Статистический анализатор изображений Советский патент 1988 года по МПК G06G9/00 

Изобретение относится к технической кибернетике, в частности к устройствам автоматического анализа сложноструктурных изображений, может быть использовано в многочисленных областях науки и техники, где необходимо выделять в изображениях фрагменты с различными статистическими свойствами, например при анализе мик рофотографий периодических структур, изображений сельскохозяйственных культур или геологических образований и т.п., и является усовершенствованием изобретения по авт.св. № 1173427.

Цель изобретения - повьшение достоверности результатов анализа изображений.

На фиг.1 представлена функциональ ная схема статистического анализатора изображений; на фиг.2 - расположение центрального и периферийных фотодатчиков в фокальной плоскости линзы{ на фиг.З - временные диаг- раммы, поясняющие работу анализатора изображений.

Анализатор содержит первый источник 1 света, коллиматор 2, рассеива- тель 3, полупрозрачное зеркало 4, линзу 5, транспарант 6 (с записью анализируемого изображения), первый диск 7 Нипкова (с отверстиями), зеркало 8, механический вал 9, электропривод 10, центральный фотодатчик 11 расположенный на оптической оси анализатора в фокальной плоскости 12 линзы 5, основной усилитель 13, управляющий яркостью первого источника 1 света по сигналам фотодатчика 11, круговой набор периферийных фотодатчиков 14i радиально расположенных относительно оптической оси устройства в фокальной плоскости 12 линзы 5, аналоговый сумматор 15, первый усилитель 16 сигналов периферийных фотодатчиков 14, второй источник 17 света, второй диск 18 Нипкова (с отверстиями) , расположенный между вто- источником 17 света и диафрагмой 19, видеокамеру 20, видеоконтрольный блок 21. Кроме .того, в анализатор введены К круговых групп периферийных фотодатчиков 22, расположенных в фокальной плоскости 12 линзы 5, К компараторов 23, инвертор 24, К-1 элементов ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 25, группа К ключей 26, первый 27 и второй 28 цифровые сумматоры, группа К клю

o 5

0 5

0 5 О з Q

5

чей 29, вход 30 логической единицы первого ключа 26, первый 31 и второй 32 цифроаналоговые преобразователи, второй 33 и третий 34 усилители сигналов периферийных фотодатчиков 22, третий 35 и четвертый 36 источники света, первый 37, второй 38 и третий 39 светофильтры.

Анализатор работает следукяцим образом.

Световой поток от первого источника 1 света через коллиматор 2 поступает на матовое стекло 3 - рассе- иватель, расположенный в фокальной плоскости линзы 5, создающей с помощью полупрозрачного зеркала 4 параллельный пучок лучей .от каждой точки рассеивателя 3. Вследствие этого транспарант 6, на котором записано анализируемое изображение, освещается диффузным светом. Непосредственно за транспарантом 6 в оптическую схему введен вращающийся диск 7 Нипкова с квадратными отверстиями, расположенными По спирали. При движении по полю транспаранта 6 центр каждого отверстия описывает траекторию, соответствукяцую одной строке, для которой вычисляется признак.

В статическом состоянии световой поток проходит через транспарант 6, отверстие диска 7 и, отражаясь от зеркала 8, снова проходит через отверстие диска 7 и транспарант 6. Так как транспарант 6 освещается диффузным светом, то световые лучи, прошедшие через каждую точку транспаранта 6, идут в различных направлениях. После отражения от зеркала 8 и прохождения через отверстие диска 7 лучи, параллельные оптической оси устройства, попадают в те же точки транспаранта 6, из которых они вьшши. Лучи, которые идут под углом к оптической оси, попадают в другие точки транспаранта 6, сдвинутые относительно исходных точек транспаранта 6. Величина сдвига тем больше, чем больше угол, под которым идут лучи. Таким образом.формируется сдвиг участка изображения, выделенного отверстием диска 7. Лучи, прошедшие в обратном направлении транспарант 6, параллельные оптической оси и соответствующие нулевому сдвигу, фокусируются линзой 5 в плоскости 12 на оптической оси устройства. Отраженные от зеркала 8 и прошедшие под углом через отверстие

3140

диска 7 и транспарант 6 лучи фокусируются линзой 5 в плоскости 12 в различных точках. В результате в плоскости 12 формируется автокорреляционная функция участка изображения, выделенного отверстием диска 7, Максимум функции автокорреляции, соответствующий нулевому сдвигу, всегда находится в центре на оптической оси, независимо от положения отверстия диска 7. Удаление точек автокорреляционной функции от оптической оси пропорционально сдвигу.

