Устройство для обучения операторов распознаванию структур

 

Изобретение относится к области эргономики, в частности к устройствам обучения и тренажа операторов человеко-машинных систем, и может быть использовано как часть тренажерной техники. Сущность: устройство содержит блок 1 задания программы обучения, блок 2 задания параметров структуры, блок 3 формирования изображения структуры, блок 4 предъявления изображения структуры, блок 5 фиксации времени реакции, блок 6 ввода параметров структуры, блок 7 идентификации структур и выявления ошибок, блок 8 оценки обучаемого, блок 9 вычисления пространственного спектра изображения, блок 10 формирования характеристик углового и радиального пространственных спектров, блоки предъявления характеристик углового 11 и радиального 12 пространственных спектров, блок 13 ввода параметров пространственных спектров. Технический результат: повышение достоверности распознавания структур с дальними корреляционными связями путем предъявления оператору дополнительной информации. 5 ил.

Устройство для обучения операторов распознаванию структур относится к области эргономики, в частности к устройствам обучения и тренажа операторов человеко-машинных систем, и может быть использовано как часть тренажерной техники.

Известно устройство для обучения операторов, содержащее систему поиска целей, устройство отображения и рабочее место оператора.

Данное устройство позволяет обучать операторов распознаванию целей по их изображениям на устройствах отображения в условиях помех. Однако данное устройство не позволяет обучать операторов распознаванию целей на фоне маскирующей подстилающей поверхности и при зашумленности изображения на устройствах отображения.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является устройство для обучения операторов распознаванию структур (а.с. №602983), содержащее блок управления, выходы которого подключены к входам блока предъявления информации и блока ввода признаков, а входы - к выходам блока задания программы обучения, блока памяти эталонных изображений объектов, блок фиксации времени реакции, подключенный своими входами к выходу блока предъявления информации и к одному из выходов блока ввода признаков, а выходом - к входу блока оценки обучаемого, блока идентификации объектов, подключенного своими входами к выходу блока тестовых изображений объектов и через блок формирования описаний объектов к одному из выходов блока ввода признаков, а выходами - к одному из входов блока выявления ошибочных признаков, другой вход которого подключен к выходу блока памяти эталонных изображений, а выходы - к одному из входов блока задания программы обучения и к одному из входов блока оценки обучаемого.

Данное устройство позволяет обучать операторов распознаванию структур по их плоским изображениям с помощью набора тестовых изображений. Для этого на экран проецируются сначала изображения характерных признаков цели, взятые из блока тестовых изображений, затем проецируется полное изображение цели. Оператор, наблюдая изображение цели, выделяет характерные признаки и вводит их в блок ввода признаков путем нажатия соответствующих этим признакам клавиши, откуда они через блок формирования описания объекта поступают в блок идентификации целей. В блоке идентификации целей описание объекта, сформированное оператором, сравнивается с описанием, взятым из блока тестовых изображений. Результаты сравнения поступают в блок оценки оператора, куда также поступает информация из блока фиксации времени реакции оператора. Это устройство позволяет обучать операторов распознаванию целей на фоне маскирующей подстилающей поверхности и при зашумленности изображения на устройствах отображения благодаря использованию в процессе обучения этапа предъявления изображений характерных признаков цели.

Недостатком этого устройства является низкая достоверность распознавания структур с дальними корреляционными связями, так как изображение в данном устройстве классифицируется непосредственно по исходному изображению или его частям. Анализ, например, точечной структуры по изображению этой структуры неизбежно приведет к ошибочной классификации данной структуры (см. журн. "Автометрия". 1985 г., №4, стр.94-96).

Целью изобретения является повышение достоверности распознавания оператором структур. Поставленная цель достигается тем, что в устройство для обучения операторов распознаванию структур, содержащее последовательно соединенные блок задания программы обучения, блок задания параметров структуры, блок формирования изображения структуры и блок предъявления изображения структуры, выход которого подключен к одному из входов блока фиксации времени реакции и входу блока ввода параметров структуры, подключенному выходами к другому входу блока фиксации времени реакции и к одному из входов блока идентификации структур и выявления ошибок, другой вход которого подключен к выходу блока задания параметров структуры, а выходы подключены к входу блока задания программы обучения и к одному из входов блока оценки обучаемого, другой вход которого подключен к выходу блока фиксации времени реакции, введены дополнительно блок вычисления пространственного спектра изображения, подключенный входом к выходу блока формирования изображения структуры, а выходом - к одному из входов блока формирования характеристик углового и радиального пространственных спектров, соответствующие выходы которого подключены к входам блоков предъявления характеристик углового и радиального пространственных спектров, а другой вход подключен к выходу блока ввода параметров углового и радиального пространственных спектров, вход которого подключен к выходу блока предъявления изображения структур.

