Автоматизированное проектирование систем анализа динамических газоразрядных изображений

Актуальность проблемы

Тенденции развития современных информационных технологий приводят к постоянному возрастанию сложности информационных систем (ИС), создаваемых в различных областях человеческой деятельности [1]. С другой стороны, динамика технического прогресса требует значительного ускорения разработки программного обеспечения (ПО), снижения трудоемкости и обеспечения возможности их совершенствования в процессе эксплуатации, наращивания или модификации функций при изменении требований к ним со стороны пользователей. Поэтому поиск путей реализации непрерывно растущих требований составляет одно из актуальных направлений современной информатики [2,3]. В частности, одним из таких путей является разработка специализированных систем автоматизации проектирования (САПР), ориентированных на разработку ПО [4,5]. В связи с этим актуальными являются задачи совершенствования принципов и методологии проектирования, внутренней организации, схем взаимодействия и использования программных компонентов [5,6,7].

Многие отрасли техники, имеющие отношение к получению, обработке, хранению и передаче информации, в значительной степени ориентируются в настоящее время на развитие систем анализа графических данных [8, 9]. Вместе с тем, решение научных и инженерных задач при работе с визуальными данными требует особых усилий, опирающихся на знание специфических методов. В особой мере это проявляется при создании новых типов информационных систем, решающих такие проблемы, которые до сих пор в науке и технике не решались, и которые решаются сейчас благодаря использованию информации визуального характера [8]. Такие системы, и, в особенности, системы анализа видеоинформации, характеризуются большими объемами входных данных, сложностью алгоритмов обработки, широкой номенклатурой рассчитываемых количественных характеристик и разнообразием методов анализа [10], что существенно осложняет задачу их проектирования [11]. Поэтому, во многих случаях, целесообразным является создание и использование специализированных САПР для разработки подобных систем.

Одной из областей применения систем анализа (СА) видеоинформации является метод газоразрядной визуализации (ГРВ или ГРВ-графия) [12, 13, 14, 15]. В основе метода лежит получение информации о внутренних свойствах различных объектов путем компьютерного анализа особенностей изображений (ГРВ-грамм) индуцированного свечения газового разряда вблизи этих объектов в импульсных электромагнитных полях высокой напряженности [12]. Метод ГРВ является относительно новой, интенсивно развивающейся методикой, которая находит применение в различных предметных областях таких, как: медицина, психофизиология, экология, контроль материалов. Так, например, с помощью ГРВ-графии удается выявить слабые изменения физико-химических свойств биологических объектов [16, 17, 18], в психофизиологии — оценивать психоэмоциональный статус [19, 20, 21], психофизический потенциал [22, 23, 24] и уровень саморегуляции испытуемого [25], в медицине — осуществлять мониторинг общего функционального состояния пациента или оценивать реакцию его организма на те или иные виды терапии без проведения сложных медицинских обследований [26, 27].

На сегодняшний день достаточно хорошо изученной и нашедшей широкое практическое применение является, так называемая, статическая ГРВ-графия [28, 29]. Сущность этой методики сводится к регистрации одной ГРВ-граммы в заданный момент от начала экспозиции. Изучение свойств объекта ведется с помощью анализа совокупности количественных характеристик свечения (ГРВ-параметров). Статическая ГРВ-графия позволяет при использовании относительно небольших вычислительных ресурсов быстро получать экспресс-оценку состояния исследуемого объекта.

Современный уровень развития компьютерной техники, каналов передачи данных и аппаратных средств цифровой видеосъемки позволил создать новую методику — динамическую ГРВ-графию [30, 31]. В отличие от статической ГРВ-графии, регистрируется последовательность ГРВ-грамм с заданной частотой дискретизации в течение всего времени экспозиции. Изучение свойств объекта по методу динамической ГРВ-графии ведется с помощью анализа временных рядов ГРВ-параметров, рассчитываемых для каждой ГРВ-граммы в последовательности. По данным ряда проведенных исследований, такой анализ позволяет получить дополнительные сведения о параметрах исследуемых объектов, за счет использования набора количественных характеристик свечения, учитывающих динамическое изменение свойств объекта в процессе воздействия на него импульсным электромагнитным полем.

