Программный продукт «ФотоБерега Крыма»

Полный текст

Введение

Изображения являются наиболее длительно существующим способом фиксации состояния природных объектов, пройдя путь от рисунка до фотои киносъемки с высокой степенью разрешения. При условии определения места и времени получения изображений с достаточной точностью их сопоставление позволяет проанализировать происходящие изменения состояния тех или иных объектов под воздействием природных и антропогенных факторов. Вместе с тем значительная часть изображений до настоящего времени не оцифрована, хранится в разрозненных наборах, должным образом не систематизирована и не каталогизирована. Такое положение дел может привести к утрате многих материалов и не обеспечивает их доступность для широкого круга заинтересованных пользователей. Сказанное полностью справедливо и для изображений морских берегов, в том числе Крымского побережья. Сложившаяся ситуация может быть исправлена путем организации работ по переводу изображений в цифровую форму и создания специального программного обеспечения (ПО) для работы с ними.

В настоящее время существует значительное количество программных продуктов для создания каталогов цифровых изображений, но, как правило, они недостаточно эффективны для решения задач научных исследований. Анализ информации из открытых источников ¹, ², ³ и личный опыт использования показали, что в большинстве существующих программных продуктов каталог строится на основе иерархии файловой системы компьютера пользователя (Adobe Bridge, ACDSee Photo Studio и др.) или собственной иерархической структуры (папки в Adobe Lightroom и Corel AfterShot Pro, коллекции в darktable, альбомы digiKam и др.) со всеми присущими таким классификациям недостатками. В частности, жесткая структура иерархии затрудняет включение новых уровней деления. Классификация становится чрезвычайно громоздкой и сложной в использовании при большом количестве уровней и недостаточно информативной при их малом количестве. Такие продукты также ориентированы в первую очередь на работу с метаданными изображения (параметры съемки, геолокация и т. п.), но не обладают достаточно развитыми возможностями определения характеристик объекта съемки, необходимыми для реализации исследовательских задач. Следует отметить, что значительная часть существующего программного обеспечения является коммерческой и имеет закрытый исходный код, не позволяющий модифицировать продукт в соответствии с требованиями пользователя. Дополнительным препятствием для приобретения и использования существующего коммерческого ПО каталогизации цифровых изображений в данный момент является санкционная политика ряда государств в отношении Российской Федерации.

Принимая во внимание описанные выше недостатки существующего программного обеспечения, сотрудники отдела гидрофизики шельфа и группы «Банк океанографических данных» ФГБУН ФИЦ МГИ разработали концепцию программного продукта «ФотоБерега», включающую общие подходы к созданию ПО для визуализации, систематизации и каталогизации цифровых изображений при проведении научных исследований:

• обеспечение максимальной независимости от внешних факторов, использование только свободно распространяемых компонентов с открытым исходным кодом;
• работа с каталогом (в том числе его расширяемость) с учетом специфики применения изображений при решении научных задач;
• поддержка базы геоинформации;
• поддержка работы с метаданными цифровых изображений (время съемки, геопозиционирование);
• массовый импорт изображений.

В статье описаны результаты работ по реализации этой концепции при разработке специализированной информационно-поисковой системы «ФотоБерега Крыма» [1, 2], оптимизированной для решения практической задачи – систематизации и классификации коллекции цифровых изображений берегов Крымского п-ова, собранных в отделе гидрофизики шельфа МГИ за более чем полуторавековой период, и эффективной работы с ними.

Подходы и методы

Центральной частью системы является каталог метаинформации объектов съемки. Каталог строится на основе фасетной классификации, которая обладает большей семантической силой, чем иерархическая [3, 4]. На первом этапе формирования каталога определяется набор понятий (терминов), необходимых для описания элемента каталога (изображения). Затем термины семантически либо по иному принципу группируются в классы (фасеты). Классификация элементов каталога, в свою очередь, не задается заранее, а строится путем выборки элементов из фасетов и формирования из них линейной цепочки, называемой фасетной формулой. Место каждого фасета в фасетной формуле является строго фиксированным. При этом для решения задачи информационного поиска по каталогу достаточно определить порядок преобразования информационных потребностей пользователя в фасетную формулу (поисковый запрос) и рассматривать полученную на основе этой формулы классификацию как поисковую выдачу.

Для формирования поисковой выдачи в программной системе применен метод расширенного булева поиска [5], при котором результат определяется логическим выражением, формируемым на основе запроса пользователя. Поисковый запрос (фасетная формула) преобразуется в логическое выражение, которое применяется к метаданным каждого элемента каталога. С целью повышения скорости формирования поисковой выдачи применяется обратное индексирование базы метаданных изображений [5, 6] по отдельным фасетам. Ускорение работы приложения при использовании индекса достигается путем значительного (в общем случае) уменьшения количества участвующих в операциях элементов каталога и перехода к использованию операций над множествами вместо выполнения логических операций (булева поиска) для всех изображений, присутствующих в базе программы.

