СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ВОССТАНОВЛЕНИЯ ИЗОБРАЖЕНИЯ Российский патент 2000 года по МПК G06K7/10 G01S3/782 

Изобретение относится к вычислительной технике и может быть использовано в цифровых вычислительных машинах и в специализированных комплексах и системах, предназначенных для получения изображения как в оптическом, так и в любом другом диапазоне излучения.

Общепринятым способом получения изображения предмета, излучающего непрерывно во времени и пространстве, является использование линзы. Аналогом линзы в цифровой области, где рассматривается квантованное пространство, выступает система с кодирующей маской [1]. Эта система применяется, например, в рентгеновских телескопах в космической радиоастрономии.

Такая система содержит два блока: блок формирования тени и блок устройства восстановления изображения. Физически первый блок формирования тени состоит из кодирующей маски и из расположенной от нее на некотором расстоянии матрицы детекторов (например, фотоумножителей), связанных между собой оптически и чувствительных к поступающему на вход излучению. Кодирующая маска представляет собой непрозрачный для излучения экран с набором миниатюрных отверстий, размещенных по поверхности экрана по случайному закону.

В первом блоке обеспечиваются создание и регистрация тени от изображения, формируемой маской под воздействием излучения, исходящего от предмета. Во втором блоке устройства восстановления изображения осуществляется преобразование зарегистрированной тени от изображения цифровыми методами с целью восстановления изображения реального предмета. В качества второго блока обычно используется компьютер. Для связи блоков информация от детекторов по шине связи передается в компьютер.

Для анализа двумерный предмет U представляют в виде изотропных пикселей U(i, j), тень F - как матрицу пикселей F(k, l) и кодирующую маску - как матрицу пропускания A(k, l). Если в кодирующей маске элемент с координатами (k, l) - это отверстие, то A(k, l)=1, если наоборот - A(k, l)=0.

Образование тени определяется как умножение матрицы пикселей изображения на матрицу, описывающую кодированную маску, обеспечивающих

Восстановление изображения осуществляется путем вычисления свертки с обратной матрицей G для матрицы A, что записывается как
U = F * G = U,
где * - обозначает свертку.

На фиг. 1 показаны кодирующая маска в виде чередующихся перемычек и отверстий со случайным законом пропускания и пример формирования тени от точечного источника для простейшего одномерного случая. Если детектор P содержит i элементов, то кодирующая маска имеет (2i-1) элементов.

Известный способ восстановления характеризуется тем, что при его осуществлении необходимо выполнить большое число умножений и сложений. Умножение является длительной операцией, требующей, чтобы сомножители присутствовали на входе умножителя без изменения своих значений до тех пор, пока не закончится умножение. Сложение также является длительной операцией, что связано со временем распространения сигнала переноса. По этим причинам вычисление свертки в принципе является весьма длительным процессом и не может быть обеспечено при непрерывном изменении входных величин, т.е. при непрерывном перемещении предмета.

Задачей данного изобретения является повышение быстродействия, обеспечение восстановления изображения при непрерывном перемещении предмета.

Предлагаемый способ основан не на арифметических операциях, а на логическом анализе прохождения излучения через кодирующую маску, так как можно считать, что возбуждение детектора является результатом логической операции между сигналом от источника и кодирующей маской.

Мысленно поместим глаз в какую-нибудь точку на линии источников излучения, где предмета нет, помеченную цифрой ноль. При этом удастся увидеть часть засвеченных детекторов. Также мысленно заменим кодирующую маску на маску с дополнительным законом кодирования, в которой перемычки заменены на отверстия, а отверстия - на перемычки. Теперь удастся увидеть какие-то другие из засвеченных детекторов. Благодаря случайному закону распределения отверстий и перемычек количество единиц и нулей детектора P в обоих случаях будет одинаковым, хотя расположены они будут по-разному.

Теперь мысленно поместим глаз в точку размещения предмета, помеченную цифрой единица. Можно увидеть из этого положения все засвеченные детекторы. При переходе на маску, кодированную дополнительным образом, все засвеченные детекторы окажутся закрытыми от наблюдателя. Сопоставление этих двух результатов позволяет обнаружить излучающий предмет.

Известно устройство сортировки, реализованное на двухвходовых сдвоенных элементах И-ИЛИ, патент SU N 1109888 A, H 03 H 17/00. Это устройство работает при непрерывном поступлении разрядов кода на входы и обеспечивает смещение единиц кода, например, в сторону младших разрядов.

Известно устройство умножения чисел в позиционном коде, содержащее две сборки вентилей и сортирующую схему, патент N 2054709, G 06 F 7/52 (прототип).

На фиг. 2 приведена блок-схема устройства восстановления изображения, на фиг. 3 приведен пример восстановления изображения для случая засветки, показанного на фиг.1.

