Устройство для коррекции изображений Советский патент 1992 года по МПК G06K9/60 

СО

с

Изобретение относится к автоматике и вычислительной технике и предназначено для использования в автоматических распознающих системах. Целью изобретения является повышение точности устройства. Цель достигается тем, что в устройстве, содержащем телевизионный датчик изображения, аналого-цифровой преобразователь, цифровой медианный фильтр, а также блок синхронизации, два элемента задержки и два компаратора, введены (N - 2) элементов задержки, (N - 3) компараторов, два элемента И, N-разрядный элемент памяти, где N - число элементов в строке изображения и блок оценки локальной однородности, введение дополнительных блоков и их конвейерная организация позволяет обрабатывать телевизионные изображения в реальном масштабе времени. 1 з.п. ф-лы, 5 ил.

Изобретение относится к автоматике и вычислительной технике и может быть использовано в системах автоматического распознавания изображений, например, для распознавания печатных или рукописных знаков, отпечатков пальцев и других объектов, которые могут быть однозначно представлены изображениями.

Цель изобретения - повышение точности устройства и достоверности выделения границ объектов на изображении.

На фиг. 1 представлена блок-схема устройства; на фиг. 2 - схема блока оценки локальной однородности; на фиг. 3 - схема цифрового медианного фильтра; на фиг. 4 - временная диаграмма работы устройства, где V1, V2, V3, V4, V5 - синхронизирующие сигналы на первом - пятом выходах синхронизатора; на фиг. 5 - диаграммы, поясняющие способ адаптивной построчной

сегментации изображений, который реализован в устройстве.

Устройство содержит телевизионный датчик 1 изображений, аналого-цифровой преобразователь 2 (АЦП), цифровой медианный фильтр 3, блок 4 оценки локальной однородности, блок 5 из N элементов 6.1, 6.2, ... , 6N задержки, (N - 1) компараторов 7.1, 7.27.N - 1, элементы И 8 и 9, N-разрядный элемент 10 памяти, блок 11 синхронизации и выход 12 устройства.

Выход датчика 1 изображений соединен с входом АЦП 2. Выход АЦП 2 соединен с входом цифрового медианного фильтра 3. Выход цифрового медианного фильтра 3 соединен с входом блока 4 оценки локальной однородности. Выход блока 4 оценки локальной однородности соединен с входом блока 5 элементов задержки. Вход блока 5 элементов задержки соединен с входом

ю ел

к

GJ Ю

первого элемента 6.1 задержки. Выход элемента 6.i (i 1, N -1) соединен с i-м выходом блока 5 элементов задержки и входом элемента 6.1 + 1 задержки. Выход элемента 6.N задержки соединен с N-м выходом блока 5 элементов задержки. Первый выход блока 5 элементов задержки соединен с первыми входами компараторов 7.1, 7,2

входами компараторов 7.1, 7.2 7.N - 1

соответственно. Выходы Меньше компараторов 7.1, 7.2 7.N - 1 соединены с

входами элемента И 8. Выход элемента И 8 соединен с входом первого разряда N-раз- рядного элемента 10 памяти. Выходы Больше компараторов 7.1, 7.2 7.N - 1

соединены с входами второго - N-ro разрядов N-разрядного элемента 10 памяти, Первый-N-й выходы N-разрядного запоминающего элемента 10 соединены с входами элемента И 9. Выход элемента И 9 соединен с выходом 12 устройства. Входы синхронизации АЦП 2, цифрового медианного фильтра 3, блока 4 оценки локальной однородности, блока 5 элементов задержки и N-разрядного элемента 10 памяти соединены с соответствующими выходами блока 11 синхронизации.

Блок 4 оценки локальной однородности содержит два элемента 13 и 14 задержки, три вычитателя 15-17, два накапливающих сумматора 18 и 19, два преобразователя 20 и 21 кодов.

Вход блока 4 оценки локальной однородности образован входом преобразователя 20 кода, первым входом вычитателя 15 и входом элемента 13 задержки. Выход элемента 13 задержки соединен с вторым входом вычитателя 15. Выход вычитателя 15 соединен с входом накапливающего сумматора 18. Выход накапливающего сумматора

18соединен с входом преобразователя 21 кодов. Выход преобразователя 21 кодов соединен с первым входом вычитателя 17, Выход вычитателя 17 соединен с выходом блока 4 оценки локальной однородности. Выход преобразователя 20 кодов соединен с первым входом элемента 14 задержки и первым входом вычитателя 16. Выход элемента 14 задержки соединен с вторым входом вычитателя 16. Выход вычитателя 16 соединен с входом накапливающего сумматора 19. Выход накапливающего сумматора

19соединен с вторым входом вычитателя 17. Входы синхронизации элементов 13 и 14 задержки и накапливающих сумматоров 18 и 19 соединены с входом синхронизации блока 4 оценки локальной однородности.

