Устройство для анализа изображений
О Л И С А Н И Е 277413
ИЗОБРЕТЕНИЯ
К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ
Союз Советских
Социалистических
Реслублин
Зависимое от авт. свидетельства ¹
Кл. 42m<, 7/60
42гпс, 9, 00
Заявлено 25.1V.1969 (№ 1325437/18-24) с присоединением заявки №
Приоритет
Опубликовано 22. 1/1!.1970. Бюллетень № 24
Дата опубликования описания 9.XI.1970
МПК G 06g 7/60
G 061 9. 00
УДК 621,391.19(088.8) Конитет ло делан изобретений и открытий лри Совете Министров
СССР
Автор изобретения
В, П. Клевцов
Заявитель
УСТРОЙСТВО ДЛЯ АНАЛИЗА ИЗОБРАЖЕНИЙ
Изобретение относится к технике для моделирования зрительных анализаторов биологических систем.
В зрительном анализаторе биологических систем для восприятия изображений используются специализированные системы, выполняющие функции выделения на локальных участках изображения наиболее часто встречающихся элементов (закруглений, краев, полос) .
Известно устройство для анализа изображений, содержащее объектив, электронно-оптический преобразователь или усилитель изображений с фокусирующими и отклоняющими катушками и выходной волоконной планшайбой, матрицу фоточувствительных элементов (сетчатку) и сервопривод сканирования изображения с двигателями и датчиками перемещения. Объектив проецирует изображение на фотокатод электронно-оптического преобразователя. Электронное изображение с помощью магнитного поля фокусируется на слой малоинерционного люминофора, нанесенного с внутренней стороны волоконной плапшайбы.
Вырабатываемые генераторами ступенчатые токи с помощью отклоняющих катушек перемещают изображение относительно планшайбы.
Группа стекловолокон переводит поток света на матрицу светочувствительных элементов (сетчатку). Интегрирующая способность глаза, используемая для загрубления при быстром предварительном поиске, имитируется соединением цепей от мелких волокон («центральной ямки»), группа которых располагается посередине сетчатки.
Известное устройство не приспосабливается к изменяющимся параметрам входных сигналов и не выделяет типовые разновидности ло10 кальных элементов изображения при разной форме, величине и ориентации этих элементов.
Поэтому оно не может быть применено для анализа многотоковых и контурных изображений в условиях изменяющегося уровня
15 шумов.
Цель настоящего изобретения — создание устройства для анализа изображений, позволяющего анализировать многотоновые, контурные и силуэтные изображения в условиях
20 изменяющегося уровня шумов.
Предлагаемое устройство отличается тем, что оно дополнительно содержит фильтр сетчатки, детекторы элементов изображения, дешифраторы кодов, переключатель и вычисли25 тель, причем сигнальные входы фильтра сетчатки подключены к выходам матрицы светоч вствительных элементов, à 1 правляющие входы — к выходам соответствующего дешифратора кода; сигнальные входы детекторов
30 элементов изображения соединены с выхода2774!3
65 ми фильтра сетчатки, управляющие входы— с выходами соответствующих дешифраторов кодов, а выходы — через переключатель ко входу вычислителя, выходы которого подключены к управляющим входам отклоняющей системы, дешифраторов кодов, переключателя, решаюших устройств детекторов элементов изображения. двигателей сервопривода сканирования. Датчики перемещения устройства подключены к соответствующим входам переключателя.
С целью выделения характерных локальных признаков изображения выходы каждого фильтра детекторов элементов изображения объединены в группы, соответствующие одной из двух зон активного участка матрицы светочувствительных элементов. При этом каждая группа подключена к соответствующему сигнальном входч решающих блоков.
На фиг. 1 изображена общая блок-схема устройства; на фиг. 2 — схема топологической организации сигнальных цепей фильтра сетчатки; на фиг. 3 —.схема топологической организации сигнальных цепей фильтра детектора «закруглений»; на фиг. 4 — схема топологической организации сигнальных цепей фильтра детектора линейных участков и контурных точек на границе контраста; на фиг. 5— схема топологической организации сигнальных цепей фильтра детектора элементов полосы.
Объектив 1 проецирует оптическое изображение объекта на фотокатод 2 электроннооптичвского преобразователя или усилителя
8. Магнитное поле, создаваемое катушкой 4, фокусирует электронное изображение на слой малоинерционного люминофора 5 с внутренней стороны волоконной планшайбы б. Генераторы 7, 8 ступенчатых адресных токов отклонения по Х и У обеспечивают с помощью катушек перемещение электронного изображения относительно планшайоы. Группа стекловолокон переводит световой поток на матрицу светочувствительных элементов 9 с сохранением упорядоченности.
