Способ формирования и обработки изображений

Изобретение относится к области вычислительной техники для обработки изображений. Технический результат заключается в повышении качества формирования изображения. Технический результат достигается за счет способа формирования и обработки изображений, основанного на представлении изображения в виде поля, выделении детерминированной и случайной составляющих поля, определении априорных сведений об исходном изображении и искажающем воздействии, восстановлении изображения в момент времени t₁ в светочувствительной поверхности, при этом первое изображение формируют без сдвига светочувствительной поверхности, также в момент времени затем осуществляют микроперемещения светочувствительной поверхности под оптической системой по заданному алгоритму в моменты времени t₂-t_n, в каждый последующий отчет времени формируют i-e изображение, суммируют восстановленные i-е изображения в моменты времени t₁-t_n, усредняя их с соответствующими весовыми коэффициентами. 1 ил.

 

Изобретение относится к области обработки изображений и может быть использовано в системах технического зрения (а также может быть использовано в оптико-электронных системах).

Основная решаемая задача - повышение качества изображений.

Известен способ повышения разрешающей способности видеосистем (по патенту РФ №RU 2712821 С2, опубликован 31.01.2020, заявка №2016143282, 11.02.2016). Он заключается в том, что для повышения разрешающей способности видеосистем в m раз, субпиксельный сдвиг светочувствительной поверхности производят под светонепроницаемую поверхность (m² - 1) раз последовательно по вертикали и по горизонтали на величину, равную m-той части соответствующего линейного размера фоточувствительного элемента, а отсчеты увеличенного кадра определяют из всех m² кадров.

Недостатком известного способа является низкие коэффициенты компенсаций искажающих воздействий в процессе формирования изображений.

Наиболее близким к изобретению является способ восстановления изображений, как в частотной области (Г.И. Василенко, A.M. Тараторин, Восстановление изображений. Издательство «Радио и связь», Москва, 1986 г., стр. 94-99), так и в пространственной области (А.В. Коренной. Обнаружение, распознавание и определение параметров образов объектов. Издательство «Радиотехника», Москва, 2012 г., стр. 69-73), согласно которому полезную информацию выделяют, используя критерий минимума среднего квадрата ошибки.

Недостатком указанного способа-прототипа является то, что формируемое на входе изображение полагается неподвижным. Это не позволяет использовать дополнительную информацию об искажающих воздействиях, содержащуюся в их динамических свойствах.

Техническим результатом изобретения является повышение качества изображений, достигаемое тем, что используется способ формирования и обработки изображений в процессе движения светочувствительной поверхности относительно сцены изображения с течением времени Т.

Сущность изобретения состоит в следующем. Изображение в течение времени Т проецируется на светочувствительную поверхность, в качестве светочувствительной поверхности используют поверхность матрицы ПЗС (прибор с зарядовой связью), где его представляют в виде поля, т.е. функции двух пространственных переменных u(х,у). При это процесс преобразования исходного изображения u(х,у) в формируемое (на выходе устройства регистрации) ξ(x',y') характеризуется некоторым оператором V:

Для практических задач, связанных с формированием изображений различной природы [Восстановление изображений / Г.И. Василенко, A.M. Тараторин. - М.: Радио и связь, 1986], оператор преобразования V можно представить линейным функционалом вида:

Здесь ядро интегрального оператора H₀(х',у',х,у) характеризует свойства системы формирования изображений, которая включает в себя среду распространения и светочувствительную поверхность. Так как модель системы формирования не может быть абсолютно точной, то она задается с некоторой погрешностью (неопределенностью) [Оптимальный прием пространственно-временных сигналов в радиоканалах с рассеянием /С.Е. Фальковича, В.И. Пономарев, Ю.В. Шкварко. - М.: Радио и связь, 1989].

где H - детерминированная составляющая; H_n - случайная составляющая, характеризующая неопределенность в задании модели формирования изображений.

Тогда формируемое изображение (2) с учетом (3) может быть представлено в виде:

где

- случайная фоновая составляющая формируемого изображения.

Данное сформированное изображение в момент времени t₁ сохраняют в памяти запоминающего устройства (блок накопления) без сдвига светочувствительной поверхности.

