Организация процесса диалоговой обработки штриховых изображений в мини-ЭВМ

Стремительное развитие элементной базы ВТ, следствием которого является широкое применение мини и микро-ЭВМ в разных областях человеческой деятельности, выдвинуло в ряд важнейших проблему ввода и обработки штриховых изображений. Решение этой проблемы стимулируется с одной стороны чисто научным интересом, попыткой воспроизвести функции человека. С другой сторонынеобходимостью решения ряда практических задач развития и эффективного создания автоматизированных систем проектирования (радио и электрических схем, топологии печатных плат, контроля фотошаблонов и т. д.), информационно поисковых систем (картография), автоматизированных систем обработки данных (сортировка почтовой корреспонденции, учет банковских счетов, обработка анкет, текстов докладов, коммерческих и других документов), а также автоматизация научного эксперимента (анализ шлифов металлов, сплавов горных пород, треков ядерных частиц, аэрофото и космических снимков), медицинской диагностики (идентификация хромосом, анализ рентгенограмм), криминалистики (идентификация отпечатков пальцев и лица человека по его портрету), распознавания письменных знаков и создания читающих автоматов и многого другого. Постоянное усложнение объектов обработки и непрерывно возрастающий поток содержащихся в них графических информаций с другой стороны является другой побудительной причиной для решения задачи ввода и обработки алфавитно-цифровых и графических штриховых изображений (1ПИ) и необходимости в осуществлении более эффективного взаимодействия человека с ЭВМ на естественном для человека языке, так как наличие непосредственной связи между человеком и машиной позволит значительно повысить гибкость и эффективность вычислительных систем.

Подготовка в ввод ШИ в ЭВМ можно производить тремя способами: ручным, полуавтоматическим и автоматическим. Ручной ввод информации в ЭВМ характеризуется низкой скоростью (ограниченной предельной скоростью работы оператора 1+5 знаков в секунду) — низким качеством — клавишный ввод сопровождается большим количеством ошибок, число их составляет 2%- трудоемкостью и дороговизной подготовки данных клавишным способом, отвлекающей человека от работы творческой — этап клавишного ввода составляет до 85% времени от общего времени решения задачи на машине [77J. Полуавтоматические способы ввода ШИ обладают достаточной производительностью и лишены ограничений на вид и носитель информации. В самом общем плане он состоит в последовательном ручном совмещении оператором регистрирующего органа (визира, щупа, светового пера) с выбранными точками графика (чертежа, схемы), после чего их координаты автоматически кодируются. Однако полуавтоматические способы ввода ШИ способны лишь ослабить, но не устранить полностью существующую диспропорцию между высокой производительностью ЭВМ и примитивными методами отбора информации и ее ввода в ЭВМ. Указанные недостатки определяют практическую значимость работ по построению систем автоматического ввода ШИ.

Задача автоматического ввода тесно связана с задачей обработки изображений. Обработка предполагает решение следующих задач [4−8]: предварительной обработки, анализа и описания, обучения и классификации.

Судя по нарастающему потоку публикаций, посвященных созданию автоматических систем обработки изображений на ЭВМ, можно придши к выводу, что до настоящего времени не достигнута удовлетворительная степень понимания общности метода решения и представления задачи обработки ШИ. Многие авторы [1,19,39,84] видят решение задачи в специализации этих систем и их ориентации на решение весьма ограниченного класса задач. Например, только автоматического ввода, не предусматривая решения вопросов автоматической обработки, анализа и классификации [4,19], или решение задачи классификации, не предусматривая решения задач ввода и предварительной обработки изображений [53,61]. Кроме того, системы, в которых решаются все перечисленные задачи, ограничиваются исключительно определенным классом входной информации. Например, к таким системам можно отнести читающие автоматы (ЧА), ориентированные на ввод исключительно алфавитно-цифровой информации [45]. Существующие ЧА характеризуются сложной структурой, высокой стоимостью, невысокой конструктивной надежностью и предназначены в основной своей массе для чтения стилизованных шрифтов и шрифтов, на написание которых накладываются ограничения.

Создание автоматизированной системы обработки графических изображений на базе миниЭВМ осложняется противоречивыми требованиями к обработке изображений: чрезвычайно большая размерность исходного (дискретного) пространства описания графических изображений и необходимость их обработки в условиях крайне ограниченного вычислительного ресурса требует разработки дополнительных средств сокращения информационной избыточности исходного изображений посредством минимизации эталонных описаний распознаваемых изображений и их экономичной формц представления в памяти машины.

Эффективная цифровая обработка сложных графических изображений с использованием современных ЭВМ требует применения алгоритмического базиса, адекватного последовательному характеру функционирования этих машин. Для этого требуется преобразование двухмерного изображения в одномерное представление.

Многообразие графической информации как по сложности, так и по конфигурации ставит под сомнение попытки построения универсального языка описания изображений. Построение же языка описания для каждого класса изображений нерентабельно. Разрешение данного противоречия заключается в построении математической модели, удовлетворяющей требованиям расширяемости относительно ее постоянного ядра [48] .

