Một số kỹ thuật tra cứu và định vị tàu chiến trên biển

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG Lê Minh Đức MỘT SỐ KỸ THUẬT TRA CỨU VÀ ĐỊNH VỊ TÀU CHIẾN TRÊN BIỂN LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC MÁY TÍNH Thái Nguyên - 2014 ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG Lê Minh Đức CỨU MỘT SỐ KỸ THUẬT TRA CỨU VÀ ĐỊNH VỊ TÀU CHIẾN TRÊN BIỂN Ngành: Công nghệ thông tin Chuyên ngành: Khoa học máy tính Mã số: 60.48.01 LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC MÁY TÍNH NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC PGS TS ĐỖ NĂNG TOÀN Thái Nguyên - 2014 LỜI CAM ĐOAN Học viên xin cam đoan, toàn nội dung liên quan tới đề tài trình bày luận văn thân học viên tự tìm hiểu nghiên cứu, hướng dẫn khoa học Thầy giáo PGS TS Đỗ Năng Toàn Các tài liệu, số liệu tham khảo trích dẫn đầy đủ nguồn gốc Học viên xin chịu trách nhiệm trước pháp luật lời cam đoan Thái Nguyên, ngày 20 tháng năm 2014 Học viên thực Lê Minh Đức LỜI CẢM ƠN Học viên xin gửi lời cảm ơn tới Thầy, tận tình truyền đạt kiến thức quý báu cho học viên suốt trình học tập Đặc biệt, học viên xin gửi lời cảm ơn biết ơn sâu sắc tới Thầy giáo PGS TS Đỗ Năng Tồn, thầy tận tình bảo học viên suốt trình thực đề tài Bên cạnh kiến thức khoa học, thầy giúp học viên nhận học phong cách học tập, làm việc kinh nghiệm sống quý báu Học viên xin bày tỏ lòng biết ơn tới gia đình, bạn bè, đồng nghiệp người thân động viên khích lệ tinh thần giúp đỡ để học viên hoàn thành luận văn MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN LỜI CẢM ƠN DANH MỤC CÁC KỸ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT v MỞ ĐẦU………………………………………………………………… …1 CHƯƠNG 1: KHÁI QUÁT VỀ TRA CỨU VÀ ĐỊNH VỊ TÀU CHIẾN 1.1 Khái quát tra cứu ảnh 1.1.1 Hình dạng .3 1.1.1.1 Khái niệm hình dạng 1.1.1.2 Đặc điểm hình dạng với việc tìm kiếm ảnh 1.1.2 Tra cứu ảnh dựa vào hình dạng 1.1.2.1 Lược đồ hình dạng 1.1.2.2 Độ so khớp đường biên hình dạng 1.1.2.3 So khớp với ảnh phát họa 1.2 Bài toán tra cứu tàu chiến biển 1.2.1 Giới thiệu .9 1.2.2 Đặc điểm hình dạng số loại tàu tàu mặt nước .9 1.2.2.1 Tàu chiến 10 1.2.2.2 Tàu dân 27 1.2.3 Cách tiếp cận 38 CHƯƠNG 2: KỸ THUẬT TRA CỨU VÀ ĐỊNH VỊ TÀU CHIẾN TRÊN BIỂN .39 2.1 Trích chọn đặc trưng hình dạng tàu chiến 39 2.1.1 Biến đổi Fourier 39 2.1.1.1 Chuỗi Fourier 40 2.1.1.2 Sự hội tụ chuỗi Fourier 40 2.1.1.3 Biến đổi Fourier 41 2.1.1.4 Biến đổi Fourier rời rạc 41 2.1.1.5 Biến đổi Fourier hai chiều 42 2.1.1.6 Phạm vi biến đổi Fourier 42 2.1.2 Không gian độ chia (Scale space) 43 2.1.2.1 Cơ sở 44 2.1.2.2 Không gian độ chia Gaussian 45 2.1.2.3 Phạm vi không tạo đặc