Schválené projekty 2014

Rozdělení přidělené dotace z MŠMT na specifický vysokoškolský výzkum po fakultách se zohledněním celoškolských pracovišť na rok 2014

Celková přidělená částka z MŠMT na specifický vysokoškolský výzkum na VŠB-TUO - 50 638 tis.Kč

Z toho 2.5%  - 1 265 950 Kč - úhrada způsobilých nákladů spojených s organizací SGS

fakultapřidělená částka v tis. Kč
FBI  1 186
EKF  5 453
FAST  3 351
FS 11 385
FEI 12 892
HGF  5 937
FMMI  7 377
CNT  1 791
CELKEM 49 372

 

KódSP2014/170
Název projektuAlgoritmy pro zpracování obrazových a lidarových dat v průmyslových a dopravních aplikacích
ŘešitelGaura Jan Ing., Ph.D.
Školitel projektudoc. Dr. Ing. Eduard Sojka<br />
Období řešení projektu01.01.2014 - 31.12.2014
Předmět výzkumuPředkládaný projekt se zaměřuje na hledání nových algoritmů v oblasti zpracování obrazových a lidarových dat, zejména pak v oblasti detekce objektů a segmentace obrazu (segmentace obrazu je významný a obtížný krok analýzy obrazu, při němž jsou z obrazu extrahovány potenciálně zajímavé útvary, které jsou pak následně rozeznávány). Pozornost bude orientována zejména na další výzkum a uplatnění metod založených na matematických základech, jako jsou například grafové řezy, numerické metody analýzy proudění tekutin (CFD), podmíněná náhodná pole (CRF) a aplikace difuzních procesů. Zkoumána bude možnost paralelizace vyvíjených algoritmů, zejména s využitím grafických procesorových jednotek (GPU). V neposlední řadě bude probíhat vývoj algoritmů pro plánovaní a logistiku zaměřený na využití GPU.

Kromě teoretické novosti bude brán zřetel také na aplikační způsobilost vyvíjených algoritmů. Bude preferován vývoj algoritmů použitelných v aplikacích, které jsou pro fakultu prakticky zajímavé, jako jsou například aplikace průmyslové a aplikace v inteligentních systémech řízení dopravy (např. čítání a registrace objektů, sledování trajektorií, vyhodnocování rizikového chování). Nedílnou součástí projektu bude prezentace dosažených výsledků na světově uznávaných fórech zabývajících se danou problematikou. Uvedené oblasti lze považovat za perspektivní. Naše zkušenost ukazuje prudký nárůst poptávky po výsledcích v této oblasti. Poptávka po praktických výsledcích stimuluje také vývoj v oblasti teoretické. V uvedených oblastech má řešitelský tým tradici a některé úspěchy v získávání průmyslových projektů. Projekt se skládá z následujících částí:

1. Nové metody segmentace a analýzy obrazu a jejich paralelizace,
2. vývoj a aplikace algoritmů zpracování obrazu v průmyslu a dopravě,
3. vývoj algoritmů pro zpracování LIDARových dat,
4. vývoj rámce pro algoritmy plánování a logistiky založeného na GPU.

Část 1: Nové metody segmentace a analýzy obrazu a jejich paralelizace

Segmentace je jednou z prvních operací při analýze obrazu. Výsledky segmentace jsou zpracovávány v dalších krocích analýzy, a proto úspěšnost segmentace rozhoduje o úspěšnosti celého procesu rozpoznání. Segmentace obrazů reálného světa v žádném případě není jednoduchou záležitostí a vývoj
v této oblasti nelze považovat za ukončený. Pro oddělení jednotlivých segmentů se využívá řada různých technik. V zásadě můžeme říci, že po dané technice chceme, aby měřila vzdálenost po obrazové funkci. Této definici dobře odpovídá tzv. difuzní vzdálenost. Tuto vzdálenost můžeme vypočítat ze spektra matice, která popisuje vztah mezi jasy jednotlivých pixelů v obraze. Daná metoda je sice výpočetně náročná, poskytuje však zajímavé výsledky, které jsou aktuálně na vrcholu současného poznání. V projektu se budeme zabývat aplikací difuzní vzdálenosti v algoritmech segmentace obrazu.

