| |
Введение: |
| |
Программа «BioImage DegoDen» предназначена для автоматизации процесса определения относительной полноты древостоя. Она написана на языке высокого уровня Borland Delphi 7.0 (Object Pascal). В программе реализованы функции интерактивной обработки изображений для определения области исследования на изображении. Для максимальной степени автоматизации проведения исследований разработан ручной и автоматический режимы обработки изображений. Измеряемая целевая величина относительной полноты древостоя вычисляется с высокой степенью достоверности. Автоматический режим обработки реализован на основе алгоритма согласованной фильтрации, что дает наилучшие характеристики обнаружения при заданном отношении сигнал/шум.
Разработана интерактивная процедура синтеза импульсной характеристики фильтра, что дает возможность легко создавать согласованный фильтр с целевыми характеристиками обнаружения. Данная программа выполнена с использованием графических возможностей операционной системы MS Windows, что делает интерфейс программы легко понимаемым и удобным для пользователя. Создано руководство пользователя, в котором описаны все возможные режимы и процедуры.
|
|
|
Схема работы программы: |
| |
|
|
| На приведенной схеме изображена поэтапная обработка изображения в программе « BioImage DegoDen ». В данной программе на каждом этапе приходиться решать отдельную задачу для того, чтобы получить исходный результат. Эти задачи целесообразно разбивать на отдельные подпрограммы, которые формируют структуру приведенной программы: |
| |
|
|
|
Область исследования изображения: |
| |
| После того как изображение загружено в программу необходимо определить область исследования на изображении. Для этого необходимо воспользоваться специальным инструментом «Определение области», результат работы которого представлен на рисунке |
|
|
|
|
Ручной режим исследования |
| |
| Данный режим проведения исследования предусматривает оценку и использование визуальной информации на изображении экспериментатором. Здесь используются интерактивные процедуры обработки изображения, которые помогают исследователю относить данные к области значащего древостоя, который вносит существенный вклад в значение целевого параметра, относительной полноты. Режим обладает большой гибкость и удобством использования, а с учетом разработанных инструментов и визуального контроля тратиться минимальное время на один кадр изображения. |
|
|
Визуальная локализация областей древостоя: |
| |
С помощью специально разработанного инструмента, в рассматриваемом (ручном) режиме работы, экспериментатор выделяет области древостоя сплошным прямоугольником, что отмечено на рисунке. Важно, чтобы эти области не накладывались друг на друга, так как это может привести к погрешности определения измеряемой величины. |
|
|
| |
Области выделения могут охватывать вертикальную составляющую области исследования не полностью - это не отразиться на точности целевых измерений. Целесообразно определять значащие области лесного массива в рамках заданной области исследования. |
|
|
Определение относительной полноты древостоя: |
| |
Полнота древостоя. Абсолютная полнота представляет собой сумму площадей поперечных сечений всех деревьев на площади на высоте 130 см в пересчете на гектар леса. Является показателем густоты древостоя. Определяется при помощи специальных приборов или сплошным перечетом на пробных площадях или лентах. На практике чаще применяется относительная полнота, то есть отношение абсолютной полноты данного насаждения к табличной величине для "нормального" (максимально густого) древостоя данной породы, возраста и бонитета. Относительная полнота выражается в долях единицы и колеблется в пределах 0.1-1.0. Опытные таксаторы и лесоводы обычно определяют этот показатель (как и большинство других) "на глаз". Древостои с полнотой до 0.2 включительно относятся к так называемым рединам (т.е. не считаются лесом по официальной классификации). Понятие "относительная полнота" практически нигде в мире, кроме России и некоторых других стран бывшего СССР, не применяется, в связи с трудностью определения того, что такое "нормальный древостой". |
|
|
Автоматический режим исследования: |
| |
| Данный режим проведения исследования предусматривает автоматическую оценку результатов исследования на основе согласованной фильтрации. Для получения высокой эффективности оценки целевой величины необходимо синтезировать согласованный фильтр, который будет получен по результатам генерации импульсной характеристики цифрового фильтра. Разработанная процедура нахождения максимумов отклика фильтра будет сортировать их в порядке убывания амплитуды, что позволит экспериментатору произвести корректную оценку относительной полноты древостоя. |
|
|
Преобразование 2D изображения в одномерный сигнал: |
| |
Существующие изображения древостоя обладают различного шумами. Для устранения этого недостатка необходимо выполнять накопление строк изображения в заданной области исследования. Результаты этой операции показаны на рисунке |
| |
|
|
|
Синтез импульсной характеристики фильтра: |
| |
Импульсная характеристика - это важная характеристика цифрового фильтра. Она полностью и однозначно описывает его свойства. Импульсной характеристикой системы называется её реакция на единичный импульс при нулевых начальных условиях .В цифровых системах входной сигнал представляет собой простой импульс минимальной ширины (равной периоду квантования для дискретных систем) и максимальной амплитуды. В применении к фильтрации сигнала называется также ядром фильтра. Находит широкое применение в теории управления, обработке сигналов и изображений, теории связи и других областях инженерного дела. В нашем случае импульсная характеристика будет иметь следующий вид: |
