Устройство для преобразования изображений объектов Советский патент 1991 года по МПК G06K9/36 

Ь 31

(21)4689/66/24

(22)10.05о89

(46) 23.08.9К Бкш,

(/2) ЮоАсЛысенко и Г.А,Глмапов

(53)681.32Л12(088„8)

(56) Авторское свидетельство СССР М 1234859, кло G 06 К 9/36, 1984„

Авторское свидетельство СССР if 1312614, кло G 06 F 15/36, 19870

(54)УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ИЗОБРАЖЕНИЙ ОБЪЕКТОВ

(5/) Изобретение относится к автоматике и может быть использовано для преобразования изображений различных объектов. Цель изобретения - повышение контраста малоконтрастньгх объектов с Устройство содержит матрицу M-N вычислительных блоков (.М, N - размеры скользящей апертуры), сдвиговые регистры, блок формирования оценки, сумматор и делитель, Положительный эффект достигается путем .преимущественного усиления диапазонов яркости, которым принадлежат значения яркости в точках изображения, соответствующих малоконтрастным объектам Для этого в операции скользящего выравнивания гистограммы значения яркостей в точках, соответствующих малоконтрастным объектам, учитываются с большим весом, чем значения яркостей в точках, соответствующих высококонтрастным объектам. 2 з о п. ф-лы, 5 ил с

с S

/)

Изобретение относится к автоматике и может быть использовано для преобразования изображений различных объектов. Цель изобретения - повышение контраста малоконтрастных объектов. Устройство содержит матрицу M^.N вычислительных блоков (M, N - размеры скользящей апертуры), сдвиговые регистры, блок формирования оценки, сумматор и делитель. Положительный эффект достигается путем преимущественного усиления диапазонов яркости, которым принадлежат значения яркости в точках изображения, соответствующих малоконтрастным объекттам. Для этого в операции скользящего выравнивания гистограммы значения яркостей в точках, соответствующих малоконтрастным объектам, учитываются с большим весом, чем значения яркостей в точках, соответствующих высококонтрастным объектам. 2 з.п. ф-лы, 5 ил.

Изобретение относится к автоматике и может быть использовано для преобразования изображений различных объектов

Цель изобретения - повышение контраста малоконтрастных объектов,,

На фиг„1 представлена блок-схема- устройства; на фиг о 2 - схема процессорного элемента; на фиг,3 - схема блока формирования оценки; на фиг„4 - примеры определения значений величин локальных динамических диапазонов hjj и точек, принадлежащих малоконтрастным (i, j) и высококонтрастным (i, m) объектам; на фиг.5 - вид весовой функции f()0

Устройство содержит матрицу из М строк по N вычислительных блоков 1;

в каждой, первую и вторую группы из (М-1) сдвиговых регистров 2-, 3 , СДВИГОРИГ регистр 4, блок 5 формирования оценки, сумматор 6, делитель /„ Информационный, управляющий, тактовый входы и выход устройства обозначены соответственно цифрами 8 -1 К

Вычислительный блок 1 ( ,„„, N4 ,uuu,N) содержит буферный регистр 12, регистр 13 результата, элемент 14 сравнения, элемент И 15, сумматор 160 Входы и выходы процессорных элементов обозначены на фиг.1 и 2 цифрами о Следует отметить, что в схеме на фиг01 в блоке 1 К N. используется только один (второй) выход о

Блок 5 формирования оценки () содержит экстремальные фильтры 1/ и

О VI Ю J

ю о

18, вычнтатсль 19, преобразователь 20 кода, умножитель 21 и сумматор 22

Сдвиговые регистры 2,, 3 имеют длину (L-N), где L - количество от- сметой в строке изображения, N - количество отсчетов п апертуре по горизонтали о

Сдвиговый регистр 4 состоит из двух последовательно соединенных уча ков длиной L-M/2+N/2-q/2+1 и q/2-1 соответственно, причем первый выход сдвигового регистра соединен с выходом (концом) первого участка, а второй выход сдвигового регистра - с выходом второго участка (где М - коX;j « и

у;. o/.rang(x; ) tf. Th (k)

k-0 UMK-i J + N/2-1

0.,СГ(2,х-:) cЈ 2Z

zeQ;;

ч

S GXXya.X;:), У-м-М/2 (i j-N/2 P 3

нормирующий множитель

(К - 1)/mes(Qij) -1 (2)

- количество уровней яркости 30 на изображении;

)- количество элементов в ок- рестности QiJ точки (i,j), mes(Q;j )M-N;

- размеры апертуры по вертика- 35

ли и горизонтали;

- значение k-ro отсчета гистограммы распределения уровней яркости элементов окрестности Q j: ;

J

1,

х

V

(3)

6(, г.

