Информационная система идентификации изображений

ВВЕДЕНИЕ

Информационные технологии – весьма широкое определение, под  которое попадает ряд отдельных  технических средств и приемов  работы с информацией. Но, как правило, в процессе работы с информацией  люди имеют дело со вполне определенной связанной последовательностью  взаимодействий с различными средствами. В зависимости от шкалы времени (от оперативных до долгосрочно-стратегических задач) и масштаба действий (от одного рабочего места до целой компании) могут обнаруживаться разные связи  и последовательности, и для управления ими нужны разные методы. Методы варьируются также по степени  алгоритмизации и рационализации.

Наиболее рационально  алгоритмизированная совокупность методов и средств работы с  информацией – информационная система. Информационная система — взаимосвязанная совокупность средств, методов и персонала, используемых для хранения, обработки и выдачи информации.

Автоматическая обработка  визуальной информации является одним  из важнейших направлений в области  искусственного интеллекта. Интерес  к проблемам компьютерной обработки  определяется расширением возможностей, как самих компьютерных систем, так и разработкой новых технологий обработки, анализа и идентификации различных видов изображений. При этом для создания эффективных технологий разрабатываемые методы и алгоритмы должны удовлетворять ряду требований по быстродействию и точности. 

1 ИНФОРМАЦИОННАЯ СИСТЕМА

Термин информационная система (ИС) используется как в широком, так и в узком смысле.

В широком смысле информационная система — совокупность технического, программного и организационного обеспечения, а также персонала, предназначенная для того, чтобы своевременно обеспечивать надлежащих людей надлежащей информацией.

Федеральный закон РФ от 27.07.2006 года № 149-ФЗ «Об информации, информационных технологиях и о защите информации» трактует понятие информационной системы как  «совокупность содержащейся в базах данных информации и обеспечивающих ее обработку информационных технологий и технических средств»[2].

Одно  из наиболее широких определений  ИС дал М. Р. Когаловский: «информационной системой называется комплекс, включающий вычислительное и коммуникационное оборудование, программное обеспечение, лингвистические средства и информационные ресурсы, а также системный персонал и обеспечивающий поддержку динамической информационной модели некоторой части реального мира для удовлетворения информационных потребностей пользователей».

Стандарт ISO/IEC 2382-1 дает следующее определение: «Информационная система — система обработки информации, включающая связанные с ней ресурсы, такие как людские, технические и финансовые, предназначенная для обеспечения информацией и распространения информации».

Российский  ГОСТ РВ 51987 определяет информационную систему, как «АС, результатом функционирования которой является представление выходной информации для последующего использования».

ИС  в узком смысле рассматривают  как программно-аппаратную систему, предназначенную для автоматизации  целенаправленной деятельности конечных пользователей, обеспечивающую, в соответствии с заложенной в нее логикой  обработки, возможность получения, модификации и хранения информации[3].

Информационные  системы бывают разного назначения и масштаба. Также информационные системы отличаются по степени охвата сфер деятельности предприятия (учитывают  ли они только бухгалтерию или  также и склад, финансы, производство и т.д.). Однако все информационные системы обладают рядом свойств, которые являются для них общими:

• ИС предназначены для сбора, хранения и обработки информации. Таким образом, в основе любой информационной системы лежат средства хранения и доступа к данным;
• ИС предназначены для конечного пользователя, не являющегося специалистом в области вычислительной техники. Из этого следует, что ИС должны включать в себя клиентские приложения, обеспечивающие интуитивно понятный интерфейс. [4]

В любом  случае основной задачей ИС является удовлетворение конкретных информационных потребностей в рамках конкретной предметной области. Современные ИС немыслимы без использования баз данных и СУБД, поэтому термин «информационная система» на практике сливается по смыслу с термином «система баз данных». 

1. Основные понятия информационной системы

Информационная система — это взаимосвязанная совокупность средств, методов и персонала, используемых для хранения, обработки и выдачи информации в интересах достижения поставленной цели. 
Современное понимание информационной системы предполагает использование в качестве основного технического средства переработки информации компьютера. Кроме того, техническое воплощение информационной системы само по себе ничего не будет значить, если не учтена роль человека, для которого предназначена производимая информация и без которого невозможно ее получение и представление.

Необходимо понимать разницу  между компьютерами и информационными  системами. Компьютеры, оснащенные специализированными  программными средствами, являются технической  базой и инструментом для информационных систем. Информационная система немыслима  без персонала, взаимодействующего с компьютерами и телекоммуникациями.

Информационная система в целом—автоматизированная система, предназначенная для организации, хранения, пополнения, поддержки и представления пользователям информации в соответствии с их запросами.

