Способ распознавания и идентификации узоров и орнаментов и интеллектуально-информационная система для его реализации

СПОСОБ РАСПОЗНАВАНИЯ И ИДЕНТИФИКАЦИИ УЗОРОВ И ОРНАМЕНТОВ И ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНО-ИНФОРМАЦИОННАЯ СИСТЕМА ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ Изобретение относится к информационным технологиям и касается систем распознавания и идентификации узоров и орнаментов художественно-прикладного искусства и, в частности,ковровых изделий ручной работы. Сущность изобретения состоит в определении информативных параметров для сравнения с эталонными, в виде графиков плотностей распределения пикселей колора, определение наличия и вида симметрии и расчета центра тяжести изделия. Декомпозицию графических изображений узоров и орнаментов до элементарных составляющих осуществляют по контурам, образующимся на границах пикселей различных цветов, при этом в зависимости от пикселей цвета в узоре или орнаменте цветное изображение переходит в черно-белое таким образом, что если поля черные, то контуры - белые и наоборот. Декомпозицию в соответствии с разработанными алгоритмами осуществляют последовательно: от сложного изображения до простых фигур, а затем по цветовым составляющим и по основным узорам. Заявляемый способ распознавания и идентификации узоров и орнаментов художественно-прикладных изделий является интеллектуально-информационной экспертной системой и позволяет не только иметь реестр ценных художественно-прикладных изделий, в частности ковров ручной работы, но и производить идентификацию и распознавание их и восстанавливать изделия по сохранившимся фрагментам, а также формировать новые узоры, орнаменты и ковры.EP-A2-2154631 ОГЛЫ; АБДУЛЛАЕВА ГЮЛЬЧИН ГЮЛЬГУСЕЙН КЫЗЫ; КЯЗИМЗАДЕ АЙДЫН КЯЗИМ ОГЛЫ; КУРБАНОВА НАЗАКЕТ ГАДЖИ КЫЗЫ (AZ) Изобретение относится к информационным технологиям и касается систем распознавания и идентификации узоров и орнаментов художественно-прикладного искусства и, в частности, ковровых изделий ручной работы. Автоматизация распознавания и идентификации графических образов во всех областях жизнедеятельности человека и, в частности, в художественно-прикладном искусстве является одной из актуальных проблем современных информационных технологий. Известен способ (1) распознавания образов, представляющий собой сложный программный комплекс. Он включает обработку изображения, по меньшей мере, участка изображения (сегментация), определение параметров (признаков) идентификации, представление (нормализация) параметров в виде модифицированных данных изображения и распознавание, включающее получение оценки функции рассеяния на основе обнаружения начальной и конечной точки и сравнение выделенных признаков с эталонными по оценкам функции рассеяния точки. Однако способ предназначен только для распознавания черно-белого штрихового кода. Наиболее близким по технической сущности является известный способ (2) распознавания изображений объектов, представляющий собой программный продукт, включающий создание эталонной базы,сканирование и дискретизацию (декомпозицию) изображения с целью выделения объекта на изображении, определение информативных параметров объекта. Выделенное изображение представляется в виде массива пикселей - плотности распределения пикселей, для сравнения с эталонными массивами. Размерность массива зависит от дискретизации изображения. Оценка функции рассеивания при создании массива ориентирована на распознавание только градаций серого. Способ позволяет достаточно точно распознавать изображения и обеспечивает инвариантность к аффинным преобразованиям поворота и масштабирования. К недостаткам данного изобретения относится то, что продукт не предназначен для распознавания изображений в цветовой гамме, что является одним из важнейших параметров характеристик для узоров и орнаментов в художественно-прикладном искусстве. Задача изобретения состоит в создании способа, позволяющего автоматизировать процесс распознавания и идентификации цветных узоров и орнаментов изделий художественно-прикладного искусства, в частности ковров ручной работы. Сущность изобретения состоит в способе распознавания и идентификации узоров и орнаментов. Способ включает сканирование, масштабирование и декомпозицию изображения, определение информативных параметров выделенного изображения и представление этих параметров в виде графиков плотностей распределения пикселей колора и дополнительно для идентификации узора или орнамента в целом определение наличия и вида симметрии и расчета центра тяжести