Глава 13. Устройства автоматического ввода изображений |
200 |
При применении стилизации (возведении в степень) расстояние между классами изоб-
ражений возрастает: |
|
ρ = ∑n |
(aβ − vβ ) . |
i= 1 |
|
Это облегчает распознавание и уменьшает вероятность ложных идентификаций. Недостатком анализатора на основе ЭЛТ является наличие системы развертки и са-
мой ЭЛТ, потребляющей энергию. От этих недостатков свободен анализатор на основе сетчатки из фотоэлементов. В некоторых специализированных устройствах, где предъявляются повышенные требования к весам, габаритам а также к величине токопотребления, например, в системах технического зрения в робототехнике, поэлементное разложение изображения может осуществляться с помощью сетчатки, напоминающей глаз насекомого. Она представляет собой круг, разбитый на секторы и круговые кольца (рис.13.5). В центре сетчатки располагается зона нечувствительности, определяемая минимальными допустимыми размерами контура. На каждой площадке расположены рецепторы, нагруженные на весовые сопротивления, веса которых пропорциональны расстоянию от центра. Выходы рецепторов в одном секторе объединяются на схеме ИЛИ. На сетчатку проецируется распознаваемый контур, выходы схем ИЛИ опрашиваются и выдается упорядоченный набор модулированных по амплитуде сигналов, который и является характеристическим вектором изображения, с некоторой точностью описывающий контурное изображение.
γ
Рис. 13.5. Сетчатка рецепторов
13.2. Устройства автоматического ввода многоконтурных и полутоновых изображений
Задача ввода многоконтурных и полутоновых изображений возникает при расшифровке аэрофотоснимков и распознавании на них требуемого объекта, при анализе диаграмм навигационной обстановки, при создании контурных и кадастровых карт местности, в дактилоскопии, в медицинской диагностике для автоматического анализа рентгенограмм, при вводе чертежей и в других областях, когда необходимо работать с многоконтурными изображениями и с черно-белыми изображениями типа фотографий. Для автоматического считывания многоконтурное изображение, подобно одноконтурному, проецируется на экран передающей ЭЛТ с растровой разверткой, либо также построчно сканируется световым (лазерным) лучом. В случае применения сетчатки анализ изображения будет выполняться на матрице рецепторов.
Глава 13. Устройства автоматического ввода изображений |
201 |
На рис. 13.6 изображены временные диаграммы считанных при растровом сканировании последовательностей импульсов, представляющих собой кодовую комбинацию, описывающую однозначно вводимое изображение. Этот упорядоченный двоичный код накапливается в буферном ЗУ а затем передается в ВЗУ на хранение либо, в случае необходимости распознавания, сравнивается с кодами эталонов и идентифицируется. В устройствах ввода применяются подобные ранее рассмотренным методы сжатия информации.
шаг квантования по времени
t
1
2
3
n
Uсчит
1
t
2
t
3
t
t
n
t
Рис. 13.6. Анализ многоконтурного изображения при растровой развертке
При вводе полутоновых изображений прежде всего проводится предварительная обработка - сокращают объем исходной информации путем бинаризации, приводящей к уменьшению числа градаций яркости или контрастности до двух. Это равносильно вырождению полутонового изображения в многоконтурное, то есть стилизации. (Подобный прием используется в художественной фотографии и называется изогелией; фотоотпечатки похожи на гравюры). Для этого используются два метода. Первый - метод градиента (лапласиана) яркости. Точка на изображении является значащей, если градиент яркости по абсолютному значению равен или превышает некоторый порог, и считается незначащей, если этот порог не превзойден. Недостатком метода градиента яркости является нарушение целостности формы изображения из-за выделения контуров с разрывами. Кроме того, требуется проведение большого объема вычислений; так, например, при размерности участка рецепторного поля 64х64 производится более 2000 итераций, из них 500 - типа умножение или деление.
