Способ выделения центра изображения объекта излучения и устройство для его осуществления

 

Изобретения относятся к космической технике и могут быть использованы в системе управления космического аппарата. Сущность способа заключается в том, что поток электромагнитного излучения от объекта пропускают через оптическую систему, направляют в фотоприемный блок на основе прибора с зарядовой связью, где его преобразовывают в матрицу бинарных электрических зарядов, которую вначале пропускают через один нейроускоритель, формируя потенциал смещения, обеспечивающий выделение на выходе нейроускорителя элементов матрицы выпуклого изображения, центр которого совпадает с искомым центром анализируемого изображения. В дальнейшем выделенную матрицу преобразовывают в другом нейроускорителе, формируя потенциал смещения таким образом, что за несколько тактов получают матрицу бинарных электрических зарядов, в которой единичные заряды соответствуют центру анализируемого изображения. Устройство содержит последовательно расположенные и оптически сопряженные оптическую систему и фотоприемный блок на основе прибора с зарядовой связью, к выходу которого последовательно включены первые блоки вычисления и нейроускоритель, вторые блоки вычисления и нейроускоритель, третий блок вычисления. Вторые выходы и входы первого и третьего блоков вычисления соединены соответственно со вторым входом и выходом второго блока вычисления. Техническим результатом реализации описанных выше способа и устройства является решение задачи выделения центра изображения объекта произвольной формы. 2 с.п. ф-лы, 8 ил.

Изобретения относятся к космической технике и могут быть использованы в системе управления космического аппарата.

Наиболее близким по технической и функциональной сущности к заявляемому способу является способ выделения центра изображения объекта на плоскости анализатора с использованием нейроподобной сети, заключающийся в том, что поток электромагнитного излучения от объекта пропускают через оптическую систему, направляют в фотоприемный блок на основе прибора с зарядовой связью (ФПЗС), где его преобразуют в матрицу бинарных электрических зарядов, матрицу бинарных электрических зарядов пропускают через нейроускоритель, формируя потенциал смещения первого типа и получая на его выходе матрицу бинарных электрических зарядов, которую вновь подают на вход нейроускорителя, формируя потенциал смещения первого типа до тех пор, пока количество единичных электрических зарядов в матрице на выходе нейроускорителя не станет равным их количеству в матрице на его входе, после чего матрицу с выхода пропускают через нейроускоритель и, формируя потенциал смещения второго типа, получают на выходе нейроускорителя матрицу бинарных электрических зарядов, в которой единичные соответствуют центру изображения [1].

Недостатком данного способа является то, что он позволяет выделять центр изображения объекта, имеющего только выпуклую форму. Для объектов, имеющих невыпуклую форму, данный способ выделяет центр изображения, который может лежать за пределами объекта.

Известен солнечный датчик, содержащий оптическую систему, сопряженную с ПЗС-линейкой, блок обработки сигнала и блок управления, позволяющий определить координаты светящегося объекта [2].

Недостатком известного устройства является невозможность решения задачи определения координат объекта в реальном масштабе времени. Кроме того, для объекта, имеющего невыпуклую форму, выделяемый центр изображения может лежать за пределами объекта.

Известен солнечный датчик [3], содержащий последовательно расположенные и оптически сопряженные оптическую систему и фотоприемный блок на основе прибора с зарядовой связью, соединенного с двумя каналами блока обработки сигнала, осуществляющего вычисление координат Солнца. Два блока управления обеспечивают синхронизацию работы всего устройства в целом.

Недостатком данного устройства является большое время, необходимое для получения решения, что обусловлено использованием для определения координат центра отфильтрованного изображения объекта метода средневзвешенного, реализованного последовательным алгоритмом обработки. Это определяет узость области практического использования, в частности, в тех случаях, где требуется получить решение в реальном масштабе времени. Другим его недостатком является то, что для объекта, имеющего невыпуклую форму, выделяемый центр изображения может лежать за пределами объекта.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является устройство для выделения центра изображения объекта излучения [4], содержащее последовательно расположенные и оптически сопряженные оптическую систему и фотоприемный блок на основе прибора с зарядовой связью, два блока вычисления. Кроме того, устройство содержит дополнительный и управляющий нейроподобные элементы (нейроны), запоминающее устройство, блок управления, а также шесть блоков ключей и три регистра обмена, осуществляющих коммутацию электрических цепей и временную задержку при прохождении сигналов.

