Численные методы и анализ данных. Рубрика в журнале - Компьютерная оптика
Статья научная
In this paper, we examine the applicability limits of different methods of compensation of the individual properties of self-emitting displays with significant non-uniformity of chromaticity and maximum brightness. The aim of the compensation is to minimize the perceived image non-uniformity. Compensation of the displayed image non-uniformity is based on minimizing the perceived distance between the target (ideally displayed) and the simulated image displayed by the calibrated screen. The S-CIELAB model of the human visual system properties is used to estimate the perceived distance between two images. In this work, we compare the efficiency of the channel-wise and linear (with channel mixing) compensation models depending on the models of variation in the characteristics of display elements (subpixels). It was found that even for a display with uniform chromatic subpixels characteristics, the linear model with channel mixing is superior in terms of compensation accuracy.
Бесплатно
Veiling glare removal: synthetic dataset generation, metrics and neural network architecture
Статья научная
In photography, the presence of a bright light source often reduces the quality and readability of the resulting image. Light rays reflect and bounce off camera elements, sensor or diaphragm causing unwanted artifacts. These artifacts are generally known as “lens flare” and may have different influences on the photo: reduce contrast of the image (veiling glare), add circular or circular-like effects (ghosting flare), appear as bright rays spreading from light source (starburst pattern), or cause aberrations. All these effects are generally undesirable, as they reduce legibility and aesthetics of the image. In this paper we address the problem of removing or reducing the effect of veiling glare on the image. There are no available large-scale datasets for this problem and no established metrics, so we start by (i) proposing a simple and fast algorithm of generating synthetic veiling glare images necessary for training and (ii) studying metrics used in related image enhancement tasks (dehazing and underwater image enhancement). We select three such no-reference metrics (UCIQE, UIQM and CCF) and show that their improvement indicates better veil removal. Finally, we experiment on neural network architectures and propose a two-branched architecture and a training procedure utilizing structural similarity measure.
Бесплатно
Статья научная
Предложены абстрактная модель искусственной иммунной сети на базе комитета классификаторов и два алгоритма ее обучения (с учителем и с подкреплением) для задач классификации, которые характеризуются малыми объемами и низкой репрезентативностью обучающих выборок. Оценка эффективности модели и алгоритмов выполнена на примере задачи аутентификации по клавиатурному почерку с использованием 3 баз данных биометрических образов. Разработанная искусственная иммунная сеть обладает эмерджентностью, памятью, двойной пластичностью, устойчивостью обучения. Эксперименты показали, что искусственная иммунная сеть дает меньший или сопоставимый процент ошибок по сравнению с некоторыми архитектурами нейронных сетей при гораздо меньшем объеме обучающей выборки.
Бесплатно
Автоматизированный метод вычисления DST-индекса на основе вейвлет-модели вариаций геомагнитного поля
Статья научная
Предложен метод вычисления индекса геомагнитной активности Dst , основанный на вейвлет-модели вариаций геомагнитного поля. Метод позволяет в автоматическом режиме получать значения Dst -индекса с 1-минутным разрешением. Апробация метода выполнена на данных приэкваториальных станций [1]. В работе описан алгоритм выполнения расчетов и приведены результаты оценок. Выполнено сравнение результатов расчета с классическим подходом и с методом, используемым в Мировом центре данных Киото. Показано, что предлагаемый метод позволяет в оперативном режиме получать значения Dst -индекса с допустимой погрешностью.
Бесплатно
Автоматическое определение количества минимальных единиц языка по артикуляции
Статья научная
Представленная работа посвящена автоматическому анализу паравербального компонента общения человека. В статье описаны системы, определяющие количество минимальных языковых единиц (слогов и фонем) в устной речи по видеоданным. Такие системы могут быть использованы в оценке темпа артикулирования говорящего, что может применяться в доклинической диагностике некоторых патологических состояний или определении эмоционального статуса. Для проведения исследования была модифицирована существующая база данных слов английского языка и получена разметка, содержащая информацию о количестве слогов и фонем в каждом слове. В ходе исследования адаптирована система распознавания слов для решения поставленной задачи, а также разработана новая архитектура нейронной сети для определения количества слогов и фонем в слове. Оценка эффективности разработанных систем производилась как на наборах заранее известных системам слов, так и на новых для них словах. В результате работы получена система, определяющая количество минимальных единиц языка в произнесённом слове, предоставляющая возможность последующей оценки темпа артикулирования информанта.
