Устройство формирования и обработки сигналов изображения

Изобретение относится к технике телевидения и может быть использовано в оптико-электронных системах обработки информации и распознавания. Техническим результатом является выполнение обработки сигналов изображения, обеспечивающее выделение признаков формы объектов для их последующего распознавания одновременно с формированием изображения. Технический результат достигается тем, что в результате дискретного накопления зарядов, фотогенерированных под воздействием проецируемого изображения в потенциальных ямах ПЗС, осуществляют выделение признаков формы объектов, основанное на преобразовании главных компонент или разложении Карунена-Лоэва. Время накопления в каждой точке изображения пропорционально отсчетам матрицы преобразования.1 ил.

 

Изобретение относится к технике телевидения и может быть использовано в оптико-электронных системах обработки информации и распознавания.

Известно устройство формирования сигналов изображения, состоящее из матрицы ПЗС, синхрогенератора и видеоконтрольного блока, принцип действия которого основан на преобразовании оптического сигнала в видеосигнал изображения с помощью ПЗС. Недостатком данного устройства является невозможность осуществления каких-либо операций по обработке изображения в процессе его формирования.

Известно также устройство, принятое за прототип /Adaptive sensivity CCD image sensor /Chen Sarit, Ginosar Ran // Proc. 12^th IAPR Int. Conf. Pattern Recognition, Jerusalem, Oct. 9-13, 1994. Vol. 3. Conf. С and D. - Los Alamitos (Calif.) etc., 1994. - P. 363-365/, состоящее из матрицы ПЗС, синхрогенератора, видеоконтрольного блока, устройства управления и измерителя уровня освещенности, представляющее собой адаптивный чувствительный твердотельный приемник изображения на ПЗС, чувствительность каждого пикселя которого регулируется путем изменения времени накопления таким образом, что он работает в линейном диапазоне спектральной характеристики ПЗС, что обеспечивает более широкий динамический диапазон, а следовательно, позволяет ПЗС, подобно человеческому глазу, детально отображать картинку на ярких и темных участках изображения. Недостатком данного устройства также является невозможность осуществления каких-либо операций обработки изображения, помимо его формирования.

Техническим результатом изобретения является расширение функциональных возможностей устройства формирования сигналов изображения путем вычисления признаков формы объекта на изображении в процессе его формирования.

Сущность изобретения состоит в том, что в устройство, содержащее первую матрицу ПЗС, состоящую из секции накопления, секции памяти и выходного регистра, синхрогенератор, видеоконтрольный блок, измеритель уровня освещенности, устройство управления, причем измеритель уровня освещенности подключен к входу устройства управления, выход устройства управления подключен к входу синхрогенератора, первый выход синхрогенератора подключен к входу секции накопления первой матрицы ПЗС, второй выход синхрогенератора подключен к входу секции памяти, а третий выход синхрогенератора подключен к входу выходного регистра первой матрицы ПЗС, четвертый выход синхрогенератора подключен к входу видеоконтрольного блока, дополнительно введены оптическая система, устройство смещения светового потока и вторая матрица ПЗС, состоящая из секции накопления, секции памяти и выходного регистра, причем оптическая система оптически связана с секцией накопления первой матрицы ПЗС, с измерителем уровня освещенности и с устройством смещения светового потока, устройство смещения светового потока оптически связано с секцией накопления второй матрицы ПЗС, первый выход устройства управления подключен к входу устройства смещения светового потока, второй выход устройства управления подключен к входу синхрогенератора, пятый выход синхрогенератора подключен к входу секции накопления второй матрицы ПЗС, шестой выход синхрогенератора подключен к входу секции памяти, а седьмой выход синхрогенератора подключен к входу выходного регистра второй матрицы ПЗС.

Оптическая система содержит

Устройство смещения светового потока использует явление электрооптического эффекта Керра и содержит призму из электрооптического материала с нанесенными на ее торцевых гранях металлическими электродами, к которым прикладывается управляющее напряжение. /Верещагин И.К., Косяченко Л.А., Конин С.М. Введение в оптоэлектронику: Учеб. пособие для ВТУЗов.-М.: Высш.шк., 1991.-191 с./.

На чертеже изображена структурная схема устройства формирования и обработки сигналов изображения.

Устройство формирования и обработки сигналов изображения содержит первую матрицу 1 ПЗС, состоящую из секции 2 накопления, секции 3 памяти и выходного регистра 4, синхрогенератор 5, вторую матрицу 6 ПЗС, состоящую из секции 7 накопления, секции 8 памяти и выходного регистра 9, устройство 10 управления, видеоконтрольный блок 11, измеритель уровня освещенности 12, устройство 13 смещения светового потока и оптическую систему 14.

Устройство формирования и обработки сигналов изображения работает следующим образом. Формирование собственно изображения и выделение признаков производится параллельно.

Формирование собственно изображения происходит следующим образом. Через оптическую систему 14 изображение проецируется на секцию 2 накопления первой матрицы ПЗС 1, где происходит накопление заряда в ячейках под воздействием света, причем величина накопленного заряда пропорциональна освещенности ячейки. По окончании периода накопления зарядовое изображение кадра под действием фазных импульсов напряжения, поступающих с синхрогенератора, быстро сдвигается из секции накопления в секцию 3 памяти, экранированную от воздействия света. После этого в секции накопления начинается процесс накопления следующего кадра, а из секции памяти сигнал изображения под действием фазных импульсов напряжения, поступающих с синхрогенератора, через выходной регистр 4 поступает на вход видеоконтрольного блока 11 (Приборы с зарядовой связью./Под ред. М.Хоувза и Д.Моргана: Пер. с англ.-М.:Энергоиздат, 1981.-376 с., стр.300-304, 313-316). Видеоконтрольный блок имеет также вход, на который поступают сигналы синхронизации с синхрогенератора 5.