Сигнальные входные цепи фильтра сетчатки
10 соединены с сетчаткой 9, а выходные подсоединены параллельно ко входным цепям фильтров 11 — 15 детекторов элементов изображения. Соединения между сетчаткой и фильтрами сделаны таким образом, что пространственная упорядоченность сигнальных цепей сохраняется (т. е. отношения между любыми парами элементов изображения, стекловолокон, сетчатки, цепей фильтров 11 — 15 остаются .неизменными). Число сигнальных цепей, проходящих через фильтр сетчатки, равно числу (Л ) элементов сетчатки.
Цепи управляющих входов фильтра сетчатки 10 подсоединены к выходным цепям деши фратора 16 кода внешнего радиуса. Топологическая организация сигнальных цепей фильтра сетчатки 10 показана на фиг. 2. Основными параметрами его являются положение (х, y)o центрального элемента и радиус г
Зо
50 активной зоны (заштрихованная часть шестиугольника), ограничивающий число цепей, по которым входной сигнал проходит на фильтры 11 — 15 детекторов элементов изобр ажения.
Цепи правляющего входа фильтра 11 детектора 1 элементов изображения присоединены к выходным цепям дешифратора 17 кода внутреннего радимса г<,. Выходные цепи, число которых равно 2A — Р, объединены в две группы: (o) и (p) (см. фиг. 3), т. е. положительную и отрицательную. Каждая группа соединена с соответствующим входом решающего блока 18.
Фильтр 11 детектора элементов изображения состоит из 2(2Л! — k) вентильных элементов, запирающие входы которых соединены с дешифратором 17 кода внутреннего радиуса го.
Число фильтров 12 и 18 детектора 11 элементов изображения при гексогональной организации сетчатки равно трем или шести (по числу возможных ориентаций) . Каждый из них подключен к выходам фильтра сетчатки 10 и имеет сигнальные входы (И цепей), управляющие входы, соединенныс с дешифратором 19 кода ориентации, и выходы (Л цепей), сгруппированные в (о) и (p) группы
N (по — цепей), соединенные с соответствую2 шими входами решающего блока 20. Группировка выходных цепей фильтра определяется номером фильтра, т. е. направлением диаметра Ф, разделяющего цепи на группы (o) и (p). Так, для фильтра 11 (cD=Oo) все цепи, идущие от точек изображения, лежащих вьппе горизонтально проведенного диаметра (см. фиг. 4), ооразуют одну группу, а остальные — другую. Схема фильтра 12 состоит из !
I вентильных элементов, каждый из которых имеет сигнальный и разрешающий входы. Все разрсшаюгцис входы соединены между собой и управляются одной цепью, подключенной к соответствующему выходу дешифратора
19 кода ориентации.
Число фильтров 14 и 15 детектора 111 элементов изображения равно числу фильтров детектора II (числу фиксируемых ориентаций). Топологическая организация. т. е. принцип разделения цепей на (о) и (p) группы, иллюстрируется фиг. 5, где заштрихована группа (o) цепей.
Входные цепи фильтров И и !5 подсоедипены к выходу фильтра сетчаткн 10. Каждая сигнальная цепь фильтра 14 содержит элемент «И», разрешающий вход которого соединен с соответствующим выходом.дешифратора 19 кода ориентации. Нумерация сигнальных цепей фильтров 14 и 15 определяется расстоянием d элемента от разделяющего диаметра Ф (см. фиг. 5). Выходные группы
l — чне,10 элем с!1тО!3, БхОдящих тОаы О Б Одвч группу.
277413
5 (о) и (р) цепей .подключены к соответствующим входам решающего блока 21.
Переключатель 22 связан входными цепями с решающими блоками 18, 20 и 21 детекторов
1, П и III элементов изображения и датчиками 28 и 24 механических перемещений устройства обзора. Управляющие цепи переключателя связаны с выходом регистра 25 номера анализируемого параметра. Выход переключателя соединен со входом преобразоватсля
26 «аналог — код». В целом переключатель представляет собой комбинационную схему для подключения одной из входных цепей к выходу в зависимости от кодовой комбинации на управляющих входах.
Вычислитель, например, цифровой. Основным блоком его является цифровое вычислительное устройство 27, вход которого связан через преобразователь 26 с переключателем
22 анализируемых параметров.
Выходами цифрового вычислительного устройства являются регистры кодов, которые служат ячейками памяти для кодов анализируемого параметра 25, ориентации Ф 28, внутреннего радиуса (re) 29, внешнего радиуса (r) 80, координат центра (х, у)„81, числа элементов в (о) группе (Ф ) 82, числа элементов в {р) группе (Лр) 88, величин управляющего воздействия 84, д5 на двигатели сервопривода
86 и 87.
Преобразователи 88 — 41 «код †анал» подключены ко входам решающих блоков 18, 20 и 21 детекторов I, П и IП элементов изображения и исполнительным механизмам сервопривода.
