Главная – Журналы – Автометрия 2020 номер 6

Алгоритмы вейвлет-фильтрации широко используются для обработки изображений, и большинство из них носит пороговый характер: коэффициент вейвлет-разложения, меньший по абсолютной величине некоторой пороговой величины, зануляется, в противном случае коэффициент подвергается некоторому (чаще всего нелинейному) преобразованию, которое задаётся используемой пороговой функцией. При фильтрации контрастных изображений такая обработка коэффициентов разложения может привести к появлению в отфильтрованном изображении так называемых артефактов - в окрестности скачкообразного изменения амплитуды фильтруемого изображения появляются импульсы, отсутствующие в исходном изображении, что существенно ухудшает качество фильтрации. Для устранения таких артефактов в работе рассматривается несколько подходов и предлагается метод, который заключается в постобработке результата вейвлет-фильтрации изображений нелинейными алгоритмами пространственной фильтрации. Выполненный вычислительный эксперимент позволил сделать вывод, что предлагаемый метод является эффективным способом устранения артефактов вейвлет-фильтрации контрастных изображений.

Предлагается модификация быстрого алгоритма выбора коэффициента размытости ядерных функций в непараметрической оценке плотности вероятности типа Розенблатта - Парзена. Быстрые алгоритмы оптимизации ядерных оценок плотностей вероятностей позволяют значительно снизить временные затраты при выборе их коэффициентов размытости по сравнению с традиционным подходом, что особенно актуально при обработке статистических данных большого объёма. Основу предлагаемого метода составляют анализ формулы оптимального расчёта коэффициентов размытости ядерных функций и обнаруженная зависимость между нелинейным функционалом от второй производной восстанавливаемой плотности вероятности и коэффициентом контрэксцесса. Предлагаемый алгоритм выбора коэффициента размытости обеспечивает снижение ошибки аппроксимации плотности вероятности по сравнению с традиционным подходом. Полученные выводы подтверждаются результатами вычислительных экспериментов. Особое внимание уделяется зависимости этих свойств от объёма исходной информации.

Предложен метод реконструкции функционально заданных поверхностей по стереоизображениям реальных объектов. В качестве предобработки использован известный подход к вычислению объёмных моделей по изображениям силуэтов в пространстве объекта. Для вычисления карты глубины применён известный алгоритм на основе площади с корреляцией уровней интенсивности изображения. В целях реконструкции гладкой поверхности с компактным описанием предложен новый метод преобразования в функционально заданную модель.

Рассмотрен алгоритм динамической кластеризации температурных сигналов, используемый для решения задачи выделения климатических областей на поверхности Земли, характеризуемых определённым однородным в границах области типом климата. Дано описание численного эксперимента, реализованного в целях оценки его устойчивости. Модель эталонного сигнала, использованная в численном эксперименте, представлена в виде суммы гармонических составляющих. Аддитивные составляющие шума формировались в частотной области. В численном эксперименте изменялись величина шума и размер выборки. Приведены оценки среднеквадратических отклонений и устойчивости алгоритма динамической кластеризации.

Проведён сравнительный анализ разработанных классических моделей машинного обучения на основе линейных моделей и деревьев решений, а также современных алгоритмов свёрточных нейронных сетей и нейросетевого автоэнкодера для решения задачи предиктивного обнаружения предотказных и аварийных состояний авиационных двигателей. В основе набора данных NASA лежат показания датчиков, отражающих жизненные циклы работы авиадвигателей. В процессе исследования рассматривается несколько постановок задач: задача бинарной и многоклассовой классификации, в рамках которой прогнозируются нормальное, предотказное и аварийное состояния авиадвигателей; задача регрессии в целях прогнозирования точного количества рабочих циклов до отказа двигателя, а также задача обучения без учителя, в которой нейросетевой автоэнкодер применяется для обнаружения аномальных циклов работы авиадвигателей. Полученные алгоритмы объединены в фреймворк, который может быть полезен при анализе широкого спектра данных предиктивного обслуживания.

Исследуются быстродействующие алгоритмы обнаружения и локализации случайно распределённых импульсно-точечных объектов, способных генерировать в случайные моменты времени мгновенные дельта-импульсы. Поиск осуществляется с помощью приёмного устройства (детектора), которое свободно перемещается в пределах поискового интервала и динамически перестраивает размер сканирующего окна. В представленной работе априорная информация о распределении разыскиваемого сигнального источника ограничивается одномодальными функциями со ступенчатой плотностью распределения вероятности, что обеспечивает физическую реализуемость алгоритмов. Рассчитаны параметры оптимального поиска в зависимости от априорной плотности распределения разыскиваемого сигнального источника и требуемой точности локализации.

Рассматривается модификация метода цифровой голографической интерферометрии для определения деформаций объекта с диффузной поверхностью путём сравнения отражённых от него комплексных волновых фронтов при двух его различных состояниях. Отличие предлагаемого метода от классических методов цифровой голографии заключается в том, что цифровые голограммы, по которым выполняется восстановление изображений, имеют комплексные значения, определяемые методом фазовых сдвигов («комплексная» голограмма), в то время как классические цифровые голограммы имеют только вещественные значения. Кроме того, восстановление цифровых голограмм выполняется с учётом неоднородности интенсивности опорного пучка, что повышает качество восстановления. С этой целью в опорное плечо оптической схемы интерферометра введён перестраиваемый нейтральный оптический фильтр. Выполнена экспериментальная проверка метода.

