Обработка изображений, распознавание образов. Рубрика в журнале - Компьютерная оптика
Статья научная
Рассматриваются алгоритмы построения многокадрового сверхразрешения, позволяющие восстанавливать изображения с высоким разрешением за счет накопления последовательности изображений с низким разрешением в условиях аппликативных помех. Воздействие аппликативных помех проявляется в появлении локальных участков аномальных наблюдений на каждом изображении и также является фактором понижения разрешения. Решению данной задачи до настоящего времени уделялось недостаточно внимания, при этом перспективным подходом для обработки изображений, включая построение многокадрового сверхразрешения, является использование глубоких нейронных сетей. В работе рассмотрены существующие подходы к решению данной задачи и предложен новый подход, основанный на использовании нескольких свёрточных нейронных сетей. Особенностью рассматриваемого подхода и реализуемых на его основе алгоритмов является выполнение итеративной обработки входной последовательности изображений с низким разрешением с применением нейронных сетей на разных этапах обработки, включая регистрацию изображений низкого разрешения, сегментацию и выявление участков, пораженных аппликативными помехами, а также преобразования, направленные непосредственно на повышение разрешения. Данный подход позволяет комбинировать сильные стороны существующих аналогов и устранить их основные недостатки, связанные с необходимостью использования приближенных математических моделей данных, которые требуются для синтеза алгоритмов обработки изображений в рамках статистической теории решений. Для обновления текущей оценки изображения высокого разрешения предложена специальная свёрточная нейронная сеть, организованная в виде направленного ациклического графа. Проведены экспериментальные исследования, показавшие работоспособность предложенного алгоритма и его преимущество по точности восстановления изображения с высоким разрешением по сравнению с альтернативными вариантами решения задачи.
Бесплатно
Анализ видеоданных беспилотного летательного аппарата на основе индекса структурного сходства
Статья научная
В статье предложена метрика для анализа видеоданных, зарегистрированных беспилотным летательным аппаратом, использующая для оценки индекс структурного сходства. Метрика заключается в сравнении кадров на предмет сходства яркости, контраста и структуры в пикселях и последующей оценке состояния кадра видео. Был проведен сравнительный анализ предложенной и современной метрики. Исследование включало моделирование на аналоговых и цифровых видео с разной частотой кадров. Результаты показали, что разработанная метрика успешно выявляет задержки, искажения кадров и динамические изменения в сцене видео. Предлагаемая метрика может найти широкое применение в прикладных областях использования беспилотных летательных аппаратов: строительстве, сельском хозяйстве, геологии и картографии.
Бесплатно
Анализ изображений для определения видимости вулканов
Статья научная
В статье представлен метод определения видимости вулкана на кадрах видеопоследовательности, получаемой со стационарной камеры видеонаблюдения. Он включает в себя алгоритмы анализа параметрических контуров объектов наблюдений и частотных характеристик изображений. Рассматривается процедура построения параметрических контуров вулкана и процедура их сопоставления. Предложен алгоритм для выявления наиболее устойчивых контуров для группы из нескольких эталонных изображений. Посредством сопоставления этих контуров с контурами анализируемого изображения определяется видимость вулкана. Для устранения влияния случайных небольших сдвигов и поворотов камеры решается задача максимизации оценки относительно плоского сдвига и поворота камеры. В случае, когда оценка видимости вулкана находится недалеко от границы принятия решения о непригодности снимка для дальнейших исследований, она корректируется с помощью алгоритма анализа частотной характеристики изображения, которая представлена вектором вклада октав частот в формирование яркостной компоненты изображения. Сопоставление эталонной частотной характеристики и характеристики анализируемого изображения позволяет оценить вклад различных частот в формирование изображений вулканов. В работе рассматриваются результаты апробации созданных алгоритмов на примере архива системы видеонаблюдения за вулканами Камчатки. Полученные оценки говорят об эффективности предложенных методов и позволяют использовать их в дальнейшем для автоматизированной фильтрации неинформативных изображений при мониторинге вулканической активности.