Реализация

Для реализации программной системы был выбран язык программирования Python, имеющий как развитую стандартную библиотеку, так и достаточное количество свободно распространяемых сторонних библиотек с открытым исходным кодом.

Каталог системы «ФотоБерега Крыма» включает в себя описательные фасеты «Дата и время» (D), «Вид съемки» (T) и специализированные – «Географический регион» (R), «Генетический тип побережья» (G). Фасет «Дата и время», в свою очередь, разбит на три субфасета: «Дата начала периода» (D_B), «Дата окончания периода» (D_E) и «Сезонность съемки» (S). Результирующая фасетная формула для применяемой классификации имеет вид

<D_B : D_E : S : R : T : G>.

Часть фасетов содержит заданное при разработке приложения конечное множество понятий, определяемое семантикой соответствующего признака или спецификой разрабатываемой системы. Так, в качестве описаний для сезонности съемки (субфасет «Сезонность съемки») используется общепринятое деление годового цикла на календарные времена года {«зима», «весна», «лето», «осень»}, а состав фасета «Генетический тип побережья» определяется геоморфологией Крымского п-ова и соответствует монографии [7].

Состав фасета «Географический регион» и субфасетов «Дата начала периода» и «Дата окончания периода» не фиксирован в коде приложения и допускает модификацию пользователем. В частности, в системе предусмотрена возможность работы с данными о регионе съемки, которые являются основой для базы геоинформации.

Для хранения каталога и данных геоинформационной части программной системы использована встраиваемая SQL-ориентированная свободно распространяемая СУБД с открытым исходным кодом SQLite3 ⁴. Основные метаданные фотографии и идентификаторы ее связей с элементами фасетов каталога содержатся в таблице Picture. При отображении структуры каталога для каждого фасета и субфасета «Сезонность съемки» была выделена отдельная таблица (рис. 1). Данные субфасетов «Дата начала периода» и «Дата окончания периода» не существуют без соответствующей фотографии и реализованы как атрибуты изображения в таблице Picture. В общем случае с целью получения нормализованной базы данных связь между конкретной фотографией и фасетами каталога строится одним из следующих способов:

• для фасетов с кратностью связи 1 : 1 или 1 : N связь организуется путем включения соответствующего идентификатора в таблицу Picture;
• для фасетов с кратностью связи M : N создается дополнительная таблица.

Отображение иерархического фасета «Географический регион» на реляционную структуру базы данных осуществляется с помощью списка смежности по таблице GeoRegion [8, 9].

 

Рис. 1. Схема базы данных программной системы «ФотоБерега Крыма»

Fig. 1. The scheme of the database for the software system PhotoCoasts of Crimea

 

Для хранения исходных данных программная система использует иерархию в файловой системе жесткого диска. Каждой фотографии соответствует отдельная директория, содержащая оригинал цифрового изображения и миниатюру.

Интерфейс приложения разработан с использованием пакета tkinter ⁵ и состоит из главного окна, редактора метаданных и редактора геоданных (рис. 2).

Пользователь определяет требуемую совокупность характеристик изображения, формируя поисковый запрос с помощью панели поиска, расположенной в левой части главного окна приложения. Поисковая панель содержит отдельный раздел для каждого фасета каталога и позволяет составлять запрос интуитивно понятным способом без использования специализированных языков запросов. Результат поиска отображается в рабочей области главного окна и визуализируется в двух основных режимах. Режим библиотеки позволяет оценить объем поисковой выдачи и получить общее представление о результатах поиска. В свою очередь, режим просмотра обеспечивает возможность детального рассмотрения каждого снимка и связанной с ним метаинформации. Так как цифровые изображения, получаемые с использованием современных средств съемки, могут иметь высокое разрешение, которое существенно превышает разрешение компьютерного монитора, в режиме просмотра реализована функция масштабирования снимка, в том числе автоматического масштабирования под размер окна приложения.

Загрузка новых изображений и редактирование метаданных существующих элементов каталога осуществляются в редакторе метаданных (рис. 3). С его помощью можно изменить координаты места съемки, ее географический регион, дату, сезон, способ съемки, генетический тип побережья, а также внести коррективы в описание снимка. Режим массовой загрузки позволяет пользователю быстро добавить в базу изображения со сходными метаданными, например, результаты экспедиционной съемки на конкретной местности.

