Способ выделения вектора признаков для распознавания изображений объектов и устройство для его осуществления

Изобретение относится к области обработки изображений и может быть использовано для автоматического поиска и распознавания изображений объектов. Технический результат заключается в повышении вероятности распознавания объектов за счет увеличения размерности и информативности выделенного вектора признаков из изображений объектов. Технический результат достигается за счет преобразования оптических сигналов в различных диапазонах электромагнитного спектра в электрические видеосигналы, дискретизации видеосигналов, разбиения изображения объектов на дискретные элементы, сканирования изображения, выделения и подсчета дискретных элементов в каждом диапазоне. 2 н.п. ф-лы, 1 ил.

 

Предлагаемое изобретение относится к метрологии, автоматике и технической кибернетике и может быть использовано при разработке систем автоматического поиска, распознавания и классификации объектов по их изображениям.

Известен способ формирования признаков для распознавания изображений однородных структур, заключающийся в построчном сканировании изображений объектов или структур, формировании сигналов пересечения сканирующим лучом контура объекта и последующем анализе получаемых при этом видеоимпульсов, соответствующих хордам сканируемых объектов [1].

Недостатком данного способа являются невысокая вероятность распознавания, так как он может успешно применяться только для распознавания и анализа структур, которые образованы элементами с четко выраженными границами, формирование признаков полутоновых изображений данным способом невозможно.

Данный способ возможно реализовать с помощью устройства для распознавания образов, содержащего первый блок памяти, соединенный через блок коммутации, подключенный к регистру сдвига, с первым блоком счетчиков, второй блок памяти, соединенный через регистр сдвига с блоком управления, блок классификации спектров распознаваемых образов, соединенный с первым блоком счетчиков и блоком управления, второй блок счетчиков, подключенный к первому блоку памяти и к блоку управления, и третий блок счетчиков, соединенный со вторым блоком памяти и управления [2].

Недостатками такого устройства являются его конструктивная сложность, возможность работы только с черно-белыми изображениями.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является способ выделения признаков для распознавания изображений объектов, заключающийся в преобразовании оптических сигналов в электрические видеосигналы, дискретизации видеосигналов, разбиении изображения объектов на дискретные элементы, сканировании изображения, выделении и подсчете дискретных элементов, отличающийся тем, что сканирование по всем дискретным элементам изображения производят электронным окном в виде рамки фона, внутри которой в центре находится электронное окно изображения объекта, причем размеры окна изображения объекта соизмеримы с размерами изображения объекта, при выделении и подсчете в качестве дискретных элементов изображения объекта принимаются дискретные элементы окна изображения объекта с такими значениями электрических сигналов, которые отсутствуют среди сигналов дискретных элементов рамки фона [3].

Недостатком данного способа является низкая вероятность распознавания объектов из-за небольшого числа признаков, которые позволяет выделить данный способ из многоцветных изображений объектов, которые наиболее часто встречаются в естественных условиях.

Данный способ можно реализовать с помощью устройства для выделения признаков для распознавания изображений объектов, содержащего фотоэлектрический преобразователь, формирователь позиционных сигналов, схему дискретизации видеосигналов, память, логическую схему И, счетчик, причем выход памяти соединен с первым входом логической схемы И, выход которой соединен со вторым входом счетчика, отличающегося тем, что в него введены временное устройство, первый коммутатор, второй формирователь позиционных сигналов, второй коммутатор, третий коммутатор, причем выход второго формирователя позиционных сигналов соединен со вторым входом второго коммутатора, первый вход которого соединен с выходом первого формирователя позиционных сигналов, третий вход - с первым выходом временного устройства и входом первого коммутатора, а выход соединен со вторым входом третьего коммутатора, первый вход которого соединен с выходом фотоэлектрического преобразователя матричного типа, выход третьего коммутатора соединен с входом схемы дискретизации видеосигналов, выход которой соединен со вторым входом памяти, первый вход которой соединен с выходом первого коммутатора, третий вход - со вторым выходом временного устройства, четвертый вход - с третьим выходом временного устройства и первым входом счетчика, четвертый выход временного устройства соединен со вторым входом логической схемы И, выход счетчика является выходом устройства [3].

