Способ преобразования оптического изображения и устройство для его осуществления

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХРЕСПУБЛИН 290281 5 и 4 б 06 С 9/00; б 06 К 9 ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ А ВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ ОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ(56) Абду И. Э. и др. Количественный расчет детекторов контуров, основанный на подчеркивании перепадов яркости с последующим пороговым ограничением. - ТИИЭР, 1979, т. 67,5, с. 59 - 70.Авторское свидетельство СССР744790, кл. 6 06 К 9/12, 1976.(54) СПОСОБ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ОПТИЧЕСКОГО ИЗОБРАЖЕНИЯ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ (57) Способ преобразования оптического изображения и устройство для его реализации позволяют расширить функциональные возможности, обеспечивая, в частности, при распознавании изображений выделение объектов на фоне шумов и мешающих деталей, компенсацию разнообразных искажении, подчеркивание контуров. По поверхности каждого из элементов мозаики фотоприемных элементов, выполненных на основе симметрично р - а - р (или п - р - п) -полупроводниковой структуры, формируют амплитудное распределение управляющего потенциала в соответствии с распределением амплитуды кодирующей функции в пределах каждого участка определения с одним знаком, выделяют из преобразуемого изображения фрагмент с числом элементов разрешения, по крайней мере на порядок превышающим число элементов мозаики, проецируют этот фрагмент на мозаику, суммируют значения токов от всех элементов мозаики для каждой заданной кодирующей функции, запоминают полученные значения сумм, ком.бинируют значения сумм для различных Ж кодирующих функций, сравнивают результат с заданным пороговым значением, после ф Ф чего смещают выделяемый фрагмент относительно преобразуемого изображения на один элемент разрешения и повторяют все перечисленные выше операции. 2 с.п.ф-лы, 8 ил.Фаей1290281Изобретение относится к автоматике ипредназначено для преобразования оптического изображения перед его последующейобработкой на ЭВМ.Цель изобретения - расширение функциональных возможностей.На фиг. 1 изображена принципиальнаяблок-схема устройства; на фиг. 2 - вольтамперная характеристика элемента фотоприемной мозаики; на фиг. 3 - карта знаков управляющих поэлементных потенциалов 1 Одля кодирующих функций оператора Собела;на фиг. 4 - карта распределения амплитуды управляющего потенциала для одногоэлемента мозаики для кодируюших функций оператора Собела; на фиг, 5 - мозаикаэлементов для синтеза кодирующих функций оператора подчеркивания вертикальныхи горизонтальных линий; на фиг. 6 - мозаика элементов для синтеза кодирующих функций оператора реставрации изображения,подвергнутого расфокусировке; на фиг. 7 - 2 Омозаика элементов для синтеза кодируюшихфункций для оператора подчеркивания линий произвольных направлений; на фиг. 8 -мозаика элементов для синтеза кодирующихфункций для оператора подчеркивания линий у= хз.25Устройство содержит (фиг. 1) мозаикуфотоприемных элементов 1, многоканальныйблок 2 для формирования амплитудногораспределения управляющего потенциала,предусилители 3 многоканальный генератор 4 для формирования поэлементногоуправляющего потенциала, блок 5 обработкисигнала. Фотоприемный элемент 6 на лицевой стороне имеет области 7, разделяющиеэлементы друг от друга. Р - и - р-структураэлемента содержит слои: лицевой 8, базовый 9 и тыльный 10 и контакты к лицевому слою 11 и 12. С тыльным слоем элементов контактирует общий электрод 13.