ITRM20080372A1 - Apparato per la valutazione di polinomi - Google Patents

Description

La presente invenzione si riferisce

ad un apparato per l'elaborazione di immagini.

(ma non esclusivamente)

impiegabile per risolvere problemi inerenti cercatori a raggi infrarossi a bordo di missili guidati.

In generale, un cercatore a raggi infrarossi (IR) montato nella regione della punta di un missile, Ã ̈ protetto da una calotta trasmissiva ai raggi infrarossi.

È stato notato che il movimento del missile attraverso l'atmosfera provoca un riscaldamento locale della calotta che provoca una distorsione dell'Immagine termica ricevuta dal cercatore a infrarossi.

La calotta risulta solitamente più calda vicino al suo centro, dando luogo a un profilo di temperatura che attraversa il campo visivo del cercatore IR. L'emissività della calotta tende ad essere una funzione della temperatura, così da distoreere ulteriormente l'immagine ricevuta. Questi effetti contribuiscono a formare una deviazione additiva nell<'>uscita del cercatore, che à ̈ in generale dipendente dal profilo termico della calotta.

Questa deviazione à ̈ nota in alcuni casi come "ombreggiatura a bassa frequenza" che si manifesta sotto forma di profilo di intensità lentamente variabile. Il profilo termico temporale sulla calotta à ̈ mappato da ottiche cercatore associate sull'array, in modo da provocare una distorsione di immagine. L'ombreggiatura a bassa frequenza à ̈ inoltre peggiorata dalle nonlinearità presenti nella funzione di trasferimento dell'ottica del cercatore.

L'ombreggiatura ad alta frequenza può pure risultare evidente nell'emissione del cercatore e questo à ̈ di solito dovuto alla auto-emissione e alle riflessioni interne provenienti dall'ottica associata. Questo tipo di ombreggiatura da luogo alla generazione di una caratteristica inferiore nell'emissione del cercatore. Il problema dell'ombreggiatura ad alta frequenza non à ̈ affrontato dalla presente invenzione ma à ̈ menzionato per completezza.

L'invenzione impiega un procedimento di valutazione polinomiale per ridurre gli effetti dell'ombreggiatura a bassa frequenza fino a un livello accettabile.

Le tecniche convenzionali per la valutazione di polinomi adattano un processo di moltiplicazione che à ̈ costoso in termini di tempo di elaborazione e che richiede complesse risorse computazionali. Si veda ad esempio. Schimdr et Al., Physics in Medicine and Biology. vol 44. pagine 1231-1243. Gennaio 1999 e Goebel et Al, Pattern recognition Lecture Notes in Computer Science, vol.

3663. pagine 434-441. gennaio 2005. Entrambi sono esempi nei campo medicale.

In contrasto con le tecniche convenzionali per la valutazione di una funzione polinomiale, l'invenzione impiega un processo di addizione che può essere eseguito più velocemente da opportuno hardware di elaborazione. Un processo di addizione à ̈ noto nel settore tecnico degli effetti speciali video da US2005/0275933.

Di conseguenza, la presente invenzione comprende un apparato di elaborazione di immagini per l'elaborazione di dati di pixel in uscita da un array bidimensionale scansionato per la generazione di immagini, in cui una funzione di intensità di uscita I(xk,yj) proveniente dall'array comprende una superficie irregolare consistente di dati bersaglio e sfondo sovrapposti su una deviazione approssimante una superficie liscia rappresentata da una funzione di intensità G(xk,yj), in cui G(xk,yj) e' un polinomio di ordine N ed in cui.

l'apparato comprende :

mezzi per valutare la funzione di intensità G(xk,yj). detti mezzi comprendendo un addizionatore adatto a determinare la funzione di intensità per un dato punto aggiungendo il valore di detta funzione di intensità di un punto precedentemente calcolato ad un valore di offset, mezzi per calcolare i coefficienti della funzione di intensità G(xk,yj) dalla funzione di intensità di uscita I(xk,yj);

e mezzi per sottrarre G(xk,yj) da I(xk,yj) , in modo da lasciare senza deviazioni i_dati bersaglio e di sfondo.

Quindi, l'invenzione prevede un mezzo per correggere la funzione di intensità di una superficie distorta per ombreggiatura a bassa frequenza.

