Узагальнений клас двопараметричних t-норм І t-конорм як основа нечітких зв’язок



жүктеу 334.83 Kb.
бет1/3
Дата04.01.2019
өлшемі334.83 Kb.
түріАвтореферат
  1   2   3

національний університет “Львівська Політехніка”


Берегуляк Олена Романівна

УДК 004.932




Інформаційні технології обробки зображень на основі двопараметричної трикутної норми та нечіткої логіки

05.13.06 – інформаційні технології




Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Львів – 2009

Дисертацією є рукопис
Робота виконана у Фізико-механічному інституті ім. Г.В. Карпенка Національної академії наук України

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор


Воробель Роман Антонович,

Фізико-механічний інститут ім. Г.В. Карпенка Національної академії наук України,


завідувач відділу “Обчислювальних методів і систем перетворення інформації”

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор


Лукін Володимир Васильович

Національний аерокосмічний університет ім. М.Є. Жуковського "Харківський авіаційний інститут" Міністерства освіти і науки України,


професор кафедри прийому, обробки і передачі сигналів
доктор технічних наук, професор
Тимченко Олександр Володимирович

Національний університет "Львівська політехніка" Міністерства освіти і науки України,


професор кафедри телекомунікацій

Захист відбудеться « » 2009 р. о год. на засіданні спеціалізованої вченої ради Д.35.052.14 Національного університету «Львівська політехніка» (79031, м. Львів, вул. С. Бандери, 28а, ауд. 807, корпус V).


З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національного університету «Львівська політехніка» (79031, м. Львів, вул. Професорська, 1).

Афтореферат розісланий « » 2009 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради,

к.т.н., доцент А.Є. Батюк

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Проблема реєстрації, опрацювання, зберігання та передачі інформації, що подається у виді цифрових зображень, пов’язаних зі задачами різної фізичної природи, в умовах невизначеності, неточності та розмитості даних на сьогодні є однією з ключових в теорії та практиці розробки інформаційних систем. Для її вирішення існує ряд підходів, що об’єднані поняттям “м’які обчислення”, одним з найважливіших елементів яких є нечітка логіка. Своєю появою нечітка логіка завдячує Лотфі Заде, а подальший розвиток отримала у працях таких вчених як Е. Мамдані, М. Сугено, Р. Белман, Б. Коско. Зокрема, значний внесок у розвиток теорії трикутних норм, як основи побудови нечітких зв’язок, внесли Ц. Алсіна, Л. Валверде, Е. Клемент, Ц. Г. Лінг, Р. Месьяр, Е. Пап, А. Склар, E. Тріллас, Б. Швейзер.

Чільне місце в обробці цифрових зображень займає задача покращання їх якості, що зумовлює необхідність попередньої обробки зображень перед їх класифікацією та аналізом, при розпізнаванні образів і прийнятті рішень. Розглядаючи покращання зображення як поліпшення його візуальної якості через збільшення розрізнення деталей і підвищення детальності в цілому, слід зазначити такі їх найпоширеніші методи як підсилення контрасту, усунення шумів зі зображень, а також методи виділення країв на зображенні, розвиток яких пов’язаний з роботами У. Претта, Р. Гонзалеза, Л. Ярославського, Р. Отена, Р. Фігайредо, І. Собела, Дж. Превітт, Й. Канні, І. Айзенберга, В. Нестерука, Н. Порфир’євої. Водночас при аналізі зображень актуальною є задача розпізнавання геометричних фігур на зображенні, зокрема виявлення аналітичних кривих, розв’язанню якої присвячені роботи П. Хафа, Р. Дуди, П. Харта, Л. Шапіро. Оскільки зображення за своєю природою містить деяку нечіткість, пов’язану як з втратою інформації при представленні тривимірних об’єктів двовимірним зображенням, так і з неясністю та нечіткістю у деяких визначеннях, які трактують елементи їх об’єктів, то доцільним є використання теорії нечітких множин і нечіткої логіки в обробці та аналізі зображень, яку започаткували та розвивали Л. Деш, Р. Кінг, Л. Коші, В. Машталір, С. Пал, І. Пітас, Г. Рампоні, Ф. Руссо, І. Сіроджа, А. Соколов, Х. Тіжуш, Ф. Фарбіз, Й. Хен, В. Чатіс, Х. Ченг, Б. Четтерджі.



