Спосіб кодування зображення

Спосіб кодування зображення, який складається у тому, що здійснюють пррєтворення оптичного сигналу в аналогову електричну напругу зображення, перетворюють аналоговий електричний сигнап зображення в дискретну електричну напругу розрядних зрізів 2 -рівневих зображень розміру NxM, віднімають від попередньої електричної напруги розрядного зрізу її постійну складову та відповідну зменшену електричну напругу Винахід відноситься до області цифрової техніки, наприклад, до техніки перетворення аналогових сигнапів в дискретні і може бути корисне в засобах запису і створення зображення в засобах ідентифікації оптичних сигналів (наприклад, для розпізнавання зображення), в системах обробки баїаторівневих зображень і системах передачі багаторівневих зображень з захистом інформації від несанкціонованого доступу До простих згорток для кодування зображення можна віднести наприклад, швидкість і шлях за відношенням до прискорення Простота їх лічення привела до того, що вони з'явились як саме перші характерні ознаки при розпізнаванні, наприклад, типів літаків на екранах радарів Нестаток їх складається з того, що вони не забезпечують повноту характерних ознак (хоча і вимагають значного лі чення інтегралу або подвійного, чи потрійного інтегралу) і не відповідають інваріантності відносно афінних перетворень (масштаб, зсув кут звороту) Відомо багато методів [1, стор 4] перетворення Фур'є F(e) = ] Г р (х) f (х) К (а, х) dx, (1) де f(x) - функція-орипнап з деякого класу, f(a) - образ, К (а, х) - ядро перетворення, р (х) - вагова кожного розрядного зрізу(теж без постійної складової") відрізняючийся тим що виконують оптичне спектральне перетворювання яскравості світла зображення кожного розрядного зрізу у двох напрямах окремо (ординаті, абсцисі), модулюють оптичне зображення контуру кожного розрядного зрізу оптичним спектром ВІДПОВІДНОГО нормалізованого рочрядного зрізу здійснюють просторову модуляцію оптичного зображення початкового розрядного зрізу оптичним зображенням модульованого контуру по ординаті в двох напрямах окремо (ліворуч, праворуч), просторово модулюють оптичне зображення початкового розрядного зрізу ВІДПОВІДНИМ оптичним зображенням модульованого контуру по ординаті в двох інших напрямах (вгору, вниз) функція а, в - межи підсумовування Відомий спосіб явно або не явно, але дає результат в сферичній системі координат (' будем считать доказанным что, вычислив обратное преобразование, можно получить результат, сравнимый с круговой сверткой выходной последовательности" [2, стор 471]) яка уступає декаргооїй системі координат, вимагає значно більшої кількості операцій (так, наприклад що до двомірних функцій, пряме перетворення виконується подвійним інтегруванням) і не забезпечує повноту ознак Принципово новий спосіб обліку кореня довільного ступеню [3] по експоненціальній функції фактично підтверджує, що ряди Фур'є рівні звичайним рядам ступені для яких з успіхом використовується R-функцж академіка В Л Рвачова [4, стор 75] Відомо засіб кодування звука (одномірна функція) з застосуванням перетворення виду [5 стор 6] V (t) dt = const У такому випадку інформація зміни звукового сигналу міститься тільки в одному інформативному параметру (згортці) - періоді часу між попереднім t наступним імпульсами коду [5, стор 6] Цей параметр (згортка) нормалізується [5, стор. 7] Ттах- Т т і п =Т, (параметр нормалізовано [2, стор 587), коли різниця між його максимальним та мінімаль сч ю о о> 35289 ним значенням є константа) Значення константи Т визначає похибка апроксимації звуку по частоті (100%*Ту(Ттах -Ттіп)=100% Таким чином нестаток відомого способу [Ч] складається в низькій точності апроксимації н частотному діапазоні і нємож пивістю виконання способу що до двоміриоі функції У запропонованому способі як ядро прретво рення (1) використовується нормалізована функ ція по кожній з координат х і у окремо (irnax(x)-const, fimm(x) =1, fimax (y)=const, fmiin (у) = 1 Значення константи визначається точністю апроксимації функції f (x, у) і при допустимості її похибки у межах 15% константа дорівнює семи у ВІДПОВІДНОСТІ з відомою теоремою В А Котельниковз [5стор 6] ronst= 100%/15% -=• 7 Таким чи иом функція f(x у) нормалізована по координаті х І у окремо це два пироги' з семи шматків (функція поділена по горизонталі або вертикалі шістьма го риюнтзльними або вертикальними смугами ВІДПОВІДНО) Кожна з семи смуг нормалізованої функци кодується в свій колір радуги (червоний рожевий жовтий зелений, блакитний синій, фіолетовий) Слід відокремлювати нормалізовану функцію від функції у масштабі (функція у масштабі змінює розмір, а у нормалізованої функції міняється лише розмір горизонтальних або вертикальних смуг, а їх КІЛЬКІСТЬ не змінюється) Так наприклад якщо різ ниця між максимальним і мінімальним значенням функції дорі&нює шість то тшо функції 'забарв люеться" в сім горизонтальних смуг розміром в один 'піксел' і кожна в ВІДПОВІДНИЙ колір семи можливих а якшо рпниця між максимальним і мінімальним значенням функції дорівнює наприклад тринадцяти, то тіло функції забарвлюється в см горизонтальних літи шириною в два 'піксела' кожиз( тобто міняється ціна розподілу вимірювальної лінійки І ОДНОГО ' піксела" на два нормалізація зміни масштабу [6 стор 164] Пропонується нормалізацію виконувати на фізичному (оптичному) рівні завдяки прозорій призмі яка використовується не для оптичного спектрального аналізу світла(світло завжди одне й те ж) а для нормалізації світових ппям двозначних зображень(для одного й того ж світла незалежно від розміру призми КІЛЬКІСТЬ кольорових смуг завжди одна й та ж сама) Таким чином якщо використовувати одне й те ж світло СВІ тової плями то кількість кольорових смуг не змі нюєтьсп а змінюється пише їх товщина пропорційно розміру світової плями (завдяки фільтрам завжди можливо підібрати таке світло що КІЛЬКІСТЬ кольорових смуг та співвідношення їх товщин буде таким як треба) Найбільш близьким способом по сукупності ознак до запропонованого винаходу відноситься спосіб ' Цифровий оптоепектронний процесор багаторівневих зображень' пов язаний з перєтоо рєнням оптичного сигналу в аналоговий електрич ний сигнал (запам ятовують багаторівневе зображення) з перетворенням аналогового електричного сигналу в дискретний електричний сигнал(ко дують інформацію у вигляді 2К рівня зображень розміру N х М з послідовною обробкою по розрядним зрізам) формуванням контуру для кожного розрядного зрізу формуванням коду і вводу його в пам'ять {71 Але згорточні функції класичних інтегральних перетворювань вимагають не менш як N(log2N)/2 операцій для матриці розміру М х N а похибка розпізнавання від 2% до 0 3% [6] В основу винаходу поставлено задачу створення такого способу кодування зображення, у ЯКОР/> ->а рпхунок і одування розрядних зрізів 2 рюневих зображень розміру NyM запропонованим ігорточним кодом забезпечується швидкодія пристрою а також за рахунок підвищення до 4-х КІЛЬКОСТІ згорточних кодів забезпечується підвищення його надійності Поставлена задача вирішується тим, що у відомий спосіб кодування зображення який складається у тому що здійснюють перетворення оптичного сигналу в аналоговий епектричний сигнал зображення (запам ятовують багаторівневе зображення) перетворюють аналоговий епектричний сигнал в дискретний електричний сигнал (кодують інформацію у вигляді 2 К рівня зображень розміру N х М ч послідовною обробкою по розрядним зрізам) зменшують електричну напругу сигналу зображення котного розрядного зрізу з відніманням постійної складової нялруїи, віднімають від попередньої електричної напруги її постійну складову та відповідну зменшену електричну напругу кожного розрядного чрізу (формують контур зрізу) зпдно з винаходом додатково виконують оптичне спектральне перетворення яскравості світла зображення (нормалізують