Способ организации ядра пространственной фильтрации изображений и устройство для его реализации
Владельцы патента RU 2552195:
Закрытое Акционерное Общество "Научно-исследовательский Центр Распознавания Образов" (RU)
Изобретение относится к средствам фильтрации изображений в системах автоматического распознавания. Техническим результатом является повышение качества формирования бинарного образа исходного изображения. В способе формируют бинарный образ фрагментов исходного изображения путем линейной свертки пространственным фильтром, ядро которого содержит центральную и периферийную части. В способе производят линейную свертку отдельно с центральной и линейной частями ядра пространственного фильтра, формируют модули разности, используемые в качестве бинарных образов фрагментов исходного изображения, где центральная часть пространственного фильтра имеет экспоненциальный вид, а периферийная часть имеет отрицательные коэффициенты и формируется с использованием экспоненты исходя из условия равенства нулю суммы центральной и периферийной частей. 2 н.п. ф-лы, 5 ил.
Изобретение относится к области обработки изображений, формируемых, в частности, линейками и матричными фотоприемниками, и может быть использовано для фильтрации изображений в системах автоматического распознавания для нормализации и центрирования гистограмм изображений.
Известен способ фильтрации изображений [RU 2407056 С2, G06T 5/20, G06K 9/40, 02.07.2007], в соответствии с которым осуществляют определение первой полосы пропускания (ПП) на основе данных исходного изображения, производят вычисление матрицы коэффициентов фильтра (КФ) для реализации частотных характеристик, соответствующих ограничению по полосе частот (ПЧ), используя первую ПП, формируют данные первого фильтрованного изображения посредством фильтрации данных исходного изображения, используя матрицу первых КФ, получают значения оценки объективного качества изображения данных первого фильтрованного изображения и вычисление коэффициента распределения (КР), используемого для определения оптимальной ПП, на основе значения оценки объективного качества изображения определяют оптимальную ПП, соответствующую вычисленному КР, посредством обращения к таблице, в которой определяется соответствующее отношение между КР и оптимальной ПП, вычисляют матрицу оптимальных КФ для реализации частотных характеристик, соответствующих ограничению по ПЧ, используя оптимальную ПП, и формируют данные оптимально фильтрованного изображения посредством фильтрации данных исходного изображения, используя матрицу оптимальных КФ.
Недостатком способа является относительно узкая область применения, обусловленная тем, что способ имеет ограниченную возможность использования в системах автоматизированного распознавания, поскольку не позволяет сформировать бинарный образ исходного изображения, являющийся наиболее предпочтительным для распознавания изображения в реальном масштабе времени.
Наиболее близким по технической сущности к предложенному является способ [RU 2494568, С2, H04N 7/32, G06K 9/40, 27.09.2013], который содержит этап определения, на котором определяют в соответствии с числом отводов фильтра, используемого для фильтрации, число пикселов по ширине полосы, расположенной вне макроблока, включающего в себя опорный блок, представляющий собой блок декодированного опорного кадра, и находящейся в контакте с указанным опорным блоком, этап получения, на котором получают из опорного кадра указанный опорный блок и полосу, соответствующую числу пикселей, найденному на этапе определения, если опорный блок, представляющий собой блок опорного кадра, соответствующий блоку, входящему в состав изображения, подвергаемого фильтрации, находится в контакте с границей указанного макроблока, включающего в себя опорный блок, и этап фильтрации, на котором выполняют фильтрацию изображения опорного блока и полосы, полученных на этапе получения, при этом на этапе фильтрации выполняют фильтрацию нижних частот в отношении разностного изображения между множеством изображений, выполняют фильтрацию верхних частот в отношении изображения, получаемого в результате фильтрации нижних частот, выполняемой первыми средствами фильтрации, и добавляют изображение, получаемое в результате фильтрации нижних частот, выполняемой первыми средствами фильтрации, и изображение, получаемое в результате фильтрации верхних частот, выполняемой вторыми средствами фильтрации, к любому из множества изображений для генерации прогнозируемого изображения в единицах макроблоков.