Необходимым условием практического внедрения метода ГРВ в различных предметных областях является создание автоматизированных СА ГРВ-грамм [32], которые на основании анализа параметров исходного набора ГРВ-грамм объектов вырабатывают содержательную интерпретацию их состояния. Задача проектирования СА ГРВ-грамм осложняется рядом особенностей метода ГРВ, такими как:

1. Необходимость обработки большого объема видеоинформации, как на этапе проектирования СА, так и в процессе их эксплуатации.

2. Нерегулярная структура экспериментальной информации, на основании анализа которой разрабатываются правила выработки заключения для СА. То есть для различных исследуемых объектов может присутствовать различный набор ГРВ-изображений, рассчитанных ГРВ-параметров и верифицирующей информации.

3. Экспертный характер анализа закономерностей и взаимосвязей между характером свечения объекта и его свойствами, в ходе которого исследователь формирует специфическую для конкретной предметной области последовательность этапов обработки ГРВ-грамм и аналитические правила выработки заключения.

4. Необходимость частого внесения изменений в проект С, А на этапе разработки и в готовые СА на этапе эксплуатации, вызванная высокой интенсивностью научных исследований в области ГРВ. Причем изменения касаются как структуры исходной информации об объектах исследования, так и алгоритмов обработки, анализа и выработки заключения.

На сегодняшний день известна единственная работа [29], в которой развиты подходы к созданию средств САПР по разработке проблемно-ориентированных процедур обработки и анализа статических ГРВ-грамм. В связи с разработкой в последние годы новых проблемно-ориентированных методик на базе динамической ГРВ-графии областях актуальным является дальнейшее совершенствование САПР СА ГРВ-грамм в направлении роста уровня автоматизации, сокращения сроков разработки и повышения качества готовых проектных решений. В частности, применение таких элементов искусственного интеллекта, как фреймовое представление информации и вынесение правил обработки и интерпретации данных в отдельную базу знаний, позволяет устранить часть перечисленных трудностей и унифицировать структуру проектируемых С, А ГРВ-грамм.

Таким образом, актуальность темы диссертационной работы определяется:

• практической значимостью метода ГРВ в различных предметных областях, благодаря высокой чувствительности метода к слабым изменениям свойств исследуемых объектов, позволяющей регистрировать изменение их состояния под влиянием относительно слабых внешних воздействий;

• появлением новой методики динамической ГРВ-графии, позволяющий расширить сферу практического применения метода ГРВ в целом, и, как следствие, необходимостью разработки интегрированных программных систем, предназначенных для автоматизации процессов обработки и анализа динамических газоразрядных изображений (ГРВ-грамм);

• необходимостью разработки и совершенствования средств САПР проблемно-ориентированных СА ГРВ-грамм в связи с высокой трудоемкостью проектирования таких систем, вызванной рядом перечисленных выше особенностей ГРВ-графии, осложняющими задачу.

Цель работы

Целью диссертационной работы является разработка методов, алгоритмов и программ автоматизации проектирования систем параметрического анализа динамических газоразрядных изображений.

Задачи работы

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Анализ существующей технологии САПР проблемно-ориентированных процедур обработки и анализа статических ГРВ-грамм и развитие на ее основе новой методики автоматизированного проектирования СА ГРВ-грамм с учетом особенностей динамической ГРВ-графии.

2. Построение унифицированной архитектуры С, А ГРВ-грамм.

3. Разработка адаптивной информационной модели, предназначенной для обмена данными между модулями системы и сохранения информации в базах данных (БД).

4. Создание программной библиотеки процедур обработки и анализа динамических ГРВ-грамм.

5. Разработка методов автоматизации синтеза проектируемых СА ГРВ-грамм с целью достижения заданной эффективности функционирования готовых систем.

6. Практическая апробация разработанных методов, алгоритмов и программ на примере создания проблемно-ориентированных СА ГРВ-грамм.

Методы исследования

Для решения поставленных задач использованы теория и методы автоматизации проектирования технических систем, методы теории вероятностей и математической статистики, методы обработки сигналов, дискретной математики и численного анализа, теория и методы реляционных баз данных, методы искусственного интеллекта, методы цифровой обработки изображений и машинной графики. Программное обеспечение разработано с применением методов объектно-ориентированного программирования.

Научные положения, выносимые на защиту

1. Методика автоматизированного проектирования СА ГРВ-грамм, основанная на повторном использовании программных компонент, настраиваемых на конкретную предметную область за счет коррекции атрибутивного состава входных и выходных фреймов данных и аналитических правил формирования заключения на скриптовом языке программирования высокого уровня.

