Способ оптической обработки изображений и устройство для его осуществления Советский патент 1993 года по МПК G02B27/46 

Изобретение относится к области оптического приборостроения и может быть использовано в оптических процессорах при обработке изображений методом пространственно-частотной фильтрации.

Целью изобретения является повышение информационной емкости обрабатываемого изображения за счет повышения освещенности крупных объектов и сокращение времени обнаружения объектов за счет получения большого цветового различия объектов разных форм и размеров.

Поставленная цель достигается тем, что в способе, включающем формирование полихроматической освещающей волны, освещение этой волной транспаранта с обрабатываемым изображением, первое оптическое преобразование Фурье над волной, промодулированной транспарантом, фильтрацию диапазонов пространственных частот, второе оптическое преобразование Фурье, в результате которого формируется обработанное изображение, регистрацию обработанного изображения, осуществляют фильтрацию диапазонов пространственО

ю

00

W

ных частот путем их цветовой селекции по закону

и W | Jcirc ф - circ fi-)J .

где U л GO) - амплитуда поля на длине волны А до фильтрации;

Uj (/э)- амплитуда поля на длине волны А после фильтрации,

р- радиальная полярная координата в плоскости пространственно-частотного спектра;

внешний радиус k-й кольцевой зоны пространственно- частотного спектра,

Гдц- коэффициент пропускания по интенсивности k-й кольцевой зоны частотного спектра для длины волы А,

N - количество фильтруемых диапазонов частот, причем ро 0. В устройстве, реализующем предложенный способ и содержащем расположенные последовательно на одной оптической оси источник полихроматического излучения, осветительную систему, транспарант, фурье-объектив, пространственно-частотный фильтр, фурье-преобразующий объектив, плоскость регистрации изображения транспаранта, пространственно-частотный фильтр выполнен в виде одного или более цветных кольцевых фильтров из различных цветных стекол и имеет функцию пропускания

| Jclrc Ј)-drc()}.

а максимальный внешний радиус N-й (по- следней) кольцевой зоны фильтра:

/5N - Амакс Ичакс f ФО

где - максимальная пространственная частота обрабатываемого изображения;

Амакс- максимальная длина волны;

тФ.о - фокусное расстояние фурье-объ- ектива.

На фиг. 1 изображена функциональная оптическая схема устройства для осуществления предложенного способа; на фиг. 2 - цветной кольцевой фильтр с рабочей зоной р р рг, выполненный из цветного стекла маркичСЗС22; на фиг. 3 - зависимость времени обнаружения объектов от их цветового различия; на фиг. 4 - входной сигнал - функция пропускания объекта типа

circ( -); на фиг. 5 - цветовой график с

Гоб

результатами проверки способа методом численного моделирования; на фиг. 6-9 - графики зависимостей яркости Ц)от координаты г1 поля обработанного изображения, построенные по данным таблиц 1-4 - соответственно, В таблицах 1-4 приведены расчеты координат цветности X, Y, Z и яркости

Lv для объектов с радиусами ГОБ на поле реставрированного изображения в точках, равномерно распределенных в области:

О г1 1,5 Гоб. для случаев: табл. 1 - объект Гоб 0,03 мм при отсутствии кольцевого фильтра; табл. 2 - объект ГОБ 0,3 мм при отсутствии кольцевого фильтра; табл. 3

- объект Гоб 0.03 мм при наличии кольцевого фильтра; табл. 4 - объект г0б 0,3 мм при наличии кольцевого фильтра.

Устройство (фиг. 1) представляет собой проекционную систему, которая содержит последовательно установленные вдоль оптической оси источник полихроматического излучения 1, конденсор 2, транспарант 3,

фурье-объектив (ФО) 4, цветной кольцевой фильтр 5, фурье-преобразующий объектив (ФПО) б, плоскость регистрации (экран) 7. Транспарант 3 установлен в передней фокальной плоскости ФО 4; фильтр 5 - в задней фокальной плоскости ФО 4, совмещенной с передней фокальной плоскостью ФПО 6; экран 7 - в задней фокальной плоскости ФПО 6.

Устройство работает следующим образом.

Обрабатываемый фотоснимок - транспарант 3 с помощью осветительной системы

- источника 1 и конденсора 2 - освещают полихроматическим светом. Рассмотрим осесимметричный объект фотоснимка, функция пропускания которого имеет вид (см. фиг. 4):

40 to6(|,J7)to6(r) circ(T)(1)

где Ј77 координаты входной плоскости (плоскости транспаранта);

Гоб - радиус объекта.

Распределение поля в задней фокальной плоскости ФО 4 на длине волны А:

-0л. °°

М°рЬ|Ф Ц ЈтЧ об Mi.fewpr)

1-oS

19-0 -So

.

(2) где р - символ прямого преобразования Фурье-Бесселя;

V -Јj---радиальная пространственАТФ.О ная частота;

51811628 6

Jb(X), Ji(X)-функции Бесселя 1-го рода

0-го и 1-го порядков соответственно (Х-ар-/ьг гумент) : ) i Hx-xch

Ф.о - фокусное расстояние фурье-объ- х(г )--

ектива 4..5 К м- л V - 1 . Переходя к координатам в частотной пло- ,(г Ц(г)гх

скости спектра, получим:

9тг J НЗ

ll(AlfГобр) ю УИТ---Г---F---}

U,(p) ro5 АТФ0°-----.(3) : + р . fll t U,

/. . Ъг.

