Обработка изображений, распознавание образов. Рубрика в журнале - Компьютерная оптика
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
Статья научная
Предложена гибридная архитектура нейронной сети SegTwice для решения задачи семантической сегментации, которая сочетает в себе преимущества трансформеров и свёрточных нейронных сетей в рамках общей структуры кодер-декодер. Представлена оригинальная архитектура кодирующей сети TWICE-DA с иерархической структурой из четырех уровней. Вводятся и обосновываются новые архитектурные решения в блоках трансформера, имеющие отличие от известных аналогов. К ним относятся: модуль многомасштабного восприятия, модуль канального внимания, модуль деформируемого внимания и модуль свёрточной сети прямого распространения. Для задачи классификации изображений проведены эксперименты с целью оценки эффективности извлечения признаков TWICE-DA на разных по сложности наборах данных. Показано, что TWICE-DA демонстрирует высокое качество, превосходя большинство современных моделей по точности и вычислительной сложности. Осуществлена интеграция TWICE-DA в структуру сети семантической сегментации путём добавления легковесного MLP-декодера, что в итоге позволило реализовать заявленную архитектуру SegTwice. Эксперименты, проведённые на типовых аэрокосмических наборах данных LoveDA и Potsdam, показали, что предложенная сеть SegTwice демонстрирует конкурентоспособные показатели и не уступает в точности традиционным моделям и современным трансформерам, а в некоторых случаях превосходит их. Важно отметить, что SegTwice обучалась «с нуля», без предварительного обучения на больших наборах данных, что свидетельствует о её устойчивости к переобучению в условиях ограниченного объёма данных.
Бесплатно
Статья научная
Рассмотрены наиболее используемые на практике методы автоматизированной идентификации изменений ландшафтного покрова по данным дистанционного зондирования Земли. На их основе предложены подходы к формированию гибридных методов. Приведены результаты экспериментальных исследований методов в условиях шумов различного типа и интенсивности. По результатам экспериментов определены гибридные методы, позволяющие получать результаты лучшего качества по сравнению с известными методами при автоматизированном решении задачи идентификации изменений.
Бесплатно
Гиперспектральный in vivo анализ хромофоров нормальной кожи и визуализация онкологических патологий
Статья научная
В работе представлены результаты тестирования методов бесконтактной диагностики новообразований кожи, основанные на регистрации снимков, полученных с помощью гиперспектральной камеры с акустооптическим перестраиваемым фильтром. Для идентификации онкологических патологий предложен интегральный спектральный индекс по множеству концентрических областей вокруг источника роста новообразования исследуемой биоткани. Введенный индекс позволяет, наряду с изменением спектральных свойств ткани, косвенно учесть классические дерматоскопические параметры ABCD: асимметрию, неровность границ, цветовое разнообразие, диаметр новообразования. Приведены результаты разделимости обучающей выборки, и показана возможность применения предложенных подходов в клинической практике.
Бесплатно
Два метода адаптивной медианной фильтрации импульсного шума на изображениях
Статья научная
В статье предложены два новых метода адаптивной медианной фильтрации импульсного шума в изображениях. Первый метод основан на совместном применении итеративной обработки и преобразования результата медианной фильтрации на основе распределения Лоренца. Второй метод использует альтернативные маски медианного фильтра, рассчитанные с использованием метрики Евклида. Такой подход позволил уменьшить размер обрабатываемой области без потери качества обработки для шумов с низкой интенсивностью. В экспериментальной части статьи приведены результаты сравнения качества работы предложенных методов с известными. Для моделирования были использованы 3 различных изображения, искаженные импульсным шумом с вероятностями искажения пикселей от 1 % до 99 % включительно. Численная оценка качества очистки изображений от шума на основе пикового отношения сигнала к шуму (PSNR) и индекса структурного сходства (SSIM) показала, что предложенные методы показывают лучший результат обработки во всех рассмотренных случаях по сравнению с известными подходами. Полученные в статье результаты могут найти широкое практическое применение в обработке спутниковых и медицинских изображений, геофизических данных и других приложениях цифровой обработки изображений.
