Устройство выделения контуров объектов на изображении
Владельцы патента RU 2362210:
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Курский государственный технический университет (RU)
Изобретение относится к области распознавания образов и может быть использовано в системах технического зрения при решении задач предварительной обработки изображения. Техническим результатом является повышение быстродействия выделения контуров объектов на изображении. В устройство выделения контуров объектов, содержащее датчик изображения, блок выделения кадрового и строчного импульсов, аналого-цифровой преобразователь, генератор, цифровой сигнальный процессор, оперативное запоминающее устройство, введены селектор, блок фильтрации, блок пространственного дифференцирования, буферная память блока фильтрации, буферная память блока пространственного дифференцирования, соединенные между собой так, как указано в формуле изобретения. Повышение быстродействия достигается за счет аппаратной реализации операции фильтрации и пространственного дифференцирования в соответствующих блоках устройства. 1 ил.
Изобретение относится к области распознавания образов и может быть использовано в системах технического зрения при решении задач предварительной обработки изображения.
Известно устройство для обработки изображения [патент РФ 2251735 С2, опубл. 10.05.2005, бюл. №13], содержащее датчик изображения, блок выделения кадрового и строчного импульсов, генератор, аналого-цифровой преобразователь, цифровой сигнальный процессор, блок управления исполнительными механизмами робота. Цифровой сигнальный процессор осуществляет обработку изображения, заключающуюся в повышении яркости и контрастности изображения, переводе полутонового изображения в двухградационное, выделении контуров, выделении объектов, определении положения объектов.
Недостатком этого устройства является низкая скорость функционирования из-за выполнения основных процедур обработки изображения цифровым сигнальным процессором.
Наиболее близким к предлагаемому является бинокулярное устройство для диагностики тромбоза глубоких вен голени [патент РФ 2305487 С1, опубл. 10.09.2007, бюл. №25], содержащее первый датчик изображения, второй датчик изображения, элемент НЕ, первый ключ, второй ключ, генератор, блок выделения кадрового и строчного импульсов, аналого-цифровой преобразователь, контроллер ввода данных, демультиплексор, регистр, цифровой сигнальный процессор, оперативное запоминающее устройство, блок индикации. Выполняется предварительная обработка изображения голени, которая состоит из пяти операций: сглаживание изображения голени с помощью метода регуляризации Тихонова; пространственное дифференцирование сглаженного изображения с помощью оператора Собела; скелетизация контурных линий объектов на градиентном изображении с использованием метода подавления точек немаксимальной яркости; бинаризация скелетного градиентного изображения при помощи порогового оператора с гистерезисом.
Недостатком устройства является низкое быстродействие.
Технической задачей устройства является повышение быстродействия выделения контуров объектов на изображении.
Техническая задача решается тем, что в устройство, содержащее датчик изображения, блок выделения кадрового и строчного импульсов (БВКСИ), аналого-цифровой преобразователь (АЦП), генератор, цифровой сигнальный процессор (ЦСП), оперативное запоминающее устройство (ОЗУ), причем выход датчика изображения подключен ко входу БВКСИ и к аналоговому входу AS АЦП, выход генератора соединен со входом синхронизации АЦП, входы-выходы шины памяти ЦСП соединены с соответствующими входами-выходами ОЗУ, введены блок фильтрации, блок пространственного дифференцирования, буферная память блока фильтрации, буферная память блока пространственного дифференцирования, контроллер USB, причем выходы кадрового FSI и строчного SSI импульсов БВКСИ подключены ко входам нулевого INT0 и первого INT1 прерывания ЦСП соответственно, информационный выход D и выход готовности данных RDY АЦП подключены к информационному входу D и входу второго прерывания INT2 ЦСП соответственно; выход записи/чтения WR шины ускорителей ЦСП соединен с соответствующими входами буферной памяти блока фильтрации, буферной памяти блока пространственного дифференцирования и с соответствующими выходами блока фильтрации и блока пространственного дифференцирования; выход сигнала запуска блока фильтрации FST шины ускорителей ЦСП подключен ко входу запуска FST блока фильтрации; выход сигнала запуска блока пространственного дифференцирования SDST шины