Цифровой медианный фильтр содержит первый 22 и второй 23 элементы задержки, два компаратора 24 и 25, третий элемент 26 задержки, элемент 27 постоянной памяти и

мультиплексор 28.

Вход цифрового медианного фильтра соединен с входом элемента 22 задержки и первыми входами мультиплексора 28 и компаратора 24 и 25. Выход элемента 22 задер0 жки соединен с входом элемента 23 задержки и вторыми входами мультиплексора 28 и компаратора 24. Выход элемента 23 задержки соединен с третьим входом мультиплексора 28 и вторым входом компарато5 ра 25. Выход Меньше компаратора 24 соединен с первым входом элемента 27 постоянной памяти и входом элемента 26 задержки. Выход Меньше компаратора 25 соединен с вторым входом элемента 27 по0 стоянной памяти. Выход элемента 26 задержки соединен с третьим входом элемента 27 постоянной памяти. Выход элемента 27 постоянной памяти соединен с управляющим входом мультиплексора 28. Выход мульти5 плексора 28 соединен с выходом цифрового медианного фильтра 3. Входы синхронизации элементов 22, 23 и 26 задержки и элемента 27 постоянной памяти объединены и соединены с входом синхронизации цифро0 вого медианного фильтра 3.

Элементы 6.1, 6.2 6.N, 22, 23 и 26

задержки имеют длину, равную единице (т.е. осуществляют задержку на время одного такта работы устройства). Элементы 13 и

5 14 имеют длину N. N-разрядный запоминающий элемент 10 осуществляет задержку значения, поступившего на вход его первого разряда, на один такт работы. Значение, поступившее на вход j-ro разряда 0 2, N)

0 элемента 10, задерживается на (N + 2 - j) тактов работы.

В начальный момент времени элементы

6,1, 6.26.N, 22, 23, 26, 13 и 14 задержки,

N-разрядный запоминающий элемент 10,

5 накапливающие сумматоры 18 и 19 обнулены.

Устройство работает следующим образом.

Устройство реализует способ построч0 ной сегментации изображений, который заключается в выделении границ между объектами и фоном на изображении путем анализа локальной однородности сигнала в окрестности предполагаемой граничной

5 точки. Предварительно для повышения помехоустойчивости устройства выполняется цифровая медианная фильтрация входного изображения. Медианная фильтрация позволяет эффективно подавить высокоамплитудные выбросы импульсного шума,

сохраняя (не сглаживая) при этом перепады яркости на границах между объектами и фоном. Затем выполняется проверка условия наличия в текущей точке изображения границы между объектом и фоном путем знали- за локальной однородности изображения в ее некоторой окрестности.

Неоднородность локальной области изображения, не содержащей границу между объектами и фоном (т.е. элементы локаль- ной области принадлежат только объекту или только фону (участки аи/3 на фиг. 5 а) определяется шумовой составляющей сигнала. Неоднородность локальной области-, содержащей границу между объектом и фо- ном (т.е. элементы области принадлежат как объекту, так и фону) (участок на фиг. 5.5), определяется шумовой составляющей плюс структурной составляющей. Это означает, что локальные области, содержащие грани- цу между объектом и фоном, менее однородны.

Для того, чтобы определить является ли текущая точка граничной, достаточно проанализировать однородность локальных об- ластей, расположенных справа и слева от предполагаемой границы и областей, включающих в себя предполагаемую границу. Если однородность областей, расположен- ных слева и справа, выше однородности об- ластей, включающих в себя предполагаемую граничную точку, то текущая точка изображения является граничной.

Выделение граничных точек на изображении осуществляется следующим обра- зом.

Для текущего отсчета y(ti) сглаженного медианным фильтром сигнала и предшествующего отсчета y(tn) рассматриваются все отрезки Ai1,... AN+I той же строки длины N, включающие в себя эти отсчеты. Для каждого отрезка Ат(т Г N +.1) определяется значение дисперсии D(A m ) его элементов. Полученное для отрезка Am значение D(Am ) дисперсии характеризует степень его одно- родности.