Бесплатно
Статья научная
Исследованы свойства двухканального акустооптического фильтра пространственных частот, отклоняющего оптические лучи в два симметричных порядка. Выявлено, что неоднородное распределение поля в каждом порядке дает возможность выполнять обработку изображений по двум каналам с использованием различных передаточных функций. Формирование двумерного контура в двух дифракционных порядках подтверждено экспериментально на длине волны 0,63 мкм. В качестве двухканального фильтра пространственных частот использована АО-ячейка из ТеО2, работающая на частоте звука 26 МГц.
Бесплатно
Статья научная
Работа посвящена поиску единого решения для практической задачи повышения разрешения разнородных цифровых изображений дистанционного зондирования Земли: панхроматических изображений, цветных изображений, мультиспектральных и гиперспектральных изображений, а также изображений, полученных радаром с синтезированной апертурой (РСА). Для получения такого решения из существующих наборов данных был собран агрегированный, включающий как пары изображений высокого и низкого разрешений, так и отдельные изображения, выступающие как изображения высокого разрешения. Для собранной базы данных и типовой модели искажений было проведено экспериментальное сравнение различных современных нейросетевых моделей повышения разрешения (включая преднастроенные и переобученные варианты), которые в обзорах фигурируют как state-of-the-art: сверточные, генеративно-состязательные и трансформенные (основанные на механизме внимания). Учитывая возможные ограничения моделей на число слоев космических снимков, рассматривались два варианта предварительной обработки изображений. Итоговый результат работы – единая нейросетевая модель повышения разрешения цифровых космических снимков, дополненная адаптерами для различных их типов, которая при обучении превосходит или не уступает современным специализированным state-of-the art решениям.
Бесплатно
Защита авторских прав на глубокие модели классификации изображений
Статья научная
С ростом числа задач, решаемых с помощью методов глубокого обучения, растёт потребность в защите от несанкционированного распространения такого вида интеллектуальной собственности, как предобученные модели глубоких нейронных сетей. На сегодняшний день одним из наиболее распространенных способов защиты авторских прав в цифровом пространстве является встраивание цифровых водяных знаков. При решении задачи встраивания цифровых водяных знаков важным критерием является сохранение точности прогнозов модели после процедуры внедрения защитной информации. В данной работе предлагается метод встраивания цифровых водяных знаков в модели классификации изображений, основанный на добавлении в обучающую выборку изображений, полученных путем наложения псевдоголограмм на изображения оригинального дат+асета. Псевдоголограмма - это изображение, синтезируемое на основе заданной бинарной последовательности путем расстановки импульсов, кодирующих каждый бит, в спектральной области. Согласно результатам проведенного экспериментального исследования предложенный метод позволяет сохранить качество классификации и, кроме того, сохраняет свою работоспособность независимо от архитектуры защищаемой нейронной сети. Проведённые серии атак на защищенные модели показывают, что попытки злоумышленника полностью удалить цифровые водяные знаки маловероятны без значительной потери качества прогнозов. Результаты экспериментов также включают рекомендации по выбору параметров метода, таких как размер триггерной и обучающей выборок, а также длина последовательностей, кодируемых псевдоголограммами.
Бесплатно
Статья научная
В работе рассматривается задача извлечения предпочтений пользователя по его фотоальбому. Предложен новый подход на основе автоматического порождения текстовых описаний фотографий и последующей классификации таких описаний. Проведен анализ известных методов создания аннотаций по изображению на основе свёрточных и рекуррентных (Long short-term memory) нейронных сетей. С использованием набора данных Google’s Conceptual Captions обучены новые модели, в которых объединяются характерные признаки фотографии и выходы блока рекуррентной нейронной сети. Исследовано применение алгоритмов обработки текстов для преобразования полученных аннотаций в пользовательские предпочтения. Проведены экспериментальные исследования с помощью наборов данных Microsoft COCO Captions, Flickr8k и специально собранного набора данных, отражающего интересы пользователя. Показано, что наилучшее качество определения предпочтений достигается с помощью методов поиска ключевых слов и суммаризации текстов из Watson API, которые оказываются на 8 % точнее по сравнению с традиционным латентным размещением Дирихле. При этом описания, порожденные с помощью обученных моделей, классифицируются на 1 - 7 % точнее известных аналогов.
