ІНФОРМАЦІЙНА ТЕХНОЛОГІЯ ОБРОБКИ ЦИФРОВАНИХ ЗОБРАЖЕНЬ ЗА ВИКОРИСТАННЯМ В-СПЛАЙНІВ П’ЯТОГО ПОРЯДКУ

Abstract

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.13.06 – Інформаційні технології. – Національний авіаційний університет, м. Київ, 2010р. Дисертаційну роботу присвячено вдосконаленню інформаційної технології обробки цифрованих зображень з використанням локальних поліноміальних сплайнів близьких до інтерполяційних у середньому. Вперше отримано явний вигляд В-сплайна п’ятого порядку, його лінійну комбінацію, що за фактом є лока- льним поліноміальним сплайном близьким до інтерполяційного у середньому, значення норми та оцінку якості апроксимації. Запропоновано метод субполосної фільтрації та контрастування зображень. Розроблено метод цифрової стабілізації, що дозволяє покращити якість зображень, спотворених мікрорухом камери фік- сації, на 30–50 % за статистичною оцінкою залежно від рівня завади. Набула розвитку інформаційна технологія обробки зображень, яку реалізовано в автома- тизованій системі «Green Gerbera» та протестовано при обробці даних, отриманих при дистанційному зондуванні Землі та зображень поверхневих структур мікропризмових елементів, отриманих за допомогою мікроскопу.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.13.06 – Информационные технологии. – Национальный авиаци- онный университет, г. Киев, 2010. Диссертационная работа посвящена вопросам усовершенствования информа- ционной технологии обработки цифровых изображений за счет разработки новых методов с использованием линейных комбинаций локальных полиномиальных сплайнов на основе В-сплайнов пятого порядка. В работе получен и исследован явный вид В-сплайна пятого порядка для по- строения базиса в пространстве полиномов. Для случая одной и двух переменных получены локальные полиномиальные сплайны, близкие к интерполяционному в среднем, на базе В-сплайнов пятого порядка, которые используются для обработ- ки данных, как в явном виде, так и для получения линейных фильтров. Исследо- ваны свойства данных сплайнов: получено значение нормы сплайн-оператора, оценка качества аппроксимации, что позволяет сделать обобщения про подобные оценки для сплайнов другой, более высокой степени полинома чем известные, получены частные случаи введенных сплайнов для дальнейших исследований. Разработан метод субполосной фильтрации и контрастирования цифровых изображений. Субполосная фильтрация реализуется низкочастотным и высоко- частотным фильтрами в одномерном и двухмерном случаях. Контрастные фильт- ры получены как обратные к соответствующим низкочастотным. В работе пред- ставлены маски с большей шириной окна, по сравнению с аналогичными фильт- рами, которые известны. За счет этого метод субполосной фильтрации и контра- стирования позволяет в режиме реального времени обрабатывать цифровые изо- бражения низкой детализации и более широкого разрешения. Доработан метод бинарного пополнения последовательностей отсчетов не- прерывных функций, результатом чего стала разработка вычислительных схем масштабирования со сглаживанием цифровых изображений. Впервые разработан метод цифровой стабилизации изображений, получен- ных в условиях микродвижения камеры фиксации, который заключается в ис- пользовании комбинированных фильтров на основе В-сплайнов пятого порядка. Для подтверждения эффективности предложенных цифровых стабилизаторов были проведены экспериментальные исследования на основе имитационного моделирования. На изображение высокого качества накладывалась смоделиро- ванная низкочастотная помеха, имитирующая смаз изображения при микродви- жении (дрожание рук при нештативной съемке, вибрации при съемке с летатель- ных аппаратов и т.д.). Далее изображение обрабатывалось отдельно предложен- ными в работе стабилизаторами и контрастным фильтром, на основе функции Лапласа как наиболее часто используемого в современных программных средст- вах обработки изображений. Результаты обработки сравнивались с эталоном (начальным изображением высокого качества) статистическими методами (отно- сительная погрешность, совпадение средних, совпадение дисперсий, PSNR и т.д.). Проведенные экспериментальные исследования показали преимущества предло- женных цифровых стабилизаторов – данный метод позволяет улучшить качество обрабатываемых цифровых изображений на 30–50 % в зависимости от уровня помехи за статистической оценкой отклонения. Подобные эксперименты имели место при сравнении предложенных в работе стабилизаторов с фильтрами повы- шения резкости, представленными в программном обеспечении с закрытым ко- дом – Adobe Photoshop CS2 («Резкость» и «Резкость+»). По результатам сделаны выводы о целесообразности применения конкретных стабилизаторов при разном уровне помехи. Предложенные в работе фильтры показали лучшие результаты по сравнению с фильтрами Photoshop при всех уровнях помехи. Получила дальнейшее развитие информационная технология обработки цифровых изображений, что позволило обрабатывать изображения большего разрешения (не менее чем в 2 раза) и низкой детализации. Информационная тех- нология реализована в разработанной автоматизированной системе «Green Gerbera» для обработки цифровых изображений. «Green Gerbera» позволяет в режиме реального времени обрабатывать изображения форматов JPEG и BMP, предложенными в работе методами. Система зарегистрирована (свидетельство про регистрацию авторского права №30102). Простота реализации свидетельству- ет о возможности распространения использования информационной технологии обработки цифровых изображений на базе введенных полиномиальных сплайнов при разработке других автоматизированных систем (более функционально насы- щенных или сориентированных на другие узкоспециализированные потребно- сти).Новые методы подтвердили свою эффективность при внедрении автоматизи- рованной системы «Green Gerbera» для решения задач, целью которых являлось улучшения визуального качества и масштабирования изображений, полученных при дистанционном зондировании Земли и изображений поверхностных структур микропризмовых светоотражающих элементов, полученных с помощью микроскопа для дальнейших исследований.

Thesis for the Ph.D. (candidate of technical science), specialty 05.13.06 - Information Technologies. – National aviation university, Kiev, 2010. The thesis is dedicated to improving information technology digital images by using new methods with application of the local polynomial splines, related to the interpolar on average. For the first time an explicit form of B-spline in the fifth order, got its linear combination, which in fact is a local polynomial spline, related to the interpolar on average, got norm and evaluation standards as specified spline approximation, developed subbandes filtering method and image contrast, improved method of binary sequences replenishment periods of smooth functions, the first method of stabilization of digital images corrupted by moving of camera capture. Methods proven to creation of an computerized processing system digital images obtained by remote sensing with space vehicles and surface structures of the microprizmatic light-reflective elements views by microscope.