Jednou z dalších metod, kterou považujeme za perspektivní, jsou grafové řezy a jejich možná rozšíření. Jedná se o analogii minimalizace funkcionálu v diskrétní podobě. Tato formulace umožňuje snadnější rozšiřování minimalizovaného funkcionálu o další členy zvyšující přesnost segmentace.

V neposlední řadě se inspirujeme i modely užívanými pro simulaci fyzikálních procesů (analýza proudění tekutin) a pokusíme se je aplikovat v oblasti zpracování obrazu.

Současně s vývojem nových algoritmů se chceme zabývat i možností jejich paralelizace, zejména paralelizace s využitím grafických procesorových jednotek (GPU). Paralelizace s využitím GPU je ekonomicky výhodná, a proto pro praxi perspektivní. Při nízké ceně je počet procesorů v GPU dnes již značný, a proto lze na využití GPU pohlížet jako na nové paradigma v oblasti výpočtů nejrůznějšího typu. Přínosy v této oblasti jsou proto velmi dobře publikovatelné.

Část 2: Vývoj a aplikace algoritmů zpracování obrazu v průmyslu a dopravě

Oblast průmyslových a dopravních systémů jsou aktuálně diskutovaným tématem. K porozumění dopravní situace a případně k jejímu následnému řízení je nutné zajistit její kvalitní popis. Dopravní situace může být sledována pomocí statických kamerových systémů umístěných např. na křižovatkách
nebo z vozidel samotných, která jsou vybavena kamerou a příslušným počítačovým vybavením. Řešené úlohy mohou zahrnovat např. čítání a registraci objektů, sledování trajektorií, vyhodnocování rizikového chování atd. Nasbíraných dat může být veliké množství a je navíc často nezbytné je zpracovávat v reálném čase pro účely okamžitých opatření. Nezbytné bude proto řešit i problematiku zpracování takto rozsáhlých obrazových dat. I zde předpokládáme využití GPU.

Algoritmy využívané v průmyslových aplikacích a dopravě jsou specifické tím, že musí poskytovat co jak nejpřesnější výsledky, zároveň však musí být schopny pracovat v reálném čase. Proto se zaměříme na rozvoj metod založených na příznacích, které jsou v oblasti detekce a rozpoznávání úspěšně užívány řadu let a jsou schopny pracovat v reálném čase. V posledním roce náš tým vyvinul nové příznaky, které jsou inspirovány fyzikálními modely. Robustnost těchto příznaků byla otestována v různých aplikacích; detekce lidských tváří, detekce chodců, detekce automobilů. Navrhované příznaky byly úspěšně publikovány na zahraničních konferencích, kde bylo konzultováno jejich další možné vylepšení. V projektu se zaměříme na další rozvoj této detekční metody, zejména se budeme soustředit na její urychlení pomocí GPU.

Část 3: Vývoj algoritmů pro zpracování LIDARových dat

V dnešní době mohou autonomní robotické systémy využívat pro mapování pracovního prostoru a následně pro navigaci, cenově dostupné laserové skenery. Výstupem těchto zařízení jsou 3D mračna bodů. Zpracování těchto informací vyžaduje jako jednu z prvních fází zpracování provedení segmentace změřené oblasti. Na základě získaných informací je pak následně možné provádět spojování jednotlivých změřených oblastí do jednoho celku. Výsledné globální mračno bodů je pak možno zpracovávat do mapy pracovního prostoru.

V současnosti je segmentace mračen bodů prováděna převážně při sledování prostoru před autonomním robotickým systémem. Pro zpracování mračen bodů obklopujících robotický systém je potřeba tyto algoritmy upravit, případně nalézt a vyzkoušet nové způsoby segmentace. V dalším kroku bude potřeba nacházet shody mezi segmenty sousedních mračen bodů a pro tyto účely bude potřeba navrhnout a vyzkoušet nové algoritmy, které budou schopné s jistou mírou pravděpodobnosti tuto shodu nacházet.