В плоскости 12 световой поток, со- ответствующий автокорреляционной функции, воспринимается центральным фотодатчиком 11, круговым набором периферийных фотодатчиков 14, К круговыми группами периферийных датчиков 22, расположенных концентрически вокруг оптической оси устройства. Расположение фотодатчиков 11, 14 и 22 в фокальной плоскости 12 показано на фиг.2.

Выход центрального фотодатчика 11 через усилитель 13 сигналов центрального фотодатчика подключен к электрическому входу первого источника 1 света. Выход первой группы периферий- ньп фотодатчиков 14 соединен с пер-г вым входом аналогового сумматора 15 и с первым входом первого компаратора 23. Выходы i-й группы периферий- ных фотодатчиков 22 соединены с пер- вым входом i-ro компаратора 23, с вторым входом (i-l)-ro компаратора 23 и с первым входом (i-l)-ro аналогового ключа 29. Выход первого компаратора 23 соединен с входом инверто- ра 24 и с первым входом первого элемента ИСКЛЮЧАЩЕЕ ИЛИ 25. Выход i-ro компаратора 23 соединен с первым входом i-ro элемента ИСКЛЮЧАЮР1ЕЕ ИЛИ и с вторым входом (i-l)-ro элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 25.

Выход инвертора 24 соединен с вторым входом первого цифрового ключа 26 и с первым входом первого цифрового суь1матора 27. Выход i-ro элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 25 соединен с вторым входом (i+l)-ro цифрового ключа 26 и с (i+t)-M входом первого цифрового сумматора 27. На первый вход 30 первого цифрового ключа 26 подан сигнал логической единицы. Выход i-ro цифрового ключа 26 соединен с первым входом (i+l)-го цифрового ключа 26, с i-M входом второго цифрового сумматора 28 и с вторым входом (i+1)-ro аналогового ключа 29. Выход i-ro аналогового ключа 29 соединен с (i+1)-ым входом аналогового сумматора 15, выход которого через первый усилитель 16 сигналов периферийных фотодатчиков 14 подключен к входу второго источника 17 света.

Выходы первого цифрового сумматора 27 подключены к входам первого цифроаналогового преобразователя 31. Выходы второго цифрового сумматора 2 подключены к входам второго цифро- аналогового преобразователя 32. Выхо первого цифроаналогового преобразователя 31 через второй усилитель 33 сигналов периферийных фотодатчиков 22 подключен к входу третьего источника 35 света. Выход второго цифро- аналогового преобразователя 32 через третий усилитель 34 сигналов периферийных фотодатчиков подключен к вход четвертого источника 36 света. Оптические выходы второго 17, третьего 35 и четвертого 36 источников срета через первый 37, второй 38 и третий 39 светофильтры соответственно, а также через отверстие во втором диске 18 Нипкова и через диафрагму 19 оптически связаны с оптическим входо видеокамеры 20.

В динамическом состоянии диск 7 на механической оси 9 приводится во вращение электроприводом 10. В результате этого отверстия диска 7 перемещаются по полю изображения, записанного на траспаранте 6, вьще- ляя поочередно участки анализируемого изображения. Следовательно, при вращении диска 7 автокоррелйци- онная функция в фокальной плоскости меняется. В центре фокальной плоскости 12 расположен центральный фотодатчик 11, сигнал от которого усиливается и преобразуется в усилителе 13 сигналов центрального фотодатчика и управляет интенсивностью излучения источника 1 света так, чтобы освещенность в центре фокальной плоскости 12, на оптической оси, была постоянной. При этом остается неизменным значение автокорреляционной функции в нуле. Так1ям образом обеспечивается нормировка автокорреляционной функции на энергию - изображения в отверстии. Следовательно, значение автокорреляционной функции в нуле является постоянным.

не зависящим от оптической плотности выделяемого отверстием участка изображения или от оптической плотности транспарантов 6 при их смене.

