Способ распознавания симметричности изображений объектов и устройство для его осуществления

Способ распознавания симметричности изображений объектов и устройство для его осуществления

Реферат

 

Изобретение относится к автоматике и вычислительной технике. Его использование для обработки изображений в системах управления и технического зрения роботов позволяет расширить функциональные возможности за счет установления вида симметрии исходного изображения. В устройстве, содержащем блоки смещения изображения, блок поворота изображения, мультипликаторы светового потока, формирователи сигналов статических моментов и блок управления, осуществляют смену комплектов бинарных теневых осесимметричных масок при каждом угле поворота исходного изображения и сдвигают исходное изображение до уравновешивания интегральных сигналов от соответствующих полуплоскостей исходного изображения. По наличию или отсутствию этих сдвигов для различных углов поворота принимают решение о виде симметрии (центральная, осевая либо отсутствие симметрии) исходного изображения. 2 с.п. ф-лы, 15 ил., 4 табл.

Изобретение относится к автоматике и вычислительной технике и может быть использовано для обработки изображений в системах управления и системах технического зрения промышленных роботов.

Целью изобретения является расширение функциональных возможностей за счет установления вида симметрии исходного изображения.

На фиг. 1 приведена иллюстрация исходной ориентации несимметричного изображения объекта с его центром-образом и связанное с ним поле зрения; на фиг. 2 центрально-симметричное изображение объекта с центром-образом и связанное с ним поле зрения; на фиг.3 осесимметричное изображение объекта с центром-образом и связанное с ним поле зрения; на фиг.4 несимметричное изображение объекта с центром-образом и связанное с ним поле зрения; на фиг.5 различные изображения объектов с признаками симметрии относительно центра и оси; на фиг. 6 структурная схема устройства, реализующего способ; на фиг.7 функциональная схема формирователя сигналов статических моментов; на фиг.8 вариант выполнения согласующего блока; на фиг.9, 10 выполнение блока управления; на фиг.11 блок-схема алгоритма функционирования блока управления; на фиг. 12 пример разложения симметричного изображения объекта относительно O'Y' по фрагментам при его первичном центрировании в первом блоке определения сигналов статических моментов первым комплексом масок; на фиг.13 пример разложения симметричного изображения объекта относительно O'X' по фрагментам при его первичном центрировании во втором блоке определения сигналов статических моментов первым комплектом масок; на фиг.14 пример разложения симметричного изображения объекта относительно оси O'Y' по фрагментам при его вторичном центрировании в первом блоке определения сигналов статических моментов вторым комплектом масок; на фиг.15 пример разложения симметричного изображения объекта относительно оси O'X' по фрагментам при его вторичном центрировании во втором блоке определения сигналов статических моментов вторым комплектом масок.

Предлагаемый способ заключается в следующем.

Световой поток исходного изображения, заданного функцией яркости f(x,y), мультиплицируют и разделяют на два равных по интенсивности световых потока, которые в системе координат XOY подвергаются обработке относительно ортогональных осей Х' и Y' новой системы координат X'O'Y', начало которой совпадает с центром поля зрения. Для этого каждый из световых n-потоков пропускают через теневые бинарные маски, осуществляя пространственную модуляцию интенсивности фрагментов изображения по весам координат точек, формируют части изображения в смежных полуплоскостях, выполняют пространственное интегрирование, преобразуют световые сигналы в электрические, определяют взвешенные суммы интенсивностей изображения, соответствующих порядку статического момента, относительно ортогональных осей Y' и X', сравнивают суммарные сигналы, полученные в смежных полуплоскостях, по результатам сравнения осуществляют операции центрирования: по статическим моментам первого m₁₀; m₀₁ и более высоких порядков m ; m (где , 2,3,4,К). На первом этапе, при первичном центрировании модулируют интенсивность фрагментов изображения по весам координат точек с помощью комплекта теневых бинарных масок, соответствующих определению статических моментов первого порядка. В декартовой системе XOY формируют части изображения в смежных полуплоскостях X'<O' и X'>O' относительно оси O'Y'; а также Y'<O' и Y'>O' относительно оси O'X', после чего преобразуют световые сигналы в электрические. Определяют взвешенные суммы интенсивностей изображения, а затем сравнивают их, если: a) соответствует достижению равенства в смежных полуплоскостях, фиксируют точку координатной привязки, которая совпадает с центром тяжести A₁(x₁,y₁).