розрядний зріз) кожного розрядного зриу у двох напрямах окремо (ординаті абсцисі) модулюють (нормалізують) оптичне зображення контуру кожного розрядного зрізу спектром ВІДПОВІДНОГО нормалізованого розрядного зрізу здійснюють просторову модуляцію("забарвлення") початкового розрядного зрізу норма лізованим контуром по ординаті в двох напрямах окремо (ліворуч праворуч) просторово модулюють початковий розрядний зрізу ВІДПОВІДНИМ нормалізованим контуром по ординаті в двох інших напрямах (вгору вниз) На фіг 1 приведена схема прикладу реалізації запропоноазного способу Схема містить оптичний запам'ятовуючий пристрій (ОЗУ) 1, ОЗУ 2 для зберігання розрядного зрізу блок керування 3 блок виділення контуру розрядного зрізу 4, иормалізатор 5 розрядного зрізу по вертикалі нормалізатор 6 розрядного зрізу по горизонталі оптичні множники 7 8 17 18 19 20 чотири оптичних блока зсуву 910 11 12 чотири оптичних суматора 13 14 15 16 На фіг 2 і 3 виконано приклад розрядного зрізу символу У нормалізованого ВІДПОВІДНО по абсцисі і ординаті На фіг 4 5 6, 7 виконано контур розрядного зрізу символу ' У нормалізованого ВІДПОВІДНО по абсцисі і ординаті На фіг 6 7 8 9 виконано приклад коду Лисенко розрядного зрізу символу "У" побудований окремо для абсциси і ординати даомірної функції-зображення символу 'У Функціональні вузли (фіг 1) поєднані таким чином Інформаційний вхід 21 пристрою зв'язаний оптично з входом ОЗУ 1 Перший вихід 42 43 44 45 оптичного множника 17 18 1920 звязаний з виходами пристрою для кодування коду Лисенко, реалізуючого цей спосіб кодування зображення Вхід 23 ОЗУ 2 оптично звязаний з виходом блока керування БУ 3 Вхід 22 БУ 3 оптично зв'язаний з виходом ОЗУ 1 Вихід 24 ОЗУ 2 оптично зв'язаний з оптичним нормалізатором 5 \ б Перший 25 вихід 35289 блоку розміщення контуру зв'язаний з другим входом оптичного множника 7, а другий 26 вихід блоку розміщення контуру зв'язаний з другим входом оптичного множника 8 Входи 28,29 оптичних множників 7 і 8 зв'язані з виходами блоків 5 і 6. Вхід 25 блоку 4 розміщення контуру оптично з"єднано з третім виходом ОЗУ 2 Входи 30,31,32,33 оптичних блоків зсуву 9,10,11,12 зв'язані з першим і другим виходом відповідно блоку 7 і 8 Перші входи 34,35.36,37 оптичних суматорів 13,14,15,16 оптично з'єднані з виходами відповідних блоків зсуву 9,10,11,12, з другі входи суматорів оптично зв'язані з другим виходом 27 ОЗУ 2 Перші входи 38.39,40,41 оптичних множників 17,18,19,20 оптично з'єднані з виходами відповідних суматорів 13,14.15,16, а другі входи оптично зв'язані з другими входами 27 ОЗУ 2 Вхід 46 ОЗУ 1 і вхід 47 ОЗУ 2 є керуючими входами пристрою. Для реалізації запропонованого способу виконують ось такі операції' 1) перетворюють оптичний сигнал в аналогову електричну напругу зображення (тобто запам'ятовують зображення в ОЗУ 1); 2) перетворюють аналоговий електричний сигнал в дискретну електричну напругу розрядного зрізу(кодують інформацію у вигляді 2 - рівня зображень розміру N х М і запам'ятовують зображення в ОЗУ 2), 3) віднімають від попередньої електричної напруги розрядного зрізу П постійну складову та відповідну зменшену електричну напругу (теж без постійної складової) кожного розрядного зрізу (тобто формують контур зрізу в блоці 4); 4) виконують оптичне спектральне перетворювання яскравості зображення кожного розрядного зрізу (по ординаті в призмі 5, по абсцисі в призмі 6), 5) модулюють оптичне зображення контуру кожного розрядного зрізу спектром нормалізованого розрядного зрізу(по оординаті в оптичному множнику 7, по абсцисі в оптичному множнику 8); 6) здійснюють просторову модулнцію(в блоці 9 - 20) оптичного зображення початкового розрядного- зрізу оптичним модульованим контуром по ординаті в двох напрямах окремо (ліворуч в блоці зсуву 9. суматорі 13, множнику 17 та праворуч відповідно в блоці 10. 