Část 4: Vývoj rámce pro algoritmy plánování a logistiky založeného na GPU

V oblasti evolučních algoritmů, zejména v oblasti, která je založena na permutacích kombinatorické optimalizace, je výpočetně nejnáročnější operace vyhodnocení fitness funkce. Přibližně 70 - 80% doby běhu výpočtu je stráveno touto operací [1]. Pokud jde o lokální implementaci vyhledávání, výpočetní zátěž se dále zvyšuje na přibližně 90% [2]. Proto je jedním ze základních vylepšení, která mohou být provedena, urychlení a paralelizace výpočtu fitness funkce.

Hlavním cílem této části projektu bude vývoj algoritmů pro řešení problémů plánování a logistiky založených na CUDA a OpenCL implementacích. Plánovací problém flowshop již byl úspěšně vyvinut [3], a proto bude další výzkumným zaměřením vývoj algoritmů pro následující plánovací problémy: flowshop with blocking, flowshop with no-wait a lot-streaming. Pro logistické problémy pak: capacitated vehicle routing a quadratic assignment.

Výstupem této části bude efektivní multiproblémový rámec, který bude možno využít ve spojení s různými evolučními algoritmy pro vyhodnocení fitness funkce. Tento rámec by měl být dostatečně univerzální pro použití na grafických akcelerátorech NVIDIA.

[1] Czapinski, M. and Barnes, S.: Tabu search with two approaches to parallel flowshop evaluation on cuda platform. Journal of Parallel and Distributed Computing, 71, pp. 802–811 (2011)

Počet bodů řešitelského týmu s rozpočítáním na domácí spoluautory (RIV 2012) :

Fabián Tomáš 25.25
Gaura Jan 39.29
Krumnikl Michal 67.79
Němec Martin 11.43
Sojka Eduard 49.62
Davendra Donald 60.75
Pavel Moravec 31.48
Petr Olivka 113.4
David Seidl 0.0

Celkem: 399.01

Další členové řešitelského týmu:

Minimálně 4 studenti doktorského studia v prezenční formě:
Karel Mozdřeň, Radovan Fusek, Michael Holuša, Branislav Holý

Minimálně 2 studenti doktorského studia v kombinované formě:
Radek Tesař, Petr Baroš, Milan Šurkala

a další studenti magisterského oboru.

Finanční náklady na řešení:

Náklady na řešení jsou navrženy tak, aby prostředky byly vynaloženy především na realizaci cest na zahraniční i lokální konference a stipendia pro studenty. Pro cestovné předpokládáme náklady cca. 40 tis. Kč na jednu zahraniční konferenci.

Vybrané publikace řešitelského týmu:

[2] Davendra, D, Gaura J, Bialic-Davendra, M. and Senkerik, R.: Cuda Based Enhanced Differential Evolution: A Computational Analysis. Proceedings 27th European Conference on Modelling and Simulation. Bye, R and Zhang, H (eds), pp. 386-392. ISBN: 978-0-9564944-6-7 (2012).

[3] Davendra, D and Zelinka, I.: GPU Based Enhanced Differential Evolution Algorithm: A Comparison between CUDA and OpenCL. Handbook of Optimization. Zelinka, I, Snasel, V and Abraham, A (eds). Intelligent Systems Reference Library Volume 38, pp. 845-867. ISBN: 978-3-642-30503-0 (2013)

[4] Mozdřeň, K., Sojka, E., Fusek, R., Šurkala, M.: Layered rc circuit model for background subtraction. In: Bebis, G., Boyle, R., Parvin, B., Koracin, D., Li, B., Porikli, F., Zordan, V., Klosowski, J., Coquillart, S., Luo, X., Chen, M., Gotz, D. (eds.) Advances in Visual Computing, Lecture Notes in Computer Science, vol. 8034, pp. 199-209. Springer Berlin Heidelberg (2013)

[5] Mozdren, K., Styskala, V.: Cameras as a Tool for Minimalization of Damage on Railway Electrication and Safety System. 12th International Scientifc Conference on Electric Power Engineering (EPE), pp. 558-560 (2011)

[6] Fusek, R., Mozdren, K., Surkala, M., Sojka, E.: AdaBoost for parking lot occupation detection. Advances in Intelligent Systems and Computing, vol. 226, pp. 681-690 (2013)

