Способ измерения параметров энергетического спектра изображения

Изобретение относится к области обработки многомерных сигналов и может быть использовано при анализе и синтезе фильтров для обработки изображений. Входное изображение в оцифрованном виде подают в канал измерения входной энергии и каналы измерения параметров энергетического спектра. В каналах измерения параметров энергетического спектра вычисляют попарные произведения отсчетов яркости. Накапливают получаемые произведения по мере обработки всего сигнала изображения, и удваивают их. Далее в канале измерения входной энергии вычисляют произведения отсчетов яркости входного изображения с одинаковыми индексами, которые подают в блок накопления формирующей суммы и блок накопления, в котором накапливают получаемые произведения по мере обработки всего сигнала изображения и удваивают их. Формирующую сумму вычитают из накопленных сумм каждого канала измерения параметров, используя значение энергии входного сигнала и значения разностей с выходов каждого канала измерения, рассчитывают значения параметров энергетического спектра изображения. Достоинством данного изобретения является возможность измерять параметры энергетического спектра сигнала в режиме реального времени. 3 ил.

 

Изобретение относится к области обработки многомерных сигналов и может быть использовано при анализе и синтезе фильтров для обработки изображений, а также при построении систем технического зрения.

Техническим результатом изобретения является возможность получения параметров энергетического спектра сигнала изображения.

Сущность изобретения заключается в том, что входное изображение в оцифрованном виде подают в канал измерения входной энергии и каналы измерения параметров энергетического спектра соответственно индексам (i,j); в каналах измерения параметров энергетического спектра вычисляют попарные произведения отсчетов яркости, соответствующие измерению параметра с индексом (i,j), накапливают получаемые произведения по мере обработки всего сигнала изображения и удваивают их; в канале измерения входной энергии вычисляют произведения отсчетов яркости входного изображения с одинаковыми индексами, которые подают в блок накопления формирующей суммы и блок накопления, в котором накапливают получаемые произведения по мере обработки всего сигнала изображения и удваивают их; формирующую сумму вычитают из накопленных сумм каждого канала измерения параметров; используя значение энергии входного сигнала и значения разностей с выходов каждого из (i,j) каналов измерения, рассчитывают значения параметров по формуле

где β_k,l - отсчет яркости входного изображения, соответствующий пикселю с координатами (k,l); М и N - целые числа, определяющие размер входного изображения; [В] - антье числа В, т.е. целая часть числа, не превосходящая самого числа;

, ,

пиксель с координатой (0,0) находится в левом нижнем углу изображения.

Сущность изобретения подтверждается следующими рассуждениями.

Известный критерий эффективности обработки изображений, позволяющий оценить эффективность фильтрации и который может быть использован для анализа и синтеза линейных двумерных фильтров, предполагает знание коэффициентов разложения входного изображения в двумерный ряд Фурье по косинусам (параметров энергетического спектра входного изображения) (Богословский А.В., Жигулина И.В. Эффективность многомерной дискретной фильтрации. - Радиотехника, 2008, №4, с.11-16).

Измерение параметров энергетического спектра входного изображения производится для определения значений отсчетов импульсной характеристики (ИХ) фильтра, позволяющего производить фильтрацию с требуемой эффективностью.

Выражение для эффективности фильтрации имеет вид

где Е_вых и Е_вх - энергия сигнала изображения на выходе и входе фильтра соответственно; и - энергетические спектры выходного и входного изображения; φ_x и φ_y - нормированные пространственные частоты (Богословский А.В. Жигулина И.В. Эффективность многомерной дискретной фильтрации. - Радиотехника, 2008, №4, с.11-16).

Отсчеты ИХ фильтра α_i,j, производящего обработку изображения и параметры энергетического спектра входного изображения связаны через эффективность фильтрации следующим соотношением

i+j≠0

где a,b,c и d - целые положительные числа (b и d могут быть равно нулю), определяющие размер апертуры фильтра; α_l,m - веса, с которыми выборки входного сигнала формируют отсчеты выходного сигнала;

- нормированные к входной энергии параметры энергетического спектра входного изображения.

Энергетический спектр в общем случае обладает центральной симметрией

Необходимо использовать только параметры s_i,j, для которых i - неположительно. Если i=0, то j - неположительно. Всего таких параметров необходимо иметь [(a+b+1)(c+d+1)+(a+b)(c+d)].

