Повышение достоверности выявления аномалий на изображениях при формировании их векторов признаков в базисах вейвлетов
Ключевые слова:
распознавание изображений, векторы признаков, вейвлет-преобразование, контрастность признаковых пространствАннотация
Предложен способ обнаружения спасательных плотов и шлюпок в акватории морей и океанов после кораблекрушений, основанный на распознавании аномалий на обрабатываемых изображениях, что увеличивает вероятность распознавания объектов мониторинга. Обоснован подход к решению такой задачи. Представлена постановка задачи распознавания объектов с позиций бинарной классификации при обнаружении аномалий. Получено аналитическое выражение для алгоритма принятия решения. Рассмотрена возможность формализации матриц изображений в виде гистограмм распределений интенсивности цветности (яркости). Оценена контрастность признакового пространства на их основе. Предложено повысить контрастность признаковых пространств за счет вторичной обработки гистограмм распределений в базисе кратномасштабной вейвлет-декомпозиции. Рассмотрена возможность реализации вейвлет-преобразований на основе функций Хаара и вейвлетов Гаусса 1-го и 2-го порядков. Обоснован механизм формирования вторичных векторов признаков из трехмерных вейвлет-преобразований, путем усреднения их коэффициентов по оси временного сдвига. Показано, что при одинаковой размерности гистограмм распределения яркости с вновь формируемыми векторами признаков, последние обеспечивают более высокую контрастность признаковых пространств. Рекомендовано для формализации изображений в формате jpeg использовать вейвлет Гаусса 2-го порядка, обеспечивающий при прочих равных условиях большую величину различий для изображений, содержащих аномалии. Разработан подход к вероятностной оценке алгоритма автоматического распознавания изображений. Получено аналитическое выражение и обоснованы его составляющие элементы. Приведены графические зависимости вероятности правильного обнаружения (распознавания) аномалий, в зависимости от размеров по отношению к общей площади кадра и дисперсии подстилающего фона. Представлены результаты эксперимента по распознаванию изображений со спасательной шлюпкой в акватории океана. Определены направления дальнейших исследований.
Литература
1. Киджи Д.С., Ольховик Е.О. Методика районирования акватории Северного морского пути при проведении аварийноспасательных работ и ликвидации разливов нефти // Вестник государственного университета морского и речного флота им. адмирала С.О. Макарова. 2023. Т. 15. № 6. С. 1030–1040. DOI: 10.21821/2309-5180-2023-15-6-1030-1040.
2. Абросимов В.К., Матвеева Ю.Н. Формирование синтетических данных для машинного обучения распознаванию подводных объектов // Робототехника и техническая кибернетика. 2023. Т. 11. № 4. С. 256–266. DOI: 10.31776/RTCJ.11402.
3. Кузьмин О.В., Лавлинская А.А., Тараканов Б.А., Федоренко М.А., Былков Е.Г., Харитонов И.А. Проектирование БПЛА для мониторинга лесных массивов и водных пространств при помощи Autodesk Fusion 360 // Информационные технологии, их приложения и информационное образование: Материалы II Международной научной конференции (г. Улан-Удэ – Гусиноозерск, 20–22 августа 2021 г.) Улан-Удэ: Бурятский государственный университет имени Доржи Банзарова, 2021. С. 168–177.
4. Дворников С.В., Дворников С.С., Васильева Д.В. Автоматизация процедур обнаружения нефтяных разливов на водной поверхности // Информация и космос. 2024. № 1. С. 126–132.
5. Бударова В.А., Воронина Е.А., Дубровский А.В., Кустышева И.Н., Малыгина О.И., Мартынова Н.Г., Торсунова О.Ф. Нормативно-правовые особенности установления водоохранных зон и прибрежных защитных полос (на примере территории Новосибирской области) // Вестник СГУГиТ (Сибирского государственного университета геосистем и технологий). 2020. Т. 25. № 1. С. 222–238. DOI: 10.33764/2411-1759-2020-25-1-222-238.
6. Martyshov M.I., Nikitenko D.A. Preprocessing of system monitoring data for workload analysis of HPC systems // Numerical Methods and Programming. 2021. vol. 22. no. 3. pp. 230–238. DOI 10.26089/NumMet.v22r314.