2. Автоматизированный метод синтеза проектируемых С, А ГРВ-грамм для обеспечения требуемой эффективности анализа, основанный на технике прототипирования и статистических критериях отбора рабочего подмножества ГРВ-параметров, используемых для формирования заключения.

3. Унифицированная архитектура С, А ГРВ-грамм, основанная на применении технологии баз знаний;

4. Адаптивная информационная модель, основанная на фреймовом представлении данных для организации межмодульного информационного обмена.

Научная новизна работы

В ходе работы над диссертацией получены следующие результаты, характеризующиеся научной новизной:

1. Разработано методическое, математическое и алгоритмическое обеспечение автоматизации проектирования СА ГРВ-грамм, учитывающее особенности нового метода динамической ГРВ-графии.

2. Предложен итерационный подход к задаче автоматизированного синтеза СА ГРВ-грамм, основанный на постепенном наращивании функциональности прототипа проектного решения и включении в структуру системы программных процедур, обеспечивающих эффективное решение проблемно-ориентированной задачи анализа.

3. Предложена обобщенная архитектура С, А ГРВ-грамм, ориентированная на интеграцию исходных ГРВ-изображений с информационными массивами, полученными в результате расчета их количественных характеристик, в единую базу данных и осуществление анализа этих данных с использованием элементов искусственного интеллекта.

4. Применена фреймовая модель представления данных, обеспечивающая единый способ информационного обмена между модулями системы, сохранение данных в БД, расширение и адаптацию обобщенной архитектуры под решение конкретных прикладных задач в различных областях применения ГРВ.

Практическая ценность работы

В результате проведенного исследования разработаны методы, алгоритмы и программы, позволяющие в автоматизированном режиме создавать предметно-ориентированные системы анализа газоразрядных изображений. Применение разработанных методов и программ позволило существенно сократить трудоемкость проектирования новых и модификации существующих СА ГРВ-грамм, за счет унификации архитектуры СА и повторного использования программных компонентов. На базе предложенной технологии автоматизированного проектирования создано две автоматизированные системы: система анализа психофизического состояния спортсменов и система анализа свойств жидкофазных объектов.

Внедрение результатов работы

Разработанная в рамках работы система анализа психофизического состояния спортсменов внедрена в учебно-тренировочный процесс училищ олимпийского резерва № 1 и 2 города Санкт-Петербурга, в соответствии с программой Госкомспорта России. С 2003 г. Система внедряется в учебно-тренировочный процесс школ и училищ Олимпийского Резерва России (контракт Госкомспорта России № 197). Система анализа свойств жидкофазных объектов — используется в лабораториях фирм «Aveda» (США) и «Estee Lauder» (США). Разработанное в рамках работы программное обеспечение входит в состав пакета программ «ГРВ-технология», распространяемого в комплекте с серийно выпускаемым прибором «ГРВ-камера».

Апробация работы

Научные и практические результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались в период 2000;2003 г. г. на международных конференциях и семинарах. Среди них: конгрессы по биоэлектрографии «Наука-Информация-Сознание» (Санкт-Петербург, 2000, 2001, 2002, 2003), конференции европейского колледжа спортивных наук (Кельн, 2001; Афины,

2002) — «Медицинская техника-2002» (Минск, 2002) — «Новые медицинские технологии» (Санкт-Петербург, 2001) — Итоговые конференции СПбНИИФК (Санкт-Петербург, 2001, 2002) — Научно-техническая конференция профессорско-преподавательского состава СПбГИТМО (ТУ) (Санкт-Петербург,

2003).

По теме диссертации опубликовано 12 работ из них 2 статьи и 10 тезисов к докладам на международных и российских конференциях.

Краткое содержание диссертации по главам

В первой главе приводится краткий обзор метода ГРВ, включая аппаратные принципы регистрации ГРВ-грамм и различия между статической и динамической ГРВ-графией. Формулируется задача анализа ГРВ-грамм. Описываются общие принципы построения автоматизированных систем анализа газоразрядных изображений и дается характеристика существующей технологии проектирования С, А ГРВ-грамм.

Вторая глава посвящена описанию разработанного в рамках данной работы математического и программного обеспечения реализующего функции обработки и анализа динамических ГРВ-грамм. Излагаются методы фильтрации шума в изображениях, алгоритмы расчета ГРВ-параметров, способ формирования и анализа временных рядов этих параметров.