Бесплатно
Алгоритм выделения интенсивных аномальных изменений во временном ходе параметров ионосферы
Статья научная
В работе представлена модифицированная многокомпонентная модель временного ряда параметров ионосферы. Модель описывает регулярные вариации и аномальные изменения разномасштабной структуры, характеризующие возникновение ионосферных неоднородностей. Идентификация компонент модели основана на совместном применении вейвлет-преобразования и моделей авторегрессии проинтегрированного скользящего среднего. На основе предложенной модели разработан алгоритм анализа ионосферных параметров, позволяющий в оперативном режиме выделять интенсивные ионосферные аномалии, характеризующие возникновение сильных ионосферных бурь. Представлены результаты апробации алгоритма, выполненные на примере обработки и анализа часовых и 15-минутных данных критической частоты ионосферы (foF2) в периоды магнитных бурь, произошедших в 2015-2017 гг. Выполненные оценки показали эффективность алгоритма и возможность его применения в задачах прогноза космической погоды.
Бесплатно
Статья научная
В работе представлены новые алгоритмы генерации, встраивания и извлечения стойкого цифрового водяного знака в гиперспектральные изображения дистанционного зондирования Земли. Предлагаемый алгоритм генерации ЦВЗ предполагает генерацию двумерного шумоподобного изображения (шаблона встраивания), кодирующего ЦВЗ, на основе пароля (секретного ключа) пользователя. Предложенные алгоритмы обладают рядом преимуществ по сравнению с существующими аналогами. В частности, предложенный алгоритм генерации шаблонов встраивания на основе пароля обеспечивает высокую устойчивость встроенного цифрового водяного знака к атакам прямого перебора ключа (сложность атаки подбора ключа составляет 10 14 попыток извлечения по сравнению с 10 4 - 10 5 попытками для существующих аналогов).
Бесплатно
Статья научная
Предложен экономичный алгоритм коррекции влияния поглощения света в атмосферных газах на коэффициент яркости солнечного света, отраженного системой атмосфера - земная поверхность. Алгоритм не требует предварительного задания оптических параметров аэрозоля, предположений о подстилающей поверхности и общем содержании газов. В алгоритме коррекция выполняется домножением коэффициента яркости на корректирующий множитель, полученный из анализа спектральной зависимости коэффициента яркости; алгоритм применим только к гиперспектральным данным. Приведены результаты тестирования алгоритма на модельных задачах.
Бесплатно
Алгоритм реконструкции трёхмерной структуры кристалла по двумерным проекциям
Статья научная
В статье рассматривается задача трёхмерной реконструкции кристаллической решётки, являющаяся важным этапом рентген-структурного анализа вещества. От качества реконструкции напрямую зависит точность параметрической и структурной идентификации кристалла. Предлагаемый алгоритм реконструкции трёхмерной кристаллической решётки основан на минимизации расстояний от узла до прямой, спроецированной на заданную плоскость. В качестве исходных данных используются три набора двумерных координат узлов решётки, полученные по трём двумерным проекциям. Также произведено аналитическое вычисление ошибки реконструкции, позволяющее оценить точность проведённой реконструкции. Результаты, полученные в ходе вычислительного эксперимента, подтвердили высокое качество предложенного алгоритма реконструкции и его устойчивость к возможным искажениям исходных координат узлов. Кроме того, выявлена проблема разделимости моноклинных, ромбических и тетрагональных решёток, точность идентификации которых составила 34 %, 53 % и 10 % соответственно.
Бесплатно
Алгоритм управления полетом БПЛА вдоль железной дороги с помощью технического зрения
Статья научная
В работе предложен алгоритм управления автономным полётом беспилотного летательного аппарата (БПЛА) вдоль железной дороги без участия оператора и без использования спутниковых навигационных систем, таких как GPS и ГЛОНАСС. Алгоритм создавался с целью дистанционной инспекции технического состояния железнодорожного полотна без вмешательства в движение поездов. Отсутствие оператора и спутниковых навигационных систем позволяет проводить инспекцию путей на больших расстояниях, не ограниченных дальностью действия связи с БПЛА, и в условиях внешних электромагнитных помех. Алгоритм основывается на использовании компьютерного зрения: определении местоположения рельсов на видеоизображении и выработке управляющих сигналов для управления тангажём, рысканием и креном БПЛА таким образом, чтобы удерживать изображение рельсов в середине видеокадра. Экспериментальные полёты БПЛА показали, что алгоритм надёжно определяет положение рельсов и удерживает полёт БПЛА вдоль железной дороги.