Из выражения (2), с учетом выражения (3), следует система для нахождения стационарных точек функции e

где - производная функции е по переменной (Богословский А.В. Жигулина И.В. Эффективность многомерной дискретной фильтрации. - Радиотехника, 2008, №4, с.11-16).

Система (4) является линейной однородной системой (а+b+1)(c+d+1) уравнений. Для того чтобы она имела нетривиальное решение, необходимо и достаточно, чтобы матрица системы, составленная из параметров s_i,j, была вырождена (Корн Т., Корн Г. Справочник по математике для научных работников и инженеров. Под. ред. Абрамовича ПГ. //М.: - Наука .- 1974. - С.46-47, 393).

Матрица системы (4) является квадратной, симметрической и имеет порядок [(a+b+1)(c+d+1)].

На Фиг.1 показана матрица системы (4) для a=b-c=d=1. При этом у всех элементов

s_i,j, расположенных выше главной диагонали, изменены индексы в соответствии с правилом (3).

Для синтеза фильтров необходимо сначала определить условия, при которых ранг матрицы системы (4) меньше, чем (a+b+1)(c+d+1), а затем из выражения (4) найти отсчеты ИХ фильтра.

Таким образом, задача сводится к измерению параметров энергетического спектра входного изображения.

На Фиг.2 показано расположение параметров энергетического спектра входного изображения в зависимости от апертуры фильтра.

Если фильтрация осуществляется фильтром с апертурой (2×2) (при этом а=1, b=0, с=1, d=0), то необходимо знать пять параметров энергетического спектра входного изображения, которые занимают на фиг.2 область 1. При фильтрации (3×3) - фильтром (a=b=c=d=1) дополнительно надо иметь значения параметров, которые занимают область 2 на фиг.2. Для (4×4) - фильтра (а=2, b=1, с=2, d=1) - добавляются параметры из области 3 на фиг.2, и т.д.

Величины параметров из областей 1, 2, 3 и т.д. на фиг.2 можно получать при помощи фильтров, обладающих соответствующей апертурой ((2×2), (3×3), (4×4) и т.д.), при этом необходимо использовать двухпараметрическую фильтрацию. В этом случае функционал эффективности имеет вид

где α и γ - значения отсчетов ИХ фильтра, а величины А, В и С определяются из матрицы системы (4) (Богословский А.В. Эффективность двухпараметрической двумерной дискретной фильтрации. //Труды Тамбовского ВВАИУРЭ (ВИ), №1(1), 2008 г. (журнал в журнале «Радиотехника», №5, 2008 г.)). Для нахождения их величин необходимо найти сумму элементов матрицы системы (4), находящихся на пересечении соответствующих столбцов и строк (Богословский А.В. Эффективность двухпараметрической двумерной дискретной фильтрации. //Труды Тамбовского ВВАИУРЭ (ВИ), №1(1), 2008 г. (журнал в журнале «Радиотехника», №5, 2008 г.)).

При γ=0 уравнение (5) преобразуется к виду

Следовательно, зная величину α и измеряя величину е, можно получить значение А, которое должен формировать только один параметр s_i,j. Это возможно в случае, когда только два отсчета ИХ фильтра, используемого для измерения s_i,j, являются ненулевыми и равными а.

Учитывая данное обстоятельство, из выражений (5) и (6) можно получить (Богословский А.В, Богословский Е.А., Юдаков Д.С., Жигулина И.В. Измерение параметров энергетического спектра двумерного сигнала. //Труды Тамбовского ВВАИУРЭ (ВИ), №2(2), 2008 г.(журнал в журнале «Успехи современной радиоэлектроники», №11, 2008 г.- находится в печати)).

Умножая обе части выражения (7) на энергию входного изображения Е_вх и производя необходимые преобразования, получим

Здесь - энергия видеосигнала изображения на выходе фильтра с апертурой , имеющего только два ненулевых отсчета ИХ

Значения энергий, входящих в правую часть выражения (8), равны суммам квадратов отсчетов яркостей пикселей изображения (обработанного и необработанного).

Энергия входного изображения определяется по формуле

где β_k,l - значение яркости пикселя входного изображения с координатой (k,l).

