Устройство для анализа объектов по оптическому изображению

 

О П,,„Е

ИЗОБРВ76 Я

2 94)45

Союз Советских

Социалистических

Республик

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Зависимое от авт. свидетельства М

Заявлено 07,Ч11.1967 (№ 1170334/18-24) с присоединением заявки № 1170335/18-24

Приоритет

Опубликовано 26 1.1971. Бюллетень № 6

Дата опубликования описания 11.Х.1971

МПК G 06f 15/42

G 02f 3/00

Комитет ло делам изобретений и открытий

УДК 681.325.6:535.8 (088.8) лри Совете Министров

СССР

Автор изобретения

В. П, Клевцов

Заявитель

УСТРОЙСТВО ДЛЯ АНАЛИЗА ОБЪЕКТОВ

ПО ОПТИЧЕСКОМУ ИЗОБРАЖЕНИЮ

ll

Изобретение относится к области автоматики, телеметрии и вычислительной техники.

Известно устройство для опознавания изображений, содержащее электронно-оптический преобразователь со световолоконной планшайбой, блоки для перемещения изображения, матрицу светочувствительных элементов (сетчатку) .

Для такого устройства характерна расфокусировка при изменении расстояния (дальности) до анализируемого объекта.

Предложенное устройство отличается тем, что оно содержит модели рецептивных полей, состоящие из коммутаторов входных цепей и решающих блоков, подключенных к устройству управления анализом и самонастройкой на максимум выходных сигналов рецептивных полей при изменении их размеров, положения, топологической организации их входных цепей и расстояния между объективом и плоскостью фотокатода, осуществляемом с помощью информационных обратных связей от регистров управляемых параметров до устройств управления коммутаторами рецептивных полей и привода оптической фокусировки дальномера.

Предложение позволяет устранить явление расфокусировки при изменении расстояния (дальности) до анализируемого объекта и вычислить расстояние (дальность) до объектов для описания и опознавания.

На фиг. 1 показана блок-схема монокуляр5 ного устройства обзора, входящего в состав устройства для анализа объемных объектов; на фиг. 2 — блок-схема устройства анализа как для монокулярного, так и для бинокулярного обзора; на фиг. 3 — топологическая

10 организация рецептивных полей РП-1 и РП-2 (а, б); на фиг. 4 иллюстрируется понятие локальных элементов изображения и принципы их выделения с помощью РП-1 (а) и РП-2 (б); фиг. 5 показывает зависимость выход15 ного сигнала РП-2 при различной степени фокусировки перепада яркостей от положения РП-2; на фиг. б изображена схема коммутации выходных цепей сетчатки, формирующая активный участок заданного разме20 ра; на фиг. 7 показана схема коммутации активного участка в РП-1, обеспечивающая выделение в нем двух зон: центральной и периферической; на фиг. 8 представлена счетно-решающая схема, реализующая функции

25 рецептивного поля РП-1; на фиг. 9 — то же для РП-2; на фиг. 10 показана блок-схема бинокулярного устройства обзора; фиг. 11— иллюстрирует возможный вид анализируемых участков изображений стереопары, а фиг. 12

30 иллюстрирует принципы выделения контура.

294145

Устройство обзора (см. фиг. 1 и 10) содержит объектив 1, проектирующий на фотокатод 2 электронно-оптического преобразователя 8 оптическое изображение объекта. Магнитное поле, создаваемое катушкой 4, фокусирует электронное изображение на слой люминофора 5, нанесенного с внутренней стороны волоконной планшайбы б. Генераторы 7 и 8 ступенчатых адресных токов отклонения по осям Х и У обеспечивают перемещение электронного изображения относительно планшайбы. Группа стекловолокон 9 переводит световой поток на сетчатку 10 с сохранением упорядоченности. Кроме того, устройство содержит преобразователи коданалог 11 и 12 для координат по Х и Y соответственно, а также устройство изменения фокусировки. Последнее содержит, например, реверсивный электродвигатель или электронный усилитель 18 с механической передачей и датчик угла поворота 14, например, линейный вращающийся трансформатор с шестеренчатой передачей.

Устройство анализа (см. фиг. 2) содержит коммутатор 15 выходных цепей сетчатки.

Входные цепи его соединены с сетчаткой, выходные — параллельно с коммутаторами рецептивных полей. Цепи управляющего входа коммутатора 15 подсоединены к выходным цепям дешифратора 16, кода внешнего радиуса, соединенного с регистром 17 радиуса.

