Software & Systems

Пакет позволяет анализировать участки плоскости изображения по значениям сигналов в различных спектральных зонах излучения или по локальным статистическим характеристикам этих сигналов в целях изучения объектов, представленных на изображениях, а также преобразования изображений в вид, упрощающий визуальное исследование таких объектов при решении практических задач.

Диалоговый режим обработки информации позволяет контролировать и изменять процесс обработки на каждом шаге и выбирать операции обработки из имеющегося набора в зависимости от текущих результатов обработки. Версия 2.1 пакета, функционирующая под управлением операционных систем типа ОС РВ или РАФОС для ЭВМ типа СМ-4, включает семь диалоговых программных комплексов, каждый из которых оформлен в виде автономной задачи (загрузочного модуля). Группы однотипных операций обработки многозональных изображений, реализуемые каждым из комплексов, перечислены в табл. 1, размеры модулей (применительно к операционной системе ОС РВ, версия 2.0) — в табл. 2.

Выбор конкретных алгоритмов обработки, использованных в пакете, определялся вычислительными ресурсами ЭВМ типа СМ-4. При разработке пакета были адаптированы известные и предложены новые алгоритмы преобразования и сегментации растровых цифровых изображений. Поскольку в составе серийного периферийного оборудования

ЭВМ СМ-4 пока отсутствуют растровые дисплеи, позволяющие хранить в цифровой форме и отображать на экране цветного телевизионного монитора многоградационные многозональные растровые изображения, вся обработка в пакете КРО-КИС-СМ выполняется по принципу «входной файл — выходной файл». Все необходимые данные для обработки хранятся на магнитных дисках как стандартные именованные файлы, поддерживаемые операционной системой. Результаты обработки формируются в виде аналогичных файлов. Обработка ведется в скользящем построчном режиме — в каждый момент времени в оперативной памяти ЭВМ находится только несколько смежных строк растра. Полная обработка изображения выполняется в основном за один проход по исходному изображению, реже — за два прохода. Все программные комплексы пакета взаимосогласованы по форматам представления исходных и результирующих изображений и сопутствующих данных в соответствии с предметной областью, изображенной на рисунке. Операции обработки, зоне представлен однобайтовым целым числом в диапазоне 0~ь255. Карта по формату записи не отличается от однозонального изображения, за исключением диапазона изменения сигнала в каждой точке растра: Он-1024 для карты однородных участков, 1 -ь32 для карты классификации сигналов (сигнатур), Он-32 для карты классификации участков. Сигнал для каждой точки карты участков представляется двухбайтовым целым числом, для точки карты классификации — однобайтовым целым числом.

Синтаксис командного языка, управляющего установкой^ режимов диалоговой или автоматической работы пакета и выбором операций преобразования изображений, унифицирован для всего пакета. Используются единая структура текстовых запросов параметров обработки в табличной форме и единый макет оформления протокола для сеанса работы с каждым комплексом, Протокол сеанса работы с комплексом по желанию экспериментатора может быть выведен на экран дисплея, АЦПУ или записан в виде тексто-

 Условные обозначения: МЗИ — многозональное изображение, КОУ — карта однородных участков, ККС — карта классификации сигналов, ККУ~ карта классификации участков

реализованные в комплексах КОНТРАСТ, РАЗМЕРНОСТЬ, ТЕКСТУРА (см. табл. 1), могут выполняться многократно в произвольной последовательности.

Обработка одной точки растра в одной зоне требует порядка 100—1000 элементарных команд ЭВМ. По этой причине подобные операции обработки относительно редко включаются в базовое программное обеспечение цифровой обработки изображений, рассчитанное на достаточно быструю обработку больших объемов данных, характерных для растровых изображений. В пакете КРОКИС-СМ такие операции используются только из-за его исследовательской направленности, поскольку при поисковых экспериментах может допускаться достаточно большая длительность машинной обработки единичных изображений. При средней производительности ЭВМ порядка 200 тыс. команд/с длительность единичной операции обработки однозонального кадра размером 500x500 точек растра составляет 125— 1250 с.