С учетом выражений (8) и (10), а также полагая α=0,5, значение (i,j)-гo параметра может быть вычислено по формуле

Блок-схема, поясняющая способ, представлена на фиг.3; она содержит последовательно соединенные приемник изображения 1, канал измерения входной энергии 2, состоящий из последовательно соединенных устройства умножения 3, блока накопления 4 и умножителя на два 5; приемник изображения также последовательно соединен с тремя и более каналами измерения параметров 6, которые состоят из последовательно соединенных устройств умножения 7, блоков накопления 8 и умножителей на два 9; выход устройства умножения 3 канала измерения входной энергии 2 соединен с входом блока накопления формирующей суммы 10; выход блока накопления формирующей суммы 10 последовательно соединен со входами сумматоров 11; вторые входы сумматоров 11 соединены с выходами умножителей на два 9 каналов измерения параметров 6; выход умножителя на два 5 канала измерения входной энергии и выходы сумматоров 11 последовательно соединены с входом арифметического блока 12.

Способ реализуется следующей последовательностью действий.

Оптический сигнал, отраженный от сцены, поступает на приемник 1, где преобразуется в распределение яркости (амплитуды), с выхода блока 1 отсчеты яркости входного сигнала изображения размером (N+1)×(M+1) пикселей поступают в канал измерения входной энергии 2 и каналы измерения параметров 6; в канале измерения входной энергии 2 в устройстве умножения 3 вычисляют попарные произведения отсчетов яркости входного изображения с одинаковыми индексами, которые подают в блок накопления 4, где полученные произведения накапливают по мере обработки всего изображения, в умножителе 5 накопленные в блоке накопления 4 произведения умножают на два и результат подают в арифметический блок 12; в трех и более каналах измерения параметров (i,j) 6 в блоках 7 вычисляют попарное произведение отсчетов яркости входного сигнала изображения согласно индексам измеряемых параметров, в блоках 8 накапливают получаемые произведения по мере обработки всего изображения, в умножителях 9 накопленные попарные произведения умножают на два; с выхода устройства умножения 3 канала измерения входной энергии 2 произведения отсчетов яркости с одинаковыми индексами входного сигнала изображения поступают на вход блока накопления формирующей суммы 10, где рассчитывают формирующую сумму для каждого канала измерения параметров; формирующая сумма с выхода блока 10 по шине данных подается с отрицательным знаком на входы сумматоров 11, на вторые входы которых с положительным знаком подаются сигналы с выходов каналов измерения параметров 6; значения, вычисленные в блоках 11, поступают в арифметический блок, где производят вычисление (i,j) параметра энергетического спектра входного изображения.

Значения s_i,j описывают параметры энергетического спектра входного

изображения и позволяют определить отсчеты ИХ фильтра, позволяющего производить фильтрацию с требуемой эффективностью для конкретного вида входного воздействия.

К достоинствам данного способа можно отнести то, что параметры энергетического спектра сигнала можно измерять в режиме реального времени, способ отличается простотой технической реализации на современной элементной базе, его можно применять при построении самообучающихся систем технического зрения.

Способ измерения параметров энергетического спектра изображения, при котором изображение, поступающее на приемник, преобразуется в распределение яркости (амплитуды), отличающийся тем, что отсчеты яркости входного изображения одновременно подают в канал измерения входной энергии и каналы измерения параметров с индексами (i,j); в каналах измерения параметров вычисляют попарные произведения отсчетов яркости, соответствующие измерению коэффициента с индексом (i,j), накапливают получаемые произведения по мере обработки всего сигнала изображения и удваивают их; в канале измерения входной энергии вычисляют произведения отсчетов яркости входного изображения с одинаковыми индексами, которые подают в блок накопления формирующей суммы и блок накопления, в котором накапливают получаемые произведения по мере обработки всего сигнала изображения и удваивают их; формирующая сумма вычитается из накопленных сумм каждого канала измерения параметров; используя значение энергии входного сигнала и значения разностей с выходов каждого из (i,j) каналов измерения, рассчитывают значения параметров энергетического спектра входного изображения по формуле

где β_k,l - отсчет яркости входного изображения, соответствующий пикселю с координатами (k,l); М и N - целые числа, определяющие размер изображения; [В] - антье числа В, т.е. целая часть числа, не превосходящая самого числа;
,
пиксель с координатой (0, 0) находится в левом нижнем углу изображения.