Все эти методы в МДАИ называются процедурными преобразованиями и используются в обработке изображений. В другой работе А.Р. Исхакова [исхаков-13] описывается применение методов анализа изображений в МДАИ, которые называются параметрическими преобразованиями. В этой работе были рассмотрены методы вычисления детерминированных, вероятностных и статистических, а также структурных признаков. Следующий пример демонстрирует формализованную запись алгоритма вычисления границ некоторого паттерна на изображении.

Видно, что данная запись опирается на теоретико-множественный подход и использует элементы классической абстрактной алгебры. К полученному результату уже можно легко применять метод Фримена для правильного кодирования границ паттерна. В МДАИ порождающие преобразования и G-ДАСПИ не определены и не используются. В них просто нет необходимости. Процедурные и параметрические преобразования являются образующими элементами T- и P-ДАСПИ соответственно, представляя операции для решения задач обработки и анализа изображений. Основная задача МДАИ на этом уровне заключается в получении новых эффективных методов обработки и анализа на базе других уже существующих. Однако для получения нового преобразования нужны операции над преобразованиями. Последнее означает, что, если подобная операция будет найдена, то она на множестве оперируемых преобразований обработки и анализа будет замкнутой. Такая совокупность множества элементов какой-либо природы и замкнутых на данном множестве операций над элементами образуют универсальную алгебру. Эта мысль и обусловила становление дальнейших исследований по алгебраизации области цифровой обработки и анализа изображений.

В работе [исхаков-16] приводится следующее определение модифицированной дескриптивной алгебры изображений:

Определение: Модифицированной дескриптивной алгеброй изображений называется универсальная алгебра без операторного кольца, элементы основного множества которой являются реализациями изображений, а главные операции - допустимыми операциями над реализациями.

В ходе проведенных исследований А.Р. Исхаковым были получены следующие результаты:

· для МДАИ бинарных реализаций с логическими главными операциями было: сформулировано 3 определения, доказаны 15 утверждений и сформулированы 3 следствия;

· для МДАИ бинарных реализаций с морфологическими главными операциями было: доказано 1 утверждение и сформулировано 1 следствие;

· для МДАИ полутоновых реализаций с логическими главными операциями было: сформулировано 3 определения, доказано 3 утверждения и сформулировано 1 следствие;

· для МДАИ полутоновых реализаций с главными операциями фильтрации было: сформулировано 1 определение и доказано 1 утверждение.

На рис. 1.20 приведена карта исследований универсальных алгебр, элементами которых являются черно-белые изображения. Главными операциями этих МДАИ являются: конъюнкция , дизъюнкция , исключающее «или» и т.д. Автором этого цикла работ были получены результаты, имеющие прикладную ценность - все эти МДАИ являются всего лишь слоями одного единого пространства, где протекают процессы обработки изображений. Поэтому оно и получило название пространства состояний изображений (ПСИ).

Определение: совокупность дескриптивных алгебр изображений , элементы основных множеств которых содержательно одинаковы, а переход между ними осуществляется процедурным преобразованием , называется пространством состояний изображений (ПСИ) и обозначается , т.е.

,

где

Рис. 1.20 Карта исследований в МДАИ алгебр бинарных реализаций

Ясно, что ПСИ является частным случаем ПФИ. Каждое МДАИ состоит из реализаций изображений только одного вида. Отдельные МДАИ соединяются процедурными преобразованиями, которые позволяют менять вид реализаций, например операция конвертирования цветных изображений в полутоновые реализации моделирует переход из алгебры цветных реализаций (АЦР) в алгебру бинарных реализаций (АБР). Как утверждает А.Р. Исхаков, такие смены алгебр влекут потери информации в реализациях, но упрощают их оценивание, что позволяет быстро решать задачи анализа изображений. Автором были получены также и оценки размеров ПСИ:



,

где - количество взаимно различных элементов множества/

Становится понятным, что применение любого алгоритма поиска того или иного состояния приведет к «пространственному взрыву» экспоненциальной сложности. Это означает, что персональные компьютеры потенциально не могут работать в ПСИ. Моделирование систем технического зрения в ПСИ возможно провести с применением только высокопроизводительных вычислительных систем или облачных технологий. Несмотря на кажущийся непреодолимым препятствие, данное ограничение не является существенным. Возможно, при проведении более глубоких исследований строения и природа ПСИ, экспоненциальную проблему в построении математических моделей СТЗ можно будет решить.

Выводы по первой главе

Системы технического зрения в современном мире находят очень большое применение. Все больше и больше сегментов промышленности, социальной среды, области экстремальных ситуаций решают свои проблемы за счет автоматизации процессов, которые раньше управлялись людьми. Сложные автоматические или автоматизированные механизмы развиваются от мехатронной формы к роботизированному. Тем самым возникает необходимость в построении различных видов, типов и форм систем технического зрения. В настоящее время СТЗ требуют творческого подхода к их созданию. Благодаря алгебраическому подходу появилась возможность их автоматической генерации в форме математических моделей. В первой главе дипломного проекта были рассмотрены различные работы и проанализированы существующего подходы к созданию систем технического зрения. Достаточно подробно исследованы математические аппараты дескриптивных алгебр изображений и модифицированных дескриптивных алгебр изображений. Последний аппарат будет использован в качестве математического обеспечения в техническом проекте. Во второй главе планируется спроектировать архитектуру системы технического зрения мобильного робота для ориентации в комнате.



