Диссертация (Разработка и исследование алгоритмов совмещения изображений от бортовых видеодатчиков с виртуальной моделью местности)

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕУЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯРЯЗАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ РАДИОТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТНа правах рукописиЕФИМОВ АЛЕКСЕЙ ИГОРЕВИЧРазработка и исследование алгоритмов совмещения изображений отбортовых видеодатчиков с виртуальной моделью местностиСпециальность 05.13.17 – Теоретические основы информатикиДиссертация на соискание ученой степени кандидата технических наукНаучный руководительНикифоров Михаил Борисович,кандидат технических наук, доцентРязань 20162ОГЛАВЛЕНИЕВВЕДЕНИЕ ......................................................................................................................

5ГЛАВА 1. ОБЗОР И АНАЛИЗ АЛГОРИТМОВ И МЕТОДОВ СОВМЕЩЕНИЯИЗОБРАЖЕНИЙ В СИСТЕМАХ УЛУЧШЕННОГО ВИДЕНИЯ ........................... 161.1 Алгоритмы и методы предварительной обработки изображений с целью ихпоследующего совмещения в авиационных системах видения ............................... 171.2 Корреляционные методы совмещения .............................................................. 181.2.1 Систематизация и анализ критериальных функций, пригодных дляиспользования в системах улучшенного видения .....................................................

181.2.2 Корреляционная критериальная функция ................................................. 181.2.3 Разностные критериальные функции ......................................................... 191.2.4 Парные критериальные функции ...............................................................

201.4 Методы поиска глобального экстремума в задачах многоэкстремальнойоптимизации................................................................................................................... 231.4.1 Метод мультистарт ...................................................................................... 281.4.2 Туннельный алгоритм..................................................................................

291.4.3 Сетки и методы покрытий ........................................................................... 301.4.4 Поиск с запретами ........................................................................................ 311.4.5 Генетические алгоритмы ............................................................................. 321.5 Некорреляционные методы совмещения изображений .................................. 351.6 Обзор дескрипторов ключевых точек ...............................................................

361.6.1 Дескриптор SURF......................................................................................... 371.6.2 Дескриптор SIFT .......................................................................................... 401.6.3 Выводы по применимости дескрипторов для совмещения разнородныхизображений...................................................................................................................

431.7 Основные выводы по главе ................................................................................ 43Постановка задач исследования .............................................................................. 45ГЛАВА 2. АЛГОРИТМЫ СОВМЕЩЕНИЯ ИЗОБРАЖЕНИЙ В СИСТЕМАХКОМБИНИРОВАННОГО ВИДЕНИЯ ........................................................................ 462.1 Сравнение и выбор видов критериальных функции .......................................

4632.2 Совмещение изображений с помощью аффинных преобразований ............. 522.3Некорреляционноесовмещениесприменениемдробно-линейныхпреобразований.............................................................................................................. 542.3.1 Алгоритм построения матрицы гомографии по минимальному числуключевых точек. ............................................................................................................ 542.3.2Разработкаалгоритмапостроенияматрицыгомографиипопроизвольному числу ключевых точек ....................................................................... 592.3.3 Разработка алгоритма выделения значимых объектов ............................

612.3.4 Разработка алгоритма получения связных контуров ............................... 642.3.6 Разработка алгоритма сокращения количества точек в контурах .......... 672.3.7 Разработка алгоритма установления однозначного соответствия междуугловыми точками ......................................................................................................... 702.3.7 Разработка алгоритма отбраковки недостоверных пар ключевых точек 722.3.8 Пошаговый алгоритм поиска матрицы гомографии ................................ 792.4 Алгоритм совмещения изображений на основе единственной парыключевых точек ............................................................................................................. 802.5 Основные выводы по главе ................................................................................