Устройство, реализующее предлагаемыйспособ, работает следующим образом,Пусть поставлена задача подчеркнуть 40в изображении перепады в распределенииосвещенности. Выберем для решения этойзадачи оператор Собела из 2 Х 2 элементов. Предлагаемая для этого случая картараспределения амплитуды управляющегопотенциала для одного из 4 элементов мозаики, соответствующая кодирующей функциианалогового оператора Собела, представленана фиг. 4. Карта знаков комбинаций этихэлементов представлена на фиг. 3. Из фиг. 3и 4 следует, что область определения кодирующей функции - круг. Два взаимно перпендикулярных диаметра - линии нулевыхзначений амплитуды. Максимальные значения функции в каждом секторе - точкаблизлежащая к центру круга, минимальныезначения функции - отрезки внешней окружности в каждом секторе. Соответственно число элементов мозаики в данном конкретном случае выбирается равным 4. Форма каждого элемента выбирается в виде сектора, заключенного между двумя взаимноперпендикулярными диаметрами, соответствующими двум линиям нулевых значений кбдирующих функций, Электрические контакты к лицевому слою элементов выбираются в виде=,очки, близлежащей к центру круга, и в виде линии внешней окружности. Геометрические размеры точки и линии определяются технологическими возможностями обеспечения подпайки внешнего электрического контакта к этим металлизированным площадка и. Формирование электрическихконтактов обеспечивает формирование эквипотенциалей в виде концентрических окружностей. В данном простейшем случае не требуется знания соотношения линейных размеров элемента и электрических контактов. В других же случаях, например, синтеза кодируюших функций, представленных на фиг. 7 и 8, такие значения необходимы. Размеры элемента и электрических контактов в общем случае выбираются исходя из соотношения подобия к конфигурации кодируюшей функции в соответствии с распределением амплитуды в пределах каждогоучастка определения кодирующей функции. Кодирующая функция может быть изображена в любом масштабе; размеры элементов мозаики следует выбирать минимальными с тем, чтобы снизить темновые шумы токов р - п-переходов, квадратично зависящие от их площади.Первой операцией по предлагаемомуспособу является одновременное формирование на каждом из 4 элементов мозаики управляющего поэлементного потенциала (знака потенциала) и амплитудного распределения управляющего потенциала. На общий электрод 13, т.е. тыльный р-слой 10, подается нулевое смещение. При формировании первой кодирующей функции (фиг. 3) на верхние сектора подается отрицательный управляющий потенциал относительно обшей шины, а на нижние сектора - положительный, Подачу этих потенциалов обеспечивает генератор 4 (фиг. 1). Корректировка амплитуды подаваемых на элементы управляющих потенциалов, распределение их величин между первым и вторым электрическими контактами каждой пары осуществляется блоком 2 (фиг. 1), Из формы заданной кодируюшей функции (фиг. 4) следует, что максимальное ее значение равно единице (точка участка функции, близлежащая к центру круга), а минимальное - нулю (линия окружности, максимально удаленная от центра). Таким образом, определены значения амплитуды кодируюшей функции на краях участков, соответствующих элементам мозаики, т.е. на участках, ограниченных линиями нулевых локальных экстремальных значений. Однако не во всех случаях, как в рассматриваемом примере, экстремальными значениями окажутся 1 и О.3Так, для синтезируемого оператора Собела экспериментально для каждого преобразуемого изображения может подбираться локальное минимальное значение кодирующей функции на внешней окружности: 0,1; 0,2; 0,3 и т.д. От выбора этого значения зависит наклон спада кодируюгцей функции и, следовательно, величина отрезка линии перепада освещенности в анализируемой картине, которая будет принята за участок искомого контура в стилизованном изображении на 10 . выходе устройства.Нормированная на максимальное значе- НИЕ аМПЛИтуДа КОДИРУЮЩЕЙ фуНКЦИИ А/Амакс задает значения нормированной квантовой эффективности преобразования свет - электрический сигнал по плошади мозаики. Переход от значений квантовой эффективности к значениям управляющего потенциала осуществляется в соответствии с вольт-амперной характеристикой симметричной р - и - р (и - р - и) -структуры.20При условии равенства фототоков, генерируемых лицевым и тыльным р - и-переходами, нормированный ток через элемент в зависимости от 11(управляющего потенциала) записывается в видеУи, Й 25+" ейск,ь+ 30где 1, - темновой ток через р - и - р-структуРУ1 - фототок через р - и - р-структуру;Фх Та 351)о=9Вольт-амперная характеристика р - и - рструктуры приведена на фиг. 2. В непосредственной близости от 0 характеристика 40 практически линейна. По заданным кодируюшей функцией краевым значениям в соответствии с вольт-амперной характеристикой либо по аналитическому выражению (1) ОПрЕДЕЛЯЮтСЯ ЗНачЕнИЯ 1.)