устройство для обработки черно-белых изображений

Формула изобретения

Устройство для обработки черно-белых изображений, содержащее блок хранения входной реализации (1), вход которого является информационным входом устройства, К каналов, каждый из которых состоит из коммутатора (2.К), блока аппроксимации (3.К) и блока хранения оценки (4.К), арифметическое суммирующее устройство (5), блок хранения (14), выход которого является информационным выходом устройства, при этом выход блока хранения входной реализации подключен к первым входам коммутаторов (2.К), ко вторым входам которых подключен выход блока разбиения на интервалы, который содержит генератор случайных чисел (15), распределенных по равномерному закону, выход которого подключен к входу блока устранения связанных значений (16), выход которого подсоединен ко входу блока ранжирования (17), к выходу которого подключен вход регистра хранения выборки случайных чисел (18), чей выход является информационным выходом блока разбиения на интервалы, к выходам коммутаторов (2.К) подключены входы блоков аппроксимации (3.К), выходы которых подключены к входам блоков хранения оценки (4.К), выходы которых подключены к входам арифметического суммирующего устройства (5), выход которого подключен к входу блока хранения оценки полезной составляющей (6), отличающееся тем, что выход блока хранения оценки полезной составляющей (6) подключен к первому входу блока вычитания (7), ко второму входу блока вычитания подключен выход блока хранения входной реализации (1), к выходу блока вычитания (7) подключен вход блока хранения (8), выход которого подключен ко входу блока нахождения максимального абсолютного значения (9), выход которого подключен к первому входу блока вычитания (10), второй вход блока вычитания подключен к выходу блока хранения входной реализации (1), выход блока вычитания (10) подключен к входу блока хранения (11), выход которого подключен ко входу компаратора (12), ко второму входу которого подключен блок порогового значения (13), выход компаратора подключен ко входу блока хранения (14), выход которого является информационным выходом устройства, синхронность работы устройства обеспечивается генератором тактовых импульсов (19).

Описание изобретения к патенту

Предлагаемое изобретение относится к области вычислительной техники и может быть использовано в системах анализа и обработки изображений.

Упрощенная математическая модель изображения представляет собой двумерную дискретную реализацию Х(t _i,t_j)=X_i,j, , вида:

где S(t_i,t _j)=S_i,j - исходный двумерный сигнал (изображение);

(t_i,t_j)= _i,j - двумерная случайная шумовая составляющая.

Для обработки изображений используют двумерную фильтрацию в частотной области или пространственную обработку с помощью масок, а также представление двумерного сигнала в виде набора одномерных реализации, путем его разложения по строкам и столбцам. В дальнейшем для каждой одномерной реализации (строка, столбец) применяется выбранный способ обработки. Упрощенная математическая модель строки (столбца) изображения представляется в виде:

Относительно случайной шумовой составляющей _i предполагается, что M _i=0, D _i= ², а ее значения в разные моменты времени некоррелированы (т.е. ). На практике большинство изображений представляются в виде 8-битового сигнала, при этом значения изображения не могут выходить за диапазон [0,255].

Основная решаемая задача - обработка черно-белых изображений с резкими перепадами яркости от уровня белого к уровню черного, при использовании способа размножения оценок в условиях недостаточной априорной информации о статистических характеристиках аддитивной шумовой составляющей. Подобная задача может возникнуть: 1) в системах цифровой обработки изображений; 2) обработке результатов работы радиолокационных станций и систем; 3) обработке медицинских данных (рентгеновских снимков); 4) обработке текста и чертежей. Для обработки черно-белых изображений с резкими перепадами яркости используются статистические методы контрастирования с последующим пороговым ограничением [Э.Прэтт. Цифровая обработка изображений. Пер. с англ., - М.: Мир, 1982, 312 с., Фурман, Я.А. Введение в контурный анализ; приложения к обработке изображений и сигналов / Я.А.Фурман, А.В.Кравецкий, А.К.Передреев, А.А.Роженцов, Р.Г.Хафизов, И.Л.Егошина, А.Н.Леухин; Под ред. Я.А.Фурмана. - M.: ФИЗМАТЛИТ, 2003, 592 с.]. При выделении перепадов выбор порогового значения осложняется противоречием, при высоком уровне порогового значения не будут обнаружены элементы с низким контрастом, а низкий уровень порогового значения является причиной того, что экстремальные значения шума будут приняты за перепад. Для ослабления шумовой составляющей используются оптимальные методы оценивания полезной составляющей, которые предполагают наличие априорных данных о статистических свойствах шума и выделяемого изображения. Недостатком данных методов является необходимая априорная информация для выбора оптимальных параметров.

Известно устройство для формирования оценки локального среднего значения структурных сигналов (патент №2209506, МПК 7 G06F 17/18).