Глава 2. Разработка системы технического зрения мобильного робота для пространственной ориентации в комнате

2.1 Требования к СТЗ и разработка концепции АИС

Система технического зрения является комплексом аппаратного и программного обеспечения. Так как в ходе исследований по дипломному проекту не предполагается проектирование или разработка ее аппаратной части, то в дальнейшем речь будет идти только про АИС СТЗ. Разрабатываемое СТЗ будем основывать на классической трехуровневой архитектуре (рис. 2.1):

· нижний уровень СТЗ - подсистема, направленная на решение задач выбора подходящей аппаратуры (например, доступной камеры наблюдения); подготовка оборудования к работе; захват цветных изображений сцены наблюдения; фильтрация шумов на захваченном изображении; восстановление изображения, при необходимости;

· средний уровень СТЗ - подсистема, предназначенная для сегментации изображения на области интереса; измерение выделенных ранее признаков; составление в апостериори описаний областей интереса;

· верхний уровень СТЗ - подсистема, направленная на решение задач распознавания областей интереса и принятие решений на результатах распознавания.

После перечисления требований к СТЗ становится понятным, что она может быть реализована не на базе мобильного робота, а отдельно на другой вычислительной машине. Территориально эта машина может быть расположена на удаленном расстоянии от самой робототехнической платформы. Используемая аналоговая камера обеспечивает стабильную передачу цветного видео и звука на расстоянии не более 300 м при прямой видимости. Однако учитывая, что после принятия решения управляющая команда возвращается мобильному роботу по bluetooth каналу, который может обеспечить всего лишь дальность до 100 м, ставим окончательное ограничение на стабильную управляющую связь до 100 м.

Рис. 2.1 Архитектура СТЗ и ее связь с мобильным роботом

Таким образом, эти требования можно свести в одну таблицу (табл. 2.1).

Таблица 2.1

Технические показатели оборудования и ПО СТЗ МР

Основные технические показатели СТЗ	Значения основных показателей
камера наблюдения	аналоговая камера с беспроводной передачей сигнала
дополнительное оборудование	ресивер, ТВ-тюнер
передача видео от МО к СТЗ	радиоканал, цветное видео и монозвук
разрешенность кадра видео	640х480
частота кадров	30 кадр/с
расстояние передачи, макс.	300 м
частота захвата кадров	каждые 2-3 с
внутренняя буферизация кадров	Да
программная фильтрация	Да
программное препарирование	Да
программная сегментация	бинарных изображений
вычисление признаков	Детерминированные
принятие решений	продукционная система
передача управляющих команд	bluetooth-канал
расстояние передачи команд, макс.	100 м

2.2 Техническое задание на проектирование системы технического зрения

Раздел «Общие сведения»

1. Система технического зрения мобильного робота для пространственной ориентации в комнате. Условное обозначение: СТЗО МР.

2. шифр темы или шифр (номер) договора

3. Разработчик: Тухватуллин Артур Шамилевич, студент 55 группы ИПОИТ, специальность: информационные системы и технологии

Заказчик:

Полное наименование - федеральное государственное бюджетноеобразовательное учреждение высшего профессионального образования «Башкирский государственный педагогический университет им. М. Акмуллы»

Краткое наименование - ФГБОУ ВПО «БГПУ им. М. Акмуллы»

РБ, 450000, г. Уфа, ул. Октябрьской революции, 3а

тел.: 272-58-05, 273-02-32

ИНН 0274035573

КПП 027401001

ОКАТО 80401000000

ОГРН 1020202554778

ОКОПФ 81

ОКВЭД 80.30.1

(УФК по Республике Башкортостан ФГБОУ ВПО «БГПУ им. М. Акмуллы»

л/с 20016X54020)

Р/с 40501810500002000002 в ГРКЦ НБ РБ г. Уфы

БИК 048073001

КБК 00000000000000000130 предоставление платных образовательных услуг

4. Перечень документов для разработок

Таблица 2.2

Список документов на разработку

Наименование документа	Ответственное лицо	Дата подписания	Дата начала действия документа
Учебный план	Р.И. Саитов
Приказ	Р.И. Саитов
Задание на дипломный проект	Исхаков А.Р.

5. Плановые сроки начала и окончания работы по созданию системы

№ п/п	Наименование этапов работы	Срок выполнения этапов работы	Примечание
	Назначение руководителя.
	Выбор и согласование темы курсового проекта
	Оформление задания по подготовке курсового проекта.
	Изучение литературы и сбор материалов.
	Обследование предметной области.
	Патентная проработка по теме курсового проекта
	Формирование выводов по первой (теоретической) главе
	Проектирование и разработка системы (программного продукта, базы данных)
	Подготовка доклада и презентаций к защите. Первая предзащита.
	Исправление замечаний по курсовому проекту. Вторая предзащита.
	Написание отзыва научным руководителем проекта
	Защита курсового проекта

6. разработка дипломного проекта и программного обеспечения, соответствующего этому проекту, не подлежит стороннему финансированию.

7. Порядок оформления и предъявления заказчику результатов работ по созданию системы

Таблица 2.3. Этапы проектирования и разработки системы

Наименование этапа	Регулирующие документы
Задание на дипломную работу	Задание на дипломную работу ГОСТ 34.003-90 Информационная технология. Комплекс стандартов на автоматизированные системы. Автоматизированные системы. Термины и определения.
Проектирование АИС. Формирование требований к АИС. Разработка концепции АИС.	Литература ГОСТ 34.003-90 Информационная технология. Комплекс стандартов на автоматизированные системы. Автоматизированные системы. Термины и определения.
Проектирование АИС. Техническое задание.	ГОСТ 34.602-89 Информационная технология. Комплекс стандартов на автоматизированные системы. Техническое задание на создание автоматизированной системы ГОСТ 34.003-90 Информационная технология. Комплекс стандартов на автоматизированные системы. Автоматизированные системы. Термины и определения.
Проектирование АИС. Технический проект.	ГОСТ 34.601-90 Информационная технология. Комплекс стандартов на автоматизированные системы. Технический проект. ГОСТ 34.003-90 Информационная технология. Комплекс стандартов на автоматизированные системы. Автоматизированные системы. Термины и определения.
Проектирование АИС. Рабочая документация.	ГОСТ 19.505-79. ЕСПД. Руководство оператора. Требования к содержанию и оформлению.
Разработка АИС по проекту.	ГОСТ Р ИСО/МЭК 12207
Прием-передача АИС заказчику	Акт приемки АИС.

