Файл: Виноградов Р.И. Автоматическое опознавание электрических сигналов.pdf

F

95

Для того чтобы геометрическое описание контура быно ин­ вариантно по отношению к ортогональному преобразованию "пере­ нос” , необходимо выразить прямолинейные отрезки контура через их длины и углы наклона. Обозначая длину отрезков через L , а углы - через oL , получим

Г = [ L( »0ll » > V <*2> *-'*> L n d n] ’

где L ■ есть расстояние между двумя крайними точками прямых, определенных при помощи декартовой прямоугольной системы ко­ ординат.

Геометрическое описание контура, инвариантное также по от­ ношению к ортогональному преобразованию "поворот", выражаем в виде упорядоченной конечной последовательности пар чисел, ха­ рактеризующих длины прямолинейных отрезков и углы искривления

разность углов наклона его смежных прямолинейных отрезков. Если угол искривления контура обозначим через

. ' . . Л . . * '

Для того чтобы геометрическое.описание контура было ин­ вариантно по отношению преобразований подобия, необходимо пе­ рейти от конкретных размеров прямолинейных отрезков контуре к их относительным размерам.

97

Следовательно, геометрическое описание контура плоской фи­ гуры, инвариантное относительно перспективно-аффинных преобра­ зований, будет вырэнено в виде упорядоченной конечной последо­ вательности произведений Л на р , т .е .

г = о Л г рг с> ... о .

Успешная реализация данного метода опознавания геометри­ ческих фигур во многом зависит от правильного решения ряда за­ дач, сопутствующих денному методу. Остановимся лишь не тех за­ дачах, решение которых имеет первостепенное значение. Bo-rtep- вых, это разработке и выбор рациональных методов поиске и вы­ деления контуров геометрических фигур. Во-вторых, разработка методов фильтрации и корректировки контурных изображений фи­ гур, искаженных помехами. В-третьих, разработка метода, обес­ печивающего препарирование контурных линий фигур в виде упо­ рядоченной последовательности прямолинейных отрезков. При зтом контур фигуры представляется ломаной линией, вершины углов из­ лома которой являются особыми точками. В-четвертых, это опре­ деление длины и углов наклона отдельных прямолинейных отрез­ ков, а также определение основных геометрических размеров фи­ гуры.

Детальная разработка и комплексное реиение вышеперечислен­ ных задач позволили бы реально оценить все положительные и от­ рицательные стороны разработанного метода опознавания.

Несмотря на то, что в настоящее время проведено значитель­ ное число исследований строения глаз и характеристик зрения человека и животных, а также производится успешное моделиро­ вание зрительных функций различных животных, выбору типа сет­ чатки рецепторного устройства не уделяется должного внимания. Авторы различных опознающих устройств, стремясь к наиболее "естественному" кодированию изображений фигур на некотором поле, разбивают его с помощью горизонтальных и вертикальных прямых не одинаковые нвадратные элементы. Выбор сетчатки, со­ стоящей из квадрэтных элементов, обьясняется некоторой про­ стотой тех операций, которые в дальнейшем проводятся при ана­ лизе рецепторного поля.

Существует лишь небольшое число возможных типов мозаик, состоящих из неперекрывающихся равносторонних многоугольни­ ков. Форма этих многоугольников может быть квадратная, трех-

98

угольная и шестиугольная. Конечно, можно было бы рассмотреть и тание мозаики, как прямоугольные, трапецеидальные, ромбиче­ ские и др. Но даже при беглом ознакомлении с ними нетрудно убедиться в нерациональности их использования.

Если выбор типе сетчатки производить из условия использо­ вания круглых светочувствительных элементов, то задача решает­ ся однозначно путем выборе наиболее плотной 5П8ковни.