Устройство восстановления содержит i одинаковых частей 1 по числу элементов изображения в детекторе P. В состав части 1 входит пара сборок 2 двухвходовых вентилей. Регистр A кода кодирующей маски хранит (2i-1)-разрядный код кодирования маски. Он разделен на i секций 3 по i разрядов в каждой по числу частей 1. Секции 3 смещены одна относительно другой на один разряд, начиная со старшего разряда. Прямой и инверсный выходы каждого разряда секции 3 регистра A соединены с первыми входами двух вентилей соответствующей пары сборок 2. Вторые входы тех же двух вентилей пары сборок 2 соединены между собой и подключены к выходам разрядов регистра 4 состояния детекторов P. В зависимости от значения разрядов регистра A происходит пропускание или не пропускание единиц кода в регистре 4 на выходы пары сборок 2 вентилей.

К каждой паре сборок 2 вентилей подключена параллельно своя сортирующая схема, также образующие вместе пару 5. Сортирующая схема смещает поступающие на ее входы единицы в одну сторону, например вниз, т.е. в сторону младших разрядов. Выходы одной пары сортирующих схем 5 по два сравниваются с помощью сборки 6 вентилей Исключительное ИЛИ, выходы которых F образуют результат преобразования в устройстве восстановления изображения.

Устройство восстановления изображения работает следующим образом. В соответствии с засветкой детекторов P в регистре 4 состояния детекторов формируется код, содержащий определенное количество единиц. Благодаря случайному закону распределения единиц и нулей в коде кодирования маски количество единиц, проходящих через пару сборок 2 вентилей на входы пары сортирующих схем 5 части 1, будет одним и тем же, так как не будет зависеть, используется ли прямое или инверсное значение кода регистра A. Это повлияет только на распределение единиц по входным шинам сортирующих схем 5, а не на их количество. После смещения в сторону младших разрядов коды в обоих случаях оказываются одинаковыми, что приводит к образованию нуля на выходах F.

Так будут срабатывать все части 1, кроме той, которая соответствует излучающему предмету (пятая часть в примере на фиг.3). Здесь равенство кодов нарушится. На вход верхней сортирующей схемы из пары 5 поступят все единицы, содержащиеся в коде в регистре 4 состояния детекторов, а на вход нижней сортирующей схемы из пары 5 поступят все нули. В результаты на выходе сборки 6 вентилей Исключительное ИЛИ образуется код, в который войдут все поступающие засветки, упакованные в сторону младших разрядов, что показывает размещение излучающего предмета.

Все вычисления в устройстве восстановления изображения осуществляются на основе логических операций без использования обратных связей. Тем самым оно может функционировать в режиме прямого непрерывного поступления сигналов от детекторов P, т.е. в реальном времени.

Литература
1. Скиннер Д.К. Рентгеновские изображения с кодирующими масками. -М: В мире науки, N 10, 1988.

Изобретение относится к вычислительной технике. Его использование в системах для получения изображения позволяет повысить быстродействие и обеспечить восстановление изображения при непрерывном перемещении объекта. Этот технический результат достигается в способе, реализуемом на матрице детекторов, образованной в результате прохождения излучения через кодирующую маску, состоящую из отверстий и перемычек, кодированную по случайному закону благодаря тому, что сравнивается количество единиц и нулей в матрице детекторов, наблюдаемых из произвольно выбранной точки пространства, при использовании кодированной по случайному закону маски и такой же маски, в которой перемычки заменены на отверстия, а отверстия - на перемычки так, что одинаковое количество единиц и нулей соответствует отсутствию излучения из выбранной точки, а разное - обнаружению излучения. 2 c.п ф-лы, 3 ил.

1. Способ восстановления изображения по тени от излучения на матрице детекторов, образованной в результате прохождения излучения через кодирующую маску, состоящую из отверстий и перемычек, кодированную по случайному закону, отличающийся тем, что сравнивается количество единиц и нулей в матрице детекторов, наблюдаемых из произвольно выбранной точки пространства, при использовании кодированной по случайному закону маски и такой же маски, в которой перемычки заменены на отверстия, а отверстия на перемычки так, что одинаковое количество единиц и нулей соответствует отсутствию излучения из выбранной точки, а разное - обнаружению излучения. 2. Устройство восстановления изображения, содержащее кодирующую по случайному закону маску и отстоящую от нее на некоторое расстояние матрицу детекторов, i-разрядный первый регистр состояния детекторов, (2i-1)-разрядный второй регистр кода кодирования кодирующей маски, i пар сборок вентилей, i пар сортирующих схем, отличающееся тем, что второй регистр кода кодирования кодирующей маски разделен на i секций по i разрядов, начиная с младшего разряда, прямые выходы разрядов i секции соединены с первыми входами вентилей одной из сборок i пары сборок вентилей, а инверсные выходы тех же разрядов соединены с первыми входами вентилей другой сборки из i пары сборок вентилей, причем вторые одноименные входы вентилей, подключенных к выходам одного и того же разряда секции, объединены между собой и соединены с выходами разрядов i-разрядного первого регистра состояния детекторов, выходы вентилей каждой сборки из i пары сборок вентилей порознь параллельно подключены к входам каждой из двух сортирующих схем i пары, при этом одноименные выходы одной и другой сортирующей схемы из их i пары соединены со входами вновь введенных вентилей "Исключительное ИЛИ", выходы которых являются выходами устройства.