Недостатком способа является относительно узкая область применения, обусловленная тем, что способ имеет ограниченную возможность использования в системах автоматизированного распознавания, поскольку не позволяет сформировать бинарный образ исходного изображения, являющийся наиболее предпочтительным для распознавания изображения в реальном масштабе времени.
Задача, на решение которой направлено предлагаемое изобретение относительно способа, заключается в расширении области применения за счет обеспечения возможности нормализации и центрирования гистограмм исходных изображений, что, в свою очередь, обеспечивает качественное формирование бинарного образа исходного изображения.
Требуемый технический результат заключается в расширении области применения способа путем введения дополнительного арсенала технических средств (операций способа), позволяющих формировать бинарный образ исходного изображения, являющегося наиболее приемлемым для распознавания изображений в реальном масштабе времени.
Поставленная задача решается, а требуемый технический результат достигается тем, что в способе, основанном на последовательном формировании фрагментов исходного изображения в виде дискретных матриц видеосигналов, согласно предложенному способу формируют бинарный образ фрагментов исходного изображения путем их начальной линейной свертки пространственным фильтром, ядро которого содержит центральную и периферийную части, при этом начальную линейную свертку производят отдельно с центральной и линейной частями ядра пространственного фильтра, из результатов которых формируют модули их разности, используемые в качестве бинарных образов фрагментов исходного изображения, причем центральная часть пространственного фильтра имеет экспоненциальный вид, а периферийная часть имеет отрицательные коэффициенты и формируется с использованием экспоненты исходя из условия равенства нулю суммы центральной и периферийной частей.
Известны также устройства для фильтрации изображений.
Одно из подобных устройств [RU 2354071, С2, H04N 5/14, 24.07.2009] содержит последовательно соединенные датчик аналогового видеосигнала, аналого-цифровой преобразователь, блок, в котором при помощи усилителей и сумматоров вычисляется значение яркости отфильтрованного пикселя изображения, блок, определяющий момент начала и окончания обработки кадра, а также блок управления значениями коэффициентов усиления усилителей.
Недостатком устройства является относительно узкие функциональные возможности, обусловленные тем, что устройство имеет ограниченную возможность использования в системах автоматизированного распознавания, поскольку не позволяет сформировать бинарный образ исходного изображения, являющегося наиболее приемлемым для высокоскоростного распознавания изображения.
Наиболее близким по технической сущности к предложенному является устройство обработки изображения [RU 2494568, С2, H04N 7/32, G06K 9/40, 27.09.2013], содержащее средства определения для определения в соответствии с числом отводов фильтра, используемого для процесса фильтрации, числа пикселов по ширине полосы, расположенной вне макроблока, включающего в себя опорный блок, представляющий собой блок декодированного опорного кадра, и находящейся в контакте с указанным опорным блоком, средства получения для получения из опорного кадра указанного опорного блока и полосы, соответствующей числу пикселов, определенному средствами определения, если опорный блок, представляющий собой блок опорного кадра, соответствующий блоку, входящему в состав изображения, подвергаемого фильтрации, находится в контакте с границей указанного макроблока, включающего в себя опорный блок, и средства фильтрации для фильтрации изображения опорного блока и полосы, полученных посредством средств получения, при этом средства фильтрации включают в себя первые средства фильтрации для фильтрации нижних частот в отношении разностного изображения между множеством изображений, вторые средства фильтрации для фильтрации верхних частот в отношении изображения, получаемого в результате фильтрации нижних частот, выполняемой первыми средствами фильтрации, и сумматор для добавления изображения, получаемого в результате фильтрации нижних частот, выполняемой первыми средствами фильтрации, и изображения, получаемого в результате фильтрации верхних частот, выполняемой вторыми средствами фильтрации, к любому из множества изображений для генерации прогнозируемого изображения в единицах макроблоков.
Недостатком устройства является относительно узкие функциональные возможности, обусловленные тем, что устройство имеет ограниченную возможность использования в системах автоматизированного распознавания, поскольку не позволяет сформировать бинарный образ исходного изображения, являющегося наиболее приемлемым для высокоскоростного распознавания изображения.
