Спосіб виявлення аномалій яскравості на цифровому зображенні та пристрій для його здійснення

1. Спосіб виявлення аномалій яскравості на цифровому зображенні, що включає розбиття зображення на сегменти заданих форми та площі, які обумовлюються просторовими властивостями аномалії, формування сегмента-еталона, вибір поточного сегмента, порівняння значень яскравос C2 2 (19) 1 3 76221 4 У способі автоматичного виявлення реперних призначений для виявлення аномалій на них. марок на космічному зображенні [1, с. 297-300] Відомі спеціалізовані мікропроцесорні системи спочатку кожний піксел зображення класифікуєть[4], що можуть бути побудовані на основі будься за певним правилом як фоновий або такий, що яких сучасних цифрових програмованих багатоповідрізняється від фонового, тобто аномальний. ртових мікроконтролерів, наприклад, на основі Після цього, сукупності пікселів, які відрізняються мікроконтролерів 80С296хх [5] виробництва корвід фону, об'єднуються в компактні образи у плопорації Intel. Такі системи містять центральний щині зображення, кожний з яких розглядається як процесор, програмовану та оперативну пам'ять, аномальний об'єкт. Звичайне правило класифікації порти вводу-виводу та необхідні допоміжні інтерпікселу складається у тому, що значення його яскфейси і контролери, що забезпечують їх функціоравості порівнюється з деяким порогом, який встанування, але не призначені для реалізації способу новлюється за результатами гістограмного аналізу виявлення площових аномалій яскравості на цифзображення, який передує операції класифікації. ровому зображенні. Головна перевага даного способу - обчислюНайбільш близьким до запропонованого є вальна простота. Втім використання способу потпристрій обробки зображення [6] (прототип), в ребує, щоб інтервали яскравості об'єкта і фону не якому до потоку цифрових зображень в процесі пересікались. Це обмеження - суттєвий недолік оброблення додаються діагностичні дані, але вони способу, оскільки на практиці вищезазначена вивикористовуються лише для контролю якості цифмога частіше не виконується. рового зображення. Найбільш близьким до способу, що заявляєтьПідвищення достовірності виявлення площося, є кореляційний спосіб виявлення об'єктів за вих аномалій яскравості на цифровому зображенні еталоном, що прийнятий за прототип винаходу, досягається у способі виявлення площових аноописаний в [2, с. 51-56], в якому зображення розмалій яскравості на цифровому зображенні, що бивається на однакові за формою та розмірами пропонується. Спосіб включає розбиття зображенсегменти і визначається сегмент з відомою класоня на сегменти заданих форми та площі, які обувою належністю (сегмент-еталон). Після цього за мовлюються просторовими властивостями аномапевним правилом з'ясовується ступінь подібності лії, формування сегмента-еталона, вибір поточного сегмента сегменту-еталону, а за репоточного сегмента, порівняння значень яскравосзультатом з'ясування приймається рішення стосоті пікселів кожного поточного сегменту зі значенвно класової належності поточного сегмента. нями яскравості пікселів сегмента-еталона, визнаУ кореляційному способі виявлення об'єктів за чення за результатами порівняння наявності або еталоном дозволяється, що інтервали яскравості відсутності площової аномалії у даному поточному об'єкта і фону можуть частково пересікатися. Але сегменті. Ця мета досягається за рахунок того, що при цьому передбачається, що форма та розміри при порівнюванні значень яскравості відповідних аномалії на зображенні відомі. пікселів поточного сегмента та сегмента - еталона У кореляційному способі виявлення об'єктів за фіксується знак результату цього порівняння, еталоном ступінь подібності (близькості) поточного окремо підраховуються загальні кількості знакопосегмента сегменту-еталону обчислюється шляхом зитивних