La correzione della superficie à ̈ composta da due processi: il calcolo, per ciascun pixel, del valore della superficie di ombreggiatura in una posizione di quel pixel e la sottrazione del valore di ombreggiatura dal valore del pixel ombreggiato, con formazione di un valore di pixel, in cui à ̈ stato rimosso il valore di ombreggiatura. Il primo processo richiede il calcolo del polinomio di stima. Il secondo processo à ̈ una semplice sottrazione.

I mezzi per valutare G(xk,yj) possono essere adatti per valutare la funzione di intensità G(xk,yj) per ciascun valore di pixel (xk,yj). dati detti coefficienti.

I mezzi per calcolare i coefficienti possono essere adatti ad eseguire un una interpolazione ai minimi quadrati alla funzione di intensità ricevuta I(xk,yj).

Normalmente, il cercatore à ̈ montato dentro a una sospensione cardanica. Se la valutazione della superficie e i processi di sottrazione sono eseguiti su immagini ottenute con differenti posizioni della sospensione cardanica, allora le coordinate di pixel (xk,yj) devono essere corrette in relazione al movimento della sospensione cardanica tra i frame. Quindi, opzionalmente, possono essere previsti mezzi di compensazione del movimento dell'arrav di acquisizione di immagini. Ad esempio, può essere previsto un mezzo di input e trasformazione della posizione della sospensione cardanica, per trasformare le coordinate di pixel, per tenere conto di ogni movimento relativo.

I mezzi di compensazione possono adottare un process soo di moltiplicazione a matrice.

La trasformazione richiesta può essere rappresentata da una matrice nxn. I coefficienti della matrice devono essere calcolati solo una volta per ciascuna coppia di frame di valutazione.

I termini individuali comprendenti il polinomio possono essere calcolati per N coppie di moduli, ciascuna coppia comprendendo un addizionatore ed un latch in cui N Ã ̈ l'ordine del termine individuale da calcolare.

Alcune forme di realizzazione dell'invenzione vengono ora descritte, solamente a titolo di esempio, con riferimento ai disegni, in cui:

la fig. 1 mostra uno schema a blocchi dell'apparato di elaborazione di immagini secondo l'invenzione,

la fig. 2 mostra una rappresentazione 3-D dell'uscita da un cercatore IR, la fig. 3 mostra curve rappresentanti l'uscita mostrata in fig. 3, prima e dopo l'elaborazione,

le fig. 4 e 5 mostrano schemi a blocchi di circuiti logici per implementare una parte dell'invenzione,

e la fig. 6 mostra uno schema a blocchi di un apparato di elaborazione di immagini alternativo secondo l'invenzione.

In fig. 1 , un cercatore IR 1 avente un array di pixel 2D di 256x256 pixel à ̈ montato nella ogiva di un missile (non mostrato).

Il cercatore 1 à ̈ scansionato secondo un raster o griglia e la sua uscita, che à ̈ una uscita video di frame successivi, può essere rappresentata dalla funzione di intensità bidimensionale I(xk,yj), in cui i valori xke yjvariano tra 1 e 256.

Una tipica funzione di intensità à ̈ mostrata in fig. 2. Qui, una immagine bersaglio 2 può essere vista al centro di un rumore di fondo. Come chiarito in precedenza, questa funzione di intensità à ̈ contaminata da una deviazione dovuta a un riscaldamento e altri effetti nella struttura circondante il cercatore 1.

Ritornando alla fig. 1, l'uscita dal cercatore à ̈ successivamente elaborata da una sequenza di moduli.

Un modulo di selezione 3 seleziona un numero di valori di I(xk,yj), p es. una griglia di 16x16 pixel allo scopo di caloolare i coefficienti di una funzione polinomiale eseguendo una interpolazione ai minimi quadrati sulla superficie rappresentata da I(xk,yj).

Un modulo di interpolazione ai minimi quadrati (LSF) 4 calcola i coefficienti di un polinomio di quarto ordine, che meglio approssimano i valori di I(xk,yj) scelti.

Un modulo di valutazione 5 usa i coefficienti calcolati per valutare una nuova funzione di intensità G(xk,yj) per xke yjvariabili da 1 a 256, ovvero per tutti i 256x256 pixel.

Un modulo di sottrazione 6 sottrae ciascun valore di pixel di G(xk,yj) dal suo equivalente valore di pixel I(xk,yj) in modo da ottenere una nuova funzione di superficie 2D T(xk,yj).