7. Родионов В.В., Ищук И.Н., Громов Ю.Ю. Применение технологий искусственного интеллекта в задачах обработки данных дистанционного мониторинга поверхности земли // Автоматизация в промышленности. 2024. № 1. С. 26–28. DOI: 10.25728/avtprom. 2024.01.06.
8. Горбунова Э.М., Беседина А.Н., Кабыченко Н.В., Батухтин И.В., Петухова С.М. Прецизионный гидрогеологический мониторинг в техногенно-нарушенных условиях: организация, проведение и обработка экспериментальных данных // Сейсмические приборы. 2021. Т. 57. № 2. С. 62–80. DOI: 10.21455/si.2021.2-4.
9. Чан Х.Н., Подстригаев А.С, Нгуен Ч.Н., Иконенко Д.А. Оценка достоверности распознавания сигналов для алгоритма распознавания с детектированием на двух промежуточных частотах // Успехи современной радиоэлектроники. 2023. Т. 77. № 10. С. 70–79. DOI: 10.18127/j20700784-202310-07.
10. Васильева Д.В., Якушенко С.А., Дворников С.В., Погорелов А.А., Дворников С.В. Обнаружение морских дронов в оптическом диапазоне // Морской вестник. 2023. № 4(88). С. 90–92.
11. Ван Л., Петросян О.Г. Распознавание лиц на основе классификации вейвлет признаков путём вейвлет нейронных сетей // Информатизация образования и науки. 2018. № 4(40). С. 129–139.
12. Гочаков А.В. Задача распараллеливания вейвлет-преобразования для фильтрации зашумленных видеоизображений // Труды Новосибирского государственного архитектурно-строительного университета (Сибстрин). 2011. Т. 14. № 2(51). С. 85–89.
13. Dvornikov S., Ustinov A., Okov I. Statistical Arithmetic Coding Algorithm Adaptive to Correlation Properties of Wavelet Transform Coefficients // Proceedings of Telecommunication Universities. 2022. vol. 8. no. 3. pp. 6–12. DOI: 10.31854/1813-324X-2022-8-3-6-12.
14. Дубина В.А., Катин И.О., Боброва М.А., Плотников В.В. Кораблекрушение на границе морского заповедника. Результаты спутникового мониторинга // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2020. Т. 17. № 1. С. 267–270. DOI: 10.21046/2070-7401-2020-17-1-267-270.
15. Родионов А.Г., Ефимов В.В., Тварин Ю.Г. Искусственный интеллект в судовождении - игра в имитацию? (По материалам зарубежных и открытых источников) // Морской вестник. 2022. № 4(84). С. 95–102.
16. Сенцов А.А., Ненашев В.А., Иванов С.А., Турнецкая Е.Л. Совмещение сформированных радиолокационных изображений с цифровой картой местности в бортовых системах оперативного мониторинга земной поверхности // Труды МАИ. 2021. № 117. DOI: 10.34759/trd-2021-117-08.
17. Гибадуллин Р.Ф., Смирнов И.Н., Хевронин Н.В., Никитин А.В., Перухин М.Ю. Разработка аппаратно-программного модуля обнаружения объектов для встраиваемых систем // Вестник Технологического университета. 2018. Т. 21. № 6. С. 118–122.
18. Janati M., Kolahdoozan M., Imanian H. Artificial Neural Network Modeling for the Management of Oil Slick Transport in the Marine Environments. Pollution. 2020. vol. 6. no. 2. pp. 399–415.
19. Jiao Z., Jia G., Cai Y. A new approach to oil spill detection that combines deep learning with unmannedaerial vehicles. Computers & Industrial Engineering. 2019. vol. 135. pp. 1300–1311.
20. Stockman G., Shapiro L.G. Computer Vision. 1st ed. Prentice Hall PTR: Upper Saddle River, NJ, USA, 2001. 617 p.
21. He K., Zhang X., Ren S., Sun J. Deep residual learning for image recognition. Proceedings of the IEEE Computer Society Conference on Computer Vision and Pattern Recognition. 2016. pp. 770–778.
22. Howard A.G., Zhu M., Chen B., Kalenichenko D., Wang W., Weyand T., Andreetto M., Adam H. MobileNets: Efficient convolutional neural networks for mobile vision applications. arXiv preprint arXiv:1704.04861. 2017.
