УСТРОЙСТВО ДЛЯ РАСПОЗНАВАНИЯ ОБЪЕКТОВ ПО ИХ КОНТУРАМ Российский патент 1997 года по МПК G06K9/00 

Изобретение относится к автоматике и вычислительной технике и может быть использовано для автоматического распознавания изображений объектов в системах технического зрения роботизированных комплексов вооружения.

Известно устройство для выделения контура изображения (а.с. N 1141429, кл. G 06К 9/00, 1983), содержащее матрицу ячеек обработки изображения, каждая из которых состоит из элемента памяти, фотоприемного элемента, первого элемента И, первый вход которого соединен с выходом фотоприемного элемента, а выход подключен к входу элемента памяти, элемент И-НЕ, входы которого соединены с соответствующими фотоприемными элементами смежных ячеек, а выход подключен к второму входу первого элемента И.

Это устройство имеет невысокую точность.

Наиболее близким к изобретению является устройство (а.с. N 1257674, кл. G 06К 9/00, 1986), содержащее матрицу ячеек обработки изображений, каждая из которых состоит из элемента памяти, фотоприемного элемента, трех элементов И, элемента НЕ, элемента И-ИЛИ и элемента И-НЕ.

Целью предлагаемого изобретения является расширение условий применения устройства путем распознавания выделяемого контура изображения.

Указанная цель достигается тем, что устройство дополнительно содержит блок коммутаторов, состоящих из N коммутаторов, информационные входы каждого l-го, где из которых соединены с выходами третьих элементов И ячеек обработки изображения, расположенных вдоль одной, l-ой, строки матрицы ячеек обработки изображения, а входы соединены общей шиной, генератор синхроимпульсов, делитель частоты, первый счетчик, первый декодер/демультиплексор, информационный вход которого подключен к выходу генератора синхроимпульсов, выходы, кроме последнего, подключены к управляющим входам коммутаторов, а адресный вход соединен с выходом первого счетчика, вход которого подключен к выходу делителя частоты, вход которого подключен к выходу генератора синхроимпульсов, второй счетчик, управляющий вход которого подключен к выходу делителя частоты, третий счетчик, второй и третий декодеры/демультиплексоры, адресные входы которых соединены с выходом третьего счетчика, вход которого соединен с выходом общей шины блока коммутаторов, причем информационный вход второго декодера/демультиплексора соединен с выходом первого счетчика, а информационный вход третьего декодера/демультиплексора соединен с выходом второго счетчика, вход которого подключен к выходу генератора синхроимпульсов, блок регистров адреса, состоящий из n регистров с управляющими входами, подключенными к общей шине, соединенной с последним выходом первого декодера/демультиплексора, блок распознавания контура, который содержит 2(2n-1) вычислителей, 2(2n-1) квадраторов, 2n-1 сумматоров, 2(n-1) делителей, 2(n-1) вторых вычислителей, 2(n-1) регистров эталона, 2(n-1) пороговых элементов, n-1 элементов И-НЕ, входы каждого i-го, где , из которых подключены к выходам 2i-го и (2i-1)-го пороговых элементов, выходы которых подключены к выходам вторых вычитателей, а входы каждого j-го, где , второго вычитателя подключены к выходам j-тых делителя и регистра эталона, управляющий вход которого соединен с выходом делителя, причем первые входы каждых (2i-1)-го и 2i-го делителей подключены к выходу 2(i-1)-го квадратора, а вторые входы подключены к выходам соответственно 2i-го и (2i+1)-го квадраторов, причем вход каждого квадратора подключен к выходу k-го, где сумматора, причем входы каждого k-го из сумматоров соединены с выходами соответственно k-го и (k+2n-1)-го первых вычитателей, а входы каждого (2i-1)-го, соответственно 2(i+n+1)-го, первого вычитателя соединены с выходами i-го и (i+1)-го, соответственно (i+n)-го и (i+n+1)-го регистров, а входы каждого 2i-го, соответственно (2i+2n-1)-го, первого вычитателя соединены с выходами i-го и (i+2)-го, соответственно (i+n)-го и (i+n+2)-го регистров, причем вторые входы 2(n-1)-го и (2n-1)-го, соответственно (4n-3)-го и 2(2n-1)-го первых вычитателей, первые входы которых соединены с выходами (n-1)-го и n-го, соответственно (2n-1)-го и 2n-го регистров подключены к выходу первого, соответственно (n+1)-го регистра, а входы каждого i-го и n-го, соответственно (i+n)-го и 2n-го регистров подключены к выходам второго, соответственно третьего декодера/демультиплексора.