Бесплатно
Статья научная
В статье изложены результаты анализа спектральной отражательной способности залежных земель, типичных для лесостепи, на основе спутниковых данных Sentinel-2. Исследование проведено для участков постагрогенных ландшафтов, расположенных на территории Центрального Черноземья. Установлено, что тип древесной растительности, формирующейся на залежах (лиственная, смешанная, хвойная), оказывает статистически значимое влияние на отражательную способность в большинстве каналов Sentinel-2. Во многих из них наблюдаются значимые различия между залежами с лиственными и хвойными породами деревьев. Для угодий со смешанной древесной растительностью значимых отличий от остальных типов залежей не выявлено. Спектрально-отражательные характеристики залежей в большинстве каналов Sentinel-2 находятся в обратной зависимости от величины их лесистости. Для оставленных аграрных земель со всеми типами древесной растительности наиболее тесная корреляция лесистости и спектрально-отражательных характеристик выявлена в каналах красного и среднего инфракрасного диапазонов спектра. В этих же каналах наблюдаются статистически значимые различия между большинством градаций лесистости залежей. Установленные закономерности выступают основанием для использования красного (B4) и SWIR-каналов (B11, B12) для решения задач, связанных с оценкой лесистости залежных земель.
Бесплатно
Анализ текущего состояния научных исследований в области робастного хэширования изображений
Статья научная
Развитие концепции интернета вещей привело к существенному росту объемов обрабатываемой информации. Значительную часть данных, циркулирующих в глобальной сети, при этом составляет мультимедиаконтент. Зачастую эта информация содержит персональные данные конкретного пользователя или является объектом интеллектуальной собственности и авторского права. Задача по защите авторских прав владельцев цифровых изображений на протяжении последних десятилетий не теряет актуальности. Классические средства защиты информации не обеспечивают требуемый уровень защищенности данных изображений от возможных угроз ввиду специфичности формата их представления. В работе произведен сравнительный анализ существующих исследований в области робастного хэширования изображений как одного из возможных механизмов защиты авторского права для цифровых изображений. Приведена классификация методов робастного хэширования изображений, определены их достоинства и недостатки, выявлены общие особенности, присущие классам. Определены направления дальнейших исследований.
Бесплатно
Статья научная
В работе представлено исследование различных подходов к классификации почвенных покровов на основе нейросетевых алгоритмов по данным гиперспектрального дистанционного и проксимального зондирования Земли. Спектральные распределения при этом регистрировались в лабораторных условиях с использованием изображающего сканирующего гиперспектрометра на основе схемы Оффнера. Экспериментально исследованы пространственно-спектральные признаки девяти проб почв с различных участков фермерского хозяйства на территории Самарской области. С помощью метода энергодисперсионного микроанализа установлено соответствие гиперспектральных данных и химического состава взятых проб. На основе полученных данных реализована нейросетевая классификация образцов почв в зависимости от содержания в них таких элементов, как углерод и кальций. В качестве классификатора использовалась нормализованная спектрально-пространственная сверточная нейронная сеть. Авторами предложен подход к классификации гиперспектральных изображений высокого разрешения, основанный на уточнении мультиклассовой сверточной нейронной сети с помощью ансамбля бинарных классификаторов. Показано, что классификация образцов почв по содержанию углерода и кальция осуществляется с точностью 0,96.
Бесплатно
Статья научная
Современные архитектуры свёрточных нейронных сетей являются весьма ресурсозатратными, что ограничивает возможности их широкого практического применения. В статье предложена архитектура свёрточной нейронной сети, разделённой на аппаратную и программную части для увеличения производительности вычислений. Для реализации свёрточного слоя нейронной сети в аппаратной части использована модулярная арифметика с целью сокращения ресурсозатрат. Предложен численный метод квантования коэффициентов фильтров свёрточного слоя сети для минимизации влияния шума квантования на результат вычислений в системе остаточных классов и определения разрядности коэффициентов. Данный метод основан на масштабировании коэффициентов на фиксированное количество бит и округлении к большему и к меньшему. Используемые операции позволяют уменьшить ресурсы при аппаратной реализации за счёт простоты их выполнения. Все вычисления в свёрточном слое сети выполняются над числами в формате с фиксированной точкой...