23. Фукунага К. Введение в статистическую теорию распознавания образов / Пер. с англ. Москва: Наука, 1979. 368 с.
24. Буланов В.А., Волосатова Т.М. Программный комплекс предварительной обработки изображений для обнаружения и распознавания изображений // Наука и образование: научное издание МГТУ им. Н.Э. Баумана. 2014. № 4. С. 321–338. DOI: 10.7463/0414.0707888.
25. Abbasov I.B. Image Recognition in Agriculture and Landscape Protection // International Journal of Science and Research. 2020. vol. 9. no. 12. pp. 757–763. DOI: 10.21275/SR201212144831.
26. Dvornikov S.S., Zheglov K.D., Dvornikov S.V. SSB signals with controlled pilot level // T-Comm. 2023. vol. 17. no. 3. pp. 41–47. DOI: 10.36724/2072-8735-2023-17-3-41-47.
27. Zimek A., Schubert E. Outlier Detection // Encyclopedia of Database Systems. 2017. DOI: 10.1007/978-1-4899-7993-3_80719-1.
28. Васильева Д.В., Дворников С.С., Толстуха Ю.Е., Обрезков П.С., Дворников С.В. Формирование векторов признаков для систем видеонаблюдения // Вопросы радиоэлектроники. Серия: Техника телевидения. 2023. № 4. С. 62–68.
29. Казарян М.Л., Рихтер А.А., Шахраманьян М.А. Символические матрицы и их применение при решении систем многочленных уравнений и обработке изображений // Информация и космос. 2021. № 3(1). С. 86–95.
30. Дворников С.В., Балыков А.А. Предложения по управлению скоростью передачи и помехоустойчивостью сигналов с перестановочной частотной модуляцией // T-Comm: Телекоммуникации и транспорт. 2020. Т. 14. № 6. С. 20–26. DOI: 10.36724/2072-8735-2020-14-6-20-26.
31. Макаренко А.А. Вариант применения цифровой обработки изображений для распознавания текстур на оптикоэлектронном изображении // Радиопромышленность. 2021. Т. 31. № 2. С. 15–21. DOI: 10.21778/2413-9599-2021-31-2-15-21.
32. The First Half-Tones. Library and Archives of Canada. 2009.
33. Умбиталиев А.А., Дворников С.В., Оков И.Н., Устинов А.А. Способ сжатия графических файлов методами вейвлет-преобразований // Вопросы радиоэлектроники. Серия: Техника телевидения. 2015. № 3. С. 100–106.
34. Горбачев В.Н., Казаков А.Я., Савельева М.Ю. Вейвлет-преобразование полутонового изображения в конечном поле // Оптический журнал. 2021. Т. 88. № 2. С. 40–49. DOI: 10.17586/1023-5086-2021-88-02-40-49.
35. Дейцева А.Г. Построение базисных вейвлетов и фреймов с помощью финитных функций. Соболевский вейвлет // Вестник БГУ. Серия 1, Физика. Математика. Информатика. 2006. № 2. С. 75–79.
36. Велигоша А.В., Малышко Н.Н., Струков Р.И. Применение искусственных нейронных сетей для снижения избыточности дискретного вейвлет-преобразования // Теория и техника радиосвязи. 2020. № 2. С. 5–12.
37. Сай С.В., Зинкевич А.В., Фомина Е.С. Сравнение дискретного косинус и вейвлет-преобразований в системах сжатия RAW-изображений // Компьютерная оптика. 2022. Т. 46. № 6. С. 929–938. DOI: 10.18287/2412-6179-CO-1094.
38. Лаврентьева А.С., Новиков В.А., Семенова М.Ю., Фидельман В.Р. Применение дискретного вейвлет-преобразования для определения символьной скорости коротких выборок фазоманипулированного сигнала // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки. 2016. № 1(37). С. 92–102.
39. Сельвесюк Н.И., Веселов Ю.Г., Гайденков А.В., Островский А.С. Оценка характеристик обнаружения и распознавания объектов на изображении от специальных оптико-электронных систем наблюдения летного поля // Труды МАИ. 2018. № 103.