Затем на основе полученных таким образом на предыдущем этапе значений D( Am1) оценок однородности отрезков Ат определяется является ли точка ti изображения гра- ничной. Если отрезки Ai и AN + 1 более однородны, чем отрезки Да1, .... Дм , то в точке ti изображения обнаружена граница.

На фиг. 5 в показан порядок сравнительного анализа значений оценок одно-

родности отрезков А Л А21AN+I . Белые

точки соответствуют отрезкам Дг и AN+I . черные точки - отрезкам Д а, А З, ..., Дм1 и стрелками соединены точки, соответствующие тем отрезкам, однородность которых сравнивается.

Такой подход позволяет осуществить выделение границ между объектами и фоном на изображении на основе анализа характера сигнала (его локальной однородности) в некоторой окрестности текущей точки. При этом отпадает необходимость в априорном задании каких-либо пороговых значений (например, коэффициента резкости перепада). Это, в свою очередь, позволяет выделить границы объектов на изображении инвариантно к величинам перепадов и к резкости их краев. Выделение перепадов яркости на границах объектов инвариантно к их величине и резкости позволяет, с одной стороны, выделить границы малоконтрастных и нерезких объектов на изображении и, с другой стороны, повысить помехоустойчивость (уменьшить вероятность ложного срабатывания) по отношению к аддитивному шуму.

Выделение границ объектов на изображении на основе анализа локальной однородности сигнала в окрестности текущей точки позволяет повысить достоверность выделения граничных точек на изображении.

Отсчеты изображения в процессе его построчного сканирования датчиком 1 изображения последовательно поступают на вход аналого-цифрового преобразователя (АЦП) 2. В АЦП 2 выполняется преобразование аналогового сигнала в цифровой в соответствии с частотой синхронизации синхроимпульсов на первом выходе синхронизатора 11. Оцифрованное значение сигнала с выхода АЦП 2 поступает на вход цифрового медианного фильтра 3. Последний реализует удаление высокоамплитудных импульсных помех в строке изображения, которые могут повлиять на формируемые на последующем этапе оценки локальной однородности изображения. Посредством двух компараторов 19 выполняется сравнение текущего отсчета изображения x(ti) на выходе АЦП 2 с двумя предыдущими x(tj-i) и x(ti-2), задержанными с помощью двух элементов 22 и 23 задержки.

В свою очередь, на выходе третьего элемента 26 задержки в текущем такте работы устройства будет результат сравнения отсчетов х(:и) и y(ti-a).. вычисленный в предыдущем такте посредством первого компаратора 24. На основе попарного сравнения трех последовательных отсчетов строки изображение х(т) с помощью элемента 27 постоянной памяти таблично вычисляется номер того из трех отсчетов x(ti), x(ti-i).

x(ti+i), который является медианой. Для этого адресный вход элемента 27 соединен с выходами двух компараторов 24 и 25 и элемента 26 задержки, а его информационный выход подключен к управляющему входу мультиплексора 28.

Таким образом, в каждом такте работы устройства на выходе мультиплексора 28, т.е. на выходе цифрового медианного фильтра 3, появляется отсчет результата медиан- ной фильтрации y(t). На фиг. 5а показан фрагмент строки изображения на выходе АЦП 2, а на фиг. 56 - результат медианной фильтрации этой строки. Результат y(t) медианной фильтрации поступает на вход бло- ка 4 оценки локальной однородности сигнала. В блоке 4 оценки локальной однородности в каждом такте работы осуществляется вычисление дисперсии значений N последних отсчетов сглаженного изображе- ния y(t). Код y(ti) текущего отсчета сглажен- ного сигнала y(t) поступает на вход преобразователя 20 кодов, первый вход вы- читатеяя 15 и вход элемента 13 задержки. В элементе 13 задержки осуществляется за- держка текущего отсчета y(ti) на N тактов работы и поступает с выхода элемента 13 задержки на второй вход вычитателя 15.

Код разности y(tj)- y(ti - м) с выхода вычитателя 15 поступает на вход накапливающе- го сумматора 18. В накапливающем сумматоре 18 осуществляется вычисление величины а; аи + y(ti)- y(ti-N), равной сумме значений N последних отсчетов сглаженного сигнала y(t). Код значения qi с выхода накапливающего сумматора 18 поступает на вход преобразователя 21 кодов, в ячейках которого реализовано табличное вычисление значений функции y(Z) (тт )2.