Рассматриваемое устройство-аналог предполагает: 1) рассмотрение некоторой локальной окрестности _i для текущего отсчета X _i; 2) определение среднего значения Н_i , элементов текущей окрестности _i; 3) сравнение значения элементов окрестности _i со значением Н_i ; 4) проверка условия: если элементы окрестности _i, значения которых меньше Н _i и значения которых больше Н_i, образуют две замкнутые протяженные области, то определяется, какой области принадлежит текущий отсчет сигнала, и усреднение производится только по значениям элементов этой области. В противном случае усреднение значения текущего отсчета сигнала X _i производится по всем элементам текущей локальной окрестности _i.

Устройство для формирования оценки локального среднего значения структурных сигналов содержит: блок элементов задержки, блок формирования порога сегментации, компараторы, блок классификации, блоки управления, элементы И, многовходовой сумматор, блок деления.

Недостатками известного устройства-аналога являются:

- отсчеты, лежащие близко к перепаду яркости, не сглаживаются;

- способ скользящего среднего вызывает автокорреляцию остатков.

Причины, препятствующие достижению требуемого технического результата, заключаются в следующем:

- если ширина "окна" сглаживания равна 2р+1, то первые р и последние р отсчетов исходного изображения не подвергаются обработке;

- поскольку центральное значение "окна" сглаживания вычисляется как среднее арифметическое соседних, то значения оценки полезной составляющей становятся зависимыми.

Известен способ аппроксимации идеальным перепадом [Цифровая обработка изображений: Прэт Э. / Пер. с англ. под редакцией канд. техн. наук Д.С.Лебедева. - М.: Мир, 1982. - Кн.1 - 312 с., ил.].

Идеальный перепад можно рассматривать как одномерный сигнал, имеющий форму ступеньки. Тогда фрагмент реального изображения можно аппроксимировать идеальным перепадом, меняя его параметры. Если такую аппроксимацию удается сделать достаточно точно в данном месте изображения, то считается, что в этом месте имеется перепад с найденными параметрами. Функция наблюдаемого изображения , аппроксимируется ступенчатой функцией:

Считается, что перепад существует, если среднеквадратическая ошибка аппроксимации:

ниже априорно задаваемого порогового значения.

Недостатками известного способа являются:

- способ необходимо настраивать с помощью набора испытательных картинок для выбора порогового значения;

- способ не справляется достаточно эффективно с шумом;

- принятия шумовых выбросов за перепад при больших значениях шумовой составляющей.

Причины, препятствующие достижению требуемого технического результата, заключаются в следующем:

- способ аппроксимации идеальным перепадом не является «самонастраивающимся» способом, поскольку выбор порогового значения осуществляется субъективно и зависит от опыта и практических навыков исследователя;

- для эффективного подавления шума необходимо применять методы сглаживания с вычислением порогового значения.

Известен способ аппроксимации двумерного перепада Хюккеля, при котором фрагмент изображения, оказавшийся внутри круга, раскладывается по набору двумерных базисных функций в ряд Фурье в полярных координатах [Цифровая обработка изображений: Прэт Э. / Пер. с англ. под редакцией канд. техн. наук Д.С.Лебедева. - М.: Мир, 1982. - Кн.1 - 312 с., ил.].

Упрощенная математическая модель изображения представляет собой двумерную дискретную последовательность, которая представляется в соответствии с выражением (1). Пусть H_k(t_i,t _j)- базисные функции. Тогда коэффициенты разложения для изображения и идеального ступенчатого перепада имеют вид:

Минимизация среднеквадратического отклонения эквивалентна минимизации величины (а_k -b_k)² для всех коэффициентов.

После минимизации проводится сравнение функции X(t _i,t_j), описывающей исходное изображение с ее аппроксимацией . Если результаты сравнения оказываются неудовлетворительными, то считается, что в данной окрестности перепада нет. При достаточно точной аппроксимации значение найденного контраста сравнивается с априорно заданным порогом.

Недостатками известного способа являются:

- сложность выбора порогового значения;

- большая погрешность обнаружения перепадов яркости при обработке сигналов, имеющих шумовую составляющую.

Причины, препятствующие достижению требуемого технического результата, заключаются в следующем:

- неспособность вычислять пороговые значения.

Известен способ порогового обнаружения перепадов яркости [Цифровая обработка изображений: Прэт Э. / Пер. с англ. под редакцией канд. техн. наук Д.С.Лебедева. - М.: Мир, 1982. - Кн.1 - 312 с., ил.].