40. Андриянов Н.А., Дементьев В.Е., Ташлинский А.Г. Обнаружение объектов на изображении: от критериев Байеса и Неймана–Пирсона к детекторам на базе нейронных сетей EfficientDet // Компьютерная оптика. 2022. Т. 46. № 1. С. 139–159. DOI: 10.18287/2412-6179-CO-922.
41. Дворников С.В. Метод обнаружения сигналов диапазона ВЧ на основе двухэтапного алгоритма принятия решения // Научное приборостроение. 2005. Т. 15. № 3. С. 114–119.
2. Абросимов В.К., Матвеева Ю.Н. Формирование синтетических данных для машинного обучения распознаванию подводных объектов // Робототехника и техническая кибернетика. 2023. Т. 11. № 4. С. 256–266. DOI: 10.31776/RTCJ.11402.
3. Кузьмин О.В., Лавлинская А.А., Тараканов Б.А., Федоренко М.А., Былков Е.Г., Харитонов И.А. Проектирование БПЛА для мониторинга лесных массивов и водных пространств при помощи Autodesk Fusion 360 // Информационные технологии, их приложения и информационное образование: Материалы II Международной научной конференции (г. Улан-Удэ – Гусиноозерск, 20–22 августа 2021 г.) Улан-Удэ: Бурятский государственный университет имени Доржи Банзарова, 2021. С. 168–177.
4. Дворников С.В., Дворников С.С., Васильева Д.В. Автоматизация процедур обнаружения нефтяных разливов на водной поверхности // Информация и космос. 2024. № 1. С. 126–132.
5. Бударова В.А., Воронина Е.А., Дубровский А.В., Кустышева И.Н., Малыгина О.И., Мартынова Н.Г., Торсунова О.Ф. Нормативно-правовые особенности установления водоохранных зон и прибрежных защитных полос (на примере территории Новосибирской области) // Вестник СГУГиТ (Сибирского государственного университета геосистем и технологий). 2020. Т. 25. № 1. С. 222–238. DOI: 10.33764/2411-1759-2020-25-1-222-238.
6. Martyshov M.I., Nikitenko D.A. Preprocessing of system monitoring data for workload analysis of HPC systems // Numerical Methods and Programming. 2021. vol. 22. no. 3. pp. 230–238. DOI 10.26089/NumMet.v22r314.
7. Родионов В.В., Ищук И.Н., Громов Ю.Ю. Применение технологий искусственного интеллекта в задачах обработки данных дистанционного мониторинга поверхности земли // Автоматизация в промышленности. 2024. № 1. С. 26–28. DOI: 10.25728/avtprom. 2024.01.06.
8. Горбунова Э.М., Беседина А.Н., Кабыченко Н.В., Батухтин И.В., Петухова С.М. Прецизионный гидрогеологический мониторинг в техногенно-нарушенных условиях: организация, проведение и обработка экспериментальных данных // Сейсмические приборы. 2021. Т. 57. № 2. С. 62–80. DOI: 10.21455/si.2021.2-4.
9. Чан Х.Н., Подстригаев А.С, Нгуен Ч.Н., Иконенко Д.А. Оценка достоверности распознавания сигналов для алгоритма распознавания с детектированием на двух промежуточных частотах // Успехи современной радиоэлектроники. 2023. Т. 77. № 10. С. 70–79. DOI: 10.18127/j20700784-202310-07.
10. Васильева Д.В., Якушенко С.А., Дворников С.В., Погорелов А.А., Дворников С.В. Обнаружение морских дронов в оптическом диапазоне // Морской вестник. 2023. № 4(88). С. 90–92.
11. Ван Л., Петросян О.Г. Распознавание лиц на основе классификации вейвлет признаков путём вейвлет нейронных сетей // Информатизация образования и науки. 2018. № 4(40). С. 129–139.
12. Гочаков А.В. Задача распараллеливания вейвлет-преобразования для фильтрации зашумленных видеоизображений // Труды Новосибирского государственного архитектурно-строительного университета (Сибстрин). 2011. Т. 14. № 2(51). С. 85–89.
13. Dvornikov S., Ustinov A., Okov I. Statistical Arithmetic Coding Algorithm Adaptive to Correlation Properties of Wavelet Transform Coefficients // Proceedings of Telecommunication Universities. 2022. vol. 8. no. 3. pp. 6–12. DOI: 10.31854/1813-324X-2022-8-3-6-12.
