مقاله تشخیص پیکسل های آتش در تصاویر دیجیتال براساس الگوریتم رقابت استعماری

بخشی از مقاله

چکیده

 تشخیص خودکار آتش در تصاویر دیجیتال در سالهای اخیر به یک مسئله بسیار پرطرفدار تبدیل شده است. مهمترین مسئله در این زمینه نیاز به الگوریتمهای با سرعت و دقت بالا است. در این مقاله ما با استفاده از روشهای پردازش تصویر یک شیوه جدید ارائه میدهیم. روش پیشنهادی ما براساس ایجاد یک فضای رنگی جدید براساس شعلههای آتش و براساس یک تبدیل خطی با یک ماتریس تبدیل است. ما نشان میدهیم که چگونه استفاده از ماتریس تبدیل باعث تفکیکپذیری در فضای رنگی جدید میشود بهطوریکه باعث برجسته شدن شعلههای آتش و کمرنگ شدن نواحی غیر آتش میگردد. الگوریتم رقابت استعماری و تعدادی پیکسل مشخصکننده مناطق آتش و غیر آتش برای تولید ماتریس تبدیل استفاده میشوند و یک الگوریتم خوشهبندی نیز برای یک معیار برازندگی ماتریس تولیدشده استفاده میشود. آزمایشات آنجام شده، نشان از کارایی مناسب روش پیشنهادی دارند.

کلمات کلیدی: تشخیص آتش، پردازش تصویر، رقابت استعماری

.1 مقدمه

تشخیص و شناسایی آتش، یکی از مقولههای مهم در دنیای امروز محسوب میشود چراکه باعث جنگلزدایی و بیابانزایی، آلودگی هوا، زیان-های اقتصادی و به خطر افتادن زندگی جانوران و حتی انسانها میشود. تحقیقات انجامشده در زمینه تشخیص آتش بهصورت هوشمند از دیرباز اهمیت ویژهای داشته، زیرا گستردگی و تأثیر تشخیص آتش و حریق در ساختمانهای مسکونی، اماکن تجاری، محیطهایصنعتی و فضای باز کاملاً آشکار است. اما زمینه تشخیص هوشمند آتش و حریق محدود به این مکان نیست؛ کشف حریق بدون دخالت عامل انسانی در جنگلها، پارکها و زمینهای زراعی بسیار ضروری به نظر میرسد.

در Chen, Wu [1] در فضای رنگی RGB و با استفاده از قوانینی سعی دریافتن پیکسلهای آتش دارند. برخلاف که از روش براساس قوانینی استفاده میکند، Toreyin, Dedeoglu [2] از یک تابع گاوسی ترکیبی استفاده میکند که از یک مجموعه یادگیری بهدستآمده است. Xu and He [3] با بهکارگیری شبکههای عصبی فازی در ساختمانهای مسکونی، سامانهای جهت تشخیص آتش معرفی کردند. در زمینهی تشخیص آتش بهوسیله ابداع قوانینی در فضاهای رنگی مختلف، کارهای مختلفی انجامشده است. [4 , 5 , 6] با استفاده از مدل رنگ RGB به شناسایی آتش میپردازند. [7] از فضای رنگ YUV استفاده کرده است. [8] از فضای رنگ HSI استفاده کرده است. [9, 10] از مدلهای رنگی ترکیبی استفاده کردهاند.

این مقاله یک فضای جدید رنگی را برای یافتن آتش پیشنهاد میکند. ایده اصلی یافتن یک ماتریس تبدیل برای ایجاد یک فضای رنگی جدید براساس مناطق آتش با استفاده از رنگ تصویر است. این ایده براساس ایده ساده ریاضی، هم در زمینه یافتن ویژگیهای تصویر و هم تبدیل خطی است. اجزای پیکسلهای تصویر به شیوه مستقیم بدون هیچگونه بررسی استخراج میگردد و همچنین یک ماتریس تبدیل خطی برای ساختن یک فضای رنگی جدید ایجاد میشود. الگوریتم توانمند رقابت استعماری برای به دست آوردن ماتریس تبدیل استفاده میشود. ویژگی این ماتریس این است که میتوان به سایر تصاویر نیز تعمیم داد.ادامه مقاله به این صورت است که: در قسمت 2 به توضیح مختصری درباره تکنیکهای استفادهشده در این مقاله میپردازیم .در قسمت 3 به ارائه الگوریتم جدید میپردازیم و در بخش 4 نتایج آزمایشها را نشان خواهیم داد.

.2 پیشزمینه تحقیق

روش ارائه شده از الگوریتم رقابت استعماری و روش یافتن آستانه اوتسو [11] استفاده میکند. در قسمت بعد بهطور خلاصه این مباحث را توضیح میدهیم.

