Способ преобразования оптического изображения и устройство для его осуществления Советский патент 1987 года по МПК G06C9/00 G06K9/00 H04N5/208 

Изобретение относится к автоматике и предназначено для преобразования оптического изображения перед его последующей обработкой на ЭВМ.

Цель изобретения - расширение функциональных возможностей.

На фиг. 1 изображена принципиальная блок-схема устройства; на фиг. 2 - вольт- амперная характеристика элемента фотоприемной мозаики; на фиг. 3 - карта знаков управляющих поэлементных потенциалов для кодирующих функций оператора Собела; на фиг. 4 - карта распределения ампли- ;туды управляющего потенциала для одного элемента мозаики для кодирующих функций оператора Собела; на фиг. 5 - мозаика элементов для синтеза кодирующих функций оператора подчеркивания вертикальных и горизонтальных линий; на фиг. 6 - мозаика элементов для синтеза кодирующих функций оператора реставрации изображения,

ма каждого элемента выбирается в виде сектора, заключенного между двумя взаимно перпендикулярными диаметрами, соответствующими двум линиям нулевых значений кбдирующих функций. Электрические контак ты к лицевому слою элементов выбираются в виде точки, близлежащей к центру круга, и Б виде линии внешней окружности. Геометрические размеры точки и линии определяются технологическими возможностями

10 обеспечения подпайки внешнего электрического контакта к этим металлизированным площадкам. Формирование электрических контактов обеспечивает формирование экви- потенциалей в виде концентрических окружностей. В данном простейшем случае не тре буется знания соотношения линейных размеров элемента и электрических контактов. В других же случаях, например, С11нтеза кодирующих функций, представленных на фиг. 7 и 8, такие значения необходимы.

30

подвергнутого расфокусировке; на фиг. 7 - 20 Размеры элемента и электрических контак- мозаика элементов для синтеза кодирующих тов в общем случае выбираются исходя функций для оператора подчеркивания ли- из соотношения подобия к конфигурации кодирующей функции в соответствии с распределением амплитуды в пределах каждого участка определения кодирующей функции. 25 Кодирующая функция может быть изображена в любом масщтабе; размеры элементов мозаики следует выбирать минимальными с тем, чтобы снизить темновые шумы токов р-/г-переходов, квадратично зависящие от их площади.

Первой операцией по предлагаемому способу является одновременное формирование на каждом из 4 элементов мозаики управляющего поэлементного потенциала (знака потенциала) и амплитудного расэлемента содержит слои: лицевой 8, базо- , пределения управляющего потенциала. На об- вый 9 и тыльный 10 и контакты к лице- щий электрод 13, т.е. тыльный р-слой 10, вому слою 11 и 12. С тыльным слоем эле- подается нулевое смещение. При формировании первой кодирующей функции (фиг. 3) на верхние сектора подается отрицательный управляющий потенциал относительно общей Пусть поставлена задача подчеркнуть 40 щины, а на нижние сектора - положитель- в изображении перепады в распределении ный. Подачу этих потенциалов обеспечива- освещенности. Выберем для решения этой задачи оператор Собела из 2Х 2 элементов. Предлагаемая для этого случая карта распределения амплитуды управляющего потенциала для одного из 4 элементов мозаики, соответствующая кодирующей функции аналогового оператора Собела, представлена на фиг. 4. Карта знаков комбинаций этих элементов представлена на фиг. 3. Из фиг. 3 и 4 следует, что область определения кодирующей функции - круг. Два взаимно перний произвольных направлений; на фиг. 8 - мозаика элементов для синтеза кодирующих функций для оператора подчеркивания линий у х.

Устройство содержит (фиг. 1) мозаику фотоприемных элементов 1, многоканальный блок 2 для формирования амплитудного распределения управляющего потенциала, предусилители 3,, многоканальный генератор 4 для формирования поэлементного управляющего потенциала, блок 5 обработки сигнала. Фотоприемный элемент 6 на лицевой стороне имеет области 7, разделяющие элементы друг от друга. Р-п-р-струк тура

ментов контактирует общий электрод 13.

Устройство, реализующее предлагаемый

способ, работает следующим образом.