14, 18), та в двох інших напрямах (вгору в блоці 11,15,19 та вниз відповідно в •блоці 12,16,20). В прикладі реалізації способу, показаному на фіт 1, виконуються слідуючі перетворення Вхідна інформацт попадає у вигляді 2к-рівневих зображень розміру NxM і далі оброблюється по розоядним зрізам починаючи з нульового, Я¥ масив NxM операндів розряду к. Запис і зберігання масиву NxM к - розрядних операндів виконується з використанням двомірного к - розрядного ОЗУ 1, цей зріз записується і зберігається в бінарному ОЗУ 2 Блок керування БУ 3 може бути виконано аналогічно цифровому оптоєлектронному процесору багаторівневих зображень [7] Оптичні нормалізатори 5 і В повинні бути виконані, наприклад, у вигляді прозорих призм і звернуті друг відносно друга у вертикальній площині на 90° Основа призми нормалізатора 5 збігається з горизонтальною площиною, а основа нормалізатора 6 збігається з вертикальною площиною і звернута паралельно вхідному оптичному сигналу від ОЗУ 2. Такий простий оптичний нормапізатор да*; велику похибку 100% /const -100/7 ~= 16%, нормалізує кожну незв'язну ділянку розрядного зрізу шляхом її "забарвлення" смугами 7-й кольорів радуги Кольорові смуги розташовані горизонтально в нормалізаіорі 5 і вертикально у блоці 6 Не спід плутати нормализатор з поворотною призмою променевого дільника [9]. оскільки в даному випадку призма прозора і розділяє рядки (стовпчики) зрізу ні на перші чи другі рядки (стовпчики), а кодує рядки (стовпчики) зрізу окремим кольором (як оптичний спектральний аналіз) Оптичні блоки логіки з 7-го до 20-го можливо виконати аналогічно описаним в праці [7] або [В] Подивимося на приклад формування коду Лисенко для кодування зображення символу "У" одного розрядного зрізу як загальний випадок, оскільки цей символ розташовано не симетрично відносно ординати та ябсцмсм. Зріз попадає в нормалізатор 5 і забарвлює горизонтальними смугами у сім коль'орів ( сім кольорів пронумеровано від одного до семи) як на фіг. 2, ч й нормалізатор' 6 символ забарвлюється вертикапьними полозами семи кольсрів як на фіг. 3. Блок 4 відокремлення контуру (може містить в собі лічильник організації циклічного зсуву, оптичний елемент зсуву, оптичний суматор за модулем два для накладання посунутого розрядного зрізу з вихідним розрядним зрізом і формування угорі, знизу, праворуч, ліворуч частин контуру розрядного зрізу) Ці частини контурної лінії з бпоку 4 йдуть в оптичні множники 7 і 8 і накладуються на нормалізоване зображений І забарвлюються в копьори як на фіг 4 і фіг 5 Чотири забарвлені ділянки контурної ліні) переміщаються кожний у своєму напрямі в блоках оптичного зсуву 9,10,11,12 І забарвлюють регістровий зріз в блоках 13,14,15,16 відповідно При цьому блоки 17,18,19.20 запобігають забарвленню зрізу за межами регістрового зрізу. Таким чином, на виході 42.43,44,45 формується код Лисенко (див фіг 6,7,8,9) Зниження похибки у два рази шляхом збільшення у два рази кількості градацій нормалізатора може бути досягнуто, наприклад, заміною призми кожного з нормалізаторів, спареною призмою як на фіг. 10 Можна сумістити нормалізатори в один корпус як на фіг. 11 Щоб сумістити роботу нормалізатора в сферичній і Декартовій системах координат, нормалізатор має вигляд прозорого циліндру з конусоподібним отвором як на фіг 12 (порівняйте, наприклад, з вгнутою поверхню сітчатки ока ) Оскільки consl=7*2~14 (фактично const=13, оскільки кольори середніх смуг 7 І 8 збігаються), то похибка пристрою у відповідності за відомою теоремою В.