Из выражения (3) видно, что масштаб спек-|

тра существен но зависит от размера объек-z( -- - та roe: для малоразмерных объектов 1В : (,-)у,, масштаб больше (спектр растянут силь- , -Я, , |,я нее), для крупноразмерных - меньше. Таким образом, кольцевой фильтр 5 будет

оказывать различное влияние на спектры. ,. . объектов разных размеров. В соответствии 20 ( с изобретением, функция пропускания а относительная визуальная яркость: цветного кольцевого фильтра, состоящего гг , из N кольцевых зон: J

Тогда распределение поля непосредствен- .- - -

но за фильтром будет иметь вид:W хяХа- - Удельные цветовые координа, nt ты зависящие от длины волны излучения л;

j {--- г р) 30б) при дискретном спектре источника

и(р)1Ц(рН (p) r Hfip-o /усвета.с набором длин волн AI ,..., An :

м9 ° .

i 2fcirc(p.circ(. ; -4,ч,(

1рк1 рк.,)Р лк 35 .SU.HW

§I, :чН-(15)

§I, :чН-Хи.И л..ЬкИг v. i

После обратного преобразования Фурье с

помощью ФПО 6 получим распределениегИ -я---- -- v--7Г

поля в плоскости регистрации 7 (задней фо- : (

кальной плоскости ФПО 6):

; p(Pn0(Ј;) б)

м Pk -р-. „. Таким образом, цветность изображения Ui m.o.053 eU mnor ) осесимметричного объекта типа circ(). . . Об

f iределяется его размером, спектральной

С учетом спектральной мощности источника мощностью излучения источника и спект- света Р(А) распределение интенсивности в ральным коэффициентом пропускания плоскости регистрации 7:50 цветного кольцевого фильтра.

Рассмотрим работу устройства, фильтр

IJr1 IU,(r1) I2P(A)(7) 5 которого выполнен (согласно изобретению) в виде кольца и изображен на фиг. 2.

В международной колориметрической Его функция пропускания получается из системе XYZ координаты цвета изображе- 55 Формулы (4) при N « 2: ния вычисляются по формулам:, + г |гс clrc (А}1 .

а) при сплошном спектре источника све- . L W Vi J та в диапазоне длин волн Ai; fa}: . gj

-4,ч,(

.SU.HW

§I, :чН-Хи.И л..ЬкИг v. i

где р ,р2 внутренний и внешний радиусы фильтра соответственно;

Tf зависимость коэффициента пропускания фильтра по интенсивности от длины волны излучения. Формула (5) примет вид:

ui(pH(pH,,(p)rof

to

tevT0615/

р

НШй ®- 1 1№-.

0°)

Соответственно формула (6) преобразуется к виду:

H-IpuUpR ™

м:

«рпо

)dp.

) 1

о

Рг -(-(глК1

Р

оБ

2 Л, И

W

qi.o

В5р)лЕт0(

efr

Н ,

пй

р)Ґ

(11)

Таким образом, как следует из полученных выражений, при большом г0б спектр в плоскости фильтра 5 сжат настолько, что почти весь находится в области 0 р р вне области действия кольцевого фильтра. Результирующее поле будет определяться (в основном) первым слагаемым в формуле (11). Цвет изображения объекта будет совпадать с цветом источника. При малом г0б спектр расположен (в основном) в области р р рг (pi р)- Тогда результирующее поле определиться вторым слагаемым в формуле (11). Цвет изображения будет отличен, от цвета источника, т.е. малоразмерный объект будет окрашен в цвет кольцевого фильтра.

Работа предлагаемого устройства с источником полихроматического излучения ДРШ-IOOW и с фильтром, изображенным на фиг, 2, моделировалась на ПЭВМ. Результаты расчета координат цветности для объектов г0б1 0,3 мм и r062 0,03 мм при толщине фильтра LI 0 мм (т.е. при отсутствии фильтра) и L.2 3 мм, выполненного из стекла СЗС22. в интервале 0 г1 1,5гоб представлены в таблицах фиг. 6-9 соответственно..

На Цветовом графике (фиг. 5) проиллюстрировано изменение цветности малоразмерного объекта (г0б2™ 0«03 мм) по сравнению с крупноразмерным объектом ( r06i 0,3 мм). Откуда видно, что цвет первого смещается в фиолетовую область спектра { точка Ц), в то время как цвет последнего не выхо

дит за область, выделенную пунктиром, т.е. совпадает с цветом источника - точка И.