Затем светочувствительная поверхность совершает малые перемещения в плоскости изображения [Роль движения глаз в процессе зрения / А.Л. Ярбус - М.: Наука, 1965]. Под малыми перемещениями будем понимать смещение светочувствительной поверхности в диапазоне, соизмеримом с элементом разрешения исходного изображения. В этом случае все элементы на исходной сцене можно полагать неподвижными, т.е. регулярная составляющая формируемого изображения (первое слагаемое в правой части выражения (4)) не будет зависеть от времени. С другой стороны, если эффективная ширина спектральной плотности случайной фоновой составляющей n в выражении (4) достаточно большая то ее можно считать изменяющейся во времени в процессе перемещения светочувствительной поверхности. Такая ситуация характерна, когда в районе расположения светочувствительной поверхности среда распространения имеет ярко выраженную неоднородность (турбулентность, туман, дымка, хаотические засветки и т.д.) или когда геометрический шум (неравномерность чувствительности) многоэлементного фотоприемника достаточно большой.

Тогда выражение для формируемого изображения на выходе светочувствительной поверхности с учетом его перемещения может быть представлено в виде:

где t - текущее время, Т - интервал времени, в течение которого формируется изображение при перемещении светочувствительной поверхности (интервал наблюдения).

Из выражения (5) видно, что формируемое изображение ξ будет изменяться во времени за счет микродвижений светочувствительной поверхности при том, что исходное изображение u(х,у) остается неподвижным. Для решения задачи формирования и обработки изображения в данной постановке целесообразно воспользоваться аппаратом восстановления изменяющихся во времени случайных полей. В результате можно получить уравнения для оценки исходного изображения и корреляционной функции ошибки которые, в отличие от статического режима [Обнаружение, распознавание и определение параметров образов объектов. Методы и алгоритмы / А.В. Коренного. - М.: Радиотехника, 2012], будут зависеть от времени t.

Пространственные перемещения светочувствительной поверхности превышают интервал пространственной корреляции случайной составляющей формируемого изображения. В этом случае n(t,x',y') можно считать белым и по пространству, и по времени случайным полем с корреляционной функцией

Тогда на основании [5] будем иметь:

Таким образом, выражения (7), (8) определяют алгоритм формирования и восстановления неподвижных изображений при движении светочувствительной поверхности.

Способ может быть реализован, например, с помощью устройства, структурная схема которого приведена на фигуре, где обозначено: 1 - оптическая система; 2 - светочувствительная поверхность; 3 - блок накопления; 4 - блок смещения; 5 - блок управления; 6 - блок хранения априорных данных; 7 - устройство отображение высокого разрешения.

Оптическая система представляет собой набор линз или объектив, светочувствительная поверхность - ПЗС матрица фотоприемника, предназначенная для считывания интересуемого изображения. Блок смещения представляет собой механическую систему, состоящую, например, из двух гребенчатых или зубчатых микродвигателей, предназначенных для перемещения светочувствительной поверхности по сцене изображения (на величины порядка соизмеримым с элементами разрешения исходного изображения). Блок управления задает размер (величину) светочувствительной поверхности и алгоритм его движения по сцене изображения. Блок хранения априорных данных содержит априорные сведения об исходном изображении и искажающем воздействии. Блок накопления предназначен для совмещения (суммирования) формируемых i-х изображений с течением времени Т. Устройство отображение высокого разрешения может быть выполнено на микроконтроллерах и предназначено для формирования изображения высокого качества.

Устройство работает следующим образом: изображение через оптическую систему поступает на светочувствительную поверхность.

Светочувствительная поверхность совершает микроперемещения под воздействием блока смещения по сцене изображения под оптической системой по заданному алгоритму блока управления формируют i-e изображение в каждый моменты времени t₂-t_n. С блока хранения априорных данных в блок накопления поступают априорные сведения об искажающем воздействии. С блока хранения априорных данных в блок накопления поступают априорные сведения об искажающем воздействии. В блоке накопления суммируется (усредняется) каждое восстановленное i-e изображение с предыдущими с соответствующими весовыми коэффициентами в моменты времени t₁,t₂,…,t_n. В устройстве отображение высокого разрешения формируется изображение высокого качества.

Способ формирования и обработки изображений, основанный на представлении изображения в виде поля, выделении детерминированной и случайной составляющих поля, определении априорных сведений об исходном изображении и искажающем воздействии, восстановлении изображения в момент времени t₁ в светочувствительной поверхности, отличающийся тем, что первое изображение формируют без сдвига светочувствительной поверхности, также в момент времени затем осуществляют микроперемещения светочувствительной поверхности под оптической системой по заданному алгоритму в моменты времени t₂-t_n, в каждый последующий отчет времени формируют i-e изображение, суммируют восстановленные i-е изображения в моменты времени t₁-t_n, усредняя их с соответствующими весовыми коэффициентами.