| |
|
|
|
Параметры цифрового фильтра: |
| |
| Так как импульсная характеристика должна обладать определенными свойствами, то при изменении одних характеристик должны автоматически изменяться остальные. На рисунке показаны эти характеристики: |
| |
|
|
|
Согласованная фильтрация: |
| |
| Согласованный фильтр — такое устройство, которое на выходе максимизирует отношение сигнал шум.Так какформа обрабатываемого сигнала заранее известна, и нам нужно определить лишь факт присутствия сигнала на фоне шумов. В этом случае фильтр должен вместо сохранения формы сигнала обеспечить его максимальный (по сравнению с шумом) уровень на выходе. Критерием качества обработки в данном случае может служить отношение сигнал/шум.В этом случае отношение сигнал/шум на выходе фильтра является максимально возможным. Импульсная характеристика оптимального фильтра должна быть согласована с сигналом. |
| |
|
|
|
Результаты согласованной фильтрации сигнала: |
| |
| После согласованной фильтрации получается сигнал, пример которого отображен на рисунке |
| |
|
|
|
Выделение согласованных областей: |
| |
Для автоматического режима необходимо знать те области, которые будут максимально соответствовать областям древостоя. Для этого необходимо найти максимумы из полученного сигнала и принять решение об их принадлежности. На рисунке визуально отображены эти максимумы: |
| |
|
|
|
Определение значащих данных: |
| |
| Полученные максимумы на предыдущем этапе необходимо, как было сказано определить областям древостоя. На рисунке показана эта процедура: |
| |
|
|
|
Руководство пользователя: |
| |
Для экспертов-исследователей разработано руководство пользователя, которое помогает разобраться с общей функциональностью системы на уровне обычного пользователя. Разработанная документация имеет формат CHM , на рисунке приведена общая структура это документа. |
| |
|
|
|
Описание интерфейса: |
| |
Разработанный графический интерфейс программы представлен на рис. 13. Все доступные функции приставлены в двух вариантах:
- Программное меню;
- Панель графических иконок;
По своей функциональной работе они абсолютно идентичны. Панель графических иконок расположена всегда перед глазами и поэтому с ней всегда работать быстрее и удобней. Все зависит от предпочтений пользователя данной системы: |
| |
|
| |
1. Процедура загрузки изображения:
Эта кнопка служит для того, чтобы загрузить изображение в программу для обработки. Изображение должно до этого быть представлено в формате jpg.
2. Вернуть к исходному значению:
Эта кнопка служит для того, чтобы в любой момент вернуться к исходному значению загруженного изображения П.1 на любом этапе проведения исследования;
3. Сохранить изображение:
Эта процедура предусматривает сохранение изображения со всеми изменениями внесенными в процессе экспериментальных исследований, такими как выделенная сетка для исследования и области отнесенные к древостою.
4. Определение области исследования:
Эта кнопка принимает для определения области исследования, здесь возмы два режима в которых участвует этот инструмент - это ручной и автоматический:
- В ручном режиме работы возможно использовать любую из предложеных сеток для выделения. В ходе экспериментальных испытаний данного программного комплекса, свою эффективность показал режим "Вертикальная сетка" , поэтому рекомендуется её использовать!
- В автоматическом режиме работы ОБЪЯЗАТЕЛЬНО необходимо использовать режим "Прямоугольная область", так как это связано с особенностью функционирования разработанного алгоритма.
После того как экспериментатор определился в каком режиме он будет работать: ручном или автоматическом, необходимо с помощью манипулятора мышь задать облать ииследования на загруженном изображении.
5. Инстрмент определения областей ствола дерева:
Данный инструмент целесообразно использовать, только тогда когда задана облать исследования. Когда данный инструмент инициализирован, необходимо экспериментатору-исследователю определять какие области в попавшем диапазоне относятся к области значащего древостоя. На рисунке изображена область такого выделения:
6. Автоматический режим определения:
Данный режим работы будет доступен после того как будет выполнен. Далее необходимо на появившейся форме настраивать параметры фильтра, который будет согласован с оластью относящейся к древостою. На рисунке показано, какие параметры согласованного фильтра необходимо подбирать:
7. Руководство пользователя:
Вызов инструкции пользователя данной системы (в настоящий момент вы её читаете).
8. Информация о программе:
Сведения о названии программы, авторах и контактной информации. |
|
|
Вопросы и ответы по программе: |
| |
Вопрос: |
Для чего предназначена данная программа? |
Ответ: |
Данная программа предназначена для того, чтобы определить относительную полноту древостоя. |
|
|
Вопрос: |
В чем "изюминка" программы? |
Ответ: |
В этой программе реализованы различные режимы работы, которые позволяют пользователю достаточно гибко проводить исследования. Разработан автоматический режим работы на основе согласованной фильтра, который обеспечивает наилучшие характеристики обнаружения. |
|
|
Вопрос: |
Какова эффективность работы программы по определению полноты древостоя? |
Ответ: |
Представленная программа работает с достаточной степенью эффективности, учитывая максимальным образом особенность данного типа изображения. Результаты исследований с высокой степенью достоверности находят исследуемый параметр как в автоматическом, так и в ручном режиме работы. |
| |
|
|
|
Видеопрезентация работы программы |
|
| |