б) для достижения равенства осуществляют сдвиг изображения вдоль обеих осей X' и Y', фиксируют величины сдвигов.

Например, когда m> m то сдвиг изображения осуществляют вдоль оси X' в положительном направлении, если m< m то сдвиг изображения осуществляют вдоль оси X' в отрицательном направлении.

Аналогично ведется уравновешивание статических моментов mи m в смежных полуплоскостях Y'<O' и Y'>O' вдоль оси Y'.

На втором этапе, при повторных центрированиях осуществляют поочередно смену комплектов теневых бинарных масок и модулируют интенсивность фрагментов изображения по весам координат точек с помощью комплектов теневых бинарных масок, соответствующих статическим моментам второго порядка (m₂₀, m₀₂), третьего (m₃₀ и m₀₃) и более высоких порядков (m₀ и m₀ ).

Аналогично, как и для статических моментов первого порядка, для каждого i-го комплекта теневых бинарных масок, соответствующих i-му статическому моменту, только с учетом поворота изображения от О. /2 с шагом световой поток исходного изображения после модуляции интегрируют, преобразуют в электрические сигналы, определяют взвешенные суммы интенсивностей, сравнивают и уравновешивают их. Причем для изображения объекта исходной ориентации с функцией яркости f(x, y) (фиг.1) в координатной системе XOY равенство статических моментов более высоких порядков m₂₀, m₃₀,m и m₀₂, m₀₃,m в смежных полуплоскостях обеспечивается соответственно относительно осей Y", Y''',Y и X",X''',X ,положение которых в старой системе координат XOY определяется соотвественно абсциссами x₂,x₃,x_k и ординатами y₂,y₃,y_k. Эти координаты определяют положение совокупности точек преобразованного изображения, именуемого в дальнейшем точками центра-образа. Т.к. уравновешивание статических моментов любого порядка в смежных полуплоскостях предлагаемым способом ведется относительно осей Y' и X', то возникает необходимость уравновешивания соответственно посредством сдвигов на x₁, x₂, x_k-1 и y₁, y₂, y_k-1. По достижении равенства статических моментов m₀ и m₀ в смежных полуплоскостях x'<O'; x'>O' и y<O'; y'>O': m= m; m= m фиксируют и запоминают дополнительные смещения (x_i) и (y_i) относительно точки координатной привязки A₁(x₁,y₁).

Следовательно, через каждые для одного и того же изображения объекта в координатной системе XOY будет формироваться совокупность точек, полученных при первичном и повторном центрированиях с помощью статических моментов m₀ и m₀ (при , 2,3,k), которые и будут определять центр-образ исходного изображения.

На фиг.1 представлено изображение несимметричного объекта исходной ориентации и его центр-образ, причем центр поля зрения совпадает с точкой координатной привязки A₁(x₁,y₁) и табл.1, поясняющая определение точек центра-образа с помощью статических моментов более высоких порядков.

Т.е. для каждого конкретного комплекса теневых бинарных масок, соответствующих конкретному статическому моменту более высокого порядка, фиксируют и запоминают столько дополнительных смещений, а следовательно, формируют столько центров-образов, сколько поворотов L предусмотрено для распознавания изображения объекта за время операции распознавания. После смены K-комплектов теневых масок и осуществления (K-1) повторных центрирований с учетом поворота от 0. /2 формируют три результирующих сигнала.

Первый результирующий сигнал формируют равным логической единице, соответствующий признаку центральной симметрии, если независимо от смены K-числа комплектов масок и L-числа поворотов изображения точки центра-образа A₂, A₃,A_k совпадают (фиг.2) c центром тяжести изображения A₁(x₁,y₁), т.е. дополнительные смещения вдоль координатных осей x¹ и y¹ относительно точки координатной привязки равны нулю: (x_i) x₁; (y_i) y₁ или (x_i) 0; (y_i) 0.