Значний вклад в сучасний розвиток обробки та аналізу цифрових зображень внесли українські вчені Т. Вінцюк, Р. Воробель, В. Грицик, О. Івахненко, М. Кириченко, Б. Русин, М. Шлезінгер, Є. Путятін, О. Ахметшин, В. Лукін, Ю. Шабанов-Кушнаренко та багато інших. Запропоноване Р. Вороблем визначення узагальненого контрасту зображень, як складової оцінки якості, дає можливість адаптувати автоматичну систему аналізу зображення залежно від характеристики її сенсора. Однак, не зважаючи на те, що методи й алгоритми цифрової обробки та аналізу зображень щораз то більшою мірою стають невід’ємним елементом процесів технічної діагностики, все ще недостатньо розвинуті системи та методи, що враховують неточність інформації, яка міститься в зображенні, та інтуїтивне уявлення людини про оптимальність перетворення зображень. Тому розроблення методів та інформаційних технологій перетворення і аналізу цифрових зображень на основі теорії трикутних норм та нечіткої логіки є актуальною науковою задачею.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами і темами. Наукові та практичні результати дисертаційної роботи отримані при виконанні таких науково-дослідних робіт у відділі “Обчислювальних методів та систем перетворення інформації” Фізико-механічного інституту ім. Г.В. Карпенка НАН України:

  • НД-22/236 “Створення математичних моделей фізичних явищ на базі теорії апроксимації, покращання зображень та розпізнавання образів ” (№ держ. реєстр. 0102U002668) – автором запропоновано та обґрунтовано S-подібну функцію нечіткої належності дійсного додатнього степеня, розроблено методи пониження впливу шуму на основі фільтрів нечіткого управління;

  • НД-22/308 “Створення інтелектуальних інформаційних технологій розпізнавання дефектності об’єктів та аналізу їх геометричних параметрів” (№ держ. реєстр. 0105U004306) – автором вдосконалено метод оптимізації функції нечіткої належності на основі критерію максимуму нечіткої ентропії через застосування двопараметрової оптимізації, запропоновано і обґрунтовано нову двопараметричну трикутну норму та відповідну їй конорму;

  • НД-22/3.6 “Розроблення інтелектуальних інформаційно-діагностичних технологій для оцінювання дефектності об’єктів за їх рентгенографічними зображеннями” (№ держ. реєстр. 0108U004278) – автором встановлено взаємозв’язок між нечіткою логікою та кількісною оцінкою узагальненого контрасту зображень через трикутні s-норми;

  • НДР-2.8/300 “Pозробка та впровадження комплексів цифрової обробки, аналізу та зберігання зображень, одержаних при дефектоскопії об’єктів підвищеної небезпеки методами капілярного, магнітного та радіаційного контролю для визначення їх технічного стану, залишкового ресурсу та паспортизації” (№ держ. реєстр. 0107U009824) – автором розроблено та реалізовано методи перетворення зображень за параметрами локальних областей при їх попередній обробці, а також модифікації перетворення Хафа з використанням нечіткої логіки;

  • МНД-22/333 “Комп’ютеризована система обробки та аналізу цифрових зображень, отриманих при електронно-променевому зварюванні” (№ держ. реєстр. 0105U007989) – автором розроблено та реалізовано метод підвищення контрасту зображень ліній стику об’єктів на основі нечіткої логіки.

Метою роботи є побудова інформаційних технологій перетворення і аналізу цифрових зображень на основі двопараметричної трикутної норми та нечіткої логіки.

Для досягнення поставленої мети необхідно вирішити такі задачі:

  1. Провести аналітичний огляд методів опрацювання цифрових зображень щодо поліпшення їх якості, кількісної оцінки контрасту, фільтрації шумів та виділення прямих країв об’єктів, проаналізувати їх можливості, переваги та недоліки, обґрунтувати вибір теорії трикутних норм та нечіткої логіки як основи створення ефективних методів обробки та аналізу цифрових зображень;

  2. Дослідити можливість побудови нових параметричних t-норм і відповідних t-конорм, проаналізувати їх властивості, встановити взаємозв’язок між нечіткою логікою та кількісною оцінкою узагальненого контрасту зображень через трикутні s-норми;

  3. Вдосконалити методи підвищення контрасту цифрових зображень через оптимальні перетворення з використанням нечіткої логіки;

  4. Побудувати нові методи фільтрації шуму на зображенні, що базуються на управлінні засобами нечіткої логіки;

  5. Вдосконалити метод розпізнавання прямих країв об’єктів та ліній на багатоградаційному зображенні на основі перетворення Хафа.

