Устройство для обработки оптической информации

 

Изобретение относится к распознающим системам, используемым для обработки оптической информации, и может быть применено в бортовых системах управления летательных аппаратов для ориентации последних в полете. Целью изобретения является расширение функциональных возможностей устройства для обработки оптической информации, а именно повышение вероятности распознавания объектов за счет вычисления площади, периметра и координат геометрического центра объекта, а также обеспечение возможности определения угла между направлением движения летательного аппарата, на котором может быть установлено устройство, и линией, параллельной продольной оси протяженного ориентира в горизонтальной плоскости, что позволяет осуществить коррекцию направления движения летательного аппарата. Сущность изобретения заключается в вычислении площади, периметра и геометрического центра объекта, что позволяет достичь более высокой вероятности распознавания объектов (ориентиров) и в определении с использованием известного метода наименьших квадратов направления линии, параллельной продольной оси протяженного ориентира и лежащей в горизонтальной плоскости прямоугольной системы координат, связанной с бортом летательного аппарата. Устройство может быть выполнено на элементной базе цифровой вычислительной техники. 3 ил.

Изобретение относится к распознающим системам, используемым для обработки оптической информации, и может быть применено в бортовых системах управления летательных аппаратов для ориентации последних в полете.

Известно устройство (авт.св. СССР N 1716549, кл. G 06 K 9/00, 1992) для распознавания прямого края объекта, используемое для обработки оптической информации.

Это устройство содержит приемник изображения, синхронизатор, первый блок памяти, вентиль, блок сравнения, два делителя, блок вентилей, шесть сумматоров, пять блоков умножения, два вычитателя, два квадратора, причем выход первого блока памяти соединен с первым входом блока сравнения, выход первого сумматора соединен с первым входом первого блока умножения, выход которого соединен с первым входом второго сумматора, выход первого квадратора через шестой сумматор соединен с первым входом пятого блока умножения, выход которого подключен к второму входу второго вычитателя, первый вход которого соединен с выходом второго квадратора, соединенного входом с выходом четвертого сумматора, выход второго вычитателя подключен к второму входу первого делителя, первый вход которого соединен с выходом первого вычитателя, подключенного первым входом к выходу третьего блока умножения, а вторым входом к выходу четвертого блока умножения, первый вход третьего блока умножения соединен с выходом третьего сумматора.

Данное устройство, во-первых, имеет невысокую вероятность распознавания объектов (ориентиров, целей), во-вторых, не позволяет определить угол между направлением движения летательного аппарата (технического устройства) и продольной осью распознаваемого ориентира, что дает возможность корректировать полет летательного аппарата (ЛА) относительно продольной оси распознаваемого протяженного ориентира.

Целью изобретения является расширение функциональных возможностей устройства для обработки оптической информации, а именно повышение вероятности распознавания объектов, за счет вычисления площади, периметра и координат геометрического центра объекта, а также обеспечения возможности определения угла между направлением движения летательного аппарата и линией параллельной продольной оси протяженного ориентира в горизонтальной плоскости, это позволяет осуществить коррекцию направления движения летательного аппарата.

Для этого в прямоугольной системе координат, связанной с бортом ЛА, ось ОХ совпадает с направлением движения ЛА (фиг. 1). Линия, параллельная продольной оси протяженного ориентира и лежащая в плоскости ХОY, будет составлять с ОХ угол α. Определение этого угла на борту ЛА позволит скорректировать направление движения ЛА относительно продольной оси протяженного ориентира.

Для решения этой задачи производится определение координат нескольких точек протяженного ориентира с помощью предлагаемого устройства через расстояние L, при этом количественное значение L закладывается в блок памяти предлагаемого устройства. Используя известный метод наименьших квадратов по формуле (2), определяется параметр b₁ линейной зависимости y=b₀+b₁x (1) где x_i, y_i координаты геометрического центра изображения i-го участка ориентира, определяемые по формулам где n_j количество единичных элементов в j-й строке; m_j количество единичных элементов в j-м столбце; N количество строк, М количество столбцов текущего i-го изображения; S_i площадь i-го участка ориентира;
x_ij, y_ij координаты j-го элемента i-го участка;
Q количество участков ориентира, необходимое для определения b₁.