Недостатком такого устройства является низкая вероятность распознавания объектов из-за получения только одного признака, который позволяет выделить данное устройство.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является повышение вероятности распознавания изображений объектов с различными контрастами в условиях сложного фона за счет выделения вектора признаков изображения объектов по изображениям объектов в различных диапазонах электромагнитного спектра.

Поставленная задача достигается тем, что в предлагаемом изобретении в способе, заключающемся в преобразовании оптических сигналов в электрические видеосигналы, дискретизации видеосигналов, разбиении изображения объектов на дискретные элементы, сканировании по всем дискретным элементам изображения, производящимся электронным окном в виде рамки фона, внутри которой в центре находится электронное окно изображения объекта, причем размеры окна изображения объекта соизмеримы с размерами изображения объекта, выделение вектора признаков изображений объектов производится по изображениям объектов в различных диапазонах электромагнитного спектра, при селекции и подсчете в качестве дискретных элементов изображения объекта в каждом диапазоне электромагнитного спектра учитываются дискретные элементы окна изображения объекта с такими значениями электрических сигналов, которые отсутствуют среди сигналов дискретных элементов рамки фона в том же диапазоне электромагнитного спектра; в устройство для выделения вектора признаков при распознавании объектов, содержащее фотоэлектрический преобразователь, первый и второй формирователи позиционных сигналов, первый, второй и третий коммутаторы, схему дискретизации видеосигналов, временное устройство, память, логическую схему И, счетчик, причем выход второго формирователя позиционных сигналов соединен со вторым входом второго коммутатора, первый вход которого соединен с выходом первого формирователя позиционных сигналов, третий вход - с первым выходом временного устройства и входом первого коммутатора, а выход соединен со вторым входом третьего коммутатора, первый вход которого соединен с выходом фотоэлектрического преобразователя матричного типа, выход третьего коммутатора соединен с входом схемы дискретизации видеосигналов, первый вход памяти соединен с выходом первого коммутатора, второй вход - с выходом схемы дискретизации видеосигналов, третий вход - со вторым выходом временного устройства, четвертый вход - с третьим выходом временного устройства и первым входом счетчика, а выход памяти соединен с первым входом логической схемы И, выход которой соединен со вторым входом счетчика, четвертый выход временного устройства соединен со вторым входом логической схемы И, введены оптический узел спектральной фильтрации, блок памяти вектора признаков и блок установки диапазонов электромагнитного спектра, причем оптический узел спектральной фильтрации установлен перед фотоэлектрическим преобразователем, первый выход блока установки диапазонов электромагнитного спектра соединен с первым входом блока памяти вектора признаков, второй выход - соединен с входом управления оптическим узлом спектральной фильтрации, с входом первого формирователя позиционных сигналов и вторым входом блока памяти вектора признаков, а вход соединен с пятым выходом временного устройства, третий вход блока памяти вектора признаков соединен с выходом счетчика, а выход является выходом устройства.

Положительный эффект обеспечивается за счет выделения вектора признаков для распознавания изображений объектов, отдельный элемент которого представляет собой конкретное значение признака распознаваемого объекта, полученное в каждом диапазоне электромагнитного спектра, размерность вектора определяется количеством диапазонов, на которые разбит весь электромагнитный спектр формирования каждого изображения объекта. Определение конкретного значения элемента вектора признаков в каждом спектральном диапазоне осуществляется путем выделения и подсчета дискретных элементов участка матрицы фотоэлектрического преобразователя, соизмеримого с размерами искомого объекта, со значениями электрических сигналов, которые отсутствуют среди сигналов дискретных элементов рамки фона в рассматриваемом спектральном диапазоне, окружающей изображение объекта, причем не требуется предварительное улучшение качества изображения, так как в результате произведенных операций из сюжета исключается изображение фона с любым шумом. Известно [4], что одновременное использование только даже двух спектральных диапазонов (3…5 и 8…13 мкм) в оптико-электронной системе, предназначенной для обнаружения и распознавания на цветном фоне объектов типа "танк", существенно увеличивает вероятность правильного обнаружения объектов (на 5…7%), по сравнению с той же вероятностью, обеспечиваемой при использовании только пространственных признаков.