Раздел «Назначение и цели создания системы»

1. Назначение системы.

Разрабатываемая система технического зрения должна быть использована на мобильном роботе для поддержки подсистем исполнительного, тактического и стратегического уровней мобильного робота. Мобильный робот должен быть разработан на базе конструктора Lego Mindstorms NXT 2.0.

2. Цели создания системы

Технические показатели СТЗ МР приведены в табл. 2.1. В технологическом плане процедура подготовки МР и СТЗ МР должна предполагать прохождение следующих этапов:

a. сборка МР по схеме

b. настройка bluetooth приемника МР

c. инсталляция управляющего ПО на МР

d. установка камеры наблюдения с автономным питанием на МР

e. установка ТВ-тюнера на персональный или переносной компьютер

f. инсталляция драйверов для ТВ-тюнера

g. установка ресивера для камеры наблюдения и подключение его к ТВ-тюнеру

h. инсталляция программного обеспечения СТЗ на компьютере

i. подключение bluetooth передатчика

j. инсталляция драйверов bluetooth передатчика на компьютере

К числу экономических показателей относятся себестоимость комплекта, состоящего из:

a. комплект видеонаблюдения: аналоговая камера с беспроводной передачей сигнала (1 шт.), набор автономного питания для камеры (1 шт.), ресивер (1 шт.), набор кабелей для соединения ресивера с ТВ-тюнером (1 шт.), блок питания для ресивера (1 шт.)

b. внутренний или внешний ТВ-тюнер (1 шт.), установочный диск с ПО (1 шт.)

c. установочный диск с ПО СТЗ МР (1 шт.)

d. bluetooth модуль (1 шт.), установочный диск с ПО для модуля (1 шт.)

Критерием оценки достижения цели является способность системы провести обработку и анализ захваченного платой кадра и выработать решение об управляющем сигнале мобильному роботу до захвата следующего кадра.

Раздел «Характеристики объекта автоматизации»

1. Автоматизируемым объектом является человек-оператор, дистанционно управляющий мобильным роботом. Операторное управление МР занимает много времени у оператора. В основном задача заключается в перемещении МР от начальной точки траектории до конечной точки. Процедуру этого перемещения можно полностью автоматизировать. Ситуацию в рабочей зоне может осложнить экстремальная обстановка среды.

2. Условия эксплуатации камеры наблюдения и ПО СТЗ согласно ГОСТ Р ИСО 8756-2005.

Раздел «Требования к системе»

1. Программное обеспечение СТЗ должно быть разработано в среде Matlab и иметь простейший дружелюбный GUI интерфейс. Допускается использование функций модуля Image Procesing Toolbox. Система должна работать хотя бы с двумя камерами наблюдения. На выходе ПО СТЗ должно сформировать описание наблюдаемой сцены (состав). В состав СТЗ не включается подсистема принятия решения. ПО СТЗ используется одним оператором. Требования надежности СТЗ обусловлены высокой степенью распознавания сцены (не менее 80%). Каналы приема изображений и передачи описания сцены на аппаратном и программном уровнях не подлежат защите.

2. Функции нижнего уровня СТЗ: определение доступной камеры, инициализация камеры, захват изображения, фильтрация, восстановление изображения, обработка цветных и полутоновых изображений, конвертирование цветных изображения в полутоновые изображения; Функции среднего уровня СТЗ: обработка полутоновых и бинарных изображений, конвертирование полутоновых изображений в бинарные, фильтрация полутоновых изображений, морфологическая обработка бинарных изображений, сегментация бинарных изображений;

Функции верхнего уровня СТЗ: выделение краев фигур на бинарном изображении, вычисление комплекса детерминированных признаков, составление описания сегментированных объектов интереса, классификация объектов сцены наблюдения по признаковому описанию.

3. В качестве математического обеспечения системы выбрать аппарат модифицированных дескриптивных алгебр изображений. Информационное обеспечение системы: от ТВ-тюнера в ПО СТЗО МР передаются цифровые сигналы, оцифрованные изображения в СТЗО МР представляются конечномерными матрицами форматов uint8, uint16, double, logic. Между bluetooth модулями ПО СТЗО МР и МР результаты распознавания передаются в форме целых чисел, кодирущих объекты интереса. Лингвистическое обеспечение системы представлено языком матричных вычислений Matlab. Программное обеспечение системы состоит из: среды моделирования и разработки Matlab с модулями Image Processing Toolbox, Image Acquisition Toolbox, Matlab GUI. Техническое обеспечение состоит из аналоговой видео камеры с беспроводной передачей 208С, ресивера, блоков питания для камеры и ресивера, внутреннего ТВ-тюнера Aver Media, модуля bluetooth Dongle 2.0. Метрологическое обеспечение: расстояние (м), линейные размеры (м), линейные углы (є), цвет (RGB), площади (м²).

