Спосіб фільтрації відеозображень, що містять вимірювальну інформацію про геометричні параметри об’єктів вимірювань

Спосіб фільтрації відеозображень, що містять вимірювальну інформацію про геометричні параметри об'єктів вимірювань, який включає формування основного відеозображення об'єкта вимірювань за допомогою оптичної системи та перетворювача "світло-сигнал" пристрою форму C2 1 3 маскою коефіцієнтів низькочастотного фільтра, яка переміщується по відеозображенню. Низькочастотна фільтрація основного відеозображення об'єкта вимірювань дозволяє виключити з цього відеозображення шуми, але одночасно погіршується якість відтворення контурів об'єкта вимірювань на відфільтрованому відеозображенні. Такий ефект має місце через те, що низькочастотна фільтрація разом із шумами виключає з відеозображення верхні частоти корисного сигналу (вимірювальної інформації), які і визначають якість різких перепадів амплітуди корисного сигналу (контурів об'єкту вимірювань).Визначення геометричних параметрів об'єкта вимірювань зазвичай виконується на основі вимірювань координат точок, що належать контурам об'єкта вимірювань на відеозображенні [2]. Тому наслідком погіршення якості відтворення контурів є суттєве зниження точності вимірювальної інформації про геометричні параметри об'єкта вимірювань. Таким чином, суттєвим недоліком способу прототипу є низька якість відтворення контурів об'єкта вимірювань на відфільтрованому відеозображенні і, як наслідок, суттєве зниження точності передачі вимірювальної інформації про геометричні параметри цих об'єктів вимірювань. В основу винаходу поставлена задача удосконалення способу фільтрації відеозображень, що містять вимірювальну інформацію про геометричні параметри об'єктів вимірювань, щоб забезпечити підвищення якості відтворення контурів об'єктів вимірювань на відфільтрованих відеозображеннях і, як наслідок, підвищення точності передачі вимірювальної інформації про геометричні параметри цих об'єктів вимірювань. Поставлена задача вирішується шляхом того, що попередньо забезпечують нерухоме розташування об'єкта вимірювань відносно ПФВЗ, після введення в цифрову ЕОМ основного відеозображення об'єкта вимірювань формують ряд додаткових відеозображень цього об'єкта вимірювань, перетворюють їх у цифрову форму та вводять в цифрову ЕОМ, а виключення з основного відеозображення шумів виконують шляхом усереднення значень цифрових відліків яскравості і кольору, що належать основному і додатковим відеозображенням і відповідають точкам об'єкта вимірювань з однаковими координатами. Підвищення якості відтворення контурів об'єкта вимірювань на відфільтрованому відеозображенні забезпечується за рахунок того, що виключення з основного відеозображення шумів виконують шляхом усереднення значень цифрових відліків яскравості і кольору, що належать основному і додатковим відеозображенням і відповідають точкам об'єкта вимірювань з однаковими координатами. При цьому основне і додаткові відеозображення об'єкта вимірювань містять однакову вимірювальну інформацію про геометричні параметри цього об'єкта вимірювань, оскільки попередньо було забезпечено нерухоме розташування об'єкта вимірювань відносно ПФВЗ. Єдиною суттєвою відмінністю основного і додаткових відеозображень є те, що ряд додаткових відеозображень об'єкта вимірювань було сформо 91174 4 вано, перетворено в цифрову форму та введено в цифрову ЕОМ після введення в цифрову ЕОМ основного відеозображення об'єкта вимірювань. Тому основне і додаткові відеозображення об'єкта вимірювань містять різні часові реалізації шуму як випадкового процесу. Математичне сподівання такого випадкового процесу дорівнює нулю, виходячи з властивостей теплового та дробового шуму в перетворювачі "світло-сигнал" та інших електронних схемах ПФВЗ [3, 4]. При усередненні значень цифрових відліків яскравості і кольору, що належать основному і додатковим відеозображенням