Высокая вариантность штриховых изображений осложняет процедуру принятия решений, условия работоспособности которой зависят от качества предварительной обработки изображений и от корректирующих способностей решающих правил процедур классификации изображений. Эффективность обработки изображений, считанных оптическим путем, во многом определяется качеством исходного дискретного пространства описаний изображений. Наличие в нем помех и искажений требует применения специальных мер предварительной обработки изображений (заполнение пустот, удаление разрывов и пятен, сглаживание линий, нормализация линий по толщине) и в некоторых случаях требует участия пользователя в процессе решения задачи [5в] .

Многогранность процесса обработки штриховых изображений обусловлена противоречивыми требованиями к их обработке, непре-рвынм возрастанием объемов и вариантностей графических изображений и неспособностью алгоритмов обработки, взятых в отдельности, дать решение задачи, приводит к необходимости постоянного усовершенствования функциональных возможностей системы об.

— Заработки ШИ и расширения области ее использования. Расширение функциональных возможностей системы обработки ШИ наилучшим образом можно достичь за счет построения системы экспериментального применения, обладающей возможностью решать разнообразные задачи разового применения (экспериментальное) наряду с решением массовых однотипных задач промышленного применения. Учет указанных выше особенностей приводит к тому, что оперативная обработка ШИ практически невозможна без широкого использования систем интерактивной обработки изображений. Участие пользователя в процессе обработки изображений безусловно ценно, так как корректирующее вмешательство человека весьма полезно для правильной работы системы и обеспечивает возможность оптимального выбора методов и алгоритмов обработки из имеющегося набора с тем, чтобы определить, какой алгоритм или метод больше всего подходит для данного конкретного приложения [39,84] .

Трудности разработки алгоритмического обеспечения системы диалоговой обработки ШИ (СДОИ) решаются в рамках структурного подхода к распознаванию ШИ [81]. Алгоритмическое обеспечение СДОИ берет свою основу в разработанных на кафедре Вычислительной техники ЛЭТИ имени В. И. Ульянова (Ленина) алгоритмах предварительной обработки, анализа и описания, обучения и классификации f13,46,48,50,77] в силу удобства их интерпретации средствами микровычислительной техники (экономичность — сокращение множества правил грамматик языков описаний изображений, адекватность принципов работы алгоритмов решения задачи обработки ШИ логике функционирования ЭВМ и интерпретация алгоритмов распознавания логическими операциями). Использование указанных алгоритмов снимает большинство противоречивых требований, приведенных выше, к разработке СДОИ, однако задача эффективной орга.

— II низации процесса диалоговой обработки ШИ остается актуальной.

Построение СДОИ в свою очередь требует разработки прикладного программного обеспечения (ППО), применение которого повышает гибкость. расширяемость и экономичность этой системы.

Построение ШЮ неразрывно связано с поиском методов рациональной организации процесса диалоговой обработки ШИ. Решение этой задачи носит комплексный характер и зависит не только от наличия эффективного алгоритмического базиса, но и от разработки способов его программной интерпретации с учетом структурных особенностей современных средств микровычислительной техники.

Под комплексным подходом к построению СДОИ будем понимать совокупность теоретических, прикладных, организационных и практических воцросов проектирования вычислительных систем диалоговой обработки ШИ. В соответствии с указанным подходом задача построения СДОИ предусматривает решение следующих вопросов:

I. Разработка формального подхода к организации вычислительного процесса обработки ШИ.

2- В рамках формального подхода организовать функциональное, системное, информационное наполнение СДОИ с учетом особенностей ее инструментальной среды, требуемых способов общения человека с системой и ввод-вывода информации в ЭВМ. Сложность создания формального аппарата проектирования СДОИ зависит не столько от ее объема, сколько от разнообразия подходов и методов решения задачи обработки изображений, зависящих в свою очередь от разнообразия теоретических и организационных основ их представления и реализации.

Развитие аппарата математической лингвистики и ее связь с теорией автоматов открывает возможность использования богатого опыта построения синтаксически управляемых трансляторов при организации процесса диалоговой обработки ШИ. В связи с этим актуальным является использование автоматно-лингвистического подхода к организации вычислительного процесса диалоговой обработки ШИ в мини-ЭВМ.

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и приложений.

Основные результаты работы опубликованы в 5 печатных работах. Результаты докладывались на:

— Ш Всесоюзном совещании-семинаре «Совершенствование устройств и методов приема и передачи информации», г. Ростов-Ярославский, 1982 г. ;

— I Всесоюзной конференции «Автоматизированные системы обработки изображений АСОИЗ-81», г. Москва, 1981 г.;

— на республиканской научно-технической конференции «Автоматический ввод и обработка изображений на ЭВМ», г. Севастополь, 1981 г.;

— ХНУ, ХХУ, ХХУ1 научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава ЛЭТИ имени В. И. Ульянова (Ле-нина), г. Ленинград, 1981, 1982, 1983 гг.