Раздел «Состав и содержание работ по созданию системы»

Наименование этапа	Регулирующие документы
Задание на дипломную работу	Задание на дипломную работу ГОСТ 34.003-90 Информационная технология. Комплекс стандартов на автоматизированные системы. Автоматизированные системы. Термины и определения.
Проектирование АИС. Формирование требований к АИС. Разработка концепции АИС.	Литература ГОСТ 34.003-90 Информационная технология. Комплекс стандартов на автоматизированные системы. Автоматизированные системы. Термины и определения.
Проектирование АИС. Техническое задание.	ГОСТ 34.602-89 Информационная технология. Комплекс стандартов на автоматизированные системы. Техническое задание на создание автоматизированной системы ГОСТ 34.003-90 Информационная технология. Комплекс стандартов на автоматизированные системы. Автоматизированные системы. Термины и определения.
Проектирование АИС. Технический проект.	ГОСТ 34.601-90 Информационная технология. Комплекс стандартов на автоматизированные системы. Технический проект. ГОСТ 34.003-90 Информационная технология. Комплекс стандартов на автоматизированные системы. Автоматизированные системы. Термины и определения.
Проектирование АИС. Рабочая документация.	ГОСТ 19.505-79. ЕСПД. Руководство оператора. Требования к содержанию и оформлению.
Разработка АИС по проекту.	ГОСТ Р ИСО/МЭК 12207
Прием-передача АИС заказчику	Акт приемки АИС.

Раздел «Порядок контроля и приемки системы»

Дипломный проект и ПО СТЗО МР проходят две предзащиты, проверку антиплагиата, норму-контроль и устную защиту содержания работы (презентация проекта) при комиссии по защите ВКР на стороне заказчика.

Раздел «Требования к документированию»

ПО СТЗО МР должен быть обеспечен руководством пользователя (оператора системы) в электронной форме согласно ГОСТ 34.201.

2.3 Технический проект системы технического зрения мобильного робота

Раздел «Пояснительная записка»

Основанием для разработок официально являются: учебный план, приказ на дипломный проект и задание на разработку (табл. 2.2). Разработчик: Тухватуллин Артур Шамилевич, студент 55 группы ИПОИТ, специальность: информационные системы и технологии. Технически СТЗО МР состоит из:

1. аналоговой камеры наблюдения 208С с беспроводной передачей и ресивера с набором блоков питания, которая устанавливается на платформе МР;

2. внутреннего ТВ-тюнера Aver Media, соединенного с ресивером камеры наблюдения через разъемы типа «тюлпан-тюльпан», что позволяет передавать видео и аудио сигналы на компьютер;

3. модуля bluetooth для передачи команд МР.

Себестоимость продукта складывается из цен на выше перечисленные технические продукты.

Раздел «Функциональная и организационная структура системы»

Согласно построенной концепции для решения задачи в §2.1 «Требования к СТЗ и разработка концепции АИС» СТЗО МР имеет простейшую архитектуру, состав которой образуют: камера наблюдения, ресивер, ТВ-тюнер, низкий уровень СТЗ, средний уровень СТЗ, верхний уровень СТЗ, bluetooth-модуль. Все перечисленные составляющие, за исключением низкого, среднего и верхнего уровней СТЗ, представлены в аппаратной форме. Аппаратная часть СТЗ является заменяемой, при условии соответствия к требованиям из табл. 2.1 Технический проект описывает программную часть СТЗ, состоящую из низкого, среднего и верхнего уровней СТЗ. Топологически, эти структурные элементы расположены и связаны линейно. Между ними отсутствуют обратные связи, что усложнит не только архитектуру, но и сможет увеличить возможности СТЗ, наделив его способностью к эволюции. Низкий, средний и верхний уровни СТЗ направлены на решение прикладных задач. До начала их решения необходимо решить технические задачи: получение информации о доступных камерах, получение информации о выбранной камере, включение и отключение камеры, захват изображения с выбранной камеры, формирование библиотеки изображений для обработки и анализа. Дополнительно также вводятся операции формирования модели СТЗ и проверка ее функционирования. Методологические задачи перечислены в разделе «Требования к системе» из §2.2 «Материалы технического задания на проектирование системы технического зрения».

Структурная и функциональная схема однозначно описывают состав и принципы работы СТЗО МР. На рис. 2.2 приведена контекстная диаграмма СТЗ. Входными данными в диаграмме являются изображения, захваченные камерой наблюдения. Система использует управляющие параметры и механизмы и преобразовывает входные данные в выходной результат. В роли механизмов выбраны методы обработки и анализа изображений. Каждый из этих методов имеет свои настроечные характеристики, которые и будут являться управляющими. Так как МДАИ в составе своего аппарата содержит преобразования только двух видов (процедурные и параметрические), в контекстной диаграмме были выделены два вида механизмов и соответствующих им управляющих параметров. В дальнейшей контекстная диаграмма подлежит декомпозиции (рис. 2.3). Результатом декомпозиции является диаграмма A0. В дальнейшем каждая ее составляющая будут декомпозированы: нижний уровень СТЗ - в A1 (рис. 2.4), средний уровень СТЗ - в А2 (рис. 2.5), верхний уровень СТЗ - в А3 (рис. 2.6).

Рис. 2.2. Контекстная диаграмма СТЗО МР.



Рис. 2.3. Диаграмма A0 СТЗО МР.

Рис. 2.4. Диаграмма А1 нижнего уровня СТЗО МР.

Рис. 2.5. Диаграмма А2 среднего уровня СТЗО МР.



Рис. 2.6 Диаграмма А3 верхнего уровня СТЗО МР

Раздел «Постановка задач и алгоритмы решения»

Выбранная архитектура СТЗ МО выбрана с учетом на то, что МР может функционировать в среде близкой к экстремальным и подвергать к риску не только робототехническую платформу, но и аппаратуру информационно-измерительной системы. При критических значениях термодинамических показателей, некоторые камеры могут прийти в нерабочее состояние. С целью исключения дизъфункциональности, платформа может быть оборудована дополнительными камерами наблюдения, которые ПО СТЗ МР будет также поддерживать. Пространственное отчуждение СТЗ от платформы МР преследует экономическую выгоду, а именно, исключается риск потери информационно-измерительной подсистемы МР.