ускорителей ЦСП подключен ко входу запуска SDST блока пространственного дифференцирования; выход готовности данных RDY1 шины ускорителей ЦСП подключен ко входу готовности данных RDY буферной памяти блока фильтрации и к соответствующему выходу блока фильтрации; выход готовности данных RDY2 шины ускорителей ЦСП подключен ко входу готовности данных RDY буферной памяти блока пространственного дифференцирования и соответствующему выходу блока пространственного дифференцирования; линии данных D шины ускорителей ЦСП подключены к линиям данных D буферной памяти блока фильтрации, к линиям данных D буферной памяти блока пространственного дифференцирования и к соответствующим линиям блока фильтрации и блока пространственного дифференцирования; выходы линий адреса А шины ускорителей ЦСП подключены к линиям адреса буферной памяти блока фильтрации, к линиям адреса А буферной памяти блока пространственного дифференцирования и к соответствующим выходным линиям блока фильтрации и блока пространственного дифференцирования; выход готовности данных FR блока фильтрации соединен со входом готовности данных блока фильтрации FR шины ускорителей ЦСП; выход готовности данных SDR блока пространственного дифференцирования соединен со входом готовности данных SDR шины ускорителей ЦСП; входы-выходы DC шины контроллера ЦСП соединены с соответствующими входами-выходами USB контроллера, входы-выходы D+ и D- которого подключены к шине USB.
Сущность изобретения поясняется чертежом, где представлена структурная схема устройства выделения контуров объектов на изображении.
Устройство выделения контуров объектов на изображении содержит датчик изображения 1, блок выделения кадрового и строчного импульсов (БВКСИ) 2, аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 3, генератор 4, оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) 5, цифровой сигнальный процессор (ЦСП) 6, буферную память блока фильтрации 7, буферную память блока пространственного дифференцирования 8, блок фильтрации 9, блок пространственного дифференцирования 10, контроллер USB 11, причем выход датчика изображения 1 подключен ко входу БВКСИ 2 и к аналоговому входу AS АЦП 3, выходы кадрового FSI и строчного SSI импульсов БВКСИ 2 подключены ко входам нулевого INT0 и первого INT1 прерывания ЦСП 6 соответственно, выход генератора 4 соединен со входом синхронизации CLK АЦП 3, чей информационный выход D и выход готовности данных RDY подключены к информационному входу D и входу второго прерывания INT2 ЦСП 6 соответственно; входы-выходы шины памяти ЦСП 6 соединены с соответствующими входами-выходами ОЗУ 5; выход записи/чтения WR шины ускорителей ЦСП 6 соединен с соответствующими входами буферной памяти блока фильтрации 7 и буферной памяти блока пространственного дифференцирования 8, а также с соответствующими выходами блока фильтрации 9 и блока пространственного дифференцирования 10; выход сигнала запуска блока фильтрации FST шины ускорителей ЦСП 6 подключен ко входу запуска FST блока фильтрации 9; выход сигнала запуска блока пространственного дифференцирования SDST шины ускорителей ЦСП 6 подключен ко входу запуска SDST блока пространственного дифференцирования 10; выход готовности данных RDY1 шины ускорителей ЦСП 6 подключен ко входу готовности данных RDY буферной памяти блока фильтрации 7 и к соответствующему выходу блока фильтрации 9; выход готовности данных RDY2 шины ускорителей ЦСП 6 подключен ко входу готовности данных RDY буферной памяти блока пространственного дифференцирования 8 и соответствующему выходу блока пространственного дифференцирования 10; линии данных D шины ускорителей ЦСП 6 подключены к линиям данных D буферной памяти блока фильтрации 7, к линиям данных D буферной памяти блока пространственного дифференцирования 8 и к соответствующим линиям блока фильтрации 9 и блока пространственного дифференцирования 10; выходы линии адреса А шины ускорителей ЦСП 6 подключены к линиям адреса буферной памяти блока фильтрации 7, к линиям адреса А буферной памяти блока пространственного дифференцирования 8 и к соответствующим выходным линиям блока фильтрации 9 и блока пространственного дифференцирования 10; выход готовности данных FR блока фильтрации 9 соединен со входом готовности данных блока фильтрации FR шины ускорителей ЦСП 6; выход готовности данных SDR блока пространственного дифференцирования 10 соединен со входом готовности данных SDR шины ускорителей ЦСП 6; входы-выходы DC шины контроллера ЦСП 6 соединены с соответствующими входами-выходами USB контроллера 11, входы-выходы D+ и D- которого подключены к шине USB.