Предложен метод реконструкции изображения объектов в сечениях с помощью кольцевой антенной решётки при зондировании пространства ультразвуковой монохроматической волной. Реконструкция изображения осуществлена путём сканирования внутренней структуры объекта, помещённого во внутрь кольца, управляемым фокусом кольцевой антенной решётки. Приведён алгоритм управления фазовращателями в каналах элементарных излучателей кольцевой антенной решётки для изменения положения фокуса. Представлены модельные результаты реконструкции изображения простейших точечных объектов. Обсуждаются проблемы реализации кольцевой решётки.

Применительно к размерному контролю 3D-объектов аналитически исследованы особенности формирования в дифракционно-ограниченной проекционной системе изображений объёмного асимметричного абсолютно поглощающего края - основного фрагмента протяжённых (по глубине) пластин постоянной толщины. Изучены структуры и профили интенсивностей в изображениях передней и задней граней объекта соответственно при малых и больших апертурах оптической системы для различных соотношений скоса объекта c, размера зоны Френеля d_d ~ (λ - длина волны света, d - толщина объекта) и угловой апертуры оптической системы 2θ₀. В случае, когда скос c ≤ δ_d, при большой глубине фокусировки системы имеет место смещение профиля интенсивности в изображении 3D-края, пропорциональное зоне Френеля и величине скоса. Аналитически показано, что при больших скосах (c ≥ δ_d) и малых апертурах системы в плоскости, сопряжённой с передней гранью, наблюдается чёткое изображение либо передней грани (задняя грань находится в тени), либо задней грани (передняя грань затенена задней гранью). Получены и исследованы формулы для профиля изображения задней грани в случае значительных объёмных эффектов, когда глубина фокусировки системы много меньше толщины объекта. Результаты расчётов находятся в хорошем согласии с результатами компьютерного моделирования.

Изучаются процессы акустооптического взаимодействия на инфранизких частотах с применением сейсмических вибраторов в качестве источников низкочастотных акустических колебаний, распространяющихся в атмосфере, и лазерных измерительных линий как оптических приёмников колебаний. Предложенные типы источника и приёмника в интересах изучения акустооптического взаимодействия определяют новизну и оригинальность предлагаемого подхода. Приводятся результаты экспериментов по оцениванию характеристик акустооптического взаимодействия на инфранизких частотах в задачах лазерного экологического мониторинга окружающей среды.

Предложен алгоритм 6-координатного трекинга подвижного объекта по последовательности RGB-изображений на основе свёрточной нейронной сети. Обучение сети выполняется на синтезированных данных объекта с динамической моделью движения. В обратную связь от выхода ко входу сети включен фильтр Калмана для получения сглаженной оценки координат объекта. Предварительные результаты трекинга объекта на синтезированных изображениях демонстрируют эффективность предложенного подхода.

С использованием ранее построенного численно-аналитического метода описания входных и выходных параметров многомерного динамического объекта для заданного множества допустимости (Ч. I) в данной работе развивается метод оптимального оценивания значений непрерывных линейных функционалов (числовых характеристик) от измеряемых параметров на основе некорректных данных, содержащих не только флуктуационную погрешность, но и сингулярную помеху (Ч. II). Метод обеспечивает максимально возможную декомпозицию вычислительных процедур, не требует выполнения традиционных операций линеаризации и выбора начального приближения, а также не связан с расчётом спектральных коэффициентов в конечных линейных комбинациях (с заданными базисными функциями), описывающих интегральные кривые дифференциального уравнения, измеряемые параметры и сингулярную помеху. Анализируются случайные и методические погрешности, приводятся иллюстративный пример и рекомендации по практическому применению полученных результатов.

Численным моделированием и экспериментально исследованы конструкции тёплой (неохлаждаемой) апертурной диафрагмы в газонаполненном криостате с матричным фотоприёмником, чувствительным в инфракрасном спектральном диапазоне. Показано, что при применении выбранной конструкции тёплой апертурной диафрагмы матричный фотоприёмник форматом 384 × 288 пикселей охлаждается жидким азотом до рабочих температур (85 К) за время менее чем 40 с, а дроссельным микроохладителем - за 15 с при сохранении стандартной чувствительности фотоприёмников на основе структур кадмий- ртуть-теллур (КРТ).

Рассматривается простой в реализации способ измерения радиальных зазоров с управляемой точностью за счёт снижения случайных составляющих погрешностей. Приводятся количественные оценки точности, быстродействия и эффективности предложенного способа, который является стохастическим, основан на характеристиках случайных погрешностей и на периодичности процесса вращения рабочего колеса, а также даёт возможность получать результаты измерения с одинаковой точностью во всём диапазоне скоростей вращения ротора турбомашины. Рассматриваемый способ позволяет отказаться от процедур аппроксимации цифровых отсчётов.

Разработан алгоритм решения задачи оптимального управления с терминальными ограничениями. Приведена постановка задачи оптимального управления с терминальными ограничениями и ограничениями на параметр управления. Описан численный алгоритм решения поставленной задачи на основе метода штрафов и генетических алгоритмов. Проведён вычислительный эксперимент для реакции получения фталевого ангидрида в целях достижения максимального выхода продукта реакции при наличии терминальных ограничений. Получены оптимальный температурный режим и оптимальные концентрации реагентов.