Исходное изображение X_i,j,, , , подвергается линейному контрастированию, с целью усиления перепадов яркости. Линейное контрастирование заключается в вычислении дискретных разностей, что аналогично непрерывному пространственному дифференцированию. Подчеркивание вертикальных перепадов осуществляется горизонтальным (построчным) дискретным дифференцированием. В результате формируется массив элементов G_i,j =X_i,j-X_i,j+1. Аналогично осуществляется подчеркивание горизонтальных перепадов, в результате получается массив элементов G_i,j=X _i,j-X_i+1,j. Затем выполняется операция сравнения с порогом и определяется положение элементов с ярко выраженными перепадами. Если , то имеет место нисходящий перепад, а при восходящий перепад. Величины , представляют собой нижнее и верхнее пороговые значения.

Недостатками известного способа являются:

- отсутствие рекомендаций выбора нижнего и верхнего порогового значения;

- большая погрешность обнаружения перепадов яркости при обработке сигналов, имеющих шумовую составляющую.

Причины, препятствующие достижению требуемого технического результата, заключаются в следующем:

- неспособность вычислять пороговые значения;

- способ порогового обнаружения перепадов яркости не использует методы сглаживания.

Наиболее близким к изобретению является способ выделения тренда путем размножения оценок его единственной исходной реализации (РАЗОЦ) и устройство для его осуществления (патент №2207622, МПК 7 G06F 17/18).

Рассматриваемое устройство - прототип предполагает: 1) запоминание входной реализации Х ₁, Х₂,.., Х_n ; 2) разбиение входной реализации на подинтервалы случайными числами, имеющими равномерный закон распределения; 3) проверка условия, что подинтервалы включают не менее L значений исходной реализации, если условие не выполняется, то заново генерируются случайные числа разбиения; 4) нахождение на каждом подинтервале входной реализации оценок коэффициентов аппроксимирующего полинома a+bt_i+ct_i ² с помощью метода наименьших квадратов; 5) повторение процедур, описанных в пунктах 2-4 К раз; 6) нахождение сглаживающей функции как среднего арифметического "кусочно-квадратичных" аппроксимирующих функций в каждый момент времени.

Устройство для выделения тренда методом размножения оценок его единственной исходной реализации (РАЗОЦ) содержит блок хранения результатов измерений, коммутаторы, генератор случайных чисел, блок устранения связанных значений, блок ранжирования, регистр хранения выборки случайных чисел, блоки аппроксимации, регистры хранения оценок, арифметическое суммирующее устройство, блок хранения оценки полезной составляющей, генератор тактовых импульсов.

Недостатками известного устройства-прототипа являются:

- невозможность реализации известного способа РАЗОЦ в реальном масштабе времени;

- большая погрешность аппроксимации при обработке сигналов, имеющих точки разрыва.

Причины, препятствующие достижению требуемого технического результата, заключаются в следующем:

- в результате проведения аппроксимации на каждом интервале разбиения, максимальная погрешность оценки полезной составляющей результатов измерений приходится на их границы, где возникают разрывы оценки полезной составляющей;

- сглаживание резких перепадов яркости вследствие аппроксимации по методу наименьших квадратов.

Предлагаемое устройство для обработки черно-белых изображений позволяет уменьшить погрешность оценки выделения перепадов яркости при обработке черно-белых изображений. Упрощенная математическая модель строки черно-белого изображения представляется в соответствии с выражением (2). Предлагается рассматривать разбиения исходной дискретной последовательности на интервалы случайной длины. Разбиения формируется путем разбиения промежутка (1, N) случайными числами _j,1, _j,2, ..., _j,m-1 на m интервалов:

- случайная длина интервала, - текущее размножение, К - число размножений, m - количество интервалов.

Процедура разбиения отрезка (1, N) на m интервалов случайной длины повторяется К раз в соответствии со способом РАЗОЦ [Патент №2207622, МПК 7 G06F 17/18]. В результате получается матрица значений разбиений отрезка (1, N):

На каждом интервале _j,k из матрицы (4) с помощью аппроксимации значений исходной дискретной реализации исследуемого процесса квадратичной функцией методом наименьших квадратов получается набор оценок . Размножение оценок полезной составляющей осуществляется в соответствии со способом РАЗОЦ, результирующая оценка формируется как среднее арифметическое размноженных оценок Определяется разностный процесс (остатки) (фиг.1б), между оценкой полезной составляющей и входного сигнала X_i (фиг.1а), т.е. . Далее определяется максимальное абсолютное значение разностного процесса и вводится компенсация оценки полезного сигнала на эту величину, то есть из оценки входного сигнала вычитается максимальное значение разностного процесса (фиг.1в). Для каждого значения Y_i проверяется условие:

При выполнении данного условия принимается решение, что данная точка имеет уровень белого (255), в противном случае уровень черного (0) (фиг.1д).