Коэффициенты заполнения сетчатки светочувствительными эле­ ментами будут равны при имитации нвадратной мозаики 0 ,7 9 ,трех­ угольной 0,61 и шестиугольной (сотовой) 0,95, являющейся нэилучшей. Использование сетчатки, состоящей из шестиугольных элементов, позволяет повысить точность измерений. Кроме этого, необходимо отметить еще одно дополнительное свойство шести­ гранной сетчатки. Оно заключается в том, что при изображении фигур малым числом элементов (мелкие фигуры) поворот изобра­ жения фигуры относительно координатных осей шестигранной сетчатни приводит к меньшим искажениям изображений, чем при ис­ пользовании сетчатки из квадратных элементов. Вышеприведенное позволяет сделэть вывод о целесообразности использования в рецепторных устройствах сетчаток с шестигранными светочувст­ вительными элементами, образующими сотовую сетчатку.

При решении задачи поиска объектов на анализируемом поле главным является рациональное распределение поискового усилия, которое должно осуществляться в соответствии с вероятностными характеристиками возможного наличия интересующих нас объектов в различных честях поля. Если мы располагаем вероятностными характеристиками распределения объектов по полю, то, опери­ руя с такими критериями, как максимум вероятности обнаружения, минимум вероятности пропуска объектов, минимум времени поиска и д р ., можно определить наияучшую траекторию сканирования, ко-* торая получается в результате разработки стратегии поиска. В основе данного типа сканирования лежат априорные данные о воз­ можных положениях объектов, причем эти данные могут задавать­ ся заранее в виде жестких программ или формироваться и уточ­ няться в соответствии с результатами предыдущего сканирования определенных участков анализируемого поля.

Кроме данного типа сканирования в поисковых сканирующих системах применяется равномерное распределение поисковых уси­ лий, которое сопровождается рэвноплотным сканированием всего поля. Второй тип сканирования, использующий построчные, зиг-

С

99

зэгообразные, петлевые и другие траектории, применяется в слу­ чае равновероятного положения объектов в контролируемом поле. Если геометрические размеры искомых объектов известны и они не являются точечными, то съем информации может осуществлять­ ся в виде сетки, что позволяет значительно сократить время поиске.

При этом величина клеток сетки выбирается из условия их равенства искомым объектам.

Третий тип сканирования использует спиральные, розеточные и паутинообразные траектории, которые целесообразны в случав потери объекта и обзора пространства, окружающего определенную точну анэлируемого поля [б ?].

На основании вышеизложенного, учитывая, как правило, от­ сутствие априорных данных о возможных положениях объектов и их геометрических размерах, можно рекомендовать использовать при поиске объектов зигзагообразную и спиральную развертки.

Зигзагообразную развертку можно использовать на первом этапе поиске, а спиральную в случае потери информации при наличии помех.

В связи с тем, что рассматриваемый метод автоматического опознавания основвн на использовании геометрических описаний контуров изображений фигур, имеется необходимость выделения нонтуров, а также препарирования контурных линий в виде упо­ рядоченной последовательности прямолинейных отрезков. Опера­ ция препарирования выполняется благодаря выделению особых то­ чек контурных линий, которые могут быть получены лишь в резуль­ тате детального анализа контура опознаваемого объекта.

Для осуществления твкого детального анализе в настоящее время имеется большое число достаточно хорошо разработанных и экспериментально проверенных следящих сканирующих систем.

Все эти системы можно разделить на три класса: оптико-механи­ ческие сканирующие системы, фотоэлектронные сканирующие систе­ мы и комбинированные.

Дня целей автоматического опознавания образов в дальней­ шем, по-видимому, найдут применение комбинированные системы развертки, которые будут состоять как из оптико-механических, так и фотоэлектронных устройств.

В связи с тем, что оптико-механические сканирующие систе­ мы ограничены по быстродействию, их самостоятельное использо­ вание не может найти широкого применения в системах оптическо­

100

го опознавания. Однако для решения отдельных специальных задач онн ногут с успехом использоватьоя.

Все фотоэлектронные сканирующие следящие системы в свою очередь делятся не типы. Перечислим некоторые из них.

