Статистический анализатор изображений

Изобретение относится к технической кибернетике, в частности к устРойствам автоматического анализа сложноструктурных иэображений, может быть использовано в многочисленных областях науки и техники, где необходимо выделять в иэображениях фрагменты с различными статистическими свойствами, например при анализе мик рофотографий периодических структур, изображений сельскохозяйственных культур или геологических образований и т.п., и является усовершенствованием изобретения по авт.св, 15 В 1173427.Цель изобретения - повышениедостоверности результатов анализа иэображений.На фиг.1 представлена Функциональная схема статистического анализатора изображений: на фиг,2 - расположение центрального и периферийных фотодатчиков в Фокальной плоскости линзыф на фиг.3 - временные диаг раммы, поясняющие работу анализатора изображений.Анализатор содержит первый источник 1 света, коллиматор 2, рассеиватель 3, полупрозрачное зеркало 4, 30 линзу 5, транспарант 6 (с записью анализируемого изображения), первый диск 7 Нипкова (с отверстиями), зеркало.8, механический вал 9, электро- пРивод 10, центральный фотодатчик 11, 35 расположенный на оптической оси анализатора в фокальной плоскости 12 линзы 5, основной усилитель 13, управляющий яркостью первого источника 1 света по сигналам Фотодатчика 40 11, круговой набор периферийных фото- датчиков 14, радиально расположенных относительно оптической оси устройства в фокальной плоскости 12 линзы 5, аналоговый сумматор 15, первый 45 усилитель 16 сигналов периферийных фотодатчиков 14, второй источник 17 света второй диск 18 Нипкова (с отверстиями), расположенный между вторым источником 1 света и диаФрагмой 19, видеокамеру 20, видеоконтрольный блок 21. Кроме .того, в анализатор введены К круговых групп периферийных фотодатчиков 22, расположенных в фокальной плоскости 12 линзы 5, К компараторов 23, инвертор 24, К 55 элементов ИСКЛВЧАЮЩЕЕ ИЛИ 25, группа К ключей 26, первый 27 и второй 28 цифровые сумматоры, группа К ключей 29, вход 30 логической единицы первого ключа 26, первый 31 и второй 32 цифроаналоговые преобразователи, второй 33 и третий 34 усилители сигналов периферийных фотодатчиков 22, третий 35 и четвертый 36 источники света, первый 37, второй 38 и третий 39 светофильтры.Анализатор работает следующим образом.Световой поток от первого источника 1 света через коллиматор 2 пос" тупает на матовое стекло 3 - рассеиватель, расположенный в Фокальной плоскости линзы 5, создающей с помощью полупрозрачного зеркала 4 параллельный пучок лучей от каждой точки рассеивателя 3. Вследствие этого транспарант 6, на котором записано анализируемое изображение, освещается диффузным светом. Непосредственно за транспарантом 6 в оптическую схему введен вращающийся диск 7 Нипкова с квадратными отверстиями, расположенными по спирали. При движении по полю транспаранта 6 центр каждого отверстия. описывает траекторию, соответствующую одной строке, для которой вычисляется признак.В статическом состоянии световой поток проходит через транспарант 6, отверстие диска 7 и, отражаясь от зеркала 8, снова проходит через отверстие диска 7 и транспарант 6, Так как транспарант 6 освещается диффузным светом, то световые лучи, прошедшие через каждую точку транспаранта 6, идут в различных направлениях. После отражения от зеркала 8 и прохождения через отверстие диска 7 лу- чи, параллельные оптической оси устройства, попадают в те же тачки транспаранта 6, из которых они вышли. Лучи, которые идут под углом к оптической оси, попадают в другие точки транспаранта 6, сдвинутые относительно исходных точек транспаранта 6. Величина сдвига тем больше, чем больше угол, под которым идут лучи. Таким образом, формируется сдвиг участка изображения, выделенного отверстием диска 7. Лучи, прошедшие в обратном направлении транспарант 6, параллельнье оптической оси и соответствующие нулевому сдвигу, Фокусируются линзой 5 в плоскости 12 на оптической оси устройства. Отраженные от зеркала 8 н прошедшие под углом через