Схема коммутатора 15, часть которой (образованная центральным элементом и элементами Э,, 3i, Э,..., расположенными по радиусу — см. фиг. 3, а) изображена на фиг. 6, состоит из группы N вентильных элементов, запирающие входы которых соединяются с цепями управляющего входа а, аъ аз... коммутатора.

Цепи управляющего входа коммутатора 18 рецептивного поля РП-1 подсоединены к выходным цепям дешифратора 16> кода внутреннего радиуса, вход которого соединен с регистром 19 внутреннего радиуса. Выходные цепи коммутатора 18 подсоединены к положительному и отрицательному входам блока

20 рецептивного поля РП-1 (по N цепей).

Часть схемы коммутатора изображена на фиг. 7. Он состоит из совокупности 2М—

1 вентильных элементов, запирающие входы которых соединяются с цепями 6>, 6>, 6> управляющего входа коммутатора и разделительных диодов.

Каждый из коммутаторов 21 рецептивного поля РП-2 подключен к коммутатору 15. Выходные цепи каждого коммутатора по N/2 цепей подключены к входам («+» и « — ») блока 22 рецептивного поля РП-2. Входные цепи коммутатора 28 кода ориентации соединены с регистром 24 ориентации. Направление разделяющего диаметра ф (фо, ф, ф ...) и номер коммутатора совпадают.

Блок 20 рецептивного поля РП-1 (см. фиг. 8) содержит сумматоры 25 и 26, устройства деления 27, вычитания (28, 29) и лога5

65 рифмирования (80, 81). Выходы («+» и « — ») сумматоров соединены с соответствующими группами цепей (О) и (Р . Выходной сигнал

Ug подается на один из входов ву переклIQчателя 32.

Схема блока 22 рецептивного поля РП-2 представлена на фиг. 9. Блок содержит два сумматора 38 и 34, устройства вычитания 35 и 36, сложения (87) и логарифмирования (88 и 89). Выход U. блока 22 подключен к одному. из входов о> переключателя 82.

Регистры 40, 19, 24, 17, 41, 42 управляемых параметров — ячейки памяти для кодов: номера анализируемого параметра М„внутреннего радиуса r„„, ориентации разделяющего диаметра ф внешнего радиуса r,r„, номера сетчатки N„ Koo H XY. Они соединены соответственно со входом переключателя 32, с дешифратором 16> кода внутреннего радиуса, с дешифратором 23 кода ориентации, с дешифратором 16 кода внешнего радиуса, с координатными преобразователями код— аналог 11.

Кроме перечисленных в схеме имеется специальный регистр 48 для управления сервоприводом, соединенный с преобр азователем код — аналог 44. Последний подключен к электромеханическим элементам устройства обзора (см. фиг. 1).

Каждый i-й регистр содержит n;)!оg„ разрядов (р, — число значений представл.;емого -го параметра). Например, если р =128, то и,=7 разрядов. Каждому разряду соответствует триггер. Регистры соединены с ячейками ОЗУ вЂ” оперативного запоминающего устройства цифрового вычислительного устройства (ЦВУ) 45.

Преобразователи код — аналог 44 и аналог — код 46 — стандартные. Входы преобразователя 44 подключены к регистрам угловых геличин, а выходы их — к устройствам сервопривода. Преобразователь аналог код 46 подключается переключателем 82 к любому источнику анализируемого параметра: к одному из рецептивных полей или к датчику угла поворота.

Каждый из дешифраторов 16ь 16>, 23 имеет число входов, равное числу разрядов в соответствующем регистре. Многоканальная линия, соединяющая регистр и дешифратор, по которой передается код значения управляемого параметра, является информационной обратной связью. Выходные цепи каждого дешифратора подсоединяются к своему коммутатору.

Цифровое вычислительное устройство 45 содержит арифметическое устройство и блок па»яти (ОЗУ). На вход ЦВУ поступает код значения анализируемого параметра с преобразователя 46. Выходными являются цепи в ех перечисленных выше регистров.

Переключатель 82 анализируемых параметров имеет пять входных цепей, один выход и три управляющие цепи, соединенные с ре294145

6 5 где ЛХ=-пСо. Н, Л Y= vSirlH, 5

10 ной гистром 40. Он представляет собой комбинационную схему, подключающую одну из входных цепей в1 — вз к преобразователю аналог — код 4б, в зависимости от комбинации на управляющем входе.

