Устройство фильтрации импульсных помех на изображении (его варианты)

Э СОВЕТСНИХЦИАЛИСТИЧЕСКИСПУБЛИН П Н 0 Й КОМИТЕТ СССРТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ ГОС АРСТЭЕННЛАМ ИЗОБРЕ ЗОБРЕТ(54,УСТРОЙСТВО ФИЛЬТРАЦИИ ИМПУЛЬСЙЫХПОМЕХ НА ИЗОБРАЖЕНИИ (ЕГО ВАРИАНТЫ).(57) 1, Устройство фильтрации импульс.ных помех на изображении, содержа"щее блок Фотоэлектронного считывания,последовательно соединенные блок вычитания, амплитудный дискриминатор,переключатель и блок электронно-оптического преобразования и Фоторегйстрации, а также блок синхронизации,.выходы которого подключены к соответствующим входам синхронизации блоковфотоэлектронного считывания и электронно-оптического преобразования ифоторегистрации, первую и вторую линии задержки, входы которых подклвчены к выходу переключателя, первыйблок экстраполяции, входы которого,соединены с соответствующими выходами первой и второй линий задержки,сумматор, один вход которого подключен к выходу блока экстраполяции,.другой вход - к другому выходу амгйцтудного дискриминатора, выход сУмматора соединен с одним входом переключателя, а с другим его входом соединен выход блока фотоэлектронного считывания, о т л и ч а ю щ е е с ятем, что, с целью повяаения качестваизображейия, введены первый блокформирования конечно-разностного сигнала и последовательно соединенныетр я линия задержки, второй блокфо рования конечно-разностного сигнала и второй блок экстраполяции, выход которого подключен к одному входу блока вычитания, входтретьей линии задержки соединен с выходом переключателя, вход первогоблока Формирования конечно-раэностного сигнала подключен к выходу блока Фотоэлектронного считывания, авыход первого блока Формированияконечно-раэностного сигнала соединен с другим входом блока вычитания,2. Устройство Фильтрации имп ных помех на изображении, содер последовательно соединенные блок Фотоэлектронного считывания и блок Р вычитания, последовательно соединенные сумматор и блок электронно-опти- фЯ ческого преобразования и фоторегист ФФ рации, а также блок синхронизации, выходы которого подключены к соответствующим входам синхронизации блока фотоэлектронного считывания и бло- " ка электронно-оптического преобразования и фоторегистрации, первую и вторую линии задержки, входы которых подключены к выходу сумматора, блок экстраполяции, входы которого соединены с соответствующими выходами первой и второй линий задержки,а выход блока экстраполяции подключен к другому входу блока вычитания, о т л ич а ю щ е е с я тем, что, с целью повьыения качества изображения, в него введены последовательно соединен ные аналого-циФровой преобразователь, постоянное запоминающее устройство, а также первый и второй умножители, причем вход аналого-цифрового преобразователя подключен к выходу блока вычитания, выходы постоянного запоминающего устройства соединены соответ ртвенно с одними из входов первого р второго умножителей, другой вход первого умножителя подключен к выходу блока Фотоэлектронного считыва1042205 г. Составитель А, ОсиповичРедактор М. Касарда Техред М,Костик Корректор Ю. Макаренко. о 7148/58 Тираж б 77 НИИПИ Государственного комипо делам изобретений и от 13035, Москва, Ж, Раушск/5 я наб.,"Патент", г, Ужгород, ул. Проектная, 4 ли ПщЕк МЗ СОС 1 8 Подпита СССРрытий Юеиия РЯЯФ1042205 ния, другой вход второго умножителя-к вйходу блока экстраполяции, а выИзобретение относится к техникеобработки изображений, а именно к уст.ройстваи фильтрации видеосигналовдвумерных изображений, наблюдаемыхна фоне импульсных помех. 5.Такого рода помехи характерны дляизображений, полученных после передачи по радиоканалам, использующим нелинейные виды модуляции частотную,кодово-импульсную и т.д,)а также для 10цифровых систем передачи и храненияизображений.Известно устройство, предназначенное для фильтрации видеосигналов, на"блюдаемых на фоне импульсных помех,содержащее пороговый блок, порогсрабатывания которого. несколько больше, чем средняя амплитуда видеосигнала, При появлении импульсной помехипороговое устройство срабатывает иблокирует входной сигнал 1 .гаНедостатком этого устройства является относительно низкая точностьфильтрации при работе на фоне импульсных помех с априорно неизвестнымиили изменяющимися во времени статистическими характеристиками.