Как видно из формул (1) и (2), результат у- операции СВГ определяет-4 ся отношением количества элементов в окрестности, значения которых не больше х , к количеству элементов в окрестности Q JJ точки (iyj),

Операция СВГ позволяет осуществить 5 нелинейное усиление высокочастотной составляющей сигнала, что в свою очередь приводит к повышению детальности изображений, которая сопровождается, однако, подавлением контраста ма-5 неконтрастных тонкоструктурных объектов и к ухудшению зрительного восприятия изображения

личество отсчетов в апертуре по вертикали, q - количество отсчетов в апертуре, по которой определяется локальный динамический диапазон сигнала) ,

Устройство работает следующим образом,

Наибольшее распространение при обработке изображений получила операция скользящего выравнивания гистограммы (СВГ), суть которой заключается в замене значения центрального элемента окрестности его локальным рангом, умноженным на нормирующий коэффициент

(D

0

5

0

5

0 5 Для устранения этого недостатка в устройстве проводится классификация точек изображения, принадлежащих малоконтрастным и высококонтрастным объектам, и осуществляется преимущественное усиление значений яркостей точек, соответствующих малоконтрастным объектам.

Для этого значению х яркости в каждой точке (m,n) изображения присваивается вес ) m n , характеризующий вклад значения яркости операцию СВГ.р выбирается большим, если точка (m,n) принадлежит к малоконтрастному объекту, и малым, если она принадлежит к высококонтрастному объекту 0

Затем по аналогии с (1) определяется сумма весов Vp, n яркостей х элементов (m,n) окрестности Q;i, для которых значение х не больше значения х , в центральной точке (i,j) окрестности О; суммы весов v a3Ha- чений яркости во всех точках окрестности О | с Разделив по аналогии с (1) первое на второе и гмножив результат на нормирующий коэффициент ОС, мы получим искомый результат Таким образом, мы получили результат операции СВГ, значение м (k) k-ro отсчета которой определяется как сумма весов л в точках ), яркость

м П

х в которых равна I.. Такая операция позволяет обеспечип. тффектив 16

ное преимущественное усиление диапазонов яркости, содержащих малоконтрастные объектЫс

Для классификации отсчетов, принадлежащих низкоконтрастным и высококонтрастным объектам на изображении, используется то обстоятельство, что локальный динамический диапазон сигнала (разность между максимальным и минимальным значениями сигнала) в некоторой окрестности малоконтрастного объекта носит ограниченный характер, т0е. меньше некоторого по (к 1)

M|2+i-i J+NI2-1

S L rx bU Б,х;- )

вМ-ЛД/2 JSM-NK Р |

fVMiZ 1jTNlf™ N

2 Z Лр

( j-N|2

где Оуд - значение веса в точке (#,ft) 1 изображения; К - количество уровней яркости;

ij, УМ е о, к-Г|;

б(% В S ,i признак принадлежности

О( J.)

О, если С х1, если х

Оф xij

(5)

Значение веса в т°чке (Х,/) изображения определяется из выражения

макс

m /i4-q,/2блока 5 формирования оценки поступает на входы экстремальных фильтров 1/ и 18t На выходе фильтра J7 формируется код

где q - длина окрестности точки (,/3),

в которой определяется локаль ный динамический диапазон сигнала

Пусть в текущем 1-м такте работы устройства код текущего отсчета х ( (i-1 )+j,где L - количество отсчетов в строке изображения) с информационного входа 8 устройства поступает на вход сдвига регистра А и первый вход вычислительного блока 1.1.1. Код .отсчета , N/etq./2 с первого выхода регистра 4 поступает на вход блока 5 формирования оценки„ Код отсчета x;.M/ +,г с входа

а на выходе фильтра

величины .макс ,

4 о 2- 1 гбт i+4/Ј-l-NC

фильтра 18 -

2490

роного значения (на фиг.4 приведены примеры определения локального динамического диапазона h;: для точки (i,j), соответствующей малоконтрастному объекту, и диапазона h в точке (i,m), соответствующей высококонтрастному объекту)о Такой подход позволяет эффективно определять мно- )0 жества точек изображения, принадлежащих малоконтрастным и высококонтрастным объектам на изображении.