ее макс И 1 1 и мии, КО- торые генерируют на парных выходах бло ка 2 (фиг. 1). Знаки этих потенциалов задаются генератором 4 (фиг. 1).Под воздействием управляющих потенциалов, генерируемых блоком 2 и генератором 4 (фиг. 1), устанавливается распределение знакового управляющего потенциа ла ( - ,- , +, +) по 4 элементам мозаики и амплитудное распределение управляющего потенциала (/к / - О В) между электрическими контактамй на каждом элементе мозаики. 55На фотоприемную мозаику проецируетсяфрагмент преобразуемого изображения. В полупроводниковой структуре происходит поглощение квантов света и рождение электронно-дырочных пар пропорционально числу поглощенных квантов. Однако разделение электронно-дырочных пар р - и-переходами в непосредственной близости от места их рождения происходит в соответствии с величиной и знаком управляющего потенциала, под которым находится данный участок р - и - р (и - р - и) -структуры. Во внешнюю цепь поступают разделенные полем р - и-перехода носители, их чиСло пропорционально квантовой эффективности данного участка р - и-перехода. Кроме того, направление генерированного фототока зависит от того, лицевым или .тыльным р - и-переходам разделена данная электронно-дырочная пара носителей. Допустим направление тока, генерированного тыльным р - и-переходом положительное, а лицевым - отрицательное. В соответствии с синтезируемым оператором Собела на все точечные контакты подается потенциал Ц;-с == у /В, а на контакты в виде участков окружности - 11 мии= О В. Тогда на лицевых слоях элементов, представляющих собой омическое сопротивление, эквипотенциали расположатся по концентрическим окружностям так, как показано на фиг, 4. В более сложных случаях расположения линий равной амплитуды в кодирующих функциях следует специально выбирать форму лицевого слоя и форму пары электрических контактов.Фототоки, генерированные с разной квантовой эффективностью разными участками одного и того же элемента, автоматически суммируются, так как протекают по одному каналу связи. Этот канал связи замыкается через электрические контакты к элементу, общую шину, блок 2, генератор 4 (фиг. 1), поканальные предусилители 3 (фиг. 1) и блок 5 обработки сигнала (фиг. 1).Блок 2 и генератор 4 являются многоканальными программируемыми генераторами двуполярных м ногоградационных импульсов напряжения, которые по заранее заданной программе (программе смены кодирующих функций) генерируют заранее заданные управляющие потенциалы, различные по знаку и амплитуде. Конструктивной особенностью этих программируемых многоканальных генераторов является то, что они кондуктивно включены в цепь токового сигнала. В блоке 5 (фиг. 1) осуществляется сложение разнонаправленных токов от всех элементов мозаики, предварительно усиленных предусилителями 3 (фиг. 1), и запоминание полученного значения суммы токов.Далее происходит формирование второй кодирующей функции, которая в данном конкретном случае формирования оператора Собела отличается от предыдущей только новой картой знаков потенциалов на элементах ( - , +,- , +). На выхо 1290281дах блока 2 (фиг, 1) сохраняется абсолютное значение потенциалов, но их знак под воздействием генератора 4 (фиг. 1) изменяется в соответствии с новой картой знаков потенциалов. Осуществляется новое суммирование и запоминание суммирован- ного значения токов,Математическая обработка значенияс умм производится следующим образом.