trưng .45 2.1.2.4 Không gian độ chia mâu thuẫn với việc đa định.46 2.2 Đánh giá độ tương tự .48 2.2.1 Phép đo giống 49 2.2.1.1 Không gian phép đo khoảng cách .49 2.2.1.2 Khoảng cách dạng Minkowski 49 2.2.1.3 Khoảng cách Cosin .49 2.2.1.4 Thông tin thống kê .50 2.2.1.5 Đường giao biểu đồ 50 2.2.1.6 Khoảng cách bậc hai 51 2.2.1.7 Khoảng cách Mahalanobis 52 2.2.2.Thực phép đo 53 2.2.2.1 Độ nhạy độ xác(RPP) 53 2.2.2.2 Tỷ lệ trọng số thành công 53 2.2.2.3 Phần trăm thứ bậc giống 54 2.2.3 Trích chọn đặc trưng hình dạng 55 2.3 Kỹ thuật tra cứu tàu chiến biển 56 2.3.1 Phương pháp phân đoạn yếu B.G Prasad 56 2.4 Kỹ thuật định vị tàu chiến biển 57 2.4.1 Khái niệm toạ độ Barycentric .57 2.4.2 Định vị dựa vào toạ độ Barycentric 58 2.4.2.1 Phương pháp xác định tất điểm thuộc tam giác 59 2.4.3 Xây dựng thuật toán 59 2.4.3.1 Lý lựa chọn ba điểm để biểu diễn phụ thuộc 60 2.4.3.2 Tiêu chí lựa chọn điểm thích hợp 60 2.4.3.3 Giảm nhẹ tập điểm cần duyệt 61 2.4.3.4 Việc xây dựng hàm mục tiêu phương pháp duyệt 61 2.4.4 Xây dựng công thức biến đổi 63 CHƯƠNG 3: CHƯƠNG TRÌNH THỬ NGHIỆM 64 3.1 Bài toán .64 3.1 Phân tích tốn .64 3.3 Chương trình tra cứu định vị tàu chiến 65 3.3.1 Lựa chọn công cụ .65 3.3.2 Phát tàu ảnh kỹ thuật phân đoạn ảnh 65 3.3.3 Xác định tọa độ tàu kỹ thuật phân hình tứ giác 68 3.4 Đánh giá kết thực nghiệm kết luận 70 3.3.1 Đánh giá kết thực nghiệm .70 3.3.2 Kết luận 70 TÀI LIỆU THAM KHẢO 71 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT LCC Landing Craft, Control PWH Percentage of Weighted Hits PSR Percentage of Similarity Ranking Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài Nhận dạng xử lý ảnh lĩnh vực có nhiều ứng dụng thực tiễn như: Hệ thống thông tin địa lý, quân sự, y học vv Đối với lĩnh vực khoa học quân sự, thập kỷ vừa qua, công nghệ xử lý ảnh thực trở thành lĩnh vực mũi nhọn khơng thể thiếu, ln phát triển song hành với loại vũ khí thơng minh, có độ xác cao Hiện nay, loại tên lửa hành trình đại giới việc nhận dạng mục tiêu qua hình ảnh nạp sẵn sở liệu, đóng vai trò định đến việc cơng xác vào mục tiêu xác định từ trước Trong lực lượng Hải quân giới nói chung Hải qn Việt Nam nói riêng, tốn tra cứu, nhận dạng, định vị loại tàu chiến biển đặt cấp thiết từ nhiều năm qua, giải tốt toán giúp cho việc quản lý tình hình an ninh mặt biển nhanh chóng, xác, hiệu Giải toán tra cứu, nhận dạng, định vị tàu chiến biển làm móng cho việc phát triển loại vũ khí cơng xác mà có quốc gia có khoa học quân phát triển Nhằm đáp ứng toán nhận dạng tàu chiến, luận văn tập trung nghiên cứu Một số kỹ thuật tra cứu định vị tàu chiến biển Đối tượng phạm vi nghiên cứu - Đối tượng