Освещенность, пропорциональная значению нормированной автокорреля- ционнойг функции, воспринимается в фокальной плоскости 12 периферийными фотодатчиками 14 и 22 (фиг.За). Сигналы с каждой группы периферийных фотодатчиков суммируются, что позволяет усреднить возможные флуктуации и асимметрию автокорреляционной функции в различных направлениях.

Сигналы с соседних концентрически расположенных вокруг оптической оси групп фотодатчиков сравниваются компараторами 23, В случае превьшения сигнала с. i-й группы фотодатчиков над сигналом (1-1)-й группы, что соответствует спаду автокорреляционной функции, на выходе (i-l)-ro компаратора 23 вырабатывается сигнал логической единицы, в противном случае, при возрастании автокорреляционной функции вырабатывается сигнал логического нуля (фиг.36).

Сигналы с соседних компараторов 23 сравниваются с помощью элементов ИСКЛЮЧАЩЕЕ ИЛИ 25. В том случае, , если логические сигналы на выходе i-r и (i-l)-ro компараторов не совпадают, что соответствует наличию у автокорреляционной функции экстремума между соответствующими группами периферийных фотодатчиков, на выходе (i-l)-ro элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 25 вырабатывается сигнал логической единицы. Так как значение автокорреляционной функции в нуле, в данном случае на оптической оси максимально, сравнение сигналов первой группы периферийных фотодатчиков 14 с сигналами центрального фотодатчика 11 не производится.

Таким образом, в месте расположения первой группы периферийных фотодатчиков 14 по сравнению с центром, оптической осью, автокорреляционная фуйкция может иметь только спад. В силу этого превышение сигнала второй группы периферийных фотоных фотодатчиков 14 и второй группой периферийных фотодатчиков 22. В случае наличия такого минимума на выходе первого компаратора 23 вырабатывается сигнал логического нуля, а на выходе инвертора 24 - сигнал логической единицы. При отсутствии такого минимума на выходе инвертора 24 присутствует сигнал логического нуля. Таким образом,, на выходах элементов ИСКЛЮЧАКЯЦВЕ ИЛИ 25 и инвертора 24 вы- рабатыв аются К логических сигналов причем количество логических единиц

соответствует количеству экстремумов автокорреляционной функции или же удвоенному числу ее осцилляции (фиг.Зв).

Эти логические сигналы суммируют-

ся первым цифровым сумматором 27, на выходах которого формируется двоичный код, соответствующий числу экстремумов, с выходов первого цифрового сумматора 27 этот код параллельно поступает на входы первого цифроаналогово- го преобразователя 31, на выходе которого формируется напряжение, пропорциональное числу экстремумов, а следовательно, и числу осцилляции.

Сигналы с выхода инвертора 24, а также с выходов элементов ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 25 поступают на вторые входы цифровых ключей 26,

Логика работы цифровых ключей 26 такова, что при напряжении логического нуля на их вторых, управлянйцих, входах их первый вход соединен с выходом, В противном случае эта цепь

разомкнута.

Так как на первый вход 30 первого цифрового ключа 26 подан сигнал логической единицы, то при управляющем сигнале на его втором входе,.соответствующем логическому нулю, на его выходе присутствует сигнал логической единщы, который подается на первый вход второго цифрового ключа т.д.В случае наличия на втором входе

цифрового ключа 26 сигнала логической единицы, сигнал логической единицы с его первого входа не проходит на выход, а следовательно, на первые входы и, соответственно, выходы всех

Изобретение относится к технической кибернетике, в частности к устройствам автоматического анализа сложносфруктурных изображений. Целью изобретения является повышение досто- вериости результатов анализа. Для достижения этой цели в известный ста тистический анализатор по а.с. 1173427 введены К групп периферийных фотодатчиков, концентрически расположенных относительно первой группы периферийных фотодатчиков и оптической оси устройства, К компараторов, К-1 элементов ИЛИ, инвертор, К цифровых ключей, К аналоговых ключей, два цифровых сумматора, два цифроаналого- вых преобразователя, два усилителя сигналов периферийных фотодатчиков, два источника света, а также три светофильтра. Статистический анализатор формирует на экране цветного видеоконтрольного блока изображение, соответствующее полю трех признаков: ширине центрального лбпестка автокорреляционной функции, его энергии и числу осцилляции автокорреляционной функции. Формирование поля признаков происходит в реальном времени. 3 йл. t/

датчиков 22 над сигналом первой груп- цифровых ключей 26 с номером, больпы периферийных фотодатчиков 14 гово-шим i, где i - наименьший из номеров

рит о наличии экстремума (а точнее -г.элементов ИСКЛЮЧАИЦЕЕ ИЛИ 25 (или инминимума) автокорреляционной функ-вертора 24), на выходах которых приции между первой группой периферий-сутствует сигнал логической единицы.