Устройство рассчитано на работу при последовательной стратегии. Отработка любой задачи начинается с последовательного выполнения следующих операций: поиск точки, находящейся вблизи границы контраста; выделение граничного элемента (ГЭ); локальный анализ окрестностей ГЭ и опознание локального элемента изображения; выделение контурного элемента (КЭ), локального граничного участка (ЛГУ) и контурной точки (КТ); обработка специальных задач.

Поиск ГЭ производится с помощью РП-1.

Параметры поиска, а именно тип траектории движения РП-1 по изображению и параметры этого движения (направление, шаг, длина строки поиска), а также размер РП-1 задаются априорно на основании опыта или получаются следующим образом. Задание значений этим параметрам производится засылкой соответствующих кодов на регистры

ЦВУ. На регистр 40 засылается «1», и выход блока 20 РП-1 подключается к преобразователю 46. На регистр 17 засылается код величины rr и дешифратор l6r возбуждает соответствующую цепь коммутатора l5, выделяя активный участок сетчатки. На регистр 19 засылается код величины r, и дешифратор

1б возбуждает определенную управляющую цепь коммутатора 18 РП-1, который делит весь активный участок на 2 зоны: (0) и (Р).

На преобразователи координат блока обзора засыла ются начальные значения координат

Х и Y. Если используется бинокулярное устройство обзора, то на регистр 41 и на переключатель сетчаток 47 (см. фиг. 10) посылается, сигнал, запирающий вторую сетчатку.

В режиме поиска РП-1 передвигается по изображению. При этом на регистр 42 координат каждый раз засылаются новые значения (ХУ) и на каждом шаге анализируется выходной сигнал Rr РП-1. Если I Rr < то поиск продолжается, если (Rr) ) Л, начинается выделение ГЭ. При этом запоминается значение Rr, <Р>г — — )(Р>. Значение координат <ХУ>, центра РП-1, давшего (Rr) >Л, считываются с регистра 42 и засылаются в специально отведенную ячейку

<ХУ>,=)(ХУ>":.Они теперь становятся центром движений типа «Звезда». При таком движении центр РП-1 занимает последовательно шесть или двенадцать положений вокруг центра «Звезды» <ХУ> на расстоянии р от него через равные угловые интервалы (ЛН=60 или ЗО ) от О до 2л. Координаты каждой точки отсчета (XY)Ä; вычисляются так: (XY),= , Символ <а> <в) означает, что параметр а засылается в ячейку, отведенную для параметра в.

Зо

Н вЂ” текущее направление (О, О+ЛН, 0+

+2ЬН,...) ..

Для каждой точки отсчета „; снимается значение Rr и сравнивается с зафиксированным ранее R„,; при Rq ) (RM) записываются координаты „.; — — ) ,„и сигнал Rr —— )R,„. Таким образом, в р-окрестности обнаруженной точки находится новая точка, в которой сигнал больше, чем в любой из этой окрестности. При этом происходит перемещение репрезентативной точки (Х, Y; R) по поверхности отклика (см. фиг. 4, а). Теперь центром становится найденная точка =)" и в ц-окрестности снова идет поиск точки с максимальным Rr.

Самонастройка продолжается до тех пор, пока Рм не перестанет увеличиваться. Точка

<Х, У, R) поднимается на локальный максимум (Rr) „,„,. Самонастройка по положению (СН-1) закончилась.

Далее следуют пробные изменения размеров РП-1, а именно сначала r, уменьшается на единицу и производится самонастройка по положению СН-1. Увеличение (Rr) макс жит признаком, что из (О) и {Р} исключаются посторонние участки. Самонастройка по

r, и XY (СН-2) продолжается до тех пор, пока (Rr)м,к, не перестанет расти.

Обе эти процедуры самонастройки, при которых управление параметрами РП-1 ведется по информационной обратной связи от регистров 19, 17, 42, приводят к выделению ГЭ (см. фиг. 4, а). Далее исследуется окрестность выделенного ГЭ, в частности локальный

«рельеф» поверхности отклика вблизи ГЭ.