Бесплатно
Алгоритмы многомерного имитационного моделирования случайных процессов
Статья научная
В статье рассматриваются два подхода к моделированию сигналов и процессов: метод формирующих фильтров и тригонометрический метод. Показано, что второй подход более перспективен, так как увеличение размерности представления сигнала (процесса) математически означает добавление слагаемого в формуле базисной функции, что дает доступ к быстрым алгоритмам имитации. Приведены примеры алгоритмов многомерного моделирования случайных процессов с использованием двух методов, и описана программная система, реализующая эти алгоритмы. Результаты работы программного комплекса позволят прогнозировать характеристики инженерных проектов (точность и быстродействие алгоритмов моделирования). В связи с актуальностью и необходимостью фундаментальных исследований методов и алгоритмов цифрового преобразования компонентной базы, внедрения цифровых технологий во все аспекты деятельности, включая синтез новых материалов, разработку новых методов проектирования микро- и наносистем, целью статьи является расширение области применения спектрального метода моделирования многомерных процессов с использованием оригинальных алгоритмических комплексов.
Бесплатно
Статья научная
Точная и своевременная информация о текущем и прогнозном распределении транспортных потоков является важным фактором функционирования интеллектуальных транспортных систем. Использование этих данных позволит транспортным агентствам эффективнее решать задачу управления трафиком, участникам дорожного движения точнее планировать маршрут поездки и снизить время движения, и в целом повысит эффективность использования транспортной инфраструктуры. В данной статье представлена модель краткосрочного прогнозирования трафика, основанная на методе k ближайших соседей, которая учитывает пространственное и временное распределение транспортных потоков. Разработанная модель реализована с помощью фреймворка Apache Spark на основе модели распределённых вычислений MapReduce. Экспериментальные исследования представленной модели по данным о распределении транспортных потоков в транспортной сети города Самары позволяет сделать вывод, что предлагаемая модель обладает высокой точностью прогнозирования и временем работы, достаточным для прогнозирования в режиме реального времени.
Бесплатно
Статья научная
Обоснована целесообразность использования мобильных датчиков, работающих на разных физических явлениях, для расширения функциональных возможностей экспресс-диагностики состояния человека. Отмечены преимущества применения оптических датчиков для проведения измерений с использованием потоков крови и сложности при проведении с их использованием измерений и обработки оптических сигналов. Разработаны новые конструкции мобильных датчиков для регистрации пульсовой волны и отраженных оптических сигналов от тканей с микроциркуляцией крови, которые объединены в аппаратно-программный комплекс. Отношение сигнал/шум в регистрируемых сигналах улучшено в 3-4 раза для тканевого оксиметра и более чем на порядок для пульсоксиметра. Предложены новые методики обработки регистрируемых изображений излучения отраженных сигналов и поглощения на сосудах и тканях. Представлены новые результаты исследований, позволяющие установить ранее не регистрируемые отклонения в работе сердечно-сосудистой системы человека. Предложен новый более доступный метод определения значения максимального потребления кислорода организмом человека с использованием разработанного аппаратно-программного комплекса в реальном времени с погрешностью менее 7 % без использования эргоспирометра. Сравнение полученных данных с результатами измерений на сертифицированном медицинском оборудовании подтвердило их достоверность. Данный метод позволяет расширить возможности примененияаппаратно-программного комплекса в диагностике спортсменов и людей, активно занимающихся спортом, а также сотрудников специальных подразделений, так как комплекс отличается по весу от эргоспирометра более чем на порядок и не требуется надевать на лицо маску, которая создает дополнительные проблемы при дыхании и движении.
Бесплатно
Статья научная
Представлен обзор неинвазивных биометрических методов выявления и прогнозирования развития нейродегенеративных заболеваний. Дан анализ различных модальностей, используемых для диагностики и мониторинга. Рассмотрены такие модальности, как рукописные данные, электроэнцефалограмма, речь, походка, движение глаз, а также использование композиций данных модальностей. Проведен подробный анализ современных методов и систем принятия решений, основанных на машинном обучении. Представлены наборы данных, методы предобработки, модели машинного обучения, оценки точности при диагностике заболеваний. В заключении рассмотрены текущие открытые проблемы и будущие перспективы исследований в данном направлении.
Бесплатно
Блочные алгоритмы решения сеточных уравнений Zheng/Chen/Zhang
Статья научная
Работа посвящена синтезу блочных алгоритмов FDTD-метода для расчетов по неявной разностной схеме Zheng/Chen/Zhang. Существенное внимание уделяется экспериментальному исследованию построенных алгоритмов, выявлению особенностей организации блочных вычислений по неявным сеточным уравнениям. Эффективность предложенных подходов подтверждена шестикратным ускорением вычислений.
Бесплатно
Блочные алгоритмы совместного разностного решения уравнений Даламбера и Максвелла
Статья научная
Работа посвящена синтезу блочных алгоритмов FDTD-метода, в частности совместного разностного решения уравнений Даламбера и Максвелла. Учёт иерархической структуры памяти ЭВМ позволил до 6 раз сократить длительность вычислений по методу в сравнении с его известными программными реализациями.