Работа устройства основана на следующем принципе. Фильтр сетчатки «вырсзает» из всего изображения, записанного на сетчатке, компактный участок в форме шестиуч ольника, расположенного в центре сетчатки (см. фиг. 2). Положение центра (х, у) этого активного участка, а также его размер, т. е радиус r могут изменяться при воздействии управляющих сигналов на генераторы 7 и 8 отклоняющих гоков и дешифратор 16 кода внешнего радиуса фильтра сетчатки 10.
Фильтры детекторов 1, II u III элементов изображения делят активный участок на две зоны: положительную {о) и отрицательную (p), границы которых определяются типом детектора и значением параметров фильтров, причем тип детектора и значение параметров фильтров могут изменяться при воздействии управляющих сигналов на переключатель 22 и дешифраторы 17 и 19 фильтров детекторов элементов изображения. Яркостные сигналы, собираемые с каждой зоны (о) и (p) раздельно, усредняются и сравниваются между собой. Разностный сигнал R, т. е. реакция детектора, опредсляется соотношением темных и светлых элементов в {о) и (р) зонах анализируемого участка. Очевидно, что при равномерной освещенности активного участка реакция детектора равна нулю, а при наличии перепада яркостей отлична от нуля, причем
Последовательное включение фильтра сетчатки и фильтра .11 детектора I элементов изображения обеспечивает разделение всего активного пучка сигнальных цепей на две группы, одна из которых соответствует круг35 лой (шестиугольной) центральной зоне (o), а другая — кольцеобразная — периферической (p). Г1ри этом отчошение между радиусами активного участка r и центральной зоны rp
Фильтры 12 и 18 детектора П элементов изображения включаются по одному. Г1ри этом управляющий сигнал подается с выхода дегнифратора 19 кода ориентации на соответствующий фильтр, открывая входному сигналу доступ ко входам решающего блока. Остальные фильтры остаются запертыми. Коммутация, т. е. группировка, цепей фильтров детектора 11 неизменна — изменяются голько параметры: размер активной зоны и ориентация разделяющего диаметра.
Фильтры 14 и 15 детектора III элементов изображения работают попеременно, т. е. открывается только один из фильтров с нужной ориентацией. Управляющие сигналы при этом поступают с дешнфратора 19 кода ориентации. Однако в отличие от фильтров г2 и 18 детектора П здесь происходит еще и коммутация цепей в зависимости от размера зон
{o) и (p). Для разделения активного участка на «полосообразную» центральную часть и две
«сегментовидные» периферические части при условии, что размеры этих частей изменяются, используется дешифратор 17 кода внутренне65 ro радиуса.
30 максимальной величины сигнал R достигает тогда, когда границы зон (о) и {р), определяемые значениями метрических параметров фильтров, совпадают с границами контраста в локальнохг участке изображения. 1 аким образом, задача выделения локального признака (элемента) сводится к нахождению максимума функции R (z), где значения параметров фильтров на локальном участке изооражсния. Зкстремизация осуществляется самонастройкой (подбором значений z).
Детекторы I, П и IП предназначены для выделения разных элементов изображения, в частности, детектор I — для выделения граничных элементов типа «закругление», детектор П вЂ” для селекции линейных граничных участков и контурных точек на границе контраста, детектор 1П вЂ” для выделения элементов полосы.
Фильтр сетчатки управляется дешифратором 16. Сигнал, поданный на один из управляющих выходов 1, 2, 3,..., гг — 1 фильтра сетчатки 10, блокирует сигналы, проходящие по цепям от всех тех элементов сетчатки, расстояние которых от центрального элемента более чем 2, 3, 4,..., n соответственно. На выход фильтра сигналы пропускаются только по цепям, идущим от активного участка.