.1-2 الگوریتم رقابت استعماری

روشی در حوزه محاسبات تکاملی است که به یافتن پاسخ بهینه مسائل مختلف بهینه سازی میپردازد. این الگوریتم با مدلسازی ریاضی فرایند تکامل اجتماعی-سیاسی، الگوریتمی برای حل مسائل ریاضی بهینهسازی ارائه میدهد. همانند دیگر الگوریتمهای تکاملی، این الگوریتم، نیز با تعدادی جمعیت اولیه تصادفی که هرکدام از آنها یک "کشور" نامیده میشوند، شروع میشود. تعدادی از بهترین عناصر جمعیت بهعنوان امپریالیست انتخاب میشوند. باقیمانده جمعیت نیز بهعنوان مستعمره، در نظر گرفته میشوند. استعمارگران بسته به قدرتشان، این مستعمرات را با یکروند به سمت خود میکشند.

قدرت کل هر امپراتوری، به هر دو بخش تشکیلدهنده آن یعنی کشور امپریالیست - بهعنوان هسته مرکزی - و مستعمرات آن، بستگی دارد. در حالت ریاضی، این وابستگی با تعریف قدرت امپراتوری بهصورت مجموع قدرت کشور امپریالیست، بهاضافه درصدی از میانگین قدرت مستعمرات آن، مدل شده است. با شکلگیری امپراتوریهای اولیه، رقابت امپریالیستی میان آنها شروع میشود. هر امپراتوریای که نتواند در رقابت استعماری، موفق عمل کرده و بر قدرت خود بیفزاید - و یا حداقل از کاهش نفوذش جلوگیری کند - ، از صحنه رقابت استعماری حذف خواهد شد. بنابراین بقای یک امپراتوری، وابسته به قدرت آن در جذب مستعمرات امپراتوریهای رقیب و به سیطره درآوردن آنها خواهد بود.

درنتیجه، در جریان رقابتهای امپریالیستی، بهتدریج بر قدرت امپراتوریهای بزرگتر افزودهشده و امپراتوریهای ضعیفتر، حذف خواهند شد. امپراتوریها برای افزایش قدرت خود، مجبور خواهند شد تا مستعمرات خود را نیز پیشرفت دهند. باگذشت زمان، مستعمرات، ازلحاظ قدرت به امپراتوریها نزدیکتر خواهند شد و شاهد یک نوع همگرایی خواهیم بود. حد نهایی رقابت استعماری، زمانی است که یک امپراتوری واحد در دنیا داشته باشیم، با مستعمراتی که ازلحاظ موقعیت، به خود کشور امپریالیست، خیلی نزدیک هستند. چند مرحله اصلی از الگوریتم را در این قسمت شرح خواهیم داد.

.1-1-2 شکلگیری جمعیت اولیه

در بهینهسازی، هدف یافتن یک جواب بهینه برحسب متغیرهای مسئله، است. ما یک آرایه از متغیرهای مسئله را که باید بهینه شوند، ایجاد میکنیم. در الگوریتم ژنتیک این آرایه، کروموزوم نامیده میشود. در اینجا نیز آن را یک کشور مینامیم. در یک مسئلهی بهینهسازی ، یک کشور، یک آرایهی N*1 بعدی است. مقادیر متغیرها در یک کشور، بهصورت اعداد اعشاری نمایش داده میشوند. از دیدگاه تاریخی فرهنگی، اجزای تشکیلدهنده یک کشور را میتوان ویژگیهای اجتماعی- سیاسی آن کشور، همچون فرهنگ، زبان، ساختار اقتصادی و سایر ویژگیها در نظر گرفت.

.2-1-2 حرکت مستعمرهها به سمت امپریالیست

سیاست همگون سازی - جذب - باهدف تحلیل فرهنگ و ساختار اجتماعی مستعمرات در فرهنگ حکومت مرکزی انجام میگرفت. همانگونه که قبلاً نیز بیان شد، کشورهای استعمارگر، برای افزایش نفوذ خود، شروع به ایجاد عمران - ایجاد زیرساختهای حملونقل، تأسیس دانشگاه و ... - کردند. بهعنوانمثال کشورهایی نظیر انگلیس و فرانسه با تعقیب سیاست همگون سازی در مستعمرات خود در فکر ایجاد انگلیس نو و فرانسه نو در مستعمرات خویش بودند. با در نظر گرفتن شیوه نمایش یک کشور در حل مسئله بهینهسازی، در حقیقت این حکومت مرکزی با اعمال سیاست جذب سعی داشت تا کشور مستعمره را در راستای ابعاد مختلف اجتماعی سیاسی به خود نزدیک کند.

