Устройство для апертурной коррекции изображений

 

Изобретение относится к автоматике и вычислительной технике. Его использование для предварительной обработки изображений позволяет повысить точность устройства при обработке изображений с существенно выраженной пространственной неоднородностью. Устройство содержит блоки 1, 2 задержки, сумматоры 3, 4 и вычитатели 6, 7. Благодаря введению накапливающего сумматора 5, вычитателя 8 и блока 9 умножения в устройстве обеспечивается адаптивное преобразование в конвейерном режиме исходного изображения с учетом его локальных статистических характеристик. 3 ил.

Изобретение относится к автоматике и вычислительной технике, в частности к устройствам для обработки изображений, и может быть использовано для предварительной обработки с целью повышения их резкости и контрастности.

Известно устройство для преобразования изображений объектов [1], содержащее счетчик, первый коммутатор, распределитель импульсов, второй коммутатор, первый блок памяти, первый регистр, первый сумматор, второй блок памяти, второй регистр, второй сумматор.

Данное устройство осуществляет градационную коррекцию изображения при помощи метода выравнивания гистограммы. При этом яркостной диапазон исходного изображения подвергается нелинейному преобразованию таким образом, чтобы привести гистограмму обработанного изображения к равномерному виду (т.е. распределение уровней яркости на обработанном изображении должно иметь равномерный вид).

Недостатками устройства являются высокий уровень аппаратурных затрат и низкая точность при обработке изображений, обладающих существенно выраженной пространственной неоднородностью, так как оно не позволяет учесть локальные статические связи на изображении при его обработке.

Наиболее близким к предлагаемому является устройство для преобразования изображений объектов [2], содержащее два регистра, блок сдвиговых регистров, блок экстремальной фильтрации, два блока вычисления средних значений, блок адаптивной фильтрации, причем блок вычисления средних значений содержит первый блок задержки, первая группа выходов которого соединена с первой группой входов первого вычитателя, выходы которого подключены к первой группе входов первого сумматора, второй блок задержки, первая группа выходов которого соединена с первой группой входов второго вычитателя, второй сумматор, при этом тактовые входы блоков задержки объединены.

Устройство-прототип реализует операцию апертурной коррекции изображения с целью повышения его локальных контрастов (детальности) путем нелинейного подавления фоновой составляющей видеосигнала и последующего линейного усиления скорректированного ранее сигнала. Для этого в каждой точке изображения формируются оценки верхней и нижней границ сигнала (размаха сигнала) в некоторой ее локальной окрестности. Параметры фильтрации в каждой точке изображения (степень подавления фоновой составляющей в видеосигнале и коэффициент его усиления) являются функцией размаха значений видеосигнала в некоторой локальной окрестности текущей точки. Устройство-прототип позволяет повысить локальные контрасты пространственно-однородных изображений.

Недостатком устройства-прототипа является низкая точность преобразования изображений с ярко выраженной пространственной неоднородностью. Это объясняется следующим. Во-первых, оценки верхней и нижней границ значений видеосигнала в локальной окрестности текущей точки изображения формируются на основе результатов операции экстремальной фильтрации. Операция экстремальной фильтрации обладает сильной пространственной инерционностью, что не позволяет быстро регулировать параметры нелинейного фильтра. Использование результатов операции экстремальной фильтрации для регулировки параметров нелинейного фильтра приводит к существенному снижению эффективности фильтрации при наличии на изображении высокоамплитудного импульсного шума, или большего числа малоразмерных объектов. Во-вторых, при нелинейной фильтрации изображения учитывается лишь размах значений видеосигнала и совершенно не учитывается его локальное среднее значение. Участки изображения, содержащие различные объекты, характеризующиеся различным уровнем локального среднего значения сигнала (фона) и имеющие одинаковый размах значения видеосигнала, обрабатываются фильтром с одинаковыми параметрами, что приводит к низкой точности формируемых результатов для изображений, обладающих существенной пространственной неоднородностью.

Целью изобретения является повышение точности устройства при обработке изображений с существенно выраженной пространственной неоднородностью.

Цель достигается тем, что в устройство для апертурной коррекции изображений, содержащее первый блок задержки, первая группа выходов которого соединена с первой группой входов первого вычитателя, выходы которого подключены к первой группе входов первого сумматора, второй блок задержки, первая группа выходов которого соединена с первой группой входов второго вычитателя, второй сумматор, причем тактовые входы блоков задержки объединены, введены третий вычитатель, накапливающий сумматор и блок умножения, тактовый вход которого объединен с тактовыми входами накапливающего сумматора и первого блока задержки и является тактовым входом устройства, при этом информационные входы первого блока задержки объединены с соответствующими входами второй группы первого вычитателя и являются информационными входами устройства, вторая группа выходов первого блока задержки подключена к первой группе входов третьего вычитателя, выходы которого соединены с информационными входами блока умножения, входы которого подключены к первой группе входов второго сумматора, выходы первого сумматора соединены с информационными входами второго блока задержки, вторая и третья группы выходов которого подключены к вторым группам входов соответственно первого сумматора и второго вычитателя, выходы которого соединены с информационными входами накапливающего сумматора, выходы которого подключены к вторым группам входов третьего вычитателя и второго сумматора, выходы которого являются выходами устройства.

