Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG 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 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG 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 NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC PGS. TS ĐỖ NĂNG TOÀN Thái Nguyên - 2014 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ LỜI CAM ĐOAN Học viên xin cam đoan, toàn bộ nội dung liên quan tới đề tài đƣợc trình bày trong luận văn là bản thân học viên tự tìm hiểu và nghiên cứu, dƣới sự hƣớng dẫn khoa học của Thầy giáo PGS. TS Đỗ Năng Toàn. Các tài liệu, số liệu tham khảo đƣợc trích dẫn đầy đủ nguồn gốc. Học viên xin chịu trách nhiệm trƣớc pháp luật lời cam đoan của mình. Thái Nguyên, ngày 20 tháng 5 năm 2014 Học viên thực hiện Lê Minh Đức Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ LỜI CẢM ƠN Học viên xin gửi lời cảm ơn tới các Thầy, cô đã tận tình truyền đạt các kiến thức quý báu cho học viên trong suốt quá trình học tập. Đặc biệt, học viên xin gửi lời cảm ơn và biết ơn sâu sắc nhất tới Thầy giáo PGS. TS Đỗ Năng Toàn, thầy đã tận tình chỉ bảo học viên trong suốt quá trình thực hiện đề tài. Bên cạnh những kiến thức khoa học, thầy đã giúp học viên nhận ra những bài học về phong cách học tập, làm việc và những kinh nghiệm sống quý báu. Học viên xin bày tỏ lòng biết ơn tới gia đình, bạn bè, đồng nghiệp và những ngƣời thân đã động viên khích lệ tinh thần và giúp đỡ để học viên hoàn thành luận văn này. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 5 MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN LỜI CẢM ƠN DANH MỤC CÁC KỸ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT v MỞ ĐẦU………………………………………………………………… …1 CHƢƠNG 1: KHÁI QUÁT VỀ TRA CỨU VÀ ĐỊNH VỊ TÀU CHIẾN 3 1.1 Khái quát về tra cứu ảnh 3 1.1.1 Hình dạng 3 1.1.1.1 Khái niệm về hình dạng 3 1.1.1.2 Đặc điểm hình dạng với việc tìm kiếm ảnh 3 1.1.2. Tra cứu ảnh dựa vào hình dạng 4 1.1.2.1. Lƣợc đồ hình dạng 4 1.1.2.2. Độ so khớp đƣờng biên của hình dạng 5 1.1.2.3. So khớp với ảnh phát họa 7 1.2 Bài toán tra cứu tàu chiến trên biển 9 1.2.1. Giới thiệu 9 1.2.2. Đặc điểm hình dạng của một số loại tàu tàu mặt nƣớc 9 1.2.2.1. Tàu chiến 10 1.2.2.2. Tàu dân sự 27 1.2.3. Cách tiếp cận 38 CHƢƠNG 2: KỸ THUẬT TRA CỨU VÀ ĐỊNH VỊ TÀU CHIẾN TRÊN BIỂN 39 2.1. Trích chọn đặc trƣng 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 của chuỗi Fourier 40 2.1.1.3. Biến đổi Fourier 41 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 6 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 của 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 của sự không tạo các đặc trƣng mới 45 2.1.2.4. Không gian độ chia mâu thuẫn với việc đa quyết định.46 2.2. Đánh giá độ tƣơng tự 48 2.2.1. Phép đo sự giống nhau 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. Đƣờng 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 hiện phép đo 53 2.2.2.1. Độ nhạy và độ chính xác(RPP) 53 2.2.2.2. Tỷ lệ trọng số thành công 53 