2774l3
Решающие блоки детекторов вы 1исллют фУHI R = log зр В целом последовательность работы устрОистВа такова: поиск и выделение граничногo элемента, локальный анализ окрестностей граничного элемента и опознание типа локального признака изображения, выделение и описание найденного локального элемента (признака) . Поиск граничного элемента производится с помощью детектора 1 элементов изображения. Параметры поиска, а именно тип траектории движения активного участка по изображению и параметры этого двии<енил, а также размер активной зоны задаются априорно на основании опыта или получаются случайным образом. Значения этих параметров задаются засылкой соответствующих кодов на выходные регистры вычислителя. На регистр 25 засылается «1», и выход блока 18 детектора 1 подключается к преобразователю 26. На регистры 29 и 80 засылаютсл коды величин vÄ H т, и дешифраторы 16 и 17 возбуждают соответствующие управляющие цепи фильтров 10 и 11, выделял активный участок сетчатки и разбивая его на зоны {о) и {р). На регистры координат засылаются начальные значения координат Х и Y. В режиме поиска активный участок передвигается по изображению. При этом на регистр 81 координат центра каждый раз засылаются новые значения Х и У, и на каи<дом шаге анализируется выходной сигнал 1< детектора I элементов изображения. Если R меньше некоторого порога б, поиск продолжается, если R) Теперь центром становится новая найденная точка, и в ее окрестностях снова идет поиск точки с максимальным R. Такая процедура самонастройки идет до тех пор, пока Rmax не перестанет увеличиваться. Далее следуют пробные изменения размеров ro u r. Сначала r, уменьшается на единицу и происходит самонастройка по положению. Увеличение 1<„служит,признаком того, что из {o) и {р) исключаются посторонние участки. Подстройка по (х, y)0 и r, продолжаЕтСЯ ДО тЕХ ПОР, ПОКа R a„ÍC ПЕРЕСтаНЕт расти. Оое эти процедуры самонастройки, при которых управление параметрами фильтров ведется по информационной обратной связи от регистров 29 — 81, приводят к выделению граничного элемента. Далее исследуется окрестность выделенного граничного элемента, для чего от центра (x, у)о совершаются несколько 5 шагов в каждом направлении (0, 30, 60 ...); а и а л и з II p H p B 111 c H I I H (Л 1< ) H p I o з и а к а H B к а ждом нр!ПраВлснии дает Возможность oIIHcBTb локальную конфигурацию и опознать элемент изображения, например «пятно», «закругле10 ннс», «элемент полосы», «элемент края» и т. д. Значение R, в точке локального максимума характеризует локальный контраст на границе. Если найденный с помощью детектора П 15 элементов изобраи<с11ия локальный признак отнесен к классу «элемент полосы», то многоканальный переключатель 22 переводят в другое полол<ение, и выход решающего блока 21 детектора III подключается ко входу вычис20 IHTc:Iл. Филь1ры детектора III элементов изображения настраивают так>не с помощью информационных обратных связей от регистров кодов размеров 29 и 80, поло>кения 31 и ориен25 тации 28 до соответствующих исполнительных узлов. Оптимальное сочетание этих параметров дает максимальный выходной сигнал детектора III. В результате разделения с помощью детек30 тора II u III темных и светлых областей на Iol
rJ о уровне разностного сигнала, соизмеримом. р с отношением сигнал: шум, можно увеличить размер активного участка сетчатки и зон {о) и {р) (при этом падает разрешающая спосооность строиства). Для оольшого входного сигнала мо1кно уменьшать чувствительность, т. е. размер зон накопления, повышая разрешающую способность. Для механического сканирования изобра45 жения (кадра) используется сервопривод, содержащийй исполнительные электромеханические двигатели 86 и 87 с датчиками перемещений 28 и 24, подключаемыми через переключатель 22 ко входу вычислителя. Управляющие сканированием сигналы из выходных регистров вычислителя подаются через преобразователи 40 и 41 на двигатели 86 и 87. Предмет изобретения 55 1. Устройство для анализа изображений, содери<а1цее объектив, электронно-оптический преобразователь с отклоняющей системой и выходной волоконной планшайбой, матрицу светочувствительных элементов, сервопривод 60 сканирования изображения с двигателями и датчиками перемещения устройства, отличающееся тем, что, с целью увеличения надежности анализа многотоновых, контурных и силуэп1ых .изображений в условиях шумов, оно 65 дополнительно содержит фильтр сетчатки, де2774 И 10 текторы элементов изображения, дешифраторы кодов, переключатель и вычислитель, причем сигнальные входы фильтра сетчатки подключены к выходам матрицы светочувствительных элементов, а управляющие входы— к выходам соответствующего дешифратора кода; сигнальные входы детекторов элементов .изображения соединены с выходами фильтра сетчатки, управляющие входы — с выходами соответствующих дешифраторов кодов, а выходы — через переключатель ко входу вычислителя, выходы которого подключены к управляющим входам отклоняющей системы, дешифраторов кодов, переключателя, решающих устройств детекторов элементов изображения, двигателей сервопривода сканирования, датчики перемещения устройства подключены к соответствующим входам переключателя. 2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что, с целью выделения характерных локальных признаков изображения, выходы каждого фильтра детекторов элементов изображеlo ния объединены в группы, соответствующие одной из двух зон активного участка матрицы светочувствительных элементов, при этом каждая группа подключена к соответствующему сигнальному входу решающих блоков. Фяг ч Фиг 3 фиг 5 Составитель В. А. Кудрявцев Тсърсд Л. Я. Левина Корректоры В. В. Чаклина и Л. Б. Бадылама Редактор В. Полещук Типография, пр. Сапунова, 2 Заказ 3046(2 Тираж 480 Подписное ЦНИИПИ Комитета по делам изобретений и открытий при Совете Министров СССР Москва, )К-35, Раушская паб., д. 4/5