این بخش از فرایند استعمار در الگوریتم بهینهسازی، بهصورت حرکت مستعمرات به سمت کشور امپریالیست، مدل شده است. در راستای این سیاست، کشور مستعمره - Colony - ، بهاندازه x واحد در جهت خط واصل مستعمره به استعمارگر - Imperialist - ، حرکت کرده و به موقعیت جدید - New Position of Colony - ، کشانده میشود . x عددی تصادفی با توزیع یکنواخت - و یا هر توزیع مناسب دیگر - است. اگر فاصله میان استعمارگر و مستعمره با d نشان داده شود،معمولاً برای d داریم.که در آن ß عددی بزرگتر از یک و نزدیک به 2 است. یک انتخاب مناسب میتواند ß=2 باشد. وجود ضریب ß 1 باعث میشود تا کشور مستعمره در حین حرکت به سمت کشور استعمارگر، از جهتهای مختلف به آن نزدیک شود. همچنین در کنار این حرکت، یک انحراف که در آن ß عددی بزرگتر از یک و نزدیک به 2 است. یک انتخاب مناسب میتواند ß=2 باشد. وجود ضریب ß 1 باعث میشود تا کشور مستعمره در حین حرکت به سمت کشور استعمارگر، از جهتهای مختلف به آن نزدیک شود. همچنین در کناراین حرکت، یک انحراف زاویهای کوچک نیز با توزیع یکنواخت به مسیر حرکت افزوده میشود. سیاست جذب در شکل - 1 - به نمایش درآمده است.

.3-1-2 قدرت کل امپراتوری

قدرت یک امپراتوری برابر است باقدرت کشور استعمارگر، بهاضافه درصدی از قدرت کل مستعمرات آن. بدین ترتیب برای هزینه کل یک امپراتوری داریم.که در آن . هزینه کل امپراتوری n ام و ζ عددیمثبت است که معمولاً بین صفر و یک و نزدیک به صفر در نظر گرفته میشود. کوچک در نظر گرفتن، باعث میشود که هزینه کل یک امپراتوری، تقریباً برابر با هزینه حکومت مرکزی آن - کشور امپریالیست - ، شود و افزایش نیز باعث افزایش تأثیر میزان هزینه مستعمرات یک امپراتوری در تعیین هزینه کل آن میشود.

.2-2 متد اوتسو

روش اوتسو یک الگوریتم خودکار برای آستانه یابی برای تصاویر است که توسط شخصی به نام اوتسو [11] برای کاهش تصاویر سطح خاکستری به باینری، پیشنهاد شده است. روش کار الگوریتم نیز به شکل زیر است. اگر L را برابر با 256 یعنی تعداد سطوح رنگ تصویر سطح خاکستری و و N را به ترتیب برابر با تکرار پیکسلها در سطح i ام و تعداد کل پیکسلها در نظر بگیریم داریم.

.3 روش پیشنهادی

این مقاله سعی در ارائه یک روش جدید براساس تبدیل خطی به یک فضا ی جدید براساس الگوریتم رقابت استعماری و الگوریتم Kmedoid دارد. این الگوریتم بهآسانی قابلاجرا است و همچنین سرعتبالا و دقت خوب از ویژگیهای دیگر آن است. برای به دست آوردن وزنهای ماتریس تبدیل، نمونههایی از پیکسلهای مربوط به مناطق آتش و غیر آتش جمعآوری میشود. یک مسئله چالشبرانگیز در زمینهی پیدا کردن شعلههای آتش تنوع زیاد رنگ شعلههای آتش است، زیرا احتراق مواد مختلف رنگهای متفاوتی تولید میکند. بعضیاوقات شعله به رنگ آبی است. در بعضیاوقات شعله آتش از حلقههای بههمپیوسته بارنگهای سفید در مرکز به رنگهای زرد، نارنجی و قرمز در حاشیه، تشکیل میشود. برای غلبه بر این مشکل ما تحقیقات خود را بر روی آتش در محیط جنگل محدود میکنیم زیرا رنگ آتش در این مناطق تقریباً در بازه زرد تا قرمز است.

شکل - 2 - دیاگرام کلی مربوط به مراحل الگوریتم است. از الگوریتم رقابت استعماری جهت جستجو برای به دست آوردن ماتریس مناسب و از تعدادی پیکسل نمونه برای رسیدن به یک جواب مناسب استفاده میکنیم. همچنین از الگوریتم Kmedoid بهعنوان یک معیار برای بررسی برازش ماتریس تولیدشده توسط الگوریتم رقابت استعماری استفاده میشود. روش کلی کار هم بدینصورت است که الگوریتم رقابت استعماری از تعداد محدودی از پیکسلها برای به دست آوردن ماتریسی استفاده میکند که این ماتریس توانایی جدا کردن دو ویژگی محیط یعنی آتش بودن و نبودن را دارا است حال هر چه قدر این جداشدگی بیشتر باشد میزان برازش ماتریس حاصل