отверстиез140149диска 7 и транспарант 6 лучи фокусируются линзой 5 в плоскости 12 в различных точках. В результате в плоскости 12 формируется автокорреляцион 5ная функция участка изображения, выделенного отверстием диска 7. Максимум функции автокорреляции, соответствующий нулевому сдвигу, всегда находится в центре на оптической оси,независимо от положения отверстиядиска 7. Удаление точек автокорреляционной функции от оптической осипропорционально сдвигу,В плоскости 12 световой поток, соответствующий автокорреляционной функции, воспринимается центральным Фотодатчиком 11, круговым набором периферийных фотодатчиков 14, К круговыми группами периферийных датчиков 22, 2 Орасположенных концентрически вокругоптической оси устройства. Расположение фотодатчиков 11, 14 и 22 в Фокальной плоскости 12 показано нафиг.2. 25Выход центрального фотодатчика 11через усилитель 13 сигналов центрального Фотодатчика подключен к электрическому входу первого источника 1света. Выход первой группы периферий- З 0ных Фотодатчиков 14 соединен с пер-.вым входом аналогового сумматора 15и с первым входом первого компаратора 23. Выходы -й группы периферий- ,ных фотодатчиков 22 соединены с первым входом ь-го компаратора 23, свторым входом (1-1)-го компаратора23 и с первым входом (д)-го аналогового ключа 29, Выход первого компаратора 23 соединен с входом инвертора 24 и с первым входом первого элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 25. Выход -гокомпаратора 23 соединен с первым входом д-го элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ ис вторым входом (1-1)-го элементаИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 25.Выход инвертора 24 соединен с вторым входом первого цифрового ключа 26и с первым входом первого цифровогосумматора 27. Выход -го элементаИСКЛЮЧАЯ 5 ЕЕ ИЛИ 25 соединен с вторымвходом (+1)-го цифрового ключа 26и с (1+1)-м входом первого цифровогосумматора 27На первый вход 30 первого цифрового ключа 26 подан сигналлогической единицы. Выход -го цифрового ключа 26 соединен с первым входом (.+1)-го цифрового ключа 26, с-м входом второго цифрового суммато 24ра 28 и с вторым входом (+1)-го аналогового ключа 29. Выход 1-го аналогового ключа 29 соединен с (1+1)-ым входом аналогового сумматора 15, выход которого через первый усилитель 16 сигналов периферийных фотодатчиков 14 подключен к входу второго источника 17 света.Выходы первого цифрового сумматора 27 подключены к входам первого цифроаналогового преобразователя 31. Выходы второго цифрового сумматора 28 подключены к входам второго цифроаналогового преобразователя 32. Выход первого цифроаналогового преобразователя 31 через второй усилитель 33 сигналов периферийных фотодатчиков 22 подключен к входу третьего источника 35 света. Выход второго цифроаналогового преобразователя 32 через третий усилитель 34 сигналов периферийных Фотодатчиков подключен к входу четвертого источника 36 света. Оптические выходы второго 17, третьего 35 и четвертого 36 источников света через первый. 37, второй 38 и третий 39 светофильтры соответственно, а также через отверстие во втором диске 18 Нипкова и через диафрагму 19 оптически связаны с оптическим входом видеокамеры 20.В динамическом состоянии диск 7 на механической оси 9 приводится вовращение электроприводом 10. В результате этого отверстия диска 7 перемещаются по полю изображения,записанного на траспаранте 6, вьще-ляя поочередно участки анализируемого изображения, Следовательно, при вращении диска 7 автокоррелАционная функция в Фокальной плоскостименяется. В центре Фокальной плоскости 12 расположен центральный Фотодатчик 11, сигнал от которогоусиливается и преобразуется в усилителе 13 сигналов центрального фотодатчика и управляет интенсивностью излучения источника 1 света так, чтобы освещенность в центре фокальной плоскости 12, на оптической оси, была постоянной. При этом остается неизменным значение автокорреляционной Функции в нуле. Такйм образом обеспечивается нормировка авто- корреляционной функции на энергиюизображения в отверстии. Следовательно, значение автокорреляционнойфункции в нуле является постоянным, 5 14014 не зависящим от оптической плотности выделяемого отверстием участка изображения или от оптической плотности транспарантов 6 при их смене,Освещенность, пропорциональная значению нормированной автокорреляционной функции, воспринимается в фокальной плоскости 12 периферийными фотодатчиками 14 и 22 (фиг.