При условии, что логика работы второго цифрового сумматора 28 такова, что при отсутствии на его i-м входе сигнала логической единицы на нем присутствует сигнал логического нуля, на его входах с первого по (1-1)-й присутствуют сигналы логической единицы, а на остальных входах - сигналы логического нуля. Так как сигнал логической единицы на выходах инвертора 24 или элементов ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ соответствует наличию экстремума, а ближайший к центру автокорреляционной функции экстремум может быть только минимумом (так как в нуле значение автокорреляционной функции максимально), то число логических единиц на входах второго цифрового сумматора 28 пропорционально расстоянию от центра автокоррляцион- ной функции до ее первого минимума, т.е. ширине центрального лепестка автокорреляционной функции (фиг.Зг). Эти логические сигналы суммируются вторым цифровым сумматором 28, на выходах которого формируется двоичный код, пропорциональный ширине центрального лепестка автокорреляционной функции. Этот код параллельно поступает на входы второго цифроана - логового преобразователя 32, на выходе которого формируется напряжение, пропорциональное ширине центрального лепестка.

Сигнал с выхода i-ro цифрового ключа 26 поступает на второй вход i-ro аналогового ключа 29. Логика работы аналогового ключа 29 такова, что он пропускает аналоговый сигнал со своего первого входа на выход в том случае, если на его втором, уп- равлякнцем, входе присутствует сигнал логической единицы, В противном случае цепь разомкнута. Сигнал с первой группы периферийных фотодат- чиков 14 поступает на первый вход аналогового сумматора 15. Сигнал с (1+1)-й группы периферийных фото- дятчиков 22 поступает на первьй вход i-ro аналогового ключа 29. Так как сигналы логической единицы присутствуют только на тех выходах цифровых ключей 26, которые соответствуют центральному лепестку автокорреляционной функции (фиг.Зг), то аналоговые сигналы присутствуют только на выходах тех аналоговых ключей 29, на которые подаются сигналы с. групп

периферийных фотодатчиков 22, на которые попал центральный лепесток (фиг.4д).

Таким образом, на выходе аналогового сумматора 15 присутствует сигнал, пропорциональньй энергии центрального лепестка автокорреляционной функции. .

Так как анализатор не может обнаружить минимум автокорреляционной функции, находящийся ближе к оптической оси, чем первая группа периферийных фото атчиков 14, желательно выбирать расстояние между оптической осью и первой группой периферийных фотодатчиков 14 заведомо меньше ширины центрального лепестка. По той же причине выход первой группы периферийных

фотодатчиков 14 подан на первый вход аналогового сумматора 15 непосредственно.

Сигналы с выхода аналогового сумматора 15, первого 31 и второго 32 цифроаналоговых преобразователей через соответствуюпще усилители 16, 33 и 34 сигналов периферийных фотодатчиков управляют яркостью свечения второго 17, третьего 35 и четвертого 36

источников света.

Так как при движении отверстий диска 7 по строкам изображения в плоскости 12 формируется автокорреляцион- ная функция, то яркость свечения второго 17, третьего 35 и четвертого 36 источников света в каждый момент времени пропорциональна трем признакам выделяемого участка изображения: нормированной энергии центрального ле-

пестка автокорреляционной функции, его ширине и числу осцилляции авто- корреляционной функции соответственно.

Для преобразования этих сигналов

в двухмерное поле признаков в анали- заторе используется второй Диск 18 Нипкова, установленный на той же механической оси 9, что и диск 7,

Порядок расположения отверстий диска 18 аналогичен расположению отверстий диска 7. Размер отверстий диска 18 существенно отличается от размера отверстий диска 7 и равен расстоянию

между строками. Оба диска вращаются синхронно и синфазно электроприводом 10.