На фиг. 1 изображена блок-схема устройства; на фиг.2 схема ячейки обработки изображения; на фиг.3 схема блока распознавания контура; на фиг.4 схема соединения регистров, вычитателей и делителей; на фиг.5 пример контура изображения.

Приняты следующие обозначения:
n число регистров для хранения адреса фотоэлементов, расположение которых совпадает с расположением точек перегиба контура изображения объекта в плоскости матрицы фотоэлементов, при этом под адресом подразумевается число, равное номеру соответствующей строки (столбца) матрицы;
N -число фотоэлементов вдоль строки (столбца) матрицы фотоэлементов (ячеек обработки изображения), при этом считается, что матрица квадратная.

Устройство состоит из матрицы 10 ячеек 10-1 обработки изображения, каждая из которых содержит (см.фиг.2) фотоприемный элемент 10-2, первый 10-3, второй 10-4, третий 10-5 элементы И, элемент И-НЕ 10-6, элемент 10-7 памяти, элемент И-ИЛИ 10-8 и эхлемент НЕ 10-9, генератора 20 синхроимпульсов (ГСИ), первого 30, второго 40 и третьего 50 счетчиков, делителя 60 частоты, блока 70 коммутаторов, содержащего N коммутаторов 70-1, 70-2, 70 N, первого 80, второго 90 и третьего 100 декодеров/демультиплексоров, первого 110 и второго 120 блоков регистров адреса, фактически конструктивно составляющих единый блок из 2n регистров, однако для удобства описания работы устройства условно резделенных на два блока, содержащих (см.фиг.3,4) каждый по n регистров 110-1 110-n и 120-1 120-n соответственно, и блока 130 распознавания контура, содержащего 2(2n-1) первых вычитателей 130-1, 2(2n-1) квадраторов 130-2, 2n-1 сумматоров 130-3, 2(n-1) делителей 130-4, 2(n-1) вторых вычитателей 130-5, 2(n-1) регистров 130-6 эталона, 2(n-1) пороговых элементов 130-7, n-1 элементов И-НЕ 130-8 (см. фиг.3,4).

Работа устройства начинается с подачи сигнала "Установ" на шину 101. В результате на выходах 105, 107 матрицы ячеек обработки изображения (см. фиг. 2) появляются потенциалы, соответствующие "0", содержимое первого 30, второго 40 и третьего 50 счетчиков (см. фиг.1) "обнуляется", а в регистрах 110-1 110-n и 120-1 120-n (см. фиг.3,4) через их управляющие входы, соединенные с шиной 101, усиливается режим "Запись".

В следующий момент изображение объекта проецируется на матрицу фотоприемных элементов 10-2 ( входы 102-113 на фиг. 2), образуемую конструктивно матрицу ячеек обработки изображения (фиг. 2).

Согласно а.с. N 1257674, кл. G 06К, опубл. 1986, если выходной шине 105 (см. фиг.2) ячейки 10-1 обработки изображения появляется сигнал "1", то это свидетельствует о совпадении геометрического положения фотоэлемента 10-2 данной ячейки и ближайшей окрестности точки перегиба контура проецируемого на матрицу фотоприемников 10-2 изображения объекта (точки F₁-F₁₈ на фиг. 5). Выходы 103, 104 могут быть использованы для решения задач воспроизведения изображения.