Полученные научные и практические результаты могут найти применение при решении вопросов автоматизации процессов ввода и последующей обработки конструкторско-технологической документации и может быть использована в качестве подсистемы ввода в существующих и вновь создаваемых САПР, при создании многофункционального рабочего места программиста, студента, проектировщика и т. д.

Дальнейшие исследования предлагается проводить в следующих направлениях:

— расширение функциональной возможности СДОИ за счет включения в ее состав новых компонентов функциональной обработки изображений (использование новых устройств ввода-вывода информации, решение задач постобработки графических изображений);

— повышение эффективности программного обеспечения, использование резервов для уменьшения времени и объема памяти, затрачиваемых на обработку изображений;

— расширение области использования системы (для обработки графических изображений, топографических карт, полутоновых графических изображений, для анализа трехмерных сцен и использование ее в системах искусственного интеллекта);

— создание аппаратных средств поддержки программного обеспечения и использование системы в режиме коллективного пользования.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В результате проведенных теоретических и экспериментальных исследований по теме диссертационной работы получены следующие основные научные и практические результаты:

1. Проведен анализ особенностей и принципов организации программных средств диалоговой обработки ШИ, позволивший разработать структуру программного обеспечения СДОИ.

2. Сформулированы принципы организации вычислительного процесса диалоговой обработки ШИ, включающие в себя следующие вопросы:

— предложен и глубоко разработан автоматно-лингвистичес-кий подход к организации процесса диалоговой обработки ШИ в мини-ЭВМ, определяемый цепочкой понятий «Язык-Автомат-Программа», заложивший основы методики проектирования программных средств СДОИ;

— для формального представления структуры системы диалоговой обработки ШИ предлагается конкретизация понятия машины Глушкова, состоящая в том, что входным сигналам машины сопоставляется информационная среда, операционному автомату — функциональное наполнение, автомату управления — системное наполнение, а базису схемной интерпретации — инструментальная среда системы;

— предложено использовать Rметаязык для описания работы автоматных моделей обработки ШИ.

3. Дано формальное представление процесса функциональной обработки ШИ совокупностью автоматно-лингвистических моделей, что создает предпосылки для их эффективной программной интерпретации:

— 213.

— разработаны автоматные модели предварительной обработки, анализа и описания, обучения и классификации;

— показана практическая целесообразность использования метаязыка Rграмматик для описания работы AJIM и принципа синтаксической эквивалентности для компактного представления грамматик АЛМ.

4. Разработана программная интерпретация автоматно-линг-вистических моделей функциональной обработки ШИ, в рамках которой:

— предложено использовать списочную и ассоциативную организацию памяти при реализации соответственно цепочечных, древовидных, стековых, матричных и трехмерных структур данных;

— дана ассоциативная интерпретация правил работы автомат-но-лингвистических моделей функциональной обработки ШИ.

5. В рамках автоматно-лингвистического подхода к построению программного обеспечения СДОИ определены следующие основные принципы разработки его системного наполнения:

— предложено представлять лингвистическое обеспечение процесса управления функциональной обработкой ШИ ориентированным графом, дуги которого помечены символами языка диалога и именами программных модулей, а вершины — блоками программ обработки ШИ;

— предложено отождествлять ориентированный граф с Грефом переходов и выходов автоматной модели управления обработки ШИ;

— предложено осуществлять программную интерпретацию автом матной модели процесса управления посредством ее представления системным и проблемно-ориентированным программным обеспечением.

6. При построешш проблемно-ориентированного программного обеспечения СДОИ предложено использовать ассоциативную интер

— 214 претацию правил работы автоматной модели управления.

7. При разработке языка диалога предложено использовать: а) сценарий диалога типа «вопрос-ответ» б) векторную форму задания сценария диалога, обеспечивающих в совокупности экономичность и расширяемость организующей программы и простоту языка диалога.

8.При разработке диалоговой операционной системы был исполь-. зован принцип модульного программирования и механизм вызова подпрограмм по команде.

9. Разработано программное обеспечение системы диалоговой обработки ШИ, опирающееся на принципы модульного и структурного программирования и состоящее из 122 модулей объемом 24,5 К байт.

10. Разработана методика проектирования программных средств СДОИ.

Работа является составной частью программы научно-исследовательских работ, проводимых на кафедре вычислительной техники Ленинградского электротехнического института им. В. И. Ульянова (Ленина) в соответствии с приказом № 535 Минвуза РСФСР от 20. 05.1981 г. «Разработка интеллектуального терминала для обработки визуально-речевой информации» .

Практическим результатом работы является разработанное в соответствии с предлагаемыми методами ППО СДОИ. Программное обеспечение СДОИ зарегистрировано в Московском фонде алгоритмов и программ АСУ.