Методи та комп’ютерні засоби опрацювання растрових зображень тривимірних об’єктів

Abstract

У дисертаційній роботі розв’язано наукову задачу аналітичного опису та побудови тривимірних моделей об’єктів за растровими зображеннями висот, отриманими лазерним далекоміром на літаючій платформі. Для вирішення поставленої задачі розроблено метод формування тонких, замкнутих контурів об’єктів, що базується на властивостях фази градієнту. Розроблено метод аналітичного опису контурної лінія ланцюжками точок, що на відміну від існуючих, вимагає сканування бінарного зображення тільки в одному напрямку. Запропоновано оптимізувати аналітичний опис контурів об’єктів з врахуванням геометричних властивостей будівель, паралельності та перпендикулярності їх сторін. Розроблено методи розділення множин точок об’єкту, що належать різним поверхням та їх аналітичного опису поверхнями 1-го та 2-го порядку. Запропоновано варіанти застосування паралельної пам’яті з впорядкованим доступом для задач опрацювання зображень, показано основні сфери застосування цього типу пам’яті, що дозволяє підвищити продуктивність реалізації операцій в спеціалізованих системах опрацювання зображень. Подальший розвиток дістали дослідження та вдосконалення швидких алгоритмів ортогональних тригонометричних перетворень, що забезпечило підвищення ефективності реалізації як програмного, так і апаратного забезпечення систем опрацювання зображень. На основі отриманих результатів розроблено комплекс програм відтворення тривимірних моделей будівель за растровими даними висот, отриманих від лазерного далекоміру, встановленого на літаючій платформі. В диссертационной работе решена научная задача аналитического описания и построения трехмерных моделей объектов по растровыми изображениями высот, полученными лазерным дальномером на летающей платформе. Рассмотрены и проанализированы основные этапы методов обработки растровых изображений, направленных на выделение, разделение, распознавание и описание объектов, изображенных на сценах. Определены проблемные вопросы, возникающие при разработке компьютерных систем аналитического описания трехмерных объектов из растровых изображений и которым необходимо уделить особое внимание в процессе упорядочения этапов обработки, определения содержания и целесообразности операций, выполняемых на каждом из этих этапов. На основе проведенного анализа сформулированы цель и задачи исследований. Для решения поставленной задачи определены основными, функционально законченными, этапами аналитического описания трехмерных объектов следует считать: выделения краев и маркировка контуров объектов, формирование и параметрическое описания контуров объектов, формирование и разделение множеств точек объектов принадлежащих различным поверхностям и их аппроксимация поверхностями первого и второго порядка, определение и сопряжения соседних поверхностей объектов. Разработан метод формирования тонких замкнутых контуров объектов, основанный на свойствах фазы градиента. Разработан метод аналитического описания контурной линии цепочками точек, который, в отличие от существующих, требует сканирования бинарного изображения только в одном направлении. Предложено оптимизировать аналитическое описание контуров объектов с учетом геометрических свойств зданий и сооружений, параллельности и перпендикулярности их сторон. Сформировано рекомендации по проектированию компьютерных средств по созданию систем многоканальной, параллельной обработки изображений. Разработаны методы разделения множеств точек объекта, принадлежащих разным поверхностям и их аналитического описания поверхностями 1-го и 2-го порядка. Показано, что для обеспечения корректного разграничения и классификации поверхностей объект необходимо сканировать во взаимно-перпендикулярных направлениях. Для упрощения процедуры, сканирование производится по строкам и столбцам изображения. Рассмотрен и исследован метод определения параметров плоскостей по множеству точек с шумами. Разработан и исследован метод определения параметров цилиндрической поверхности с параметрами по ее эллиптическим сечениям перпендикулярным оси симметрии. Предложен способ построения топологического графа, который отражает структуру поверхностей объекта, и метод определения их линий пересечения для формирования трехмерной ломаной, определяющей многоугольник, который ограничивает конструктивный фрагмент объекта. Даны инженерные рекомендации по реализации разработанных методов в компьютерных средствах обработки изображений. Предложены варианты применения параллельной памяти с упорядоченным доступом для задач обработки изображений, показаны основные области применения этого типа памяти, что позволяет повысить производительность реализации операций в специализированных системах обработки изображений. Показана эффективность использования этого вида памяти в задачах поворота изображения на заданный угол, выделение части изображения, масштабирование изображения, буферизации и реорганизации данных на изображении, фильтрации изображения, что позволило повысить производительность специализированных компьютерных систем обработки изображений. Дальнейшее развитие получили исследования и совершенствования быстрых алгоритмов ортогональных тригонометрических преобразований. Предложены основные методы для повышения эффективности реализации алгоритмов цифровой обработки сигналов для универсальное и специализированных вычислительных систем. Показано, что их комплексное применение позволяет значительно повысить эффективность программ обработки изображений. На основе полученных результатов разработан комплекс программ воспроизведения трехмерных моделей зданий по растровыми данными высот, полученных от лазерного дальномера, установленного на летающей платформе. Методы и разработанные компьютерные средства исследованы на реальных висотометричных данных. Экспериментальные исследования и практическое применение, показали, что предложенные методы и созданные средства соответствуют теоретическим положениям, научным положением и выводам, изложенным в диссертационной работе. This thesis solves scientific problem of analytical description and creation threedimensional models of objects from raster images heights obtained by laser range finder on a flying platform. To solve this problem a method for forming thin closed contours of objects based on the properties of the phase gradient. A method for analytical description of the contour line pixels chains which, unlike existing binary image requires scanning in one direction only. Proposed to optimize an analytical description of the contours of objects with the geometric properties of structures, parallel and perpendicular to their sides. The methods of separation of object points sets the belonging to different surfaces and their analytical description of the surfaces of the 1st and 2nd order. Proposed applications of parallel memory orderly access to image processing tasks, shows the main areas of application of this type of memory, which improves the performance of the operations in specialized image processing systems. Developed further research and improvement of fast algorithms that ensure efficiency of the implementation of both software and hardware image processing systems. Based on the results of a set of programs designed play three-dimensional models of buildings on the heights of raster data obtained from a laser range finder mounted on a flying platform.