Выходные сигналы ГСИ 20 поступают с частотой f₁ на вход делителя 60 частоты и на вход второго 40 счетчика, а также на информационный вход первого декодера/демультиплексора 80, адресный вход которого соединен с выходом первого счетчика 30. Вход первого счетчика соединен с выходом делителя 60 частоты, преобразующего сигналы, следующие с частотой f₁, в сигналы, поступающие с частотой f₂= f₁/N. При каждом поступлении сигнала с частотой f₂ на вход первого счетчика 30, с его выхода на адресный вход первого декодера/демультиплексора 80 поступает сигнал подключения к очередному выходу последнего. Одновременно выходной сигнал делителя 60 частоты поступает на управляющий вход второго счетчика 40, в результате чего происходит его "обнуление". Одновременно выходные сигналы первого 30 и второго 40 счетчиков поступают на информационные входы соответственно второго 90 и третьего 100 декодеров/демультиплексоров. Каждый из N выходов первого декодора/демультиплексора 80 подключен к управляющему входу одного их коммутаторов 70-1 70-N блока 70 коммутаторов, каждый информационный вход каждого из которых подключен к выходу 105 одной из N ячеек 10-1 обработки изображения, расположенных вдоль одной строки (столбца) матрицы 10 ячеек обработки изображения. При этом достигается стробированное переключение сигналами ГСН 20 входа коммутатора, подключенного к "работающему" выходу первого декодера/демультиплексора 80. Таким образом, учитывая, что выходной сигнал первого счетчика 30 соответствует количеству целых пачек из N импульсов ГСИ 20, производится последовательный "съем" сигналов с выхода 105 каждой из ячеек 10-1 обработки изображения и передача этих сигналов с выходов 71 коммутаторов 70-1 70-N по общей шине на вход третьего счетчика 50. При этом выходной сигнал третьего счетчика соответствует количеству проследовавших на его вход сигналов "1".

Выходной сигнал третьего счетчика 50 поступает по выходной шине на адресные входы второго 90 и третьего 100 декодеров/демультиплексоров, производя таким образом управление передачей входного сигнала с информационного входа на соответствующий "адресу" информационный выход.

Выходной сигнал из каждой выходной шины второго 90 и третьего 100 декодеров/демультиплексоров поступает на вход одного, соответствующего ему одному, регистра первого 110 и второго 120 блоков регистров соответственно.

Таким образом, производиться последовательная "запись" входных сигналов первого 110 и второго 120 декодеров/демультиплексоров в регистры 110-1 110-n и 120-1 и 120-n соответственно. Причем выходные сигналы первого 110 и второго 120 декодеров/демультиплексоров следуют одновременно. После окончания "просмотра" содержимого всех ячеек 10-10 обработки изображения с (N+1)-го выхода первого декодера/демультиплексора 80 на управляющие входы регистров 110-1 110-n, 120-1 120-n, соединенные общей шиной, поступает сигнал, устанавливающий во всех данных регистрах режим "чтение". После этого выходные сигналы регистров 110-1 110-n и регистров 120-1 120-n параллельно поступают на 2n входов 131 блока 130 распознавании контура.

Входные сигналы блока 130 распознавания контура по 2n входным шинам 131 поступают на входы 2(2n-1) первых вычитателей 130-1. При этом каждая i-я, соответственно (n+i)-я, кроме первой и n-ой, соответственно 2n-ой и (n+1)-ой, входная 131 шина подключена к входам (2i-1)-го, (2i-3)-го и (2i-4)-го, соответственно 2(i+n-1)-го, 2(i+n-2)-го и (2i+2n-5)-го, первых 130-1 первых вычитателей. При этом первая, соответственно (n+1)-я, входная 131 шина подключена к входам первого, 2(n-1)-го и (2n-1)-го, соответственно 2n-го, (4n-3)-го и 2(2n-1)-го вычитателей, а n-я, соответственно 2n-я, входная 131 шина подключена к входам 2(n-1)-го и (2n-1)-го, соответственно (4n-3)-го и 2(2n-1)-го вычислителей (см. фиг.4). Т.е. входы каждого (2i-1)-го, соответственно 2(i+n-1)-го, первого 130-1 вычитателя подключены к i-ой и (i+1)-ой, соответственно (i+n)-ой и (i+1+n)-ой, входной 131 шине, а вход каждого 2i-го, соответственно (2i+2n-1)-го, первого 131-1 вычитателя подключен к i-ой и (i+2)-ой, соответственно (i+n)-ой и (i+n+2)-ой входной 131 шине, причем вторые входы 2(n-1)-го и (2n-1)-го, соответственно (4n-3)-го и 2(2n-1)-го первых 131-1 вычитателей, первые входы которых соединены с (n-1)-ой и n-ой, соответственно (2n-1)-ой и 2n-ой, входными 131 шинами, подключены к первой, соответственно (n+1)-ой, входной 131 шине (см.фиг.3,4).

