Способ распознавания изображений и устройство для его осуществления

 

Изобретение обеспечивает повышение достоверности распознавания. Исходное оптическое изображение преобразуется в видеосигнал, кото- , рый дискретизируют, квантуют на п уровней и разделяют видеосигнал (ЕС) на п составляющих по уровням квантования . Далее осуществляют преобразование ВС путем последовательных амплитудной модуляции Л составляющих ВС дискретно нарастающим сигналом , амплитудной модуляции каждой составляющей ВС, соответствующей составляющей первого эталонного сигнала (ЭС), накопления каждой составлякяцей амплитудно-модулированного ВС, уменьшения каждой составляющей накопленного ВС на величину составлякхцего второго ЭС, формирования разностного сигнала ошибки, детектирования епо и накопления. Это осуществляют Р раз. Преобразованный та КИМ обраэом ВС сравнивают с порогом. Результат сравнения накапливают и

СОЮЗ СОЕЕТСНИХ

РЕСПУБЛИК

А1 (g!! 4 Н 04 N 7/18

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н ASTOPCHOMY СВИДЕТИЗЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ (21) 3662474/24-09 (22) 09.11.83 (46) 1 5.06.86. Бюл. !! 22 (72) E.Ï.Путятин, В.А;Гороховатский, Ю.Н.Ересько, С.Ф.Кацалап и В.А.Савенкбв (53) 62!.397(088.8) (56) Шибанов Г.П. Распознавание в системах автоконтроля, N.: Машиностроение, 1973, с. 144-170.

Бочкарев A.K» Корреляционноэкстремальные системы навигации.Зарубежная радиоэлектроника, 1981, !! 9., c. 37-39.

Либеисон M.Н. и др. Автоматизация распознавания телевизионных изображений. М.: Энергия, 19?5, с, 35-37.

Авторское свидетельство СССР

В 437249; кл. Н 04 N 7/02, 1974. (54) СПОСОБ РАСПОЗНАВАНИЯ ИЗОБРАЖЕНИЙ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

„SU„„2 2 9 (57) Изобретение обеспечивает повышение достоверности распознавания.

Исходное оптическое изображение преобразуется в видеосигнал, который дискретиэируют, квантуют на и уровней и разделяют видеосигнал (ВС) на и составляющих по уровням квантонания. Далее осуществляют преобразование BC путем последовательных. амплитудной модуляции h составляющих ВС дискретно нарастающим сигналом, амплитудной модуляции каждой составляющей ВС, соответствующей составляющей первого эталонного сигнала (ЭС), накопления каждой составляющей амплитудно-модулированного

ВС, уменьшения каждой составляющей накопленного ВС на величину составляющего второго ЭС, формирования раэностного сигнала ошибки, детектирования его и накопления. Этб осуществляют P раэ. Преобразованный таким образом ВС сравнивают с порогом.

Результат сравнения накапливают и!

238269 осуществляют,.дополнительное порого- первого ЭС, уиножители 11, накапливое сравнение. Устройство, реализу- ваяцие суиматоры 12, вычитатели 13;. ющее спооеоб, включает блок 1 коор- запоминающие блоки 14 второго ЭС, дииатного опроса, блок 2 привязки коммутаторы 15 и 16 ° блок 17 вычитан усиления, дискретизатор 3, компа- ния, блок .18 определения .модуля, раторы 4, блоки 5 совпадения, счет- выходной накапливаюший сумматор 19, чики 6 и 21, синхронизатор 7 блок пороговые блоки 20 и 23, делитель

8 программных установок, измеритель- 22 частоты. 2 с и 4 э.и. ф-лы, 6 ил. ный блок 9, запоминающие блоки 10

Изобретение относится к технической кибернетике, в частности к области автоматического распознавания образов, и может быть использовано для распознавания и классификации в реальном масштабе времени сложных изображений объектов и .препаратов.

Целью изобретения является повышение достоверности распознавания. !О, На фиг ° 1 представлена структурная электрическая схема устройства .для расйознавания изображений! на фиг. 2 - порядок преобразования оптического изображения в видеосигнал и его дискретизации; на фиг. 3распределение видеосигнала эталонного изображения", на фиг. 4 и 5. - распределение видеосигналов соответственного первого и второго эталон- 20 ных сигналов, на фиг. 6 — диаграммы, поясняющие работу устройства, Способ распознавания изображений заключается в следующем..