Задачи нижнего уровня СТЗ:

1. Организационно-экономическая сущность. Наименование: задачи низкого уровня СТЗ. Цель решения: уменьшить влияние шумов негативных факторов внешней среды и увеличить показатели информационной емкости изображений. Для достижения поставленной цели надо решить следующие задачи в указанном порядке: фильтрация, препарирование, восстановление изображений. Эти задачи решаются на следующем этапе после захвата изображений с камер.

2. Экономико-математическая модель задачи в аппарате МДАИ:

3. Входная оперативная информация: цветные изображения разрешенности 480х640.

4. Нормативно-справочная информация: литература по модифицированным дескриптивным алгебрам изображений и цифровой обработке и анализу изображений.

5. Информация, хранимая для связи с другими задачами: полученные результаты (полутоновые изображения) являются исходными данными для задач среднего уровня СТЗ.

6. Алгоритм решения задачи: математическая модель описывает алгоритм решения задачи.

7. Контрольный пример:

, где

Задачи среднего уровня СТЗ:

1. Организационно-экономическая сущность. Наименование: задачи среднего уровня СТЗ. Цель решения: получение описание примитивов (области интереса) сцены наблюдения. Для достижения поставленной цели надо решить следующие задачи в указанном порядке: морфологическая обработка бинарных изображений, сегментация областей интереса, вычисление признаков для областей интереса, построение образов областей интереса. Эти задачи решаются на следующем этапе после предобработки захваченных изображений.

2. Экономико-математическая модель задачи в аппарате МДАИ:

3. Входная оперативная информация: полутоновые изображения разрешенности 480х640.

4. Нормативно-справочная информация: литература по модифицированным дескриптивным алгебрам изображений и цифровой обработке и анализу изображений.

5. Информация, хранимая для связи с другими задачами: полученные результаты (бинарные изображения) и семантико-контекстная информация об изображении являются исходными данными для задач верхнего уровня СТЗ.

6. Алгоритм решения задачи: математическая модель описывает алгоритм решения задачи.

7. Контрольный пример:

, где

Задачи верхнего уровня СТЗ:

1. Организационно-экономическая сущность. Наименование: задачи верхнего уровня СТЗ. Цель решения: применяя известный метод классификации решить задачу распознавания по описаниям бластей интереса. Для достижения поставленной цели надо решить следующие задачи в указанном порядке: на основании признаков образов областей интереса вычислить признаки взаимоотношений между ними, используя рабочий алфавит признаков провести классификацию образов (использовать нейронную сеть), подготовить результаты классификации для отправки МР. Эти задачи решаются на следующем этапе после решения задач среднего уровня СТЗ.

2. Экономико-математическая модель задачи в аппарате МДАИ:

3. Входная оперативная информация: множество образов для объектов сцены наблюдения.

4. Нормативно-справочная информация: теории распознавания образов, теории нейронных сетей.

5. Информация, хранимая для связи с другими задачами: множество образов, результаты распознавания.

6. Алгоритм решения задачи: математическая модель описывает алгоритм решения задачи.

7. Контрольный пример: например, домик

Раздел «Организация информационной базы»

Информационная база о разрабатываемой системе будет состоять только из руководства оператора, согласно ГОСТ 19.505-79. «ЕСПД. Руководство оператора. Требования к содержанию и оформлению». Электронный вариант документации будет связан с ПО СТЗО МР через пункт «Помощь» в пункте главного меню «Моделирование». Привязка осуществляется командой загрузки load в формате pdf.

Раздел «Система математического обеспечения»

Математическое обеспечение проекта полностью базируется на математическом обеспечении модифицированных дескриптивных алгебр изображений, которое опирается, в свою очередь, не теорию цифровой обработки и анализа изображений и теорию распознавания образов. Интерфейс ПО СТЗО МР состоит из 5 пунктов: «Камера», «Нижний уровень», «Средний уровень», «Верхний уровень» и «Моделирование». Каждый из этих пунктов меню объединяет операции свои типичные операции. При использовании той или иной операции, система запоминает выбранный метод и его параметры. Процедура разработки СТЗ представляет варьирования метода каждого этапа и параметров этих методов, в результате чего синтезируется математическая модель СТЗО МР.

Для программирования GUI приложения была выбрана среда технических вычислений Matlab с модулями Image Processing toolbox и Image Acquisition Toolbox. Наличие этих трех составляющих выделяет Matlab среди всех остальных инструментариев. К числу последних можно отнести: OpenCV, LabView IMAQ Vision. Основным преимуществом Matlab является возможность генерации выполняемого кода на языке C++ и библиотеки уже разработанных программ для стандартных методов обработки и анализа изображений: фильтрация, препарирование, сегментация, морфологические операции, конвертирование и т.п. Специфика перечисленных операций описана в справочнике команд этих модулей Matlab. Рекомендуется источник: Дьяконов В., Абраменко И. MATLAB. Обработка сигналов и изображений. Специальный справочник.- Питер, 2002. - 608 с.: ил.

Раздел «Принцип построения комплекса технических средств»

Технологический процесс обработки данных описан в структурной и функциональной схеме СТЗ. Как уже отмечалось, для решения задачи ориентации МР в комнате достаточно использовать трехуровневую архитектуру СТЗ для однопроцессорных вычислительных систем. Технологически процедура обработки изображений представляет последовательное преобразование исходных изображений с контролем потери информации при их упрощении на каждом уровне. Схема сборки МР и СТЗО МР приведена в разделе «Назначение и цели создания системы». Согласно схеме IDEF0, разрабатываемое ПО позволяет построить любую систему технического зрения для решения любых задач МР. Группировка подобных операций в отдельные пункты меню повышает дружелюбность интерфейса и поддерживает понимание оператора о месте отдельных операций в структуре СТЗ, а также об их предназначении. ПО СТЗ позволяет автоматизировать процедуру написания программы СТЗ путем выбора вида операции и их настроечных параметров.