Устройство работает следующим образом.
Изображение фиксируется датчиком изображения 1, переводящим его в телевизионный сигнал. С выхода датчика изображения 1 видеосигнал поступает на вход БВКСИ 2 и информационный вход AS АЦП 3. При появлении кадрового синхроимпульса на выходе FSI БВКСИ 2 формирует сигнал начала кадра, по которому ЦСП 6 переходит в состояние ожидания подтверждения данных. По окончании строчного синхроимпульса SSI БВКСИ 2 выдает на вход ЦСП 6 сигнал подтверждения данных, по которому ЦСП 6 выполняет последовательное считывание строки изображения с информационного выхода D АЦП 3 в ОЗУ 5. Таким образом, вводится весь кадр. Обработка изображений ведется параллельно со вводом следующего кадра. Алгоритм обработки изображений включает в себя следующие операции: фильтрацию, пространственное дифференцирование, скелетизацию и пороговую обработку. При работе с буферной памятью блока фильтрации 7 и буферной памятью блока пространственного дифференцирования 8 ЦСП 6 выставляет на выходы FST и SDST шины ускорителей логический ноль, тем самым переводя линии данных D, линии адреса А, линии чтения/записи WR и линии готовности данных RDY блока фильтрации 9 и блока пространственного дифференцирования 10 в высокоимпедансное состояние.
При фильтрации ЦСП 6 передает пять смежных строк изображения в буферную память блока фильтрации 7, для чего на выходе сигнала записи/чтения WR шины ускорителей ЦСП 6 выставляет логическую единицу, которая поступает на соответствующий вход буферной памяти блока фильтрации 7. ЦСП 6 выставляет адрес на линии адреса А и данные на линии данных D шины ускорителей и выставляет логическую единицу на выходе готовности данных RDY1 шины ускорителей, которая подается на вход готовности данных RDY буферной памяти блока фильтрации 7. По этому сигналу буферная память блока фильтрации 7 записывает данные с линии данных D в ячейку, адрес которой передается по линиям адреса А. Таким образом, в буферную память блока фильтрации 7 записываются пять смежных строк изображения. По окончании записи строк изображения в буферную память блока фильтрации 7 ЦСП 6 переводит линии данных D, линии адреса А, линию чтения/записи WR и линии готовности данных RDY1, RDY2 шины ускорителей в высокоимпедансное состояние, а на выходе запуска блока фильтрации FST шины ускорителей ЦСП 6 формирует логическую единицу, которая поступает на соответствующий вход блока фильтрации 9, тем самым снимая высокоимпедансное состояние с линий данных D, линий адреса А, линии чтения/записи WR и линии готовности данных RDY блока фильтрации 9. На основании пяти строк изображения, находящихся в буферной памяти блока фильтрации 7, блок фильтрации 9 формирует результирующую строку отфильтрованного изображения по формуле
где NT - размер маски, 
- маска свертки
Блок фильтрации 9 записывает обработанную строку в буферную память блока фильтрации 7. Таким образом, вычисления, производимые блоком фильтрации 9, сводятся к операциям умножения и сложения, выполняемые с помощью сдвиговых регистров, сумматоров и логических элементов, что позволяет реализовать блок фильтрации 9 на ПЛИС. По завершении операции фильтрации блок фильтрации 9 выставляет на выходе готовности данных FR логическую единицу, поступающую на вход готовности данных FR шины ускорителей ЦСП 6, по которой ЦСП 6 снимает логическую единицу с выхода FST шины ускорителей, тем самым переводя линии данных D, линии адреса А, линию чтения/записи WR и линию готовности данных RDY блока фильтрации 9 в высокоимпедансное состояние, затем ЦСП 6 снимает высокоимпедансное состояние с линий данных D, линий адреса А, линии чтения/записи WR и линий готовности данных RDY1, RDY2 шины ускорителей и считывает результирующую строку отфильтрованного изображения, для чего на выходе сигнала записи/чтения WR шины ускорителей ЦСП 6 выставляет логический ноль, адрес на линии адреса А шины ускорителей и логическую единицу - на выходе готовности данных RDY1 шины ускорителей, которая поступает на вход готовности данных RDY буферной памяти блока фильтрации 7. По этому сигналу ЦСП 6 считывает данные по линиям данных D из ячейки буферной памяти блока фильтрации 7, адрес которой передается по линиям адреса А. Таким образом, считывается вся результирующая строка и записывается в ОЗУ 5.