та знаконегативних результатів поріввикористання кореляційного алгоритму [2, с. 51-56] няння, обирається менша з двох кількостей і вона і оцінюється величиною коефіцієнту кореляції. порівнюється з порогом, величина якого визначаТакий спосіб характеризується певною стійкістю ється заданими розмірами площі сегмента та придо завад, але має наступні недоліки: підхід чутлийнятою ймовірністю хибної тривоги, за результавий до перетворень яскравості, складний в обчистами співставлення приймається рішення леннях, величина коефіцієнта кореляції не інварістосовно наявності або відсутності плотової аноантна до змін умов освітлення та змін контрасту. малії у даному поточному сегменті зображення, Змінювання контрасту ускладнює процес прийнятпісля чого переходять до аналізу чергового сегметя рішення, оскільки процедура обчислення коефінта зображення. цієнту кореляції передбачає знаходження ступеню Спосіб винаходу ілюструється Фіг.1, де привевзаємної кореляції [2, с. 55], але особливість у дено блок-схему операцій, що складають спосіб, тому, що необхідно брати його максимальне зната за цифрами відмічено послідовність їх виконанчення, коли яскравість об'єкта більш ніж за яскраня: 1 - завдавання контуру площового розміру сегвість фона, і навпаки, коли яскравість об'єкта менту та ймовірності хибної тривоги; 2 - зображенменш за яскравість фона, необхідно брати мініманя; 3 - сегментація зображення; 4 - формування льне значення. сегмента-еталона; 5 - вибір поточного сегменту; 6 Загалом вищезазначені особливості призво- по-піксельне порівняння значень яскравості сегдять до того, що спосіб-прототип має недостатню мента-еталона та поточного сегментів; 7 - підрахудостовірність виявлення площових аномалій ясквання загальної кількості Q+ знакопозитивних реравості на зображенні. зультатів попіксельного порівняння; 8 Винахід відноситься до пристроїв обробки ципідрахування загальної кількості Qфрових зображень та може застосовуватися в знаконегативних результатів по-піксельного порівавтоматизованих системах обробки цифрових няння; 9 - вибір найменшого значення серед підаерокосмічних знімків. рахованих кількостей; 10 - розрахунок порогової Відомий пристрій обробки зображення [3], що кількості мінімального значення однознакових ремістить оперативну пам'ять та процесорні засоби зультатів порівняння; 11 - порівняння найменшого для виконання геометричного та радіометричного значення серед підрахованих кількостей з порогоцифрового оброблення відеозображень, але не вою кількістю; 12 - прийняття рішення, щодо наяв 5 76221 6 ності/ відсутності аномалії у сегменті. що значення яскравості кожного піксела цього сеРеалізація способу (Фіг.1) починається з дегменту віднімається від значення яскравості відпояких попередніх операцій, а саме - задаються конвідного піксела сегмента-еталона, тобто формутур (геометрична форма) та площа типового сегються різниці менту у кадрі зображення (для цифрового b j i b jет b jn (5) i i ; j = 1, 2, …, y; i = 1, 2, …, x. зображення визначається числом пікселів N), які узгоджені з відповідними характеристиками типоЗа своїм знаком величини цих різниць можуть бути як позитивними, так і негативними. Позначивої аномалії, а також ймовірність хибної тривоги F (тобто ймовірність прийняття позитивного рішення мо їх відповідно як Q+ та Q-. Окремо підраховується кількість позитивних щодо наявності аномалії у її відсутність на даному сегментові) (поз. 1). Сукупністю сегментів охоплюQ+ (поз. 7) та негативних результатів Q- порівняння (поз. 8) та вибирається найменше з цих чисел Qmin ється все поле зображення, тобто = min {Q+, Q-}. Це число порівнюється з порогом Q  Sn S (1) (поз.11), який був розрахований на попередньому n , етапі (поз.10). де S - поле зображення, n - порядковий номер Рішення стосовно характеру сегмента прийсегменту, причому