45

ет генератор 4 (фиг. 1). Корректировка амплитуды подаваемых на элементы управляющих потенциалов, распределение их величин между первым и вторым электрическими контактами каждой пары осуществляется блоком 2 (фиг. 1). Из формы заданной кодируюш,ей функции (фиг. 4) следует, что максимальное ее значение равно единице (точка участка функции, близлежащая к 5Q центру круга), а минимальное - нулю (линия окружности, максимально удаленная от центра). Таким образом, определены значения амплитуды кодирующей функции на краях участков, соответствующих элементам мозаики, т.е. на участках, ограниченпендикулярных диаметра - линии нулевых значений амплитуды. Максимальные значения функции в каждом секторе - точка близлежащая к центру круга, минимальные

ет генератор 4 (фиг. 1). Корректировка амплитуды подаваемых на элементы управляющих потенциалов, распределение их величин между первым и вторым электрическими контактами каждой пары осуществляется блоком 2 (фиг. 1). Из формы заданной кодируюш,ей функции (фиг. 4) следует, что максимальное ее значение равно единице (точка участка функции, близлежащая к 5Q центру круга), а минимальное - нулю (линия окружности, максимально удаленная от центра). Таким образом, определены значения амплитуды кодирующей функции на краях участков, соответствующих элементам мозаики, т.е. на участках, ограничензначения функции - отрезки внешней ок- 55 ных линиями нулевых локальных экстреружности в каждом секторе. Соответственно число элементов мозаики в данном конкретном случае выбирается равным 4. Формальных значений. Однако не во всех случаях, как в рассматрива мом примере, экстремальными значениями окажутся 1 и 0.

ма каждого элемента выбирается в виде сектора, заключенного между двумя взаимно перпендикулярными диаметрами, соответствующими двум линиям нулевых значений кбдирующих функций. Электрические контакты к лицевому слою элементов выбираются в виде точки, близлежащей к центру круга, и Б виде линии внешней окружности. Геометрические размеры точки и линии определяются технологическими возможностями

обеспечения подпайки внешнего электрического контакта к этим металлизированным площадкам. Формирование электрических контактов обеспечивает формирование экви- потенциалей в виде концентрических окружностей. В данном простейшем случае не требуется знания соотношения линейных размеров элемента и электрических контактов. В других же случаях, например, С11нтеза кодирующих функций, представленных на фиг. 7 и 8, такие значения необходимы.

пределения управляющего потенциала. На об- щий электрод 13, т.е. тыльный р-слой 10, подается нулевое смещение. При формировании первой кодирующей функции (фиг. 3) на верхние сектора подается отрицательный управляющий потенциал относительно общей щины, а на нижние сектора - положитель- ный. Подачу этих потенциалов обеспечива-

ет генератор 4 (фиг. 1). Корректировка амплитуды подаваемых на элементы управляющих потенциалов, распределение их величин между первым и вторым электрическими контактами каждой пары осуществляется блоком 2 (фиг. 1). Из формы заданной кодируюш,ей функции (фиг. 4) следует, что максимальное ее значение равно единице (точка участка функции, близлежащая к центру круга), а минимальное - нулю (линия окружности, максимально удаленная от центра). Таким образом, определены значения амплитуды кодирующей функции на краях участков, соответствующих элементам мозаики, т.е. на участках, ограниченных линиями нулевых локальных экстремальных значений. Однако не во всех случаях, как в рассматрива мом примере, экстремальными значениями окажутся 1 и 0.

Так, для синтезируемого оператора Собела экспериментально для каждого преобразуемого изображения может подбираться локальное минимальное значение кодирующей функции на внешней окружности: 0,1; 0,2; 0,3 и т.д. От выбора этого значения зависит наклон спада кодирующей функции и, следовательно, величина отрезка линии перепада освещенности в анализируемой картине, которая будет принята за участок искомого контура в стилизованном изображении на выходе устройства.

Нормированная на максимальное значение амплитуда кодирующей функции задает значения нормированной квантовой эффективности преобразования свет - электрический сигнал по площади мозаики. Переход от значений квантовой эффективности к значениям управляющего потенциала осуществляется в соответствии с вольт-амперной характеристикой симметричной р-п-р (п-р-п)-структуры.