Бесплатно
Аутентификация пользователя по динамике подписи на основе нечёткого классификатора
Статья научная
Анализ динамики подписи является одним из наиболее быстрых, интуитивно понятных и экономичных инструментов аутентификации пользователей. Динамическое распознавание подписи основано на анализе нескольких характеристик почерка индивидуума, таких как параметры движения, давление, азимут и угол наклона пера в определенные моменты времени, а также скорости и ускорения вышеперечисленных величин. В нашей работе в качестве признаков были использованы постоянная составляющая и первые семь гармоник разложения данных сигналов в ряд Фурье. Создание систем подтверждения подлинности подписи включает следующие этапы: предобработка, отбор информативных признаков, классификация. Для отбора признаков использованы бинарные метаэвристические и детерминированные алгоритмы. Классификация выполнялась с помощью нечеткого классификатора. Параметры нечетких классификаторов настраивались непрерывными метаэвристическими алгоритмами. Работоспособность системы аутентификации проверена на авторской базе данных. База данных содержит 280 оригинальных вариантов подписи одного автора и 1281 вариант фальсификаций (поддельных подписей) семи авторов. Для оценки статистической значимости различий в точности и ошибках нечетких классификаторов, сформированных метаэвристическими алгоритмами, использованы критерий Манна-Уитни (Уилкоксона) и тест Крускала-Уоллиса.
Бесплатно
Бесконтактная регистрация функции дыхания на основе анализа ИК-ТГц-изображений лица человека
Статья научная
В работе предложен новый подход к бесконтактной регистрации функции дыхания на основе анализа инфракрасно-терагерцовых изображений лица человека, последовательность которых позволяет визуализировать процессы, происходящие во время дыхания. Для получения количественных оценок функции дыхания предложено два способа. Первый - с использованием зонда, реализующего функцию пространственного дифференцирования, обеспечивает высокую чувствительность, но требует повышенной точности совмещения зонда с носовым отверстием и масштабирования в соответствии с ракурсом съемки. Второй - гистограммный способ получения количественных оценок функции внешнего дыхания - инвариантен к масштабу, не требует точного позиционирования, но при этом обладает меньшей чувствительностью. Предложенные способы позволили дистанционно оценить частоту дыхания, которая коррелирует с данными, полученными контактным методом регистрации функции дыхания.
Бесплатно
Быстрое восстановление смазанного изображения, полученного горизонтально вращающейся камерой
Статья научная
В предлагаемой статье решается задача восстановления смазанного изображения, полученного горизонтально вращающейся камерой. Математической моделью данной задачи является уравнение со сверткой на циклической группе. В прежних работах авторов рассмотрен случай невырожденного уравнения. В данной статье рассматривается общий случай, допускающий вырожденность уравнения свертки. Разработан алгоритм, на основе которого написана быстрая программа восстановления смазанных таким образом изображений. Сложность представленного в данной статье алгоритма для вырожденного уравнения свертки такая же, как для невырожденного случая. Приводится анализ погрешностей вычислений, влияющих на качество изображения. Влияние погрешностей начальных данных алгоритма для вырожденного уравнения не хуже, чем для невырожденного.
Бесплатно
Статья научная
В статье рассматривается задача навигации автономного необитаемого подводного аппарата. Изображения, получаемые бортовой стереокамерой, используются для построения облаков точек, привязанных к конкретным положениям аппарата. Квантованные дескрипторы точек хранятся в метрическом дереве для организации процедуры быстрого поиска с использованием алгоритма best bin first. Связи для нового облака точек ищутся в небольшой группе облаков, которые имеют наибольшее число похожих дескрипторов, сохранённых в дереве. Таким образом, новое облако может быть позиционировано относительно других облаков без какой-либо априорной информации о положении АНПА и точности, с которой это положение известно. Это приводит к повышению надежности системы навигации, делает систему нечувствительной к пропускам данных, однотонным участкам дна и длинным проходам без пересечений собственной траектории. В статье рассматриваются алгоритмы построения облаков точек, сопоставления этих облаков, построения групп потенциально связанных облаков для ускорения процедуры глобального поиска связей. Также предлагается основной алгоритм навигации, состоящий из трёх выполняемых параллельно подпрограмм: добавление изображений в систему, обновление дерева поиска, оптимизация. Предложенный алгоритм навигации тестируется как на реальных, так и на синтетических данных. Тесты на реальных данных показывают, что траектория может быть построена даже для последовательностей с 60 % пропущенных изображений и малым или нулевым перекрытием последовательных снимков. Тесты на синтетических данных демонстрируют, что построенная траектория близка к истинной даже для длительных миссий. Средняя скорость работы навигационной системы составляет 3 кадра в секунду на процессоре среднего ценового диапазона.