89ГЛАВА3.АЛГОРИТМЫОЦЕНКИКАЧЕСТВАСОВМЕЩЕНИЯИЗОБРАЖЕНИЙ ........................................................................................................... 913.1 Постановка задачи по оценке качества совмещения изображений ............... 923.2 Классификация существующих подходов к оценке качества совмещения .. 933.3 Алгоритмы сравнения площадей пересекающихся контуров протяженныхобъектов..........................................................................................................................

973.4 Алгоритм оценки качества совмещения на основе межпиксельногорасстояния .................................................................................................................... 1013.5 Алгоритм оценки качества совмещения на основе углов между линиямиконтуров ....................................................................................................................... 1063.6 Варианты совместного использования предлагаемых подходов по оценкекачества совмещения ..................................................................................................

1123.7 Основные выводы по главе .............................................................................. 1134ГЛАВА4.ПРОГРАММНО-АЛГОРИТМИЧЕСКИЕСРЕДСТВАИССЛЕДОВАНИЯ И АПРОБАЦИИ ПРЕДЛАГАЕМЫХ АЛГОРИТМОВ ......... 1154.1 Проектирование программного обеспечения для исследования алгоритмовотладки изображений .................................................................................................. 1154.1.1 Структура программного обеспечения ....................................................

1154.1.2 Описание отдельных модулей программного обеспечения .................. 1164.2 Методика проведения экспериментов ............................................................ 1204.2 Исследование методов поиска глобального экстремума .............................. 1224.2.1 Метод покрытий ......................................................................................... 1224.2.2 Мультистарт................................................................................................

1244.2.3 Генетический алгоритм ............................................................................. 1264.3 Исследование алгоритма совмещения по единственной паре ключевыхточек.............................................................................................................................. 1294.3.1 Исследование методов оценки качества совмещения изображений .... 1294.3.2 Сравнительный анализ трудоемкости алгоритмов совмещения ...........

1354.3 Применение алгоритма совмещения с использованием произвольногоколичества пар ключевых точек ................................................................................ 1374.4 Описание аппаратной реализации предлагаемых алгоритмов ..................... 1464.4.1 Реализация алгоритма преобразования одного изображения к плоскостидругого с применением матрицы гомографии ......................................................... 1484.4.2 Реализация алгоритма оценки качества совмещения изображений наоснове межпиксельного расстояния .......................................................................... 1504.5 Основные выводы по главе .............................................................................. 152ЗАКЛЮЧЕНИЕ ...........................................................................................................

153СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ И УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ .............................. 155СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ........................................................................................... 156ПРИЛОЖЕНИЕА.КОПИИАКТОВВНЕДРЕНИЯРЕЗУЛЬТАТОВДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ………………..…………….…………………..165ПРИЛОЖЕНИЕ Б. КОПИИ СВИДЕТЕЛЬСТВ О РЕГИСТРАЦИИ ПРОГРАММДЛЯ ЭВМ………………………………………………………………………….…1695ВВЕДЕНИЕАктуальность темы исследования. В авионике перспективных летательныхаппаратов(ЛА)должнаосуществлятьсякомплекснаяобработкавидеоинформации от датчиков системы технического зрения (СТЗ) и изображениявиртуальной модели местности (ВММ), формируемого на базе априорнойцифровой картографической информации с использованием навигационныхданных. Цель комплексной обработки информации заключается в формированиимаксимально полной и адекватной информации о текущей ситуации в воздушномпространстве и наземной инфраструктуре аэропорта в сложных условияхвидимости и, как следствие, существенно повысить безопасность полетов иособенно в сложных метеоусловиях и на этапе посадки воздушного судна.Совокупностьинформацииисредств,ееобеспечивающихотображениеэкипажу,комплекснуюпринятообработкуназыватьсистемойкомбинированного видения (Combined Vision System – CVS), которая должна нетолько отвечать требованиям и выполнять функции двух систем: системыулучшенноговидения(EnhancedVisionSystem–EVS)исистемысинтезированного видения (Synthetic Vision System – SVS), включающейформирование ВММ, но и обладать новыми возможностями, связанными содновременной совместной индикацией EVS и SVS изображений [1].