Исходное оптическое ивобрикение преобразуют в электрический видеосигнал посредством, например, телевизи онного датчика. Этот видеосигнал дискретизируется таким образом, что сигнал в поле зрения телевизионного 36 датчика может быть представлен в виде.последовательности элементарных (дискретных) значений видеосигнала

U(k) расположенных в порядке, показанном на фиг. 2, Операции дискретизации по строкам предшествует операция равномерного квантования, для осуществления которой определяют мак сииальный и минимальный уровни видеосигнала H равномерно располагают и уровней квантования в интервале экст2 ремальных уровней. Для i-го уровня квантования (i I,2. ..n) дискретный видеосигнал будет единичным, т.е.

F< (k) l, если U(k) > U . +iaU U(t ), где k — номер дискрета, пропорциональный интервалу времени от начала отсчета до момента появления сигнала U(t . ), соответствующего дискретному сигналу U(k); ь0,„ - минимальный уровень видеосигнала; 60 - mar

-U квантования 6U - — Э

Дискретный квантованный видеосигнал эталонного сигнала (фнг. 3),описывается функцией:

Jl для k 1-5, 11 !5, 21-25,31-35, (О для остальных k, э 1 для k l-3е5вll-13ю15в21-23,25

31-33, 35, О для остальных k, () jl для А!-31,11-13,21-23,31-33 !

О для остальных, k;

f1 для k=1,2,11,12,21э22,3) ° 32 ° !

О для остальных k.

Эталонные коэффициенты g(i) об- ° ратно пропорциональны числу единичных дискретных сигналов для i-го уровня квантования, т.е.

Я(1) —; !1(2) =- .; Я (3)—

1 1 1

20 16 12

g(4) l !8

Сигналы для каждого i -го уровня квантования, пропорциональные вэвешенныи моментам первого порядка дискретного видеосигнала на i --и уров1238269

k F. (k) Q(i)

k Г, (k).Q(l) 18; (к). Q(2)=17,75;

К=1

1ОО (k) Q(3) 1

К=1

rse квантования, для эталонного сигнала равны: з . М

Wi >

К=1

1ОО

W„ - =«2

К=1

1ОО

w, =

W< k F (k) Q(4))6,5, К=1

Далее согласно предлагаемому способу вычитают иэ полученных сигналов ,э

W. сигналы V,, т,е.

=ц. -ц

I I

Для U; (1) (Фиг. 4) получают:

q 73-l8 55; q 72,5-17,75 55;

q 72-17 55; q 7),5-16 555. Сигнал отличия исходного и эталонного изображения S формируют путем попарного вычитания один из другого по принципу "каждый с каждым" полученных модулей разностей q" определения модулей результатов и их суммирования, т,е.

Таким образом, формируют эталонные коэффициенты и сигналы для уровией квантования, пропорциональ- 20 ные взвешенным моментам первого по, рядка дискретного видеосигнала эта-. лонного сигнала.

Для предъявляемого к распознаванию иэображения аналогичным об разом выполняют операции преобразования в электрический сигнал U(k), выделения экстремальных уровней видеосигнала U „и U .„, дискретизации поля изображения на N 100 дис- 30 кретов, квантования видеосигнала на

n=4 уровня с шагом aU, формирования для каждого »го уровня квантования сигнала W, пропорционального взвешенному моменту пеРвого порядка дис- 35 кретного видеосигнала на данном уровне квантования ° Дискретный кваитованный видеосигнал исходного изображения, распределение видеосигнала которого приведено на фиг. 4, . 4б представляющего собой смещение эталонное, описывается функцией:

)1 для k-56-60,66-70,76-80,86-90, 10 для .остальных k;

1 для k=56-58, 60, 66-68, 70, 2 76-78, 80, 86-88,90

0 для остальных k;

1 дг я k-56-58,66-68,76-78, 86-88 . 50

0 для остальных k; р (1 ) (l для k 56 ý57ý 66 76ü 76э86е 87 0 для ocTGJIsHslx ) ;

©,Сигналы M. k F. (k) Q(i) 55

)с Р ()с) Q(i определяют аналогич=1 9 но сигналам W, а именно: M 73;

И 72,75; т «721 У 71. 5

8- Э),. -),.l -lq,-я,I+1), Ч,1+

+!), ),1+! )„+q,i+lq Ч,)+1Ч. ) )+

+ lq,- ),1 + 1 q,- ),1+ lq,-q,l + lq,-q,1 +

З 1 Ю, + 1)„- ) I + l q„-q„l

Подстановка в это выражение полученных q. дает в результате S"О.. б

Сравнение полученного. сигнала с пороговым сигналом показывает превышение порогового сигнала над сформированным сигналом отличия.

Повторение операций способа в P периодах (кадрах) видеосигнала исходного изображения дает в сумме P превьш1ений порогового сигнала над мерой отличия S, Сравнение числа P с пороговым числом С<Р приводит к принятию решения о соответствии исходного и эталонного изображений (фиг. 5). Выполнение операций способа дает следуюшие результаты:

W, 73; Ч,72,5; W, 72,667; У 72;

q *55 q 54,75; q 55,667 ° q

5,5;

S 6,502.

В случае правильного выбора порогового сигнала его сравнение с величиной. сигнала отличия дает нулевой результат. Повторение операций в P периодах видеосигнала изображения приводит к принятию решения об отличии исходного изображения от эталонного.

Способ позволяет дополнительно формировать сигнал R, пропорциональный смещению опознанного изображения относительно эталонного, равный

1 г

R - q,. п -

1238269

Для видеосигнала согласно фиг,4, К 55, что соответствует числу дис»

I кретов (координатам), на которое смещена каждая точка опознанного изображения относительно эталонного, Устройство для распознавания иэображения (фиг. 1) содержит блок

1 координатного опроса, блок 2 привязки и усиления, дискретизатор 3, компараторы 4-1-4-п блоки 5-1-5- -п совпадения, первый счетчик 6, синхронизатор 7, блок 8 программных установок, измерительный блок 9, запоминающие блоки IО-I-10-и первого эталонного сигнала; умиожители

Il-l-li-n, накапливающие сумматоры

12-l--12-р вычитатели 13-1+13-.п, запоминающие блоки 14-1-14-и второго эталонного сигнала, первый и второй коммутаторы 15 и 16, блок 17 вычи тания, блок 18 определения модуля, выходной накапливающий сумматор 19,; первый пороговый блок 20, второй счетчик 21 делитель 22 частоты и второй пороговый блок 23.

Блоки 5-I-5-п совпадения могут быть выполнены, например, на элементах И, число которых в каждом блоке S-1-5-п равно разрядности первого счетчика 6. Первые входы каждого элемента И соединены с соответствующим выходом одного из разрядов первого счетчика 6, а вторые входы элементов И объединены и .на них подается выходной сигнал соответствующего компаратора 4-1-4-п.

Блок 18 определения модуля .пред . ставляет собой -схему преобразователя прямых н дополнительных двоичных входных кодов в прямой код и может быть выполнен на последовательном соединении элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ и сумматора. Первый и второй коммутаторы 15 и 16 для каждого например первого, разряда входной информации, представляют собой синхронный коммутатор п » 1. Каждый из его И входов соединен с первым разрядом одного из и первых вычитателей 13-113-п. Коммутация входов на один выход осуществляется синхронно с им. пульсами синхронизации. Последовательность переключения входов жестко задана структурой коммутатора.

По импульсу на входе сброса осуще-. ствляется начальная предустановка, 50 компараторов 4-1-4-п, уровни срабаты вания любых соседних из которых от55

45 т,е, подключение к вьходу строго определенного входа. На выходе синхронизации первого коммутатора 15 сигнал появляется после коммутации по-! следиего входа. Далее процесс коммутации циклически повторяется.

