Способ распознавания разрывов струи раствора на изображении
Владельцы патента RU 2336563:
Институт систем обработки изображений Российской академии наук (ИСОИ РАН) (RU)
Изобретение относится к области анализа и распознавания информации растрового изображения, полученного из оптического сканирующего устройства или иным путем. Изобретение позволяет автоматизировать контроль качества струи. Способ распознавания разрывов струи раствора на изображении, включающий выделение фрагмента струи и бинаризацию выделенного фрагмента, перед выделением фрагмента выделяют начало струи на исходном изображении, после бинаризации выделенного фрагмента вычисляют смещение струи и затем осуществляют поиск разрывов на выделенном фрагменте. 4 ил.
Изобретение относится к области анализа и распознавания информации растрового изображения, полученного из оптического сканирующего устройства или иным путем.
В области анализа и распознавании информации растрового изображения известен способ распознавания изображений (SU 1835950, G06K 9/00, 1996), заключающийся в сравнении с порогом величин взаимно корреляционных максимумов в поле функции взаимной корреляции между автокорреляционной функцией (АКФ) эталонного преображения и совокупностью АКФ фрагментов текущего изображения.
Известный способ имеет следующие недостатки. При обработке изображения, содержащего тонкую струю с небольшими разрывами, сопоставимыми с толщиной струи, разрывы на полученном бинарном изображении исчезают. И наоборот, при слабом контрасте цвета фона и струи или при сужении струи на бинарном изображении появляются разрывы, которых нет на полутоновом. При попытке распознавания разрывов в этом случае возникают ложные решения о наличии или отсутствии таковых.
Наиболее близким техническим решением является способ бинаризации в системах оптического распознавания символов (US 6438265, G06K 9/00, 2002), заключающийся в преобразовании полутонового изображения в бинарное. Данный способ содержит следующие этапы: выделение фрагментов объекта, удаление шума из фрагментов, бинаризация выделенных фрагментов. При этом на этапе бинаризации решение о принадлежности любой точки изображения фону или объекту принимается на основании значений цвета определенного множества соседних точек.
Недостатком указанного способа является то, что он не позволяет получить бинарное изображение приемлемого качества в случае наличия на исходном полутоновом изображении слабоконтрастных объектов, имеющих тонкий контур. Примером такого изображения может служить изображение тонкой струи. При этом на бинарном изображении, полученном указанным способом, фрагменты струи могут быть приняты за фон и наоборот. Также данный способ не позволяет осуществить поиск разрывов на выделенных фрагментах.
В основу изобретения поставлена задача автоматизировать контроль качества струи путем анализа его изображений и нахождения на них разрывов.
Данная задача решается за счет того, что в способе распознавания разрывов струи раствора на изображении, включающем выделение фрагмента струи и бинаризацию выделенного фрагмента, согласно изобретению определяют координаты начала струи на изображении, по координатам начала струи выделяют фрагмент изображения, содержащий струю, осуществляют бинаризацию выделенного фрагмента, осуществляют поиск разрывов струи на выделенном фрагменте, вычисляют координаты смещения конца струи относительно координат начала струи на фрагменте, по координатам смещения струи выделяют следующий фрагмент изображения, содержащий струю, осуществляют процедуру бинаризации и поиска разрывов струи на следующем фрагменте, повторяют процедуру вычисления координат смещения струи, выделения фрагмента, бинаризации фрагмента и поиска разрывов струи до тех пор, пока струя не выйдет за пределы изображения, при этом процедуру бинаризации осуществляют следующим образом: значения отсчетов яркостей точек фрагмента упорядочиваются по неубыванию, для каждой точки этой последовательности, начиная со 2-й, значение яркости которой больше предыдущей, выполняется вычисление ошибки аппроксимации функции яркости фрагмента двухуровневой функцией нулевого порядка, где значение одного уровня вычисляют как среднеарифметическое значение, вычисленное по точкам последовательности от первой до текущей, включая текущую, значение другого уровня - среднеарифметическое значение, вычисленное по остальным точкам последовательности, как только значение ошибки аппроксимации перестанет убывать, процедуру выбора порога завершают, если разность значений уровней функции аппроксимации больше наперед заданного порога, то текущее значение точки в последовательности принимают в качестве порога процедуры бинаризации, и всем точкам фрагмента, значения яркости которых больше порога, присваивают значение, равное нулю (признак фона), остальным - единица (признак точки струи), если нет, то всем точкам фрагмента присваивают значение, равное нулю (признак фона), а поиск разрывов осуществляется следующим образом: для всех строк бинарного фрагмента суммируют значения точек строки, если хотя бы в одной строке фрагмента сумма равна нулю, т.е. содержатся только точки, отнесенные к фону, то в данном фрагменте считают, что содержится разрыв.