nghiên cứu luận văn ảnh có chứa tàu bao gồm loại tàu chiến mặt mước, tàu bổ trợ, tàu ngầm, tàu dân sự, đặc điểm hình dạng chúng - Phạm vi nghiên cứu ảnh mặt biển vào ban ngày có chứa tàu Hướng nghiên cứu đề tài Nghiên cứu kỹ thuật tra cứu, nhận dạng loại tàu chiến mặt nước, tàu bổ trợ, tàu ngầm, tàu dân dựa đặc điểm từ bóng loại tàu kỹ thuật tìm kiếm hình dạng, trích trọn đặc trưng Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 10 Những nội dung nghiên cứu - Các đặc trưng thiết yếu loại tàu mặt nước - Các kỹ thuật trích chọn đặc trưng, đánh giá độ tương tự, phân hình tam giác, tứ giác vv Phương pháp nghiên cứu - Thu thập phân tích tài liệu, thơng tin liên quan đến đề tài - Tìm hiểu quy trình tra cứu, nhận dạng định vị tàu chiến biển - Tìm hiểu kỹ thuật thuật tốn xử lý liên quan - Tìm hiểu phân tích số phép tốn nhận dạng tàu chiến - Kết hợp nghiên cứu trước tác giả nước với bảo, góp ý thầy hướng dẫn để hoàn thành nội dung nghiên cứu Ý nghĩa khoa học đề tài - Nêu tầm quan trọng việc tra cứu, nhận dạng định vị tàu chiến biển, chọn kỹ thuật quan trọng trình tra cứu, nhận dạng định vị loại tàu chiến - Nghiên cứu đưa sản phẩm phục vụ cho việc tra cứu, nhận dạng định vị loại tàu chiến biển Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ Thứ tự Màu R G B 12 Lime 109 219 13 Lavender 146 14 Plum 146 109 15 Teal 146 182 170 16 Dark red 182 0 17 Magenta 182 73 170 18 Yellow green 182 182 170 19 Flouro green 182 255 170 20 Red 219 73 21 Rose 219 146 170 22 Yellow 219 255 23 Pink 255 36 170 24 Orange 255 146 25 White 255 255 255 Không gian màu chia để tính điểm tương đồng vùng luận văn sử dụng khoảng cách euclidean chuẩn Như vậy, không gian màu RGB chia thành không gian gọi phân loại màu (color category) Phương pháp phụ thuộc vào việc xác định biên Màu pixel (màu phân biệt giác quan) mơ tả loại màu vùng màu giảm tương ứng 2.4 Kỹ thuật định vị tàu chiến biển 2.4.1 Khái niệm toạ độ Barycentric Với điểm M(xm,ym) nằm tam giác ABC biểu diễn toạ độ theo toạ độ đỉnh tam giác sau: xm = u xa + v xb + w ym = u ya + v yb + w u+v+ w = u,v, w xc yc Giải hệ phương trình ta nghiệm nhất: v= w= (ya-yc) (xa-xm)-(xa-xc) (ya-ym) (ya-yc) (xa-xb)-(xa-xc) (ya-yb) (ya-ym) (xa-xb)-(xa-xm) (ya-yb) (ya-yc) (xa-xb)-(xa-xc) (ya-yb) u = 1-v-w Vậy nói điểm M có toạ độ (u, v, w) tam giác ABC 2.4.2 Định vị dựa vào toạ độ Barycentric Đối với điểm toạ độ Toạ độ điểm phụ thuộc vào tỉ lệ khoảng cách từ đến đỉnh tam giác khoảng cách tuyệt đối chúng Nếu khoảng cách tương đối điểm cần biểu diễn đến điểm sở nhỏ hệ số tương ứng với lớn Hình 2.5 Minh hoạ cho khái niệm hệ toạ độ Barycentric (0,1,0) M (1,0,0) (0,0,1) Hình 