Рисунок 1. Укрупненная функциональная схема информационной системы.

1—система организации, хранения и представления информации;

2—система ввода, обновления и корректировки информации;

3—система потребления информации.

Как видно из схемы, изображенной на рисунке 1, область определения любой информационной системы (предметная область) представляет собой некоторое информационное пространство, содержащее совокупность информационных объектов. Каждый из объектов может быть описан с точки зрения систем организации и хранения, ввода, обработки и поиска информации, систем потребления информации и взаимосвязей данного объекта с другими объектами рассматриваемой предметной области. В общем случае информационное пространство неоднородно, так как содержит информационные объекты, различающиеся по методам формирования, организации и пополнения информации.

Все преобразования информации, осуществляемые системой 1, можно свести к пяти основным процедурам: хранение, поиск, обработка, ввод, вывод. Первые три  процедуры являются внутренними, а  четвертая и пятая обеспечивают связь данной системы с объектами  предметной области, т. е. источниками  информации и внешней средой (потребителями  информации).

Эффективность управления любой  динамической системой (технологическим  процессом, производством, процессом  создания нового изделия и т. д.) во многом определяется тем, как организованы хранение, поиск, обработка и пополнение информации. Очевидно, что управление возможно только в той системе, в  которой четко определены информационные связи, как между отдельными элементами, так и с внешней средой. В  этом случае обеспечиваются возможность  координации деятельности различных  подсистем, сопряжения данной системы  управления с системами более  высокого и более низкого уровней.

Информация, выдаваемая информационной системой потребителю, является одним  из ресурсов, позволяющих повысить производительность труда и эффективность  его деятельности. Важнейшим аспектом взаимоотношений потребителя и  информационной системы является по возможности наиболее полное и рациональное удовлетворение информационной потребности  пользователя, другими словами, обеспечение  эффективного использования информационных ресурсов. Это, в свою очередь, предполагает доведение информации до потребителя в требуемом объеме, в заданные сроки и удобной для восприятия форме. Именно использование информационных ресурсов, таким образом, позволяет минимизировать расход всех других видов ресурсов (материальных, трудовых, финансовых, вычислительных) при информационном обеспечении потребителей.

Таким образом, информационные ресурсы представляют собой один из обязательных элементов, необходимых  для осуществления любого вида человеческой деятельности: производства, управления, научных исследований, проектирования новой техники и технологии, подготовки и переподготовки кадров.

Области применения информационных приложений разнообразны: страхование, транспорт, образование и т. д. И  конечно, в зависимости от конкретной области применения информационные системы очень сильно различаются  по своим функциям, архитектуре, реализации.

В целом информационные системы  определяется следующими свойствами:

1) любая информационная  система может быть подвергнута  анализу, построена и управляема  на основе общих принципов  построения систем; 
2) информационная система является динамичной и развивающейся; 
3) при построении информационной системы необходимо использовать системный подход; 
4) выходной продукцией информационной системы является информация, на основе которой принимаются решения; 
5) информационную систему следует воспринимать как человеко-машинную систему обработки информации.

Любая ИС предназначена для  сбора, хранения и обработки информации. Поэтому в основе любой ИС лежит  среда хранения и доступа к  данным. Среда — совокупность ресурсов, предоставляемых в распоряжение пользователя системы. Среда должна обеспечить уровень надежности хранения и эффективность доступа, соответствующие области применения ИС.

Трудно найти область  деловой активности, в которой  сегодня можно было бы обойтись без  использования информационных систем.

Внедрение информационных систем может способствовать: 
• получению более рациональных вариантов решения управленческих задач за счет внедрения математических методов; 
• освобождению работников от рутинной работы за счет ее автоматизации; 
• обеспечению достоверности информации; 
• совершенствованию структуры информационных потоков (включая систему документооборота); 
• предоставлению потребителям уникальных услуг; 
• уменьшению затрат на производство продуктов и услуг (включая информационные).[5]

ИС ориентируются на конечного  пользователя, например, бухгалтера. Такие  пользователи могут быть очень далеки от мира компьютеров. Для них персональный компьютер — всего лишь орудие собственной профессиональной деятельности. Поэтому ИС обязана обладать простым, удобным, легко усваиваемым интерфейсом, который должен предоставить конечному пользователю все необходимые для его работы функции, но в то же время не дать ему возможность выполнять какие-то лишние действия. Обычно этот интерфейс является графическим: с меню, кнопками, подсказками и т. п.