Для работы пакета КРОКИС-СМ используются два основных типа данных* растровой цифровой форме: многозональное изображение и карта. Изображение представляется на магнитном диске в формате построчной записи с перемеже-нием сигналов для зон в каждой строке: если называть сигнатурой сигналов в точке растра упорядоченный набор сигналов для различных зон, то сигналы для точек строки записываются в виде последовательности сигнатур. Сигнал в каждой вого файла со стандартным наименованием на магнитном диске.

Пакет оформлен как программный продукт и снабжен полной программной документацией, отвечающей стандартам ЕСПД. Программы пакета написаны на стандартном подмножестве алгоритмического языка ФОРТРАН-IV, общем для операционных систем ОС РВ и РАФОС для ЭВМ типа СМ-4. Программы рабочего уровня не выходят за пределы подмножества этого языка, общего для названных операционных систем и операционной системы ОС 6.1 для семейства ЕС, что упрощает перенос пакета на другие ЭВМ и операционные системы.

Пакет может использоваться при следующей конфигурации вычислительных средств: процессор типа СМ-4 с оперативной памятью не менее 128 Кбайтов для операционной системы ОС РВ или 64 Кбайта для РАФОС, алфавитно-цифровой дисплей, устройства внешней памяти на магнитных дисках для размещения пакета и файлов данных. В пакете приняты следующие предельные значения характеристик обрабатываемых данных, которые обусловлены, в основном, вычислительными ресурсами ЭВМ типа СМ-4: максимальные размеры растра — 512x512 точек, максимальное число зон (компонент сигнатуры сигналов для одной точки растра) — 4 при растре 512x512 точек и 8 — при растре 256x256 точек, максимальное число кластеров (классов сигналов) — 32, максимальное число участков сегментации — 1024, максимальное число уровней сигнала в одной зоне — 256. Благодаря модульной архитектуре пакет может быть адаптирован для работы со специализированным периферийным оборудованием ЭВМ для ввода, хранения и визуализации растровых цифровых изображений (в частности, с растровыми дисплеями различных конструкций).

Основные операции скользящей построчной обработки растровых цифровых изображений приведены в табл. 3-1-5. В комплексах РАЗМЕРНОСТЬ, КОНТРАСТ, ТЕКСТУРА, КЛАСТЕР, ПАРАМЕТР, КЛАСТЕР-УЧАСТОК использованы известные алгоритмы преобразования, вычисления" характеристик, кластерного анализа и классификации сигналов с определенными модификациями. Модификации этих алгоритмов позволили ускорить формирование ковариационной матрицы сигналов исходного изображения за счет сокращения числа умножений, ввести индикации состояния «зацикливания», т. е. циклического повторения одной и той же последовательной картины расщепления и слияния кластеров в итеративных кластерных алгоритмах типа ISODATA, автоматизировать вычисления ряда параметров кластеризации в таких алгоритмах на основе анализа статистического распределения ребер минимального остовного дерева для векторов обучающей выборки. В комплексе УЧАСТОК реализованы алгоритмы скользящей однопроходной сегментации на основе текстурного индекса однородности, использующие линейную таблицу декодирования номеров участков для непрерывного учета слияния участков в ходе сегментации и исключений участков по порогам допустимой площади. В комплексе ПАРАМЕТР использован новый алгоритм скользящего однопроходного вычисления статистических характеристик распределений длины сечений площади каждого участка, выделенного в плоскости изображения, в четырех направлениях по строкам, столбцам и диагоналям растра.

Алгоритмическая основа пакета непрерывно совершенствуется и будет расширяться в дальнейшем в следующих направлениях: создание новых алгоритмов скользящей сегментации плоскости изображения на односвязные участки с примерно постоянным относительным спектральным составом сигналов и(или) приблизительно монотонным изменением интенсивности сигналов, формирование представительной обучающей выборки на основе предварительной сегментации плоскости изображения на односвязные участки с ограниченным размахом сигналов в каждой спектральной зоне, использование поддеревьев минимального покрывающего дерева для обучающей выборки в качестве начальных приближений к искомым кластерам и визуализация этих поддеревьев для оценки качества начальных приближений и анализа структуры выборки, расширение ансамбля вычисляемых локальных текстурных характеристик при формировании «текстурных» изображений. В состав новых версий пакета предполагается включить комплексы ограниченных геометрических преобразований плоскости изображения, совмещения изображений и их фрагментов, формирования и обработки контурных изображений, обратимого кодирования изображений на основе оптимальной скользящей линейной фильтрации, построения цифровой модели рельефа местности по стереопаре цифровых изображений, приведенной к идеальной горизонтальной стереопаре, формирования преобразованной стереопары по исходной стереопаре и преобразованной цифровой модели рельефа.

