СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ МОРФОЛОГИЧЕСКОЙ МУЛЬТИФРАКТАЛЬНОЙ СИГНАТУРЫ
METHOD OF MEASUREMENT OF MORPHOLOGICAL MULTIFRACTAL SIGNATURE

Изобретение относится к области радиотехники и может быть использовано в системах автоматизированного обнаружения и распознавания наземных объектов на радиолокационных изображениях (РЛИ) земной поверхности, сформированных бортовой радиолокационной станцией с синтезированной апертурой антенны (РСА).
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому способу является способ вычисления морфологической мультифрактальной сигнатуры (см., например, Yong Xia, Dagan Feng, Rongchun Zhao, Yanning Zhang. Multifractal signature estimation for textured image segmentation // Pattern Recognition Letters. - 2010. - №31. - P. 163-169), основанный на определении размеров изображения, определении числа масштабов анализа, формировании структурных элементов и вычислении морфологической мультифрактальной сигнатуры изображения.
Недостатком способа является низкая точность измерения морфологической мультифрактальной сигнатуры в условиях наличия разноориентированных участков текстуры на изображении.
Техническим результатом изобретения является повышение точности измерения морфологической мультифрактальной сигнатуры за счет анализа направлений ориентации разноориентированных текстур на изображении и уточнения на этой основе результатов измерения морфологической мультифрактальной сигнатуры.
Указанный технический результат достигается тем, что в известном способе измерения морфологической мультифрактальной сигнатуры изображения, основанного на определении числа масштабов анализа, формировании структурных элементов и вычислении морфологической мультифрактальной сигнатуры, формируют структурные элементы в виде горизонтально-ориентированных линий, задают требуемое число угловых положений изображения, формируют набор повернутых на требуемое число угловых положений копий изображения, вычисляют их морфологическую мультифрактальную сигнатуру, аппроксимируют морфологические мультифрактальные экспоненты в морфологической мультифрактальной сигнатуре эллипсами, рассчитывают коэффициенты эллиптичности и углы наклонов каждого эллипса и по их результатам уточняют рассчитанную мультифрактальную сигнатуру изображения.
Сущность изобретения заключается в том, что формируют структурные элементы в виде горизонтально-ориентированных линий, задают требуемое число угловых положений изображения, формируют набор повернутых на требуемое число угловых положений копий изображения, вычисляют их морфологическую мультифрактальную сигнатуру, аппроксимируют морфологические мультифрактальные экспоненты в морфологической мультифрактальной сигнатуре эллипсами, рассчитывают коэффициенты эллиптичности и углы наклонов каждого эллипса и по их результатам уточняют рассчитанную мультифрактальную сигнатуру изображения.
Формирование структурных элементов в виде горизонтально-ориентированных линий позволяет определить направление ориентации текстуры на изображении. Процедура формирования структурного элемента в виде горизонтально-ориентированных линий может быть выполнена модификацией дискообразного структурного элемента (см, например, J.А. Lynch, D.J. Hawkess, J.С. Buckland-Wright. A robust and accurate method for calculating the fractal signature of texture in macroradiographs of osteoarthritic knees // Med. Inform. - 1991. - vol. 16. - №2. - P. 241-251).
Требуемое число угловых положений изображения задается исходя из требований к точности определения направлений ориентации текстуры изображения.
Набор повернутых копий изображения обеспечивает определение преобладающего направления ориентации текстуры изображения, обусловленное тем, что угол поворота изображения, при котором происходит совпадение преобладающего направления ориентации текстуры с направлением ориентации структурного элемента в виде горизонтально-ориентированной линии, предопределяет получение наибольшего значения морфологической мультифрактальной экспоненты (см., например, J.A. Lynch, D.J. Hawkes, J.С. Buckland-Wright. Analysis of texture in macroradiographs of osteoarthritic knees using the fractal signature // Physics Medicine Biology. - 1991. - №36. - P. 709-722).
Процедура формирования набора повернутых копий изображения может быть реализована методом вращающейся сетки (см., например, М. Wolski, P. Podsiadlo, G.W. Stachowiak. Directional fractal signature analysis of trabecular bone: Evaluation of different methods to detect early osteoarthritis in knee radiographs // Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part H: Journal of Engineering in Medicine. - 2009. - vol. 223. - P. 211-236).
Измерение морфологических мультифрактальных экспонент, повернутых на требуемое число угловых положений копий изображения, и формирование морфологической мультифрактальной сигнатуры осуществляется в соответствии с известным способом (см. Yong Xia, Dagan Feng, Rongchun Zhao, Yanning Zhang. Multifractal signature estimation for textured image segmentation // Pattern Recognition Letters. - 2010. - №31. - P. 163-169). Измеренная таким способом морфологическая мультифрактальная сигнатура в отличие от известного способа представляет собой массив морфологических мультифрактальных экспонент, полученных для набора масштабов, соответствующих размеру изображения, для каждого углового положения копии повернутого изображения.