На фиг. 1 представлена схема устройства; на фиг. 2 показано взаимное расположение элементов текущей апертуры NxM и элементов предшествующей апертуры (заштриховано), отличающихся друг от друга двумя столбиками по N элементов в каждом; на фиг. 3а показан пример исходного сигнала X(t), на фиг. 3б - сглаженного сигнала S(t), на фиг. 3в - разность между исходным сигналом X(t) и сглаженным сигналом S(t), на фиг. 3г - результат Y(t) операции апертурной коррекции.

Устройство содержит блоки 1 и 2 задержки, сумматоры 3 и 4, накапливающий сумматор 5, вычитатели 6, 7 и 8, блок 9 умножения, информационный вход 10, тактовый вход 11, выход 12.

Информационный вход 10 устройства соединен с второй группой входов вычитателя 6 и с информационными входами блока 1 задержки. Первая группа выходов блока 1 задержки соединена с первой группой входов вычитателя 6. Выходы вычитателя 6 соединены с первой группой входов сумматора 3. Вторая группа входов сумматора 3 соединена с второй группой выходов блока 2 задержки. Выходы сумматора 3 соединены с входами блока 2 задержки. Первая и третья группы выходов блока 2 задержки соединены соответственно с первой и второй группами входов вычитателя 7. Выходы вычитателя 7 соединены с входами накапливающего сумматора 5. Выходы накапливающего сумматора соединены с второй группой входов вычитателя 8 и второй группой входов сумматора 4. Вторая группа выходов блока 1 задержки соединена с первой группой входов вычитателя 8. Выходы вычитателя 8 соединены с входами блока 9 умножения. Выходы блока умножения соединены с первой группой входов сумматора 4. Выходы сумматора 4 являются выходами 12 устройства.

Блок 1 задержки имеет длину N˙L, причем первый и второй его выходы соединены соответственно с выходами N˙L и (N/2˙L + +M/2 + 1)-го элементов задержки на один такт (N˙M - размер скользящей апертуры, L - количество отсчетов в строке изображения). Блок 2 задержки имеет длину L, и его первый, второй и третий выходы соединены с выходами (M+1)-го, L-го и первого элементов задержки на один такт работы.

Предлагаемое устройство реализует апертурную коррекцию изображения на основе анализа значений исходного изображения в текущей точке и локального среднего значения сигнала в ее некоторой окрестности. При этом исходное изображение (фиг. 3а) сглаживается (фиг. 3б), т.е. формируется изображение, содержащее только низкочастотную составляющую, соответствующую фону. Затем полученное сглаженное изображение вычитается из исходного (фиг. 3в), т.е. из исходного изображения вычитается фоновая составляющая. В результате получают изображение, содержащее только объекты без фона, которое затем усиливается и суммируется со сглаженным изображением (фиг. 3г). В результате контрастность и резкость обработанного изображения увеличиваются, что приводит к повышению его визуального качества. Описанный метод (метод нерезкого маскирования) широко применятся в фотографии и позволяет повысить эффективность обработки изображений, обладающих существенно выраженной пространственной неоднородностью.

Устройство реализует вычисление функции Y_ij= S_i+N/2;j+M/2+X_ij-S, (1) где X_ij - значение исходного изображения в точке (i,j) изображения; Y_ij - значение преобразованного изображения в точке (i,j) изображения; S_i+N/2;j+M/2 - локальное среднее значение в точках локальной окрестности размерами N.M точек с центральной точкой (i,j) (нижний правый угол которой находится в точке (i+N/2; j+M/2)); α - весовой коэффициент, задается априори в пределах от 1,5 до 5.

Вычисление локального среднего значения S_ij по скользящей прямоугольной окрестности (апертуре) размерами NxM осуществляется рекуррентно.

Предположим, что изображение имеет L точек в каждой строке и известна сумма b _β-1 значений предшествующей окрестности a _β-1размерами N.M элементов (см. фиг. 2, элементы окрестности a _β-1заштрихованы). Текущая окрестность a _β отличается от окрестности a _β-1 двумя столбиками по N элементов в каждом. В тоже время текущий β-й столбик отличается от столбика, расположенного на одну точку выше, также двумя точками. Отсюда можно сделать следующие выводы b_β=b_β-1+a_β-a_β-M; (2) a_β=a_β-L + X_ij - X_i-N,j; (3) S_ij= b_β , (4) где b_β - сумма значений элементов текущей скользящей апертуры размерами N.M и центром в точке (i-N/2;j-M/2), (β = i˙L+j); a_β - сумма значений элементов текущего столбика высотой N и нижней точкой (i,j); L - количество точек в строке изображения.