При условии равенства фототоков, генерируемых лицевым и тыльным р-«-переходами, нормированный ток через элемент в зависимости от и„ (управляющего потенциала) записывается в виде

А / i.

gOH/a

-f

Ш/1/о .J

+ ei/«/Uo-j- 1

(1)

темновои ток через р-п-р-структуру;

фототок через р-п-р-структуру; 4к Т а

7т

Вольт-амперная характеристика р-п-р- структуры приведена на фиг. 2. В непосредственной близости от О характеристика .Q практически линейна. По заданным кодирующей функцией краевым значениям в соответствии с вольт-амперной характеристикой либо по аналитическому выражению (1) определяются значения Un«Bm и и„мин, которые генерируют на парных выходах бло- 45 и амплитуде. Конструктивной особенностью ка 2 (фиг. 1). Знаки этих потенциалов заФототоки, генерированные с разной квантовой эффективностью разными участками одного и того же элемента, автоматически суммируются, так как протекают по одному каналу связи. Этот канал связи замыкается через электрические контакты к элементу, общую щину, блок 2, генератор 4 (фиг. 1), поканальные предусилители 3 (фиг. 1) и блок 5 обработки сигнала (фиг. 1). Блок 2 и генератор 4 являются многоканальными программируемыми генераторами двуполярных многоградационных импульсов напряжения, которые по заранее заданной программе (программе смены кодирующих функций) генерируют заранее заданные управляющие потенциалы, различные по знаку

даются генератором 4 (фиг. 1).

Под воздействием управляющих потенциалов, генерируемых блоком 2 и генератором 4 (фиг. 1), устанавливается распределение знакового управляющего потенциала («-, «-, «+, «+) по 4 элементам мозаики и амплитудное распределение

управляющего потенциала (/ ) между электрическими контактами на каждом эле.менте мозаики.

На фотоприемную мозаику проецируется фрагмент преобразуемого изображения. В полупроводниковой структуре происходит

50

55

этих программируемых многоканальных генераторов является то, что они кондуктивно включены в цепь токового сигнала. В блоке 5 (фиг. 1) осуществляется сложение разнонаправленных токов от всех элементов мозаики, предварительно усиленных предуси- лителями 3 (фиг. 1), и запоминание полученного значения суммы токов.

Далее происходит формирование второй кодирующей функции, которая в данном конкретном случае формирования оператора Собела отличается от предыдущей только новой картой знаков потенциалов на элементах («-, , «-, «-|-). На выхопоглощение квантов света и рождение электронно-дырочных пар пропорционально числу поглощенных квантов. Однако разделение электронно-дырочных пар р-п-перехо- дами в непосредственной близости от места

их рождения происходит в соответствии с величиной и знаком управляющего потенциала, под которым находится данный участок р-п-р (п-р-«)-структуры. Во внешнюю цепь поступают разделенные полем

р-п-перехода носители, их число пропорционально квантовой эффективности данного участка р-п-перехода. Кроме того, направление генерированного фототока зависит от того, лицевым или тыльным р-«-переходам разделена данная электронно-дырочная пара носителей. Допустим направление тока, генерированного тыльным р-«-переходом положительное, а лицевым - отрицательное. В соответствии с синтезируемым оператором Собела на все точечные контакты подается потенциал

5

0

5

Q 5 и амплитуде. Конструктивной особенностью

/Л t I nt / -л-/в, а на контакты в виде участков окружности - Un О В. Тогда на лицевых слоях элементов, представляющих собой омическое сопротивление, эквипотен- циали расположатся по концентрическим окружностям так, как показано на фиг. 4. В более сложных случаях расположения линий равной амплитуды в кодирующих функциях следует специально выбирать форму лицевого слоя и форму пары электрических контактов.