Наиболее близким По технической сущности к предлагаемому является устройство фильтрации импульсных помех на иэображении, содержащее блок ЗОфотоэлектронного считывания, последовательно соединенные блок вычитания, амплитудный дискриминатор, переклвча" тель и блок электронно-оптического преобразователя и фоторегистрации, 35 а также блок синхронизации, выходы которого подключены к соответствующим входам синхронизации блоков фотоэлектронного считывания и электронно- оптического преобразования и фоторе р гистрации, первую и вторую линии задержки, входы которых подключены к выходу переключателя, первый блок экстраполяции, входы которого соединены с соответствующими выходами первой и второй линий задержки, сумматор, один вход которого подключен к выходу блока экстраполяции, другой входк другому выходу амплитудного дискри-. минатора, а выход - к управляющему входу переключателя 2 .Однако у этого устройства недостаточно высокое качество фильтрации импульсных помех на изображении, вызванное относительно высоким уровНем ошибок фильтрации импульсных помех при большой их интенсивности. ходы умножителей соединены с соотнетствующими входами сРиюатора. 3Работа такОго устройства осуществляется в два этапа: обнаружение выбросов импульсной помехи, замена участка иэображения, пораженного импульсной помехой, экстраполированным изображением. Процедура обнаружения выброса импульсной поме хи сводится к образованию величины разности между текущим и экстраполированным значениями сигнала и сравнению абсолютной величины этой разности с некоторым пороговым значением, определяемым исходя из условия оптимальности процедуры обнаружения. Однако в том случае, когда статичес" кие характеристики импульсных помех и изображения различаются не слишком сильно такая процедура обнаружения характеризуется значительными ошибками ложного обнаружения и необнаружения помехи, что, в свою очередь, ведет к заметному увеличению ошибок фильтрации. Таким образом, процедура обнаружения выбросов импульсной помехи, основанная на анализе величины разности между текущим и экстраполированным значениями сигнала изображения в указанном случае оказывается малоэфФективной,Цель изобретения - повышение качества иэображения.Поставленная цель достигается тем, что в устройство фильтрации импульсных помех на изображении, содержащее блок фотоэлектронного считывания, последовательно соединенные блок вычитания, амплитудный дискриминатор, переключатель и блок электронно-оптического преобразования и фоторегистрации, а также блок синхронизации, выходы которого подключены к соответствующим входам синхронизации блоков фотоэлектронного считывания и электронно-оптического преобразования .и фоторегистрации, первую и вторую линии задержки, входы которых подключены к выходу переключателя, первый блок экстраполяции, входы которого соединены с соответствующими выходами первой и второй линий задержки, сумматор, один вход которого подключен, к выходу блока экстраполяции, другой вход - к другому выходу амплитудного дискриминатора, выход сумматора соединен е одним входом переключателя, а с другим его входом соединен выход блока фотоэлектронного считывания, введены первый блок формирования конечно-разностного сигнала и последо тью линию 11 задержки, второй блоквательно соединенные третья линия 12 формирования конечно-разностногозадержки, второй блок Формированиясигнала, второй блок 13 экстраполяконечно-разностного сигнала и второй ции и блок 14 синхронизации.блок экстраполяции, выход которого Вариант устройства фильтрацииподключен к одному входу блока вычи импульсных помех на изображениитания, вход третьей линии задержки. фиг.2) содержит блок 15 Фотоэлектсоедийен с выходом переключателя, ронного считывания БФС) блок 16вход первого блока формирования ко" . вычитания, аналого"цифровой преобранечно-разностного сигнала подключензователь ТЦП) 17, постоянное запок выходу блока Фотоэлектронного счи минающее устройство ПЗУ) 18, первыйтывания, а выход первого блока форМи- и втоРой умножители 19 и 20 суммарования конечно-разностного сигнала тор 21, первую и вторую линии задержсоединен с другим входом блока вычи- ки ЛЗ) 22 и 23, блок 24 экстраполятания. ции, блок 25 синхронизации и блокВ варианте устройства фильтрации. 