Обнаружение и определение координат движущихся точечных объектов в последовательности изображений

Актуальность работы.

Развитие технических средств наблюдения и обработки данных позволило решать задачи автоматического анализа состояния объектов, информация о которых представлена в виде изображений. Во многих отраслях науки и техники возникает проблема обнаружения объектов, размеры которых находятся на пределе пространственного разрешения системы регистрации, а яркость сравнима с величиной случайного шума, сопровождающего измерения. Такие задачи возникают в астронавигации при определении координат слабых звезд звездными датчиками для космических систем ориентирования, в радиолокации и гидролокации при определении точечных источников излучения, а также в мониторинге поверхности Земли и околоземного пространства космическими системами наблюдения для обнаружения движущихся объектов. Задача поиска подвижных объектов в последовательности изображений осложняется зависимостью формы объектов от субпиксельного положения объекта, а малое отношение сигнал/шум (с/ш) может потребовать совместной обработки нескольких кадров последовательности изображений с целью достижения приемлемой вероятности обнаружения. Последовательностью изображений будем называть временной ряд пространственно подобных изображений одной и той же сцены, имеющей отличия, обусловленные физическими причинами. Следствием таких причин являются изменения в положении и геометрии областей, изменение яркостных и статистических характеристик. Поэтому поставленные и исследуемые в данной работе задачи, связанные с повышением вероятности обнаружения движущихся точечных объектов в последовательности изображений, являются актуальными и практически значимыми.

Работа выполнена в лаборатории цифровых методов обработки изображений Института автоматики и электрометрии СО РАН в соответствии с планами НИР на 2004;2009 гг. по темам: «Математические методы, модели и программно-алгоритмические средства для создания интеллектуальных систем восприятия и анализа сигналов и изображений, управления и принятия решений» № гос. регистрации 0120.0 405 433- «Развитие принципов построения и математическое моделирование интегрированных программно-аппаратных комплексов мониторинга окружающей среды, управление динамическими системами и принятия решений» № гос. регистрации 01.2.007 4 687.

Цель исследования.

Целью работы является исследование и разработка алгоритмов обнаружения движущихся точечных объектов в последовательности изображений, полученных матричным фотоприемным устройством (ФПУ), и их реализация в виде программно-моделирующего комплекса.

Разрабатываемые алгоритмы должны удовлетворять следующим требованиям:

• для определения субпиксельных координат объекта должно быть достаточно одного кадра изображения;

• должен присутствовать анализ точности полученного результата;

• алгоритмы должны работать при некоторых неизвестных значений статистических параметров входных данных.

Для достижения цели были поставлены следующие задачи:

• формулировка задачи;

• распределение задачи на последовательность этапов;

• создание программной системы для реализации алгоритмов;

• изучение областей применения методов.

Методологические и теоретические основы исследования.

В работе использовались методы линейной алгебры, теории матриц, математического анализа, методы теории вероятности и математической статистики, численные методы, методы математического моделирования.

Задачи исследования:

• разработать способ оценивания субпиксельных координат объекта с малой амплитудой на сильно зашумленных изображениях;

• разработать алгоритм адаптивной фильтрации, в котором для повышения отношения с/ш фильтр подстраивается под каждое положение объекта;

• исследовать возможности применения адаптивного фильтра в задачах обнаружения движущихся точечных объектов на изображениях;

• разработать алгоритм совместной обработки последовательности изображений для увеличения вероятности обнаружения объектов и исследовать его эффективность;

• реализовать предложенные алгоритмы в виде программно-моделирующего комплекса.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Разработанный алгоритм адаптивной фильтрации с субпиксельным оцениванием координат точечных объектов, основанный на методе максимального правдоподобия, позволяет существенно увеличить отношение с/ш выходного изображения, что дает возможность обнаруживать объекты с малой амплитудой на сильно зашумленных изображениях.

2. Четырехканальная фильтрация при значительном снижении вычислительных затрат обеспечивает практически такое же увеличение отношения с/ш выходного изображения как и адаптивная фильтрация. Экспериментально установлено, что в задаче обнаружения объектов по одному изображению применение четырехканальной фильтрации позволяет с большей вероятностью обнаруживать объект, чем при пространственно-инвариантной фильтрации.

3. Увеличение вероятности обнаружения достигается за счет совместной обработки двух или более изображений последовательности, где для фильтрации каждого из них подбирается соответствующий фильтр из набора четырех фильтров в зависимости от субпиксельных координат объекта.

4. Совместная обработка последовательности изображений с четырехканальной фильтрацией обеспечивает двукратное уменьшение вероятности пропуска по сравнению с пространственно-инвариантной фильтрацией, при этом отношение с/ш при четырех совместно обрабатываемых изображениях увеличивается почти в два раза.

Обоснованность и достоверность научных положений и фактов:

• вытекает из корректной постановки задач на основе современных математических методов;

• обеспечивается представительным объемом исследованных экспериментальных данных;

• подтверждается сравнением с результатами хорошо известной пространственно-инвариантной фильтрации.