Задача, на решение которой направлено предлагаемое изобретение относительно способа, заключается в расширении функциональных возможностей устройства, направленное на обеспечение возможности нормализации и центрирования гистограмм исходных изображений, что, в свою очередь, обеспечивает качественное формирование бинарного образа исходного изображения.
Требуемый технический результат заключается в расширении функциональных возможностей путем введения дополнительного арсенала технических средств, позволяющих обеспечения возможности нормализации и центрирования гистограмм исходных изображений, что, в свою очередь, обеспечивает качественное формирование бинарного образа исходного изображения, являющегося наиболее приемлемым для высокоскоростного распознавания изображения.
Поставленная задача решается, а требуемый технический результат достигается тем, что в устройство, содержащее блок опорного кадра в виде дискретной матрицы видеосигналов, а также средства фильтрации, согласно предложенному устройству введены группа усилителей, вход каждого из которых соединен с соответствующим выходом блока опорного кадра, а средства фильтрации содержат центральную и периферийную части, каждая из которых выполнена в виде сумматора со взвешенными входами, и алгебраический сумматор, при этом входы сумматоров со взвешенными входами соединены с выходами усилителей, а выходы соединены с входами алгебраического сумматора, модуль выходного сигнала которого является выходом устройства.
На чертеже представлены:
на фиг.1 - схема устройства для реализации способа организации ядра пространственной фильтрации;
на фиг.2 - ядро пространственного фильтра;
на фиг.3 - центральная часть ядра пространственного фильтра;
на фиг.4 - периферийная часть пространственного фильтра;
на фиг.5 - исходные изображения в различных спектральных диапазонах и представленные под ними их гистограммы и изображения с гистограммами после их фильтрации.
Устройство для реализации способа организации ядра пространственной фильтрации (фиг.1) содержит блок 1 опорного кадра в виде дискретной матрицы видеосигналов (представлен частный случай в виде 9 фоточувствительных элементов (фотодиодов).
Устройство для реализации способа организации ядра пространственной фильтрации содержит также группу 2 усилителей, вход каждого из которых соединен с соответствующим выходом блока 1 опорного кадра, и средства фильтрации, содержащие центральную часть в виде сумматора 3 со взвешенными входами 4 (резисторами при выполнении их в аналоговом виде) и периферийную часть в виде сумматора 5 со взвешенными входами 6 (резисторами при выполнении их в аналоговом виде, а также алгебраический сумматор 7, модуль выходного сигнала которого является выходом устройства, при этом входы сумматоров 3,5 со взвешенными входами соединены с выходами усилителей 2, а выходы соединены с входами алгебраического сумматора 7.
Работает устройство для реализации способа организации ядра пространственной фильтрации следующим образом.
Изображения, формируемые современными матричными фотоприемниками и линейками, ориентированы на хранение и последующую их визуализацию человеку-оператору. Вместе с тем, в последнее время прилагаются значительные усилия по использованию этих изображений в интересах решения задач автоматического обнаружения и классификации объектов заданных классов.
Обычно такие изображения подвергаются предварительной обработке, в частности бинаризации или фрагментации. Для получения удовлетворительного бинарного образа гистограмму исходного изображения необходимо центрировать. Это преобразование сводится к линейной свертке ядра специального вида с исходным изображением.
Как показали исследования, гистограмма таким образом преобразованных изображений стремится к одно- или двухмодовому виду. Более того, оптимальный порог бинаризации с точки зрения значимого отличия соответствующих средних значений можно выбирать из целого интервала. При этом достигается выраженный робастный характер и тем самым обеспечивается приемлемое качество бинаризации в широком диапазоне изменяющихся фонопомеховых условий. Для определенности изображения с центрированной одно- или двухмодовой гистограммой будем считать нормированными.
Изображения, получаемые матричными фотоприемниками или линейками в различных спектральных диапазонах, как правило, не центрированы и не носят одно- или двухмодовый характер, что указывает на неоптимальное время экспонирования изображения на фотоприемнике и/или недостаточный динамический диапазон фотоприемника. Для нормализации таких изображений предлагается ядро пространственной фильтрации специального вида, графическое изображение этого ядра представлено на фиг.2. Такой вид ядра обусловлен требованиями к гладкости и непрерывности интегральных свойств ядра.