А Котепьникова буде: 100% /13 = 7, 7%. Код Лисенко длп кодування зображень має у чотири рази надмірність, оскільки достатньо на оптичний суматор подати лише одну з чотирьох згорток по усім розрядним зрізам щоб одержати на виході вхідну інформацію. Надмірність коду забезпечує йому високу ступінь надійності Оскільки кожна з згорток кодує розрядний зріз з 13-й кольорів, то чотири згортки дозволяють кодувати кольором 134=28561 характерних ознак вхідної інформації без обліку наявності самої контурної лінії Цей код має вигоди перед аналогічним кодом одержаним в сферичній системі координат [В], оскільки для сферичної системи координат 35289 пристрій пидає одну згортку, зя допомогою котрої можна кодувати пише 13 -13 характерних ознак, при інших рівних умовах з кодом у дєкартовій системі координат Нижня межа похибки апроксимації ВУІДНО( інформації, але вже на виході пристрою, для декартово! системи координат буде 100% /13^0 004 а для сферичної 100% /13 1 = 7 7% (для декартово) системи координат помилка значно нижче, оскільки кожна з 4-х 'голограм" доповнює ДРУ Друга) Захист інформації кода Лисенко при кодуванні зображення від несанкціонованого доступу може бути виконано, наприклад передбаченим деформуванням контуру згортки шляхом накладання рамки розміру N х М різного кольору на кожну з чотирьох згорток кожного розрядного зрізу У такому разі відновлення вихідного зображення призводиться на оптичному суматорі подачею на вхід почергово чотирьох згорток усіх розрядних зрізів з попереднім відновленням згортки шляхом віднімання з неї (подається на суматор зворотний оптичний сигнал) рамки розміру N х М ВІДПОВІДНОГО кольору Швидке перетворення Фур'є [10] вимагає виконання N(!og2N)/2 операцій, для матриці розміром N х N Оскільки нормзлпаиія зміни масштабу виконується на фізичному рівні практично миттєво, то запропонований спосіб вимагає виконання N операцій лише на паралельне "забарвпення" зображення у чотири відповідні частини нормалізованого контуру шляхом зсуву частини контуру на N "піксела", то ефективність запропонованого способу одержуємо із умови N(!og2N)/2>N, звідки log2N/2>1 або log2N >2, або N >4 Таким чином, для матриць розміром більше 4 x 4 запропонований спосіб потребує менше лічень ніж швидке перетворення Фур'є Література 1 Вирченко Н А , Царенко В Н "Дробные интегральные преобразования гипергеометричноготипэ' Киев изд во "Думка', 1995 -С 216 2 Рабинер Л Р , Гоулд Б 'Теория и применение цифровой обработки сигналов" М Радио и связь 1978 - С 848 3 Лисенко М Г "Спосіб витягання кореня довільного степеня" Патент на винахід Украши № 10408А, G06G7/20, 1994 4 Лысенко Н Г "Математическое и программное обеспечение нейрокомпьютеров" - Харьков из во "Основа", 1991 -С 92 5 Бондаренко Михайло Федорович та інші "Спосіб кодування звуку" Патент на винахід України № 24287А Н 03 М 3/00 1998 6 Путятин Є П , Аверин С И "Обработка изображений в робототехнике" -Москва Машиностроение 1490-С 320 7 Кожем'яко В П та інші "Цифровий оптоелектронний процесор багаторівневих зображень". Патент на винахід України № 14807А G 06 F 15/16, G 0 6 E 1/04,199^ 8 Вербоэецкий А А "Огггоэлектрокный страничный Фурье-преобразователь" А С СССР № 1274509, кл G 11 С 11/42 1985 9 Вербовецкий А А "Оптоэлектронный логический блок" А С СССР № 1396827, кл G 11 С 11/42, 1986 10 Власенко В О и другие "Поточно-рекурсивний пристрій швидкого перетворення Фур'є" Патент на винахід України, № 15430А, 6 06 F 15/332, 1997 іг. 1 35289 ooooooooo ooooooooo 020000010 002000020 000303030 OQ0043440 000005500 0000O66O0 000077000 000000000 010000070 002000070 000300070 000045070 000005600 000005600 O00OI550OO П0000ООО0 Фіг. 2 Фіг. З ooooocooo ooooocooo 01OOO001D 0Q2QOOO00 000300000 000044040 010000070 002000070 0003OOO70 000000070 000005070 0000050^0 000040600 000000000 эоооооооо 000000000 000077000 000000000 Фіг, 4 Фіг. 5 ooooooooo ooooooooo ooooooooo ooooooooo O1OOO001O 002000010 000303010 C00044010 000040000 000044600 O0C.O44OOD 01OOO0O70 002000070 000300070 000040660 000005550 00000555C ОО004ЯО0О oooaooGoo ooaoacooo 010000040 002000С4Э 000300040 00007:040 000077000 000077600 000077600 O0000O0OG 010000070 0C2OOOD70 000300070 000077770 00OC07770 000007770 000066600 OOOOOOOOO Фіг. 8 Фіг. 9 ІГ. 6 Фіг. 10 Фіг. 7 Фіг. 11 Тираж 50 екз Відкрите акціонерне товариство «Патент» Україна, 88000, м. Ужгород, вул. ГагарІна, 101 (03122)3-72-89 (03122)2-57-03 Фіг. 12