изделия. Декомпозицию графических изображений узоров и орнаментов до элементарных составляющих осуществляют по контурам, образующимся на границах пикселей различных цветов; при этом в зависимости от пикселей цвета в узоре или орнаменте цветное изображение переходит в черно-белое таким образом, что если поля черные, то контуры - белые и наоборот. Декомпозицию в соответствии с разработанными алгоритмами осуществляют последовательно: от сложного изображения до простых фигур, а затем по цветовым составляющим и по основным узорам. Сущность изобретения также состоит в создании интеллектуально-информационной системы, реализующей этот способ. Интеллектуально-информационная система (экспертная) состоит из трех модульных блоков: модуля паспортизации изделий художественно-прикладного искусства; модуля распознавания и идентификации, модуля банка данных и трех самостоятельных блоков: блок оценки наличия "Золотого Сечения", рядов Фибоначчи и "зрительных центров"; блок компьютерного формирования узоров,орнаментов и изделий художественно-прикладного искусства (реставрации и восстановления); блок формирования учебных и агитационных материалов. Модуль паспортизации изделий художественноприкладного искусства содержит блок технических и технологических характеристик; блок изображений и блок экспертных знаний. Модуль распознавания и идентификации содержит блок распознаваемых узоров и орнаментов, блоки выбора узора, декомпозиции, информационных признаков, решатель и блок распознавания и идентификации. Модуль банка данных содержит каталог изделий художественноприкладного искусства и каталог отдельных узоров и орнаментов; при этом выход модуля паспортизации связан с входом модулей распознавания и идентификации и банка данных, а выход модуля распознавания и идентификации связан с входом модуля банка данных и блоком оценки наличия "Золотого Сечения", рядов Фибоначчи и "зрительных центров", выход которого связан со входом модуля банка данных. Выходы модуля банка данных связаны с входами блока компьютерного формирования узоров, орнаментов и изделий художественно-прикладного искусства (реставрации и восстановления) и блока формирования учебных и агитационных материалов. Вход в систему осуществляется через модуль паспортизации, а выход пользователю - из модуля банка данных, блока компьютерного формирования узоров, орнаментов и изделий художественно-прикладного искусства (реставрации и восстановления) и блока формирования учебных и агитационных материалов. Сравнительный анализ заявляемого решения и прототипа показал, что заявляемое решение отличается от прототипа следующими существенными признаками: объектом изобретения, алгоритмами декомпозиции графических изображений и информативными параметрами для сравнения выделенных объ-1 022480 ектов с эталонными, в качестве которых используют графики плотностей распределения пикселей колора контуров, образующихся на границах пикселей различных цветов. Другими отличительными новыми признаками для идентификации изделия являются определение наличия и вида симметрии и расчета центра тяжести изделия в целом и/или выделенных узоров и орнаментов. Кроме того, существенным признаком является разработанная интеллектуально-информационная система, реализующая заявляемый способ. Следовательно, заявляемое изобретение соответствует критерию "новизна". Сопоставительный анализ с другими известными решениями в этой области показал, что не было найдено в качестве объектов автоматического распознавания и идентификации предметов художественно-прикладного искусства или других объектов распознавания, содержащих большую цветовую гамму, а также соответствующих интеллектуально-информационных систем, реализующих подобный способ распознавания и идентификации. В заявляемом изобретении метод декомпозиции - алгоритм разложения сложного узора или орнамента осуществляют по пикселям колора. При этом цветное изображение переходит в черно-белое в зависимости от пикселя цвета в рисунке узора или орнамента. Это позволяет произвести декомпозицию любого фрагмента в виде достаточно простых функционалов. На плоскости в декартовых координатах для простой фигуры одного цвета (фиг. 1 а) это есть разомкнутый контур, а для двуцветных (фиг. 2 а) - замкнутый контур (фиг. 2 б), либо поле (фиг. 2 в). Тогда рисунок узора или орнамента можно представить сложной функцией контуров и цвета, а весь рисунок изображения - графиком распределения плотностей пикселей колора в виде где gk(xi,yj) - контуры отдельных изображений; fp(xi,yj) - плоскости изображений одинаковых