Раздел «расчет экономической эффективности системы»

Расчет полной стоимости СТЗО МР формируется из стоимостей: оборудования, работы по проектированию и работы по реализации проекта в среде Matlab.

Таблица 2.4

Расчет стоимости работ на проектирование и реализацию СТЗО МР в среде Matlab

Activity Name	Activity Cost (Рубль)	Cost Center	Cost Center Cost (Рубль)	Duration (Days)
Обработка и анализ изображения в СТЗ	53 000,00	Затраты на проектирование	6 000,00	13,00
		Затраты на разработку	47 000,00
Нижний уровень СТЗ	17 500,00	Затраты на проектирование	1 500,00	3,00
		Затраты на разработку	16 000,00
Конвертирование цветных изображений в полутоновые	5 500,00	Затраты на проектирование	500,00	1,00
		Затраты на разработку	5 000,00
Фильтрация	5 500,00	Затраты на проектирование	500,00	1,00
		Затраты на разработку	5 000,00
Препарирование	6 500,00	Затраты на проектирование	500,00	1,00
		Затраты на разработку	6 000,00
Средний уровень СТЗ	14 500,00	Затраты на проектирование	1 500,00	3,00
		Затраты на разработку	13 000,00
Конвертирование полутоновых изображений в бинарные	2 500,00	Затраты на проектирование	500,00	1,00
		Затраты на разработку	2 000,00
Композиция морфологических операций	7 500,00	Затраты на проектирование	500,00	1,00
		Затраты на разработку	7 000,00
Выделение границ	4 500,00	Затраты на проектирование	500,00	1,00
		Затраты на разработку	4 000,00
Верхний уровень СТЗ	21 000,00	Затраты на проектирование	3 000,00	7,00
		Затраты на разработку	18 000,00
Сегментация областей интереса	3 500,00	Затраты на проектирование	500,00	1,00
		Затраты на разработку	3 000,00
Сегментация краев областей интереса	4 500,00	Затраты на проектирование	500,00	1,00
		Затраты на разработку	4 000,00
Вычисление геометрических параметров	7 000,00	Затраты на проектирование	1 000,00	4,00
		Затраты на разработку	6 000,00
Добавление в модель информации	6 000,00	Затраты на проектирование	1 000,00	1,00
		Затраты на разработку	5 000,00

Расчет стоимости работ выполнен в среде BPWin 4.1. с применением стоимостного анализа ABC. Полная стоимость системы приведена в таблице 2.6.

Таблица 2.6

Расчет полной стоимости системы

Наименование статьи затрат	Стоимость, руб.
Стоимость оборудования	7000
Стоимость проектирование системы	6000
Стоимость реализации системы	47000
Итого	60000



2.4 Разработка системы технического зрения для ориентации мобильного робота в комнате

Разработка программного обеспечения СТЗО МР проводится в среде технических вычислений MATLAB 7.4.0.287 (R2007a). Дополнительно используются модули Image Processing Toolbox, Image Acquisition Toolbox и встроенная программа для разработки GUIDE приложений. Запуск среды осуществляется «Пуск>Все программы>MATLAB>R2007a>MATLAB R2007a» (рис. 2.6).

Рис. 2.7 Среда технических вычислений MATLAB

Для запуска GUIDE нужно нажать на одноименную кнопку в списке кнопок, расположенных под главным меню, в результате чего будет открыт «GUIDE Quick Start».

Рис. 2.8 Окно создания и открытия проекта

Первый раз нужно выбрать «Create New GUI» для открытия редактора формы приложения (рис. 2.9). Разработка приложения начинается с создания главного меню, которое будет состоять из операций, сгруппированных в пункты: камера, нижний уровень, средний уровень, верхний уровень и моделирование. Создание всех этих пунктов однотипно, поэтому в дальнейшем будет продемонстрирована разработка только группы операций «Камера».

Рис. 2.9 Редактор формы приложения

Разработка приложения начинается с создания и редактирования главного меню приложения. Для этого запускаем «Menu Editor» (рис. 2.10).

Рис. 2.10 Редактор меню «Menu Editor»

Для создания пунктов меню используется команда «New Menu» (рис. 2.11)



Рис. 2.11 Редактор меню «Menu Editor»

Здесь нужно ввести: название пункта меню в Label, имя переменной в модуле в Tag и нажать на кнопку View (рис .2.11).

Рис. 2.12 Создание подпунктов меню для пункта «Камера»

В создании уже подпунктов используется другая кнопка - «New Menu Item» (рис. 2.12). Для каждого создаваемого подпункта выше описанные действия повторяются в указанном порядке. В результате создания пункта меню «Камера» в Menu Editor была получена следующая структура (рис. 2.13).



Рис. 2.13 Структура пункта меню «Камера»

В модуле stzomr.m этих пунктов меню обслуживают следующие обработчики событий (табл. 2.7).

Таблица 2.7

Фрагмент листинга из модуля stzomr.m.