За), Сигналы с каждой группы периферийных фотодатчиков суммируются, что позволяет усреднить возможные флуктуации и асимметрию автокорреляционной функции в различных направле Б ниях.Сигналы с соседних концентрически расположенных вокруг оптической оси групп фотодатчиков сравниваются компараторами 23. В случае превышения 20 сигнала с -й группы фотодатчиков над сигналом (-1)-й группы, что соответствует спаду автокорреляционной функции, на выходе (1-1)-го компаратора 23 вырабатывается сигнал логи ческой единицы, в противном случае, при возрастании автокорреляционной функции, вырабатывается сигнал логического нуля (фиг.Зб).Сигналы с соседних компараторов З 0 23 сравниваются с помощью элементов ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 25. В том случае, если логические сигналы на выходе х-го и (1-1)-го компараторов не совпадают, что соответствует наличию у автокорреляционной функции экстремума между соответствующими группами периферийных фотодатчиков, на выходе (х)-го элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 25 вырабатывается сигнал логической единицы. Так как значение автокорреляционной функции в нуле, в данном случае на оптической оси, максимально, сравнение сигналов первой группы периферийных фотодатчиков 14 с сигналами центрального фотодатчика 11 не производится.Таким образом, в месте расположения первой группы периферийных фотодатчиков 14 по сравнению с цент- бО ром, оптической осью, автокорреляциоиная функция может иметь только спад. В силу этого превьппение сигнала второй группы периферийных фото- датчиков 22 над сигналом первой груп- б 6 пы периферийных фотодатчиков 14 говорит о наличии экстремума (а точнее минимума) автокорреляционной функции между первой группой периферий 92 6ных фотодатчиков 14 и второй группой периферийных фотодатчиков 22, В случае наличия такого минимума на выходе первого компаратора 23 вырабатывается сигнал логического нуля, а на выходе инвертора 24 - сигнал логической единицы. При отсутствии такого минимума на выходе инвертора 24 присутствует сигнал логического нуля. Таким образом на выходах элементов ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 25 и инвертора 24 вырабатываются К логических сигналов причем количество логических единиц соответствует количеству экстремумов автокорреляционной функции илиже удвоенному числу ее осцилляций (фиг,Зв).Эти логические сигналы суммируются первым цифровым сумматором 27, на выходах которого формируется двоичный код, соответствующий числу экстремумов. С выходов первого цифрового сумматора 27 этот код параллельно поступает на входы первого цифроаналогового преобразователя 31, на выходе которого формируется напряжение, пропорциональное числу экстремумов, а следовательно, и числу осцилляций. Сигналы с выхода инвертора 24, а также с выходов элементов ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 25 поступают на вторые входы цифровых ключей 26. Логика работы цифровых ключей 26 такова, что при напряжении логического нуля на их вторых, управляющих, входах их первый вход соединен с выходом. В противном случае эта цепь разомкнута.Так как на первый вход 30 первого цифрового ключа 26 подан сигнал логической единицы, то при управляющем сигнале на его втором входе,.соответствующем логическому нулю, на его выходе присутствует сигнал логической единицы, который подается на первый вход второго цифрового ключа 26,и т.д.