цветов без разрывов - внутренние поля; Ak - количество одинаковых контуров; Bp - количество одинаковых плоскостей; p - пиксели колора, k=1, 2,n, p=1, 2,m. При Ak=1; Bp=0 получают изображение простого контура (фиг. 1a) и графики плотностей распределения пикселей по осям ОХ (фиг. 1 б) и ОУ (фиг. 1 в). При Ak=1; Bp=1 получают изображение узора (фиг. 2 а), его разложение на контур узора (фиг. 2 б) и внутреннее поле узора (фиг. 2 в) и графики плотностей распределения пикселей по осям ОХ и ОУ для контуров узора и его внутреннего поля (фиг. 2 б 1, б 2, в 1,в 2 соответственно). Численные значения Ak и Bp зависят от сложности орнамента. Чем сложнее узор, тем количество контуров g и внутренних полей f увеличивается. Для сложного узора, изображенного на фиг. 3, размером NМ, функция разложения на контуры и внутренние поля может быть представлена в следующем виде: Этим алгоритмом сложный орнамент можно представить в виде последовательности простых фигур, что приводит задачу распознавания сложного узора к распознаванию простых фигур в черно-белом исполнении для хранения в эталонной базе данных и сопоставлении при идентификации. Для f и g соответственно строятся графики плотности распределения. При этом каждый узор будет представлен своим изображением, функцией плотности распределения контурного и срединного поля. При идентификации узора или орнамента в целом в качестве информативных параметров для сравнения с эталонными производят масштабирование, определяют известным методом вид симметрии (3) для и рассчитывают центр тяжести объекта известным (4) методом. Таким образом, разработанная интеллектуальноинформационная система распознавания и идентификации и новые признаки заявляемого изобретения,создают новую совокупность признаков, которая позволяет решить поставленную задачу, что соответствует критерию "технический уровень" и, следовательно, заявляемое решение может быть признано изобретением. Реализация заявляемого способа проиллюстрирована на фиг. 1-7. На фиг. 1 а представлен простой узор "Утка", б, в - графики плотности распределения пикселей этого узора в виде одноцветного разомкнутого контура по ОХ и ОУ соответственно. На фиг. 2 - узор "Листочек", а - поле и контур узора, б, в результат декомпозиции на контур узора и поле узора соответственно; б 1, б 2, в 1, в 2 - графики плотности распределения пикселей узора по ОХ и ОУ для контура узора и его поля соответственно. На фиг. 3 представлен сложный узор "Кердекбаши", на котором выделены пиксели цветов (а, б, в, г, д) и изображены графики плотности распределения этих цветов (а 1, б 1, в 1, г 1, д 1) по оси ОХ, а на (а 2, б 2, в 2, г 2, д 2) по оси ОУ. На фиг. 4 пример поэтапной декомпозиции сложного узора. На фиг. 5 а представлено изображение ковра "Мехрабы", (5 б-5 д) - основные цветовые составляющие данного ковра. На фиг. 6 а - изображе-2 022480 ние ковра "Гарабаглар", 6 б - бордюрные полосы данного ковра, 6 в, г, д - крупные узоры срединного поля ковра. На фиг. 7 представлена схема функционирования интеллектуально-информационной системы распознавания и идентификации узоров и орнаментов. Схема содержит: I - модуль паспортизации изделий художественно-прикладного искусства; II - модуль распознавания и идентификации; III - модуль банка данных; 1 - блок технических и технологических характеристик; 2 - блок изображений, 3 - блок экспертных данных; 4, 5 - блоки распознаваемых узоров и орнаментов; 6 - блок выбора узора; 7 - блок декомпозиции; 8 - блок информативных признаков; 9 - блок решатель; 10 - блок распознавания и идентификации; 11 - блок каталога изделий художественно-прикладного искусства; 12 - блок каталога отдельных узоров и орнаментов; 13 - блок оценки наличия "Золотого Сечения", рядов Фибоначчи и "зрительных центров"; 14 - блок компьютерного формирования узоров, орнаментов и изделий художественно-прикладного искусства (реставрации и восстановления); 15 - блок формирования учебных и агитационных материалов. Способ осуществляют следующим образом. На вход интеллектуально-информационной системы в модуль паспортизации (I) представляют изделие художественно-прикладного искусства. В блок 1 вводят технические и технологические характеристики изделия - геометрические параметры, материал и метод, использованный для изготовления изделия. В блок 2 вводят сканированное изображение изделия. В блоке 3 систематизированы экспертные данные о месте происхождения отсканированного изделия и его характерных особенностях. Из модуля(I) в модуль распознавания и идентификации (II) поступает отсканированное