1.2 Структура информационной  системы

Структура системы – состав, порядок и принципы взаимодействия элементов системы, определяющие основные свойства системы. Если отдельные элементы системы разнесены по разным уровням и характеризуются внутренними связями, то говорят об иерархической структуре системы. 

Добавление к понятию  система слова информационная отражает цель ее создания и функционирования. Информационные системы обеспечивают сбор, хранение, обработку, поиск, выдачу информации, необходимой в процессе принятия решений задач из любой области. Они помогают анализировать проблемы и создавать новые информационные продукты.

Для функционирования ИС необходимы следующие  основные компоненты:

• база данных (БД);
• схема базы данных;
• система управления базой данных (СУБД);
• приложения;
• пользователи;
• технические средства.

Рассмотрим  кратко каждый из этих компонентов. Начнем с базы данных. Существует немало определений  этого понятия. Одно из определений БД, которое Крис Дейт, один из главных экспертов в области баз данных, дает в начале своего учебного курса: «Базу данных можно рассматривать как подобие электронной картотеки, то есть хранилище для некоторого набора занесенных в компьютер файлов данных».

Из  этого определения следует, что  база данных — это просто колоссальный набор данных. Но файл может содержать довольно большое количество данных и не быть базой данных. Важным свойством БД является то, что база данных может себя описать. Можно сказать, что БД обязательно содержит — данные и метаданные. Данные — это данные пользователя или предприятия, использующего систему, и связанные с его деятельностью. Метаданные — это данные о данных или схема базы данных, которая описывает структуру обычных данных и дает о них фундаментальную информацию.

Пользователей можно разделить на три большие  группы: прикладные программисты, пользователи, администраторы.

Прикладные  программисты — отвечают за написание  бизнес-приложений, использующих базу данных (например, приложения по автоматизации  бухгалтерского учета, маркетинга). Приложения выполняют над данными стандартные  операции: выборку существующей информации, вставку новой информации, удаление или обновление существующей информации. Все эти функции выполняются  через соответствующий запрос к  СУБД.

Конечные  пользователи — работают с информационной системой непосредственно через рабочую станцию или терминал. Пользователь получает доступ к БД, используя одно из приложений.

В связи  с тем, что данные одна из главных  ценностей предприятия, администратор данных должен разбираться в данных и понимать нужды предприятия по отношению к данным на уровне управления высшего руководства предприятия. В его обязанности входят: принимать решения, какие данные необходимо вносить в БД, обеспечивать поддержание порядка при использовании их после занесения в базу данных.

Техническим специалистом, ответственным за реализацию решений администратора данных, является администратор БД. Его работа заключается в создании самой БД и техническом контроле, необходимом для осуществления решений администратора данных.

Между БД (т. е. данными) и пользователями располагается  уровень программного обеспечения  — система управления базой данных. Все запросы пользователей на доступ к БД обрабатываются СУБД.

СУБД — важный, но не единственный компонент программного обеспечения ИС. Среди других — упомянутые выше бизнес-приложения, утилиты, CASE-средства, генераторы отчетов и форм и т.д.

Технические средства информационных систем могут  включать:

• средства вычислительной техники (серверное оборудование, рабочие станции, принтеры и т.д.),
• локальные вычислительные сети,
• копировально-множительную аппаратуру,
• средства связи (учрежденческие АТС, каналы связи и канальное оборудование, телефоны, факсимильные аппараты, мобильные средства связи).

Любая информационная система (с точки зрения создания) в языках программирования состоят из трёх компонентов:

1. Файл данных—файл, находящийся на локальном компьютере или на сервере, который содержит внутри себя структуру данных. К структуре данных относятся таблицы, запросы и фильтры, а также хранимые процедуры, пользовательские функции, диаграммы и триггеры;
2. Объект связи—объект языка программирования, осуществляющий связь между файлом данных и интерфейсом информационной системы;
3. Интерфейс информационной системы—комплекс средств, осуществляющий взаимодействие системы с конечными пользователями. Он может находиться как на клиентском компьютере, так и на сервере.

     Информационная система подразделяется на две подсистемы: функциональную и обеспечивающую.