 

Рис. 2. Пользовательский интерфейс главного окна приложения, режим «БИБЛИОТЕКА» (а) и режим «ПРОСМОТР» (b)

Fig. 2. The user interface of the application main window: LIBRARY mode (a) and VIEW mode (b)

 

Рис. 3. Окно редактора метаданных изображений

Fig. 3. The Image metadata editor window

 

При заполнении метаданных изображения в разрабатываемой программной системе была реализована возможность чтения данных из заголовков Exif загружаемых файлов (в том числе координат места съемки по данным GPS и даты съемки) и внедрена функциональность, позволяющая по координатам места съемки определить регион и генетический тип побережья. В качестве региона съемки выбирается ближайший из известных приложению. В частности, в базе ИПС «ФотоБерега Крыма» присутствует информация о 140 регионах побережья из монографии [7]. Для поиска региона, ближайшего к точке съемки, в программе применяется индексация геоданных береговой линии на равномерной сетке в полярной системе координат [10] с центром в точке 45.5° с. ш., 34.0° в. д.

Работа с геоинформационной частью базы метаинформации осуществляется в редакторе геоданных (рис. 4), с помощью которого можно создавать, удалять и корректировать сведения о регионах съемки, в том числе координаты, наименование и генетический тип побережья.

 

Рис. 4. Окно редактора геоданных

Fig. 4. The Geodata editor window

 

Заключение

На базе концепции программного продукта «ФотоБерега» была реализована специализированная информационно-поисковая система «ФотоБерега Крыма», оптимизированная для решения практической задачи – систематизации, классификации и работы с коллекцией цифровых изображений берегов Крымского п-ова при проведении научных исследований. В статье описана структура каталога изображений и способ хранения метаданных объекта съемки. Изложен порядок работы с системой при выполнении поиска информации и загрузке новых изображений. Ключевой особенностью разработанного программного продукта является наличие модуля формирования базы геоинформации о крымском побережье. Использование геоинформации совместно с возможностью чтения метаданных цифрового изображения и массовой загрузкой изображений существенно облегчает внесение информации в каталог системы.

Разработанная информационно-поисковая система «ФотоБерега Крыма» имеет значительный потенциал для дальнейшего развития. Ее функциональные возможности можно расширить и адаптировать для работы с изображениями берегов других регионов. Продукт является универсальным и после соответствующей настройки может найти применение для систематизации, классификации и работы с коллекциями цифровых фотографий в самых разных областях науки.

 

¹ Сажко Д. 10 приложений для организации фотоколлекции // Лайфхакер : сайт. 24.12.2018. URL: https://lifehacker.ru/kak-organizovat-kollekciyu-fotografij/ (дата обращения 25.11.2021).

² Обзор Windows-приложений для наведения порядка в фотоархивах // Хабр : сайт. 12.06.2014. URL: https://habr.com/ru/post/226123/ (дата обращения 25.11.2021).

³ Шляхтина С. Каталогизация и хранение цифровых снимков // КомпьютерПресс : сайт. Ноябрь 2004. URL: https://compress.ru/article.aspx?id=12397 (дата обращения: 25.11.2021).

⁴ SQLite : сайт. 2000 – . URL: https://sqlite.org/index.html (дата обращения 02.12.2024).

⁵ Python Software Foundation : Graphical User Interfaces with Tk : сайт. 2001 – . URL: https://docs.python.org/3/library/tk.html (дата обращения 02.12.2024).

Об авторах

Максим Петрович Вецало

Морской гидрофизический институт РАН

Автор, ответственный за переписку.
Email: mvetsalo@mhi-ras.ru
ORCID iD: 0000-0002-3543-2124
SPIN-код: 4199-5264
Scopus Author ID: 57222028338

ведущий инженер-программист

Россия, Севастополь

Евгений Александрович Годин

Морской гидрофизический институт РАН

Email: godin_ea@mhi-ras.ru
ORCID iD: 0000-0002-6469-1379
SPIN-код: 9561-8338
Scopus Author ID: 56950615200
ResearcherId: AEP-0342-2022

научный сотрудник

Россия, Севастополь

Елена Андреевна Исаева

Морской гидрофизический институт РАН

Email: isaeva-ea@mhi-ras.ru
ORCID iD: 0000-0002-1860-0026
SPIN-код: 5366-7440
Scopus Author ID: 57191413519

ведущий инженер-программист

Россия, Севастополь

Людмила Константиновна Галковская

Морской гидрофизический институт РАН

Email: galkovskaya@gmail.com
SPIN-код: 9205-0925

ведущий инженер-программист

Россия, Севастополь

Список литературы

Дополнительные файлы