Фототоки, генерированные с разной квантовой эффективностью разными участками одного и того же элемента, автоматически суммируются, так как протекают по одному каналу связи. Этот канал связи замыкается через электрические контакты к элементу, общую щину, блок 2, генератор 4 (фиг. 1), поканальные предусилители 3 (фиг. 1) и блок 5 обработки сигнала (фиг. 1). Блок 2 и генератор 4 являются многоканальными программируемыми генераторами двуполярных многоградационных импульсов напряжения, которые по заранее заданной программе (программе смены кодирующих функций) генерируют заранее заданные управляющие потенциалы, различные по знаку

и амплитуде. Конструктивной особенностью

этих программируемых многоканальных генераторов является то, что они кондуктивно включены в цепь токового сигнала. В блоке 5 (фиг. 1) осуществляется сложение разнонаправленных токов от всех элементов мозаики, предварительно усиленных предуси- лителями 3 (фиг. 1), и запоминание полученного значения суммы токов.

Далее происходит формирование второй кодирующей функции, которая в данном конкретном случае формирования оператора Собела отличается от предыдущей только новой картой знаков потенциалов на элементах («-, , «-, «-|-). На выходах блока 2 (фиг. 1) сохраняется абсолютное значение потенциалов, но их знак под воздействием генератора 4 (фиг. 1) изменяется в соответствии с новой картой знаков потенциалов. Осуществляется новое суммирование и запоминание суммированного значения токов.

Математическая обработка значения сумм производится следующим образом.

ния освец|,енностей фрагмента с числом элементов разрешения, по крайней мере на порядок превышающим число элементов мозаики, проецирования этого фрагмента на мозаику, суммирования значения токов от всех элементов мозаики для каждой заданной кодируюш.ей функции, запоминания полученных значений сумм, комбинирования значения сумм для различных кодирующих функций и сравнения результата с заданным

ГЗычисляется среднеквадратическое значение ю пороговым значением, смещения фрагмента

сумм GI и G2, оно сравнивается с заданной величиной порога распознавания Контура Р. Принимается решение по результату этого сравнения и в зависимости от этого центральному элементу фрагмента приписывается значение +1 или 0.

Далее производится перемещение преобразуемого изображения и мозаики на один элемент разрешения изображения. Это перемещение может производиться механически.

15

относительно матрицы на один элемент разрешения и повторения всех операций, отличающийся тем, что, с целью расширения функциональных возможностей, дополнительно формируют амплитудное распределение управляющего потенциала по поверхности каждого элемента мозаики в соответствии с распределением амплитуды кодирующей функции в пределах каждого участка определения с одним знаком, причем веСнова формируются те же распределения п личина управляющего потенциала Un на потенциалов, что и в предыдущем цикле. Про- каждом элементе выбирается из интервала изводится математическая обработка ре-Дк-Т4 --Т

зультатов двух суммирований. Отметим, что Un -- ;

могут использоваться операторы,

пример, сравнения с эталоном, где число

кодирующих функций будет более двух.25 где/с - постоянная Больцмана; Снова принимается решение о наличии кон-Т - температура;

тура. При более сложных операторах, например с использованием кодируюп1,их функций, восстанавливающих смаз или расфокусировку, преобразованное изображение

а-коэффициент степени неидеальности

р-п перехода; q - заряд электрона. 2. Устройство для преобразования оптидолжно быть многоградационным с восста- ческого изображения, содержащее фотоприемную мозаику на основе р-п-р(или п-р-л)-структуры, каждый элемент которой снабжен двумя электрическими контактами, а тыльный слой - общей щиной, многоканальный генератор для формирования управляю1щего поэлементного потенциала, по- канально кондуктивно связанный с входами поканальных предусилителей, выходы которых соединены с входом блока обработки сигналов, отличающееся тем, что, с це.1ью 40 расширения функциональных возможностей, на поверхности элементов мозаики имеются дополнительные электрические контакты, причем форма границ элементов и конфигурация дополнительных контактов соответствуют пространственному расположению экстремумов и нулевых значений кодирующих функций, при этом для формирования амплитудного распределения управляющего потенциала по поверхности элементов мозаики введено многоканальное устройство, два выхода каждого канала подключены к двум электрическим контактам элемента мозаики, а вход кондуктивно связан с выходом многоканального генератора для формирования управляющего потенциала.

