Оцифровка сканированных изображений самолетов и создание их математических моделей

Система «Эйдос» имеет программные интерфейсы с внешними источниками данных различных типов: текстовые данные в форме текстовых файлов и значений полей Excel-таблиц, табличными данными dbf, xls и xlsx форматов, графическими объектами, анализируемыми по пикселям и внешним контурам (рисунок 1):

Рисунок 1. Программные интерфейсы системы «Эйдос» с внешними источниками данных различных типов Для решения поставленных задач используем программный интерфейс с изображениями, которые анализируются по их внешним контурам в полярной системе координат. Программная реализация и алгоритмы данного интерфейса разработаны Д. К. Бандык по постановке и алгоритмам проф. Е. В. Луценко [4, 6]. Отметим, что авторами уже решались очень сходные задачи, но не с изображениями самолетов различных типов и моделей, а с листьями винограда различных сортов [5]. Ясно, что аналогичным образом могут быть решены задачи этого типа и для изображений объектов из других самых различных предметных областей: от силуэтов символов [4], до силуэтов гражданских и военных кораблей (судов), силуэтов зданий, людей, снежинок, бабочек или жужелиц.

Запишем в папку .AID_DATAInp_data изображений силуэтов самолетов (вид снизу) (рисунок 2):

Рисунок 2. Экранная форма, поясняющая расположение и структуру исходных данных: силуэтов самолетов различных типов и моделей Изображения силуэтов самолетов различных типов и моделей помещены в папку «Силуэт» (рисунок 3):

Рисунок 3. Изображения силуэтов самолетов различных типов и моделей, использованные в упрощенном численном примере Чтобы получить изображения, приведенные на рисунке 2, в качестве исходных были использованы изображения силуэтов с сайта: http://il2-sturmovik.ru/siluets.html.

Из исходных файлов путем кадрирования в графическом редакторе Adobe PhotoShop, были выделены силуэты самолетов вид снизу. Затем наименования моделей самолетов были исключены из графических файлов, а сами файлы записаны с именами, приведенными на рисунках 1 и 2. Тип самолета был определен по его модели с использованием поиска в Internet. Имена файлов состоят из имени типа самолета и краткого наименования его модели.

При этом в именах файлов не используются символы тире «-» и точка «.», т.к. они используются как разделители между наименованием класса и номером реализации объекта этого класса. В рассматриваемом упрощенном примере в обучающей выборке используются изображения силуэтов 24 различных модели самолета трех типов: бомбардировщики (5), истребители (18) и штурмовик (1).

Упрощение заключается в том, что:

• — рассматривается довольно мало примеров обучающей выборки;
• — используются только силуэты самолетов в ракурсе: «вид снизу» направление движения «север».

Как показывает опыт подобных исследований в системе «Эйдос» [4, 5] количество объектов обучающей выборки не сказывается существенно на достоверности создаваемых моделей.

Здесь возникает две идеи решения:

• 1) идентифицировать не только тип и модель самолета, но и его ракурс;
• 2) создать на основе проекций такую трехмерную модель самолета, которая бы наилучшим образом позволяла воспроизводить эти проекции.

Для реализации 1-й идеи остаточно увеличить количество объектов обучающей выборки. А обсуждению и анализу 2-й идеи посвящена статья [14] и некоторые другие статьи, на которые из нее есть ссылки. В данной работе мы рассматриваем именно упрощенный вариант решения задачи, т. е. такой вариант, который мог бы использоваться в качестве лабораторной работы по дисциплинам, связанным с искусственным интеллектом [15, 16].

Рисунок 4. Изображения силуэтов самолета в различных ракурсах (источник: http://il2-sturmovik.ru/siluets.html).

Итак, после скачивания и инсталляции системы «Эйдос» запустим режим: 2.3.2.4. Оцифровка изображений по их внешним контурам (рисунок 5):

Рисунок 5. Начальная экранная форма режима 2.3.2.4. Оцифровка изображений по их внешним контурам Вместо описания данного режима приведем Help данного режима (рисунок 6):

Рисунок 6. Help режима 2.3.2.4. Оцифровка изображений по их внешним контурам В результате появляется главная экранная форма, отображающая процесс оцифровки сканов листьев, расположенных в виде файлов в указанных выше папках (рисунок 7):

Рисунок 7. Экранная форма с отображением стадии процесса оцифровки изображений силуэтов самолетов по их внешним контурам.

