6172

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского»

Научный руководитель

доктор технических наук, профессор Васин Юрий Григорьевич

Официальные оппоненты:

Утробин Владимир Александрович, доктор технических наук, профессор, Федеральное государственное бюджетное

образовательное учреждение высшего профессионального образования «Нижегородский государственный технический университет им.

Р.Е.Алексеева», профессор кафедры вычислительных систем и технологий,

Немирко Анатолий Павлович доктор технических наук, профессор, Федеральное государственное бюджетное

образовательное учреждение высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ» им. В.И.Ульянова (Ленина)»,

профессор кафедры биотехнических систем

Ведущая организация:

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Новгородский государственный университет имени Ярослава Мудрого»

Защита состоится «17» декабря 2013 г. в 13 час. 00 мин на заседании диссертационного совета Д 212.162.09 при ФГБОУ ВПО «Нижегородский государственный архитектурно-строительный университет» по адресу: 603950, г. Нижний Новгород, ул. Ильинская, 65, корпус 5, ауд. 202.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Нижегородский государственный архитектурно-строительный университет»

Автореферат разослан «15» ноября 2013 года.

2

Общая характеристика работы Актуальность работы. В настоящее время остается актуальной

проблема продуктивного использования пространственно-распределенной информации о ключевых объектах производственной, коммунальной и социальной сфер деятельности. Для решения этой проблемы используют геоинформационные системы (ГИС), которые прочно вошли в список обязательных инструментов профессионалов различных направлений: геологов, геофизиков, инженеров-нефтяников, инженеров по обслуживанию объектов и различных коммуникаций, землемеров, юристов, экологов, спасателей, управленцев и т.д. Цифровое графическое представление пространственнораспределенных данных (ПРД) – это большое число большеформатных графических документов различной тематической направленности. Примерами таких документов могут служить цифровые топографические и морские навигационные карты, поэтажные планы зданий и сооружений, тематические карты различной направленности: по геологии, землевладению, экологии, хозяйственной инфраструктуре и пр., а также связанные с ними базы данных, результаты полевых исследований и измерений, материалы космической и аэрофотографической съемки.

Современный рынок компьютерной техники становиться все более дифференцированным и достаточно большую его составляющую начинают занимать так называемые «мобильные» устройства с ограниченной памятью, вычислительными ресурсами центрального процессора и малым размером экрана. Подобные устройства применяются как широким классом пользователей – обычными людьми (смартфоны, карманные персональные компьютеры, навигаторы, умные очки и часы, и т.д.), так и для спецназначения (мобильные роботы, летательные и глубоководные подводные аппараты, передвижные диспетчерские центры, индивидуальные средства МЧС, 3D навигация и т.д.). Однако созданное программное обеспечение этого класса вычислительной техники имеет узкую специализацию решаемых задач в рамках определенной предметной области, ограниченные размеры и малое количество обрабатываемых графических документов, объектной составляющей, атрибутивных и пространственно-логических связей, отсутствие механизма быстрого поиска данных при реализации разнообразных сложноструктурированных запросов и т.д.

Расширение сферы использования и усложнение решаемых задач привели к необходимости хранения и интегрированной обработки данных большого множества большеформатных графических документов разной тематической

3

направленности, разных масштабов, проекций и систем координат, космо- и аэро-фото изображений, постановке задачи сбора данных 3D моделирования и 3D визуализации пространственных объектов (зданий, сооружений, отдельных поэтажных планов), навигации в закрытых помещениях на базе 3D моделирования окружающего пространства, выбора маршрута и контроля движения по нему в условиях труднодоступных и малоизученных районов. Указанные проблемы в своих работах рассматривали такие ученые, как Васин Ю.Г., Кетков Ю.Л., Ротков С.И., Сергеев В.В., Клименко С.В., Рябко Б.Я., Бурт П.Дж., Кунт М., Робертс М.Г., Клеари Дж.Г. и другие. Однако необходимо дальнейшее развитие моделей описания и структур представления, методов и алгоритмов обработки и сжатия больших объемов графической информации, повышение интеллектуальности инструментальных средств обработки ПРД (обеспечение работы в терминах проблемной области, а не в кодах), дальнейшее повышение удобства работы в разных проблемных областях, решение тематических задач (прокладка маршрута по бездорожью и др.) с учетом ограниченности емкостных и вычислительных ресурсов мобильных устройств. Вышесказанное определяет актуальность данной работы.

Объектом исследования являются модели и методы обработки пространственно-распределенных данных и большеформатных изображений на мобильных устройствах.

Предметом исследования являются модели описания и структуры представления, алгоритмы хранения и обработки пространственнораспределенных данных и большеформатных изображений на мобильных устройствах.

Цель работы – разработка и развитие моделей описания и структур представления большеформатных растровых изображений (БФРИ) и объектов ПРД, а также алгоритмов хранения, поиска и обработки больших объемов большеформатных графических данных на мобильных устройствах.