% -------------------------------------------------------------------- function allcam_Callback(hObject, eventdata, handles) global Selection % hObject handle to allcam (see GCBO) % eventdata reserved - to be defined in a future version of MATLAB % handles structure with handles and user data (see GUIDATA) cam=imaqhwinfo('winvideo') %получаем доступные камеры [q cnt]=size(cam.DeviceIDs); %определяем число рабочих камер s={}; for i=1:cnt s{i}=cam.DeviceInfo(1,i).DeviceName; end; [Selection,ok] = listdlg('ListString',s,... 'Name', 'Доступные камеры', 'ListSize', [300 50], 'PromptString', 'Выберите камеру', 'fus', 10);
% -------------------------------------------------------------------- function activcam_Callback(hObject, eventdata, handles) global Selection global obj % hObject handle to activcam (see GCBO) % eventdata reserved - to be defined in a future version of MATLAB % handles structure with handles and user data (see GUIDATA) obj=videoinput('winvideo',Selection); preview(obj); start(obj)
% -------------------------------------------------------------------- function captcam_Callback(hObject, eventdata, handles) global obj % hObject handle to captcam (see GCBO) % eventdata reserved - to be defined in a future version of MATLAB % handles structure with handles and user data (see GUIDATA) img{1}=getsnapshot(obj); imagesc(img{1}); h=gca; set(h,'Visible','off');

Пункт меню «Камера» объединяет первоочередные технические задачи, связанные с подготовкой камеры наблюдения к работе. Чтобы начать редактировать любое СТЗ в данном приложении, надо подключить камеру и получить исходные изображения. Опишем этот процесс:

Шаг 1. Запуск редактора СТЗО МР

Шаг 2. Формирование перечня доступных камер

Шаг 3. Выбор рабочей камеры



Шаг 4. Включение камеры

Шаг 5. Захват изображения с камеры

Аналогичным образом, последовательно выполняются все остальные группы операции. В силу ограниченности объема дипломного проекта, приведем всего лишь последовательность команд, которые нужно выполнить для формирования математической модели и программы СТЗО МР. Приложение также позволяет проверить созданную модель на любом другом захваченном изображении.

Группа команд, которую нужно выполнить на нижнем уровне СТЗ: Стек изображений > Фильтрация > Препарирование > Конвертирование.

Группа команд, которую нужно выполнить на среднем уровне СТЗ: Суперпозиция из набора морфологических операций: эрозия, дилатация, открытие и закрытие > Вычисление признаков.

Группа команд, которую нужно выполнить на верхнем уровне СТЗ: Формирование образа > Сегментация > Распознавание.

Группа команд, которую нужно выполнить на этапе моделирования СТЗ: Модель СТЗ > Проверка модели.

В ходе проведения таких действий система позволяет получить математическую модель СТЗ. Опираясь на математическую модель всегда можно восстановить алгоритм, соответствующей ей. Модель может иметь вид, например:

Выводы по второй главе

Вторая глава состоит из концепции СТЗО МР и сформулированных к ней требований, технического задания по ГОСТ 34.602-89; технического проекта по ГОСТ 34.601-90 и описания разработки программного обеспечения согласно разработанному проекту. Архитектура СТЗО МР является трехуровневой для однопроцессорных систем. Такой классический подход может гарантировать решение задачи на дипломный проект. Сам проект направлен на решение более общей проблемы, нежели поставленная задача. Технический проект описывает программное обеспечение редактора СТЗ вообще. Такой редактор позволяет создавать любое подобное программное обеспечение.

Во второй главе решены задачи:

· разработка концепции СТЗО МР и формирование требований

· разработка технического задания, соответствующего ГОСТ 34.602-89

· разработка технического проекта, соответствующего ГОСТ 34.601-90

· разработка ПО СТЗО МР в среде технических вычислений MATLAB.

Вторая глава вносит весомый вклад в достижение поставленной цели.

Заключение

Системы технического зрения находят широкое применение в современной жизни. И чем дальше, тем сложнее и интеллектуальнее они становятся. В дипломном проекте ставилась цель: спроектировать и реализовать в среде MATLAB программное обеспечение для автоматического создания СТЗ мобильных роботов в модифицированных дескриптивных алгебрах изображений, а также решить задачу автоматической ориентации мобильного робота в комнате на основе решенного в этом ПО системы технического зрения. Достижение цели планировалось в ходе решения следующих задач:

1. изучить зарубежный и отечественный опыт создания систем технического зрения

2. детально исследовать возможности математических аппаратов дескриптивных алгебр изображений, дескриптивных алгебр изображений с одним кольцом и модифицированных дескриптивных алгебр изображений

3. разработать концепцию решения задачи, архитектуры разрабатываемой СТЗ и сформулировать требования к его функционированию

4. разработать проект программного обеспечения для редактирования математических моделей СТЗ

5. реализовать ПО редактора СТЗ в среде MATLAB и решить задачу ориентации робота в комнате.

Первая глава дипломного проекта описывает решение 1 и 2 задач. В ходе решения первой задачи были изучены работы отечественных исследователей по созданию систем технического зрения советского и постсоветского периодов. Не остались без внимания и современные зарубежные разработки. К их числу можно отнести шагающего робота BigDog военного назначения. В ходе решения задач первой главы была найдена оптимальная для решения задачи дипломного проекта архитектура СТЗ мобильного робота.

Вторая глава дипломного проекта направлена на решение задач 3, 4 и 5. Третья задача заключается в коротком резюмировании реализуемой концепции и формировании технических требований к разрабатываемой системе. На основании задания на разработку дипломного проекта оформляется техническое задание, соответствующее ГОСТ 34.602-89. Во второй главе согласно сформулированному техническому заданию разработан проект автоматизированной информационной системы СТЗО МР, соответствующего ГОСТ 34.601-90. И, наконец, пятая задача дипломного проекта заключается в реализации спроектированной информационной системы на выбранном языке программирования и в выбранной среде разработки. В качестве среды программирования выбран MATLAB R2007a. Среда технических вычислений использует одноименный скриптовый язык программирования Matlab. В разработках также использованы дополнительные модули обработки и анализа изображений Image Processing Toolbox и работы с внешним оборудованием Image Acquisition Toolbox.

Таким образом, все задачи дипломного проекта решены, и качество их решения соответствует требованиям заказчика. Следовательно, поставленная цель дипломного проекта достигнута.