Бесплатно
Статья научная
Актуальность обнаружения и лечения рака молочной железы на ранних этапах остается высокой. За 2020 год зарегистрировано более 65 000 новых случаев онкологии молочной железы, среднегодовой темп прироста – 2%. Число зафиксированных случаев рака молочной железы является лидирующим в статистике по онкологическим заболеваниям. Целью работы является проведение оценки влияния методов предварительной обработки и аугментации наборов данных для сегментации опухолевых ядер на медицинских изображениях в условиях ограниченного объема данных. В экспериментах используется один исходный набор данных и восемь вариантов его предварительной обработки с использованием алгоритмов нарезки изображений для обучения двух моделей сверточных нейронных сетей U-net и U-net с добавлением энкодера ResNet50. Оценка качества обучения нейронных сетей и сегментации ядер выполняется с помощью двух целевых метрик, Dice и IoU, а также в результате сравнения истинного расположения меток ядер и сегментированных ядер с помощью нейронных сетей. В результате обучения моделей на предварительно обработанных наборах данных получены значения целевых метрик по двум моделям для каждого набора, включая исходный. Для архитектуры U-net значения Dice и IoU равны 0,742 и 0,5921, для архитектуры U-net_ResNet50 – 0,7458 и 0,5971.
Бесплатно
Статья научная
Статья посвящена взаимосвязанным проблемам выделения единиц знаний из множества (корпуса) тематических текстов анализом релевантности исходной фразе и полноты отражения в исходных фразах выделяемого фактического знания. Данные проблемы актуальны для построения систем обработки, анализа, оценивания и понимания информации. Конечной практической целью здесь является поиск наиболее рационального варианта передачи смысла средствами заданного естественного языка для последующей фиксации фрагментов знаний в тезаурусе и онтологии предметной области. При этом релевантность текста по описываемому фрагменту знания (включая формы выражения в языке) определяется совместным использованием оценки силы связи встречающихся в его фразах сочетаний слов исходной фразы и разбиением этих слов на классы по значению меры TF-IDF относительно текстов корпуса. В настоящей работе рассматривается расширение связей слов от традиционных биграмм до трёх и более элементов для выделения составляющих образа исходной фразы в виде сочетаний связанных по смыслу слов (с привлечением базы известных синтаксических отношений и без использования таковой). С целью более полного описания выделяемого в текстах корпуса фрагмента экспертного знания вводятся в рассмотрение совокупности исходных фраз, взаимно эквивалентных либо дополняющих друг друга по смыслу и представляющих единый образ. По сравнению с поиском составляющих рассматриваемого образа на готовом синтаксически размеченном текстовом корпусе предложенный метод позволяет в среднем в 17 раз сократить выход фраз, не релевантных исходным ни по описываемому фрагменту знания, ни по языковым формам его выражения.
Бесплатно
Статья научная
Исследование посвящено анализу аберрации волнового фронта при изменении кривизны поверхности роговицы человеческого глаза. Анализ выполнен на основе представления аберраций передней и задней поверхности роговицы в виде суперпозиции функций Цернике. Объектом исследования являются весовые коэффициенты полиномов Цернике. Данные были получены в ряде клинических испытаний в глазной клинике Бранчевского. Был проведен анализ наиболее информативных весовых коэффициентов с точки зрения классификации пациентов по определённым диагнозам. Было произведено сравнение результатов классификации по тридцати признакам как на передней, так и на задней поверхности роговицы, а также по наиболее информативным признакам. Ранжирование признаков осуществлялось по критерию информативности для решения конкретной задачи классификации. При проведении исследований информативность оценивалась на основе значений критерия разделимости. Дополнительная оценка информативности проводилась путём вычисления ошибки классификации методом К-средних. В результате анализа выделены базисные функции Цернике, наиболее информативные для определённых патологий глаза.
Бесплатно
Вычисление преобразований Фурье-Галуа в редуцированных бинарных системах счисления
Статья научная
В работе предлагается новый метод вычисления преобразований Фурье-Галуа (теоретико-числовых преобразований), являющихся модулярным аналогом дискретного преобразования Фурье. Ряд специфических проблем, связанных с вычислением преобразований в конечном поле, удаётся решить с помощью представления элементов этих полей в «экзотических» системах счисления, являющихся редукциями канонических систем счисления И. Катаи при отображении соответствующего кольца целых квадратичного поля в поле классов вычетов по простому модулю. Подробно исследуется случай бинарных редуцированных систем счисления. Доказывается, что такие системы счисления существуют для любого простого числа.
Бесплатно