[7] Fusek, R., Sojka, E., Mozdren, K., Surkala, M.: Energy-Transfer Features and their Application in the Task of Face Detection. In Proceedings of the 10th International Conference on Advanced Video and Signal-Based Surveillance (AVSS), pp. 147-152 (2013)

[8] Fusek, R., Sojka, E., Mozdren, K., Surkala, M.: Energy-transfer features for pedestrian detection. In: Bebis, G., Boyle, R., Parvin, B., Koracin, D., Li, B., Porikli, F., Zordan, V., Klosowski, J., Coquillart, S., Luo, X., Chen, M., Gotz, D. (eds.) Advances in Visual Computing, Lecture Notes in Computer Science, vol. 8034, pp. 425-434. Springer Berlin Heidelberg (2013)

[9] Fusek, R., Sojka, E., Mozdren, K., Surkala, M.: Energy Based Descriptors and their Application for Car Detection. In VISAPP 2014 - Proceedings of the International Conference on Computer Vision Theory and Applications, to appear 2014

[10] Surkala, M., Mozdren, K., Fusek, R., Sojka, E.: Layered mean shift methods. In: Kuijper, A., Bredies, K., Pock, T., Bischof, H. (eds.) Scale Space and Variational Methods in Computer Vision, Lecture Notes in Computer Science, vol. 7893, pp. 465-476. Springer Berlin Heidelberg (2013)

[11] Surkala, M., Mozdren, K., Fusek, R., Sojka, E.: Hierarchical evolving meanshift. In: Image Processing (ICIP), 2012 19th IEEE International Conference on. pp. 1593-1596 (2012)

[12] Surkala, M., Mozdren, K., Fusek, R., Sojka, E.: Hierarchical blurring meanshift. In: Blanc-Talon, J., Kleihorst, R., Philips, W., Popescu, D., Scheunders, P. (eds.) Advances Concepts for Intelligent Vision Systems, Lecture Notes in Computer Science, vol. 6915, pp. 228-238. Springer Berlin Heidelberg (2011)
[13] Krumnikl, M., Sojka, E., Gaura, J.: A new level-set based algorithm for bimodal depth segmentation. In Proceedings of the 14th International Conference on Advanced Concepts for Intelligent Vision Systems (ACIVS), pp. 225-236 (2012).

[14] Krumnikl, M., Olivka, P.: PWM nonlinearity reduction in microstepping unit firmware. Przeglad Elektrotechniczny, 88 (3 A), pp. 232-236 (2012).

[15] Milata, M., Krumnikl, M., Moravec, P.: On the usability of vehicle-to-roadside communications using IEEE 802.11b/g unplanned wireless networks. In Proceedings of the International Conference on Digital Information Processing and Communications (ICDIPC), pp. 167-177 (2011)

[16] Holusa, M., Sojka, E.: Object Detection from Multiple Images based on the Graph Cuts. In Proceedings of the 8th International Symposium on Visual Computing (ISVC 2012), Lecture Notes in Computer Science, vol. 7431, pp. 262-271 (2012)

[17] Holusa, M., Sojka, E.: Image Segmentation Using Iterated Graph Cuts with Residual Graph. In Proceedings of the 9th International Symposium on Visual Computing (ISVC 2013), Lecture Notes in Computer Science, vol. 8033, pp. 228-237 (2013)

[18] Fabian, T.: Parking lot occupancy detection using computational fluid dynamics. In Proceedings of the 8th International Conference on Computer Recognition Systems (CORES), Advances in Intelligent Systems and Computing, vol. 226, pp. 733-742 (2013)

[19] Fabian, T.: A vision-based algorithm for parking lot utilization evaluation using conditional random fields. In Proceedings of the 9th International Symposium on Visual Computing (ISVC), Lecture Notes in Computer Science, vol. 8034, pp. 222-233 (2013)

[20] Fabian, T., Gaura, J., Kotas, P.: Iris localization and extraction algorithm from an eye image. International Journal of Signal and Imaging Systems Engineering (IJSISE), 5(2):69–77 (2012)