Данное устройство позволяет определять центр произвольной выпуклой фигуры за несколько тактов работы сети. Его недостатками является то, что для объекта, имеющего невыпуклую форму, выделяемый центр изображения может лежать за пределами объекта.

Сущность изобретения заключается в следующем.

В работе [1] рассматривается способ выделения центра выпуклой фигуры с использованием нейроподобной сети, а в работе [4] - устройство для его осуществления.

Осуществим привязку всех элементов матрицы анализатора с изображением объекта наблюдения (ОН) к координатам х,у координатной плоскости Х х Y (фиг. 1). Тогда пара чисел (х,у) будет являться элементом конечного множества Х х Y.

Введем функцию f (х,у), заданную соотношением: Ω -множество точек, изображающих объект.

Поставим в соответствие каждой точке (x,y)∈X×Y изображающей плоскости значение потенциала S₁(x', y'), определяемого входным изображением [1]: где T(x,y,xʹ,yʹ) = -λ[(x-xʹ)²+(y-yʹ)²]; λ>0. Введем функцию S₂(x',y'), заданную на ограниченном множестве (xʹ,yʹ)∈Ω, точках которого выполняется равенство: S₂(x',y') = S₁(x',y') Можно показать, что для произвольной формы изображения сечениями функции потенциала S₁(x', y') плоскостями P₁ параллельными плоскости Х х Y являются фигуры К_i, близкие к окружности [1], тогда сечениями функции S₂(x', y') той же плоскостью Р_i -таже фигура К_i, за исключением области, не принадлежащей Ω .

Радиус окружности K_i уменьшается по мере приближения секущих плоскостей к плоскости Х х Y.

В центре окружности потенциал максимален. Величину р_i, однозначно определяющую секущую плоскость, будем называть порогом или потенциалом смещения.

Для того чтобы дать определение центра невыпуклой фигуры будем производить сечение функции S₂(x', y') плоскостью, определяемой порогом p_i, алгоритм выбора которого задается следующим образом. Пусть в первом цикле (i = 1) порог p₁ обеспечивает выделение изображения Ω₁ совпадающего с исходным изображением Ω (фиг. 1) В последующих циклах в качестве исходного будем выбирать изображение Ω_i-1 , полученное в предыдущем цикле. Величина р_i выбирается таким образом, что площадь d_i, выделяемого в этом цикле изображения Ω_i оказывается меньше площади изображения Ω_i-1 . Таким образом, выполняется соотношение: d_i= d_i-1-Δd. В результате за N -е число циклов при Δd _→ 0 путем отсечения "хвостов" выделяемое изображение Ω_N станет выпуклым. Выделяя известным способом [1] центр выпуклой фигуры Ω_N , найдем точку с координатами (x^*,y^*)∈Ω, которую будем называть центром невыпуклой фигуры Ω/
Таким образом, задача выделения центра изображения невыпуклой фигуры сводится к задаче синтеза алгоритма формирования порога р_i, позволяющего осуществлять последовательный процесс приближения сечений функции S₂(x', y') к форме выпуклой фигуры. Задача нахождения центра изображения выпуклой фигуры решена [1] . В дальнейшем, говоря о центре выпуклой фигуры, будем подразумевать ее "центр тяжести".

Рассмотрим в качестве цели объект, имеющий форму полукольца с внутренним и внешним радиусами R₁ и R₂ (фиг. 2).

Выражение для потенциала в любой точке плоскости Х х Y имеет вид:

где d - площадь анализируемого изображения.

Функция (3) имеет максимум в точке:

Максимуму потенциала S₁(x', y') в общем случае соответствует точка лежащая за пределами изображения объекта в виде полукольца (фиг. 2).