14. Дубина В.А., Катин И.О., Боброва М.А., Плотников В.В. Кораблекрушение на границе морского заповедника. Результаты спутникового мониторинга // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2020. Т. 17. № 1. С. 267–270. DOI: 10.21046/2070-7401-2020-17-1-267-270.
15. Родионов А.Г., Ефимов В.В., Тварин Ю.Г. Искусственный интеллект в судовождении - игра в имитацию? (По материалам зарубежных и открытых источников) // Морской вестник. 2022. № 4(84). С. 95–102.
16. Сенцов А.А., Ненашев В.А., Иванов С.А., Турнецкая Е.Л. Совмещение сформированных радиолокационных изображений с цифровой картой местности в бортовых системах оперативного мониторинга земной поверхности // Труды МАИ. 2021. № 117. DOI: 10.34759/trd-2021-117-08.
17. Гибадуллин Р.Ф., Смирнов И.Н., Хевронин Н.В., Никитин А.В., Перухин М.Ю. Разработка аппаратно-программного модуля обнаружения объектов для встраиваемых систем // Вестник Технологического университета. 2018. Т. 21. № 6. С. 118–122.
18. Janati M., Kolahdoozan M., Imanian H. Artificial Neural Network Modeling for the Management of Oil Slick Transport in the Marine Environments. Pollution. 2020. vol. 6. no. 2. pp. 399–415.
19. Jiao Z., Jia G., Cai Y. A new approach to oil spill detection that combines deep learning with unmannedaerial vehicles. Computers & Industrial Engineering. 2019. vol. 135. pp. 1300–1311.
20. Stockman G., Shapiro L.G. Computer Vision. 1st ed. Prentice Hall PTR: Upper Saddle River, NJ, USA, 2001. 617 p.
21. He K., Zhang X., Ren S., Sun J. Deep residual learning for image recognition. Proceedings of the IEEE Computer Society Conference on Computer Vision and Pattern Recognition. 2016. pp. 770–778.
22. Howard A.G., Zhu M., Chen B., Kalenichenko D., Wang W., Weyand T., Andreetto M., Adam H. MobileNets: Efficient convolutional neural networks for mobile vision applications. arXiv preprint arXiv:1704.04861. 2017.
23. Фукунага К. Введение в статистическую теорию распознавания образов / Пер. с англ. Москва: Наука, 1979. 368 с.
24. Буланов В.А., Волосатова Т.М. Программный комплекс предварительной обработки изображений для обнаружения и распознавания изображений // Наука и образование: научное издание МГТУ им. Н.Э. Баумана. 2014. № 4. С. 321–338. DOI: 10.7463/0414.0707888.
25. Abbasov I.B. Image Recognition in Agriculture and Landscape Protection // International Journal of Science and Research. 2020. vol. 9. no. 12. pp. 757–763. DOI: 10.21275/SR201212144831.
26. Dvornikov S.S., Zheglov K.D., Dvornikov S.V. SSB signals with controlled pilot level // T-Comm. 2023. vol. 17. no. 3. pp. 41–47. DOI: 10.36724/2072-8735-2023-17-3-41-47.
27. Zimek A., Schubert E. Outlier Detection // Encyclopedia of Database Systems. 2017. DOI: 10.1007/978-1-4899-7993-3_80719-1.
28. Васильева Д.В., Дворников С.С., Толстуха Ю.Е., Обрезков П.С., Дворников С.В. Формирование векторов признаков для систем видеонаблюдения // Вопросы радиоэлектроники. Серия: Техника телевидения. 2023. № 4. С. 62–68.
29. Казарян М.Л., Рихтер А.А., Шахраманьян М.А. Символические матрицы и их применение при решении систем многочленных уравнений и обработке изображений // Информация и космос. 2021. № 3(1). С. 86–95.
30. Дворников С.В., Балыков А.А. Предложения по управлению скоростью передачи и помехоустойчивостью сигналов с перестановочной частотной модуляцией // T-Comm: Телекоммуникации и транспорт. 2020. Т. 14. № 6. С. 20–26. DOI: 10.36724/2072-8735-2020-14-6-20-26.