На фиг.1 представлен пример исходного полутонового изображения (слева) и бинарного изображения, полученного из исходного (справа).
На фиг.2 представлен фрагмент полутонового изображения струи и показано найденное положение струи.
На фиг.3 представлен пример исходного полутонового изображения (слева) и выделенных фрагментов струи на бинарном изображении (справа), полученном из исходного.
На фиг.4 представлен пример исходного полутонового изображения струи, содержащей разрыв (слева), и пример бинарного изображения, полученного из исходного (справа).
Способ осуществляется следующим образом. Исходное полутоновое (256 градаций серого) изображение характеризуется значениями яркости отдельных его точек:
S(x,у), x=1...M, у=1...N,
где х, у - координаты точки изображения,
М, N - размеры изображения.
Исходное полутоновое изображение S(x,у) преобразуется в бинарное изображение SБ(x, у) путем независимой бинаризации его фрагментов. Далее происходит поиск разрывов струи на бинаризованных фрагментах. На фиг.2 представлен пример исходного полутонового изображения (слева) и бинарного изображения, полученного из исходного (справа).
Способ включает следующие этапы:
Определение начала струи на исходном изображении.
Выделение фрагмента струи.
Бинаризация выделенного фрагмента.
Вычисление смещения струи.
Поиск разрывов на фрагменте.
Способ осуществляется следующим образом.
Определение начала струи на исходном изображении.
Для этого происходит вычисление сумм аk яркостей точек изображения в окне, имеющем размер Mo×No. Значение ширины окна Mo заранее выбирается приблизительно равным толщине предполагаемой струи
Далее определяются координаты фрагмента с началом струи xФ и уФ. В качестве координаты xФ выбирается разность значения k, для которого значение аk минимально, и значения, равного половине ширины окна:
при 
Значение координаты уФ выбирается, равным 1 (струя начинается с первой строки изображения).
На фиг.2 представлен фрагмент полутонового изображения струи (снизу), график значений аk (сверху) для окна размером Mo×No=3×7. Вертикальной линией показана выбранная согласно этапу способа координата хФ.
Выделение фрагмента струи.
Из исходного полутонового изображения S(x,у) выделяется прямоугольный фрагмент SФ(x,у) размерами МФ×NФ по формуле
SФ(х,у)=S(xФ+x,уФ+у), х=1...МФ, у=1...NФ,
где хФ и уФ - координаты фрагмента на исходном изображении S(x,у).
Бинаризация выделенного фрагмента.
Этап бинаризации основан на аппроксимации функции яркости выделенного фрагмента SФ(x,у) двухуровневой функцией нулевого порядка
где значения а, b и порог d вычисляются из условия
Процедура бинаризации состоит из следующих этапов:
1. Значения отсчетов яркостей точек фрагмента SФ(x,у) упорядочиваются по неубыванию и перенумеровываются:
S1≤S2≤...≤SK,
где K=NФ×МФ - число точек фрагмента SФ(х,у).
2. В качестве начального значения цикла пп.3-6 устанавливается значение k=2. Также вычисляется значение
3. Если sk=sk+1, то k=k+1. И так повторяется до тех пор, пока для текущего k не выполнится условие
Sk>Sk+1.
4. В качестве порога выбирается значение Sk:
d=Sk
5. Вычисляются средние значения яркости a, b и ошибка аппроксимации ek:
6. Если еk<еk-1, то k=k+1 и осуществляется переход к п.2.