Второй результирующий сигнал формируют равным логической единице, соответствующий признаку осевой симметрии, если при повороте от 0. <N>pi<N>/2 можно зафиксировать для одного и того же угла, например , для которого независимо от смены (k-1)-числа комплектов теневых бинарных масок смещения y₁, y₂, y_k-1 вдоль одной из осей, например Y', относительно точки координатной привязки A₁(x₁,y₁) равны нулю, а вдоль другой оси, в данном случае X' изменяются (фиг.3). Следовательно, (y_i) y₁; (x_i) x₁ или (y_i)= 0 (x_i) 0; что соответствует признаку симметрии относительно оси X'. Аналогично для угла / 2 (x_i) x₁; (y_i) y₁ или (x_i)= 0 (y_i) 0 что соответствует признаку симметрии относительно оси Y'.

Третий рзультирующий сигнал формируют равным логической единице, соответствующий несимметричности изображения объекта, если дополнительные смещения при всех комплектах масок и углах поворота относительно точки координатной привязки вдоль осей X' и Y' изменяются (фиг.4), т.е.

(x_i) x₁; (y_i) x₁; т.е.

(x_i) 0 (y_i) 0.. Из трех результирующих сигналов выделяют один, по которому принимают решение о наличии признака симметрии исследуемого изображения (табл.2).

Если первый результирующий сигнал равен логической единице одновременно с равенством второго и третьего результирующих сигналов логическому нулю, то выделяется признак центральной симметрии (фиг.2), если второй результирующий сигнал равен логической единице, а первый и третий результирующие сигналы одновременно равны логическому нулю, то судят об осевой симметрии изображения (фиг.3), если третий результирующий сигнал равен логической единице, а первый и второй результирующие сигналы равны логическому нулю, то судят и несимметричности изображения объекта (фиг.4).

На фиг.5 приведены исследуемые изображения с центром-образом для каждого из них, которые разбиты по классам, соответствующим признакам распознавания симметричных изображений.

Для принятия правильного решения о наличии одного из трех признаков за цикл операции распознавания необязательно применение большого числа комплектов масок (например K), т.к. для получения положительного эффекта достаточно использовать лишь несколько комплектов, по числу не превышающих 3-4-х. Способ не критичен к небольшим размерностям изображения и влиянию возмущающих факторов при колебании коэффициента передачи до 5% Устройство для осуществления предлагаемого способа содержит первый блок 1 смещения с проецирующей оптикой, блок поворота изображения 2, второй блок смещения 3, мультипликаторы 4 светового потока, первый и второй формирователи 5 сигналов статических моментов и блок 6 управления. Каждый формирователь 5 включает блок 7 смены комплектов теневых бинарных масок, пары 8 оптических преобразователей, фотоприемники 9, первый и второй блоки 10 весового суммирования, блок 11 вычитания и согласующий блок 12. Блок 7 содержит исполнительный узел 13 (дешифратор с набором электромагнитных толкателей), комплекты 14 теневых бинарных масок 15 и контактный узел 16. Согласующий блок 12 (фиг.8) содержит компараторы 17, 18, элемент 19 неравнозначности и источники 20, 21 опорных напряжений.

Блок 6 управления (фиг.9, 10) содержит программируемое ПЗУ 22, регистр 23, дешифраторы 24-27, генератор 28 тактовых импульсов, триггер 29, логический элемент 2И-ИЛИ-НЕ 30, элемент НЕ 31, элементы 2И-НЕ 32, 33, элемент И 34, счетчики 35-40, дешифратор 41, ОЗУ 42, 43, элементы 44, 45 сравнения, триггеры 46, 47, 48, элементы ИЛИ-НЕ 49, элемент 50, элемент 51 неравнозначности, элементы НЕ 52, 53 и 2(k-1) элементов И 54.

Устройство работает следующим образом.