Предлагаемый способ заключается в следующем.

Блок установки диапазонов электромагнитного спектра последовательно устанавливает диапазоны спектра для оптического узла спектральной фильтрации и первого формирователя позиционных сигналов фона, а также определяет номер элемента вектора, в который будет занесено значение признака распознаваемого объекта для выбранного диапазона. Фотоэлектрический преобразователь в заданном оптическом диапазоне принимает оптические сигналы с поля зрения, содержащего искомый объект, осуществляет преобразование оптических сигналов в электрические видеосигналы и разбиение каждого изображения сюжета в выбранных диапазонах электромагнитного спектра на дискретные элементы. Производится дискретизация видеосигналов и последовательный просмотр сигналов с элементов матрицы фотоэлектрического преобразователя электронным окном в виде рамки фона в заданном диапазоне электромагнитного спектра, внутри которой в центре находится электронное окно изображения объекта в соответствующем диапазоне электромагнитного спектра, причем размеры окна изображения объекта соизмеримы с размерами изображения объекта. Из дискретных элементов окна каждого изображения объекта исключают элементы со значениями сигналов, которые присутствуют среди сигналов с дискретных элементов рамки фона в заданном диапазоне электромагнитного спектра. Этой операцией выделяют изображение объекта в выбранном диапазоне электромагнитного спектра, имеющего контраст относительно окружающего фона и размеры, соответствующие размерам искомого объекта. В качестве признака изображения объекта, например площади, подсчитывают оставшиеся после исключения дискретные элементы участка объекта. Значение признака заносится в заранее определенный элемент вектора, аналогичным образом, путем последовательного перебора всех спектральных диапазонов, заполняются все элементы вектора признака, предназначенного для распознавания объектов.

Данное техническое решение поясняется чертежом, где изображена блок-схема предлагаемого устройства.

Предлагаемое устройство работает следующим образом.

Запуск цикла устройства для выделения значений вектора признаков при распознавании изображения объекта начинается с подачи сигнала с первого выхода блока установки диапазонов электромагнитного спектра 10 на первый вход блока памяти вектора признаков 14 для установки всех значений вектора признаков, хранящихся в его элементах, в исходное нулевое состояние. Блок установки диапазонов электромагнитного спектра 10 формирует на втором выходе сигнал установки первого диапазона для оптического узла спектральной фильтрации 5, поступающий на его вход и на вход первого формирователя позиционных сигналов 1, а также на второй вход блока памяти вектора признаков 14 для определения номера элемента вектора признаков, в который будет занесено значение признака распознаваемого объекта для выбранного спектрального диапазона, и запускает временное устройство 11 путем подачи сигнала на его вход.

На первом выходе временного устройства 11 формируется сигнал управления, поступающий на третий вход коммутатора 2 (3), и устанавливает его в такое положение, когда на второй вход коммутатора 3 (7) через второй вход и выход коммутатора 2 (3) поступают адреса окна изображения объекта (ОИО), определенные во втором формирователе позиционных сигналов ОИО 2 в соответствии с законом сканирования, а коммутатор 1 (4) устанавливается в состояние «1», при котором с его входа на первый вход памяти 9 поступает сигнал «1».

На втором выходе временного устройства 11 формируется сигнал, поступающий на третий вход памяти 9, для разрешения записи информации.

На третьем выходе временного устройства 11 формируется сигнал для установки в начальное состояние памяти 9 по четвертому входу (запись "0" во все ячейки памяти) и сбрасывающий в положение «0» счетчик 13 по первому входу.

На четвертом выходе временного устройства 11 формируется сигнал "0", который поступает на второй вход логической схемы 12, являющейся схемой И, и блокирует работу счетчика 13.

Изображение, содержащее искомый объект, проецируется через оптический узел спектральной фильтрации 5 в выбранном электромагнитном диапазоне на фотоэлектрический преобразователь 6, типа матричного, который осуществляет преобразование оптических сигналов в электрические видеосигналы и разбивает изображения сюжета на дискретные элементы.