Производится несколько шагов в каждом направлении Н; (О, 30, 60 ...). Анализ приращений ARr и знака Rr на каждом направлении дает возможность выделить направления

H (h) хребтов т. е. линий с минимальной (Mr) производной ) и направления Н (g) дъ градиентов линий с максимальной производУпорядоченная совокупность (Ж)

Ди градиентов и хребтов , полученная при сканировании вдоль двенадцати лучей «Звезды», вместе со значением (Rz) макс в точке является описанием локальной конфигурации, по которой возможно опознавание элемента изображения, например «пятна», «конца полосы», «элемента полосы», «разветвления полос», «пересечения полос», «элемента края» и т. д. (всего 7 элементов). Для примера список хребтов ГЭ, изображенного на фиг. 4, а будет таким 5(й) =<60, 210 ), а список градиен294145,7 тов для него же будет S ® = (+ 150, — 330 ). Знак при направлении градиента указывает наличие границы контраста в этом направлении. Опознание локальной конфигурации служит решением самостоятельной задачи. При этом в памяти ЦВУ можно записать признак (индекс) опознанного элемента, его параметры г„(ХУ)„Лт и список хребтов и градиентов. Далее может отрабатываться любая другая задача.

Например, опознав элемент края (см. фиг. 4, а), мы можем выделить КЭ, ЛГУ, КТ.

Для этого вычисляется направление, перпендикулярное градиенту со знаком « — », т. е.

5(Л) параллельное границе контраста Ф =

= 2, включается соответствующий

30 коммутатор РП-2. Кроме того, переключатель

82 ставится в положение r, т. е. анализируется выходной сигнал блока РП-2. При поиске

КЭ, ЛГУ, КТ РП-2 двигается мелкими шагами в направлении к границе контраста (см. фпг. 4, б) до тех пор, пока выходной сигнал

РП-2 Рп не достигает максимума. Затем ищутся пробные изменения параметров

r«XУ)„Ф увеличивающие найденную величину Rii, т. е. происходит самонастройка по этим параметрам. В результате выделены два участка, лежащие по разную сторону границы контраста (см. фиг. 4, б внизу). Значение (Ri ) „, в точке локального максимума характеризует локальный контраст на границе.

Далее значение (Rrx) „„„запоминается, переключатель 82 ставится в положение r>, для чего на регистр 40 засылается код «3».

При этом ко входу преобразователя 4б и

ЦВУ подключается напряжение с датчика 14 угла поворота привода фокусировки оптической системы. Значение U> может быть пересчитано в расстояние L между второй главной плоскостью оптической системы и фотокатодом. Изменение расстояния L и фокусировки в ту или другую сторону может быть осуществлено засылкой на регистр 48 положительного или отрицательного числа (K0да), представляющего управляющее воздействие на орган управления. Преобразованный в непрерывную величину (в аналоговую форму) сигнал с преобразователя 44 подается на электродвигатель 18. Весь процесс фокусировки разбивается на шаги (интервалы времени). На кждом шаге измеряется новое значение U>L, производится замер и анализ значений локального контраста и его приращений, для чего переключатель 82 периодически ставится в положение r . Уменьшение локального контраста говорит о расфокусировке, знак управляющего воздействия изменяется на обратный. При увеличении локального контраста движение продолжается в ту же сторону. Наводка на резкость заканчивается, когда локальный контраст максима5

8 лен. Определение расстояния до объекта производится по приводившейся ранее формулее.

Наиболее простым является измерение расстояния до объекта компактной (пятнообразной) формы. В этом случае настройка по «Положению» и «Размеру» РП-1 выделяет весь объект из фона. Выделение КЭ, ЛГУ, КТ не требуется, и фокусировка может идти при периодическом анализе выходных сигналов РП-1, а не РП-2; переключатель 82 при этом ставится в положение r

Устройство обзора для бинокулярного анализа объектов (см. фиг. 10) содержит два аналогичных устройства монокулярного обзора и дополнительно — систему оптической передачи изображений стереопары 48 и переключатель сетчаток 47.

При работе на таком устройстве после выделения двух участков, лежащих по разные стороны границы контрастов, производятся следующие операции.

1, Фиксируются параметры РП-2 в выделенной точке, которая считается первым элементом изображения (точкой вхождения).

2. Описывается граница контура от точки вхождения до точки излома (или точки перегиба), лежащей в верхнем секторе направлений (Π— 180 ) .

Описание контурной линии (КЛ) производится следующим образом. РП-2 смещается от точки вхождения в направлении а, соответствующем разделяющему диаметру Ф на длину р.=r, равную радиусу РП-2 (из То в Т;, cfvi. фиг. 12). В новой точке отсчета производится замер выходного сигнала Rzz- Есл-! уровень сигнала существенно понизился, и

РП-2 сходит с КЛ, то производится подстройка по ХУ и Ф, в противном случае шаг повторяется (см. фиг. 12). Такая следящая операция выделя=т совокупность контурных то ек и соединяющих их отрезков известной длины и направлений. При этом место резкого изменения направления фиксируется как точка излома. Найденная точка считается вторым элементом изображения (T>, фиг. 11).