По мере удаления от точки с координатами значение потенциала уменьшается. На внешней границе полукольца потенциалы S₁(x', y') неодинаковы и достигают наибольшего значения в точке х'=0, y'= R₂, которое определяется выражением:

Если организовать в первом цикле для анализируемого изображения полукольца выделение точек плоскости с потенциалом S₁(x', y'), превышающим порог (5), то выделенное множество образует фигуру, близкую к кругу и касающуюся внешней границы полукольца в точке х = 0, y = R₂ (на фиг.3 эта область изображения заштрихована). Центр выделенного круга лежит на оси у с координатами (4).

Так как значение потенциала в любой точке круга будет лежать в диапазоне [1]:
-3λd²/(2π)≅S_кр(xʹ,yʹ)≅-λd²/(2π), (6)
то порог границы круга определяется выражением:
S_кр= -3λd²/(2π). (7)
Отсекая в последующем цикле в выделенном на фиг. 3 изображении элементы, непринадлежащие анализируемому на предыдущем шаге изображению полукольца, получим, что результатом выделения будет сегмент полукольца (фиг.4).

Производя в последующих циклах последовательное сравнение потенциала S₁(x', y') с порогом (5), а затем отсечение в выделенной фигуре элементов, непринадлежащих анализируемому изображению, можно достичь того, что выделяемый сегмент полукольца станет выпуклым (фиг.5).

Теперь, если для выделенного на рис. 5 сегмента организовать итерационный процесс последовательного выделения точек плоскости с потенциалами, превышающими значение -3λd²/(2π), то процесс преобразования изображения сходится к фигуре, близкой к кругу с центром, совпадающим с центром исходного сегмента [1].

Для этой фигуры произведем сечение функции потенциала S₁(x', y') порогом, соответствующим центру круга:

Результатом сечения будет искомая точка (х^*,у^*).

Ограниченность данного алгоритма заключается в том, что используемый порог настроен исключительно на входное изображение в виде полукольца. Однако в процессе движения ОН может совершать маневры, а значит будут изменяться его положение на плоскости анализатора, а также размеры (R₁R₂). В результате порог в виде выражения (5) окажется неприемлимым.

Кроме того, в выражении (5), помимо площади d исходного изображения, неизвестными параметрами являются радиусы полукольца R₁ и R₂, получение значений которых путем обработки изображения ОН приведет к значительному усложнению первоначальной задачи.

Для устранения ограниченности алгоритма предлагается задачу определения порога p_iM решать путем организации итерационного процесса последовательного уменьшения порога p_ij от некоторого наибольшего первоначального значения p_i0 до конечного p_iM.

Так как для произвольной фигуры потенциал центральной точки будет меньше значения потенциала центра круга той же площади [1], то в качестве настраиваемого выражения для порога выбирем следующее:
p_ij= -λd²ε_j/(2π), (9)
где ε_j= ε_j-1+l, l - шаг итерации.

Тогда начальное значение порога равно:

Целью изобретений является решение задачи выделения центра изображения произвольной формы.

Для способа поставленная цель достигается тем, что так же, как и в прототипе, поток электромагнитного излучения от объекта пропускают через оптическую систему, направляют в фотоприемный блок на основе прибора с зарядовой связью, где его преобразуют в матрицу бинарных электрических зарядов.

Затем дополнительно матрицу бинарных электрических зарядов с выхода фотоприемного блока на каждом шаге пропускают через дополнительный нейроускоритель, уменьшая на каждом шаге потенциал его смещения от начального значения до тех пор, пока количество единичных электрических зарядов на выходе дополнительного нейроускорителя не достигнет заданной части от их количества на его входе, после чего в матрице на выходе дополнительного нейроускорителя обнуляют электрические заряды, соответствующие нулевым зарядам матрицы на его входе, и производят поразрядное сравнение полученной сокращенной бинарной матрицы электрических зарядов и матрицы на выходе дополнительного нейроускорителя, затем посылают сокращенную матрицу на вход дополнительного нейроускорителя до тех пор, пока не будет достигнуто равенство бинарных матриц на входе и выходе дополнительного нейроускорителя, после чего матрицу бинарных электрических зарядов с выхода дополнительного нейроускорителя подают на вход нейроускорителя.