Минимально необходимое для вычисления b₁ по зависимости (2) Q=3 закладывается в блок памяти устройства.

Так как
b₁= tgα, (5)
то
α = arctgb₁ (6)
На фиг. 2 представлена структурная схема устройства, где обозначены:
1 приемник изображения, 2 синхронизатор, 3 регистр сдвига первый, 4 сумматор по модулю два, 5 вентиль первый, 6 счетчик первый, 7 блок сравнения, 8 генератор одиночных импульсов, 9 счетчик второй, 10 регистр сдвига второй, 11 делитель второй, 12 счетчик третий, 13 блок вентилей первый, 14 блок памяти первый, 15 счетчик пятый, 16 счетчик четвертый, 17 блок вентилей второй, 18 счетчик шестой, 19 делитель третий, 20 - делитель четвертый, 21 счетчик седьмой, 22 сумматор первый, 23 блок умножения второй, 24 сумматор третий, 25 блок умножения третий, 26 - сумматор пятый, 27 блок умножения четвертый, 28 вычитатель первый, 29 - блок памяти второй, 30 блок умножения первый, 31 сумматор второй, 32 сумматор четвертый, 33 квадратор второй, 34 делитель первый, 35 блок вентилей третий, 36 квадратор первый, 37 сумматор шестой, 38 блок умножения пятый, 39 вычитатель второй, 40 блок вентилей четвертый, 41 - блок определения арктангенса.

Цель достигается введением в устройство прототипа двух регистров сдвига, сумматора по модулю два, семи счетчиков, генератора одиночных импульсов, трех блоков вентилей, третьего и четвертого делителей, второго блока памяти и блока определения арктангенса.

При этом выход приемника изображения 1 соединен с первым входом вентиля 5, второй вход которого подключен к выходу синхронизатора 2, соединенному с управляющими входами первого 3 и второго 10 регистров сдвига, с первым входом генератора одиночных импульсов 8, с входами второго делителя 11, четвертого 16 и седьмого 21 счетчиков, выход вентиля 5 подключен к входу первого счетчика 6 и второму входу генератора одиночных импульсов 8, к информационному входу второго регистра сдвига 10, к первым входам первого 13 и второго 17 блоков вентилей, выход второго делителя 11 через третий счетчик 12 соединен с вторым входом первого блока вентилей 13, выход четвертого счетчика 16 соединен с вторым входом второго блока вентилей 17, выходы первого 13 и второго 17 блоков вентилей соответственно через пятый 15 и шестой 18 счетчики соединены с первыми входами третьего 19 и четвертого 20 делителей, соединенных вторыми входами с выходом первого счетчика 6, а выходами с первыми входами соответственно третьего 35 и четвертого 40 блоков вентилей, вторые входы которых подключены к выходу блока сравнения 7, соединенного вторым и третьим входами соответственно с выходами первого 6 и второго 9 счетчиков, входы второго счетчика 9 соединены соответственно с выходами генератора одиночных импульсов 8 и с выходом сумматора по модулю два 4, первый и второй входы которого подключены к выходу первого регистра сдвига 3 и к выходу второго регистра сдвига 10, соединенному с информационным входом первого регистра сдвига 3, выход седьмого счетчика 21 подключен к входу первого сумматора 22, выход которого соединен с первым входом второго блока памяти 29, второй и третий входы которого соединены с выходами соответственно третьего 35 и четвертого 40 блоков вентилей, первый выход второго блока памяти 29 соединен с вторым входом первого блока умножения 30, второй выход с первым входом второго блока умножения 23 и с входом пятого сумматора 26, третий выход с вторым входом третьего блока умножения 25 и с вторым входом пятого блока умножения 38, а четвертый выход с вторым входом второго сумматора 31, выход которого соединен с входами четвертого сумматора 32 и первого квадратора 36, выход второго блока умножения 23 соединен с входом третьего сумматора 24, входы четвертого блока умножения 27 соединены соответственно с выходами четвертого 32 и пятого 26 сумматоров, выход первого делителя 34 подключен к входу блока определения арктангенса 41, выход которого является выходом устройства.