Устройство для обработки черно-белых изображений (фиг.2) содержит блок хранения входной реализации 1, вход которого является информационным входом устройства, к выходу которого подключены входы коммутаторов 2.К, к управляющим входам которых подключен выход блока разбиения на интервалы 3, который содержит генератор случайных чисел 15, распределенных по равномерному закону, выход которого подключен к входу блока устранения связанных значений 16, выход которого подключен ко входу блока ранжирования 17, к выходу, которого подключен вход регистра хранения выборки случайных чисел 18, чей выход является информационным выходом блока разбиения на интервалы 3, к выходам коммутаторов 2.К подключены входы блоков аппроксимации 3.К, выходы которых подключены к входам блоков хранения оценки 4.К, выходы которых подключены к входам арифметического суммирующего устройства 5, выход которого подключен к входу блока хранения оценки полезной составляющей 6, выход которого подключен к первому входу блока вычитания 7, ко второму входу которого подключен выход блока хранения входной реализации 1, выход блока вычитания 7 подключен к входу блока хранения 8, выход которого подключен к входу блока нахождения максимального абсолютного значения 9, выход которого подключен к первому входу блока вычитания 10, ко второму входу которого подключен выход блока хранения входной реализации 1, выход блока вычитания 10 подключен к входу блока хранения 11, выход которого подключен к входу компаратора 12, ко второму входу которого подключен блок порогового значения 13, выход компаратора 12 подключен к входу блока хранения 14, чей выход является информационным выходом устройства, синхронность работы устройства обеспечивается генератором тактовых импульсов 19.

Устройство для обработки черно-белых изображений реализуется следующим образом. Исходная дискретная реализация поступает в каждый из К каналов, где разбивается на m интервалов. Разбиение получается делением на интервалы исходной дискретной реализации случайными 12 числами равномерного закона распределения. На каждом из m интервалов для каждого разбиения производится аппроксимация значений исходной дискретной реализации квадратичной функцией методом наименьших квадратов. Таким образом, определяются К оценок исходной дискретной реализации на каждом из m интервалов для каждого разбиения. Процедура разбиения исходной дискретной реализации на m интервалов случайной длины повторяется К раз в соответствии со способом РАЗОЦ [Патент №2207622, МПК 7 G06F 17/18]. Результирующая оценка полезной составляющей определяется как среднее арифметическое по объему размноженных оценок в каждый момент времени. С целью корректного определения начала и конца фронтов импульсов полезной составляющей, определяется разностный процесс, полученный как разность между оценкой полезной составляющей и входной реализацией. В полученном разностном процессе находится максимальное абсолютное значение, которое вычитается из входной реализации. Далее каждое полученное значение сравнивается с нулем, при превышении которого принимается решение, что данный отсчет входной реализации имеет уровень 255 (белого), в противном случае уровень 0 (черного). Полученные значения поступают на выход устройства.

Устройство для обработки черно-белых изображений работает следующим образом. В блок хранения входной реализации 1 записывается исходная дискретная реализация. Блок разбиения на интервалы 3 формирует ранжированные последовательности случайных чисел, распределенных по равномерному закону с устраненными "связками", которые поступают последовательно на управляющие входы коммутаторов 2.К. На полученных интервалах в блоках аппроксимации 3.К производится аппроксимация исходной дискретной реализации квадратичной функцией по методу наименьших квадратов. Результаты аппроксимации записываются в блоки хранения оценки 4.К. В каждом из К каналов значения оценок с выходов блоков 4.К поступают на входы арифметического суммирующего устройства 5, где результирующая оценка полезной составляющей определятся как среднеарифметическое среди оценок, полученных в каждом из К каналов устройства в фиксированные моменты времени. Таким образом, полученная оценка полезной составляющей поступает на вход блока хранения оценки полезной составляющей 6, с выхода которого данные поступают на первый вход блока вычитания 7, в котором находится разность между значениями из блока хранения входной реализации 1 и значениями из бока хранения оценки полезной составляющей 6. Полученный разностный процесс записывается в блок хранения 8, данные с которого поступают в блок нахождения максимального абсолютного значения 9, где определяется максимальное абсолютное значение в полученном разностном процессе, которое поступает на первый вход блока вычитания 10, где оно вычитается из каждого значения входной реализации, поступающей на второй вход блока вычитания 10 из блока хранения входной реализации 1, полученные значения записываются в блок хранения 11, с выхода которого поступают на вход компаратора 12, в котором каждое значение сравнивается с пороговым значением, равным нулю, при превышении которого принимается решение, что данный отсчет входной реализации имеет уровень 255, в противном случае уровень 0. Полученные в компараторе 12 данные записываются в блок хранения 14, с выхода которого поступают на выход устройства. Синхронность работы устройства обеспечивается генератором тактовых импульсов 19.

Технический результат - обработка черно-белых изображений с резкими перепадами яркости от уровня белого к уровню черного, при использовании способа размножения оценок в условиях недостаточной априорной информации о статистических характеристиках аддитивной шумовой составляющей.