Функциональная подсистема состоит из совокупности решаемых задач, сгруппированных по признаку общности цели. Обеспечивающая подсистема, в свою очередь, включает в себя следующие элементы:

• техническое обеспечение, т.е. совокупность технических средств, обеспечивающих обработку и передачу информационных потоков;
• информационное обеспечение, которое включает в себя справочники, классификаторы, кодификаторы, средства формализованного описания данных;
• математическое обеспечение, т.е. совокупность методов решения функциональных задач. Логистические информационные системы представляют собой автоматизированные системы управления логистическими процессами. Поэтому математическое обеспечение в логистических информационных системах – это комплекс программ и совокупность средств программирования, обеспечивающих решение задач управления материальным потоком, обработку текстов, получение справочных данных и функционирование технических средств.[6]

2.  ИНФОРМАЦИОННАЯ СИСТЕМА ИДЕНТИФИКАЦИИ

ИЗОБРАЖЕНИЙ

Идентификация в информационных системах — присвоение субъектам и объектам идентификатора и / или сравнение идентификатора с перечнем присвоенных идентификаторов

Разработка компьютерных систем обнаружения и распознавания  объектов на изображениях является довольно актуальной проблемой. Актуальность проявляется  вследствие необходимости повышения  качества и уменьшения рутинной работы человека, а также с возможностью усовершенствования алгоритмов обработки  изображений в связи с развитием  компьютерной техники. Формирование признаков  – это первый этап в любой системе  распознавания образов. Качество всей системы оказывается жестко зависимо от того, насколько хорошо подобраны  признаки для описания изображения.

Основной проблемой, возникающей  при решении задач сравнения  и идентификации, является потребность  в выполнении большого количества переборов  вариантов, что требует громадных  вычислительных расчетов. Переборы необходимы для обеспечения инвариантности изображения искомого объекта к  сдвигу, вращению и масштабированию.

Сообразно с этим для повышения  быстродействия часто используется неполная информация об исходном изображении (выполняется только частичный анализ исходного изображения) и искомом  на нем объекте (искомый объект идентифицируется только по некоторым характеристикам) или обеспечивается инвариантность только в небольшом диапазоне  значений параметров.

Все это резко снижает  круг применения таких алгоритмов (алгоритмы  правильно работают только на изображениях простых объектов) и приводит к уменьшению вероятности верного обнаружения или распознавания. В связи с этим требуется разработка новых, более быстродействующих, качественных и универсальных алгоритмов.

1. Основные сведения

Многие задачи распознавания  необходимо решать в строго ограниченное время, поэтому алгоритмы распознавания  должны быть оптимизированы по временной  сложности, возможность данной оптимизации  может достигаться на основе распараллеливания. Компьютерная реализация таких алгоритмов требует обеспечения высокого быстродействия и практической устойчивости к искажениям. Ограниченность объемов машинной памяти, выделяемой под пространство эталонов, а также требование быстродействия выводят на первый план распараллеливаемые алгоритмы распознавания, инвариантные к сдвигу, масштабированию и ротации распознаваемых изображений.

Преобразование масштабирования  трактуется как равномерное растяжение или сжатие изображения вдоль  осей координат, исключающее отражение.

Существующие устройства ввода, такие как сканеры, фото и  видеокамеры, а также устройства вывода, такие как мониторы и принтеры, обусловливают форму представления  визуальной информации в виде изображений; в памяти компьютера обычно используется представление изображения в  виде матрицы пикселей f(m1,m2), О < т1 < Мх -1, 0 < т2 < М2 -1 (растровое изображение). В зависимости от вида элементов матрицы различают следующие разновидности изображений:

• полноцветные,
• палитровые,
• полутоновые,
• бинарные.

Элементы полноцветных изображений  непосредственно хранят всю информацию о цветовых составляющих, использование  таких изображений требует больших вычислительных затрат. В палитровых изображениях значение пикселей является ссылкой на ячейку карты цветов (палитру) — двумерный массив, в столбцах которого расположены интенсивности цветовых составляющих каждого цвета. Полутоновое изображение состоит из элементов, которые могут принимать одно из значений интенсивности какого-либо базового цвета. Это один из наиболее распространенных типов изображений, который применяется при исследованиях различного рода (широко используется глубина цвета 8 бит на пиксель). Диапазон значений элементов бинарного (монохромного) изображения ограничен только двумя значениями: О (фоновые точки) или 1 (точки интереса). Природа происхождения таких изображений разнообразна, часто бинарные изображения получаются в результате порогового разделения полутоновых изображений с фиксированным или адаптивным порогом. Количество информации при этом значительно сокращается, поэтому бинарные изображения просты в обработке, хранении и пересылке.

Методы распознавания, в  зависимости от предметной области, могут получать на вход полноцветные или палитровые изображения. Однако полутоновые и бинарные изображения используются при распознавании наиболее часто. Если имеют значение пространственные характеристики изображенных объектов, то выбираются полутоновые изображения (например, при распознавании лица человека); переход к бинарным изображениям оправдан в тех предметных областях, где анализируемые объекты являются существенно плоскими (в частности, при распознавании печатных и рукописных символов).