2.2.2.3. Phần trăm của thứ bậc giống nhau 54 2.2.3 . Trích chọn đặc trƣng hình dạng 55 2.3. Kỹ thuật tra cứu tàu chiến trên biển 56 2.3.1. Phƣơng pháp phân đoạn yếu của B.G. Prasad 56 2.4. Kỹ thuật định vị tàu chiến trên biển 57 2.4.1. Khái niệm về toạ độ Barycentric 57 2.4.2. Định vị dựa vào toạ độ Barycentric 58 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 7 2.4.2.1. Phƣơng pháp xác định tất cả các điểm thuộc một tam giác 59 2.4.3. Xây dựng thuật toán 59 2.4.3.1. Lý do lựa chọn ba điểm để biểu diễn sự phụ thuộc 60 2.4.3.2. Tiêu chí lựa chọn 3 điểm thích hợp 60 2.4.3.3. Giảm nhẹ tập các điểm cần duyệt 61 2.4.3.4. Việc xây dựng hàm mục tiêu và phƣơng pháp duyệt 61 2.4.4. Xây dựng công thức biến đổi 63 CHƢƠNG 3: CHƢƠNG TRÌNH THỬ NGHIỆM 64 3.1. Bài toán 64 3.1. Phân tích bài toán 64 3.3. Chƣơng trình tra cứu và định vị tàu chiến 65 3.3.1 Lựa chọn công cụ 65 3.3.2 Phát hiện tàu trên tấm ảnh bằng kỹ thuật phân đoạn ảnh 65 3.3.3. Xác định tọa độ tàu bằng kỹ thuật phân hình tứ giác 68 3.4 Đánh giá kết quả thực nghiệm và kết luận 70 3.3.1 Đánh giá và kết quả thực nghiệm 70 3.3.2 Kết luận 70 TÀI LIỆU THAM KHẢO 71 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 8 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 bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 9 MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài Nhận dạng và xử lý ảnh là một trong những lĩnh vực có nhiều ứng dụng trong thực tiễn nhƣ: Hệ thống thông tin địa lý, quân sự, y học vv. Đối với lĩnh vực khoa học quân sự, trong những thập kỷ vừa qua, công nghệ xử lý ảnh đã thực sự trở thành một lĩnh vực mũi nhọn không thể thiếu, nó luôn phát triển song hành cùng với các loại vũ khí thông minh, có độ chính xác cao. Hiện nay, trên các loại tên lửa hành trình hiện đại trên thế giới việc nhận dạng đƣợc các mục tiêu qua các hình ảnh đƣợc nạp sẵn trong cơ sở dữ liệu, đóng một vai trò quyết định đến việc tấn công chính xác vào một mục tiêu đã đƣợc xác định từ trƣớc. Trong lực lƣợng Hải quân trên thế giới nói chung và Hải quân Việt Nam nói riêng, bài toán tra cứu, nhận dạng, định vị các loại tàu chiến trên biển luôn đƣợc đặt ra cấp thiết từ nhiều năm qua, giải quyết tốt bài toán này sẽ giúp cho việc quản lý tình hình an ninh mặt biển đƣợc nhanh chóng, chính xác, hiệu quả. Giải quyết đƣợc bài toán tra cứu, nhận dạng, định vị tàu chiến trên biển còn làm nền móng cho việc phát triển các loại vũ khí tấn công chính xác mà hiện nay mới chỉ có tại các quốc gia có nền khoa học quân sự phát triển. Nhằm đáp ứng bài toán nhận dạng tàu chiến, luận văn này sẽ tập trung nghiên cứu Một số kỹ thuật tra cứu và định vị tàu chiến trên biển. 2. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu - Đối tƣợng nghiên cứu của luận văn là các ảnh có chứa tàu bao gồm các loại tàu chiến mặt mƣớc, tàu bổ trợ, tàu ngầm, các tàu dân sự, cùng các đặc điểm hình dạng cơ bản của chúng. - Phạm vi nghiên cứu là các ảnh mặt biển vào ban ngày có chứa một con tàu. 3. Hƣớng nghiên cứu của đề tài Nghiên cứu các kỹ thuật tra cứu, nhận dạng các loại tàu chiến mặt nƣớc, tàu bổ trợ, tàu ngầm, các tàu dân sự dựa trên các đặc điểm từ bóng của các loại tàu bằng các kỹ thuật tìm kiếm hình dạng, trích trọn đặc trƣng. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 10 4. Những nội dung nghiên cứu chính - Các đặc trƣng thiết yếu của các loại tàu mặt nƣớc. - Các kỹ thuật cơ bản nhƣ trích chọn đặc trƣng, đánh giá độ tƣơng tự, phân hình tam giác, tứ giác vv 5. Phƣơng pháp nghiên cứu - Thu thập và phân tích các tài liệu, thông tin liên quan đến đề tài. - Tìm hiểu các quy trình tra cứu, nhận dạng và định vị tàu chiến trên biển. - Tìm hiểu các kỹ thuật và thuật toán xử lý liên quan - Tìm hiểu và phân tích một số phép toán nhận dạng tàu chiến - Kết hợp các nghiên cứu trƣớc đây của các tác giả trong và ngoài nƣớc cùng với sự chỉ bảo, góp ý của thầy hƣớng dẫn để hoàn thành nội dung nghiên cứu. 6. Ý nghĩa khoa học của đề tài - Nêu ra đƣợc tầm quan trọng của việc tra cứu, nhận dạng và định vị tàu chiến trên biển, chọn ra đƣợc các kỹ thuật quan trọng trong quá trình tra cứu, nhận dạng và định vị các loại tàu chiến. - Nghiên cứu sẽ đƣa ra đƣợc sản phẩm phục vụ cho việc tra cứu, nhận dạng và định vị các loại tàu chiến trên biển. [...]... loại tàu chiến, tàu phụ trợ mà các tàu phục vụ Tàu phụ trợ đƣợc gọi là tàu chuyên dùng (Các tàu này thực hiện các chức năng cụ thể), và tàu đổ bộ Ví dụ, tàu làm công tác sửa chữa là tàu phụ trợ, các tàu phá băng Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 18 và gián điệp là tàu chuyên dùng Thuật ngữ của các loại tàu Hải quân cũng là một định hƣớng để giúp cho việc phân loại 1.2.2.1 Tàu chiến. .. để bổ sung và sửa chữa, có cần cẩu trên boong tàu đƣợc sử dụng di chuyển cho các thiết bị, vật tƣ và nhiên liệu cho hạm đội *Các tàu chiến do Liên Bang Nga sản suất Việc xác định nhanh chóng và chính xác các tàu chiến do Liên Bang Nga sản xuất là khá quan trọng trong bài toán tra cứu, nhận dạng tàu chiến trên biển bởi số lƣợng của chúng trên toàn thế giới tƣơng đối lớn Bóng của các tàu chiến của Liên... Xác định vị trí và theo dõi một tàu ngầm thành công là một nhiệm vụ rất lớn Đây cũng là một phần trọng tâm trong bài toán tra cứu, nhận dạng tàu chiến trên biển mà luận văn quan tâm đến Hình dạng bên ngoài của tàu ngầm mang lại một hình bóng rất thấp, điều này dễ hiểu là bởi vì tàu ngầm có trọng tâm thấp, hai phần ba chìm dƣới mặt nƣớc trong khi trên bề mặt bên ngoài thân của tàu ngầm là hình trụ và. .. về phía sau 1.2.2.2 Tàu dân sự Để xác định một con tàu dân sự, cần phải phân loại nó theo nhóm xuất hiện, loại thân tàu, và cấu trúc các thiết bị thẳng đứng Nhóm xuất hiện đƣợc xác định bởi kích thƣớc, hình dạng và vị trí của ca bin Loại thân đƣợc xác định bởi hình dạng của thân tàu và số lƣợng và vị trí của các kiên trúc nhô lên Các thiết bị thẳng đứng bao gồm việc xác định và vị trí của cột, giàn... nhàng vào trong nƣớc Trên các tàu ngầm cũ mũi tàu có điểm đầu cuối rõ ràng, và góc của thân tàu lộ ra rất rõ Lƣu ý rằng trong mã hóa của hồ sơ mũi tàu, cấu trúc trên mũi tàu không đƣợc coi là một phần của thân tàu Hình dạng mũi thƣờng khó nhìn vì góc quan sát và tác động của sóng nƣớc, nhƣng điều này không nên bỏ qua Việc nhận dạng một tàu ngầm cụ thể không nên chỉ dựa trên việc nhận dạng hình dạng và vị. .. trích rút, và LQ(g) quy cho hệ thống ô lƣới g của bản Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 17 họa đều nét có kết quả từ ảnh truy vấn Q 1.2 Bài toán tra cứu tàu chiến trên biển 1.2.1 Giới thiệu Nhận dạng tàu chiến trên biển cũng quan trọng nhƣ nhận dạng máy bay trong không phận Tàu chiến di chuyển trên bề mặt đại dƣơng chậm hơn so với máy bay, nó dễ dàng đƣợc nhận ra một cách trực... chống, cần cẩu, và ống khói Sử dụng các tính năng trên để nhận dạng, ta có thể xác định đƣợc một con tàu dân sự đƣợc một cách nhanh chóng và chính xác a - Nhóm, hình dạng bên ngoài Kích thƣớc, hình dạng và vị trí của ca bin trên tàu dân sự phụ thuộc vào các chức năng của con tàu Tính năng nhận diện này đƣợc sử dụng để phân loại các tàu này trong một trong ba nhóm xuất hiện sau: Nhóm 1 Số hóa bởi Trung... khoảng phần ba của con tàu Tuy nhiên, nếu cấu trúc thƣợng tầng vƣợt quá một phần ba chiều dài tổng thể, con tàu sẽ xuất hiện trong nhóm 1 b - Nhóm thân tàu Nhóm xuất hiện 1 đƣợc đặt dƣới thân tàu loại 1 Việc xác định loại thân tàu cho tàu trong nhóm xuất hiện 2 và 3 đƣợc dựa trên hồ sơ thân Bảng dƣới là một ma trận của các kết cấu thân tàu và các nhóm xuất hiện phản ánh số thân tàu loại Số hóa bởi Trung... thƣờng tàu đƣợc xác định trong khi nó vẫn còn ở rất xa Các loại tàu, lớp tàu nên đƣợc xác định từ hình bóng của nó từ rất sớm trƣớc khi hình ảnh, tên của nó có thể đƣợc phân biệt bằng các trang bị quân sự khác Việc xác định đầu tiên đƣợc thực hiện là phải xác định đƣợc các tàu này là một tàu Hải quân hay là tàu dân sự Nói chung, tàu Hải quân hình dạng không cồng kềnh nhƣ tàu buôn dân sự Các tàu Hải... 1.2.2.1 Tàu chiến a - Tàu sân bay Tàu sân bay là tàu chiến lớn nhất trong các loại tàu mặt nƣớc Các tàu sân bay là tấn công chủ yếu của Hải quân các nƣớc lớn nhƣ Mỹ, Nga, Anh, Pháp vv Máy bay là vũ khí chính của tàu sân bay, và nhiệm vụ đƣợc xác định bởi các loại máy bay thực hiện Các phần nổi cao và mở rộng, sàn đáp gọn gàng cho các tàu sân bay là một nhận dạng đặc biệt Trên các tàu sân bay cấu trúc . toán nhận dạng tàu chiến, luận văn này sẽ tập trung nghiên cứu Một số kỹ thuật tra cứu và định vị tàu chiến trên biển. 2. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu - Đối tƣợng nghiên cứu của luận văn. trọng của việc tra cứu, nhận dạng và định vị tàu chiến trên biển, chọn ra đƣợc các kỹ thuật quan trọng trong quá trình tra cứu, nhận dạng và định vị các loại tàu chiến. - Nghiên cứu sẽ đƣa ra. các quy trình tra cứu, nhận dạng và định vị tàu chiến trên biển. - Tìm hiểu các kỹ thuật và thuật toán xử lý liên quan - Tìm hiểu và phân tích một số phép toán nhận dạng tàu chiến - Kết