В случае наличия на втором входе -го цифрового ключа 26 сигнала логической единицы, сигнал логической единиць с его первого входа не проходит на выход, а следовательно, на первые входы и, соответственно, выходы всех цифровых ключей 26 с номером, большим х, где 1 - наименьший из номеров элементов ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 25 (или инвертора 24), на выходах которых присутствует сигнал логической единицы.35 При условии, что логика работы второго цифрового сумматора 28 такова, что при отсутствии на его -м входе сигнала логической единицы на нем присутствует сигнал логического нуля, на его входах с первого по (1.-1)-й присутствуют сигналы логической единицы, а на остальных входах - сигналы логического нуля. Так 10 как сигнал логической единицы на выходах инвертора 24 или элементов ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ соответствует наличию экстремума, а ближайший к центру автокорреляционной Функции экстремум 15 может быть только минимумом (так как в нуле значение автокорреляционной Функции максимально), то число логи.ческих единиц на входах второго цифрового сумматора 28 пропорционально 20 расстоянию от центра автокоррляционной Функции до ее первого минимума, т.е. ширине центрального лепестка автокорреляционной функции (фиг.Зг) Эти логические сигналы суммируются вторым цифровым сумматором 28, на выходах которого формируется двоич-. ный код, пропорциональный ширине центрального лепестка автокорреляционной Функции. Этот код параллельно 30 поступает на входы второго цифроана- логового преобразователя 32, на выходе которого Формируется напряжение, пропорциональное ширине центрального лепестка.Сигнал с выхода -го цифрового ключа 26 поступает на второй вход д-го аналогового ключа 29. Логика работы аналогового ключа 29 такова, что он пропускает аналоговый сигнал 40 со своего первого входа на выход в том случае, если на его втором, управлякнцем, входе присутствует сигнал логической единицы. В противном случае цепь разомкнута. Сигнал с 15 первой группы периферийных дютодатчиков 14 поступает на первый вход аналогового сумматора 15. Сигнал с (1+1)-й группы периферийных Фото- датчиков 22 поступает на первый вход 50 ь-го аналогового ключа 29. Так как сигналы логической единицы присутствуют только на тех выходах цифровых ключей 26, которые соответствуют центральному лепестку автокорреляционной функции (Фиг.Зг), то аналоговые сигналы присутствуют только на выходах тех аналоговых ключей 29, на которые подаются сигналы,с групп периферийных фотодатчиков 22, на которые попал центральный лепесток (фиг.4 д)Таким образом, на выходе аналого- ного сумматора 15 присутствует сигнал, пропорциональный энергии центрального лепестка автокорреляционной функциИ.Так как анализатор не может обнаружить минимум автокорреляционной функции, находящийся ближе к оптической оси, чем первая группа периферийных Фотодатчиков 14, желательно выбирать расстояние между оптической осью и первой группой периферийных фото- датчиков 14 заведомо меньше ширины центрального лепестка. По той же причине выход первой группы периферийных фотодатчиков 14 подан на первый вход аналогового сумматора 15 непосредственно.Сигналы с выхода аналогового сумматора 15, первого 31 и второго 32 цифроаналоговых преобразователей через соответствующе усилители 16, 33 и 34 сигналов периферийных Фотодатчиков управляют яркостью свечения второго 17, третьего 35 и четвертого 36 источников света.Так как при движении отверстий диска 7 по строкам изображения в плоскости 12 Формируется автокорреляцион-ная Функция, то яркость свечения второго 17, третьего 35 и четвертого 36 источников света в каждый момент времени пропорциональна трем признакам выделяемого участка изображения: нормированной энергии центрального лепестка автокорреляционной Функции, его ширине и числу осцилляций авто- корреляционной функции соответственно. Для преобразования этих сигналов в двухмерное поле признаков в анализаторе используется второй Диск 18 Нипкова, установленный на той же механической оси 9, что и диск 7. Порядок расположения отверстий диска 18 аналогичен расположению отверстий диска 7. Размер отверстий диска 18 существенно отличается от размера отверстий диска 7 и равен расстоянию между строками. Оба диска вращаютсядсинхронно и синфаэно электроприво" дом 10.