у загальному випадку сегменти мається за таким правилом (поз.12): якщо Qmin можуть перекриватися у площині зображення. менше Q, то сегмент вважається аномальним, У найпростішому випадку типовий сегмент Sn якщо Qmin більше або дорівнює Q, сегмент вважазображення обирається у вигляді прямокутника ється належним до фону. Цей порядок дій повтоx y пікселів зображення (х, у - цілі чисрозміром рюється для кожного з сегментів зображення. ла, їх здобуток визначає величину площі сегмента N), тобто розподіл яскравостей пікселів у межах сегменту може бути представлений матрицею b1n ,1 b1n ,2  b1nx , n n n b 2,1 b 2,2  b 2, x Bn   ,  (2) n n n b y,1 b y,2  b y, x bn де, наприклад, 1,2 - яскравість піксела (1, 2). Запишемо нерівність N 2 k Q 1 k CN 1 2 N (3) F, k де Q - цілочисельний поріг, CN - число сполуN! k чень з N пікселів по k - елементів, CN ;! k! N k ! - позначка факторіалу. При заданих площі сегмента N та ймовірності хибної тривоги F розраховується найбільша величина порогу Q, при якому починає виконуватись нерівність [2]. На цьому попередні операції та розрахунки закінчуються. Поле кадру цифрового зображення (поз. 2) розбивається на сегменти заданої форми (поз. 3) у відповідності з логічним виразом [1] і серед них обирається такий, що свідомо відноситься до фонової ділянки зображення; назвемо його сегментом - еталоном і будемо позначати як Bет. Запишемо розподіл яскравостей пікселів цього сегмента як b1ет ,1  b1ет ,x b 2ет ,2 ет  b 2, x   b yет ,1 B ет b1ет ,2 b 2ет ,1 b yет ,2  . (4)  b yет ,x Спосіб передбачає, що по кожному сегменту зображення приймається окреме рішення стосовно наявності або відсутності в ньому площової аномалії яскравості. Для цього послідовно (поз. 5) кожний поточний сегмент зображення порівнюється з обраним сегментом - еталоном (поз. 6), так Пристрій реалізує спосіб виявлення площових аномалій яскравості на цифровому зображенні. Пристрій може бути побудовано на основі будьяких сучасних цифрових програмованих багатопортових мікроконтролерів, наприклад, на основі мікроконтролерів 80С296хх виробництва корпорації Intel. Пристрій для реалізації заявленого способу виявлення площових аномалій яскравості на цифровому зображенні ілюструється на Фіг.2 та влючає: 13 - порт 1; 14 - порт 2; 15 - буфер 1; 16 - буфер 2; 17 - шину даних; 18 - шину адресу; 19 шину команд; 20 - програмовану пам'ять команд; 21 - оперативну пам'ять; 22 - інтерфейс шини; 23 інтерфейс пам'яті; 24 - центральний процесор; 25 арифметико-логічний пристрій; 26 - математичний сопроцесор; 27 - буфер черги команд; 28 - блок впорядкування інструкцій; 29 -контролер переривань; 30 - процесор подій; 31 - таймер; 32 - тактовий генератор; 33 - блок обчислення сигнумфункції; 34 - блок обчислення порогу; 35 - блок порівняння; 36 - регістр рішень; 37 - буфер 3; 38 порт 3. Реалізація пристрою (Фіг.2) починається з того, що поточний та еталонний сегменти цифрового зображення у попіксельній послідовності через буфери (поз. 15, 16) портів 1 і 2 мікроконтролеру (поз. 13, 14) поступають до шини даних (поз. 17) і зберігаються в оперативній пам'яті (поз. 21). Інтерфейс пам'яті (поз. 23) забезпечує доступ до програмованої пам'яті команд (поз. 20) та оперативної пам'яті (поз. 21) крізь шину даних (поз. 17), шину адресу (поз. 18) та шину команд (поз. 19). Через інтерфейс шини (поз. 22) центральний процесор (поз. 24) послідовно виконує команди програми, які витягаються з програмованої пам'яті команд (поз. 20) та поступають до черги команд, що зберігається у буфері черги команд (поз. 27). Блок впорядкування інструкцій (поз. 28) забезпечує тривкий потік команд до конвеєру виконання. Арифметико-логічний пристрій (поз. 25) і математичний сопроцесор (поз. 26) виконують послі 7 76221 8 довність команд оброблення, які зберігаються в виявлення площових аномалій