Устройство работает следующим образом, Перед началом координатно"временного опроса яркостного рельефа иэображения блоком 1 координатного опроса осуществляемого по синхрониэирующим импульсам (фиг. 61, первый счетчик 6 устанавливается в состояние "0". Синхронизатор 7 генерирует непрерывную последовательность импульсов (фиг. бо), синхронную с синхроимпульсами блока 1 координатного- опроса (фиг. 6a}. Блок 8 программных установок формирует на втором выходе импульс установки "0" (фиг, 66), который обнуляет содержимое накапливающих сумматоров 12;1-.

12-п, выходного накапливающего су матора 19 и устанавливает в начальное состояние первый и второй коммутаторы 15 и 16, так, что первый и второй входы блока 17 вычитания подключаются к выходам соответствующих вычитателей 13-1-13-п.

В интервале времени 0-t„ (фиг,б) блок 1 координатного опроса производит координатно-временной опрос яркостного рельефа иэображения. Сигнал с его выхода усиливается и привязывается по уровню в блоке 2 привязки и усиления, причем коэффициент усиления задается с первого выхода блока 8 программных установок по измеренному измерительным блоком 9 размаху выходного сигнала блока 2 привязки и усиления. В дискретизаторе

3 видеосигнал дискретиэируется с периодом, определяемым периодом импульсов на тактовом. входе с выхода синхронизатора 7 (фиг. 65), Дискретизированный видеосигнал с выхода дискретиэатора 3 поступает на входы личаются на шаг квантования оУ, Выходные сигналы компараторов 4-1 >4-и поступают на первые входы соответствующих блоков 5-1-5-и совпадения, íа вторые входы которых поступает код номера дискрета (или координата) с первого счетчика б. Каждый блок

1238269

5-1-5-и совпадения осуществляет логическое. умножение .кода координаты

k на единичный дискретный видеосиг- нал соответствующего уровня U(k) квантования с выхода компаратора . 5

4-1-4-п. На выходах блоков 5-1-5-п совпадения образуются. сигналЫ (коды), пропорциональные моментам первого порядка единичнога дискретного видеосигнала каждого иэ уровней кванто« 10 вания, Эти сигналы в умножителях )1l-ll- w умножаются на соответствующие эталонные коэффициенты с выходов соответствующих запоминающих блоков !

0-1-10-ь, обратно пропорциональные 15 плотностям распределения видеосигнала эталонного изображения по уровням квантования Q(i), суммируются в соответствующих накапливающих сумматорах 12-1-12-а синхронно с 20 импульсами синхронизации (фиг, 65) на входах синхронизации, К концу координатно-временного опроса (момент t,, фкг. 6) в этих накапливающих сумматорах образуются сигналы, пропорциональные взвешенным моментам первого порядка дискретного видеосигнала на соответствующем уровне квантования W.

W =CI Р (k)..q(i).

К:1

В интервале времени t„ -й по синхронизирукицим импульсам (фиг.бо) первый счетчик 6 устанавливается в состояние "0", ка выходах запоминающих блоков 10-I-10-и появляются нулевые коды, а на выходах запоми нающих блоков 14-l-14-и появляются сигналы (коды), пропорциональные взвешенным моментам первого порядка щ эталонного изображения для соответствукицего. уровня квантования У< .

При этом содержимое накапливающих сумматоров 12-1- 12-и не увеличивается.(так. как íà его входах нулевые 415 сигналы), а на выходах вычислителей

13-1-13-n"oáðàýóþòñÿ разности сигэ

BaAo8 W и 1;.

q =*У -W.

g \

50, Коммутаторы 15, 16 по импульсам синхронизации с третьего выхода блока 8 программных установок (фиг.б ) подключают выходы вычитателей 13-1l3-w на первый и второй. входы блока 55

l7 вычитания, осуществляя перебор всех возможных сочетаний i(j) сигналов уровней кванТования. Число формируемых разностей на выходе блока 17 вычитания равно числу синхронизирующих импульсов с третьего выхода блока 8 программных установок и равно числу перестановок из i по 2.

Сигнал с выхода блока 17 вычитания через блок 18 определения модуля поступает на вход выходного накапливающего сумматора 19, где образу ется к моменту t сигнал отличия ис- .