Второй метод - нелинейное усиление изображения по яркости с последующим детектированием его порогом, пропорциональным среднему уровню яркости контрастированного изображения. Считываемое изображение первоначально представляется в виде упорядоченного набора {Bij } (i = 1, 2, ..., n), где {Bij} - значение яркости в точке (ij). Средний
Глава 13. Устройства автоматического ввода изображений |
202 |
уровень яркости Вср определяется как среднее арифметическое значение яркости всех точек изображения:
m |
n |
Вср = 1 / mn ( Σ |
Σ Вij ). |
i = 1 |
i = 1 |
Контрастность изображения γ |
равна: |
γ = 1 − min Вij |
/ maxij Вij . |
i,j |
i,j |
Порог детектирования θ должен быть пропорционален Вср, чтобы можно было работать с изображениями разных яркостей:
θ = Kbср,
где K - коэффициент пропорциональности, определяемый как
|
m |
|
n |
|
|
K =( 0,2...1,0 / mn ) |
Σ |
Σ |
Bij β , |
где β − |
i=1 |
|
j=1 |
равносильного нелинейному усилению по |
степень для степенного преобразования, |
||||
яркости, то есть повышению контрастности изображения, его стилизации. Значения K выбираются экспериментально; найденное экспериментально оптимальное значение β равно 3 − 5.
13.3. Считывание цветных изображений
Необходимость ввода таких изображений возникает при вводе больших объемов информации с цветных космических и аэрофотоснимков, при наблюдении за сложными технологическими объектами, при вводе объектов на картографических документах, цветных рентгеновских снимков, при вводе с электронных микроскопов для биологических и медицинских наблюдений, при проведении спектрографического анализа в красильном и парфюмерном производстве и тому подобных случаях.
Ультра- |
Ф |
|
С |
С - З |
|
З |
Ж - З |
Ж |
О |
К |
|
Инфра- |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
фиолет. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
красн. |
|
|
380 |
435 |
480 |
490 |
500 |
560 |
580 |
|
595 |
605 |
750 |
λ |
, нм |
|
|
|
|
Видимый спектр |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Рис. 13.7. Шкала электромагнитных волн оптического диапазона |
|
|
|
||||||||
Человеком распознаются цвета в диапазоне волн |
λ |
примерно от |
380 |
до |
780 нм |
||||||||
(рис.13.7). Признаками распознавания приняты коэффициент спектрального отражения ρ(λ) и три спектральные компоненты x, y, z, соответствующие зрительному представлению изображения при разных длинах волн (по красному, зеленому и синему цвету). Стандартный свет, за который принят дневной свет под голубым небом, обладает распределенной по спектру удельной энергией P(λ). Эта энергия, отраженная от изображения и поступающая в глаз наблюдателя или на вход оптического узла при облучении изображения стандартным
светом, равна P(λ) ρ(λ). Оптический узел при этом воспринимает изображение в виде совокупности распределений P(λ) ρ(λ) x, P(λ) ρ(λ) и P(λ) ρ(λ) по красному, зеленому и
синему цветам соответственно. Разбиение диапазона волн видимого света на три поддиапазона - по красному, зеленому и синему цветам взято из техники цветной печати и из телевизионной техники. Этот прием также можно назвать стилизацией, так как оттенки цвета упрощаются, получаются комбинированием всего трех цветов, “вырезанных” из всего спектра с помощью, например, цветных оптических фильтров.
Глава 13. Устройства автоматического ввода изображений |
203 |
Константы цвета X, Y, Z |
и S описываются системой уравнений: |
||
X=K ∫780 |
P(λ) |
x(λ) ρ(λ) |
dλ, |
380 |
|
|
|
X=K ∫780 |
P(λ) |
y(λ) ρ(λ) |
dλ, |
380 |
|
|
|
780 |
|
|
|
X=K ∫ |
P(λ) |
z(λ) ρ(λ) |
dλ, |
380 |
|
|
|
S= x+y+z,
где K - коэффициент, подбираемый экспериментально из условия обеспечения равенства Y=1 при полностью белой плоскости со 100% коэффициентом спектрального отражения в полном диапазоне волн (от 380 до 780 нм). Такими свойствами обладает плоскость, покрытая окисью магния.
