое освещение и визуализация // "Вильяме" 2003 г. - 336 с.

15. Богуславский А. А. Автоматический мониторинг стыковки космического корабля с орбитальной станцией по видеоинформации Текст. / Сазонов В.В., Соколов С.М., Смирнов А.И., Сайгираев Х.У. препринт М., 2004. - 23 е.: ил.

16. Борн М., Вольф Э. Основы оптики. М.: Наука, 1970.

17. Воройский Ф. С. Информатика. Новый систематизированный толковый словарь — справочник (Вводный курс по информатике и вычислительной техники в терминах). — 2-е изд., перераб. и доп. М.: "Издательство Либерия", 2001. - 536 с.

18. Валюс Н. А. Стереоскопия и ее применение / JI. В. Савицкая, В. В. Кондрашевский и др. / Под ред. Б. А. Аничкина, И. Г. Винницкого. Саратов: Изд-во Сарат. ун-та, 1989. 244 с.

19. Герасимов Ю.А., Долженицын JI.C. Модели информационной технологии анимации стереоскопических изображений. М.: ИЛИ РАН, 2006.-51 с.

20. Гилой В. Интерактивная машинная графика: Структуры данных, алгоритмы, языки. Пер. с англ. — М: Мир, 1981, 384 с.

21. Джадд Д., Вышецки Г. Цвет в науке и технике. Пер. с англ. по ред. JI. Ф. Артюшина. М., 1978.

22. Джайн, А. К. Сжатие видеоинформации: Обзор // ТИИЭР-1981. Т. 69, №3. С. 71 117.

23. Долженицын Л.С., Герасимов Ю.А. Информационная технология анимации стереоскопических изображений. М.:ИПИ РАН, 2006. - 47с.

24. Интерполяция и аппроксимация' функций — режим1 доступа: http:11т.^к1Ьоокз.ог§М1Ы/интерполяцияиаппроксимация функций.

25. Иванов ВТЪ, Батраков A.C. Трехмерная компьютерная графика /Под ред. Г.М.Полищука.- М.: Радио и связь, 1995.- 224 с.

26. Килпатрик Д. Свет и освещение. М.: Мир, 1988. — 223 с. ил. ISBN 5-03-001282-6

27. Киричук B.C., Шакенов А.К. Обнаружение точечных динамических объектов, регистрируемых движущейся камерой // Автометрия, 2004, т. 40, № 1. С. 3-14.

28. Кузнецов О. П. Адельсон-Вельский Г. М. Дискретная математика для инженера. — Москва, Энергоатомиздат, 1988

29. Кулаков Ф.М. Супервизорное управление манипуляционными роботами, Москва, Наука, 1980 г., 448 с.

30. Кулаков Ф.М., Игнатьев М.Б., Покровский A.M. Алгоритмы управления роботами-манипуляторами // Ленинград, Машиностроение. 1977 г., 247 с.

31. Кулаков Ф.М., Игнатьев М.Б., Михайлов В.В., Ястребов B.C. Подводные роботы // Ленинград, Судостроение, 1977 г., 367 с.

32. Ли Ким 3D Studio МАХ для дизайнера. Искусство трехмерной анимации. Platinum Edition (+ CD-ROM) ТИД "ДС" 2005 г. New Riders ISBN: 5-93772-150-0, 0-7357-1094-5

33. Мошков, А. В., В.Ю. Пахотинских, В.О. Решетняк Специализированная Система Визуализации Некоторых Задач Оптимального Управления // ИММ УрО РАН.

34. Маньяков Ю.А., Сиротинин Д.О. Информационная модель и алгоритм создания стереоанимационного ролика//Известия ОрелГТУ. 2007.-№ 4. -С. 131-135.

35. Математический энциклопедический словарь./Гл. ред. Ю. В. Прохоров; Ред. Кол.: С. И. Адян, Н. С. Бахвалов, В. И. Битюцков, А. П. Ершов, Л. Д. Кудрявцев, А. Л. Онищик, А. П. Юшкевич. М.: Сов. Энциклопедия, 1988. - 874 е., ил.

36. Морфинг. режим доступа: http://www.ixbt.com/divideo/moфhing. shtml.

37. Морфинг чудеса без Фотошопа - режим доступа: http://www.3dnews.ru/software/morfingchudesabezfotoshopa

38. Меженин A.B., Тозик В.Т. Современная технология для представления трехмерных моделей в Интернет//Труды X Всероссийской научно-методической конференции „Телематика "2003", СПб, 2003.