Запуск устройства осуществляется по входу 61. По шинам данных на входы 62, 63, 64, 65 устройства подают исходные данные величин соответственно: N (количество столбцов), М (количество строк), L (число поворотов изображения), K (число комплектов масок), которые в дальнейшем используются для выполнения операции распознавания симметричных изображений объектов.

Первый блок смещения 1 с проецирующей оптикой формирует световой поток обрабатываемого изображения исходной ориентации с распределением яркости f(x, y), который с его выхода пропускается по входам через блок поворота 2 изображений и второй блок смещения 3, затем поступает на вход мультипликаторов 4. Мультипликаторы 4 размножают и разделяют входное изображение по двум каналам обработки, по первой и второй группам n выходов, которые с n выходов первого и второго мультипликаторов 4 поступают на n входы формирователей 5 сигналов статических моментов частей изображения. Первоначально в блоках 5 выставлены комплекты 14 масок 15 оптического фильтра, адреса которых фиксируются блоком управления 6 по входам 55 и 56 для формирования статических моментов первого порядка m₁₀ в блоке 5.1 и m₀₁ в блоке 5.2. Блок 5.1 формирует и сравнивает сигналы статических моментов частей изображения в смежных полуплоскостях X'<O' и X'>O" относительно оси O'Y', а блок 5.2 в полуплоскостях Y'<O' и Y'>O' относительно оси O'X'. По второму выходу в блоках 5 выдаются результаты сравнения сформированных сигналов статических моментов в смежных плоскостях соответственно m; m; mи m в виде выходных напряжений U (для блока 5.1) и (для блока 5.2).

Полученное выходное напряжение U поступает на вход согласующего блока 7, в формирователе 5.1, выходное напряжение согласующего блока 7 в формирователе 5.2. Выходное напряжение U (аналогично и для ) соответствует сформированному сигналу, амплитуда которого принимает положительный или отрицательный знак и может находиться в пределах, не превышающих опорного напряжения -U₁, +U₂. Т. к. сигнал U несет информацию о равенстве статических моментов частей изображения в смежных полуплоскостях или несоответствии этого равенства, то согласующий блок 7 работает таким образом, что расшифровывает и кодирует состояние сигнала на втором выходе формирователя 5 сигналов статических моментов частей изображения. Если m> m то на выходе блока 7 представляется код 11, соответствующий сдвигу изображения вправо вдоль оси O'X', аналогично неравенство m< m представляется кодом 01, что соответствует сдвигу изображения влево вдоль оси O'Y'. В случае равенства m= m на выходе согласующего блока 7 представлен код 00, что соответствует центрированному положению изображения.

Таким образом, на выходе согласующего блока 7 формируются два сигнала, которые являются первым и вторым сигналами кодирующего двухразрядного слова, поступающими по группе выходов согласующего блока 7 на входы 57 и 58 блока 6 управления соответственно. Аналогично на выходе согласующего блока 7 формирователя 5.2 формируются двухразрядные коды, несущие информацию о выравнивании статических моментов mи m поступающие на входы 59 и 60 блока 6 управления.

Первичное центрирование изображения осуществляется за счет первого блока 1 смещения, причем коды на смещение вдоль X' и Y'будут подаваться соответственно по n-разрядной и m-разрядной шинам соответственно по второй и третьей группам выходов 67 и 68 от блока 6 управления. Состояние этих адресов фиксируется и запоминается в блоке 6 управления. После того, как в блоках 5 будет выполнено первичное центрирование, блок 6 управления зафиксирует и запомнит координаты центра тяжести изображения A₁(x₁,y₁) и будет использовать в дальнейшем эту точку, как точку кординатной привязки для определения последующих смещений относительно X¹ и Y¹ при повторных центрированиях по статическим моментам более высоких порядков. Итак, когда первичное центрирование осуществлено, т.е. блоком 6 управления зафиксирована в памяти точка A₁(x₁,y₁), по первой группе выходов 66 блока 6 управления по (k)-разрядным шинам логических сигналов на входы исполнительных устройств 10 и 11 поступает информация в виде двоичного кода. По соответствующему адресу, поступающему на управляющие входы исполнительных узлов 13, в блоках 7, на его выходах осуществляется выдвижение соответствующего комплекта 14 теневых бинарных масок 15 с функцией пропускания, которая соответствует порядку статического момента, формируемого в данный момент блоками 5. Каждый этап завершения центрирования (первичного и повторных) будет сопровождаться изменением кода в блоке 6 управления, поступающего на входы исполнительных узлов 13 для осущствления смены того или иного комплекта 14 масок 15.