2.5 Hệ toạ độ Barycentric Đến thuật tốn hồn tồn rõ ràng Vậy bước phải thực thuật toán là: Xây dựng lưới tam giác cho ảnh gốc ảnh đích Đối với cặp tam giác tương ứng với ảnh gốc ảnh đích ta nội suy tam giác ảnh gốc thành tam giác ảnh đích Một vấn đề nảy sinh tìm tất điểm thuộc tam giác ABC cách hiệu quả? Có nhiều phương án để giải vấn đề này, phần sau giới thiệu phương pháp hiệu 2.4.2.1 Phương pháp xác định tất điểm thuộc tam giác Phương pháp gồm có bước sau: Tìm giá trị xmax, xmin, ymax, ymin đỉnh tam giác For a = ymin to ymax - Tìm giao điểm đường thẳng y = a với cạnh tam giác - Chỉ xét giao điểm có hồnh độ thuộc [xmin,xmax] xếp giao điểm theo chiều tăng dần hoành độ - Các điểm nằm đường thẳng y = a có hồnh độ thuộc đoạn [x_min,x_max] thuộc tam giác (với x_ thể hoành độ giao điểm) y = ymin x = xmax x = xmin y = ymax Hình 2.6 Tìm tất điểm thuộc tam giác theo dòng qt điểm gần M ảnh hưởng tới M lớn 2.4.3 Xây dựng thuật toán 2.4.3.1 Lý lựa chọn ba điểm để biểu diễn phụ thuộc Như trình bầy việc lựa chọn thích hợp tìm phụ thuộc điểm theo điểm đến điểm biên Có bốn lý để chọn điểm thay chọn điểm biên: Các điểm dùng để biểu diễn phụ thuộc phải tạo thành miền lồi muốn đạt chất lượng tốt Trong trường hợp điểm điều hiển nhiên trường hợp điểm cần phải kiểm tra mà việc làm tăng thời gian chạy lên nhiều Việc kiểm tra xem điểm có phải điểm miền lồi tạo điểm dễ dàng nhiều so với việc kiểm tra miền lồi tạo điểm Việc biểu diễn phụ thuộc điểm theo điểm tam giác dễ dàng nhiều so với việc tính toán tứ giác lồi Chất lượng hai cách biểu diễn khác không dáng kể 2.4.3.2 Tiêu chí lựa chọn điểm thích hợp Như trình bày ba điểm thích hợp chọn từ số điểm biên chứa điểm ảnh cần biểu diễn Tuy nhiên trường hợp xây dựng ứng dụng, khơng nên khơng thể đòi hỏi đầu vào phải xác định rõ ràng vùng Vì thuật tốn phải tự động chọn điểm thích hợp tập điểm đặc trưng cho Tiêu chí chọn ba điểm sau: Điểm cần nội suy phải thuộc vào tam giác tạo ba điểm Tổng khoảng cách từ điểm cần nội suy đến điểm nhỏ Tiêu chí thứ đưa nhằm đạt chất lượng nắn chỉnh hình tốt Việc hồn tồn tn thủ tiêu chí thứ điều cần thiết Còn tiêu chí thứ hai đưa để chọn điểm biên vùng chứa điểm ảnh theo tính chất biên ảnh trình bầy phần Hơn tiêu chí hai đưa điểm có ảnh hưởng lớn tới điểm cần nội suy 2.4.3.3 Giảm nhẹ tập điểm cần duyệt Với tiêu chí việc duyệt tồn điểm đặc trưng điều khơng cần thiết Luận văn hạn chế tập điểm cần duyệt cách sau mà đảm bảo tập chứa ba điểm mà luận văn cần tìm kiếm Sắp xếp tập đặc trưng theo chiều tăng dần hoành độ Với điểm M cần nội suy tìm vị trí dãy Xuất phát từ M, tiến hành tìm hai phía dãy tìm điểm thuộc góc