15 2 б электронно-оптического преобразоимпульсных помех на изображении, ;.: вания и фоторегистрации (БЭПФ).содержащем последовательно соединен Устройство Фильтрации импульсныхные блок Фотоэлектронного считывания .помех на изображении и его варианти блок вычитания, последовательно работают следующим образом.соединенные сумматор и блок элект- " 20 Видеосйгнал изображения, эпюры коронно-оптического преобразования и : торого приведены на Фиг.3 образуетсяфоторегистрации, а также блок синхро- на выходе блока 1 Фотоэлектронногонизации, выходы которого подключены : считывания, осуществлякцего построчк соответствующим .входам синхрониза-ное "считывание" яркостей обрабатываеции блока Фотоэлектронного считыва мого изображения. В некоторые случайния и блока электронно-оптическогоные моменты времени в сигнале наблюпреобразования и фоторегистрации, . даются выбросы, соответствующие .импервую и вторую линии задержки, входЫ: пульсным помехам на изображении. Длякоторых подключены к выходу сумматора формирования значения сигнала л ой1блок экстраполяции, входы которого., З строки в момент времени 1 о сначала. ссоединены с соответствующими выходами помощью линий 8 и 9 задержки и экстрапервой и второй линий, задержки, а вы полятора 10 формируется экстраполироход блока экстраполяции подключен . ванное значение сигнала в указаннуюк другому входублока вычитания, точку. Процедура экстрапопяЦии Изобравведены. последовательно соединеннйежена на Фиг.4, Линия 8 задержки осу-; аналого-цифровой преобразователь, ,: З 5 ществляет задержку сигнала на велйпостоянное запоминающее устройство, чину Тс, т.е на длительность одной а также первь 1 й и второй умножители : строки иэображения, Линия 9 задержки . причем вход аналого-цифрового преобра- задерживает сигнал на величину с зователя подключен к выходу блока - где задержкавыбирается таким обвычитания, выходы постоянного запо- .40 разом, чтобы ее величина неийого преминающего устройства соединены соот-; , восходила длительность выбросов имветственно с одними из входов пер- .". пульсной помехи. Таким образом, в мо- вого и второго умножителей, другой мент времени о с выходов линий 8 я 9 вход первого умножителя подключензадержки .на вход блока 10 экстюапок выходу .блока фотоэлектронного счи 45 ляции поступают видеосигналы изобратывания, другой вход второго умножи- жения, соответствующие моментам вретеля - к выходу блока экстраполяции,: мени 1 и 1 . Блок 10 экстраполяа выходы умножителей соединены с со-, ции осуществляет взвешенное суммироответствующими входами сумматора. : ванне напряжений этих сигналов, ФорНа фиг.1 представлена структурная. 50 мируя экатрапалированное значение электрическая схема устройства; на .: сигнала в момент времени 1 . Одноврефиг.2 - структурйая электрическая ;. меино спомощью ливни 11 задержки, .схема его варианта, на фиг,3-9 диа- второго блока 12 ФоРайроваийя конеч: граюаа, поясняющие принцип нх рабо-ио-разностного сигнала и второго блока ты,: 13 экстраполяции формируется экстраУстройство Фильтрации импульсно .: полированное на момент времени 1 О помех на изображении (фиг,1):содержят. значение конечной разности сигнала блок 1 фотоэлектронного считывания , , М-го порядкабзс Ф), получаемое ВФС, первый блок 2 формирования .: . по данньи наблюцения конечной разконечно+разностного сигнала, блок: ности сигнала в Моменты времени, пред-3 вычитания, амплитудный дискримица-, 60 шествующие моменту времени 1 ; сигтор 4, переключатель 5, блок 6 элект-. нал с выхода. блока 1 фотоэлектронноройно-оптического преобразования и го счытывания одновременно подается фоторегистрации БЭПФ), сумматор 7, , йа вход переключателя 5 и на вход первую и вторую линии 8 и 9 задерж- . - первого блока 2 формирования конечноки,первый блок 10 экстраполяции, тре разностного сигнала, на выходе кото,1042205 а помеху А 1 1 -. 1 о) - в помеху той жефорьи, но. большей амплитуды а имен 10 но н 0д" Д Н.-с,:сд -1,),где Ц = еМег ("/я) .При этом существенно, что величи на О, в ряде случаев оказывается мецьше величины й , а амплитуда А =Сф А1больше значенйя А. Последнее обстоя-тельство иллюстрирует фиг.6, гдепредставлены плотности.