Второй этап вторичное центрирование осуществляется при выставленном втором комплекте 14.2 масок 15, необходимых для формирования статических моментов m; mи m; m соответственно в блоках 5.1 и 5.2.

После смены масок первого комплекта 14.1 в блоках 5, фиксируемого соответственно по входам 55 и 56 блока 6 управления, на выходах блоков 5 аналогично описанному выше появятся сигналы U и сравнения стати ческих моментов m; m (в блоке 5.1) и m; m (в блоке 5.2), которые на выходах согласующих блоков 7 опять будут формировать по два сигнала, соответствующих двухразрядному слову и несущих информацию на выполнение конкретных действий (сдвиги или фиксация центрированного положения) блоком 6 управления. Выравнивание моментов m₂₀ и m₀₂ соответственно в блоках 5.1 и 5.2 осуществляется вторым блоком 3 смещения, сигналы на который подаются соответственно по n-разрядной и m-разрядной шинам блока 6 управления. Т. е. по входному сигналу четвертой группы 69 выходов блока 6 управления производится выравнивание статических моментов mи m в блоке 5.1, а по выходному сигналу пятой группы выходов 70 блока 6 управления производится выравнивание статических моментов mи m в блоке 5.2. Первый 1 и второй 3 блоки смещения принимают по два кода, один по первому управляющему входу на смещение вдоль оси X', другой по второму управляющему входу вдоль оси Y'.

По достижении вторичного центрирования происходит фиксация и запоминание: второго комплекта 14.2 масок 15, состояния равенства моментов mи m; mи m величины смещений x₁; y₁ относительно точки координатной привязки A(x₁,y₁).

Затем для этого же комплекта 14.2 (второго) масок 15 относительно A(x₁, y₁) по l-разрядной шине шестой группы выходов 71 блока 6 управления с шагом с точностью до дискрета /L (L число поворотов изображения, необходимых для его анализа, 0 / 2 будет формироваться текущий код, необходимый для осуществления L числа поворотов блоком 2 поворота изображений.

Для каждого i-го шага поворота _i ведется поиск (сдвиги по осям X' и Y') по выравниванию моментов m;m и m; m Состояние равенства указанных моментов при каждом повороте на также фиксируется и запоминается блоком 6 управления. Описанный выше алгоритм повторяется с учетом поворота изображений столько раз, сколько комплектов масок используется во время операции распознавания симметричных изображений объектов.