Устройство реализует вычисление функции

(4)

$ fOV|j)+ 1

(6)

зо

где f(h.,n) - весовая функция (фиг 5) (параметр определяется

параметра и шума на изо- бражении); Ь - коэффициент усиления малоконтрастных деталей; - оценка локального динамического диапазона в окрестности точки ((У,/3)

тЬ

45

-

50

{x«,rt,5 . (7)

м х;-лмг,т) которые заj- M/Z -tVI-Z.t mti4 Ч./2 - -Ni 2

тем поступают на соответствующие входы вычитателя 190 Код величины .|Гп}

ь;

-M/2,j-M|2 j-q/2-N/26m« 1q/2-N/2-r мин {x;.w/2(m}

j-N/2-q/2 n5j+q/2-N/2-1 согласно (/) поступает с выхода вычитателя 19 на вход преобразователя 20 кода, в ячейках которого реализовано табличное вычисление весовой функции f(z)0

Код величины F(h j -N/2 с выхода преобразователя 20 кода посту- 55 пает на один из входов умножителя 21, на другой вход которого поступает значение Ј коэффициента усиления малоконтрастных деталей с управляющего входа блока 5 формирования оценки.

Код неличины f (li ; дд ; м |2) с выхода умножителя 21 поступает на первый пход г/мматора 22, на второй вход которого поступает единичное значение с входа единичного кода Значение

i-м/г, )-шд f(h. -M/z.j-Nlz )6+100 согласно (о) с выхода сумматора Li

поступает на выход блока 5 формирования оценки. Таким образом, в текущем 1-м такте работы код величины

1-дл12 }-М/2 с выхода блока 5 Формирования оценки поступает на вход сумматора 6 и третьи входы вычислительных блоков 1 1 1, , ,1 MkN. Одновременно код отсчета г-м/2 с вто рого выхода регистра 4 поступает на вторые входы вычислительных блоков 1.1 о 1,с.с,1,M,N. На четвертый вход вычислительного блока 1.. поступает нулевой код с входа нулевого кода устройстваг

Вычислительный блок работает следующим образом Значение отсчета х

Таким образом, в следующем (1+1)-м гакте работы устройства на первом и втором выходах вычислительного блока , 1 . 1 . 1 формируются коды величины х j

и i- Mil, - VIIZ1 (x i-A/42. j -N12 х ,:), которые затем поступают на первый и четвертый входы второго вычислительного блока 1 с 1

первой строки

10

20

соответственно,, В (1 + 1 )-м такте на первый вход вычислительного блока 1 1 2 поступает код отсчета

)2,)-М2-МС второго выхода сдвиговых регистров А, а на его третий вход - код ,j-Nl2.-Hc выхо да блока 5 формирования оценки„ Вычислительный бгюк 1 1.2 работает аналогично блоку 1С 1.1 и в (1+2)-м такте работы на его первом и втором выходах формируются коды величин х ; и

У

М

w VvHa/i-NIZ -Ot и «-MI2 ,j-Nf2-KX-l ) соответственно, и т д В (1+М)-м такте работы на первом и втором выхос первого входа вычислительного 6noJKa 25 дах N-ro вычислительного блока

регистра 12 и первый вход элемента

14 сравнения. Значение x, C-N/2

с второго входа блока 1.1.1 поступаперврй строки формируются коды вели- N

чин х ,..

1 Ь(х

MI2,4-NIZ + «-1

1-AAI2, j -NI2-V OC-i

) соответстет на второй вход элемента сравнения „

Признак результата сравнения хj

и х i-M/2 i-N/2 с выхода Больше- равно элемента 14, равный

G(xi-M|2 j-M/Z XIJ) согласно 5 поступает на первый вход элемента И

15, на второй вход которого поступает (г /2 с третьего входа блока 1.1 1 Таким образом, на выходе элемента И 15 формируется

v;-/

xi- М/г,j

ном случае, т е формируется код величины 1-М/2 ,5 N/2 G1(x M,2i( ; Xjj )c Значение величины v ; дд|я ц хб(х;-м/г,}-И/1 5 xij c выхода элемента И 15 cyMNDipyeTCH со значением, поступившим на четвертый вход вычислительного блока К К 1, Значение 0+ 1-MI2., 1-М1г (-х ,,M Z, j- N/e

код величины V J-м/. J - N/2. если

х;: . и нуль в против

XJ-) с выхода сумматора 1Ь поступает на вход регистра 13 результата. Значения, поступившие на вход буферного регистра 12 и регистра 13 результата записываются в Hirx в следующем такте Значение с выходов буферного регистра 12 и регистра 13 результата поступают на первый и второй выходы вычислительного блока 1 1.1.