Устройство работает следующим образом. Полученное на выходе приемника изображений 1 изображение поэлементно поступает на информационный вход вентиля первого 5, управляющий вход которого соединен с выходом синхронизатора 2. На выходе вентиля первого 5 появляется сигнал, равный 0, если яркость данного элемента изображения меньше установленного порога, и сигнал, равный 1 в обратном случае. Тогда площадь ориентиров пропорциональна количеству ячеек изображения, закодированных цифрой 1. Подсчет количества ячеек, принадлежащих ориентиру, производится счетчиком первым 6, на выходе которого после окончания цикла вычисления будет сформирован сигнал, пропорциональный площади ориентира. Периметр бинарного изображения, как видно из фиг. 3 (периметр отмечен жирной ломаной линией), составляется из отдельных горизонтальных и вертикальных участков. Для измерения периметра изображения достаточно подсчитать его горизонтальные и вертикальные составляющие. Для измерения количества горизонтальных участков периметра необходимо сравнить попарно содержание строк растра. Количество несовпадающих разрядов в соседних строках соответствует количеству единиц горизонтальной составляющей периметра. Содержание двух соседних строк записывается в процессе вычисления в регистр сдвига первый 3 и регистр сдвига второй 10. Информационный вход регистра сдвига второго 10 соединен с выходом вентиля первого 5, а выход с входом регистра сдвига первого 3 и входом сумматора по модулю два 4. Выход регистра сдвига первого 4, соединен с вторым входом сумматора по модулю два 4. Таким образом, на входы сумматора по модулю два 4 подаются бинарные последовательности, соответствующие закодированным значениям яркости двух соседних строк изображения.

На выходе сумматора 4 по модулю два формируется сигнал в случае, если значения элементов соседних строк изображения не совпадают. Это соответствует наличию горизонтальной составляющей периметра изображения, которая подсчитывается счетчиком вторым 9. Второй вход счетчика второго 9 соединен с выходом генератора одиночных импульсов 8, который выдает одиночные импульсы при переходе выходного сигнала вентиля первого 5 с "0" на "1" и с "1" на "0". Число выходных импульсов генератора одиночных импульсов 8, пропорциональное вертикальной составляющей периметра изображения, также подсчитывается счетчиком вторым 9. Таким образом, на выходе счетчика 9 формируется сигнал, пропорциональный периметру изображения ориентиров.

На выходах счетчиков первого 4 и второго 9 формируется значение площади и периметра ориентиров, поступающих на входы блока сравнения 7, третий вход которого соединен с выходом блока памяти первого 14. Блок памяти первый 14 передает в блок сравнения 7 эталонные значения площади и периметра ориентиров. Сравнение эталонных и текущих значений площади и периметра ориентиров, производимое в блоке соединения 7, позволяет принять решение об идентификации эталонного и текущего ориентиров.

С выхода синхронизатора 2 сигнал синхронизации поступает на вход четвертого счетчика (номера столбца) 16, а также через делитель второй 11 на вход счетчика третьего (номера строки) 12. Делитель второй 11 формирует один импульс на своем выходе при поступлении М импульсов на его вход (М число элементов в строке изображения). Таким образом, на выходе счетчика третьего 12 будет формироваться значение числа от 1 до N, соответствующего номеру строки изображения. Счетчик четвертый 16 формирует на выходе значения числа от 1 до М, соответствующие номеру столбца текущей строки изобретения. Числа, соответствующие номерам строки и столбца, со счетчиков третьего 12 и четвертого 16 подаются через блоки вентилей первый 13 и второй 17 на входы счетчиков пятого 15 и шестого 18. Вторые входы блоков вентилей третьего 12 и четвертого 16 соединены с выходом вентиля первого 5, что обеспечивает появление сигналов на выходах блоков вентилей третьего 12 и четвертого 16 только тогда, когда элемент изображения, номер строки и столбца которого выдается с выходов счетчиков третьего 12 и четвертого 16, принадлежит ориентиру. Таким образом, на выходах счетчиков пятого 15 и шестого 18 формируются значения числителя выражений (3) и (4) соответственно.