Отверстия диска 18 освещаются через первый 37, второй 38 и третий 39

светофильтры, источниками 35, 36 и 1 света соответственно. Светофильтры 37-39 пропускают три различные спектральные области из диапазона длин волн видимого света. За диском 18 расположена диафрагма 19, ограничивающая поле зрения так, что в каждый момент времени в поле находится только одно отверстие диска 18. Так как оба диска движутся синхронно и синфазно, то центры отверстий дисков 7, и 18 имеют одинаковые координаты и скорости перемещения по полю изображения. Таким образом, диск 18 осуществляет построчное формирование цветного изображения поля признаков. За один оборот дисков 7 и 18 формируется один кадр. Частота вращения дисков выбирается такой, чтобы при анализе оператором сформированного поля признаков не бьто заметно мелькание кадров. Сформированное изображение поля признаков наблюдается цветной видеокамерой 20 и вое- производится на экране цветного ви- деоконтрольного блока 21,

Таким образом, на экране цветного видеоконтрольного блока наблюдается цветное изображение сформированного поля признаков, при необходимости наблюдения изображения поля одного из признаков на видеоконтрольном блоке может быть включен только соответствующий цвет.

Формула изобретения

Статистический анализатор изображений по авт,св, № 1173427, о т л и- чающийся .тем, что, с целью повышения дрстоверности результатов анализа изображений, в анализатор введены К групп периферийных фотодатчиков, радиально расположенных в фокальной плоскости линзы,К компараторов, инвертор, К-1 элемент ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, первая группа К ключей, первьй и второй цифровые сзгмматоры, вторая группа К аналоговых ключей, первый и второй цифроаналоговые преобразователи, второй и третий усилители сигналов периферийньгх фото5

О

5

0 g -

датчиков, третий и четвертый источники света,первый,второй и третий светофильтры, причем выходы набора периферийных фотодатчиков объединены и подключены к первому входу первого компаратора, выходы периферийных фотодатчиков i-й группы соединены с первым входом i-ro компаратора и с вторым входом (i-1)-ro компаратора, а также с информационным входом (i-l)-ro ключа второй группы К ключей, вйход первого компаратора соединен с входом инвертора и с первым входом первого элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, выход i-ro компаратора соединен с первым входом i-ro элемента ИСКПЮЧАЮ1ЦЕЕ ИЛИ и с вторым входом (i-1)-ro элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, выход инвертора соединен с первым входом первого цифрового сумматора и с информационным входом первого ключа первой группы К ключей, управляющий вход которого является входом логической единицы анализатора, выход i-ro элемента ИСКПЮЧАКЖ1ЕЕ ИЛИ соединён с (i+1)-M входом первого цифрового сумматора и с информационным входом (i+1)-ro ключа первой группы К ключей, управляющий вход которого соединен с выходом i-ro ключа первой группы К ключей, с i-м входом второго цифрового сумматора и с управляющим входом (i+1)-ro аналогового ключа, выход i-ro аналогового ключа соединен с (i+1)-M входом аналогового сумматора, выходы первого и второго цифровых сумматоров соединены с входами одноименных цифроаналого- вых преобразователей, выходы которых соответственно через второй и третий усилители сигналов всех периферийных фотодатчиков подключены к входам , управления яркостью третьего-и четвертого источников света, оптические выходы которых соответственно через последовательно расположенные на одной оптической оси первый и второй светофильтры, второй диск Нипкова и диафрагмы связаны с входом видео- камеры, а третий светофильтр установлен между выходом второго источника света и вторым диском Нипкова.

fpu.2

Первая ei ffina g /teffasDfjOi/tfMur фотодогткйй(Об

KMrveMMui C-J --J

remff-gf iff

- : ЯУОЩр MjeUlfXIf

, бюадмьл ctnwMf-

ЛМ емпов„ кжлЮ чонкцеемм г5

il

feinoft

. MMMii

. /Мг. П /И

л е -г зле-г улеvM|i/ tICttffI ttCtmi

8 ЛаюЛиие ctftfotH

Онолоювш fonveti

KmtiyMf tpya t

il

feinoft

t Mf/%«ИЙ Г