Значение величины (4I)2 с выхода преобразователя 21 кодов поступает на первый вход вычитателя 17. Параллельно код отсчета y(ti) поступает на вход преобразователя 20 кодов, в ячейках которого реализуется табличное выZ2числение значений функции y(Z) . Код

величины -Д- с выхода преобразователя

20 кодов поступает на вход элемента 14 задержки и первый вход вычислителя 16. Код задержанной на N тактов величи,2

ны

/ farf)

N

с выхода элемента 14 задержки

поступает на второй вход вычитателя 16. Код разности y2(ti) - y2(ti-N)/N с выхода вычитателя 16 поступает на вход накапливающего сумматора 19. В накапливающем

5

0 5 0 5

0 5 .

5

0

5

сумматоре 19 осуществляется вычисление величины bi DM + y(ti)- y(ti-N), равной среднему значению суммы квадратов значений последних отсчетов сглаженного сигнала. Код величины bi с выхода накапливающего сумматора 19 поступает на второй вход вычитателя 17. На выходе вычитателя 17

формируется код величины dj bi - ( vr)2,

равной дисперсии значений N последних отсчетов сглаженного сигнала y(t).

Значение di дисперсии значений N последних отсчетов сглаженного сигнала с выхода вычитателя 17 поступает на выход блока 4 оценки локальной однородности. Блок 4 оценки локальной однородности работает в параллельно-конвейерном режиме и в каждом такте работы на его выходе формируется значение дисперсии значений элементов текущего отрезка длины N. Значение di с выхода блока 4 оценки локальной однородности поступает на вход блока 5 элементов задержки. Блок 5 элементов задержки представляет собой последовательное соединение N элементов задержки на один такт, причем выход каждого элемента задержки 6.j является соответствующим j-м выходом блока 5. На j-м выходе блока 5 элементов задержки в каждом такте формируется значение, задержанное на j тактов, т.е. значение, поступившее на вход блока 5 j тактами ранее. На первом выходе блока 5 элементов задержки формируется значение di-i, которое поступает на первые входы компараторов 7.1, 7.2,.... 7.N -1.

Значение di-j О 2,М) с j-ro выхода блока 5 поступает на второй вход компаратора 7.J - 1. На соответствующих выходах компаратора 71(1 1.N-1) формируются результаты сравнения величин di-i и di-1-i. На выходе Меньше компаратора 7.I формируется код 1, если di-1 dj-Ј-i и О в противном случае. На выходе Больше компаратора 7 формируется код 1, если di-i di-н и О в противном случае.

Значение с выходов Меньше компараторов 7.1,7.2, ....7.N-1 поступают на соответствующие входы элемента И 8. На выходе элемента И 8 формируется значение hi1 1, равное единице, если di-i dn-k (k 1 ,N-1) равное нулю в противном случае.

Значение hi с выхода элемента И 8 поступает на вход первого разряда N-разряд- ного элемента 10 памяти. На входы остальных разрядов N-разрядного запоминающего элемента 10 поступают значения с выходов Больше компараторов 7.1, ..., 1.N - 1, т.е. на вход j-ro разряда Q 2,N) элемента 10 поступает значение с выхода Больше

компаратора 7; j - 1 - признак сравнения dM di-j.

В N-разрядном элементе 10 памяти на протяжении определенного времени хранения значений, поступивших ранее на его входы, формируется выборка соответствующих значений, необходимых для вычислений в текущем такте работы. В элементе Юна его первый выход поступает значение с его первого входа, задержанное на одинтакт работы. На j-й выход элемента 10 Q 2,R) поступает значение с его j-ro входа, задержанное на (N + 2 - j) тактов работы. На первом - N-м входах N-разрядного элемента 10 памяти сформированы значения hi и признаки сравнения dM di-2, dj-i di-N1

соответственно. На первом - N-м выходах элемента 10 формируются коды значения hi и признаков сравнения

di-N-1 di-N-2, di-N di-N-2 di-3 di-N-2

соответственно. Значения с выходов N-разрядного элемента 10 памяти поступают на входы элемента И 9. На выходе элемента И 9 формируется единичное значение, если значения на его входах также равны единице.

В противном случае на выходе элемента И 9 формируется нулевое значение. Значение равно единице, если выполняются условия

,N-1 ;di-2«Ji-2-k.

Это значит, что на выходе элемента И 9 формируется значение единицы, если выполняется условие

, di-N-2 di-2-kA di-2 di-2-k.

Учитывая, что D(Aj ) di+j-2, на выходе элемента И 9 формируется значение

V(ti-N-l)

i-N-1i

. i-N-14

V (ti-N-1) И

Г 1,еслиО(А1|-№1)0()Л

ЛО(Ды+1Ж DCAk 14 1), k 2,N

О, в противном случае.