Об’єктом дослідження є процеси перетворення та опрацювання цифрових зображень.

Предметом дослідження є методи перетворення та аналізу цифрових зображень з метою кількісного оцінювання узагальненого контрасту зображень, покращання їх якості та підвищення точності розпізнавання на основі двопараметричної трикутної норми та нечіткої логіки.

Методи дослідження. Дослідження, проведені у роботі, ґрунтуються на: теорії трикутних норм (для побудови, обґрунтування та дослідження властивостей нової параметричної норми, а також для встановлення взаємо­зв’язку між нечіткою логікою та кількісною оцінкою узагальненого контрасту зображень); теорії нечітких множин та нечіткої логіки (для поліпшення якості зображень, розроблення методу контролю підсилення контрасту, вдосконалення методу пониження впливу шуму на зображеннні); методах обробки сигналів та розпізнавання образів (для модифікації перетворень Хафа при виділенні прямих країв об’єктів та ліній на зображенні); методах теорії контрастності зображень (для підвищення контрасту зображення у нечіткій області); основах теорії алгоритмів, прикладного програмування та математичного моделювання.

Наукова новизна отриманих результатів.

  1. Вперше побудовано і обґрунтовано нову трикутну t-норму, яка узагальнює ряд відомих трикутних t-норм і через двопараметричну реалізацію дає змогу керувати властивостями нечітких логічних зв’я́зок, що підвищує їхню гнучкість та адаптивність через розширення функціональних можливостей. Вперше встановлено взаємозв’язок між нечіткою логікою та кількісною оцінкою узагальненого контрасту зображень через трикутні s-норми, що дало змогу створити нові можливості застосування трикутних норм та нечіткої логіки для кількісної оцінки якості зображень, які сприяють ефективній реалізації інтелектуальних систем автоматичного аналізу зображень.

  2. Вперше запропоновано S-подібну функцію нечіткої належності дійсного додатнього степеня зі змінною вузловою точкою, що дало змогу розширити функціональні можливості глобальних перетворень зображень з метою зміни їх контрасту. Вдосконалено метод підсилення контрасту зображень з використанням нечіткої логіки, зокрема через визначення локального контрасту у нечіткій області та застосування у ній методів нерізкого маскування, а також використання при відновленні безпосереднього переведення зображення у просторову область, що дало змогу ефективно керувати підсиленням контрасту зображень. Розвинуто метод нечіткої гіперболізації гістограми, через використання нової S-подібної функції нечіткої належності типу перетворень Ейлера, що дало змогу забезпечити підсилення розрізнення як при великих так і при малих значеннях рівнів сірого елементів зображення.

  3. Вдосконалено метод оптимізації функції нечіткої належності на основі критерію максимуму нечіткої ентропії напівтонового зображення через застосування оптимізації за двома параметрами, що дало змогу досягнути вищих значень узагальненого контрасту перетвореного зображення при одночасному збереженні дрібних деталей і робить ці зображення більш інформативними та прийнятними для подальшого аналізу.

  4. Вдосконалено методи зменшення впливу шуму на зображенні, які базуються на управлінні за допомогою нечіткої логіки, через використання мультиплікативної моделі зображення, що дало змогу зменшити спотворення країв та керувати ітеративною процедурою через параметр управління.

  5. Вдосконалено метод розпізнавання прямих країв об’єктів та ліній на багатоградаційному зображенні з використанням перетворення Хафа та нечіткої логіки, який на відміну від відомих використовує локальний контраст зображення, що дає змогу збільшити точність встановлення положення лінії.

Практичне значення одержаних результатів. Теоретичні та експериментальні результати, отримані в дисертаційній роботі, впроваджено при науково-технічних дослідженнях, які проводилися у Інституті електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України при розробці програмного комплексу для виділення траєкторії електронно-променевого зварювання стику лап бурових доліт та у Фізико-механічному інституті ім. Г.В. Карпенка НАН України при розробці автоматизованих систем “ОБРАЗ-Д1”, “ОБРАЗ-Д2”, “ОБРАЗ-Д3” обробки та аналізу зображень, що формуються при неруйнівному контролі якості виробів і матеріалів.