Работой каждого из комплексов пакета КРО-КИС-СМ управляет унифицированный двухступенчатый диалоговый монитор. Первая ступень монитора устанавливает режимы работы всего комплекса, вторая ступень обеспечивает выбор и выполнение конкретных операций обработки. Диалог с комплексом ведется с помощью символьных команд, имеющих стандартный синтаксис: КОМ/КЛ1/КЛ2.../КЛМ, где КОМ — обязательная трехсимвольная команда установки режима или выбора операции обработки, КЛ1 — КЛМ — необязательные трехсимвольные ключи, дополняющие или модифицирующие,действие команды, / — разделитель, отмечающий начало поля ключа. В некоторых случаях команда может иметь формат КОМ:МОД, где МОД — трехсимвольный указатель модификации команды,: — разделитель, отмечающий начало поля указателя модификации. Команды первой ступени вводятся с терминала пользователя в ответ на запрос комплекса ХХХ>, где XXX — условное трехсимвольное наименование задачи, реализующей данный комплекс (CNT — КОНТРАСТ, DIM — РАЗМЕРНОСТЬ, ТЕХ — ТЕКСТУРА, CLS — КЛАСТЕР, REG — УЧАСТОК, PAR — ПАРАМЕТР, CPG — КЛАСТЕР-УЧАСТОК). Команды второй ступени вводятся в ответ на запрос XXX». На обеих ступенях монитора во всех комплексах имеются две общие команды:

HLP — вывод списка команд и ключей данной ступени,

END — возврат на предыдущую ступень управления (для первой ступени — конец сеанса работы с комплексом).

Первая ступень диалогового монитора использует 3 основные команды установки режима работы комплекса:

DIA — диалоговый режим,

РАС — автоматический режим,

RPT — начало нового цикла обработки в текущем сеансе работы с комплексом.

В диалоговом режиме монитор переключается на вторую ступень (запрос ХХХ>>), которая позволяет экспериментатору последовательно задавать операции и параметры обработки данных. В автоматическом режиме выполняются те операции и с теми параметрами обработки, которые были ранее указаны в режиме диалога и запомнены в соответствующих файлах параметров обработки. Последовательность выполнения операций указывается ключами в команде РАС. При отсутствии ключей по умолчанию берется определенная стандартная последовательность операций для каждого комплекса.

Наименования файлов исходных и результирующих данных, которые по умолчанию будут использоваться в процессе обработки, запрашиваются в начале каждого нового цикла обработки. Можно «подавить» умолчание и работать с произвольными спецификациями файлов, используя соответствующий ключ (/CNL) при установке режима работы. С помощью других ключей изменяются принятые по умолчанию режимы вывода сообщений комплексов (/INF), выполняются полуавтоматическая установка параметров обработки (/AUT) и запрос параметров обработки, формируются файлы параметров без выполнения собственно обработки (/PAR) и др. Команды управления, спецификации файлов данных, параметры операций обработки, текстовые сообщения и отметки времени, а также символьные распечатки фрагментов карт и «фазовых портретов» пространства сигналов, отображенных на плоскость, заносятся в процессе сеанса в протокол работы комплекса.