Операция выделения признаков основана на преобразовании главных компонент или преобразовании Карунена-Лоэва (Ахмед Н., Рао К.Р. Ортогональные преобразования при обработке цифровых сигналов. Пер. с англ./ Под ред. И.Б.Фоменко. - М.: Связь, 1980.-248 с.). Значение r-го признака объекта определяется выражением

где u(m,n) - текущее изображение, r - номер признака, r=1...R, где R - количество признаков;

N - размер изображения,

ϕ^(r)(m,n) - отсчеты матрицы преобразования для r-го признака, определяемые известным способом (Ахмед Н., Рао К.Р. Ортогональные преобразования при обработке цифровых сигналов. Пер. с англ./ Под ред. И.Б.Фоменко. - М.:Связь, 1980. - 248 с., Пахомов А.Н., Суконкин И.А. Выделение информативных признаков объектов на изображении посредством дискретно-аналоговых вычислительных сред. Радиотехника (журнал в журнале) - №5 - 2002 г.).

Выражение (1) эквивалентно свертке сигнала изображения с отсчетами матрицы преобразования и реализуется следующим образом.

Оптический сигнал, отраженный от сцены, через оптическую систему 14 и устройство 13 смещения светового потока поступает на секцию 7 накопления второй матрицы 6 ПЗС, в которой под действием фазных импульсов напряжения, поступающих с трехфазного выхода 5 синхрогенератора 5, осуществляется дискретное накопление фотогенерированных зарядов. Причем длительность фазных импульсов синхрогенератора 5 задается сигналами с выхода 2 устройства 10 управления с учетом значений отсчетов ϕ^(r)(m,n) матрицы преобразования, хранимых в памяти устройства 10 управления, и максимального уровня освещенности Ф_max проецируемого на ПЗС изображения, измеряемого посредством измерителя 12 уровня освещенности, на вход которого поступает световой поток от оптической системы 14, а выход которого подключен ко входу устройства 10 управления, реализованного на базе микропроцессора.

При этом интервал Тн_m,n времени накопления определяется для каждой ячейки второй матрицы 6 ПЗС выражением

где m, n - дискретные координаты ячейки;

η - коэффициент, ограничивающий уровень заполнения потенциальных ям, η=0,5...0,7;

ΔU_пов - изменение поверхностного потенциала под управляющим электродом ПЗС;

С_0х - емкость окисла;

Ф_max - максимальный уровень освещенности проецируемого на ПЗС изображения.

Таким образом, в каждой ячейке секции 7 накопления второй матрицы 6 ПЗС накапливается фотогенерированный заряд, пропорциональный величине отсчета матрицы преобразования для данной точки. Для организации суммирования по всем точкам в соответствии с выражением (1) необходимо осуществлять сдвиг зарядовых пакетов относительно изображения или перенос проецируемого оптической системой 14 изображения относительно секции 7 накопления второй матрицы 6 ПЗС. Перенос входного сигнала осуществляет устройство 13 смещения светового потока, электрический вход которого подключен к выходу 1 устройства 10 управления.

После выполнения операции вычисления одного признака согласно выражению (1) результат свертки изображения с отсчетами матрицы преобразования из секции 7 накопления второй матрицы 6 ПЗС переводится в секцию 8 памяти второй матрицы 6 ПЗС под действием фазных управляющих импульсов, поступающих с трехфазных выходов 5,6 синхрогенератора 5 на секции 7 накопления и 8 памяти второй матрицы 6 ПЗС соответственно. После этого в секции 7 накопления второй матрицы 6 ПЗС начинается вычисление следующего признака, а из ее секции 8 памяти результат обработки переводится в выходной регистр 9 второй матрицы 6 ПЗС, выход которого является выходом устройства.

Таким образом, устройство формирования и обработки сигналов изображения позволяет одновременно формировать изображение и осуществлять выделение признаков объектов для их автоматического или автоматизированного распознавания.

Устройство формирования и обработки сигналов изображения, содержащее первую матрицу ПЗС, состоящую из секции накопления, секции памяти и выходного регистра, синхрогенератор, видеоконтрольный блок, измеритель уровня освещенности, устройство управления, причем измеритель уровня освещенности подключен к входу устройства управления, второй выход устройства управления подключен к входу синхрогенератора, первый выход синхрогенератора подключен к входу секции накопления первой матрицы ПЗС, второй выход синхрогенератора подключен к входу секции памяти, а третий выход синхрогенератора подключен к входу выходного регистра первой матрицы ПЗС, четвертый выход синхрогенератора подключен к входу видеоконтрольного блока, отличающееся тем, что в него введены оптическая система, устройство смещения светового потока и вторая матрица ПЗС, состоящая из секции накопления, секции памяти и выходного регистра, причем оптическая система оптически связана с секцией накопления первой матрицы ПЗС, с измерителем уровня освещенности и с устройством смещения светового потока, устройство смещения светового потока оптически связано с секцией накопления второй матрицы ПЗС, первый выход устройства управления подключен к входу устройства смещения светового потока, пятый выход синхрогенератора подключен к входу секции накопления второй матрицы ПЗС, шестой выход синхрогенератора подключен к входу секции памяти, а седьмой выход синхрогенератора подключен к входу выходного регистра второй матрицы ПЗС, причем выход выходного регистра второй матрицы ПЗС является выходом устройства.