С выхода второго формирователя позиционных сигналов 2 через второй вход и выход коммутатора 2 поступают адреса на второй вход коммутатора 3. В соответствии с полученными адресами коммутатор 3 подключает элементы матрицы фотоэлектрического преобразователя, принадлежащие ОИО, к схеме дискретизации видеосигналов 8, в котором осуществляется преобразование аналогового сигнала с фотоэлектрического преобразователя в цифровой код. В памяти 9 происходит запись уровня "1", действующего на ее первом входе с выхода коммутатора 1, по адресам, поступающим на второй вход памяти с выхода схемы дискретизации видеосигналов через коммутатор 1 (4). В результате опроса элементов ОИО в памяти по адресам, равным амплитудам сигналов с элементов матрицы фотоэлектрического преобразователя, соответствующих ОИО, записаны "1", т.е. через значения адресов памяти определены значения амплитуд сигналов ОИО.

По окончании опроса элементов ОИО на первом выходе временного устройства 11 формируется сигнал опроса элементов рамки фона, который поступает на третий вход коммутатора 2 (3) и обеспечивает прохождение запрашиваемых сигналов с выхода первого формирователя позиционных сигналов 1 через первый вход и выход коммутатора 2 (3) на второй вход коммутатора 3 (7), а также переключает коммутатор 1 (4) в состояние "0".

Из дискретных элементов окна изображения объекта исключают элементы со значениями сигналов, которые присутствуют среди сигналов с дискретных элементов рамки фона. Эта операция позволяет выделить сигналы с изображения объекта, имеющего контраст относительно окружающего фона и размеры, соответствующие размерам искомого объекта.

Для этого коммутатор 3 по адресам, поступающим на его второй вход из первого формирователя позиционных сигналов 1 через первый вход и выход коммутатора 2, подключает к схеме дискретизации видеосигналов 8 элементы фотоэлектрического преобразователя 6, типа матричного, принадлежащие рамке фона. После схемы дискретизации видеосигналов 8 на втором входе памяти появляются значения адресов рамки фона, по которым действующий на первом входе уровень "0" записывается в память. При этом меняется состояние только тех ячеек памяти, в которые на предыдущем этапе (опросе элементов ОИО) была записана "1", т.е. из памяти стирается информация по адресам, выраженным амплитудами сигналов, одинаковыми для ОИО и рамки фона.

По окончании опроса элементов рамки фона в память 9 записана "1" только по тем адресам, значения которых равны значению амплитуд сигналов с элементов ОИО и отсутствуют среди амплитуд с элементов рамки фона.

Одновременно с окончанием опроса элементов рамки фона на третьем входе памяти 9 появляется сигнал чтения со второго выхода временного устройства, на четвертом выходе временного устройства 11 формируется "1", поступающая на второй вход логической схемы И 12, и разрешает счетчику 13 счет единичных импульсов, приходящих на его второй вход.

Сигнал с первого выхода временного устройства 11 переключает коммутатор 2 (3) в исходное состояние, когда на второй вход коммутатора 3 (7) поступают адреса ОИО. Если на втором входе памяти 9 возникает импульс с амплитудой, равной адресу ячейки памяти, в которой хранится "1", с выхода памяти 9 положительный импульс поступает на первый вход логической схемы И 12 и с выхода логической схемы И 12 на второй вход счетчика 13, где производится подсчет единичных импульсов.

После завершения подсчета счетчиком 13 поступивших единичных импульсов величина полученного значения признака распознаваемого объекта для выбранного спектрального диапазона из счетчика 13 заносится в заранее определенный номер элемента вектора признаков.

На пятом выходе временного устройства 11 формируется управляющий импульс, поступающий на вход блока установки диапазонов электромагнитного спектра 10, сигнализирующий о завершении выделения значения признака в одном заданном диапазоне электромагнитного спектра. Блок установки диапазонов электромагнитного спектра 10 приступает к повторению цикла выделения значения для вектора признаков в следующем заданном диапазоне электромагнитного спектра.

После последовательного выделения всех значений, заносимых в элементы вектора признака для заданных диапазонов электромагнитного спектра на выходе блока памяти вектора признаков 14, сформируется вектор признаков для распознавания изображения объекта.