При пространственном дифференцировании ЦСП 6 передает три смежные строки изображения в буферную память блока пространственного дифференцирования 8, для чего на выходе сигнала записи/чтения WR шины ускорителей ЦСП 6 выставляет логическую единицу, которая поступает на соответствующий вход буферной памяти блока пространственного дифференцирования 8. ЦСП 6 выставляет адрес на линии адреса А и данные на линии данных D шины ускорителей и выставляет логическую единицу на выходе готовности данных RDY2 шины ускорителей, которая подается на вход готовности данных RDY буферной памяти блока пространственного дифференцирования 8. По этому сигналу буферная память блока пространственного дифференцирования 8 записывает данные с линии данных D в ячейку, адрес которой передается по линиям адреса А. Таким образом, в буферную память блока пространственного дифференцирования 8 записываются три смежные строки изображения. По окончании записи строк изображения в буферную память блока пространственного дифференцирования 8 ЦСП 6 переводит линии данных D, линии адреса А, линию чтения/записи WR и линию готовности данных RDY шины ускорителей в высокоимпедансное состояние, а на выходе запуска блока пространственного дифференцирования SDST шины ускорителей ЦСП 6 формирует логическую единицу, которая поступает на соответствующий вход блока пространственного дифференцирования 10, тем самым снимая высокоимпедансное состояние с линий данных D, линий адреса А, линии чтения/записи WR и линии готовности данных RDY блока пространственного дифференцирования 10. На основании трех строк изображения, находящихся в буферной памяти блока пространственного дифференцирования 8, блок пространственного дифференцирования 10 формирует результирующую строку обработанного изображения по формуле
где dx(x,y), dy(x,y) - результаты свертки изображения I' с горизонтальной Нx и вертикальной Нy масками соответственно
Блок пространственного дифференцирования 10 записывает обработанную строку в буферную память блока пространственного дифференцирования 8. Таким образом, вычисления, производимые блоком пространственного дифференцирования 10, сводятся к операциям сложения, выполняемым с помощью сумматоров и логических элементов, что позволяет реализовать блок пространственного дифференцирования 10 на ПЛИС. По завершении операции пространственного дифференцирования блок пространственного дифференцирования 10 выставляет на выходе готовности данных SDR логическую единицу, по которой ЦСП 6 снимает логическую единицу с выхода FST шины ускорителей, тем самым переводя линии данных D, линии адреса А, линию чтения/записи WR и линию готовности данных RDY блока пространственного дифференцирования 10 в высокоимпедансное состояние, затем ЦСП 6 снимает высокоимпедансное состояние с линий данных D, линий адреса А, линии чтения/записи WR и линий готовности данных RDY1, RDY2 шины ускорителей и считывает результирующую строку преобразованного изображения, для чего на выходе сигнала записи/чтения WR шины ускорителей ЦСП 6 выставляет логический ноль, адрес на линии адреса А шины ускорителей и логическую единицу - на выходе готовности данных RDY2 шины ускорителей, которая поступает на вход готовности данных RDY буферной памяти блока пространственного дифференцирования 8. По этому сигналу ЦСП 6 считывает данные с линии данных D из ячейки буферной памяти блока пространственного дифференцирования 8, адрес которой передается по линиям адреса А. Таким образом, считывается вся результирующая строка и записывается в ОЗУ 5.