39. Носач В. В. Решение задач аппроксимации с помощью персональных компьютеров М.: Микап, 1994. - 382 с: ил. 78.

40. Некрасов, В. В. Выбор оптимальной системы цветовых координат для применения в системах сжатия изображений / В. В. Некрасов // Сборник научных трудов НГТУ, 2005. № 1 С. 49-55.

41. Осипов Д. Графика в проектах Delphi М.: Символ, 2008. - 648е.: ил.

42. Порев В.Н. Компьютерная графика. — СПб.: БХВ-Петербург, 2004. 432 е.: ил.

43. Павлидис Т. Алгоритмы машинной графики и обработки изображений: Пер. с англ. М.: Радио и связь, 1986. — 400с., ил.

44. Пискунов Н. С. Дифференциальное и интегральное исчисления: в 2-х книгах М.: Наука, 1978. — 456 е., ил.

45. Прохоров А. Программы по морфингу на любой вкус// Компьютер Пресс. -2005. №5. - С. 172-175.

46. Пэрент Рик Компьютерная анимация. Алгоритмы, и методы // "Кудиц-Образ" 2004 г. 560 стр.

47. Першиков В. И. Русско-английский толковый- словарь по информатике: Ок. 6000 терминов /, А. С. Марков; В: М: Савинков 363,1. с. 21 см 3-е изд., перераб. М. Финансы и статистика 1999

48. Парамонов П.П., Видин Б.В., Меженин A.B., Тозик В.Т. Методы представления сложных полигональных моделей в графических системах,. работающих в режиме реального времени Санкт-Петербург : ОКБ «Электроавтоматика», 2006. - С. 17-19. - ISSN0021-3454.

49. Перов, А.И., Г.Г. Соколов. «Алгоритм последовательного выделения контура объекта на двумерных цифровых изображениях»— Радиотехника, №7, 1998

50. Прэтт У. Цифровая обработка изображений. Кн.1. М.: Мир,1982.

51. Прэтт У. Цифровая обработка изображений. Кн.2. М.: Мир,

52. Путятин Е. П. Обработка изображений в робототехнике / С. И. Аверин 319, с. ил. М. Машиностроение 1990

53. Роджерс Д., Дж. Адаме. Математические основы машинной графики. — М: Машиностроение, 1980. 240 с.

54. Романов В.Н. Методы обработки результатов измерений: Монография. СПб.: Изд-во СЗТУ, 2005. - 112 с.

55. Разработка и исследование информационной технологии анимации стереоскопических изображений, синтезируемых из смещенных отображений объекта с нелинейными поверхностями: Отчет о НИР (промежуточный) / Орловский филиал ИЛИ РАН (ОФ ИЛИ РАН);

56. Руководитель» Ю.А. Герасимов. -№ ГР 0120.0 500875; Инв. № 0220.0 601671. -Орел, 2005. -75 с.

57. Разработка устройства ввода трехмерной информации с использованием средств видеозахвата движения Электронный ресурс., режим доступа: http://deria.ru/oursciinventglove3.php.

58. Рязанцев Т.Е., Буюкяп СП., Седельникова И А.Современные автоматизированные системы контроля деформаций высотных зданий// Строительные материалы; оборудование, технологии XXI века, № 2*2005.

59. Рязанцев Г.Е., Седельникова' И.А. Автоматизированные системы инструментального геодезического геомониторинга. Справочное учебное пособие. М.: МГСУ, 2003.

60. Г. Рязанцев Г.Е., Бубман И.С. Применение оптических измерительных систем на основе современных электронных тахеометров для контроля за деформациями наземных зданий, и сооружений. ОФМГ, №4, 2003;

61. Рязанцев< Г.Е., Седельникова И.А, Назаров И.А Современные автоматизированные системы контроля деформации' большепролетных конструкций: Сборник трудов МГСУ (МИСИ). М., 2006.

62. Советов Б. Я. Информационная; технологиям — М. : «Высшая школа», 1994. 124 с.

63. Сирота А. А. Статистические алгоритмы обнаружения границ объектов на изображениях // А. И. Соломатин, Вестник ВГУ. 2008. - № 1.

64. Сиротинин Д.О. Информационная технология динамической примерки моделей одежды на манекене в виртуальном пространстве//

65. Материалы 3-й Международной научно-практической конференции «Наука и устойчивое развитие общества. Наследие В.И.Вернадского»: 25 -26 сентября 2008 г. Тамбов, ТГТУ. -С. 243-244.