Сущность предлагаемого технического решения заключается в том, что для повышения достоверности распознавания оператором структур, ему кроме изображения этой структуры дополнительно предъявляется ее радиальный и угловой пространственные спектры, вычисленные в блоке вычисления пространственного спектра изображения структуры и сформированные блоком формирования характеристик углового и радиального пространственных спектров. С помощью блока ввода параметров углового и радиального пространственных спектров оператор задает диапазон формирования углового и радиального пространственных спектров.

Существенные отличия предлагаемого устройства обучения операторов распознаванию структур заключаются во введении следующих дополнительных устройств: блока вычисления пространственного спектра изображения, блока формирования характеристик углового и радиального пространственных спектров, блока ввода параметров углового и радиального пространственных спектров, блока предъявления характеристик углового и радиального пространственных спектров, которые используются для повышения достоверности распознавания структур оператором путем учета возможностей зрительного анализатора при формировании предъявляемых изображений, а не для определения скорости потока частиц (журн. "Автометрия". 1985 г., №2, стр.78-83) и анализа формы клеток крови (журн. "Автометрия". 1982 г., №1, стр.64-75). Таким образом, предполагаемое техническое решение соответствует критерию "существенные отличия".

На фиг.1 представлена функциональная схема предлагаемого устройства. На фиг.2 - функциональная схема блока задания программы обучения. На фиг.3 приведен алгоритм работы блока задания программы обучения. На фиг.4 представлено изображение точечной структуры.

На фиг.5 представлены пространственный спектр структуры (а), радиальный (б) и угловой (в) пространственные спектры.

Устройство для обучения операторов распознаванию структур (фиг.1) содержит последовательно соединенные блок задания программы обучения 1, блок задания параметров структуры 2, блок формирования изображения структуры 3, блок предъявления изображения структуры 4, выход которого подключен к одному из входов блока фиксации времени реакции 5 и входу блока ввода параметров структуры 6, подключенному выходами к другому входу блока фиксации времени реакции 5 и к одному из входов блока идентификации структур и выявления ошибок 7, другой вход которого подключен к выходу блока задания параметров структуры 2, а выходы подключены соответственно к входу блока задания программы обучения 1 и к одному из входов блока оценки обучаемого 8, другой вход которого подключен к выходу блока фиксации времени реакции 5, блок вычисления пространственного спектра изображения 9, подключенный входом к выходу блока формирования изображения структуры, а выходом - к одному из входов блока формирования характеристик углового и радиального пространственных спектров 10, выходы которого подключены соответственно к входам блоков предъявления характеристик углового 11 и радиального 12 пространственных спектров, а другой вход - к выходу блока ввода параметров углового и радиального пространственных спектров 13, вход которого соединен с выходом блока предъявления изображения структур 4.