Счетчик может быть выполнен, например, на микросхеме - К1533ИЕ2, логическая схема И - К1533ЛА1, коммутаторы - К1533КП14, память и блок памяти вектора признаков - 1636РР2АУ, временное устройство - М1006ВИ1, схема дискретизации видеосигналов - аналогово-цифровой преобразователь 1892ВГ1Я, фотоэлектрический преобразователь может быть выполнен, например, на ПЗС матрице [5], а формирователь позиционных сигналов [6].

Таким образом, использование предлагаемых способа и устройства позволяет выделять изображение объекта с размерами, соответствующими размерам искомого объекта, имеющего контраст относительно близлежащего окружающего фона в различных диапазонах электромагнитного спектра.

Предлагаемые способ и устройство повышают вероятность распознавания многоцветных объектов, обеспечивают возможность распознавания полутоновых объектов при знакопеременном контрасте на сложном фоне в условиях помех.

Библиографические данные источников информации, принятые во внимание при составлении описания и формулы изобретения

1. А.с. СССР N 748454, кл. G06K 9/00, 1980.

2. А.с. СССР N 650087, кл. G06K 9/00, 1970.

3. Патент на изобретение РФ №2173880 от 20.09.2001, кл. G06K 9/46.

4. MIX and match for better vision / L.A. Chan, A. Colberg, S. Der et al. - SPIE's OE Magazine, April 2002, p.p. 18-20.

5. Л.И. Хромов, Н.В. Лебедев, А.К. Цыцулин, А.Н. Куликов. Твердотельное телевидение. М.: Радио и связь, 1986.

6. А.з. Япония N 64-6508, кл. G06F 15/64, 15/66, G06K 9/20, 9/36.

1. Способ выделения вектора признаков для распознавания изображений объектов, заключающийся в преобразовании оптических сигналов в электрические видеосигналы, дискретизации видеосигналов, разбиении изображения объектов на дискретные элементы, сканировании по всем дискретным элементам изображения, производящимся электронным окном в виде рамки фона, внутри которой в центре находится электронное окно изображения объекта, причем размеры окна изображения объекта соизмеримы с размерами изображения объекта, отличающийся тем, что выделение вектора признаков изображений объектов производится по изображениям объектов в различных диапазонах электромагнитного спектра, при селекции и подсчете в качестве дискретных элементов изображения объекта в каждом диапазоне электромагнитного спектра учитываются дискретные элементы окна изображения объекта с такими значениями электрических сигналов, которые отсутствуют среди сигналов дискретных элементов рамки фона в том же диапазоне электромагнитного спектра.

2. Устройство для выделения вектора признаков при распознавании объектов, содержащее фотоэлектрический преобразователь, первый и второй формирователи позиционных сигналов, первый, второй и третий коммутаторы, схему дискретизации видеосигналов, временное устройство, память, логическую схему И, счетчик, причем выход второго формирователя позиционных сигналов соединен со вторым входом второго коммутатора, первый вход которого соединен с выходом первого формирователя позиционных сигналов, третий вход - с первым выходом временного устройства и входом первого коммутатора, а выход соединен со вторым входом третьего коммутатора, первый вход которого соединен с выходом фотоэлектрического преобразователя матричного типа, выход третьего коммутатора соединен с входом схемы дискретизации видеосигналов, первый вход памяти соединен с выходом первого коммутатора, второй вход - с выходом схемы дискретизации видеосигналов, третий вход - со вторым выходом временного устройства, четвертый вход - с третьим выходом временного устройства и первым входом счетчика, а выход памяти соединен с первым входом логической схемы И, выход которой соединен со вторым входом счетчика, четвертый выход временного устройства соединен со вторым входом логической схемы И, отличающееся тем, что в него введены оптический узел спектральной фильтрации, блок памяти вектора признаков и блок установки диапазонов электромагнитного спектра, причем оптический узел спектральной фильтрации установлен перед фотоэлектрическим преобразователем, первый выход блока установки диапазонов электромагнитного спектра соединен с первым входом блока памяти вектора признаков, второй выход - соединен с входом управления оптическим узлом спектральной фильтрации, с входом первого формирователя позиционных сигналов и вторым входом блока памяти вектора признаков, а вход соединен с пятым выходом временного устройства, третий вход блока памяти вектора признаков соединен с выходом счетчика, а выход является выходом устройства.