Данный режим:

• 1. Находит все поддиректории в папке: .AID_DATAInp_data и все графические файлы jpg и bmp в поддиректориях.
• 2. Находит контуры в этих графических файлах и их центры тяжести.
• 3. Записывает в папку: .AID_DATAOut_data графические файлы, состоящие только из контуров с изображенными на них точками, которые были оцифрованы. Необходимо особо отметить, что при этом используется полярная система координат с центром в центре тяжести изображения, а результатами оцифровки являются расстояния от центров тяжести изображений до точек их контура при различных углах поворота радиуса-вектора (эта идея, а также математическая модель и алгоритм ее реализации предложены проф. Е. В. Луценко в 2014 и реализованы в модуле 2.3.2.4 и режиме 4.7 системы «Эйдос» в 2015 году). При этом структура поддиректорий и имена файлов в папках: .AID_DATAInp_data и .AID_DATAOut_data совпадают. Сформированные по силуэтам контурные изображения самолетов приведены на рисунке 8:

Рисунок 8. Контурные изображения самолетов, полученные по силуэтам обучающей выборки: c: Aidos-XAID_DATAOut_data. Первое изображение показано также в увеличенном виде.

4. Затем режим 2.3.2.4 формирует Excel-таблицу с именем: .AID_DATAInp_datainp_data.xlsx, в которой содержаться результаты оцифровки изображений. Кроме того, он формирует таблицу: .AID_DATAInp_datainp_data_avr.xlsx с усредненными данными по классам. Пояснение по структуре этой таблицы дано в Help режима 2.3.2.4 (рисунок 3). Структура этой таблицы полностью соответствует требованиям универсального программного интерфейса системы «Эйдос» с внешними базами данных (режим 2.3.2.2 рисунок 1), которые приведены в Help этого режима и представлены на рисунке 9:

Рисунок 9. Help универсального программного интерфейса системы «Эйдос» с внешними базами данных (режим 2.3.2.2).

В таблице 1 приведен фрагмент сформированного режимом 2.3.2.4 файла .AID_DATAInp_datainp_data.xlsx с результатами оцифровки изображений после небольшой модификации:

Таблица 1 — Файл c: Aidos-XAID_DATAInp_datainp_data.xlsx с результатами оцифровки изображений (фрагмент) В полной таблице колонки описательных шкал по градусам идут до 360°.

В таблице 1 классификационные шкалы выделены светло-желтым цветом, а описательные — светло-зеленым. Модификация заключалась в том, что внесено наименование столбца: «Модель самолета» и добавлен столбец: «Тип самолета» и в него внесена соответствующая информация из столбца «Модель самолета».

Итак, в результате работы режима 2.3.2.4 создается Excel-файл обучающей выборки (таблица 1), в строках которого содержатся следующие количественные данные об изображениях, представляющие собой их математическую модель (при заданных параметрах оцифровки):

Колонки с 1-й по 7:

• 1. Объект обучающей выборки
• 2. Тип самолета
• 3. Модель самолета
• 4. X центра тяжести
• 5. Y центра тяжести
• 6. Площадь (пикс.)
• 7. Среднее
• 8. Ср.кв.откл.

Колонки с 9-й по 68: содержат длины радисус-вектора от центра тяжести силуэта самолета до его контура при заданном угле поворота радиус-вектора:

В этом и состоит решение задачи 1.

Сам этот программный интерфейс вызывается из главного меню системы «Эйдос» (режим 2.3.2.2), либо из режима: 4.7. АСК-анализ изображений. Главная экранная форма режима 2.3.2.2 приведена на рисунке 10, причем на ней показаны нужные параметры, которые формируются режимом 2.3.2.4 как параметры по умолчанию и немного модифицированы, т.к. нами был добавлена еще одна классификационная шкала и соответствующий столбец.

После запуска процесса ввода данных из файла: .AID_DATAInp_datainp_data.xlsx в базы данных системы «Эйдос» определяется количество заданных текстовых и числовых классификационных и описательных шкал и градаций [17] и выводится окно внутреннего калькулятора данного режима, в котором мы можем задать число интервальных значений в числовых шкалах (рисунок 11).

После клика по кнопке «Выйти на создание модели» начинается процесс импорта данных оцифровки изображений из файла .AID_DATAInp_datainp_data.xlsx в базы данных системы «Эйдос». При этом по сути происходит нормализация базы исходных данных, т. е. создаются справочники классификационных и описательных шкал и градаций и исходные данные кодируются с их использованием, в результате чего формируется обучающая выборка и база событий (эвентологическая база данных) (рисунок 12):

Рисунок 10. Главная экранная форма универсального программного интерфейса системы «Эйдос» с внешними базами данных (режим 2.3.2.2).

Рисунок 11. Экранная форма внутреннего калькулятора универсального программного интерфейса системы «Эйдос» с внешними базами данных Рисунок 12. Экранная форма, отображающая этапы импорта данных из внешней базы данных в систему «Эйдос».

Здесь можно обратить внимание на то, что процесс импорта данных из внешней базы данных занял 2 секунды.

Сами справочники классификационных и описательных шкал и градаций, обучающая выборка и эвентологическая база данных могут быть просмотрены в режимах 2.1, 2.2, 2.3.1, 2.4 системы «Эйдос». В результате работы программного интерфейса с внешними базами данных 2.3.2.2 также формируется таблица .AID_DATAInp_datainp_davr.xls с усредненными данными по классам.