і відповідають точкам об'єкта вимірювань з однаковими координатами, повністю виключається шум з відфільтрованого відеозображення. Це відбувається завдяки тому, що шум як випадковий процес має нульове математичне сподівання, а усереднення виконується по ряду реалізацій цього випадкового процесу, що містяться на основному і додаткових відеозображеннях. При вказаному усередненні також повністю зберігаються верхні частоти корисного сигналу (вимірювальної інформації) на відфільтрованому відеозображенні об'єкта вимірювань. Це відбувається завдяки тому, що основне і додаткові відеозображення містять однакову вимірювальну інформацію про нерухомий об'єкт вимірювань. Наявність верхніх частот корисного сигналу у відфільтрованому відеозображенні забезпечує точне відтворення форми різких перепадів корисного сигналу (контурів об'єктів вимірювань).Таким чином, забезпечується підвищення якості відтворення контурів об'єктів вимірювань на відфільтрованих відеозображеннях і, як наслідок, підвищення точності передачі вимірювальної інформації про геометричні параметри цих об'єктів вимірювань. Перелік креслень, що пояснюють суть способу-винаходу: Фіг.1 - структурна схема пристрою, що реалізує спосіб-винахід; Фіг.2 а і б - відеозображення тестових об'єктів вимірювань, що використовувалися при дослідженні способу-винаходу; Фіг.3 - відеозображення поверхні граніту з Покостівського родовища Житомирської області, для якого може бути використаний спосіб - винахід при вимірюванні геометричних параметрів структурних елементів поверхні. Спосіб-винахід виконують у такій послідовності: 1.Попередньо забезпечують нерухоме розташування об'єкта вимірювань відносно ПФВЗ. 2.Формують основне відеозображення об'єкта вимірювань за допомогою оптичної системи та перетворювача "світло - сигнал" ПФВЗ, перетворюють це відеозображення в цифрову форму та вводять його в цифрову ЕОМ. В результаті цифрова ЕОМ містить основне відеозображення. Во (х, у) = Со (х, у)+ 0 (х, у), де С0(х, у) - корисна складова основного відеозображення (вимірювальна інформація про геометричні параметри об'єкту вимірювань), 0(х, у) - шум, що виник в процесі формування основного відеозображення, 5 х і у- поточні координати дискретних точок відеозображення. 3. Формують ряд додаткових відеозображень цього об'єкта вимірювань, перетворюють їх у цифрову форму та вводять в цифрову ЕОМ. В результаті цифрова ЕОМ містить ряд додаткових відео зображень Ві(х, у)=С0(х, у)+ і(х, у), де і(х, у) - шум, що виник в процесі формування i-го додаткового відеозображення, і=1...N, N - кількість додаткових відеозображень. 4. Виключають з основного відеозображення шуми, що виникли в процесі його формування, шляхом усереднення значень цифрових відліків яскравості і кольору, що належать основному і додатковим відеозображенням і відповідають точкам об'єкта вимірювань з однаковими координатами. В результаті отримують відфільтроване відео зображення 1 N B ф ( x, y ) B i ( x, y ) N 1 i 0 (1), 1 N C 0 ( x, y ) i ( x, y ) N 1 i 0 C 0 ( x, y ) M i ( x, y ) де М[ i(х, у)]- математичне сподівання шуму, наявного на основному і додаткових відеозображеннях в точці з координатами х і у. Так, як М[ i(х,у)]=0, то Вф(х, у)=С0(х ,у) тобто на відфільтрованому відеозображенні повністю залишається вимірювальна інформація про геометричні параметри об'єкта вимірювань, а шум виключається. Для перевірки працездатності способувинаходу було створено пристрій, що реалізує цей спосіб-винахід (Фіг.1). Вказаний пристрій містить об'єкт 1 вимірювань, пристрій 2 формування відеозображень та цифрову ЕОМ 6. Пристрій 2 формування відеозображень містить оптичну систему 3, перетворювач 4 "світло -сигнал", аналого-цифровий перетворювач 5. Вхід оптичної системи 3 оптично пов'язаний з об'єктом 1 вимірювань, а її вихід оптично пов'язаний з входом перетворювача 4 "світло-сигнал", вихід якого підключено до входу аналогоцифрового перетворювача 5, вихід якого підключено до входу цифрової ЕОМ 6. 