Анализ практического использования пакета пользователями позволил сформулировать следующие перспективные направления дальнейшего его совершенствования:

— реализация диалога с экспериментатором и визуализация данных на основе более полного использования возможностей экрана (многооконное взаимодействие, произвольная адресация любой области экрана при помощи аппарата «меню» и программируемых клавиш, независимое применение режимов «бегущего ролика» и «остановившейся страницы» в различных окнах экрана);

—   создание системы каталогизации данных для обеспечения доступа к изображениям и результатам их обработки непосредственно по исходным именам и предысториям обработки;

—   существенное сокращение числа параме тров, задаваемых экспериментатором в диалоге, за счет введения их полуавтоматического вычи сления и установок по умолчанию;

—   обработка пакетом незапланированных запросов пользователя (в частности, запросов на отмену выполняемой операции);

—   получение результатов работы пакета в виде, не требующем дополнительных усилий пользователя по декодированию сигналов при последующей обработке вне пакета, и др.

В последующих версиях пакета КРОКИС-СМ указанные направления предполагается реализовать на основе универсальной системы (операционной оболочки), которая открыта для подключения прикладных задач и способна управлять их работой, вести диалог с пользователем и отображать достаточно часто используемые структура данных. Разработанный в настоящее время первый вариант подобной оболочки — система ПУСК (система проектирования управляемых системны» компонент) — обеспечивает совместное функционирование прикладных задач и системных процедур, обеспечивающих создание структур данных, организацию многооконного диалога, реализацию сценария работы и передачу данных от управляющего уровня к прикладным задачам и обратно. Работа системы ПУСК основана на анализе специальных символьных схем, которые содержат формальные описания выполняемых операций (свойства данных, их взаимосвязи, положение данных на экране терминала в ходе диалога, сценарий обработки и др.), отражают определенные последовательности действий, выполняемы» системой, но не участвуют в создании загрузочного модуля конкретного программного комплекса. Это делает диалог и сценарий обработки относительно независимыми и легко изменяемыми.

Возможности использования пакета КРОКИС-СМ для решения задач обработки изображения проводились на различных по содержанию фрагментах многозональных снимков земной поверхности и телевизионных изображений реальных сцен.

Выполненные эксперименты подтверждают возможность использования пакета для диалогового анализа спектрально и статистически однородных участков изображений (например водных поверхностей или растительных массивов на снимках земной поверхности).

Операции кластерного анализа и классификации сигналов

и участков сегментации в плоскости изображения в пакете

КРОКИС-СМ (версия 2.1)

Реализуемая операция

1.            Получение обучающей выборки сигналов исходного изображения.

2.            Визуализация выборки проектированием пространства сигналов на заданную координатную плоскость.

3.            Визуализация выборки проектированием пространства сигналов на заданную координатную плоскость с итера тивным перемещением сигналов в пространстве, под черкивающим возможную кластерную структуру выборки.

4.            Визуализация выборки нелинейным триангуляционным отображением на плоскость с сохранением длины ребер минимального покрывающего дерева для векторов выборки.

5.            Кластерный анализ выборки разбиением на заданное

число четких кластеров по критерию минимального суммарного внутрикластерного разброса сигналов.

6.    Кластерный анализ выборки разбиением на заданное число нечетких кластеров с заданной функцией принад лежности по критерию минимального суммарного взвешенного разброса сигналов.

7.            Кластерный анализ выборки с итеративным подбором числа четких кластеров по модифицированному ме тоду ISODATA.

8.            Кластерный анализ выборки с итеративным подбором числа нечетких кластеров, сходным с методом ISODATA.

9.            Визуализация центров кластеров проектированием пространства сигналов на заданную координатную плоскость.

10.       Визуализация центров кластеров нелинейным триангуляци онным отображением на плоскость с сохранением длины ребер минимального покрывающего дерева для полного графа связей между центрами кластеров.

11.       Классификация сигналов по критерию минимального рас стояния до центров кластеров.

12.       Визуализация карты классификации сигналов символь ной печатью ее фрагментов

Те же операции, что и для комплекса КЛАСТЕР, но применительно к таблице характеристик участков, полученной на выходе комплекса ПАРАМЕТР (исходные данные — карта участков, полученная на выходе комплекса УЧАСТОК, и таблица характеристик участков;

результат обработки — карта классификации участков в растровой форме)

таблица'

Операции сегментации плоскости изображения на односвязные участки

и получения статистических характеристик участков в пакете

КРОКИС-СМ (версия 2.1)