После этого в соответствии с прототипом матрицу бинарных электрических зарядов пропускают через нейроускоритель, формируя потенциал смещения первого типа и получая на его выходе матрицу бинарных электрических зарядов, которую вновь подают на вход нейроускорителя, формируя потенциал смещения первого типа до тех пор, пока количество единичных электрических зарядов в матрице на выходе нейроускорителя не станет равным их количеству в матрице на его входе, после чего матрицу с выхода пропускают через нейроускоритель и, формируя потенциал смещения второго типа, получают на выходе нейроускорителя матрицу бинарных электрических зарядов, в которой единичные заряды соответствуют центру изображения.

Для устройства поставленная цель достигается тем, что устройство для выделения центра изображения объекта излучения, содержащее последовательно расположенные и оптически сопряженные оптическую систему и фотоприемный блок на основе прибора с зарядовой связью, два блока вычисления, дополнительно включает два нейроускорителя, третий блок вычисления, причем фотоприемный блок, третий блок вычисления, первый нейроускоритель, первый блок вычисления, а также второй нейроускоритель и второй блок вычисления соединены последовательно, кроме того, второй выход первого блока вычисления соединен со вторым входом второго и третьего блоков вычисления, а второй выход второго и третьего блоков вычисления - со вторым входом первого блока вычисления.

Сущность изобретений поясняется чертежами:
фиг. 1-5 - рисунки, поясняющие сущность способа,
фиг. 6 - блок-схема заявляемого устройства,
фиг. 7 - блок-схема нейроускорителя,
фиг. 8 - последовательные фрагменты, полученные при моделировании работы предлагаемых изобретений.

Заявляемое устройство для выделения центра изображения объекта излучения содержит (фиг. 6) последовательно расположенные и оптически сопряженные оптическую систему 1 и фотоприемный блок 2 на основе прибора с зарядовой связью (ФПЗС), к выходу которого последовательно включены блок вычислений 3, первый нейроускоритель 4, блок вычислений 5, второй нейроускоритель 6, блок вычислений 7. Вторые выходы и входы блоков вычислений 3 и 7 соединены соответственно со вторым входом и выходом блока вычисления 5.

Для нейросетевой реализации способа выделения центра изображения объекта излучения поставим в соответствие каждому чувствительному элементу ФПЗС 2 по одному нейрону в первом 4 и втором 6 нейроускорителе. Выходной сигнал первого нейроускорителя 4 определяется следующим выражением [1]:

где

с - номер цикла выбора потенциала смещения u_p⁽¹⁾(k),
u_ij⁽⁰⁾ - матрица с выхода ФПЗС,
сокращенная матрица бинарных электрических зарядов,
T_ij,μv= -λ[(i-μ)²+(j-v)²];i∈l,m;j∈l,n,
k - номер шага, в течение которого происходит однократное преобразование изображения нейроускорителем.

Функция активации НПЭ g(z), где z = z(i,j), определяется из условия:

Матрицу u_вхij⁽¹⁾ пропускают в течение одного цикла через дополнительный нейроускоритель 4, одновременно формируя потенциал смещения u_p⁽¹⁾(k). В цикле выбора u_p⁽¹⁾(k) его значение уменьшают на каждом шаге от начального (10) до тех пор, пока количество единичных электрических зарядов на выходе u_выхij⁽¹⁾(k) дополнительного нейроускорителя 4 не достигнет заданной части (в частном случае можно рассматривать равенство) от их количества на его входе u_вхij⁽¹⁾.

Таким образом, справедливы соотношения:
u⁽_p¹⁾(k) = -λ/(2π)(u⁽_d¹⁾)²u⁽_ε¹⁾(k), (13)
где

u⁽_ε¹⁾(k) = (u⁽_ε¹⁾(k-1)+l)(1-u⁽_c¹⁾(k)), l>0;

На следующем этапе формируют сокращенную матрицу бинарных электрических зарядов . Ее получают из бинарной матрицы на выходе дополнительного нейроускорителя 4 u_выхij⁽¹⁾(k) путем обнуления электрических зарядов, соответствующих нулевым зарядам матрицы на его входе u_вхij⁽¹⁾(k), т.е.