91174 6 Пристрій для фільтрації відеозображень працює таким чином. Пристрій 2 формування відеозображень формує основне відеозображення об'єкта 1 вимірювань, що нерухомо розташований відносно пристрою 2 формування відеозображень. Це відбувається за допомогою оптичної системи 3 та перетворювача 4 "світло-сигнал". Далі пристрій 2 формування відеозображень перетворює основне відеозображення об'єкта 1 вимірювань в цифрову форму за допомогою аналого-цифрового перетворювача 5 та вводить це відеозображення в цифрову ЕОМ 6. Після цього пристрій 2 формування відеозображень формує ряд додаткових відеозображень об'єкта 1 вимірювань, перетворює їх в цифрову форму та вводить в цифрову ЕОМ 6.Цифрова ЕОМ 6 виключає з основного відеозображення шуми, що виникли в процесі його формування, шляхом усереднення за формулою (1) значень цифрових відліків яскравості і кольору, що належать основному і додатковим відеозображенням, і відповідають точкам об'єкта 1 вимірювань з однаковими координатами. В результаті отримуємо в цифровій ЕОМ 6 відфільтроване відеозображення об'єкта 1 вимірювань. За допомогою пристрою для фільтрації відеозображень було проведено ряд досліджень. В якості об'єкта 1 вимірювань використовувалися тестові відеозображення прямокутника та еліпса з випадково обраними геометричними параметрами (Фіг.2, а і б), а також відеозображення поверхні зразків граніту з Покостівського родовища Житомирської області (Фіг.3). Вимірювання геометричних параметрів структурних елементів поверхні таких зразків необхідні для оцінки якості природного каменю, що видобувається з родовища, та промислових виробів з цього природного каменю [5]. В якості пристрою 2 формування відеозображень використовувався цифровий фотоапарат Sony Cyber-Shot DSC-H9, цифрової ЕОМ 6 - персональний комп'ютер Pentium 4-1,7ГГц. Розмір відеозображень дорівнював 2048x1536 дискретних точок, глибина кольору (кількість рівнів квантування) - 8 дискретних рівнів. Співвідношення сигнал/шум для відеозображень дорівнювало 55дБ. В результаті досліджень об'єктів 1 вимірювань, наведених на Фіг.2, а і б, Фіг.3, визначено похибки вимірювань геометричних параметрів, що наведені в таблиці. 7 91174 8 Таблиця Похибки вимірювань геометричних параметрів Максимальна відносна похибка вимірювань, % координат контурів лінійних розмірів площі При співвідношенні сигнал/шум 55 дБ для відеозображення 1 .Основне відео зображен0,9 1,8 0,4 ня без фільтрації 2.Фільтрація за способом1,4 2,8 0,6 прототипом 3.Фільтрація за способом0,2 0,4 0,2 винаходом При співвідношенні сигнал/шум 40 дБ для відеозображення 1 .Основне відео зображен2,5 5,1 2,9 ня без фільтрації 2.Фільтрація за способом2,1 4,2 1,4 прототипом 3.Фільтрація за способом1,5 3,0 0,9 винаходом Спосіб фільтрації шумів Таким чином, спосіб-винахід забезпечує підвищення якості відтворення контурів об'єктів вимірювань і, як наслідок, суттєве підвищення у (1,4...2,5) разів точності вимірювальної інформації про геометричні параметри цих об'єктів вимірювань. Джерела інформації: 1. Цифровое кодирование телевизионных зображений / Под ред. И. И. Цуккермана. - М: Радио и связь, 1981. - 240 с. 2. Претт У. Цифровая обработка изображений: Пер. с англ. - М: Мир, 1981.-792 с. 3. Ван дер Зил А. Шумы при измерениях / Под ред. А.К. Нарышкина. -М.:Мир, 1979.-292 с. 4. Отт Г. Методы подавления шумов и помех в электронных системах / Под ред. М. В. Гальперина. - М.: Мир, 1979. - 317 с.5. 5. Спосіб контролю зовнішнього вигляду поверхні виробів з лицювального каменю: Патент України на винахід 71412 А МПК7 G01 В7/00 / Є.С. Купкін, Ю. О. Подчашинський (Україна); Державний департамент інтелектуальної власності. - № 20031212802; Заявл. 28. 12. 03; Опубл. 15. 11. 04. Бюл. № 11.-3 с 9 Комп’ютерна верстка А. Крижанівський 91174 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