Facendo ora riferimento alla fig. 3, la curva A à ̈ una sezione trasversale del tracciato di fig. 2, che mostra x in funzione dell'intensità G. La deviazione indesiderata che contamina l'uscita dal cercatore à ̈ rappresentata dalla curva B. Questa à ̈ una curva uniforme che in 2 dimensioni à ̈ la superficie rappresentata da G(xk,yj), ovvero l'interpolazione ai minimi quadrati eseguita sulla funzione I(xk,yj).

La curva C mostra il risultato della sottrazione della curva B dalla curva A. Questo à ̈ un processo eseguito dal modulo di sottrazione 6. Una rappresentazione 2D della curva C à ̈ la funzione T(xk,yj). Questa ultima funzione rappresenta i dati bersaglio e di sfondo senza deviazione.

Il funzionamento di ciascuno dei suddetti moduli viene ora chiarito in maggiore dettaglio con riferimento alle fig. 1 , 4 e 5.

Per ciascun frame di dati video che forma l'uscita del cercatore IR 1 , viene identificata dal modulo di selezione 3, partendo da 256x256 possibili pixel una griglia di 16x16. La scelta dei punti e il numero di punti sono arbitrari, la scelta essendo un compromesso tra una accurata rappresentazione della forma complessiva della superficie rappresentata dalla funzione I(xk,yj) e il tempo di elaborazione disponibile.

Questi punti selezionati sono quindi passati al modulo LSF 4. Questo à ̈ un dispositivo convenzionale che calcola i coefficienti di un polinomio di ordine N, che meglio descrive la superficie rappresentata dai punti scelti. In questo esempio, un polinomio di quarto ordine à ̈ scelto per rappresentare una funzione di intensità G(x,y) avente la forma:

G(x,y) = Coo+CioX<+>Coiy<+>C2oX<2+>Co2y<2>

Ctixy+C3oX<3+>Co3y<3>+C2ix<2>y

C12y<2>x+Co4y<4+>Ci3xy<3>+C22X<2>y<2>

Cai^y+C^x<4>(1)

È possibile utilizzare una funzione di ordine inferiore o superiore, in funzione dell'applicazione. In questo esempio, gli inventori hanno riscontrato che una funzione di quarto ordine fornisce i migliori risultati.

Il modulo LSF 4 calcola i valori dei coefficienti “C†con metodi convenzionali e passa questi valori al modulo di valutazione 5. Dati i coefficienti, il modulo di valutazione 5 calcola la funzione G(xk,yj) per xke yjvariabili tra 1 e 256, ovvero lo scopo di questo modulo à ̈ quello di generare una superficie 2D uniforme, che meglio approssimi la funzione I(xk,yj), risolvendo l'equazione (1) per 256 x 256 punti.

Convenzionalmente, ciò sarebbe ottenuto eseguendo le necessarie moltiplicazioni e addizioni per ciascuna G(xk,yj). Ma le routine di moltiplicazione sono costose in termini di tempo di elaborazione. L'invenzione supera questo svantaggio risolvendo l'equazione (1) eseguendo solamente addizioni, il che richiede molto meno tempo di elaborazione.

Per comprendere come questo possa essere ottenuto, si consideri il seguente caso generale:

Il prodotto Cx può essere scritto come:

Cx = C(x-a)Ca (2) In cui x à ̈ una qualsiasi variabile e C ed a sono costanti.

Ora si considerino i termini in x per la funzione di intensità G(xk,yj) (equazione 1):

ovvero Gf(x)=CfoXr

G2(X)-C10X2(3) Gk(x)=C10xk

Confrontando queste equazioni (3) con l'equazione (2), possiamo p.es. scrivere

G2(x) = C10(x2-a)+C10a (4) Ora possiamo applicare la stessa analisi ai termini solo in y, e scrivere una espressione simile

G2(y) = C01(y2-b)+C01b (5) (in cui b à ̈ una costante).

Data la natura del processo di scansione utilizzato dal cercatore IR, i successivi valori di x e y si incrementano ogni volta di quantità uguali.

Ovvero I sia x1=x2-a (6)

e y1=y2-b (7)

Quindi, le equazioni (4) e (5) possono essere scritte, rispettivamente, G2(x) - G1(x)+C10a (4A) e,

G2(y) = G1(y)+C01b (5A) E in generale:

G(xk,yj) = G(Xk-a,yj)+C10a (8) Se non vi à ̈ alcun movimento rotatorio relativo tra i trame, allora "a<1>' e “b†sono entrambi uguali a 1.