Таким образом, в следующем (1+1)-м гакте работы устройства на первом и втором выходах вычислительного блока 1 . 1 . 1 формируются коды величины х j

и i- Mil, - VIIZ1 (x i-A/42. j -N12 х ,:), которые затем поступают на первый и четвертый входы второго вычислительного блока 1 с 1

первой строки

0

соответственно,, В (1 + 1 )-м такте на первый вход вычислительного блока 1 1 2 поступает код отсчета

)2,)-М2-МС второго выхода сдвиговых регистров А, а на его третий вход - код ,j-Nl2.-Hc выхо да блока 5 формирования оценки„ Вычислительный бгюк 1 1.2 работает аналогично блоку 1С 1.1 и в (1+2)-м такте работы на его первом и втором выходах формируются коды величин х ; и

У

w VvHa/i-NIZ -Ot и «-MI2 ,j-Nf2-KX-l ) соответственно, и т д В (1+М)-м такте работы на первом и втором выхоперврй строки формируются коды вели- N

чин х ,..

1 Ь(х

MI2,4-NIZ + «-1

0

1-AAI2, j -NI2-V OC-i

) соответст5

0

5

венно, которые затем поступают на входы сдвиговых регистров 2,1 и 3.1 соответственное

Через (L-N) тактов в (1+Ь)-м такте

N

работы значения х;: ...- .„ х М Ј-- t-M i,|-Nl2+«-(

.j-Nie-ctt- J x;j) с выходов регистров 2 1 и 3.1 поступают на первый и четвертый входы первого блока К201 второй строки о На его второй и третий входы поступают соответственно коды величин х ,. |2f t j N |2 и i-M/2+1, i-N/2 ° следующем (1+Ъ+1)-м такте работы на первом и втором выходах первого вычислительного блока 132V1 второй строки сформируются коды

N

величин х ;| и 2,0; ,.,„ .- .,,..., .х J (х

-М Ч , ) - N12 4 (X -1

х :: J +

Цх;-М|2,;-И|2..(У-, - м - 0 + ;-м/г о-М2 С + ( j.N/2 J х ), которые затем поступают на первый и четвертый входы бюка 1 201 и т.д„, в (1+L+N)-M такте на первом и втором выходах N-го RI IMIIL пи гельного 5 блока K2.N второй строки формируются

коды величин х-; )

Ч -r iv-1 .l- Glx

i-MI2(i-i, J-KII2-H4

.)

N(

которые

поступают на входы сдвиговых регистров 2.2 и 3.2, и т.д. Таким образом, в (1+1. (М-1 ))-м такте работы на выходах блоков 2.М-1 и З. формируются

и З.М-1

HSSg«

коды величин X|-j „Ј, V,,,.

G i-Mii+fi-SJ-Nfc + ocH xij кото рые затем поступают на первый и четвертый входы первого вычислительного блока 1.М.1 М-й строки.

На второй и третий входы блока 1.М.1 в (1+L(М-1))такте поступают значения х;. м(2-. N/2

В следующем (1+Ь (М-1 ) + 1)-итакте работы на первом и втором выходах блока

коды величин х;:

15

М-1

«ss.

Формируются

/ь , --M a -M-w -KX-i txj.p, | (-, + v;AM/o « w/ 7 о (

ч

) +

20

M/2H,j-N/2 у vxi bW|Z-, l-N/2 5 Xjj), которые затем поступают на первый и четвертьй входы второго вычислительного блока 1.М.2 М-й строки. На 25 второй и третий входы блока 1.М.2 в (1+L(М-1)+1)-м такте поступают значения x;fMla, i . и

«IH,i-NlZ+. В (1+L.(M-1)+2)-M такте работы на первом

ходах вычислительного

и втором вы- блока 1.М.2

30

формируются коды величин х

М

М/2-НИ N/2+J-I .

(

к-;.м/г /5-J-HI2 И16 VP J (к-и- 72+i-i Т/г+р

s г д,

« i-M/2 (H-NI2.

которая поступает на выход 11 устройства.

Устройство работает в конвейерном режиме и в каждом такте работы устройства на его выходе 11 с задержкой на L-(M-1)+N тактов работы формируется результат операции (4) для соответствующей апертуры.