3 ОБЗОР ПРОГРАММНО-ТЕХНИЧЕСКИХ  РЕШЕНИЙ

Распознавание образов и  их идентификация – сложная задача, как с научной точки зрения, так и в приборном исполнении. Для большинства таких практических приложений как идентификация паспортов и денежных знаков, распознавание номерных знаков, анализ технического состояния работающей сложной механической системы и др. – возникает необходимость принимать правильное решение.

В большинстве случаев  принимается решение путем обработки  большого количества признаков распознавания в реальном масштабе времени. Это потребовало применить цифровые методы обработки изображений с использованием ЭВМ. Теория и методы распознавания образов базируются на применении искусственного интеллекта. Особое место в этом направлении занимают искусственные нейронные сети, создаваемые на изображениях. В качестве основных числовых характеристик исследуемых изображений в работах предложено использовать следующие характеристики одномерного случайного процесса в нейронной сети: математическое ожидание, среднеквадратическое отклонение (дисперсия), коэффициенты асимметрии и эксцесса, энтропию, значение минимального и максимального элементов анализируемого поля и размах (диапазон уровней).

Рисунок 1. Общая схема  получения изображения и блок-схема  сигнала

Для получения изображения  используется панорамный сканер или  цифровая фотокамера. Схема получения изображения и структура цифровой обработки сигналов приведена на рис. 1. На предметный столик 1 помещается исследуемое изображение. Освещение осуществляется набором светодиодов 3 или площадным источником 4. Блок 2 служит для управления цветом и интенсивностью облучения. Цветная фотокамера или цветной панорамный сканер формируют исследуемое изображение, которое вводится в системный блок ЭВМ 6. Блок 7 содержит программу, которая осуществляет считывание информации по определенным траекториям искусственной нейронной сети. В блоке 8 производится измерение цвета и в виде кодового сигнала поступает на вход спектроанализатора 9. Если производится измерение контраста, получаемого в проходящем или в отраженном свете, то на вход спектроанализатора поступает сигнал непосредственно с системного блока. Значение относительного контраста через 0,05 с вводилось в блок 10. Полагая сигнал случайным, в блоке 10 вычислялись коэффициенты корреляции, по значениям которых в блоке 11 принимается решение относительно заданного порога. Полученная информация запоминается в блоке 15 и используется в дальнейшем при принятии окончательного решения. На выходе спектроанализатора 9 выводится спектр амплитудных модуляций, который в блоке 12 используется для формирования Фурье-портрета сигналов со всех четырех траекторий эталона и исследуемого изображения. В блоке 13 проводится корреляционный анализ полученного спектра амплитудных модуляций. Блок 14 служит для вычисления авто- и взаимнокорреляционных функций и производит их предварительный анализ. Окончательное решение путем сравнения с эталоном принимается в блоке 15 и выдается на информационное табло или на управление в случае анализа работы сложной механической системы. [9]

В настоящее время биометрические (использующие физические и поведенческие  характеристики человека) технологии идентификации личности и системы  на их основе получили широкое распространение  в различных областях: от допуска в помещения до электронной коммерции и государственных систем различного назначения.

Обыкновенные методы определения  личности, например такие как, карты-идентификаторы, ключи или уникальные личные данные, не обеспечивают надежность, которая  необходима в нынешнее время. И поэтому  логично применить биометрические технологии в системах безопасности.

Технологии  для идентификации личности по биометрическим особенностям начали разрабатывать еще в 60-х годах. Теоретических успехов в разработке этих технологий добились наши соотечественники, а вот практические плоды получили на западе и относительно недавно. Благодаря современной мощности компьютеров и улучшенным алгоритмам, производители выпускают продукцию с высокими технологическими показателями, которая доступна и интересна широкому кругу потребителей.

Сама по себе идея применения индивидуальных данных человека для  идентификации далеко не нова. В  современной практике известны некоторые  технологии, которые возможно применить  в идентификации человека, например по:

• оттиску пальцев или руки;
• индивидуальным чертам лица (в основе лежит инфракрасное или оптическое изображение);
• радужке глаз;
• голосовым данным;
• прочим характеристикам.

Абсолютно все современные  биометрические технологии имеют одинаковые подходы к решению вопросов определения  личности и каждый из этих методов  по-своему удобен в использовании. Принцип  действия биометрических технологий заключается  в следующем:

• считывание антропометрических данных (сканирование);
• изъятие персональных данных;
• создание определенного шаблона;
• сопоставление шаблона с базой данных.

Подобные биометрические системы позволяют установить соответствие определенных антропометрических или  иных характеристик человека по сформированному шаблону.