Прежде всего, это устройстве следящей развертки (ри с.3 .4 ,а), использующие электронно-лучевую трубку I и фотоэлектронный уы-

Рис.3.4

ножитель 2 или диссектор 4 (рис.3 .4 ,б). Устройство управления разверткой обозначено цифрой 3.

Эти устройства следящей развертки имеют общий недостаток, который заключается в поэлементном анализе изображений, что, конечно, ограничивает скорость ввода информации.

К сожалению, следящие устройства с диссекторами не нашли

г

IOI

широкого применения, хотя и обладаю рядом положительных ка­ честв по сравнению с трубками, работающими с накоплением за­ рядов. Диссектор позволяет вести развертки с переменным направ­

лением и увеличить точность измерения освещенности в связи с одинаковыми условиями работы всех участков фотоквтодз. Кроме того, здесь обеспечивается ввод информации непосредственно от объектов, а не с фотографии или рисунков.

Начиняют находить применение устройства следящей развертки, использующие электронно-оптический преобразователь 5 совместно с волоконно-оптическим преобразователен 6 и фотоэлектронными умножителями. Основным преимуществом денного устройстве ввода

с помощью телевизионных передающих устройств или электроннолюминисцентных и полупроводниковых сканирующих устройств 8. Рэзвертка же изображения осуществляется в результате последо­ вательного логического анализа элементов оперативной памяти ЭВМ в соответствии с заранее составленной программой, обеспе­ чивающей моделирование работы любого типа разверток. Недостат­ ком этой системы является зависимость скорости обработки исход­ ной информации от быстродействия ЭВМ.

Однако в процессе разработки опознающих устройств исполь­ зование такой системы является обязательным, так как позволяет сократить до минимума расходы на изготовление эксперименталь­ ных образцов, необходимых для проверки различных гипотез, на­ правленных на решение проблемных вопросов автоматического опо­ знавания образов.

На наш взгляд, наиболее перспективными являются устройства следящей развертки, использующие электронно-оптические преоб­ разователи и волоконно-оптические преобразователи. Электронно­ оптические преобразователи позволяют усилить яркость и контраст­ ность изображения, а также осуществить поворот и отклонение изображения объента относительно оптической оси устройства вво­ да. Использование же волоконной оптики в режиме трансформато­ ров позволяет осуществлять одновременную обработку анализируе­ мого поля несколькими устройствами, которые могут выполнять различные функции.

102

В традиционных однонэнзлвных сладящих сканирующих системах слежение га контуром изображений, а также выделение контуров осуществляется или за счет круговой развертки малой зоны поля

большого числа каналов при вводе с помощью электронно-оптиче­ ских преобразователей позволяет иначе решить эту задачу. Скомпановав стекловолокна в виде сотовой матрицы и соединив выходы фотоэлектронных умножителей с логическим устройством, можно осуществить решение следующих задвч.

1. Выделение контурных линий анализируемых изображений.

2. Поиск информации и определение направления поиска.

3. Обеспечение прослеживающего движения матрицины по кон­ турной линии изображения, а также предсказание направления движения.

на прямолинейных участках'контурной линии с блокировкой запи­ си координат промежуточных точек прямолинейных отрезков.

7. Запись координат концевых точек отрезков.

8. Устранение случайных разрывов контурных линий и филь­ трация отдельных точек и тонких линий, появившихся вследствие помех.

Приведенный, хотя и неполный, перечень задач дзет возмож­ ность оценить преимущество такого метода ввода для получения координатных описаний изображений геометрических фигур.

Возможная структурная схема опознающего автомата представ­ лена на рис.3 .5 . Порядок работы опознающего автомата следующий. Осуществляется поиск субкадра I с подозрительными местями по косвенным "грубым" признакам с помощью электронно-оптического преобразователя 2 и блока программного поиска 3. После обнару­ жения таного субкадра производится поиок контурной линии с по­ мощью следящего логического устройства 4 и блона предпрограммного поиска 5. После обнаружения контура объекта производится слежение по контурной линии с пересылкой в блок вычисления ин­ вариантных признаков ^координат особых точек контура, а также значений текущей кривизны контурной линии.