Отверстия диска 18 освещаются через первый 37, второй 38 и третий 399 14014 светофильтры,.источниками 35, 36 и 17 света соответственно. Светофильтры 37-39 пропускают три различные спектральные области из диапазона длин волн видимого света. За диском 18 расположена диафрагма 19, ограничивающая поле зрения так, что в каждый момент времени в поле находится только одно отверстие диска 18. Так как оба диска движутся синхронно.и синфазно, то центры отверстий дисков 7,и 18 имеют одинаковые координаты и скорости перемещения по полю изображения. Таким образом, диск 15 18 осуществляет построчное формиро-" вание цветного изображения поля признаков, За один оборот дисков 7 и 18 формируется один кадр. Частота вращения дисков выбирается такой, чтобы 20 при анализе оператором сформированного поля признаков не было заметно мелькание кадров, Сформированное изображение поля признаков наблюдается цветной видеокамерой 20 и вос производится на экране цветного ви-. деоконтрольного блока 21.Таким образом, на экране цветного видеоконтрольного блока наблюдается цветное изображение сформированного ЗО поля признаков, при необходимости наблюдения изображения паля одного из признаков на видеоконтрольном блоке может быть включен только соответствующий цвет.35Формула изобретенияСтатистический анализатор изображений по авт.св. Р 1173427, о т л и ч а ю щ и й с я . тем, что, с целью повьппения достоверности результатов анализа изображений, в анализатор введены К групп периферийных фото- датчиков, радиально расположенных в фокальной плоскости линзы,К компараторов, инвертор, Кэлемент ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, первая группа К ключей, первый и второй цифровые сумматоры, вторая группа К аналоговых ключей, первый и второй цифроаналоговые преобразователи, второй и третий усилители сигналов периферийных фото 92 10датчиков, третий н четвертый источникисвета, первый, второй и третий светофильтры, причем выходы набора периферийных фотодатчиков объединены иподключены к первому входу первогокомпаратора, выходы периферийных фотодатчиков 1-й группы соединены спервым входом 1-го компаратора и свторым входом (-1)-го компаратора,а также с информационным входом(-1)-го ключа второй группы К ключей, вБход первого компаратора соединен с входом инвертора и с первымвходом первого элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕИЛИ, выход -го компаратора соединен с первым входом ъ"го элементаИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ и с вторым входом(1-1)-го элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ,выход инвертора соединен с первымвходом первого цифрового сумматораи с информационным входом первогоключа первой группы К ключей, управляющий вход которого является входомлогической единицы анализатора, выход ь"го элемента ИСКЛЮЧАЮШЕЕ ИЛИсоединен с (+1)-м входом первогоцифрового сумматора и с информационным входом (+1)-го ключа первойгруппы К ключей, управляющий вход которого соединен с выходом -го ключапервой группы К ключей, с д-м входомвторого цифрового сумматора и с управляющим входом (1+1)-го аналоговогоключа, выход -го аналогового ключасоединен с (1+1)-м входом аналогового сумматора, выходы первого и второго цифровых сумматоров соединеныс входами одноименных цифроаналоговых преобразователей, выходы которыхсоответственно через второй и третийусилители сигналов всех периферийныхфотодатчиков подключены к входам,управления яркостью третьего.и четвертого источников света, оптическиевыходы которых соответственно черезпоследовательно расположенные на одной оптической оси первый и второйсветофильтры, второй диск Нипкова идиафрагмы связаны с входом видеокамеры, а третий светофильтр установлен между выходом второго источникасвета и вторым диском Нипкова.140492 4 ЩО МИФ оставитель Ю.Козлоехред М.Дидык актор В.Петраш.Пожо Коррект ПодписР аз 2787 вадственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород., ул. Проектная,ЛВВаМдИ 23 У4 ФВР ВНИИПИ Гос по делам 113035, Москв