hình vẽ bên Tập điểm cần duyệt chứa điểm có khoảng cách từ tới M nhỏ khoảng cách lớn từ điểm tới M M Hình 2.7 Minh hoạ cách tìm điểm Do tính chất phân vùng ảnh việc giảm nhẹ theo phương pháp đạt hiệu đáng kể 1.5.4.4 Việc xây dựng hàm mục tiêu phương pháp duyệt Nếu tiến hành duyệt tồn số lượng tính tốn lớn Giả sử có 100 điểm đặc trưng điểm ảnh cần nội suy, luận văn phải tính khối lượng tính toán như: Cần duyệt C1003 =161.700 cặp số 100 điểm Với cặp điểm cần phải kiểm tra xem điểm cần nội suy có thuộc tam giác tạo điểm khơng, có tính tổng khoảng cách Chọn điểm thích hợp Với số lượng tính tốn việc duyệt tồn chấp nhận Để giảm nhẹ việc tính tốn, luận văn mềm dẻo việc tn thủ tiêu chí thứ hai, thay tìm điểm có tổng khoảng cách đến điểm cần biểu diễn nhỏ nhất, luận văn tìm điểm số số điểm có khoảng cách nhỏ thoả mãn tiêu chí thứ Điều chập nhận theo lý sau: Việc tìm ba điểm theo tiêu chí thứ hai đảm bảo ba điểm biên Nhưng luận văn tìm ba điểm theo cách xác suất tìm lớn Khi xác định phụ thuộc điểm ba điểm tạo thành tam giác chứa điểm gần có ảnh hưởng lớn, điểm xa có ảnh hưởng khơng đáng kể Việc tìm theo cách dễ tìm điểm gần Trong nội suy điểm ảnh gốc ánh xạ sang điểm tương ứng với bên ảnh đích nên ba điểm chọn thoã mãn điều kiện biên điểm cần biểu diễn Do tính chất “không rõ” hàm mục tiêu nên luận văn không áp dụng cách xây dựng hàm mục tiêu thủ tục duyệt riêng biệt áp dụng cách duyệt truyền thống Ở đây, luận văn áp dụng việc xây dựng hàm mục tiêu thủ tục duyệt thành sau: Tính tốn khoảng cách từ điểm nội suy đến điểm đặc trưng Sắp xếp theo chiều tăng dần khoảng cách chọn số điểm có khoảng cách đến điểm cần biểu diễn nhỏ nhất, tập điểm tạm gọi tập ứng cử viên Lực lượng điểm ứng cử viên tuỳ chọn Tìm tập ứng cử viên ba điểm thoả mãn tiêu chi Nếu tìm thấy kết thúc Nếu khơng bổ xung thên vào tập ứng cử viên điểm điểm tạm coi chấp nhận tìm hai điểm số điểm lại Lặp lại tìm điểm thoả mãn Để ý rằng, luận văn nội suy điểm ảnh M điểm lân cận tìm tập ứng viên M với ba điểm thoả mãn xác suất cao Vì vậy, luận văn tìm tập ứng cử viên M trước, khơng tìm thấy tiến hành tìm lại 2.4.4 Xây dựng cơng thức biến đổi Sau điểm đặc trưng xác định, mặt (đa giác) xác định Ta tiến hành nội suy cặp đa giác tương ứng Nghĩa ta tiến hành thực biến đổi qua bước: Ứng với đa giác A1A2 Am xác định, thực công việc sau: Tìm tất điểm đặc trưng thuộc vào đa giác xét A1A2 Am Tập điểm đặc trưng tìm gọi S0 = {D1 , D2 , ,Dn} Dĩ nhiên, { A1,A2, ,Am } S0 Ứng với điểm M thuộc đa giác A1A2 Am, thực bước sau: Tìm điểm thuộc S0 theo thuật toán tập điểm đặc trưng trình bầy phần Tức tìm điểm thuộc S0 thoả mãn hai điều kiện: +Tổng