новленными высокочастотными деталями. Таким образом, для его записи должны быть использованы аналоговые средства, например телевизионные приемные трубки с памятью.

Предлагаемые способ и устройство могут быть использованы при распознавании изображений для выделения объектов на фоне шумов и мещающих деталей, компенсации разнообразных искажений, подчеркивания контуров, выделения связанных областей. Стилизация и упрощение изображения сокращают время его дальнейщей обработки с помощью ЭВМ.

Формула изобретения

1. Способ преобразования оптического изображения с помощью фотоприемной мозаики на основе симметричной р-п-р (или п-р-rt)-структуры путем подачи на каждый элемент мозаики управляющего потенциала в соответствии с распределением знаков по участкам области определения кодирующей функции, выделения из преобразуемого пространственного распределения освец|,енностей фрагмента с числом элементов разрешения, по крайней мере на порядок превышающим число элементов мозаики, проецирования этого фрагмента на мозаику, суммирования значения токов от всех элементов мозаики для каждой заданной кодируюш.ей функции, запоминания полученных значений сумм, комбинирования значения сумм для различных кодирующих функций и сравнения результата с заданным

относительно матрицы на один элемент разрешения и повторения всех операций, отличающийся тем, что, с целью расширения функциональных возможностей, дополнительно формируют амплитудное распределение управляющего потенциала по поверхности каждого элемента мозаики в соответствии с распределением амплитуды кодирующей функции в пределах каждого участка определения с одним знаком, причем веа-коэффициент степени неидеальности

р-п перехода; q - заряд электрона. 2. Устройство для преобразования оптиого изображения, содержащее фото

приемную мозаику на основе р-п-р(или п-р-л)-структуры, каждый элемент которой снабжен двумя электрическими контактами, а тыльный слой - общей щиной, многоканальный генератор для формирования управляю1щего поэлементного потенциала, по- канально кондуктивно связанный с входами поканальных предусилителей, выходы которых соединены с входом блока обработки сигналов, отличающееся тем, что, с це.1ью расширения функциональных возможностей, на поверхности элементов мозаики имеются дополнительные электрические контакты, причем форма границ элементов и конфигурация дополнительных контактов соответствуют пространственному расположению экстремумов и нулевых значений кодирующих функций, при этом для формирования амплитудного распределения управляющего потенциала по поверхности элементов мозаики введено многоканальное устройство, два выхода каждого канала подключены к двум электрическим контактам элемента мозаики, а вход кондуктивно связан с выходом многоканального генератора для формирования управляющего потенциала.

12

Uo.

-ЬХ -7

Фиг.1

О

и

+Un

Фиг. 2

Способ нреобразования оптического изображения и устройство для его реализации позволяют расширить функциональные возможности, обеспечивая, в частности, при распознавании изображений выделение объектов на фоне шумов и мешающих деталей, компенсацию разнообразных искажений, подчеркивание контуров. По поверхности каждого из 3jfceMeiiTOB мозаики фотоприемных элементов, выполненных на основе симметрично р-п-р (или п-р-/г)-полупроводниковой структуры, формируют амплитудное распределение управляющего потенциала в соответствии с распределением амплитуды кодирующей функции в пределах каждого участка определения с одним знаком, из преобразуемого изображения фрагмент с числом элементов разрешения, по крайней мере на порядок превышающим число элементов мозаики, проецируют этот фрагмент на мозаику, суммируют значения токов от всех элементов мозаики для каждой заданной кодирующей функции, запоминают полученные значения сумм, ком- Q бинируют значения сумм для различных $ кодирующих функций, сравнивают результат с заданным пороговым зн ачением, после чего смещают выделяемый фрагмент относительно преобразуемого изображения на один элемент разрешения и повторяют все перечисленные выше операции. 2 с.п.ф-лы, 8 ил. СО о 00

Фиг.

Фи2.5

.//

Х7

11

Фиг.1

Составитель А. Даревский

Редактор М. ДылынТехред И. ВересКорректор Л. Патай

Заказ 7901/45Тираж 673Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская яаб., д. 4/5 Производственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул. Проектиая, 4