Аппроксимация значений морфологических мультифрактальных экспонент эллипсом может быть выполнена с использованием метода наименьших квадратов (см., например, Вержбицкий В.М. Основы численных методов, учеб.: доп. Мин. обр. РФ / В.М. Вержбицкий. - 3-е издание., стер. - М.: Высш. шк., 2009. - 848 с.), а определение коэффициентов эллиптичности и углов наклона с использованием численных методов (см., например, Воронцова В.Л., Зайнуллина Л.Н. «Кривые второго порядка. Аналитическая геометрия в пространстве». Учебно-методическое пособие / В.Л. Воронцова, Л.Н. Зайнуллина. - Казань: 2016. - 67 с.).
э
n
Уточнение морфологической мультифрактальной сигнатуры осуществляется выбором из массива морфологических мультифрактальных экспонент, полученных для набора масштабов, соответствующих размеру изображения, для каждого углового положения копии повернутого изображения, мультифрактальной экспоненты, соответствующей нулевому углу поворота изображения при значении коэффициента эллиптичности k≥0.5 и соответствующей углу поворота θ=180-α, где α - угол наклона аппроксимированного эллипса.
За счет учета направления ориентации текстуры обеспечивается повышение точности измерения морфологической мультифрактальной сигнатуры изображения.
Способ измерения морфологической мультифрактальной сигнатуры может быть реализован, например, с помощью устройства, структурная схема которого приведена на чертеже, где обозначено: 1 - блок расчета масштабов анализа; 2 - блок формирования структурного элемента; 3 - блок формирования повернутых копий изображения; 4 - блок расчета морфологических мультифрактальных экспонент; 5 - формирователь неуточненной морфологической мультифрактальной сигнатуры; 6 - блок определения параметров эллипса; 7 - формирователь морфологической мультифрактальной сигнатуры.
Блок расчета масштабов анализа 1 предназначен для формирования числа масштабов анализа поступающего на его вход изображения, зависящих от его линейных размеров. Расчет масштабов анализа может быть выполнен, например, по методике, изложенной в (см., например, B.C. Плешанов, А.А. Напрюшкин, В.В. Кибиткин. Особенности применения теории фракталов в задачах анализа изображений / Автометрия. 2010. 43, №1. С. 86-97).
Блок формирования структурного элемента 2 предназначен для формирования набора структурных элементов в виде горизонтально-ориентированных линий, обладающих различной длиной по числу масштабов анализа изображения.
n
Блок формирования повернутых копий изображения 3 предназначен для формирования набора повернутых на требуемое число угловых положений копий изображения путем вращения изображения относительно своего центра в Декартовой системе координат на угол θ=180/n градусов, где n - требуемое число угловых положений, от положительного направления до совершения полуоборота и получения копии повернутого изображения в каждом угловом положении.
Блок расчета морфологических мультифрактальных экспонент 4 предназначен для расчета морфологических мультифрактальных экспонент повернутых копий изображения.
Формирователь неуточненной морфологической мультифрактальной сигнатуры 5 предназначен для формирования морфологической мультифрактальной сигнатуры, представляющей собой объединение значений морфологических мультифрактальных экспонент повернутых копий изображения, полученных для всех возможных масштабов анализа.
Блок определения параметров эллипса 6 предназначен для аппроксимации эллипсом значений морфологических мультифрактальных экспонент копий изображения, полученных для одного масштаба, методом наименьших квадратов, определения его коэффициента эллиптичности и угла наклона.
э
n

Формирователь морфологической мультифрактальной сигнатуры 7 предназначен для выбора тех значений морфологических мультифрактальных экспонент из всех полученных значений, которые соответствуют углу ориентации текстуры, и объединения выбранных значений морфологических мультифрактальных экспонент, полученных для различных значений масштабов анализа, в морфологическую мультифрактальную сигнатуру. Выбор значений морфологических мультифрактальных экспонент осуществляется по условию: если коэффициент эллиптичности k≥0.5, то в качестве уточненного значения принимается значение мультифрактальной экспоненты, полученной для изображения при нулевом угле поворота, в противном случае выбирается значение мультифрактальной экспоненты копии изображения, повернутого на угол θ=180-α, где α - угол наклона аппроксимированного эллипса. Элементы устройства могут быть выполнены, например, с использованием программируемой логической интегральной схемы типа FPGA фирмы Xilinx серии Spartan-6 (см., например, Тарасов И.Е. Разработка цифровых устройств на основе ПЛИС Xilinx с применением языка VHDL. - М.: Горячая линия - Телеком, 2005. - 252 с.) со специальным программным обеспечением, реализующим алгоритмы на основе методик, описывающих работу каждого элемента устройства.