% ходного и эталонного иэображений S и

ЗЕ C.!q. -q,! ° .1j1 . 4

Если исходное изображение есть несмещенное эталонное, то q, 0 и

SO. Если исходное иэображение есть смещенное эталонное, то все W< отличаются от Ю на одинаковую величину R пропорциональную смещению

q, R, à S 0. Если исходное иэобра1 жение отличается от эталонного, то

Ч,!1о„ и SICKO. В первом пороговом блоке 20 осуществляется сравнение сигнала Я априорно определенным, фиксированным. для данного эталонного иэображения, сигналом порога С;

Если сигнал порога С больше илк ра» вен сигналу отлкчия 5 с выходного накапливающего сумматора 19, то ка выходе первого порогового блока 20 появляется сигнал логической "!" и второй счетчик 21 увеличивает содержимое на единицу. После окончания синхроиизирующего импульса (фиг.ба) на выходах запоминающих блоков 10-1

10-и вновь появляются сигналы эталонных коэффициентов, на выходах sano минающих блоков 14-1-14-и появляются нулевые сигналы, коммутаторы !5, l6 по импульсу с второго выхода блока 8 программных установок (фиг.бб) устанавливаются в начальное состояние. Содержимое накапливающих сумма торов 12-1-12-ц и выходного иакап" ливающего сумматора 19 сбрасывает ся в "О", и блок I координатного опроса начинает новый цикл координатно-временного опроса яркостного рельефа того же изображения. К концу второго синхроимпульса (фиг бй) выходном накапливающем сумматоре 19 вновь формируется сигнал отличия S, который сравнивается в первом поро говом блоке.20 .с сигналом С, и в случае превышения С 3 S второй счетчик

21 вновь увеличивает содержимое на единицу. Далее процесс повторяется .

Р циклов. К моменту t„ (фиг. 6) во

1238269

10 втором пороговом блоке 23 выполняется сравнение содержимого второго счетчика 21 с пороговым числом И, которое меньше или равно Р и определяется априорно и постоянно для данного эталонного изображения. Если

М больше числа единиц, подсчитанных вторым счетчиком 21, то на выходе второго порогового блока 23 появля- 10 ется сигнал логической "1", характеризующий соответствие исходного изображения эталонному. Делитель 22 формирует импульс сброса второго счет1чика 21 (фиг, бд), и устройство го- 15 тово для распознавания следующего изображения.

Величина сигнала первого порога

С определяет допустимую степень отличия исходных изображений от эталон- 20 ного, а порог М определяет допустимую степень отличия в вероятностном плане. Иороги взаимозависимы, существует их оптимальное соответствие для требуемых вероятностей пра- . 25 вильного опознавания и ложного отождествления.

Устройство может формировать сигнал, пропорциональный координатам опОзнанного иэображения. Для этого 30 в него необходимо ввести сумматор выходных сигналов вычитателей 12-112-q и делитель образованной суммы на фиксированное число и.

Фо рмула изобретения

l. Способ распознавания иэображе» ний, включающий периодическое последовательное преобразование исходного 49 оптического изображения в видеосигнал, дискретизацию видеосигнала во времени, квантование видеосигнала на уровней, разделение видеосигнала на составляющих по уровням кван- 45 тования, преобразование видеосигнала а пороговое сравнение преобразованного видеосигнала, о т л и ч а юшийся тем, что, с целью повышения достоверности распознавания, 5р преобразование видеосигнала осуще- ствляют Р раз, после порогово

ro сравнения преобразованного видеосигнала осуществляют накопление с последующим допОлнительным пОРОГО- 55 вым сравнением, при этом IIpeo6pasoaa . ние видеосигнала выполняют путем последовательных амплитудной модуляции составляющих видеосигнала дис. кретно нарастающим сигналом, амплитудной модулЯцни КажДОй Из И Сос» тавлякщих видеосигнала, соответствующей составляющей первого эталонного сигнала, накощГения каждой составляющей амплитудно.-модулированного видеосигнала, уменьшения каждой .

R5 а составляющих накопленного видеосигнала на величину соответствующей составляющей второго эталонного сигнала, формирования разностного сигнала ошибки, детектирования сформированного сигнала ошибки и его накопления, 2. Способ по п. 1, о т л и ч аю шийся тем, что дискретно нарастающий сигнал формируют еинфаэно с видеосигналом, а его амплитуда пропорциональна временному положению .текущего дискрета видеосигнала.