Третья глава посвящена вопросам разработки обобщенной архитектуры систем анализа ГРВ-грамм. Описывается адаптивная фреймовая модель представления данных. Предлагается реляционная структура БД, обеспечивающая хранение фреймов с изменяемым атрибутивным составом.

В четвертой главе описывается разработанная технология автоматизированного проектирования систем анализа ГРВ-грамм. Перечисляются формализованная последовательность проектных процедур. Описывается метод автоматизации, приводятся статистические критерии отбора рабочего подмножества ГРВ-параметров и характеристик временных рядов.

Пятая глава посвящена описанию практического применения разработанных методов для создания двух проблемно-ориентированных СА ГРВ-грамм: система анализа психофизического состояния спортсменов и система анализа свойств жидкофазных объектов.

5.3 Выводы

В пятой главе рассмотрены вопросы практического применения разработанных в рамках работы методов, алгоритмов и программ для проектирования проблемно-ориентированных систем анализа газоразрядных изображений.

Первая задача из области спортивной медицины направлена на решение актуальной проблемы высшего спорта — объективной оценки уровня соревновательной готовности. Экспериментальные исследования с участием спортсменов высокой квалификации показали, что динамическая ГРВ-графия может быть успешно применена в этой области. Разработана автоматизированная система анализа психофизического потенциала спортсменов, которая прошла успешную апробацию в училищах Олимпийского Резерва № 1 и № 2 г. Санкт-Петербурга и, в соответствии с программой Госкомспорта России с 2003 года внедряется в учебно-тренировочный процесс школ и училищ Олимпийского Резерва России.

Второй пример направлен на решение не менее актуальной проблемы в области контроля материалов — выявление различий между образцами жидкостей близких по химическому составу. Созданная в рамках работы САПР применена для создания системы анализа свойств жидкофазных объектов. Работа велась в рамках научного сотрудничества с фирмами «Aveda» и «Estee Lauder» (США), специализирующихся на производстве натуральных косметических продуктов. Использование данной системы анализа позволило создать методику для решения актуальной в современной косметологии задачи — выявления различий между натуральными ароматическими маслами и их синтетическими аналогами.

Спектр практических приложений созданной методики автоматизированного проектирования систем анализа ГРВ-грамм не исчерпывается приведенными примерами. Однако, полученные результаты демонстрируют основные направления, методические подходы и перспективность практического внедрения разработанных методов и алгоритмов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В рамках диссертационной предложена технология автоматизированного проектирования систем анализа газоразрядных изображений с учетом особенностей метода динамической ГРВ-графии. Унификация архитектуры проектируемых систем достигнута за счет применения элементов искусственного интеллекта, таких как фреймовая модель представления данных и вынесение правил обработки и анализа ГРВ-грамм в отдельную базу знаний, доступную для изменений как проектировщикам, так и пользователям. Разработано математическое и алгоритмическое обеспечение обработки и анализа временных рядов параметров динамических ГРВ-грамм.

Практическое применение разработанных методов, алгоритмов и программ позволило в короткие сроки разработать ряд законченных систем, которые успешно эксплуатируются.

Как перспективное направление дальнейших исследований стоит отметить применение методов data mining, в частности, алгоритмов построения деревьев решений, для автоматического формирования решающих правил на основании анализа экспериментальных баз данных.

В процессе решения поставленных задач получены следующие результаты:

1. Проанализированы структуры и технология проектирования С, А ГРВ-грамм на базе статической ГРВ-графии, и на их основе создана методика автоматизированного проектирования СА ГРВ-грамм с учетом особенностей метода динамической ГРВ-графии.

2. Предложена унифицированная архитектура С, А ГРВ-грамм, ориентированная на применение элементов искусственного интеллекта для формирования заключения.

3. Разработана адаптивная информационная модель, основанная на фреймовом представлении данных, предназначенная для обмена данными между модулями системы и сохранения информации в базах данных (БД).

4. Создана программная библиотека процедур обработки и анализа временных рядов параметров динамических ГРВ-грамм.

5. Разработан автоматизированный метод синтеза проектируемых СА ГРВ-грамм для достижения требуемой эффективности функционирования готовых систем, основанный на применении итеративного подбора оптимального набора аналитических правил и на использовании статистических критериев отбора рабочего подмножества ГРВ-параметров, используемых для формирования заключения.