Для достижения поставленной цели требуется проведение анализа существующих моделей и структур представления объектов ПРД, алгоритмов хранения и обработки больших объемов большеформатных графических данных, анализ прикладных задач обработки ПРД и алгоритмов их решения, а также решение следующих основных задач:

1) Разработка модели описания большеформатных растровых изображений и структуры их представления для эффективной организации их хранения, визуализации и масштабирования.

4

2)Разработка модели описания и структуры представления большеформатных цифровых (векторных) графических документов (БЦГД) с учетом реализации быстрого поиска данных для решения разнообразных тематических задач.

3)Разработка для мобильных устройств алгоритма прокладки маршрута движения по бездорожью на основе информации БЦГД.

4)Разработка алгоритма построения матрицы переходов, используемой в алгоритме Дейкстры, для решения задач прокладки маршрута движения по графу дорожной сети на мобильных устройствах.

5)Разработка и создание универсального программного обеспечения для мобильных устройств, реализующего разработанные модели, структуры, алгоритмы и позволяющего решать широкий класс задач обработки большеформатных графических документов на мобильных устройствах.

Методы исследования. В диссертационной работе используются методы дискретной математики, теории графов, математической логики, вычислительной геометрии и математического анализа, теории информации, математического моделирования.

Достоверность и обоснованность полученных в работе результатов и выводов обеспечиваются корректным применением аппарата компьютерной геометрии и графики, теории графов, математического моделирования и подтверждается положительными результатами проведенного экспериментального тестирования алгоритмов и программ и опытной эксплуатации разработанного программного обеспечения.

Научная новизна состоит в том, что:

1)Разработана блочно-иерархическая модель описания большеформатных растровых изображений графических документов (БРИГД), позволяющая избежать независимого дополнительного хранения и сжатия последних столбцов и строк соседних блоков, избежать геометрических артефактов, связанных с межблочными разрывами изображений; отличающаяся способом формирования независимых блоков, высоким коэффициентом сжатия, меньшей сложностью вычислений при масштабировании и визуализации изображения без межблочных разрывов.

2)Разработана геометрическая модель описания большеформатных цифровых (векторных) графических документов (БЦГД), позволяющая осуществлять поиск данных при реализации разнообразных метрических и семантических запросов, включая сложно-структурированные запросы, а также работать в терминах любой предметной области, а не в кодах; отличающаяся

5

иерархической структурой представления БЦГД, использованием иерархического семантического описания объектов ПРД и наличием прямоугольников, описывающих метрику отдельных объектов, что обеспечивает более высокое быстродействие алгоритмов поиска данных.

3) Разработан алгоритм прокладки маршрута движения по бездорожью на основе информации цифровых (векторных) большеформатных графических документов, позволяющий автоматически строить маршрут на мобильных устройствах в условиях отсутствия дорожной сети для труднодоступных и малоизученных районов местности, избежать получение неадекватных результатов при вытянутых и загибающихся контурах объектов-препятствий, работать с большеформатными цифровыми документами, содержащими большое число объектов препятствий. Разработанный алгоритм не требует хранения в оперативной памяти всех контуров объектов-препятствий и проведения вычислений на графах большой размерности.

Практическая значимость научного исследования. В основу работы положены результаты, полученные автором в ходе исследований, проводимых по плану научно-исследовательской работы Министерства образования и науки Российской Федерации, научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ по хоздоговорам с ЗАО «Транзас» и ООО «Чарт-пилот». Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ проект №05-01-00590, проект №10-07-00330, проект №11-07-12049-офи-М, проект №12-07-33107 мол_а_вед.

Результаты диссертационной работы использованы ООО «Чарт-пилот» в автоматизированной системе передачи по сети общего пользования сжатых калек-вклеек и трейсинг-калек на суда гражданского флота, используются в составе ГИС «Терра», в научно исследовательском институте прикладной математики и кибернетики Нижегородского государственного университета им. Лобачевского, для решения широкого класса задач обработки большеформатных растровых изображений и ПРД на мобильных устройствах, а также в учебном процессе на факультете вычислительной математики и кибернетики (ВМК) Нижегородского государственного университета им. Н. И. Лобачевского, на кафедре интеллектуальных информационных систем и геоинформатики (ИИСГео).

Разработано и зарегистрировано в официальном реестре программ для ЭВМ (РФ) программное обеспечение «Программный комплекс обработки пространственно-распределенных данных и большеформатных изображений на малых платформах».

6

Полученные в диссертационной работе результаты могут быть использованы при проектировании программно-аппаратных систем, связанных с обработкой больших объемов графической информации и ПРД на мобильных устройствах. Программное обеспечение, полученное в результате работы над диссертацией, может найти свое применение в задачах различного рода навигации, в системах слежения за транспортом и логистике, в службах обхода

исбора информации об объектах, в силовых, спасательных и коммунальных службах, при создании различных роботов и спецтехники и т.д.