3. Способ по и. ),. о т л ич а ю шийся тем, что каждая составляющая первого эталонного сигнала обратно пропорциональна плотности распределения видеосигнала эталонного изображения на соответствующем уровне квантования

4. Способ по п. 1, о .т л н ч аю шийся тем, что каждая составляющая второго эталонного сигнала пропорциональна взвешенному моменту первого порядка дискретного видеосигнала эталонного изображения для соответствующего уровня кванто.вания, 5. Способ по п. 1, о т л и ч аю шийся тем, .что формирование разностного сигнала ошибки осуществляют в соответствии с формулой

S--Е:Е:1(1.-q,), 1з1 I t 4 4 где. S — раэностной сигнал ошибки;

qi (j ) — уменьшенная i-я (j-я) составляющая:накопленного ,видеосигнала;

i (j ) — порядковый номер составляющей видеосигнала; - число составляющих видеосигнала.

6. Устройство для распознавания иэображений, содержащее последовательно .соединенные блок координатного Опроса, блок привязки и усиления, измерительный блок и блок программных установок, первый выход которого соединен с управляющим входом бло12 ка привязки и усиления, дискретиэатор, информационный, нход которого соединен с выходом блока привязки н усиления, тактовый вход — с выходом синхронизатора, а выход - с входами л- компараторов, выход каждого из которых подключен к первому входу соответствующего блока совпадения, накапливающих сумматоров, запоми- нающих. блоков первого эталонного сигнала, последовательно соединенные .выходной накапливающий сумматор и перный пороговый блок, о т л и ч аю щ е е с я тем, что, с целью повыщения достоверности распознавания, введены и умножителей, ь вычитателей, о запоминающих блоков второго эталонного сигнала, первый и второй коммутаторы, первый и второй счетчики, блок вычитания, блок определения модуля, второй пороговый блок и делитель частоты, прн этом первый вход каждого умыожителя подключен к выходу соотнетстнукщего блока совпадения, второй вход - к выходу соответствующего запоминаю" щего блока первого эталонного сигнала, а выход - к информационному входу соответствующего накапливающего сумматора, первый вход каждого нычи- . тателя подкМочен к выходу соответствующего накапливающего -сумматора, второй вход - к выходу соответствующего запоминающего блока второго эталонного сигнала, а выход - к со ответствующему входу первого и второго коммутаторов, выходы которых соединены соответственно с перным и вторым входами блока вычитания, 38269 12 ныход которого череэ блок определения,модуля подключен к информационному входу выходного накапливающего сумматора, вторые входы блокон совпадения объединены и подключены к . выходу первого счетчика, тактовый нход которого объединен с входами синхронизации накапливающих сумматоров, первым входом синхронизации блока программных установок и подключен к выходу. синхронизатора,, входы сброса накапливающих сумматоров, первого и второго коммутаторов и выходного накапливающего сумматора объединены и подключены к второму выходу блока программных установок, третий выход которого подключен к входу синхронизации выходного накаплинающего сумматора

N и входу синхронизации первого ком— мутатора, выход синхронизации которого соединен с нходои синхронизации второго .коммутатора, причем тактовый вход второго счетчика соединен с выходом первого порогового блока, вход сброса - с выходом де; лителя частоты, выход -. с входом второго порогового блока, выход которого является выходом устройЭО стна, а вход делителя частоты объединен с входами запоминающих блоков первого эталонного сигнала, запоминающих блоков второго эталонного сигнала, с нходои сброса первогоЗ5 счетчика, с вторым входом синхронизации блока программных установок, входом синхронизатора и подключен к выходу блока . координатного опроса, 4. 1238269 фиЯ. 3

1238269

Фьс. ю

Составитель Т.Афанасьева

Редактор М.Келемей Техред М.Ходанич Корректор Л;Патай

Тирак 624 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам иэобретений и открытий

il3035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Закаэ 3306/59

Проиэводственно-полиграфическое предприятие, г. ужгород, ул. Проектная, 4