Особистий внесок здобувача. Основні наукові результати теоретичних і практичних досліджень, викладені в дисертації, одержані автором особисто. У працях, опублікованих у співавторстві, автору належать: [1, 15] – введення та обґрунтування S-подібної функції нечіткої належності дійсного додатнього степеня, [2, 6, 17, 20, 21, 22] – розробка та вдосконалення методів підвищення контрасту зображень на основі нечіткої логіки, [13] – реалізація двопараметричної оптимізації функції нечіткої належності для переведення в нечітку область, [14] – реалізація методу фільтрації шумів зі зображення на основі нечіткої логіки при мультиплікативній моделі зображення, [4] – реалізація методу виділення країв на зображенні, [19] – реалізація методів покращання зображення на основі гістограм параметрів локальних областей, [5] – розробка методу виділення ліній на багатоградаційному зображенні методом Хафа, [9, 10, 11, 16] – розробка методів попередньої обробки зображень та метрологічного масштабування у системах автоматизованої обробки зображень, [12] – розробка методів виділення країв калібрувального еталону на рентгенівському зображенні, [7, 23] – встановлення властивостей нової двопараметричної трикутної норми, [8, 18] – дослідження зв’язку між теорією трикутних норм та узагальненим контрастом зображення.

Апробація результатів. Основні наукові і практичні результати роботи представлено та обговорено на таких науково-технічних конференціях:

The Eight International Conference on Artificial intelligence and Soft Computing ICAISC’2006, Zakopane, Poland; International Workshop on Inductive Modelling IWIM’2007, Prague, Czech Republic; 1st, 2nd Polish and International PD Forum-Conference on Computer Sciense PD FCCS’2005 Bronisławów and PD FCCS’2006 Smardzewice, Poland; VI Central European Conference “Numerical Methods and Computer Systems in Automatic Control and Electrical Engineering” 2005, Częstochowa, Poland; Четвертій Міжнародній науково-технічній конференції “Інтелектуальні та багатопроцесорні системи ІБС'2003”, Дивноморське, Росія; Міжнародній конференції з індуктивного моделювання ”МКІМ–2002”, м. Львів; Восьмій Всеукраїнській міжнародній конференції “Оброблення сигналів і зображень та розпізнавання образів”, УкрОбраз-2006, м. Київ; VIII та XIV міжнародних конференціях з автоматичного управління “Автоматика–2001”, м. Одеса та “Автоматика-2007”, м. Севастополь; X-XІІІ Міжнародних науково-технічних конференціях ЛЕОТЕСТ 2005-2008, Львів-Славське; XVI XIX відкритих науково-технічних конференціях молодих науковців і спеціалістів ФМІ ім. Г.В. Карпенка НАН України "КМН-2001", “КМН-2003”, “КМН-2005”, “КМН-2007”, м. Львів.



Публікації.

Результати дисертаційної роботи опубліковані в 26 наукових працях, у тому числі 17 статей у журналах та збірниках, 12 з яких у фахових виданнях згідно переліку ВАК України, та 9 праць у матеріалах та тезах конференцій.



Структура і обсяг роботи.

Дисертація складається зі вступу, п’яти розділів, списку використаних джерел (166 найменувань) та додатків. Робота містить 149 сторінок основного тексту. Загальний обсяг дисертації – 182 сторінки. Робота ілюструється 69 рисунками та 6 таблицями.



Основний зміст роботи

У вступі обґрунтовано актуальність дисертаційної роботи, сформульовано мету, задачі, об’єкт та предмет досліджень, розкрито наукову й практичну цінність отриманих результатів, наведено відомості про публікації та апробацію роботи.

У першому розділі наведено огляд і порівняльний аналіз теоретичних результатів і практичних робіт, присвячених обробці та аналізу цифрових зображень з метою покращання їх якості. Зокрема методів підсилення контрасту зображень, методів усунення шумів зі зображень, методів виділення країв на зображенні, методів виділення прямих країв об’єктів та ліній. Зазначено основні переваги і недоліки існуючих методів. Встановлено, що закладені в теорії нечітких множин можливості працювати з приблизною, невизначеною наперед інформацією роблять її придатною до обробки та аналізу даних за зображенням, оскільки обробка зображень за своєю природою містить невизначеність пов’язану як з втратою інформації при представленні тривимірних об’єктів двовимірним зображенням, так і з неясністю та нечіткістю у деяких визначеннях.

Зазначено, що одним з характерних недоліків більшості методів обробки зображень є той, що в них не використовується оцінка оптимальності проведених перетворень. Саме нечітка логіка пропонує ефективні засоби для об’єктивного та автоматичного визначення оптимальних перетворень зображень з метою покращання їх якості, спираючись на використання кількісної оцінки функції належності при обробленні конкретного зображення.