Вычисляется среднеквадратическое значение 10сумм 61 и бь оно сравнивается с заданнойвеличиной порога распознавания контура Р,Принимается решение по результату этогосравнения и в зависимости от этого центральному элементу фрагмента приписьиается значение + 1 или О,15Далее производится перемещение преобразуемого изображения и мозаики на одинэлемент разрешения изображения. Это перемещение может производиться механически.Снова формируются те же распределенияпотенциалов, что и в предыдущем цикле. Производится математическая обработка результатов двух суммирований. Отметим, чтомогут использоваться операторы, например, сравнения с эталоном, где числокодирующих функций будет более двух. 25Снова принимается решение о наличии контура, При более сложных операторах, например с использованием кодирующихфункций, восстанавливающих смаз или расфокусировку, преобразованное изображениедолжно быть многоградационным с восстановленными высокочастотными деталями.Таким образом, для его записи должны бытьиспользованы аналоговые средства, например телевизионные приемные трубки спамятью,Предлагаемые способ и устройство могутбыть использованы при распознавании изображений для выделения объектов на фонешумов и мешающих деталей, компенсацииразнообразных искажений, подчеркиванияконтуров, выделения связанных областей. 40Стилизация и упрощение изображения сокращают время его дальнейшей обработкис помощью ЭВМ.Формула изобретения451. Способ преобразования оптического изображения с помощью фотоприемной мозаики на основе симметричной р - и - р (или и - р - и)-структуры путем подачи на каждый элемент мозаики управляющего потенциала в соответствии с распределением знаков по участкам области определения кодируюшей функции, выделения из преобразуемого пространственного распределения освешенностей фрагмента с числом элементов разрешения, по крайней мере на порядок превышающим число элементов мозаики, проецирования этого фрагмента на мозаику, суммирования значения токов от всех элементов мозаики для каждой заданной кодируюшей функции, запоминания получен. ных значений сумм, комбинирования значения сумм для различных кодирующих функций и сравнения результата с заданным пороговым значением, смещения фрагмента относительно матрицы на один элемент разрешения и повторения всех операций, отличающийся тем, что, с целью расширения функциональных возможностей, дополнительно формируют амплитудное распределение управляющего потенциала по поверхности каждого элемента мозаики в соответствии с распределением амплитуды кодируюшей функции в пределах каждого участка определения с одним знаком, причем величина управляющего потенциала (/на каждом элементе выбирается из интервала4 к Та 4 к.ТаФ гдек - постоянная Больцмана;Т - температура;а - коэффициент степени неидеальностир - и перехода;д - заряд электрона.2. Устройство для преобразования оптического изображения, содержащее фотоприемнук мозаику на основе р - и - р(или и - р - и) -структуры, каждый элемент которой снабжен двумя электрическими контактами, а тыльный слой - обшей шиной, многоканальный генератор для формирования управлякщего поэлементного потенциала, по- канально кондуктивно связанный с входами поканальных предусилителей, выходы которых соединены с входом блока обработки сигналов, отличающееся тем, что, с целью расширения функциональных возможностей, на поверхности элементов мозаики имеются дополнительные электрические контакты, причем форма границ элементов и конфигурация дополнительных контактов соответствуют пространственному расположению экстремумов и нулевых значений кодирующих функций, при этом для формирования амплитудного распределения управляющего потенциала по поверхности элементов мозаики введено многоканальное устройство, два выхсда каждого канала подключены к двум электрическим контактам элемента мозаики, а вход кондуктивно связан с выходом многоканального генератора для формирования управляющего потенциала.Л. Пат открытии ект Редактор М, ДылынЗаказ 7901/45ВНИИПИ Государственного113035, МосквПроизводственно-полиграфи Фиг. ОСоставитель А. ДареТехред И. ВересТираж 673омитета СССР по делЖ - 35, Раушскаяческое предприятие, г. КорректорПодписном изобретенинаб., д. 4/5ужгород, ул