Научная новизна работы состоит в том, что:

• предложен способ оценивания субпиксельных координат объектов, при котором смещения и среднеквадратичные отклонения оценок даже для малого отношения с/ш незначительны (составляют доли размера элемента ФПУ);

• разработан алгоритм адаптивной фильтрации, который дает существенное увеличение (в среднем до 23%) отношения с/ш выходного изображения;

• предложен алгоритм четырехканальной фильтрации, который при незначительном ухудшении качества адаптивной фильтрации (снижение отношения с/ш не более чем на 5%) существенно снижает вычислительные затраты (в 50−60 раз);

• разработан основанный на четырехканальной фильтрации алгоритм совместной обработки последовательности изображений, который обеспечивает двукратное уменьшение вероятности пропуска по сравнению с пространственно-инвариантной фильтрацией.

Личный вклад автора.

Основные теоретические и практические результаты получены автором лично. В. С. Киричуку принадлежит первичная постановка задачи обнаружения объекта. В соавторстве с В. С. Киричуком, В. П. Косых предложен алгоритм адаптивной фильтрации, который позволяет существенно повысить отношение с/ш выходного изображения. При разработке алгоритмов обнаружения были использованы достижения и опыт специалистов лаборатории цифровых методов обработки изображений ИАиЭ СО РАН. Из печатных работ, опубликованных диссертантом в соавторстве, в диссертацию вошли только те результаты, в получении которых он принял непосредственное участие на всех этапах: от постановки задач и теоретического анализа алгоритмов до написания программ и проведения численных экспериментов.

Практическая ценность работы заключается в возможности:

• проводить обнаружение точечного объекта в изображениях с мощной шумовой составляющей;

• находить субпиксельные координаты точечного объекта в изображениях последовательности;

• обнаруживать слабоконтрастные объекты за счет совместной обработки изображений последовательности;

• использовать созданные программные библиотеки и модули при проектировании и создании средств обнаружения и сопровождения точечных объектов.

Реализация работы.

Результаты работы реализованы в многофункциональном программном исследовательском комплексе, применяющемся в ФГУП ЦНИИ «Комета» и Институте автоматики и электрометрии СО РАН.

Апробация работы.

Основные научные и практические результаты докладывались и получили одобрение на семинарах лаборатории и института, Региональной конференции-конкурсе «Технологии Microsoft в теории и практике о программирования» (Новосибирск, НГУ, 2006 г.), Международной научной конференции «Хаос и структуры в нелинейных системах. Теория и эксперимент» (Астана, ЕНУ им. Гумилева, 2006 г.), Научно-практической конференции молодых ученых и студентов НГУ и ИАиЭ СО РАН «Информационно-вычислительные системы анализа и синтеза изображений» (Новосибирск, ИАиЭ СО РАН, 2006 г.), VII всероссийской конференции молодых ученых «Математическое моделирование и информационные технологии» (Красноярск, ИВМ СО РАН, 2006 г.), VIII всероссийской конференции молодых ученых «Математическое моделирование и информационные технологии» (Новосибирск, ИВТ СО РАН, 2007 г.), III научно-практической конференции «Виртуальные и интеллектуальные системы» (Барнаул, АГТУ, 2008 г.).

Публикации.

Результаты диссертации достаточно подробно и в полном объеме отражены в 6 опубликованных печатных работах, в числе которых 3 статьи в российском рецензируемом научном журнале, а также 3 работы в материалах российских и международных научно-технических конференций.

Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения. Общий объем диссертации составляет 110 страниц, включает 44 рисунка, 6 таблиц и список цитируемой литературы из 75 наименований.

Заключение

.

В диссертационной работе содержится решение задачи разработки алгоритмов обнаружения и определения координат движущихся точечных объектов в последовательности изображений, полученных матричным ФПУ.

1. Разработан алгоритм адаптивной фильтрации с субпиксельным оцениванием координат объекта. Применение адаптивной фильтрации по сравнению с пространственно-инвариантной фильтрацией позволяет существенно (до 23%) увеличить отношение сигнал/шум на выходе фильтра.

2. Численные эксперименты показали, что смещения оценок субпиксельных координат центра’объекта даже для сравнительно малого отношения сигнал/шум незначимы (при отношении с/ш =6 смещения не превышают 0.07).

3. На основе алгоритма адаптивной фильтрации разработан алгоритм четырехканальной фильтрации, позволяющий существенно снизить вычислительные затраты (в 50−60 раз) при незначительном ухудшении качества фильтрации (не более чем на 5%).

4. Разработан алгоритм совместной обработки последовательности изображений с четырехканальной фильтрацией для случая с неизвестными первоначальными координатами объекта, но с известной скоростью.

5. Экспериментально установлено, что уже совместная обработка четырех кадров последовательности с четырехканальной фильтрацией по сравнению с пространственно-инвариантной фильтрацией обеспечивает значимое увеличение вероятности обнаружения, даже при малом входном отношении сигнал/шум с/ш=3), при этом вдвое уменьшает вероятность пропуска. Получены экспериментальные оценки зависимости вероятности обнаружения от различных уровней ложных тревог и отношений сигнал/шум.