Такой подход к формированию значений обработанного изображения позволяет учесть статистические особенности исходного изображения и повысить точность обработки изображений, обладающих существенной пространственной неоднородностью.

Устройство работает следующим образом.

В начальный момент времени блоки 1 и 2 задержки и накапливающий сумматор 5 обнулены.

В текущем k-м такте работы на информационный вход 10 устройства поступает параллельный код текущего отсчета X_ij изображения, который затем поступает на вторую группу входов вычитателя 6 и входы блока 1 задержки. На первой группе выходов блока 1 формируется задержанное на N˙M тактов работы значение отсчета X_i-N , которое затем поступает на первую группу входов вычитателя 6. На выходах вычитателя 6 формируется значение величины X_ij - X_i-N, которое поступает на первую группу входов сумматора 3, на вторую группу входов которого поступает значение величины a_k-L с второй группы выходов блока 2 задержки.

На выходах сумматора 3 формируется код a_k = a_k-L + X_ij - X_i-M,j(согласно выражению (3)), который затем поступает на входы блока 2 задержки. Параллельно значения величин a_k-1 и a_k-M-1 с третьей и первой групп выходов блока 2 задержки поступают на вторую и первую группы входов вычитателя 7. Код a_k-1 - a_k-M-1 с выходов вычитателя 7 поступает на входы накапливающего сумматора 5, в котором формируется значение
b_k-1 = b_k-2 + a_k-1 - a_k-M-1 (согласно
выражению (2)).

Таким образом, в каждом такте работы в нaкапливающем сумматоре 5 формируется значение соответствующей суммы b_γ элементов текущей скользящей апертуры. Вычисление значения S_ij локального среднего по текущей скользящей апертуре осуществляется путем деления значения b_γ на величину M˙N, которое осуществляется путем отрабатывания τ младших разрядов с выхода накапливающего сумматора (причем τ = log₂ (M.N) = log₂M + log₂ N). Значение S_ij= b_γ с выходов накапливающего сумматора 5 поступает на вторую группу входов сумматора 4 и вторую группу входов вычитателя 8, на первую группу входов которого поступает значение отсчета X_i-N/2,j-M/2 с второй группы выходов блока 1 задержки. Код X_i-N/2,j-M/2 - S_ij с выходов вычитателя 8 поступает на входы блока 9 умножения, в котором осуществляется ее умножение на коэффициент α. Значение α (X_i-N/2,j-M/2 - S_ij) с выходов блока 9 умножения поступает на первую группу входов сумматора 4, на выходах которого формируется согласно выражению значение
Y_i-N/2,j-M/2 = S_ij + α (X_i-N/2,j-M/2 - S_ij), которое затем поступает на выход 12 устройства. При поступлении очередного тактового импульса с тактового входа 11 устройства в блоках 1 и 2 задержки осуществляется прием и сдвиг информации, срабатывают накапливающий сумматор 5 и блок 9 умножения и начинается новый такт работы устройства.

Предлагаемое устройство реализует апертурную коррекцию изображения путем адаптивного подавления низкочастотной составляющей сигнала, соответствующей фону, и усиления высокочастотной составляющей, соответствующей деталям объектов на изображении. Преобразование исходного изображения осуществляется адаптивно с учетом его локальных статистических характеристик. Это позволяет повысить точность устройства при обработке изображений, обладающих выраженной пространственной неоднородностью.

Устройство работает в конвейерном режиме и обладает высоким быстродействием, что позволяет эффективно использовать его в быстродействующих специализированных системах, например в системах обработки изображений в реальном масштабе времени.

Формула изобретения

УСТРОЙСТВО ДЛЯ АПЕРТУРНОЙ КОРРЕКЦИИ ИЗОБРАЖЕНИЙ, содержащее первый блок задержки, первая группа выходов которого соединена с первой группой входов первого вычитателя, выходы которого подключены к первой группе входов первого сумматора, второй блок задержки, первая группа выходов которого соединена с первой группой входов второго вычитателя, второй сумматор, тактовые входы блоков задержки объединены, отличающееся тем, что, с целью повышения точности устройства при обработке изображений с существенно выраженной пространственной неоднородностью, в устройство введены третий вычитатель, накапливающий сумматор и блок умножения, тактовый вход которого объединен с тактовыми входами накапливающего сумматора и первого блока задержки и является тактовым входом устройства, информационные входы первого блока задержки объединены с соответствующими входами второй группы первого вычитателя и являются информационными входами устройства, вторая группа выходов первого блока задержки подключена к первой группе входов третьего вычитателя, выходы которого соединены с информационными входами блока умножения, выходы которого подключены к первой группе входов второго сумматора, выходы первого сумматора соединены с информационными входами второго блока задержки, вторая и третья группы выходов которого подключены к вторым группам входов соответственно первого сумматора и второго вычитателя, выходы которого соединены с информационными входами накапливающего сумматора, выходы которого подключены к вторым группам входов третьего вычитателя и второго сумматора, выходы которого являются выходами устройства.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3