Для выяснения является ли результат преобразования u_выхij⁽¹⁾(k) в дополнительном нейроускорителе 4 выпуклой фигурой производят с целью установления равенства поразрядное сравнение сокращенной матрицы матрицы u_выхij⁽¹⁾(k) на выходе дополнительного нейроускорителя 4. Сокращенную матрицу посылают на вход дополнительного нейроускорителя 4 до тех пор, пока на k' -м шаге на его выходе не будет получена выпуклая фигура. После чего матрицу u_выхij⁽¹⁾(k) с выхода дополнительного нейроускорителя 4 подают на вход нейроускорителя 6, выход которого определяется выражением:

На последующих шагах преобразования изображения на вход нейроускорителя 6 подают матрицу с его выхода, т.е.:

Для каждого нейрона нейроускорителя 6 формируют потенциал смещения первого типа в виде:
u⁽_p²⁾(k) = -3λ/(2π)(u⁽_d²⁾(k))²(1-u⁽_c²⁾(k)), (17)
где


до тех пор, пока количество единичных электрических зарядов в матрице на выходе нейроускорителя 6 не станет равным их количеству на его входе. После чего формируют потенциал смещения второго типа:
u⁽_d²⁾(k) = -λ/(2π)(u⁽_d²⁾(k))²u⁽_c²⁾(k)+δ, (18)
получая на выходе нейроускорителя 6 матрицу бинарных электрических зарядов, в которой единичные заряды соответствуют центру изображения.

Величина δ обеспечивает положительную разницу между значением потенциала элемента матрицы, соответствующего центру изображения и потенциалами элементов, близлежащих к нему.

Экспериментально установлено, что δ является функцией u_d⁽²⁾(k), которую можно представить в виде:
δ = 0.25u⁽²⁾_d/ (k).
Каждый нейроускоритель 4, 6 может быть реализован на базе однокристального цифрового нейропроцессора [5]. Для достижения требуемого быстродействия при обработке матриц большой размерности нейропроцессоры могут быть объединены в вычислительную сеть известного типа [5], одна из которых представлена на фиг. 7. Сеть содержит функционально связанные друг с другом нейропроцессоры 8-10 и запоминающие устройства 11-12.

В отличие от модели нейронной сети, входящей в состав прототипа [4], нейроускорители 4,6 могут содержать нейроны по количеству меньше, чем число элементов в матрице анализатора ФПЗС 2. В этом случае бинарная матрица электрических зарядов разбивается на подматрицы, которые обрабатываются нейропроцессорами поэтапно [5].

Экспериментальные исследования проводились на программной модели, имитирующей последовательность выполняемых действий по предлагаемому способу. При этом задавались следующие характеристики (10) итерационного процесса: ε₀= 1, l = 1.

Блоки вычисления 5,7 осуществляют функцию вычисления значений выражений (13,14) и (17,18), а также организуют пересылки преобразуемой матрицы бинарных электрических зарядов в соответствии с предлагаемым способом.

Блок вычисления 3, реализованный, например, на базе сигнального процессора TMS320C4x [5], осуществляет коммутацию электрических цепей при работе нейроускорителя 4.

На фиг. 8 представлены некоторые последовательные состояния сети для случая решения задачи выделения центра изображения полукольца. В первом цикле в результате функционирования дополнительного нейроускорителя 4 на его выходе получено изображение (на фиг. 8а оно заштриховано). Итерационный процесс был завершен по достижению равенства площадей изображений на входе и выходе дополнительного нейроускорителя 4.

На фиг. 8б в заштрихованном виде представлено изображение, соответствующее сокращенной матрице бинарных электрических зарядов (14). Так как площади заштрихованных на фиг. 8а и 8б изображений неодинаковы, то на следующем шаге сокращенная матрица поступает на вход дополнительного нейроускорителя 4. Процесс преобразования матрицы осуществляется в трех последующих циклах аналогично первому (см. фиг. 8в-8з). В четвертом цикле полученная сокращенная матрица (фиг. 8з) идентична выходу дополнительного нейроускорителя (фиг. 8ж), поэтому она поступает на вход нейроускорителя 6. В пятом цикле на первом шаге порогом границы круга (17) выделяется изображение, которое по результатам сравнения площадей не отличается от изображения на входе нейроускорителя 6 (фиг. 8и). На последующем шаге осуществляется выделение центра изображения порогом (18). Выходом является бинарная матрица, координаты единичных элементов которой соответствуют центру анализируемого изображения, определяемому с точностью до одной ячейки матрицы анализатора (фиг. 8к).