31. Макаренко А.А. Вариант применения цифровой обработки изображений для распознавания текстур на оптикоэлектронном изображении // Радиопромышленность. 2021. Т. 31. № 2. С. 15–21. DOI: 10.21778/2413-9599-2021-31-2-15-21.
32. The First Half-Tones. Library and Archives of Canada. 2009.
33. Умбиталиев А.А., Дворников С.В., Оков И.Н., Устинов А.А. Способ сжатия графических файлов методами вейвлет-преобразований // Вопросы радиоэлектроники. Серия: Техника телевидения. 2015. № 3. С. 100–106.
34. Горбачев В.Н., Казаков А.Я., Савельева М.Ю. Вейвлет-преобразование полутонового изображения в конечном поле // Оптический журнал. 2021. Т. 88. № 2. С. 40–49. DOI: 10.17586/1023-5086-2021-88-02-40-49.
35. Дейцева А.Г. Построение базисных вейвлетов и фреймов с помощью финитных функций. Соболевский вейвлет // Вестник БГУ. Серия 1, Физика. Математика. Информатика. 2006. № 2. С. 75–79.
36. Велигоша А.В., Малышко Н.Н., Струков Р.И. Применение искусственных нейронных сетей для снижения избыточности дискретного вейвлет-преобразования // Теория и техника радиосвязи. 2020. № 2. С. 5–12.
37. Сай С.В., Зинкевич А.В., Фомина Е.С. Сравнение дискретного косинус и вейвлет-преобразований в системах сжатия RAW-изображений // Компьютерная оптика. 2022. Т. 46. № 6. С. 929–938. DOI: 10.18287/2412-6179-CO-1094.
38. Лаврентьева А.С., Новиков В.А., Семенова М.Ю., Фидельман В.Р. Применение дискретного вейвлет-преобразования для определения символьной скорости коротких выборок фазоманипулированного сигнала // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки. 2016. № 1(37). С. 92–102.
39. Сельвесюк Н.И., Веселов Ю.Г., Гайденков А.В., Островский А.С. Оценка характеристик обнаружения и распознавания объектов на изображении от специальных оптико-электронных систем наблюдения летного поля // Труды МАИ. 2018. № 103.
40. Андриянов Н.А., Дементьев В.Е., Ташлинский А.Г. Обнаружение объектов на изображении: от критериев Байеса и Неймана–Пирсона к детекторам на базе нейронных сетей EfficientDet // Компьютерная оптика. 2022. Т. 46. № 1. С. 139–159. DOI: 10.18287/2412-6179-CO-922.
41. Дворников С.В. Метод обнаружения сигналов диапазона ВЧ на основе двухэтапного алгоритма принятия решения // Научное приборостроение. 2005. Т. 15. № 3. С. 114–119.
Опубликован
2024-11-07
Как цитировать
Дворников, С. В., & Васильева, Д. В. (2024). Повышение достоверности выявления аномалий на изображениях при формировании их векторов признаков в базисах вейвлетов. Информатика и автоматизация, 23(6), 1698-1729. https://doi.org/10.15622/ia.23.6.5
Раздел
Математическое моделирование и прикладная математика
Copyright (c) Dina Vasilyeva, Сергей Викторович Дворников
Это произведение доступно по лицензии Creative Commons «Attribution» («Атрибуция») 4.0 Всемирная.
Авторы, которые публикуются в данном журнале, соглашаются со следующими условиями: Авторы сохраняют за собой авторские права на работу и передают журналу право первой публикации вместе с работой, одновременно лицензируя ее на условиях Creative Commons Attribution License, которая позволяет другим распространять данную работу с обязательным указанием авторства данной работы и ссылкой на оригинальную публикацию в этом журнале. Авторы сохраняют право заключать отдельные, дополнительные контрактные соглашения на неэксклюзивное распространение версии работы, опубликованной этим журналом (например, разместить ее в университетском хранилище или опубликовать ее в книге), со ссылкой на оригинальную публикацию в этом журнале. Авторам разрешается размещать их работу в сети Интернет (например, в университетском хранилище или на их персональном веб-сайте) до и во время процесса рассмотрения ее данным журналом, так как это может привести к продуктивному обсуждению, а также к большему количеству ссылок на данную опубликованную работу (Смотри The Effect of Open Access).