Бесплатно
Выделение контуров костей коленного сустава на медицинских рентгенограммах
Статья научная
Важным шагом в автоматическом анализе медицинских рентгенограмм является детектирование интересующих объектов. Однако медицинские рентгенограммы зачастую имеют низкую контрастность и варьирующуюся в широких пределах цветовую гамму, что затрудняет их анализ традиционными методами, которые в своей работе опираются на конкретные критерии однородности регионов. В данной работе мы предлагаем подход к выделению контуров объектов, не требующий критерия однородности. Метод основан на выделении фрагментов границ и устранении разрывов между фрагментами границы одного объекта. Нами был предложен численный критерий для определения точности соответствия полученного контура описываемому объекту. Полученные результаты могут применяться для диагностики отклонений, болезней, а также использоваться как промежуточный результат для более интеллектуальных методов анализа изображений.
Бесплатно
Выделение отличий на изображениях с помощью референтных EMD-фильтров
Статья научная
Ранее для задачи выделения отличий в случае существенного изменения как яркости, так и геометрии наблюдаемой сцены была предложена морфологическая схема анализа изображения, основанная на диффузных и референтных мозаичных фильтрах, определяемых тепловыми ядрами сходства областей разбиения кадра. В данной работе для реализации этой схемы предлагаются оригинальные референтные EMD-фильтры, основанные на определении оптимальных матриц взаимного сходства мозаичных форм методом линейного программирования. Рассмотрены теоретические аспекты проективных EMD-морфологий мозаичных изображений, приводится алгоритм морфологического выделения отличий на мозаичных изображениях на основе референтных EMD-фильтров и результаты его работы.
Бесплатно
Выделение сезонно-однородных областей на основе анализа временных серий спутниковых изображений
Статья научная
В работе рассматривается метод сегментации временных серий спутниковых изображений, позволяющий использовать разновременную информацию при формировании границ сегментов. Метод выделяет однородные объекты со схожей временной динамикой дистанционных характеристик, небольшими порциями анализируя значительные по объёму массивы разновременных входных данных, позволяя получать целостный результат сегментации на протяженные территории. Логика формирования сегментов максимально упрощена для обеспечения минимального времени работы, при этом точность проведения границ достаточна для решения задач мониторинга и распознавания быстроменяющихся типов растительного покрова, таких как сельскохозяйственная растительность. Описанный метод сегментации в настоящее время используется в автоматических алгоритмах оперативного анализа спутниковых данных, разработанных в ИКИ РАН для распознавания и оценки состояния растительности на больших территориях, в частности, озимых, яровых культур, используемых пахотных земель. Возможность установления границ сегментов в условиях наличия пропущенных значений во временных сериях данных позволяет рассчитывать и восстанавливать недостающие измерения на основе спектрально-временных связей между пикселями сегмента. Устойчивость метода к шуму в исходных данных дистанционных наблюдений может быть использована для его подавления, что показано на примере радиолокационных изображений.
Бесплатно
Статья научная
В статье рассматривается вопрос формирования требований к мультиспектральным данным дистанционного зондирования Земли при экспертизе зарастания пахотных земель древесно-кустарниковой растительностью с применением авторской технологии анализа состава растительных сообществ, основанной на суперпиксельной сегментации. Исследование производится по двум наземным контрольно-измерительным площадкам с использованием доступных данных дистанционного зондирования Земли высокого разрешения. В статье рассматривается влияние пространственного разрешения, комбинаций спектральных каналов, а также сезонов съёмки на качество оценки элементарных классов растительности, составляющих основу растительного сообщества - залежь, по мультиспектральным данным дистанционного зондирования Земли. В ходе исследований было показано, что для определения древесно-кустарниковой растительности эффективнее использовать данные дистанционного зондирования Земли, полученные в осенний период, а именно во второй половине сентября...