Ядро пространственного фильтра состоит из двух составных частей Р-центра и М-периферии, которые включены между собой в дифференциальном режиме. Ядро составлено из двух частей для обеспечения пространственного дифференцирования изображения в локальном базисе, что позволяет убрать постоянную составляющую изображения. Необходимым требованием для таких ядер является равенство нулю суммы Р-центра и М-периферии. Таким образом, достигается принадлежность ядра к классу вейвлет-функций с точки зрения взаимодействия двух его частей Р-центра и М-периферии. Составные части ядра пространственного фильтра приведены на фиг.3 и 4.
Линейная свертка ядра пространственного фильтра Q=[q(i, j)] размером m×n с изображением S=[s(i,j)] размером k×d позволяет породить изображение U=[u(i,j)] размером (k-m)×(d-n).
Линейная свертка имеет вид:
Аппаратная реализация ядра фильтра пространственной фильтрации представлена на фиг.1.
Блок 1 опорного кадра в виде матрицы фоточувствительных элементов (фотодиодов) имеет размер kхd. Сигнал с каждого фоточувствительного элемента усиливается отдельным усилителем 2 (операционные усилители А1-An) с коэффициентом усиления Ку, что необходимо для увеличения уровня сигнала и устойчивой фильтрации в Р-центре и в М-периферии, а также устойчивого функционирования сумматоров в частотной полосе F. Усиленные сигналы суммируются с различными коэффициентами, которые задаются резисторами 4 (R1.1-R1.n). Взвешивающие коэффициенты выбираются на основе значений вейвлет-функции ядра в соответствующих точках для сумматора 3, образуя Р-центр, и резисторами 6 (R2.1-R2.n) для сумматора 5, образуя М-периферию. Разность между Р-центром и М-периферией с последующим подъемом выходного сигнала в положительную область формируемой алгебраическим сумматором 7 и является результирующим полезным сигналом, на основе которого формируется изображение U.
Исходные изображения и результирующие после свертки ядром пространственного фильтра, а также их гистограммы представлены на фиг.5.
Таким образом, заявленный способ организации ядра пространственной фильтрации и его последующая линейная свертка с изображениями в различных спектральных диапазонах позволяют нормировать изображения. Гистограммы нормированных изображений центрируются и стремятся к одно- или двухмодовому виду. Такие нормированные изображения хорошо бинаризуются, при этом порог бинаризации выбирается из целого интервала значений, чем достигается выраженный робастный характер, что обеспечивает приемлемое качество бинаризации в широком диапазоне изменяющихся фонопомеховых условий.
Следовательно, благодаря введению дополнительного арсенала технических средств - операций для способа и элементов и блоков для устройства - достигаются соответствующие технические результаты - расширение области применения способа и расширение функциональных возможностей устройства.
1. Способ организации ядра пространственной фильтрации, основанный на последовательном формировании фрагментов исходного изображения в виде дискретных матриц видеосигналов, отличающийся тем, что формируют бинарный образ фрагментов исходного изображения путем их начальной линейной свертки пространственным фильтром, ядро которого содержит центральную и периферийную части, при этом начальную линейную свертку производят отдельно с центральной и линейной частями ядра пространственного фильтра, из результатов которых формируют модули их разности, используемые в качестве бинарных образов фрагментов исходного изображения, причем центральная часть пространственного фильтра имеет экспоненциальный вид, а периферийная часть имеет отрицательные коэффициенты и формируется с использованием экспоненты исходя из условия равенства нулю суммы центральной и периферийной частей.
2. Устройство для реализации способа по п.1, содержащее блок опорного кадра в виде дискретной матрицы видеосигналов, а также средства фильтрации, отличающееся тем, что введены группа усилителей, вход каждого из которых соединен с соответствующим выходом блока опорного кадра, а средства фильтрации содержат центральную и периферийную части, каждая из которых выполнена в виде сумматора со взвешенными входами, и алгебраический сумматор, при этом входы сумматоров со взвешенными входами соединены с выходами усилителей, а выходы соединены с входами алгебраического сумматора, модуль выходного сигнала которого является выходом устройства.