Устройство работает следующим образом. В соответствии с программой обучения, заложенной в блок задания программы обучения 1, этот блок выдает команды блоку задания параметров структуры 2, представляющему собой, например, постоянное запоминающее устройство, в адресуемых ячейках которого хранятся числовые значения параметров структуры: количество элементов изображения, их координаты, параметры формы для каждого элемента и т.п. Блок задания параметров структуры выдает параметры структуры изображения, которые поступают на вход блока формирования изображения структуры 3, представляющего собой, например, генератор телевизионного изображения для формирования изображения структуры. Сформированное таким образом изображение подается на вход блока предъявления изображения структуры 4, представляющего собой, например, телевизионное видеоконтрольное устройство, и на вход блока вычисления пространственного спектра изображения 9, представляющего собой, например, когерентно-оптический спектроанализатор (см. Д.Кайсесент. Оптическая обработка информации, М.: Мир, 1980, стр.289-340). Блок вычисления пространственного спектра изображения по изображению структуры вычисляет пространственный спектр изображения, который подается на блок формирования характеристик углового и радиального пространственных спектров 10, представляющего собой, например, мозаичный фотоприемник, установленный в плоскости пространственного спектра блока вычисления пространственного спектра изображения. Блок формирования характеристик углового и радиального пространственных спектров формирует соответствующие характеристики и выдает их на блоки предъявления характеристик углового 11 и радиального 12 пространственных спектров, представляющих собой, например, ЭЛТ с осциллографической разверткой. Блок предъявления изображения структуры 4 выдает соответствующие сигналы на блок фиксации времени реакции оператора 5, представляющего собой рефлексометр для начала отсчета времени реакции оператора, а также на блоки ввода параметров углового и радиального пространственных спектров 13 и ввода параметров структуры 6, представляющих собой клавишные пульты для снятия блокировки, разрешая оператору использовать эти блоки для ввода данных.

Оператор в процессе анализа изображения кроме самого изображения структуры использует характеристики углового и радиального пространственных спектров, предъявляемые ему блоками предъявления характеристик углового 11 и радиального 12 пространственных спектров (фиг.1), и может изменять эти характеристики посредством блока ввода параметров углового и радиального пространственных спектров 13. После распознавания особенностей наблюдаемой структуры оператор сообщает устройству посредством блока ввода параметров структуры 6 параметры распознанной им структуры. Введенные оператором параметры передаются в блок идентификации структуры и выявления ошибок 7, представляющий собой, например, логическое устройство сравнения для сравнения их с эталонными параметрами, получаемыми из блока задания параметров структуры 2. Кроме того, блок ввода параметров структуры 6 выдает на блок фиксации времени реакции 5 сигнал окончания отсчета и фиксации времени реакции оператора. Ошибка опознавания параметров структуры, выявленная в блоке идентификации структур и выявления ошибок 7, и время реакции, измеренное блоком фиксации времени реакции оператора 5, накапливается в блоке оценки обучаемого 8, представляющем собой, например, печатающее устройство, на которое выводятся результаты измерений. Блок идентификации структуры и выявления ошибок 7 также выдает сигнал в блок задания программы обучения 1 для перехода к следующему этапу программы обучения.

Рассмотрим более подробно работу блока задания программы обучения (фиг.2). Он представляет собой, например, программируемое устройство, состоящее из последовательно соединенных запоминающего устройства (14), центрального процессора (15), интерфейса ввода-вывода (17), и работает по алгоритму, представленному на фиг.3.

Центральный процессор (15) под управлением программы, записанной в запоминающее устройство (14) через интерфейс ввода-вывода (16), управляет работой устройства обучения. Данное устройство может быть реализовано на микросхемах серии КР580.

Работа блока задания программы обучения (фиг.3) начинается с начальной установки значений счетчика кадров (N) и начальной сложности изображений предъявляемой структуры (М=М_о ). Затем циклически выполняются следующие операции: в блок задания параметров структуры 2 через интерфейс ввода-вывода (16) выдаются параметры кадра N, при сложности изображения М; из блока идентификации структур и выявления ошибок 7 через интерфейс ввода-вывода (16) принимается информация об ошибках и о переходе к следующему кадру; если нет сигнала о переходе к следующему кадру, то повторяется прием информации из блока идентификации структур и выявления ошибок 7; если сигнал о переходе к следующему кадру поступил, то проверяется, был ли этот кадр последним в программе обучения; если этот кадр был последним, то эксперимент заканчивается; если нет, то анализируется, были ли ошибки в ответах оператора; если они были, то сложность изображения М уменьшается и оно повторяется; если ошибок не было, то осуществляется переход к следующему кадру (N=N+1) и восстанавливается начальная сложность изображения (М=М _о).

Угловой и радиальный спектр предъявляются оператору для ускорения процесса распознавания структур и сокращения времени обучения. На необходимость использования пространственного спектра при анализе и распознавании изображения структуры указывалось в работах: Д.Кейсесент. Оптическая обработка сигналов в книге "Оптическая обработка информации". М.: Мир, 1980 г., стр.284-348; А.О.Бакрунов, И.В.Щукин. Журнал "Автометрия". 1982 г., №2, стр.78-83. Применение радиального и углового пространственных спектров изложено в работах: О.С.Сладков, И.В.Щукин. Журнал "Автометрия". 1982., №1, стр.64-75; А.О.Бакрунов, И.В.Щукин. Журнал "Автометрия". 1984 г., №6, стр.53-57.