7. В качестве значения порога выбирается
d=Sk.
После выбора значения порога бинаризации d проверяется значение разности (b-а). В случае, если разность меньше заранее заданного значения порога dab:
(b-a)<dab,
считается, что выделенный фрагмент SФ(x,у) содержит только фон. При этом бинаризация завершается и принимается решение, что изображение струи содержит разрыв.
После завершения бинаризации фрагмента значения его точек SФ(x,у) присваиваются значению бинарного изображения SБ(х,у) по формуле:
Поиск разрывов на фрагменте.
Для поиска разрывов в каждой k-й (k=1...NФ) строке бинарного фрагмента вычисляется число n(k) точек, принадлежащих струе:
В случае, если существует такое значение kР, такое, что n(kp)=0, считается, что изображение струи содержит разрыв. Обработка изображения в этом случае завершается. На фиг.3 представлен пример исходного полутонового изображения струи, содержащей разрыв (слева), и пример бинарного изображения, полученного из исходного (справа).
Вычисление смещения струи.
В последней строке NФ вычисляется число nЛ точек фона слева, до появления первой точки струи, и число nп точек фона справа, до появления первой точки струи. Значения хф и уф для следующей (t+1) итерации рассчитываются по формулам:
хФ(t+1)=xФ(t)+(nП-nЛ)
уФ(t+1)=уФ(t)+NФ
При этом происходит проверка выхода за границы изображения:
если хФ(t+1)<1, то хФ(t+1)=1
если xФ(t+1)>M-MФ, то xФ(t+1)=M-MФ
Далее происходит бинаризация следующего фрагмента. Процесс продолжается до тех пор, пока координата уФ не превысит размер окна N. На фиг.4 представлен пример исходного полутонового изображения (слева) и выделенных фрагментов струи на бинарном изображении (справа), полученном из исходного.
Использование предлагаемого способа позволяет автоматизировать процесс проведения лабораторного анализа по определению количества гель-частиц в растворе полимера, осуществляемый путем подсчета количества разрывов струи полимера, вытекающей в раствор осадителя.
Способ распознавания разрывов струи раствора на изображении, включающий выделение фрагмента струи и бинаризацию выделенного фрагмента, отличающийся тем, что определяют координаты начала струи на изображении, по координатам начала струи выделяют фрагмент изображения, содержащий струю, осуществляют бинаризацию выделенного фрагмента, осуществляют поиск разрывов струи на выделенном фрагменте, вычисляют координаты смещения конца струи относительно координат начала струи на фрагменте, по координатам смещения струи выделяют следующий фрагмент изображения, содержащий струю, осуществляют процедуру бинаризации и поиска разрывов струи на следующем фрагменте, повторяют процедуру вычисления фрагмента и поиска разрывов струи до тех пор, пока струя не выйдет за пределы изображения, при этом процедуру бинаризации осуществляют следующим образом: значения отсчетов яркостей точек фрагмента упорядочиваются по неубыванию, для каждой точки этой последовательности, начиная со 2-й, значение яркости которой больше предыдущей, выполняется вычисление ошибки аппроксимации функции яркости фрагмента двухуровневой функцией нулевого порядка, где значение одного уровня вычисляют как среднеарифметическое значение, вычисленное по точкам последовательности от первой до текущей, включая текущую, значение другого уровня - среднеарифметическое значение, вычисленное по остальным точкам последовательности, как только значение ошибки аппроксимации перестанет убывать, процедуру выбора порога завершают, если разность значений уровней функции аппроксимации больше наперед заданного порога, то текущее значение точки в последовательности принимают в качестве порога процедуры бинаризации, и всем точкам фрагмента, значения яркости которых больше порога, присваивают значение равное нулю, а остальным - единица, если - нет, то всем точкам фрагмента присваивают значение равное нулю, а поиск разрывов осуществляют следующим образом: для всех строк бинарного фрагмента суммируют значения точек строки, если хотя бы в одной строке фрагмента сумма равна нулю, то есть содержатся только точки, отнесенные к фону, то в данном фрагменте считают, что содержится разрыв.