Литература

1. Боев, В.Д. Моделирование систем. Инструментальные средства GpssWorld [Текст]: учеб.пособие / В.Д. Боев. - СПб.; BHV-Петербург, 2004.-368 с.

2. Винокурова, О.А. Методы и средства переработки информации в допечатных системах: Монография [Текст] / О. А. Винокурова, М.В. Ефимов, Ю.Н. Самарин, М.А. Синяк. Моск. гос. ун-т печати. -- М.: МГУП.

3. Влацкая, И.В. Моделирование систем массового обслуживания [Текст]: методические указания к расчетно-графическим работам / И.В. Влацкая, О.А. Татжибаева. - Оренбург: Изд-во ГОУ ОГУ, 2005. - 20 с.

4. Гасов, В.М. Программные средства допечатных процессов: Учебное пособие для вузов [Текст] / В.М. Гасов, A.M. Цыганенко. В 3 кн. М.: МГУП, 2000.

5. Гнеденко, Б.Б. Введение в теорию массового обслуживания [Текст] / Б. Б. Гнеденко, И. Н. Коваленко. М., "Наука", 1966. 255 с.

6. Горбачев, A.A. Автоматизация учета затрат времени и управление обработкой информации в системах допечатной подготовки [Текст] / А.А. Горбачев, Ю.Н. Самарин // КомпьюАрт. -- 2006. -- №6.

7. Горбачев, A.A. Методика определения временных затрат на процесс допечатной подготовки полиграфического издания [Текст] / А.А. Горбачев, Ю.Н. Самарин // КомпьюАрт. -- 2005. -- №5.

8. Горбачев, A.A. Методика определения временных затрат на процесс подготовки сверстанных полос к выводу [Текст] / А.А. Горбачев, Ю.Н. Самарин // Проблемы полиграфии и издательского дела. --2005. --№1.

9. Иванова, А.Е. Анализ функционирования многоканальной системы массового обслуживания с учетом отказов и восстановлений цифровых печатных машин [Текст] / А.Е. Иванова // IX Международная конференция «Региональная информатика 2004»: Материалы конференции. - СПб. 2004.

10. Ивченко, Г.И. Теория массового обслуживания [Текст] / Г.И. Ивченко, В.А. Каштанов, И.Н. Коваленко -- М.:Высш. школа, 1982. -- 256 с.

11. Имитационное моделирование для науки и бизнеса [Электронный ресурс] // Применение имитационного моделирования. - Режим доступа: http://www.xjtek.ru/anylogic/articles/4/, свободный

12. Карпов, Ю.Г. Имитационное моделирование систем. Введение в моделирование с AnyLogic 5. [Текст] / Ю.Г. Карпов - СПб. БХВ-Петербург, 2005. - 400 с.

13. Кельтон В., Лоу А. Имитационное моделирование: 3-е изд. Пер. с англ. [Текст] / В. Кельтон, А. Лоу. - СПб.: Издательская группа BNV, 2004. - 847 с.

14. Киселева, М.В. Имитационное моделирование систем в среде AnyLogic [Текст]: учебно-методическое пособие / М.В. Киселева. Екатеринбург: УГТУ - УПИ, 2009.- 88 с.

15. Кондрашова, В.К. Экономика полиграфического предприятия [Текст] : учеб.пособие для вузов / В.К. Кондрашова, О. Г. Исаева. - М.: Изд-во МГУП,2005. - 317 с.

16. Кофман А. Массовое обслуживание. Теория и приложения [Текст] / А. Кофман, Р. Крюон -М.: Мир, 1965.-304 с.

17. Леоненко, А. В. Самоучитель UML - 2-е изд, перераб. И доп. [Текст] / А.В. Леоненко - СПб.: БХВ-Петербург, 2004. - 432с.

18. Максимей, И.В. Имитационное моделирование на ЭВМ [Текст] / И.В. Максимей М.: Радио и Связь, 1988.-232 с.

19. Маликов, Р.Ф. Основы разработки компьютерных моделей сложных систем. - Уфа: Изд-во БГПУ, 2012. - 256 с.

20. Масалович, А.И. Моделирование и анализ поведения бизнес-процессов [Текст]: конспект лекций / А.И. Масалович, Ю.А. Шебеко -- M.: Тора-Инфо Центр, 2002.

21. Межотраслевые нормы времени и выработки на процессы полиграфического производства.- М.: ГП НИЦ Экономика, 1997.- 447 с.

22. Мезенцев, К.Н. Моделирование систем в среде AnyLogic 6.4 [Текст]: учебное пособие. Часть 2 / Под редакцией Заслуженного деятеля

23. Самарин, ЮН. Автоматизация учета затрат времени и управление обработкой информации в системах допечатной подготовки [Текст] / Ю.Н. Самарин, А.А. Горбачев. // КомпьюАрт-2006.

24. Самарин, Ю.Н. Допечатное оборудование: Конструкции и расчет [Текст]: учебник для вузов / Ю.Н. Самарин. Моск. гос. ун-т печати. -- М.: МГУП, 2002.

25. Самарин, Ю.Н. Технико-экономическая оценка и выбор фотонаборных автоматов для полиграфического производства [Текст] / Ю.Н. Самарин, М.А. Синяк-- М., 2001.

26. Черемных, С.В. Структурный анализ систем: IDEF - технологий / С.В. Черемных, И.О. Семенов, В.С. Ручкин. - М.: Финансы и статистика, 2003. - 208 с.

27. Черненький, В.М. Разработка САПР. Книга 9 Имитационное моделирование [Текст]: практическое пособие. / Под редакцией А.В. Петрова - М.: Высшая шк., 1990. - 112 с.

Размещено на allbest.ru