Для пояснения необходимости предъявления пространственного спектра оператору в процессе обучения распознаванию структур рассмотрим пример.

На фиг.4 представлено изображение точечной структуры, представляющее собой двухэкспозиционное изображение потока частиц. Подобное изображение получают при фотографической регистрации потока частиц с целью измерения скорости частиц потока. При значительной концентрации частиц установление структуры путем визуального анализа непосредственно изображения весьма сложно. Вызывает затруднение уже простая задача установления факта наличия двухэкспозиционных пар. Целью обучения оператора в данной задаче является получение навыка поиска двухэкспозиционных пар, определение их размера и ориентации. Обучение оператора анализу структуры данного изображения существенно упрощается, если наряду с исходным изображением оператору предъявляются угловой и радиальный пространственные спектры.

На фиг.5а приведен пространственный спектр, на фиг.5б - радиальный, а на фиг.5в - угловой пространственные спектры изображения, приведенного на фиг.4. Используя эти спектры, оператор получает навыки анализа структуры изображений. Так, с помощью пространственного спектра, он получает информацию об общей структуре изображения. С помощью радиального спектра оператор определяет эффекты корреляции в размещении точек изображения. Например, измеряя параметр Р₀ (см. фиг.5б), можно определить размер двухэкспозиционных пар с помощью соотношения

где с - константа, связанная с получением радиального спектра.

Угловой спектр (см. фиг.5в) позволяет определить ориентацию пар. Зная положение максимума углового спектра β₀, ориентация пар определяется соотношением

Угловой и радиальный пространственные спектры предъявляются оператору посредством блоков предъявления характеристик углового 11 и радиального 12 пространственных спектров.

Таким образом, предлагаемое устройство для обучения операторов распознаванию структур обладает преимуществом по сравнению с прототипом: повышает достоверность распознавания структур с дальними корреляционными связями, а также позволяет оператору обучаться не только распознаванию отдельных элементов объектов, но и определять тип подстилающей поверхности, находить и классифицировать объекты на подстилающей поверхности и т.п., т.е. позволяет расширить функциональные возможности. Кроме того, может быть получен экономический эффект за счет сокращения времени анализа изображения структуры. На визуальную обработку одного изображения размером, например, 512×512 элементов потребуется (см. Рубахин В.Ф. Психологические основы обработки первичной информации. - Л.: Наука, 1974. стр.139)

Т=0,03·1=0.03·512·512≈7,5·10³(с)≅2 (ч),

где Т - объем предъявляемой информации.

Формула изобретения

Устройство для обучения операторов распознаванию структур, содержащее последовательно соединенные блок ввода параметров структуры, блок идентификации структуры и выявления ошибок, блок задания программы обучения, блок задания параметров структуры, блок формирования изображения структуры, блок предъявления изображения структуры, блок фиксации времени реакции и блок оценки обучаемого, второй вход которого соединен со вторым выходом блока идентификации структуры и выявления ошибок, второй вход которого соединен со вторым выходом блока задания параметров структуры, а второй вход блока фиксации времени реакции соединен со вторым выходом блока ввода параметров структуры, отличающееся тем, что, с целью повышения достоверности распознавания структур с дальними корреляционными связями путей предъявления оператору дополнительной информации, в него введены последовательно соединенные блок вычисления пространственного спектра изображения, блок формирования характеристик углового и радиального пространственных спектров и блок предъявления характеристик углового пространственного спектра, а также блок предъявления характеристик радиального пространственного спектра, блок ввода параметров углового и радиального пространственного спектров, соответствующие вход и выход которых соединены со вторым выходом и вторым входом блока формирования характеристик углового и радиального пространственных спектров, причем вход блока ввода параметров углового и радиального пространственных спектров соединен с выходом блока предъявления изображения структуры, а вход блока вычисления пространственного спектра изображения соединен со вторым выходом блока формирования изображения структуры.

РИСУНКИ