khoảng cách từ điểm tới M nhỏ + M thuộc tam giác tạo điểm Gọi điểm đặc trưng vừa tìm Di ,Dj ,Df điểm tương ứng với điểm D’i , D’j , D’f ảnh đích Tìm M’ thuộc tam giác D’i D’j D’f tương ứng với điểm M dựa vào thuật toán nội suy tam giác Di Dj Df thành tam giác D’i D’j D’f Gán giá trị màu M cho M’ Chương 3: CHƯƠNG TRÌNH THỬ NGHIỆM 3.1 Bài tốn Tra cứu, nhận dạng định vị tàu chiến biển nhiều nước phát triển ứng dụng quân Việc phát hình dạng tàu ảnh vấn đề tối quan quan trọng cần thiết cho hệ thống Trong phạm vi đề tài, luận văn tiến hành tìm kiếm hình ảnh đặc trưng tàu, tính tốn tọa độ thực Từ đặc điểm làm tiền đề để phát triển thời gian Đầu vào: Ảnh mặt biển vào ban ngày có chứa tàu, có thơng tin tọa độ thực ảnh kèm Đầu ra: Tìm tàu tọa độ thực tế 3.2 Phân tích tốn Q trình nhận diện tàu ảnh phân biệt tàu loại gì, tàu chiến hay tàu dân toán lớn Để làm việc này, phải xây dựng sở liệu với đặc trưng về: chủng loại tàu, loại boong tàu, mũi tàu, đuôi tàu, loại thiết bị boong Q trình đòi hỏi cần nhiều thời gian, cơng sức, vấn đề cốt lõi nhằm giúp tra cứu tàu thuộc chủng loại gì, tàu chiến hay tàu dân Sau có sở liệu hình ảnh chủng loại tàu với đầy đủ đặc trưng nhận dạng, bước cần phải xây dựng chương trình có chức phát hình dạng tàu ảnh, sau từ tọa độ chung vùng ảnh tính tốn tọa độ thực tàu nằm tọa độ Bài toán tra cứu, định vị tàu chiến biển cụ thể hóa sau: Bước 1: Xây dựng sở liệu chủng loại tàu, loại boong tàu, mũi tàu, đuôi tàu, loại thiết bị boong Xây dựng chương trình phát tàu ảnh Bước 2: Tìm tọa độ tàu ảnh, từ thông tin tọa độ kèm ảnh, tính tốn tọa độ thực tàu 3.3 Chương trình tra cứu định vị tàu chiến 3.3.1 Lựa chọn công cụ Có số ngơn ngữ phát triển lập trình đố hoạ Open GL C++ hay java 3D để phát triển ứng dụng đồ hoạ chiều, luận văn lựa chọn Microsoft Visual C++ (còn gọi MSVC) để phát triển ứng dụng Đây sản phẩm Mơi trường phát triển tích hợp (IDE) cho ngơn ngữ lập trình C, C++, C++/CLI Microsoft Nó có cơng cụ cho phát triển gỡ lỗi mã nguồn C++, đặc biệt mã nguồn viết cho Microsoft Windows API, DirectX API, Microsoft NET Framework 3.3.2 Phát tàu ảnh kỹ thuật phân đoạn ảnh Tiến trình phân đoạn xử lý chọn vùng ảnh chứa tàu trình bày sơ đồ: Bắt đầu Gọi hàm Mark_Region(img_array, col, iseed, jseed, region) Đọc ảnh Gọi hàm Fix_Boundary(img_array, col, region) Gán màu gần cho pixel Tính diện tích (vùng hình chữ nhật) Diện tích = ((reg x1 - reg x2) * (reg y1 - reg y2)) /Image_size Xác định Histogram Sắp xếp bảng tần xuất (Histogram) theo thứ tự giảm Yes Nếu Dtích > T No_RGN = A No Lặp lại cho giá trị màu bảng tần xuất Tìm màu xuất Lưu region mảng Region No_RGN ++ Yes A No_RGN