Значение v (tj-N-i) с выхода элемента И 9 поступает на выход устройства. Ecflnv(ti-N-l) равно единице, то точка ti-N-1 изображения является граничной, в противном случае граница в точке ti-N-1 отсутствует. Устройство работает в конвейерном режиме и в следующем такте работы на выходе 12 устройства формируется значение v(ti-N) признака наличия границы, проходящей через точку tj-N изображения.

Синхронизация работы блоков устройства осуществляется с помощью блока 11 синхронизации. Синхронизирующий сигнал U 1 (фиг. 4) с первого выхода блока 11 поступает на вход синхронизации АЦП 2. После срабатывания АЦП 2 задержанный на время

г 1 синхронизирующий сигнал U 2 с второго выхода блока 11 поступает на вход синхронизации цифрового медианного фильтра 3. После срабатывания медианного фильтра 3

сигнал U3 (задержанный на время г 2 сигнал U 2) поступает на вход синхронизации блока 4 оценки локальной однородности и т.д., задержанные на промежутки времени гЗ и г 4 сигналы U 4 и U 5 последовательно поступают на входы синхронизации элементов 6.1, 6.2,.... 6.N и N-разрядного элемента 10 памяти соответственно. Величина интервала времени г 1 определяется временем срабатывания АЦП 2, г 2 - временем срабатывания цифрового медианного фильтра 3, тЗ - временем срабатывания блока 4 оценки локальной однородности и т 4 - временем сдвига информации в элементах 6,1,6,26.N задержки.

Устройство работает в параллельно- конвейерном режиме. Такой режим работы устройства позволяет значительно повысить его быстродействие.

Таким образом, за счет возможности

выделения в строке границ объектов на изображении инвариантно к величине перепада и его резкости, а также за счет снижения вероятности ложных срабатываний предполагаемое устройство обладает повышенной

достоверностью сегментации изображений. Предлагаемое устройство осуществляет выделение границ объектов на изображении на основе анализа локальной структуры (однородности) сигнала, при этом отпадает необходимость в априорном задании каких-либо пороговых значений.

Параллельно-конвейерная организация вычислений в устройстве дает возможность проводить сегментацию телевизионных

изображений в реальном масштабе времени.

Формула изобретения 1. Устройство для коррекции изображений, содержащее последовательно соединенные телевизионный датчик изображений, аналого-цифровой преобразователь, цифровой медианный фильтр, а также блок синхронизации, два элемента задержки и два компаратора, отличающееся тем, что, с

целью повышения точности устройства, в

него введены дополнительно N - 2 элементов задержки, N - 3 компараторов, два элемента И, N-разрядный элемент памяти, где N - число элементов в строке изображений, и блок оценки локальной однородности, причем все элементы задержки соединены последовательно, выход цифрового медианного фильтра соединен с входом блока оценки локальной однородности, выход которого соединен с входом первого элемента задержки, выход которого соединен с первыми входами компараторов, выходы остальных элементов задержки соединены с вторыми входами компараторов, выходы Меньше которых соединены с входами первого элемента И, выход которого соединен с входом первого разряда N-разрядного элемента памяти, остальные входы которого соединены с выходами Больше компараторов, выходы N-разрядного элемента памяти соединены с входами второго элемента И, выход которого является выходом устройства, входы синхронизации аналого- цифрового преобразователя, цифрового медианного фильтра, блока оценки локальной однородности, элементов задержки и N- разрядного элемента памяти соединены с соответствующими выходами блока синхронизации.

0

5

0

и два преобразователя кодов, причем информационным входом блока является вход первого преобразователя кодов, соединенный с первым входом первого вычитателя и входом первого элемента задержки, выход которого соединен с вторым входом первого вычитателя, выход которого соединен с входом первого накапливающего сумматора , выход которого соединен с - входом второго преобразователя кодов, выход которого соединен с первым входом третьего вычитателя, выход которого является выходом блока, выход первого преобразователя кодов соединен с первым входом второго вычитателя и входом второго элемента задержку выход которого соединен со вторым входом второго вычитателя, выход которого соединен с входом второго накапливающего сумматора, выход которого соединен с вторым входом третьего вычитателя, входы синхронизации элементов задержки и накапливающих сумматоров соединены и являются входом синхронизации блока.

Фаг. 2

фиг. 5

о

V21

4

Wr l

(Jit Ъ

Ч

1/5 Г5

Sr

П

t

«г. 4