780
K=1 / ∫ P(λ) y(λ) dλ.
380
Из системы уравнений видно, что предметы с одинаковым значением коэффициента спектрального отражения ρ(λ) должны иметь одинаковый цвет (но не яркость). Значения величин констант цвета X, Y, Z могут быть определены по уравнениям системы, для чего дискретно, через интервалы длин волн, равные, например, 5нм, измеряют значения ρ(λ), умножают их на функции длин волн P(λ) x(λ) и производят сложение.
Измерение значений коэффициента спектрального отражения может производиться спектрофотометром - прибором, осуществляющим с помощью кварцевой призмы разложение на спектральные составляющие (по синему, красному и зеленому) отраженный от изображения свет и измерение значений коэффициента отражения на каждом интервале. На рис. 13.8 показано строение ячейки полупроводниковой фотодиодной матрицы, применяемой в сканере одной из японских фирм. Фотодиоды 1, 2, 3 реагируют на красный, зеленый
исиний цвета соответственно.
Внекоторых конструкциях спектрофотометров значения X, Y, Z измеряют с помощью черно - белых фотодиодных матриц и оптических цветных фильтров (рис. 13.9). Любой оттенок цвета будет описан упорядоченным набором сигналов на выходе оптического узла.
Возможно применение в устройствах ввода цветных изображений цветных передающих ЭЛТ.
Процесс идентификации цвета сводится, как и в любом типе устройств ввода с распознаванием, к сравнению полученного на этапе анализа кода значений констант с перебираемыми кодами эталонов цветов, определенными заранее и хранящимися в ПЗУ. С целью ускорения распознавания и благодаря успехам микроминиатюризаций возможна реализация идентификации на ассоциативном ЗУ и не методом перебора за довольно длительное время, а за один такт. В таком случае код маски ассоциативного поиска должен быть записан не в один регистр маски, а в такое количество регистров, сколько кодов эталонов содержится в ЗУ. Причем рационально применение префиксного кодирования.
При вводе цветных изображений применяются элементы искусственного интеллекта:
устройства предварительно обрабатывают и сжимают информацию, удаляя из массива данных избыточную и повторяющуюся.
Глава 13. Устройства автоматического ввода изображений |
204 |
Полупроводниковая |
Световой |
матрица |
поток |
Призма
1 2 |
Фотодиоды |
3 |
|
К З |
С |
Рис. 13.8. Строение полупроводниковой матрицы рецепторов, считывающей цветные изображения
Световой
поток
|
|
|
|
|
Объектив |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Черно- |
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
Фильтры |
белые |
|||||||||||
Полупроз- |
|
|
|
|
|
|
|
К |
матрицы ФД |
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
рачное |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
зеркало |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
АЦП К |
|
Цифровой |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
З |
|
|
|
|
|
|
поток |
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
АЦП З
С
АЦП С
Рис. 13.9. Оптический узел считывания цветных изображений
Серийно выпускаемые сканеры, (характеристики некоторых из них приведены в Приложении), вместе с прилагаемыми к ним программами являются универсальными по отношению к вводимой визуальной информации устройствами. Однако продолжают разрабатываться и новые специализированные устройства ввода, так, фирма Canon Style Video производит оперативное устройство типа 10 - РС с вмонтированным фотообъективом, выполняющее функции высококачественного оперативного сканера и предназначенное для выполнения ввода фотографий, их ретуширования, документирования, архивирования и других высокоточных работ с цветными изображениями а также в системах обработки графики и распознавания образов. Устройство размером чуть больше мыши кодирует изображение объемом 470000 точек (пикселей); цветной образ кодируется 24-мя битами, монохромный - 8-ю. Устройство имеет программируемую автоматику для обработки фотографий; для работы в диалоговом режиме прилагается дискета.
Для быстрого и высококачественного ввода больших объемов информации с цветных космических и аэрофотоснимков в настоящее время применяются высокопроизводитель-