изображение изделия, где его виртуально разделяют на структурно-составляющие фрагменты (срединное поле, бордюры, орнаменты и, по необходимости, на основные геометрические рисунки). В блоке 4 собраны срединные узоры, а в блоке 5 - бордюрные полосы. В блоке 6 последовательно производят выбор одного из рисунков изделия для декомпозиции его узора по цветам. В блоке 7 осуществляют декомпозицию узора до простых одноцветных составляющих. В блоке 8 определяют информативно-значимые признаки узора по наличию и виду симметрии, центру тяжести фигуры и по плотности распределения одноцветных составляющих. В блоке 9 решатель, используя полученные в блоке 8 информативные параметры узоров, классифицируют узоры по классам, сформированным экспертами для каждого вида, или группы видов, изделий. В блоке 10 для распознавания производят соответствующее масштабирование, вращение, параллельный перенос,а для идентификации применяют известные (5) методы искусственного интеллекта, и математической статистики, математическая теория выбора и принятия решения. В блоке 11 по известной методике (6) определяют соответствие узоров и орнаментов правилам Золотого сечения, "зрительных центров" и связанными с ними рядами Фибоначчи. В модуль банка данных (III) поступает вся информация об изделии,полученная в результате его исследования заявляемой системой. Блок 12 является каталогом изделий художественно-прикладного искусства определенного вида, а блок 13 - каталогом отдельных узоров и орнаментов, включая информативно-значимые параметры для экспертизы. Блок 14 предназначен для компьютерного формирования узоров, орнаментов, бордюров, реставрации изображения узора по сохранившемуся фрагменту и для расчета расхода нитей по пикселям цвета. Блок 15 предназначен для формирования мультимедийных материалов, содержащих информацию об истории изделий художественноприкладного искусства. Пример конкретного выполнения способа на базе экспертизы ковров ручной работы Азербайджана. На вход интеллектуально-информационной системы в модуль паспортизации (I) представлен ковер"Мехрабы" (фиг. 5 а) или ковер "Гарабаглар" (фиг. 6 а). В блок 1 вводят технические и технологические характеристики этих ковров - геометрическая форма, размер, количество петель на квадратный дециметр, плотность узлов, высота ворса. В блок 2 вводят отсканированное изображение ковра. В блоке 3 систематизированы экспертные данные отсканированного ковра, включающие сведения о ковроткаческой школе, о подразделах узоров и орнаментов по школам, времени изготовления, основе, типе нитей,формы вязки узлов, распределения узоров по школам. Из модуля (I) в модуль распознавания и идентификации (II) поступает отсканированное изображение ковра (фиг. 6 а), где его виртуально разделяют на структурно-составляющие фрагменты (фиг. 6 б-6 д) - срединное поле, срединные узоры, бордюры. В блоке 4 собраны срединные узоры и срединное поле (фиг. 6 в-д), а в блоке 5 - бордюрные полосы (фиг. 6 б). В блоке 6 последовательно производят выбор одного из рисунков изделия для декомпозиции его узора по цветам. В блоке 7 осуществляет декомпозицию узора в соответствии с заявляемым способом до простых одноцветных составляющих. Декомпозицию узоров по цветам осуществляют поэтапно. Сначала отделяют внешний узор по границе различных цветов. Затем переходят к внутреннему узору и т.д., пока узор не будет разбит на все составляющие (фиг. 4 а-г). Процесс декомпозиции продолжается до достижения конечного цельного одноцветного контура (фиг. 1 а или фиг. 2 а-в). В блоке 8 определяют информативнозначимые признаки: наличие и вид симметрии - различают зеркальную, поворотную и винтовую симметрии, вычисляют центр тяжести фигуры и график плотности распределения пикселей цвета по осям ординат. В блоке 9 решатель, используя полученные в блоке 8 информативные параметры узоров, классифицируют их по тематике и форме рисунка (для данного примера всего по 32 классам (7. В блоке 10 для процесса распознавания производят соответствующее масштабирование, вращение, параллельный перенос, а для идентификации применяют известные (5) методы искусственного интеллекта, и математиче-3 022480 ской статистики, математическая теория выбора и принятия решения. В блоке 11 по известной методике(6) определяют соответствие узоров и орнаментов правилам Золотого сечения, "зрительных центров" и связанными с ними рядами Фибоначчи. В модуль банка данных (III) поступает вся информация об изделии, полученная в результате его исследования заявляемой системой. Блок 12 является каталогом азербайджанских