6. С использованием разработанного методического, алгоритмического и программного обеспечения созданы две системы анализа: система анализа психофизического состояния спортсменов, которая внедрена в учебно-тренировочный процесс училищ олимпийского резерва № 1 и 2 города Санкт-Петербурга, и система анализа свойств жидкофазных объектов, используемая в лабораториях фирм «Aveda» (США) и «Estee Lauder» (США).

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Бабицкий М. А. Методика и техника динамической ГРВ-графии / М. А. Бабицкий, Д. И. Муромцев // Наука, Информация, Сознание: материалы 5-ого междунар. конгресса, СПб, 10−12 июля 2001 г. — СПб.: СПбГИТ-МО (ТУ), 2001.-С. 60−62.

2. Бабицкий М. А. Автоматизированная система скрининговой биоэлектрографической диагностики психофизического потенциала человека / М. А. Бабицкий, П. В. Бундзен, К. Г. Короткое, Д. И. Муромцев // Наука, Информация, Сознание: материалы 5-ого междунар. конгресса, СПб, 10−12 июля 2001 г. — СПб.: СПбГИТМО (ТУ), 2001. — С. 58−60.

3. Бабицкий М. А. Программный комплекс анализа психофизического состояния человека СБУ АРРБ / Д. И. Муромцев, М. А. Бабицкий // Материалы научн. итог. конф. СПб НИИФК, СПб., 24−25 декабря 2001 г. -СПб.: СПб НИИФК, 2001. — С. 38−39.

4. Бабицкий М. А. Технология биоэлектрографической диагностики психофизического потенциала человека / П. В. Бундзен, К. Г. Короткое, М. А. Бабицкий, Д. И. Муромцев, // Материалы 1-го междунар. Конгресса: «Новые медицинские технологии», СПб, 2001. — С. 45

5. Бабицкий М. А. Автоматизированный анализ психофизического потенциала человека / Д. И. Муромцев, М. А. Бабицкий // Медицинская элек-троника-2002: Сб. трудов междунар. конф., г. Минск, 20−21 нояб. 2002 г. — Минск: БГУИР, 2002. — С. 78−79

6. Бабицкий М. А. Проектирование систем экспресс диагностики качества ментальной подготовки спортсменов на основе метода газоразрядной визуализации / М. А. Бабицкий, Д. И. Муромцев // Наука, Информация, Сознание: материалы 6-ого междунар. конгресса, СПб., 13−14 июля 2002 г. — СПб.: СПбГИТМО (ТУ), 2002. — С. 66−67.

7. Бабицкий М. А. Техника ГРВ биоэлектрографии / К. Г. Короткое, Б. А. Крылов, О. И. Белобаба, М. А. Бабицкий, Д. И. Муромцев // Основы ГРВ биоэлектрографии. — изд. СПбГИТМО (ТУ). — СПб, 2001. — С.302−336

8. Короткое К. Г. Автоматизированная система измерения динамических характеристик параметров изображения газоразрядного свечения / К. Г. Короткое, Э. В. Крыжановский, Д. И. Муромцев, М. А. Бабицкий, М. Б. Борисова // Информация. Управление. Системы. — 2003. — № 2. — С. 68

9. Babitski М. Expert system of express-estimation of the sportsmen functional readiness for competitive activity (Экспертная система экспресс-оценки соревновательной готовности спортсменов) / М. Babitski, D. Mouromtsev, // book of abstracts Lachta, 2001. — P. 243.

10.Babitski M. Method of estimation of athletes functional readiness to competition based on GDV technique (Метод оценки соревновательной готовности спортсменов на базе ГРВ-технологии) / М. Babitski, D. Mouromtsev // 6th Annual Congress of European College of sport science: book of abstracts, ECSS. — Cologne, 2001. — P. 1024

11 .Babitski M. Computer based GDV technique for the evaluation of athletes' mental readiness (Компьютерная ГРВ-технология оценки ментальной подготовки спортсменов) / М. Babitski, D. Mouromtsev // 7th Annual Congress of the European College of sport science: book of abstracts, ECSS. -Athens, 2002.-P. 948 12. Babitsky M. New technology of the athletes psycho-physical readiness evaluation (Новая технология оценки психофизического состояния) / Р. Bundzen, К. Korotkov, I. Nazarov, V. Rogozkin, М. Babitsky, D. Mouromtsev // Human Energy Field. — Backbone Publishing. — NJ, 2002. — P. 280−327