Значение площади ориентира с выхода счетчика первого 6 поступает на вторые входы делителей третьего 19 и четвертого 20, первые входы которых соединены с выходами счетчиков пятого 15 и шестого 18. Таким образом, на выходе делителей третьего 19 и четвертого 20 формируются значения координат положения геометрического центра i-го участка ориентира в системе координат текущего изображения х_i и y_i соответственно.

Сигнал с выхода синхронизатора 2 поступает на вход счетчика седьмого 21, который производит подсчет синхроимпульсов. Как только на вход счетчика седьмого 21 поступит МхN синхроимпульсов (М количество столбцов, а N - количество строк текущего изображения), на выходе счетчика появится единичный сигнал, который накапливается в сумматоре 22. После этого счетчик седьмой 21 устанавливается в исходное положение и процесс повторяется, при этом после поступления на его вход еще MxN синхроимпульсов на вход сумматора первого 22 с выхода счетчика седьмого 21 поступает еще один единичный сигнал и на выходе сумматора первого 22 появляется число два. Таким образом, на выходе сумматора первого 22 формируется номер текущего изображения. Номер текущего изображения поступает на вход блока памяти второго 29, а также на первый вход блока умножения первого 30.

Сигнал с выхода блока сравнения 7 подается на первые входы блоков вентилей третьего 35, четвертого 40, а на вторые входы подаются значения координат текущего изображения ориентира х_i (с выхода делителя третьего 19) и y_i (с выхода делителя четвертого 20) cоответственно, что обеспечивает появление сигналов на выходах блоков вентилей 35 и 40 только тогда, когда х_i, y_i являются координатами геометрического центра изображения i-го участка ориентира. С выходов блоков вентилей 35, 40 значения координат геометрического центра изображения i-го участка ориентира (, где Q количество снимаемых изображений участков ориентира) поступает в блок памяти второй 29.

Значение расстояния L (L расстояние между геометрическими центрами изображений, перед полетом записывается в блок памяти второй 29) с первого выхода второго блока памяти 29 поступает на первый вход блока умножения первого 30, на второй вход которого подается значение номера изображения ориентира. На выходе блока умножения первого 30 получается произведение i·L, которое подается на первый вход сумматора второго 31, на второй вход которого подается значение x_i, на выходе блока сумматора второго 31 будет получено значение координаты х_i для i-го участка ориентира.

С выхода сумматора второго 31 значение х_i поступает на второй вход блока умножения второго 23, на первый вход которого подается с блока памяти второго 29 значение y_i, в результате на выходе блока умножения второго 23 получается x_i·y_i, которое подается на вход сумматора третьего 24, где происходит сложение произведений x_i·y_i при i, изменяющемся от 1 до Q.

Значение подается на первый вход блока умножения третьего 25, на второй вход которого подается с третьего выхода блока памяти второго 29 значение Q=3. Значение подается на первый вход вычитателя первого 28.

На вход сумматора пятого 26 с блока памяти второго 29 подается значение y_i, в результате на выходе получается значение , которое подается на первый вход блока умножения четвертого 27.

Значение х_i с выхода сумматора второго 31 поступает на вход сумматора четвертого 32, с выхода которого значение подается на вход квадратора второго 33 и второй вход блока умножения четвертый 27.

Значение , полученное в блоке умножения четвертом 27, поступает на второй вход вычитателя первого 28.

Значение , полученное в квадраторе втором 33, поступает на второй вход вычитателя второго 39.

Кроме того, значение x_i с выхода сумматора второго 31 поступает на вход квадратора первого 36. Значение x²_i с выхода квадратора первого 36 поступает на вход сумматора шестого 37, с выхода которого значение поступает на второй вход блока умножения пятого 38. На первый вход которого с блока памяти второго 29 подается значение Q, с выхода блока умножения пятого 38 значение подается на первый вход вычитателя второго 39.