Бесплатно
Статья научная
Представлены результаты выявления многолетних изменений в растительном покрове оставленных аграрных угодий лесостепной зоны Центрального Черноземья на основе рядов вегетационного индекса NDVI. Значения спектрального показателя вычислены на основе изображений MOD13Q1. Исследованы особенности динамики вегетационного индекса в зависимости от величины проективного покрытия крон древесных сообществ, формирующихся на залежах. Установлено, что значения индекса периода середины августа наиболее информативны для анализа доли лесных насаждений, присутствующих на оставленных аграрных угодьях. Для залежей с хвойными породами характерны более высокие корреляции с NDVI, чем для залежей с лиственными сообществами. В период 2000 - 2018 гг. для всех типов залежей лесостепи Центрального Черноземья установлено наличие положительной статистически значимой тенденции вегетационного индекса. С использованием коэффициента наклона трендовой линии NDVI выполнен пространственно-временной анализ скорости формирования древесных сообществ на залежах лесостепи в первые десятилетия XXI века. Изучены особенности этого процесса.
Бесплатно
Статья научная
В статье рассмотрен подход к интеграции геоинформационных технологий и методов цифровой обработки изображений с целью повышения эффективности использования компьютерных технологий в управлении сложными распределенными системами в аварийных ситуациях на примере анализа деятельности предприятий трубопроводного транспорта нефти, включая линейную часть, нефтеперекачивающие станции, административные, ремонтные и спасательные подразделения. Новизна предложенного варианта интеграции геоинформационных технологий и цифровой обработки изображений состоит в применении теоретико-множественного подхода к единообразному формализованному описанию разнотипных пространственных данных, цифровых изображений и их взаимосвязях, необходимых для построения трехмерных моделей производственных объектов сложно распределенных систем. В дальнейшем она позволила определить критерии, состав и структуру этих трехмерных моделей с применением различных уровней детальности моделей объектов для уменьшения вычислительной нагрузки и ускорения трехмерной визуализации объектов сложно распределенных систем, необходимых для поддержки принятия решений при парировании некоторых видов угроз (аварий). Преимущество предложенного подхода заключается в повышении эффективности поддержки принятия решений при парировании некоторых угроз, которое достигается в том числе за счет применения трехмерной визуализации технологической и оперативной (поступающей в случае аварийной ситуации) информации о производственных объектах сложно распределенных систем, а качество, наполняемость и оптимизация трехмерной модели напрямую влияют на принимаемые решения при реализации действий реагирования на аварийные ситуации. Разработанные методы и алгоритмы доведены до практической реализации и применены для построения трехмерных геоинформационных моделей производственных объектов предприятий трубопроводного транспорта нефти.
Бесплатно
Интеллектуальные методы анализа природных данных: приложение к космической погоде
Статья научная
В работе описаны методы обнаружения аномалий в данных геофизического мониторинга. Рассмотрен актуальный класс задач этой области, направленный на создание методов прогноза космической погоды. Негативное воздействие аномалий космической погоды на здоровье людей и практически на все объекты современной инфраструктуры требует развития методов и создания эффективных средств обнаружения аномалий. Широко применяемые для задач анализа данных и обнаружения аномалий методы пороговой вейвлет-фильтрации позволяют с использованием стратегии «жадности» получить достаточно точные оценки даже при неполных данных относительно шума. Сигнал в этом случае оценивается путем изоляции когерентных структур. Но эти методы имеют большую вычислительную сложность и в случае, когда энергия сигнала мала относительно энергии шума, не обеспечивают получение точных оценок. Для таких сигналов в работе предлагается использовать адаптивные вероятностные пороги. Вводятся параметры пороговой функции, позволяющие оценить изменчивость процесса, подавить шум и детектировать нестационарные особенности разной частотно-временной структуры. Также в работе рассматриваются способы совмещения пороговой вейвлет-фильтрации с нейронными сетями архитектур NARX и Автокодировщик. Предложены схемы реализации таких подходов в задачах обнаружения аномалий космической погоды. На примере задачи обнаружения ионосферных аномалий показана эффективность совмещения пороговой вейвлет-фильтрации с сетью NARX. Эффективность совместного применения сети Автокодировщик с адаптивной пороговой вейвлет-фильтрацией показана в задаче обнаружения аномалий в данных интенсивности потока космических лучей.