распределениявероятностей значений выходного эффекта конечно-разностного операторапри действии им на сигнал У хай)и помеху А 11 о) - Рнк Р)Таким образом, конечно-разностныйоператор как бы "сжимает" распределение полезного сигнала и одновременно"отодвигает" от него распределениеимпульсной помехи. Соответственно для.вероятности ошибки неправильного обнаружения помехи в данном случае имеемООр,ках,дСфф 1 дпри этом очевидно, что35 Рож уоы,Плотность вероятности распределения значений сигнала Ри импульсной помехи РХ) представлена на Фиг.5.При обнаружении импульсной помехи с постоянной амплитудой А на Фоне нормального сигнала, величина порога С, по превышению которого принимается решение о наличии либо отсутствии выброса, устанавливается чуть 45 меньше амплитуды А где Ь - некоторая малая по сравнению с А величина. 50Таким образом, для вероятности ошибки неправильного обнаружения выброса импульсной помехи можно запи- сать ров,=1 РФ 4. А-ь В предлагаемом устройстве реше ние об обнаружении, либо необиару аении помехи принимается путем ана,лиза не величины ЬЧ,а ее конечнораэностного представления днМЦ д" Х(Од" А 18-) 6% рого формируется текущее значение конечной разности сигнала М -го порядка, соответствующее моменту врео йо 1.Конечная разность сигнала ЬК) со- ответствующая моменту времени ; определяется формулойбЯ=д"б(,Д=Е (-1" с"4.,-1 т ), где С" - комбинаторный коэффициент ф Те - дискрет формирования конечной разности,Пусть сигнал Х(Ц является нормальным т,е. его значения распределены по нормальному закону) с дисперсией б и. функцией корреляции р 1) Пусть далее импульсная помеха для определенности описывается выбросомА(,-, , где А - некоторая постоянная амплитуда выброса,пэи 1 О- ЖО,при 1 Ц- ,-единичный импульс длительности Т много меньшей радиуса корреляции видеосигнала М (М,Таким образом, предполагается, что сигнал, поступающий на вход первого блока 2 формирования конечно-разносчного сигнала представ,ляется в видеЬ,):Щ А -1,),Оператор а к преобразует сигнал ЦЦ с нормальным распределением в нормально распределенный сигнал с дисперсиСигнал с выхода первого блока 2 формирования конечно-разностного сигнала подается на один из входов блока 3 вычитания, а на другой его вход пода ется экстраполированное значение конечной разности 5 нэкс И, снимаемое с выхода второго блока 1 Э экстраполяции. На выходе блока 3 вычитания Формируется сигнал разностидйМфММ юзксМРазностный сигнал ь Ь (10) подается на вход амплитудного дискриминатора 4, который управляет работой переключателя 5. Если значение ЬЬ(о) не превышает по абсолютной величине значение заданного порога 51, выбираемого исходя из априорных лйбо экспериментальных сведений об интенсивности и статистике изображения и импульсной помехи, то переключатель 5 находится в положении 1 и на выход устройства фильтрации импульсных помех на изображении поступает непосредственно входной сигнал, Если значение д Ь Й) превышает по абсолютной величине порог 8переключатель 5 переводится в другое состояние и на выход переключателя 5 поступаетвыполи нияпереключателя 5. Используется инерционный переключатель с временем переключения Т,несколько превышающим среднюю длилтельность сей выбросов импульснойпомехи, на фоне которой производится работа устройстваТп - 1, 2-1, 5. сср)."Объясняется это тем, что в окрестности выброса импульсной помехи конечно-разностный сигнал имеет многоэкстремальный характер. Поэтому использование безинерционного переключателя приводит к тому, что егопереключение будет производитьсянесколько раз в течение действиявыброса импульсной помехи, что приводит к значительному увеличенииошибок Фильтрации. Использованиеже инерционного переключателя позволяет сохранить после превышения.порога первым экстремумом конечноразностиого сигналасостояние переключателя до окончания действия выброса импульсной помехи,Таким образом, в предлагаемом устройстве момент переключения переключателя 5 определяется моментомпервого превышения порога конечноразностным сигналом, а минимальнаядлительность пребывания переключателя в одном состоянии - временеминерционности его переключения. Впростейшем случае переключатель 5может быть реализован по схеме,представленной на Фиг.8 . содержащейбезинерционно переключатель 27и реле 28 времени. управляющий сиг- З 5нал, приходящий с сумматора 7, переводит переключатель из одного состояния во второе и одновременнозапуекает реле 28 времени, котороесрабатывает через интервал времени 40и выдает на вход переключателя 5сигнал, переводящий его из второгосостояния в первое.