3. В окрестности найденной точки выделяется граничный элемент, описывается его окрестность и опознается тип этого локального элемента, т. е. реализуется последовательность операций, описанная выше. Это описание служит кодом элемента. Вычисляются связи между точками Т, и Т ЛХ и

Л У, .

Описывается граница контура от точки вхождения в нижнем (180 — 360 ) секторе до точки излома (перегиба) . Найденая точка считается третьим элементом (T>, фиг. 12) .

В окрестности этой точки отыскивается ГЭ и описывается его локальная конфигурация.

Получено описание 3-го элемента. Теперь вычисляются характеристики связей АХ» и ЛУ э между точками Т, и Т . На этом анализ совокупности трех взаимосвязанных элементов закончен, и начинается ориентация оптиче294145

5

20 ской системы на точку вхождения (первый элемент изображения).

Для этого предварительно на регистры управляемых параметров засылаются параметры точки вхождения,а именно <ХУ )=) регистр 42; <Ф ) =) регистр 29;

<ХУ) . Условие прекращения ориентации оговорено ранее.

4. Далее посылается через переключатель

49 (см. фиг. 10) сигнал, запирающий первую и открывающий вторую (нижнюю) сетчатку; производится поиск первого элемента на втором изображении при передвижении РП-2 по ординате Х. Поиск производится по признаку (Rzz) z. Все элементы с (Яд — (Riz) i) <Л проверяются. Принцип проверки и работа схемы,при этом описаны выше.

Ориентация по Х производится аналогично ориентации по У, при этом действует обратная связь регистра 51. Сигналы, снимаемые с датчиков углов поворота, вводятся в машину для анализа и фиксации. Условие окончания ориентации указано ранее: формула для определения расстояния та же.

Предмет изобретения

1. Устройство для анализа объектов по оптическому изображению, содержащее блок обзора, в состав которого входит объектив, электронно-оптический преобразователь со световолоконной планшайбой, подключенной к матрице фоторецепторов (сетчатке), генераторы ступенчатых токов для перемещения электронного изображения относительно планшайбы и счетно-решающий блок (блок анализа), отличающееся тем, что, с целью устранения явления расфокусировки при из25

З0

50 менении дальности до анализируемого объекта и вычисления дальности до объектов, блок анализа содержит коммутатор выходных цепей сетчатки и подключенные к нему через коммутаторы рецептивных полей вычислительные блоки рецептивных полей РП-1 и

РП-2, цифровое вычислительное устройство, подключенное через преобразователь аналог — код к переключателю, входы которого соединены с блоками рецептивных полей, регистры управляемых параметров, связанные с цифровым вычислительным устройством, из которых один — регистр номера анализируемого параметра — подключен к переключателю, а остальные через соответствующие дешифраторы анализируемых параметров соединены с коммутаторами рецептивных полей; к цифровому вычислительному устройству через преобразователи код — аналог подключены сервоприводы.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что вычислительный блок рецептивного поля

РП-1 содержит два сумматора, подключенные к ним устройства деления, устройства логарифмирования и два устройства вычитания, одно из которых подключено к выходам устройств деления, а другое через устрой тва логарифмирования соединено с выходом первого устройства вычитания и с выходом одного из устройств деления, вычислительный блок рецептивного поля РП-2 содержит два сумматора, устройства сложения и логарифмирования, устройства вычитания, одно из которых соединено с выходами сумматоров, а другое через устройство логарифмирования одним входом подключено к первому устройству вычитания, а другим подключено к устройству сложения, соединенному с выходами сумматоров.

3. Устройство по пп. 1 и 2, отличающееся тем, что, с целью получения возможности бинокулярного обзора, оно содержит два аналогичных устройства монокулярного обзора с системой оптической передачи изображений стереопары и переключателем сетчаток, подключенным к регистру координат общего блока анализа, объединенных в единую систему с управлением по осям Х и У с помощью сервоприводов, связанных с цифровым вычислительным устройством.

77 иэофалее ые

Фиг. П

Составитель И. H. Горелова

Редактор Ю. Д. Полякова Техрсд Л. Л. Левина Корректор T. А. Китаева

Заказ 2876 18 Изд. М 737 Тира>к 473 Подписное

ЦНИИПИ Комитета по делам изобретений и открытий при Совете Министров СССР

Москва, зК-35, Раушская наб., д. 4/5

Типография, пр. Сапунова, 2