Операции скелетизации и бинаризации полностью выполняются процессором.
Предложенное решение позволяет повысить быстродействие за счет аппаратной реализации операции фильтрации и пространственного дифференцирования в соответствующих блоках устройства.
Устройство выделения контуров объектов, содержащее датчик изображения, блок выделения кадрового и строчного импульсов (БВКСИ), аналого-цифровой преобразователь (АЦП), генератор, цифровой сигнальный процессор (ЦСП), оперативное запоминающее устройство (ОЗУ), причем выход датчика изображения подключен ко входу БВКСИ и к аналоговому входу AS АЦП, выход генератора соединен со входом синхронизации CLK АЦП, входы-выходы шины памяти ЦСП соединены с соответствующими входами-выходами ОЗУ, отличающееся тем, что в устройство введены блок фильтрации, блок пространственного дифференцирования, буферная память блока фильтрации, буферная память блока пространственного дифференцирования, контроллер USB, причем выходы кадрового FSI и строчного SSI импульсов БВКСИ подключены ко входам нулевого INTO и первого INT1 прерывания ЦСП соответственно, информационный выход D и выход готовности данных RDY АЦП подключены к информационному входу D и входу второго прерывания INT2 ЦСП соответственно; выход записи/чтения WR шины ускорителей ЦСП соединен с соответствующими входами буферной памяти блока фильтрации, буферной памяти блока пространственного дифференцирования и с соответствующими выходами блока фильтрации и блока пространственного дифференцирования; выход сигнала запуска блока фильтрации FST шины ускорителей ЦСП подключен ко входу запуска FST блока фильтрации; выход сигнала запуска блока пространственного дифференцирования SDST шины ускорителей ЦСП подключен ко входу запуска SDST блока пространственного дифференцирования; выход готовности данных RDY1 шины ускорителей ЦСП подключен ко входу готовности данных RDY буферной памяти блока фильтрации и к соответствующему выходу блока фильтрации; выход готовности данных RDY2 шины ускорителей ЦСП подключен ко входу готовности данных RDY буферной памяти блока пространственного дифференцирования и соответствующему выходу блока пространственного дифференцирования; линии данных D шины ускорителей ЦСП подключены к линиям данных D буферной памяти блока фильтрации, к линиям данных D буферной памяти блока пространственного дифференцирования и к соответствующим линиям блока фильтрации и блока пространственного дифференцирования; выходы линий адреса А шины ускорителей ЦСП подключены к линиям адреса буферной памяти блока фильтрации, к линиям адреса А буферной памяти блока пространственного дифференцирования и к соответствующим выходным линиям блока фильтрации и блока пространственного дифференцирования; выход готовности данных FR блока фильтрации соединен со входом готовности данных блока фильтрации FR шины ускорителей ЦСП; выход готовности данных SDR блока пространственного дифференцирования соединен со входом готовности данных SDR шины ускорителей ЦСП; входы-выходы DC шины контроллера ЦСП соединены с соответствующими входами-выходами USB контроллера, входы-выходы D+ и D- которого подключены к шине USB.