Бесплатно
Интерполяция на основе контекстного моделирования при иерархической компрессии многомерных сигналов
Статья научная
Исследуются контекстные алгоритмы интерполяции многомерных сигналов в задаче компрессии. Рассматривается метод иерархической компрессии для сигналов произвольной размерности. Для этого метода предлагается алгоритм интерполяции, основанный на контекстном моделировании. Алгоритм основан на оптимизации параметров интерполирующей функции в локальной окрестности интерполируемого отсчёта. При этом локально оптимальные параметры, найденные для более прореженных масштабных уровней сигнала, используются для интерполяции отсчётов менее прореженных масштабных уровней сигнала. Контекстный алгоритм интерполяции реализован программно в составе иерархического метода компрессии. Вычислительные эксперименты показали, что использование контекстного интерполятора вместо усредняющего позволяет заметно повысить эффективность иерархической компрессии.
Бесплатно
Интерпретация действий животного по его изображению во времени, близком к реальному
Статья научная
Определение действий объекта - сложная и актуальная задача компьютерного зрения. Такую задачу можно решать с помощью информации о положении ключевых точек объекта. Обучение моделей, определяющих положение ключевых точек, требует большой объём данных, включающих в себя информацию о положении этих ключевых точек. В связи с недостатком данных для обучения представлен метод для получения дополнительных данных, а также алгоритм, позволяющий получать высокую точность распознавания действий животных на основании малого числа данных. Достигнутая точность определения положений ключевых точек на тестовой выборке составила 92,3 %. По положению ключевых точек определяется действие объекта. Сравниваются различные подходы к классификации действий по ключевым точкам. Точность определения действий объекта на изображении достигает 73,5 %.
Бесплатно
Информационная технология обработки данных ДЗЗ для оценки ареалов растений
Статья научная
В статье предлагается информационная технология обработки данных дистанционного зондирования Земли для оценки ареалов растений, основанная на вычислении локальных признаков, полученных по суперпиксельному представлению изображений, и кластеризации K-Means. Технология представляет собой автоматизированный способ оценки состава растительного ареала по заданной пользователем обучающей выборке. Достоинствами предлагаемой технологии являются использование меньшего объема данных для обучения, чем для поэлементной классификации, и более высокое качество классификации по сравнению с поэлементной классификацией.
Бесплатно
Статья научная
В данной работе исследуется влияние блоков сжатия и возбуждения на улучшение качества классификации остеоартрита при помощи сверточных нейронных сетей с архитектурами ResNet и DenseNet. Показано, что использование подобных блоков позволяет повысить качество классификации остеоартрита по шкале Келлгрена-Лоуренса на 1 - 3 % без существенной модификации традиционных схем. Также показано, что объединение 0-го и 1-го классов шкалы Келлгрена-Лоуренса в один класс позволяет на 12,74 % повысить точность автоматической классификации стадии остеоартрита, не теряя при этом значимой информации о заболевании. Наилучшая точность классификации составила 84,66 % при использовании ансамбля трех сверточных сетей с архитектурой DenseNet-121, с включенными в них блоками сжатия и возбуждения, что существенно превосходит результаты предыдущих исследований. Полученные результаты могут быть использованы как для автоматической постановки предварительного диагноза, так и в качестве вспомогательного инструмента.
Бесплатно
Использование спектрального вторичного контейнера в методе защиты видео с помощью фазовых ЦВЗ
Статья научная
В работе предложен новый метод защиты видео с помощью фазовых цифровых водяных знаков, отличающийся от ранее описанного метода использованием вторичного контейнера (дискретного спектра Фурье), обеспечивающего дополнительную защищенность видеоконтента. Защитная информация (бинарный QR-код) встраивается в дискретный спектр цифровых водяных знаков, который затем переводится в пространство в виде полутонового изображения, визуально напоминающего шум, которое затем встраивается в фазы синусоид, развивающихся во времени. В данной работе приведены эксперименты, анализирующие зависимость точности процедуры извлечения цифровых водяных знаков от объема встраиваемой информации, от качества. Также рассматривается возможность расположения QR-кода в разных областях дискретного спектра. Приведено экспериментальное доказательство работоспособности метода, а также его стойкости к сжатию с помощью кодека H.264. В заключение сравнивается эффективность использования предложенного метода в сравнении с исходным методом фазовых цифровых водяных знаков.
Бесплатно