Обработанный таким образом, сигналподвергается электронно-оптическомупреобразованию и Фоторегистрациив блоке 6 электронно-оптическогопреобразования и Фоторегистрации, врезультате чего Формируется отфильтрованное от импульсной помехи ис"ходное Фотографическое изображение,Блок 14 синхронизации осуществляетсинхронизацию разверток блоков 1 и6 Фотоэлектронного считывания иэлектронно-оптического преобразованияи фоторегистрации.55 Блоки 2 и 12 Формирования конечно-разностного сигнала могут быть реализованы на основе группы й последовательно соединенных линий . 60 задержки в Й групп блоков вычитания, причем в,первой группе содержится И блоков вычитания, а в каждой последующей - на один блок вычитания меньше, чем в предыдущей. 65 Среднеквадратнческая ошибка фильтрации импульсных помех в предлагаемом устройстве и прототипе может быть вычислена по следующей формулебг =Р Р,6Р Д ф эксгде Рд - вероятность появления выброса импульсной помехи вобрабатываемом видеосигнале,откуда с учетом соотношенияЦ следует, что среднеквад-.ратическая ошибка фильтрациив предлагаемом объекте бменьше среднеквадратическойошибки фильтрации в прототи-пе брз р,что по существу доказывает достижениеположительного эФфекта в предлагаемомустройствеПриведенное доказательство относится к случаю фильтрации импульсных помех.известной Формы с постоянной амплитудой при нормально распределенномсигнале, может быть обобщено и на случай сигналов и помех с другими статистическими характеристиками.Работа варианта устройства Фильтрации импульсных помех на йзображенииотличается от работы укаэанного устройства тем, что разностный сигнал3(1,с выхода блока 16 вычитания подается на вход АЦП 17, осуществляющегоего преобразование в цифровой код.Выходной цифровой сигнал АЦП 17 является по существу адресом, по которомуиз соответствующих ячеек ПЗУ 18 навходы первого 19 и второго 20 умножителей выдаются весовые коэффициенты,на которые производится умножение соответственно текущего и экстраполированнОго значений сигналов. Взвешенныезначения указанных сигналов суммируются затем в сумматоре 21 и подаются навход БЭПФ 26, на выходе которого формируется отфильтрованное от импульсной помехи изображение. Блок 25 синхронизации осуществляет синхронизациюразверток БФС 15 и ЬЭПФ 26,Принцип Формирования значений взвешивающих множителей, хранящихся в ПЗУ18, на котове производится умножениесигналов в первом 19 и втором 20 умножителях следующий,Оценка значения видеосигнала изображения в предлагаемом устройстве, какследует иэ приведенного, осуществляется с использованием соотношенияло) =,1 й.о)фг(йэксбо)У/.гдето ) - значение Формируемой оценкивидеосигнала в момент времениск,О;Конкретная величина выигрьваа от применения предлагаемого устройства фиг.Ц по сравнению с прототипом определяется конкретными характеристиками сигнала изображения и импульсных помех, на Фоне которых 5 он наблюдается. В частности, как показывают проведенные испытания н исследования опытного образца предлагаемого устройства, его использование для Фильтрации видеосигналов 30 изображений, формируемых фотоэлектронными преобразователями при иэображениях типа естественных ландшафтов позволяет в среднем на 15-20 по сравнению с прототипом уменьшить сред иеквадратическую ошибку Фильтрации импульсных помех.Технико-экономическая зффективность от применения варианта устройства фиг.2) по сравнению с прототипом в каждом конкретном случаеопределяется конкретныки статистическими характеристиками обрабатываемых изображений и импульсных помех,на Фоне которых производится обра"ботка. Для наиболее характерного случая обработки резких Фотографических изображений, наблюдаемых йа Фонеимпульсных помех, обусловленныхпогрешностями функционирования фотоэлектронных преобразователей, какпоказывают проведенные испытания иисследования опытного образца предлагаемого устройства, удается в среднем.на 5-10 по сравнению с прототипомуменьшить среднеквадратическую ожибку фильтрации импульсных помех, а,. .также за счет лучшей передачи контрастных перепадов в обрабатываемомизображении повысить качество егосубъективного восприятия.