66. Сиротинин Д.О., Маньяков Ю.А. Решение задач расчета кинематики объектов//Известия ОрелГТУ. -2007. -№ 4. -С. 126-130.

67. Тюкачев Н. А. Программирование графики в Delphi / И. В. Илларионов, В. Г. Хлебостроев. СПб.: БХВ-Петербург, 2008. - 784 е.: ил.

68. Триангуляция многоугольника режим доступа: http://alglib. sources.ru/obsolete/geometry/triangulatepolygon.php.

69. Тихомиров Ю. Программирование трехмерной графики. -СПб.: БХВ Санкт-Петербург, 1999. - 256 с.

70. Уэбстер К. Мастер-класс анимации.// Компьютер Пресс. -1999. №1. - С. 187.

71. Фоли Дж., вэн Дэм А. Основы интерактивной машинной графики: В 2-х книгах. Кн. 2. Пер. с англ. -М.: Мир, 1985. 368 е., ил.

72. Фленов М. Библия Delphi Текст. СПб.: БХВ-Петербург, -2005. - 880 С.

73. Фельдман Я.Д. Техника и технология фотосъемки / Курский Л.Д., Легкая и пищевая промышленность, 1981, С — 240

74. Хермен Г. Восстановление изображений по проекциям: Основы реконструктивной томографии / Перевод с англ. Л. В. Бабина, А. Б. Мещерякова, 349 с. ил., М. Мир 1983

75. Хорн Б. К. П. Зрение роботов // М.: Мир, 1989. — 487 с.

76. Haralick, R. M., and L. G. Shapiro. 1985. Image segmentation techniques. Comput. Vision, Graphics, and Image Proc., v. 29(1) (January 1985), 100-132.

77. Horn, B., and B. Schunck. 1981. Determining optical flow. Artificial Intelligence, v. 17:185-203.

78. Johansson, G. 1964. Perception of motion and changing form. Scandanavian J. Psychology, v. 5:181-208.

79. Luebke, David P. A Developer's Survey of Polygonal Simplification Algorithms. IEEE Computer Graphics & Applications, 2001.

80. McKay H. Three-dimensional Photography: Principles of Stereoscopy. New York: American Photography Book Department, 1953. 333 p.

81. Marr, D., and T. Poggio. 1979. A computational theory of human stereo vision. Proc. Royal Society, v. B 207:207-301.

82. Niblack, W., and others. 1993. The QBIC project: Querying images by content using color, texture, and shape. SPIE Proc. Storage and Retrieval for Image and Video Databases, 173-187.

83. Ohlander, R., K. Price, and' D. R. Reddy. 1978. Picture segmentation using a recursive region splitting method. Comput. Graphics and Image Proc., v. 8:313-333.

84. Ohta, Y., T. Kanade, and T. Sakai. 1980. Color information for region segmentation. Comput. Graphics and Image Proc., v. 13:222-241.

85. Paclic P., Duin R. P. W., Van Kempen G. M. P., Kohlus R. Segmentation of multi-spectral images using the combined classifier approach // Image and Vision Comput. 2003. 21. P. 473.

86. Ronald Azuma, Improving Static and Dynamic Registration in an Optical See-Throw HMD, Garry Bishop / Proceeding of SIGGRAPH'94 (Orlando, FL, 24-29 July 1994), Computer Graphics, Annual Conference Series, 1994, 197-204.

87. Rowley, H., S. Baluja, and T. Kanade. 1996. Human Face Detection in Visual Scene. Carnegie-Mellon University, Pittsburgh, PA.

88. Steinbach E., B. Girod, P. Eisert, and A. Betz, "3-D Object Reconstruction Using Spatially Extended Voxels and Multi-Hypothesis Voxel Coloring" Proceedings of the International Conference on Pattern Recognition, 2000.

89. Sullivan, S., L. Sandford, and J. Ponce. 1994. Using geometric distance for 3D object modeling and recognition. IEEE Trans. Pattern Analysis and Machine Intelligence, v. 16(12) (Dec. 1994), 1183-1196.

90. Stockman, G., S. Kopstein, and S. Benett. 1982. Matching images to models for registration and object detection via clustering. IEEE Trans. PAMI, v. PAMI-4(3): 229-241.

91. Stockman, G. 1987. Object recognition and localization via pose clustering. Comput. Vision, Graphics and Image Proc., v. 40:361-387.