Для реализации устройством традиционной операции СВГ достаточно подать на управляющий вход 9 устройства нулевое значение (Ј 0), тогда на выходе 11 устройства формируется результат СВГ для соответствующей апертуры согласно (6), (4), (1).

Устройство позволяет повысить качество преобразования изображений объектов за счет повышения контраста

ЛЛ-1

- Л

рГГоГ ;- 2+fi-l, J-N/2+CK-1 G(X;

z. -MI2.4-fi-l, j-Mf2 4-tf-

Xjj)

(2. + Jf..

X, j)

и т.д.

г-/ 1 UU UM/Z-,j-N|2+y-«

в (1+L (M-l)+H)-M такте работы на первом и втором выходах N-го вычис- лительного блока 1.M.N М-й строки

JQ

формируются

коды величин х

)

и

15

Ml2 + ,.j-N( У

«j

х;-М/2+р,-(,-Н1г4 /- J ) Значение величины

Х(7(х;

±f

:о.

S( -M(2 + (b-tij-N|2+ y-i

20

25

30

(%-i,j-N|Z+oi-i xu поступает с второго выхода блока 1.M.N

на первый вход делителя 7.

Одновременно в (1+L«(M-1) такте работы на выходе сумматора 6

формируется код величины

м

(b-i,j-N|2t| t.| которьй поступает затем на второй вход делителя 7, в котором таблично реализовано вычисление функции (z ,,z2) (K-1), zjz где z - значение на первом и втором входах делителя. Таким образом, на выходе делителя 7 в (1+L (М-1)+М)-м такте работы формируется код величины у: согласно (4).

,

малоконтрастных тонкоструктурных и точечных объектов на изображении путем преимущественного усиления диапазонов яркости, включающих в себя малоконтрастные объекты.

Это дает возможность эффективно использовать предлагаемое устройство в быстродействующих специализированных системах обработки сигналов различного значения, в частности в автоматизированных системах обработки телевизионных изображений в реальном масштабе времени.

Формула изо. бретеяия

сумматор, отличающееся тем, что, с целью повышения контраста малоконтрастных объектов, в устройство введены сдвиговый регистр, блок формирования оценки, делитель, матрица M«N вьгчислительных блоков, где М и N - размеры скользящей апертуры, первая и вторая группы из (М-1) сдвиговых регистров, при этом первый информационный вход блока формирования оценки, управляющий вход которого является управляющим входом устройства, соединен с первым выходом сдвигового регистра, информацией ный вход которого и первый вход первого вычислительного блока первой строки матрицы соединены с информационным входом устройства, второй и третий входы вычислительных блоков матрицы соединены соответственно с вторым выходом сдвигового регистра и выходом блока формирования оценки, соединенным с информационным входом сумматора, выход которого подключен к первому информационному входу делителя, выход которого является информационным выходом устройства, четвертый вход первого вычислительного блока первой строки соединен с входо нулевого кода,.первый и четвертый входы 1-го вычислительного блока (, .о., N) каждой строки соединены соответственно с первым и вторым выходами (i-1)-ro вычислительног блока той же строки, первый и второй выходы N-ro вычислительного блока j-й строки (j 1, „.., М-1) соединены соответственно с входами сдвиговых регистров первой и второй групп, выходы которых подключены соответственно к первому и четвертому входам первого вычислительного блока (j+1)-n строки, выход N-го вычислительного блока М-й строки соединен с вторым входом делителя, тактовый вход которого и тактовые входы сдвигвого регистра, блока формирования оценки, сумматора,сдвиговых регистров первой и второй групп и вычислительных блоков матрицы соединены с тактовым входом устройства, второй

0 5 д ,-

5

0

информационный вход блока формирования оценки подключен к входу единичного кода устройства о

с выходом элемента сравнения и первым входом сумматора, выход которого соединен с информационным входом регистра результата, выход которого является вторым выходом блока, тактовые входы буферного регистра и регистр результата подключены к тактовому входу блока, а вторые входы элемента сравнения, элемента И и сумма- тора являются соответственно вторым, третьим и четвертым входами блока.

I

и первому информационному входу сумматора, выход и второй информационный вход которого соединены соответственно с выходом и вторым информационным входом блока, при этом тактовые входы первого и второго экстремальных фильтров и умножителя соединены с тактовым входом блока.

ц

О

J

Такт

Фиг.З

так

(t,m)

Фиг.

о

а

Фиг. 5

ЛаЦЗ