ковров ручной работы, а блок 13 является каталогом ковровых узоров и орнаментов, включая информативно-значимые параметры для экспертизы. Блок 14 предназначен для компьютерного формирования узоров, орнаментов, бордюров, реставрации изображения узора по сохранившемуся фрагменту и расчета расхода нитей по пикселям цвета. Блок 15 предназначен для формирования мультимедийных материалов, содержащих информацию об истории азербайджанских ковров. Заявляемый способ распознавания и идентификации узоров и орнаментов художественноприкладных изделий является интеллектуально-информационной экспертной системой и позволяет не только иметь реестр ценных художественно-прикладных изделий, в частности ковров ручной работы, но и производить идентификацию и распознавание их и восстанавливать изделия по сохранившимся фрагментам, а также формировать новые узоры, орнаменты и ковры. Литература. 1. Заявка на ПРФ 2007143131 "Обработка изображений для распознавания образов", МПКG06K9/00, 24.05.2005. 2. ПРФ 2361273, МПК G06K9/62 "Способ и устройство для распознавания изображений объектов", 12.03.07 (прототип). 3. Кочегаров Б.Е., Промышленный дизайн. - Владивосток: ДВГТУ, 2006, 153 с. 4. Фихтенгольц Г.М. Курс дифференциального и интегрального исчисления, т. 3. - М.: Физматлит,2005, 728 с. 5. Хант Э. Искусственный интеллект. - М.: Мир, 1978, 558 с. 6. Стахов А., Слученкова А., Щербаков И. Код да Винчи и ряды Фибоначчи. - Изд-во: Питер, 2006,320 с. 7. Керимов Лятиф. Азербайджанский ковер. - Баку-Лен-град: Изд. АН Аз. ССР, 1961, 210 с. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Способ распознавания и идентификации узоров и орнаментов, включающий сканирование изображения, масштабирование и его декомпозицию, определение информативных параметров выделенного изображения для сравнения с эталонными и представление этих параметров в виде плотности распределения пикселей, отличающийся тем, что информативными параметрами выделенного изображения являются графики распределения плотностей пикселей колора, а для идентификации узора или орнамента в целом дополнительно используют наличие и вид симметрии и центр тяжести узора или орнамента; декомпозицию графических изображений узоров и орнаментов осуществляют последовательно от сложного до элементарных составляющих по контурам, образующимся на границах пикселей различных цветов; при этом в независимости от пикселей цвета в узоре или орнаменте цветное изображение переходит в черно-белое таким образом, что если поля черные, то контуры - белые и наоборот. 2. Интеллектуально-информационная система для реализации способа по п.1 состоит из трех модульных блоков: модуля паспортизации изделий художественно-прикладного искусства, модуля распознавания и идентификации, модуля базы данных и трех самостоятельных блоков: блок оценки наличия"Золотого Сечения", рядов Фибоначчи и "зрительных центров", блок компьютерного формирования узоров, орнаментов и изделий художественно-прикладного искусства (реставрации и восстановления), блок формирования учебных и агитационных материалов, при этом вход в систему осуществляют через модуль паспортизации, а выход пользователю - из модуля базы данных, блока компьютерного формирования узоров, орнаментов и изделий художественно-прикладного искусства (реставрации и восстановления) и блока формирования учебных и агитационных материалов. 3. Интеллектуально-информационная система по п.2, в которой модуль паспортизации изделий художественно-прикладного искусства содержит блок технических и технологических характеристик, блок изображений и блок экспертных знаний, при этом выход модуля паспортизации связан с входом модулей распознавания и идентификации и базы данных. 4. Интеллектуально-информационная система по п.2, в которой модуль распознавания и идентификации содержит блок распознаваемых узоров и орнаментов, блоки выбора узора, декомпозиции, информационных признаков, решатель и блок распознавания и идентификации, при этом выход модуля распознавания и идентификации связан с входом модуля базы данных и блоком оценки наличия "Золотого Сечения", рядов Фибоначчи и "зрительных центров", выход которого связан со входом модуля базы данных. 5. Интеллектуально-информационная система по п.2, в которой модуль базы данных содержит каталог изделий художественно-прикладного искусства и каталог отдельных узоров и орнаментов, а выходы модуля базы данных связаны с входами блока компьютерного формирования узоров, орнаментов и изделий художественно-прикладного искусства (реставрации и восстановления) и блока формирования