[21] Seidl, D., Koštial, P., Jančíková, Z., Ružiak, I., Rusnáková, S., Farkašová, M.: Modal analysis - Measurements versus FEM and artificial neural networks simulation, Communications in Computer and Information Science, Volume 188 CCIS, Issue PART 1, s. 170-175, ISSN 18650929, ISBN 978-364222388-4 (2011)

[22] Seidl, D., Koštial, P., Jančíková, Z., Rusnáková, S.: Vibration of composite plate – Mathematical modelling and experimental verification by ESPI, Communications in Computer and Information Science, Volume 188 CCIS, Issue PART 2, s. 322-328, ISSN 18650929, ISBN 978-364222409-6 (2011)

[23] Olivka, P., Novak, P.: 3D Mapping OF Rooms Using 2D Laser Scanner. In Sborník vědeckých prací Vysoké školy báňské - Technické univerzity Ostrava. Řada strojní. Vol. 2, pp. 155-160, Vysoká škola báňská - Technická univerzita Ostrava (2010)

[24] Olivka, P., Krumnikl, M.: Software controlled high efficient and accurate microstepping unit for embedded systems. In Communications in Computer and Information Science, Part 2, pp. 138-146. Springer Berlin (2011)

[25] Michalek, L., Moravec, P., Scherer, P., Sebesta, R., Dvorsky, M., Martinovic, J., Kapicak, L.:
Visualization improvement of best servers areas in GSM networks. Przeglad Elektrotechniczny, 89 (2 B), pp. 261-265 (2013)

[26] Dvorsky, M., Michalek, L., Moravec, P., Sebesta, R.: Improved GSM-based localization by incorporating secondary network characteristics. Lecture Notes in Computer Science, 7291 LNCS, pp. 139-144 (2012)

[27] Gajdoš, P., Moravec, P.: Intruder data classification using GM-SOM. Lecture Notes in Computer Science, 7564 LNCS, pp. 92-100 (2012)
Členové řešitelského týmuIng. Petr Baroš
doc. MSc. Donald David Davendra, Ph.D.
Ing. Tomáš Fabián, Ph.D.
Ing. Radovan Fusek, Ph.D.
Ing. Jan Gaura, Ph.D.
Ing. Jan Gaura, Ph.D.
Ing. Michael Holuša, Ph.D.
Ing. Branislav Holý
Ing. Lumír Janošek
Mgr. Ing. Michal Krumnikl, Ph.D.
Ing. Pavel Moravec, Ph.D.
Ing. Karel Mozdřeň
Ing. Martin Němec, Ph.D.
Ing. Petr Olivka, Ph.D.
Ing. David Seidl, Ph.D.
doc. Dr. Ing. Eduard Sojka
Ing. Milan Šurkala
Bc. Radek Tesař
Specifikace výstupů projektu (cíl projektu)Nové algoritmy pro segmentaci obrazu, zejména algoritmy založené difuzi a grafových řezech, algoritmy pro výpočet příznaků. segmentace LIDARových mračen, paralelní varianty výše uvedených algoritmů. Publikace ve výše uvedených oblastech. Algoritmy pro řešení praktických úloh v průmyslových a dopravních systémech. Algoritmy pro řešení problémů plánování a logistiky.

Rozpočet projektu - uznané náklady

NávrhSkutečnost
1. Osobní náklady
Z toho
0,-0,-
1.1. Mzdy (včetně pohyblivých složek)0,-0,-
1.2. Odvody pojistného na veřejné zdravotně pojištění a pojistného na sociální zabezpečení a příspěvku na státní politiku zaměstnanosti0,-0,-
2. Stipendia80000,-80000,-
3. Materiálové náklady0,-0,-
4. Drobný hmotný a nehmotný majetek0,-0,-
5. Služby41500,-41128,-
6. Cestovní náhrady148500,-148872,-
7. Doplňkové (režijní) náklady max. do výše 10% poskytnuté podpory30000,-30000,-
8. Konference pořádané VŠB-TUO k prezentaci výsledků studentského grantu (max. do výše 10% poskytnuté podpory)0,-0,-
9. Pořízení investic0,-0,-
Plánované náklady300000,-
Uznané náklady300000,-
Celkem běžné finanční prostředky300000,-300000,-