Таким образом, в выходных шинах первых n вычитателей 130-1 реализуется арифметическая операция ΔX_ij X_i-X_j (i≠j; i, ), а вторых n вычитателей ΔY_ijY_i-Y_j (i≠j; i, ). Выходные сигналы по выходным шинам 132 поступают одновременно на входы квадраторов 130-2 (каждый квадратор подключен к одной шине 132) (см. фиг. 3). В качестве квадраторов могут быть использованы умножители с соединенными с одной шиной 132 входами. При этом в выходной шине 133 каждого квадратора реализуется арифметическая операция . Входные сигналы каждого k-го и (k+n)-го квадраторов одновременно поступают на входы одного, k-го, сумматора 130-3. Таким образом, в выходной шине каждого сумматора реализуется арифметическая операция R_ij= (ΔX_ij)²+(ΔY_ij)². После этого выходные сигналы одновременно поступают по выходным шинам 134 на входы делителей 130-4. Причем каждая (2k-1)-я шина 134 соединена с первым входом 2k-го и (2k+1)-го делителей, вторые входы которых соединены соответственно с 2k-ой и (2k+1)-ой шиной 134 (см. фиг. 3,4).

Таким образом, в выходных шинах 134 делителей 130-4 реализуется арифметическая операция
где j=i+2.

Выходные сигналы делителей 130-4 по выходным шинам 135 поступают на первые входы вторых вычитателей 130-5. Одновременно по шинам, ответвленным от каждой шины 135, на управляющие входы регистров 130-6 эталона поступают сигналы, установливающие режим "чтение" в регистрах. При этом с выходов регистров 130-6 на вторые входы вторых вычитателей 130-5 поступают сигналы, соответствующие эталонным значениям сигналов , т.е. .

Таким образом, при одновременном поступлении на вход сигналов D_ij, Dэтij

каждого второго вычитателя 130-5 в нем осуществляется арифметическая операция ΔD_ij= D_ij-Dэтij.

Выходные сигналы 2(n-1) вторых вычитателей 130-5 по выходным шинам 136 поступают на входы 2(n-1) пороговых элементов 130-7. В результате на выходе каждого порогового элемента 130-7 реализуется логическая операция

где Z_e выходной сигнал каждого l-го порогового элемента 130-7, .

d_пор пороговое значение сигнала, подбираемое на этапе обучения блока 130 распознавания контура.

Согласно этой операции проверяется условие "близости" координат эталонных и реальных векторов структурных признаков контура изображения в виде отношения квадратов взаимоотносительных расстояний между двумя соседними i-ой и (i+1)-ой точками перегиба контура к расстоянию от одной из соседних до ближайшей (i+2)-ой точки перегиба.

Выходные сигналы пороговых элементов 130-7 поступают по выходным шинам 137 на входы n-1 элементов И-НЕ 130-8 так, что на входы каждого m-го элемента И-НЕ 130-8 поступают одновременно выходные сигналы от (2m-1)-го и 2m-го вычитателей 130-7.

В результате на выходе элементов И-НЕ 130-8 (в выходной шине 138, см. фиг. 4) реализуется логическая операция .

Согласно этой операции проверяется отсутствие одновременной "близости" двух координат, а следовательно, и самих двумерных векторов Pэтij

и P_ij признаков распознавания контуров эталонного и реального изображений объекта. Физически это значит, что

Так как множество векторов охватывает весь контур изображения (все точки перегиба контура), то наличие хотя бы одного сигнала "1" в одном из элементов И-НЕ 130-8 соответствует неэквивалентности (в смысле распознавания) контуров эталонного и реального изображений объекта.

Таким образом, появление сигнала "1" в выходной шине 138 блока 130 распознавания контура свидетельствует об отсутствии распознавания, а следовательно, и правильности "фиксирования" контура данного изображения.

Поэтому выходной сигнал "1", передаваемый в выходную шину 138, соединенную с шиной 101 "Установ" устройства, используется как сигнал "сброса" ("установки"), т.е. "обнуления", элементов памяти ячеек 10-1 обработки изображения и т.п.

Таким образом, конструктивное и функциональное исполнение предлагаемого устройства селекции контура изображения объекта позволяет расширять его функциональные возможности, а следовательно, и область применения путем обеспечения возможности распознавания.

Применение такого устройства целесообразно, например, в оптико-электронных системах наведения и слежения за объектами разведки и поражения. Устройство будет "сбрасывать" из памяти выделенный контур до тех пор, пока в результате поиска заданного объекта-цели системой разведки, в состав которой входит данное устройство, на фотоэлементы матрицы ячеек обработки изображения устройства не попадет изображение объекта, сходное по контуру с эталонным. Кроме того, содержимое регистров блоков 110 и 120 ("адреса" точек перегиба контура) может использовано для расчета точки прицеливания (наведения).