Апробация работы. Результаты диссертационной работы докладывались

иобсуждались на международной конференции «Pattern Recognition and Image Analysis: New Information Technologies» (Йошкар-Ола, 2007 г., Нижний Новгород, 2008 г., Санкт-Петербург, 2010 г., Самара, 2013 г.), на конференции «Технологии Microsoft в теории и практике программирования» (Нижний Новгород, 2007 – 2010 гг.), на Всероссийской конференции с международным участием «Модели, методы и программные средства» (Нижний Новгород, 2007г.), на 8-м Открытом российско-немецком семинаре «Распознавание образов и понимание изображений» (Нижний Новгород, 2011 г.).

Основные положения, выносимые на защиту:

1.Блочно-иерархическая модель описания большеформатных растровых изображений, структура их представления для эффективной организации хранения, визуализации и масштабирования.

2.Геометрическая модель описания большеформатных цифровых (векторных) графических документов, структура их представления, а также алгоритмы поиска данных БЦГД.

3.Алгоритм прокладки маршрута движения по бездорожью на основании информации цифровых большеформатных графических документов, с использованием разработанной геометрической модели описания цифровых графических документов, содержащих ПРД. Алгоритм построения матрицы переходов, используемой в алгоритме Дейкстры, для решения задач прокладки маршрута движения по графу дорожной сети с использованием выбранной модели описания объектов ПРД.

Публикации. Основные результаты исследований опубликованы в 15 научных работах, 3 из которых опубликованы в изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки России. Получено свидетельство о регистрации электронного ресурса №19291 от 24.06.2013 на разработанное программное обеспечение.

7

бинарных деревьев (рис. 2). Указанные блоки хранятся и отображаются независимо друг от друга.

Данная иерархическая структура формируется в результате работы алгоритма адаптивного сжатия на базе иерархических методов интерполяции с применением локальных однородных хорошо приспособленных восстанавливающих

базисных функций (ЛОХПВБФ) (раздел 1.6). Далее полученная структура подвергается статкодированию на основе алгоритма арифметического кодирования. Обоснован выбор размера блоков изображения, обеспечивающего эффективное сжатие и скорость вычислений. Для решения проблемы межблочных разрывов разработана и реализована двухуровневая процедура формирования исходных, адаптивно сжатых и восстановленных отсчетов блоков регулярной сетки БРИ.

Описанная геометрическая модель и способ представления большеформатных растровых изображений позволили существенно снизить временную и емкостную сложность вычислений в задачах оперативного отображения, масштабирования, хранения, передачи по каналам связи и обработки больших объемов большеформатных графических данных, решить проблему устранения межблочных разрывов. Приведенные в работе результаты экспериментальной апробации описанной модели показали ее превосходство по степени сжатия над существующими распространенными форматами.

Вторая глава посвящена описанию геометрической модели цифрового (векторного) графического документа, структуры его представления, а также алгоритмов поиска данных БЦГД на мобильных устройствах. Рассмотрены подходы к формированию модели описания большеформатных цифровых (векторных) графических документов. Приведен обзор существующих моделей описания отдельных объектов ПРД, входящих в состав БЦГД. Исследованы их достоинства и недостатки. Обосновано преимущество выбранной объектноориентированной топологической модели описания отдельных объектов ПРД над цепочно-узловой и последовательной моделями.

9

В разделе 2.2 приведена структура представления выбранной объектноориентированной топологической модели описания отдельных объектов. Описание каждого объекта состоит из набора следующих полей:

-идентификационная часть описания объекта (поле идентификатор);

-атрибуты (семантика) объекта (поле характеристики);

-межобъектные отношения (поле связей);

-структурированное описание объекта (поле прерываний);

-метрическое описание (метрика);

-текстовое описание;

-мультимедийная информация объекта.

Обязательным является лишь поле идентификатора. Идентификатор объекта состоит из многопозиционного кода объекта и номера объекта. Структура кода определяется классификацией объектов предметной области (рис. 3).

Рис. 3. Пример классификационного кода объектов и его соответствия текстовому описанию в базе знаний

Каждая позиция кода соответствует определенному уровню в иерархии этой классификации. Для идентификации разных объектов с одинаковым кодом применяется номер объекта. Каждому объекту из группы объектов с одинаковым кодом присваивается уникальный (в данной группе объектов) номер. Таким образом, пара значений кода и номера – однозначно идентифицирует объект.

Для представления объектно-ориентированной топологической модели описания объектов ПРД используется динамическая структура позволяющая:

иметь переменный размер всех полей объекта;

хранить объект в базе данных в любом сочетании его полей;

выдавать пользователю объект из базы данных в любом сочетании его

полей;

10