Цветовое различие А Е объектов вычисляется по известным в цветоведении формулам

А Е (U/-U2)2 + (УГ-Л/2)2 + , где U 13L(U-U0); V - 13L(V-V0); (13)

L 25L

1/з

16; U

4х

-2х + 12у + 3

5

0

5

0

0

5

0

5

ъ

V -2х + 12у + 3

Для исследуемых объектов А Е 9 порогов. На фиг. 2 приведен график зависимости времени обнаружения от цветового различия ДЕ, откуда видно, что для данных объектов цветовое различие А Е 9 определяет время обнаружения около 3,5 с.

На графиках - фиг. 10, 11, 12, 13-показаны распределения по радиусу яркости Lv для объектов r06i 0,3 мм и r062 0,03 мм при толщине фильтра U 0 мм (т.е. при отсутствии фильтра) и 1.2 3 мм. Незначительное уменьшение яркости для объекта Г0б2 0,03 мм при наличии фильтра обусловлено поглощением части энергии фильтром СЗС22 толщиной 3 мм.

В прототипе относительная освещенность крупного объекта составляет 0,5, мелкого - 1. Их цветовое различие за счет контраста освещенностей равно А Е 4 и соответствующее этому различию время обнаружения составляет около 8 с,

Таким образом, значительно сокращается время обнаружения объектов выделенных размеров при повышенной информационной емкости изображения, так как не происходит падения освещенности крупных объектов.

Формула изобретения

1. Способ оптической обработки изображений, включающий формирование полихроматической освещающей волны, освещение этой волной транспаранта с обрабатываемым изображением, первое оптическое преобразование Фурье над волной, .промодулированной транспарантом, фильтрацию диапазонов пространственных частот, второе оптическое преобразование Фурье, в результате которого формируется обработанное изображение, регистрацию обработанного изображения, отличающийся тем, что, с целью повышения информационной емкости обработанного изображения и сокращения времени обнаружения объектов изображения, осуществляют фильтрацию диапазонов пространственных частот путем их цветовой селекции по закону

1/яСо) U 05)fc | ( ф - CirC ()J #k.

где U/г (/о)- амплитуда поля на длине волны до фильтрации;

Uji (р) -амплитуда поля на длине волны после фильтрации;

р- радиальная полярная координата в плоскости пространственно-частотного спектра;

pk - внешний радиус к-й кольцевой зо- ны пространственно-частотного спектра;

r-jk - коэффициент пропускания по интенсивности к-й кольцевой зоны частотного спектра для длины волны Я,

N - количество фильтруемых диапазо- нов частот, причем/оь-О,

2. Устройство для оптической обработки изображений, содержащее расположенные последовательно на одной оптической оси источник полихроматического излучения, осветительную систему, транспарант, фурье-объектив, пространственно-частотный фильтр, фурье-преобразующий объектив, плоскость регистрации изображения

Ра диус объекта. :: :,0... 03.-м

Координаты.шэетнйсти источник

транспаранта, отличающееся тем, что пространственно-частотный фильтр выполнен в виде одного или нескольких кольце вых фильтров из различных цветных стекол и имеет функцию пропускания

ТФ(0 |Дс1геф-йГС()}.

где р- радиальная полярная координата в плоскости пространственно-частотного фильтра;

/Л;., внешний радиус к-й кольцевой зоны фильтра;

fy - коэффициент пропускания по интенсивности k-й кольцевой зоны фильтра для длины волны;

N - количество кольцевых зон фильтра, причем ро 0, а максимальный внешний радиус N-й (последней) кольцевой зоны фильтра

/ON Лмзкс макс

где т/макс-максимальная пространственная частота обрабатываемого изображения;

Амакс- максимальная длина волны;

f ф.о - фокусное расстояние фурье-объ- ектива.

ф.о ,

Та-блица

,2983; ,4353.

Использование: в оптических процессорах при обработке изображений методом пространственно-частотной фильтрации. Сущность изобретения: способ включает освещение полихроматической волной транспаранта с обрабатываемым изображением, первое оптическое преобразование Фурье над волной, промодулированной транспарантом, фильтрацию диапазонов пространственных частот путем их цветной селекции в зависимости от фильтруемых диапазонов частот по представленному закону. Устройство состоит из последовательно расположенных источника полихроматического излучения, осветительную систему, транспарант, фурье-объектов, пространственно- частотный фильтр, выполненный в виде одного или нескольких кольцевых фильтров из различных цветных стекол с функцией пропускания, определяемый по формуле, фурье-преобразующий объектив и плоскость регистрации изображения транспаранта. 9 ил. ел

То

1

2

3

$

5

6

S.

t 10

1,1

14 15 .16 .17

IS

.19

20

21

22

23 24 .25

26

27

23

29

36

11

Радиус объекта: 0,30 мм

Координаты цветности источника: ,2664;

Радиус.- объекта л. ,.р;.,63. ни ; Коооайнаты й вётмос ти : источника s.

,2664;

12

Та зпица2

,2983; ,4353.

.2664;

,2983; ,4353.

Таблица

Радиус объекта г О.30 мм .

Кооодинаты иветности источника : ,2664;Y 0,2983; ,4353.

Lv 1,5

ori.

10

,у,л e. I 4 А, Г

as

OTH;

0,5

фиг. 7

Ю

ft5

XL

X

и

Л

jj ,

1,0

R 077V

Фиг. 9