n
n
э
n
Устройство работает следующим образом. На вход блока расчета масштабов анализа 1 и блока формирования повернутых копий изображений 3 поступает сформированное системой обработки изображение. В блоке расчета масштабов анализа в зависимости от линейных размеров изображения формируется необходимое количество масштабов анализа изображения. В блоке формирования структурного элемента 2 в соответствии с заданными масштабами осуществляется формирование набора структурных элементов в виде горизонтально-ориентированных линий. В блоке формирования повернутых копий изображения 3 осуществляется формирование набора повернутых на требуемое число угловых положений n копий изображения путем вращения изображения относительно своего центра в Декартовой системе координат на угол θ=180/n градусов от положительного направления до совершения полуоборота и получения копии повернутого изображения в каждом угловом положении с последующей записью всех сформированных копий в оперативную память блока. На вход блока расчета морфологических мультифрактальных экспонент 4 поступает сформированный набор структурных элементов в виде горизонтально-ориентированных линий и сформированный набор повернутых копий обрабатываемого изображения, в котором в соответствии с известным способом измерения морфологической мультифрактальной сигнатуры осуществляется расчет морфологических мультифрактальных экспонент повернутых изображений. В формирователе неуточненной морфологической мультифрактальной сигнатуры 5 осуществляется формирование упорядоченного массива морфологических мультифрактальных экспонент, полученных для набора масштабов, соответствующих размеру изображения, и для каждого углового положения копии повернутого изображения θ в каждом из масштабов анализа. В блоке определения параметров эллипса 6 осуществляется формирование эллипса для каждого из масштабов анализа аппроксимацией поступающих на его вход массивов значений с выхода блока расчета морфологических мультифрактальных экспонент с использованием метода наименьших квадратов и определения коэффициента эллиптичности и угла наклона каждого эллипса. На входы формирователя морфологической мультифрактальной сигнатуры 7 с выхода формирователя неуточненной морфологической мультифрактальной сигнатуры и блока определения параметров эллипса поступают соответственно неуточненная морфологическая мультифрактальная сигнатура повернутых копий изображения и коэффициенты эллиптичности и углы наклона для каждого масштаба анализа. В формирователе морфологической мультифрактальной сигнатуры осуществляется выбор из упорядоченного массива морфологических мультифрактальных экспонент, тех значений экспонент для каждого из масштабов анализа и углов поворота копий изображения, которые соответствуют преобладающему углу ориентации текстуры изображения, в соответствии с условием уточнения: если коэффициент эллиптичности аппроксимированного эллипса, полученного для каждого масштаба анализа, k≥0.5, то в качестве значения, соответствующего преобладающему углу ориентации изображения для заданного масштаба, принимается значение морфологической мультифрактальной экспоненты, полученной для изображения при нулевом угле поворота, а в противном случае принимается значение морфологической мультифрактальной экспоненты копии изображения, повернутого на угол θ=180-α (где α - угол наклона аппроксимированного эллипса), и осуществляется формирование морфологической мультифрактальной сигнатуры, состоящей из одного значения морфологической мультифрактальной экспоненты, соответствующей преобладающему углу ориентации текстуры, для каждого из масштабов анализа.
Предлагаемое техническое решение является новым, поскольку из общедоступных сведений не известен способ измерения морфологической мультифрактальной сигнатуры, основанный на формировании структурных элементов в виде горизонтально-ориентированных линий, определении требуемого числа угловых положений изображения, формировании набора повернутых на требуемое число угловых положений копий изображения, вычислении их морфологической мультифрактальной сигнатуры, аппроксимацией морфологических мультифрактальных экспонент в морфологической мультифрактальной сигнатуре эллипсами, расчетом коэффициентов эллиптичности и углов наклона каждого эллипса и по их результатам уточнением рассчитанной мультифрактальной сигнатуры изображения.
Предлагаемое техническое решение имеет изобретательский уровень, поскольку из опубликованных научных данных и известных технических решений явным образом не следует, что применение горизонтально-ориентированных линий и вращение изображения для получения набора повернутых копий изображения с последующим вычислением их морфологической мультифрактальной сигнатуры, аппроксимации морфологических мультифрактальных экспонент в морфологической мультифрактальной сигнатуре эллипсами, расчете коэффициентов эллиптичности и углов наклона каждого эллипса и уточнении рассчитанной мультифрактальной сигнатуры изображения обеспечивает повышение точности измерения морфологической мультифрактальной сигнатуры.
Предлагаемое техническое решение промышленно применимо, так как для его реализации могут быть использованы элементы, широко распространенные в области электронной техники и электротехники.