яскравості на цифпрограмованій пам'яті команд (поз. 20) та реалізуровому зображенні. ють алгоритм оброблення способу виявлення Поставлена мета реалізована в Центрі аероплощових аномалій яскравості на цифровому зокосмічних досліджень Землі Інституту геологічних браженні. Процесор подій (поз. 30) містить схему наук Національної академії України при здійсненні автоматичного інкрементування, яка дозволяє досліджень за темою "Дослідження фундаментаобчислити адрес наступної команди в залежності льних процесів енергомасообміну в системі "грунт від поточної. Виняток складають команди перехо- вода - рослина" з метою обґрунтування формуду, виклику, повернення з підпрограм та обробки вання на земній поверхні інформаційних спектрапереривань, які генеруються контролером перерильних сигналів для пошуку корисних копалин та вань (поз. 29) або таймером (поз. 31). Згідно алгоконтролю екологічного стану за допомогою аероритму оброблення спеціалізованим блоком обчискосмічних зйомок", яка виконувалась за розпорялення сигнум-функції (поз. 33) (функція, що дженням Бюро відділення наук про Землю НАН підраховує кількість позитивних та негативних реУкраїни, протокол №2, §6 від 26.02.2002p., у відзультатів по-піксельного порівняння) та блоком повідності з державною програмою "Наукові оснообчислення порогу (поз. 34) проводиться обчисви нарощування мінерально-сировинної бази лення поточного значення сигнум-функції та її поУкраїни". Впровадження запропонованого способу рогу для кожного сегменту, які далі поступають до виявлення площових аномалій яскравості при інблоку порівняння (поз. 35). терпретуванні цифрових аерокосмічних знімків Блок порівняння здобуває рішення про аномадозволило на 17% підвищити достовірність виявльність чи нормальність поточного сегменту цифлення площових аномалій яскравості на цифроворового зображення, яке заноситься в регістр ріму зображенні, та скоротити, завдяки запропоношень (поз. 36). Дані з регістру рішень через буфер ваній апаратній реалізації, час, потрібний на вияв3 (поз. 37) порту 3 (поз. 38) мікроконтролеру виволення площових аномалій у середньому в 5-7 радяться до зовнішнього файлу результатів. зів. Внутрішня синхронізація забезпечується такЛітература товим генератором (поз. 32), який припускає мно1. Ярославский Л.П. Введение в цифровую ження тактової частоти зовнішнього кварцового обработку изображений. -Μ.: Сов. радио, 1979, - с. резонатора на 1, 2 або 4. Тут же формується так312. товий сигнал системного таймеру (поз. 31) та 2. Путятин Е.П., Аверин СИ. Обработка изоокремі сигнали тактової частоти для периферійних бражений в робототехнике. М.:- Маш-е, 1990. - 320 пристроїв. с. Для систем на основі мікроконтролерів 3. Устройство обработки изображения / Опи80С296хх рекомендовано використовувати зовнісание изобретения к патенту RU 2113727, 1998.шній кварцовий резонатор частотою 25МГц і внут30с. рішнє подвоєння частоти. При цьому продуктив4. Клингман Э. Проектирование специализиність оброблення для способу виявлення рованных микропроцессорных систем.- Пер. с площових аномалій яскравості на цифровому зоангл.- М.: Мир, 1985.- 364с. браженні, що пропонується, при наявності спеціа5. Козаченко В.Φ. Руководство по применению лізованих блоків обчислення складає приблизно 16-разрядних микроконтроллеров Intel MCS400-500 пар пікселів зображення на секунду, тобто 196/296 во встроенных системах управления.-М.: оброблення двох сегментів по 128x128 пікселів ЭКОМ, 1997.-688с. кожний буде виконуватися 30-40с. 6. Устройство для обработки изображения Таким чином, описаний пристрій дозволяє (варианты) / Описание изобретения к патенту RU апаратурно реалізувати запропонований спосіб 2138852, МПК G 06 Τ 1/00, 1999.- 12с. 9 Комп’ютерна верстка Л. Купенко 76221 Підписне 10 Тираж 26 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601