Список литературы
1. Ефимов В. В., Милевич Э.Г., Черныш В.В. Выделение центра изображения объекта на плоскости анализатора с использованием нейроподобной сети // Изв. Вузов. - Приборостроение, 1995, т.38, N1-2.- С.32-35.

2. А. с. 1779932 СССР. Солнечный датчик / Э.И.Витриченко, В.В.Щербаков//БИ.-1992.-N 45.

З. А.с. 1779931 СССР. Солнечный датчик/ Б.С.Дунаев, Я.Л.Зиман, Ю.М. Чесноков// БИ.-1992.-N45.

4. Милевич Э. Г. , Бобровский А.И., Ефимов В.В., Черныш В.В. Устройство выделения центра изображения объекта излучения. Решение ВНИИГПЭ о выдаче патента РФ на изобретение от 28.04.97г. по заявке N 95107286/28 (012732) от 4.05.95г.

5. Виксне П.Е., Фомин Д.В., Черников В.М. Однокристальный цифровой нейропроцессор с переменной разрядностью операндов //Изв. Вузов. - Приборостроение, 1996, т.39, N7.- С.13-21.

Формула изобретения

1. Способ выделения центра изображения объекта излучения, заключающийся в том, что поток электромагнитного излучения от объекта пропускают через оптическую систему, направляют в фотоприемный блок на основе прибора с зарядовой связью, где его преобразуют в матрицу бинарных электрических зарядов, матрицу бинарных электрических зарядов пропускают через нейроускоритель, формируя потенциал смещения первого типа и получая на его выходе матрицу бинарных электрических зарядов, которую вновь подают на вход нейроускорителя, формируя потенциал смещения первого типа до тех пор, пока количество единичных электрических зарядов в матрице на выходе нейроускорителя не станет равным их количеству на его входе, после чего матрицу с выхода пропускают через нейроускоритель и, формируя потенциал смещения второго типа, получают на выходе нейроускорителя матрицу бинарных электрических зарядов, в которой единичные соответствуют центру изображения, отличающийся тем, что матрицу бинарных электрических зарядов с выхода фотоприемного блока на каждом шаге пропускают через дополнительный нейроускоритель, уменьшая на каждом шаге потенциал его смещения от начального значения до тех пор, пока количество единичных электрических зарядов на выходе дополнительного нейроускорителя не достигнет заданной части от их количества на его входе, после чего в матрице на выходе дополнительного нейроускорителя обнуляют электрические заряды, соответствующие нулевым зарядам матрицы на его входе, и производят поразрядное сравнение полученной сокращенной бинарной матрицы электрических зарядов и матрицы на выходе дополнительного нейроускорителя, затем посылают сокращенную матрицу на вход дополнительного нейроускорителя до тех пор, пока не будет достигнуто равенство сокращенной матрицы и матрицы на выходе дополнительного нейроускорителя, после чего матрицу бинарных электрических зарядов с выхода дополнительного нейроускорителя подают на вход нейроускорителя.

2. Устройство для выделения центра изображения объекта излучения, содержащее последовательно расположенные и оптически сопряженные оптическую систему и фотоприемный блок на основе прибора с зарядовой связью, два блока вычисления, отличающееся тем, что дополнительно включает два нейроускорителя, третий блок вычисления, причем фотоприемный блок, третий блок вычисления, первый нейроускоритель, первый блок вычисления, а также второй нейроускоритель и второй блок вычисления соединены последовательно, кроме того, второй выход первого блока вычисления соединен со вторым входом второго и третьего блоков вычисления, а второй выход второго и третьего блоков вычисления - со вторым входом первого блока вычисления.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8