Бесплатно
Статья научная
В работе рассматривается проблема высоконадежной биометрической аутентификации на основе преобразователей тайных биометрических образов в длинный ключ или пароль, а также их тестирования на сравнительно малых выборках (тысячи образов). Статические образы являются открытыми, поэтому при удаленной аутентификации доверие к ним ограничено. Описан процесс вычисления биометрических параметров голосового и рукописного паролей, предложен метод автоматического формирования гибкой гибридной сети, состоящей из нейронов различного типа, и абсолютно устойчивый алгоритм ее обучения на малых выборках «Свой» (7-15 примеров). Предложен метод обученного гибридного преобразователя «биометрия-код» от извлечения знаний. Достигнуты низкие показатели FAR.
Бесплатно
Статья научная
Непрерывное совершенствование методов регистрации, обработки и хранения визуальной информации приводит к необходимости улучшения технических характеристик систем цифровой обработки изображений. В данной работе предлагаются новые высокопроизводительные архитектуры цифровых фильтров для обработки изображений по методу Винограда с вычислениями в системе остаточных классов с модулями специального вида. Для оценки производительности и аппаратных затрат предложенных архитектур проведено аппаратное моделирование с использованием программируемых логических интегральных схем в среде автоматизированного проектирования Xilinx Vivado 2018.3 для целевой платы Artix-7 xc7a200tffg1156-3. Результаты аппаратного моделирования показали, что предлагаемые архитектуры цифровых фильтров повышают производительность до 5,42 раза по сравнению с известными методами за счет увеличения аппаратных затрат. Результаты данного исследования могут быть использованы при проектировании сложных систем обработки и анализа изображений, с целью увеличения их производительности.
Бесплатно
Статья научная
В данной статье рассматривается идея совместного анализа изображений компьютерной томографии лёгких и текстовых радиологических данных для повышения качества автоматизированной диагностики эмфиземы. Сравнивается качество классификации изображений без учёта локализации патологии, упомянутой в радиологических отчётах, и с её учётом. Исследование произведено на наборах реальных изображений компьютерной томографии лёгких, полученных при клинических исследованиях в Самарском государственном медицинском университете. Установлено, что использование информации о локализации патологии, содержащейся в радиологических отчётах, приводит к повышению F-меры обнаружения эмфиземы с 0,55 до 0,73.
Бесплатно
Статья научная
Основываясь на данных наблюдения магнитных обсерваторий и вариационных станций, публикуемых на портале SuperMAG, предлагается и верифицируется подход к построению специализированной веб-ГИС на базе микросервисной архитектуры, обеспечивающей аналитический контроль возмущенной составляющей вариаций геомагнитного поля. Реализованный в рамках данной системы метод пространственной интерполяции геомагнитных данных в совокупности с предложенной схемой их ранжировки и интерпретации, а также способом визуализации в виде изолиний позволяет отслеживать структуру, наблюдать динамику, выявлять вероятные регионы, длительность и временные интервалы возникновения экстремальных геомагнитных возмущений.
Бесплатно
Геоинформационная система для оценки взаимного расположения векторных пространственных объектов
Статья научная
Предложен новый подход (метод и алгоритм) к оценке взаимного расположения векторных геопространственных объектов произвольной геометрии в геоинформационных решениях. Основой подхода является концепция пространственных доменов и интерполяции значений атрибутивных параметров, что в совокупности позволяет анализировать пересечения даже для геопространственных объектов с нерегулярной и разреженной структурой, таких как изолинии и точечные слои. Для формализации подхода предложена математическая модель, характеризующая процесс формирования промежуточных геопространственных примитивов и оценки их атрибутов с использованием интерполяции. Для оценки работоспособности предложенного решения разработан исследовательский прототип веб-приложения на базе Python и GeoPandas. Проведенные вычислительные эксперименты показали эффективность применения предложенного подхода как в контексте точности соответствующих значений, так и с точки зрения производительности итогового веб-приложения.
Бесплатно