Использование признаков распознавания вида позволяет добиться относительно высокой помехоустойчивости и значительно меньшего объема оперативной и эталонной памяти, чем, например, при корреляционно-экстримальном распознавании. Кроме того, вычисление признаков вида P_ij не требует сложных арифметическо-логических операций и поэтому конструктивно просто реализуется.

Объем оперативной памяти, исключая емкость элементов памяти ячеек обработки изображения, определяется в основном общей емкостью блоков регистров адреса, т. е. общим количеством входящих в них регистров. Так как для большинства контуров анализируемых изображений количество n точек перегиба контуров находится в пределах 9.18, то объем оперативной памяти составляет примерно 18-36 байт. Время распознавания контура изображения объекта не превышает 10^-4-10^-3 с.

Анализ показывает, что для используемых в устройстве признаков распознавания достаточно, чтобы в минимальном габаритном размере изображения объекта умещалось от 8 до 16 фотоэлементов матрицы 10.

Учитывая это, использующие данное устройство оптико-электронные системы (например, тепловизионные) могут иметь матрицу ячеек обработки изображения размером от 16х16 до 32х32 ячеек, т.е. N=16-32. Это отвечает возможностям современной технологии.

Наличие регулярности структуры устройства упрощает задачу его реализации в виде специальной БИС (СБИС).

Изобретение относиться к автоматике и вычислительной технике и может быть использовано для автоматического распознавания изображений объектов в системах технического зрения роботизированных комплексов вооружения. Устройство селекции контура изображений целесообразно применить, например, в оптико-электронных системах наведения и слежения за объектами разведки и поражения. Устройство будет сбрасывать из памяти выделенный контур до тех пор, пока в результате поиска заданного объекта - цели системной разведки, в состав которой входит данное устройство, на фотоэлементы матрицы ячеек обработки изображения устройства не попадет изображение объекта, сходное по контуру с эталонным. 1 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Устройство для распознавания объектов по их контурам, содержащее преобразователи оптических сигналов в электрические, информационные входы которых являются информационными входами устройства, а выходы подключены к информационным входам соответствующих узлов обработки изображения, установочные входы которых являются установочным входом устройства, первые и вторые выходы соответственно первыми и вторыми информационными выходами устройства, отличающееся тем, что, с целью повышения точности и надежности устройства, оно содержит группу коммутаторов, информационные входы которых соединены с третьими выходами соответствующих узлов обработки изображения, первый коммутатор, выходы которого подключены к управляющим входам соответствующих коммутаторов группы, первый счетчик, установочный вход которого соединен с установочным входом устройства, а счетный вход с выходами коммутаторов группы, второй и третий коммутаторы, управляющие входы которых подключены к выходу первого счетчика, а выходы являются третьим и четвертым информационными выходами устройства соответственно, второй счетчик, установочный вход которого соединен с установочным входом устройства, а выход с управляющим входом первого и информационным входом второго коммутаторов, третий счетчик, установочный вход которого подключен к установочному входу устройства, а выход к информационному входу третьего коммутатора, делитель частоты, выход которого соединен со счетным входом второго и управляющим входом третьего счетчиков, генератор импульсов, выход которого подключен к входу делителя частоты, информационному входу первого коммутатора и счетному входу третьего счетчика, блок регистров, установочный вход которого соединен с установочным входом устройства, управляющий вход с соответствующим выходом первого коммутатора, а информационные входы подключены к выходам второго и третьего коммутаторов, и блок сравнения координат, информационные входы которого соединены с выходами блока регистров, а выход подключен к установочному входу устройства. 2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что блок сравнения координат содержит первую группу вычитателей, информационные входы которых являются информационными входами блока, а выходы подключены к информационным входам соответствующих квадраторов, выходы квадраторов соединены с информационными входами соответствующих сумматоров, выходы которых подключены к информационным входам соответствующих делителей, выходы делителей соединены с информационными входами соответствующих регистров и первыми информационными входами соответствующих вычитателей второй группы, вторые информационные входы которых подключены к выходам соответствующих регистров, выходы вычитателей второй группы соединены с информационными входами соответствующих пороговых элементов, выходы которых подключены к входам соответствующих элементов И-НЕ, а выходы элементов И-НЕ являются выходом блока.