Проведено огляд стану розвитку теорії трикутних норм, які на сучасному етапі розвитку теорії нечітких множин та нечіткої логіки відіграють важливу роль як основа побудови нечітких зв’я́зок, а отже є важливим елементом нечіткого виводу. Таким чином, актуальним є подальший розвиток теорії трикутних норм з метою використання їх в розробці інтелектуальних систем.

Зазначено роль м’яких обчислень, та нечіткої логіки, як важливої їх складової, що завдяки гранулюванню інформації та обчисленням зі словами, є корисними у вигляді більшої загальності та відповідності моделі дійсності при розробці інформаційних систем. Це й зумовило вибір напряму досліджень, формулювання мети й задач дисертаційної роботи.



Другий розділ роботи присвячено розвитку теорії трикутних норм. Побудовано і обґрунтовано нову трикутну t-норму та відповідну їй t-конорму, які узагальнюють ряд відомих трикутних t-норм та t-конорм, таких як алгебраїчна, Швейзера-Склара, Ягера, і через двопараметричну реалізацію дають змогу керувати властивостями нечітких логічних зв’я́зок, що підвищує їхню гнучкість та адаптивність через розширення функціональних можливостей. Ця норма описується виразом

(1)
з областю визначення , , .

Доведено ряд тверджень і теорем, зокрема:



Твердження 1. .

Твердження 2. Якщо , то .

Теорема 1. Функція (1) є t-нормою, оскільки комутативна, асоціативна, монотонна та справджується крайова умова .

Доведено також такі властивості нової норми (1) як:



  1. є архімедовою, ( неперервна, );

  2. є неспадною функцією від ;

  3. є незростаючою функцією від .

За аналогією із запропонованою трикутною нормою (1) означено таку нову двопараметричну t-конорму, яка описується функцією

, (2)
з областю визначення . Зауважено, що є дуальною до . Оскільки , то , тоді можна записати у вигляді

. (3)

Це подання дає змогу перенести певні властивості на .

На рис. 1 наведено графіки t-норми (1) та s-норми (2) при різних значеннях параметрів a та p.








а)

б)

в)







г)

ґ)

д)

Рис. 1. Графіки t-норми а); г); б); ґ);  – в); д).

Побудована t-норма (1) має такі функціональні властивості:



  1. за умови вона зводиться до норми Ягера
    ;

  2. за умови вона зводиться до норми Швейзера-Склара
    ;

  3. за умови та вона зводиться до норми Лукасевича



  1. за умови та зводиться до алгебраїченої норми .

      Доведено, що функція є мультиплікативним генератором нечіткої t-норми (1). Оскільки, мультиплікативний та адитивний генератори пов’язані співвідношенням , то . Враховуючи співвідношення та , отримано вирази для мультиплікативного та адитивного генераторів s-норми (2).

Оцінюючи якість зображення, зазначено, що одним із основних компонент такої оцінки є контраст. Оскільки контраст можна подати як кількісну оцінку реакції системи сприйняття зображення у процесі його аналізу, виникає потреба дослідження підходів до визначення узагальненого контрасту зображення на основі контрасту його елементів. У відповідності з теорією контрастності зображень Р. Воробля модуль контрасту у сукупності з множиною рівнів сірого елементів зображення має утворювати метричний простір, бо для нього повинні виконуватися три аксіоми:

а) аксіома рівності тоді і тільки тоді, коли ; (4)

б) аксіома симетрії ; (5)

в) аксіома трикутника . (6)



Каталог: bitstream -> ntb
ntb -> Загальна характеристика роботи
ntb -> Синтез нейроелементів І нейромереж реального часу паралельно-вертикального типу
ntb -> Розвиток наукових основ підвищення якості оцінювання та прогнозування ресурсних характеристик складних об'єктів
ntb -> Інтенсифікація гомогенно-каталітичного окиснення етилбензолу
ntb -> Загальна характеристика роботи
ntb -> Резонансні явища у динамічних систем, які характеризуються поздовжнім рухом андрухів А.І., Сеник А. П., Сокіл М. Б
ntb -> Мінімізації похибок термоперетворювачів
ntb -> Склярук тетяна василівна оцінювання та планування трансакційних витрат машинобудівних підприємств


Достарыңызбен бөлісу:
  1   2   3


©kzref.org 2019
әкімшілігінің қараңыз

    Басты бет