Таким образом, при первичном центрировании по статическим моментам mи m в блоке 5,1 и mи m в блоке 5.2 найдены координаты центра тяжести, совпадающие с центром поля зрения. При повторных центрирования по статическим моментам более высоких порядков m₀ и m₀ (, 2,3,k) будут найдены координаты центра-образа изображения. Состоянию согласующих блоков 7, для которых необходимо формирование сигнала 00 (достижение центрирования), всегда будут соответствовать равенства: Следовательно, в зависимости от геометрических особенностей изображения объекта для выравнивания статических моментов более высоких порядков m; m блоком 5.1 и m; m блоком 5.2, возникает необходимость определения смещений x_k-1; y_k-1 относительно точки координатной привязки A(x₁,y₁). По смещениям (x_i) и (y_i) которые фиксируются и запоминаются блоком 6 управления для каждого комплекта 14 масок 15 с учетом поворота изображения от 0. /2 будут сформированы три результирующих сигнала. Каждый результирующий сигнал несет в себя информацию о взаимном положении точек центра-образа А₁,А₂,А₃,А_k. Блок 6 управления из трех результирующих сигналов выделяетт один, соответствующий одному из признаков, по которому судят о распознаваемом изображении объекта. Логический (первый результирующий) сигнал, соответствующий единичному уровню, появляется на выходе 72 устройства, если независимо от смены комплекта масок и поворота изображения от 0./2 (x_i)= 0 и (y_i)= 0. Следовательно, x₁ x₂ x₃ x_k и y₁ y₂ y₃ y_k, а точки центра-образа вырождаются в одну, значит, A₁ A₂ A₃ A_k, т.е. распознаваемое изображение центрально-симметричное. Логический (второй результирующий) сигнал, соответствующий единичному уровню, появляется на выходе 73 устройства, если независимо от смены комплекта 14 масок при одном и том же конкретном угле поворота по одной из осей, например x', (x_i)= 0 a (y_i) 0. Следовательно, x₁ x₂ x₃ x_k; y₁ y₂ y₃ y_k, а точки центра-образа находятся на одной оси, в данном случае A₁;A₂;A₃;A_kY', т.е. распознаваемое изображение осесимметричное относительно y'. Аналогичный сигнал на выходе 73 будет получен в случае осевой симметрии относительно X', т.к. (x_i) 0; (y_i)= 0. Т. е. x₁ x₂ x₃ x_k, y₁ y₂ y₃ y_k, а точки центра-образа находятся на оси X', следовательно, A₁;A₂;A₃; A_kX'. Логический (третий результирующий) сигнал, соответствующий единичному уровню, появляется на выходе 74 в случае, если (x_i); (y_i)0. Следовательно, точки центра-образа не преобразуются в точку или прямую, что свидетельствует о признаке несимметричного изображения. За цикл обработки в памяти блока 6 управления хранятся все значения x₁; x₂; x_k-1 и y₁ y₂; y_k-1 с учетом сменяемых комплектов масок и поворота изображения. После определения признака симметрии распознаваемого изображения объекта по одному из результирующих сигналов, полученных на выходе устройства, блок 6 управления по выходу 75 выдает сигнал "Конец операции распознавания". Затем на оптический вход устройства для распознавания подается другое изображение.

Формирователь 5.1 сигналов статических моментов частей изображения (фиг. 7) формирует сигналы статических моментов первого порядка в смежных полуплоскостях mи m при первичном центрировании и сигналы статических моментов более высокого порядка mи m (=2,3,k) при повторных центрированиях. Блок 7 содержит k комплектов 14 теневых бинарных масок 15 с двумя коэффициентами пропускания V₁=1; V₂=0. Коэффициенту V₁=1 соответствуют прозрачные полосы (заштри- хованные), коэффициенту V₂=0 непрозрачные (незаштрихованные) полосы теневых масок. Теневые маски 15 первого комплекта 14.1, модулирующие оптические сигналы статических моментов mи m выполнены таким образом, что функция пропускания V(x) входного светового потока i-й маской 15 в блоке 5.1 может принимать значения: V(x) р (1) Независимо от значения y в выражении (1) функция V(x) зависима от абсциссы х в первой степени и может принимать значения x=0,1,2,3, Аналогично для блока 5.2 теневые маски 15 модулируют оптические сигналы статических моментов mи m так, что функция V(y) независима от х: V(y) (2) В выражении (2) функция V(y) зависима от ординаты y в первой степени и также принимает значения y 0,1,2,3, Теневые маски 15 второго комплекта 14.2 модулируют оптические сигналы статических моментов второго порядка в смежных полуплоскостях mи m / имеют функцию пропускания V(x²)/ зависящую от второй степени абсциссы x²(x²=1,4,9,16,) независимо от y: V(x²) р (3) Аналогично для блока 5.2 теневые маски 15 модулируют оптические сигналы статических моментов второго порядка в смежных в полуплооскостях mи m.

V(y²) (4) Следовательно, для K-го комплекта 14.k теневых масок 15 в блоке 5.1 осуществляется простран