На выходе вычитателя первого 28 формируется значение , которое подается на первый вход делителя первого 34.

На выходе вычитателя второго 39 формируется значение , которое поступает на второй вход делителя первого 34.

Полученное в делителе первом 34 значение tgα = b₁ подается в блок определения арктангенса 41. На выходе блока 41, который является выходом устройства, получается значение угла α, т.е. угла между направлением движения ЛА и линией, параллельной оси протяженного ориентира, лежащей в плоскости XOY связанной с ЛА системы координат (фиг. 1).

Вычисление периметра, площади и геометрического центра объекта позволяет повысить вероятность распознавания объекта, определение угла между направлением движения ЛА и линией, параллельной оси ориентира, дает возможность корректировать полет ЛА относительно ориентира.

Формула изобретения

Устройство для обработки оптической информации, содержащее приемник изображения, синхронизатор, первый блок памяти, вентиль, блок сравнения, два делителя, блок вентилей, шесть сумматоров, пять блоков умножения, два вычитателя, два квадратора, причем выход первого блока памяти соединен с первым входом блока сравнения, выход первого сумматора соединен с первым входом первого блока умножения, выход которого соединен с первым входом второго сумматора, выход первого квадратора через шестой сумматор соединен с первым входом пятого блока умножения, выход которого подключен к второму входу второго вычитателя, первый вход которого соединен с выходом второго квадратора, соединенного входом с выходом четвертого сумматора, выход второго вычитателя подключен к второму входу первого делителя, первый вход которого соединен с выходом первого вычитателя, подключенного первым входом к выходу третьего блока умножения, а вторым входом к выходу четвертого блока умножения, первый вход третьего блока умножения соединен с выходом третьего сумматора, отличающееся тем, что в устройство введены два регистра сдвига, сумматор по модулю два, семь счетчиков, генератор одиночных импульсов, три блока вентилей, третий и четвертый делители, второй блок памяти и блок определения арктангенса, причем выход приемника изображения соединен с первым входом вентиля, второй вход которого подключен к выходу синхронизатора, соединенному с управляющими входами первого и второго регистров сдвига, с первым входом генератора одиночных импульсов, с входами второго делителя, четвертого и седьмого счетчиков, выход вентиля подключен к входу первого счетчика, к второму входу генератора одиночных импульсов, к информационному входу второго регистра сдвига, к первым входам первого и второго блоков вентилей, выход второго делителя через третий счетчик соединен с вторым входом первого блока вентилей, выход четвертого счетчика соединен с вторым входом второго блока вентилей, выходы первого и второго блоков вентилей соответственно через пятый и шестой счетчики соединены с первыми входами третьего и четвертого делителей, соединенных вторыми входами с выходом первого счетчика, а выходом с первыми входами соответственно третьего и четвертого блоков вентилей, вторые входы которых подключены к выходу блока сравнения, соединенного вторым и третьим входами соответственно с выходами первого и второго счетчиков, входы второго счетчика соединены соответственно с выходами генератора одиночных импульсов и с выходом сумматора по модулю два, первый и второй входы которого подключены к выходу первого регистра сдвига и к выходу второго регистра сдвига, выход седьмого счетчика подключен к входу первого сумматора, выход которого соединен с первым входом второго блока памяти, второй и третий входы которого соединены с выходами соответственно третьего и четвертого блоков вентилей, первый выход второго блока памяти соединен с вторым входом первого блока умножения, второй выход с первым входом второго блока умножения и с входом пятого сумматора, третий выход с вторым входом третьего блока умножения и с вторым входом пятого блока умножения, а четвертый выход с вторым входом второго сумматора, выход которого соединен с входами четвертого сумматора и первого квадратора, выход второго блока умножения соединен с входом третьего сумматора, входы четвертого блока умножения соединены соответственно с выходами четвертого и пятого сумматоров, выход первого делителя подключен к входу блока определения арктангенса, выход которого является выходом устройства.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3