Se vi à ̈ un movimento rotatorio relativo allora “a†e “b" sono leggermente inferiori a “1". in cui il loro valore à ̈ determinato dal suddetto processo a matrice di trasformazione.

Dall'equazione (8) si può dedurre che la funzione di intensità per un dato punto à ̈ uguale al valore della funzione di intensità del punto precedentemente calcolato più un offset.

Il principio può essere esteso a termini di ordine superiore dell'equazione 1 , e un ulteriore esempio à ̈ fornito di seguito.

Quindi, la funzione di intensità G(xk,yj) può essere determinata semplicemente mediante processi di addizione invece di processi di moltiplicazione, una volta che sono stati stabiliti i valori iniziali.

La fig. 4 mostra come l'equazione 8 possa venire implementata in hardware. La fig. 4 mostra un blocco costitutivo a due unità di un addizionatore 7 e un latch 8.

Un primo ingresso dell'addizionatore 7 comprende il valore iniziale C10.a. L'uscita dell'addizionatore à ̈ collegata all'ingresso del latch 8, che riceve pure un valore iniziale C10x1. L'uscita del latch 8 à ̈ ritrasmessa a un secondo ingresso dell'addizionatore 7.

Inizialmente, il primo termine in x, C10x1à ̈ calcolato e trasferito all'uscita del latch e al primo ingresso dell'addizionatore 7. Durante il secondo impulso di clock del latch, C10x1à ̈ sommato a C10a ed à ̈ trasferito all'uscita del latch. Questo valore à ̈ quindi C10x2.

Successivamente, si calcolano successivi valori di C10x sommando il precedente valore C10xk-aa C10a. Questa struttura di fig. 4 può pure essere usata per valutare i corrispondenti termini in y.

Il calcolo di ciascun valore di G(xk,yj) richiede solo un ciclo di clock del latch.

Come detto in precedenza, la tecnica illustrata in fig. 4 può essere estesa per determinare termini di ordine superiore. Si consideri ora il termine in x<2>.

Il prodotto Cx<2>può essere scritto come:

Cx<2>= C(x-a)<2>+2Cax-Ca<2>(9)

oppure; Cx<2>= C(x-a)<2>+2Ca(x-a)+Ca<2>(10) Dall'equazione 6, possiamo scrivere Cx2= Cx1<2>+2Cax1+Ca<2>(11) Quindi, i termini in x<2>(o y<2>) per l'espressione per G(xk,yj) in equazione (1) possono essere valutati usando l'hardware di fig. 5. Questo presenta due coppie di addizionatori e latch. Un primo addizionatore 9 riceve un input 2C20a<2>. La sua uscita à ̈ collegata a un primo latch 10, che riceve pure un valore di input iniziale 2C20ax1+2C20a<2>. Questa uscita del latch à ̈ Inviata di ritorno a un secondo ingresso dell'addizionatore 9. L'uscita del latch 10 va pure a un secondo addizionatore 11 , la cui uscita a sua volta va a un secondo latch 12. Il secondo latch riceve un valore di input iniziale C20x1<2>e la sua uscita à ̈ riportata a un secondo ingresso del secondo addizionatore 11.

Le uscite nei punti D ed E, ovvero del primo e secondo latch, sono rispettivamente mostrate nella seguente tabella per i primi tre impulsi di clock dei latch

Impulso di clock n. Uscita in D Uscita in E

1 2C2QBXI<+>C20Q* C2ox ?

2 2C2QSX C2oa<ii>+2C2oa<;i>C2òx i<2>+2C2o8x C20a<2>

(ovvero 2C20ax2+C2oa<7>[ovvero C X \ dalle equazioni 3 e 4A] dall'equazione 11]

3 2 C2aax2+C2oa'+2C20a' C X l 2C2Q3X2+C2Q3<2>

[ovvero 2C20ax3+C20a<2>] [ovvero C20x}' ]

Si può dimostrare che i restanti termini di ordine superiore nell'equazione (1) possono essere determinati in modo simile usando il blocco latchaddizionatore.

I termini in x<3>e y<3>e x<2>y richiedono p.es. tre coppie di latch-addiz ionato re, i termini x<4>e y<4>, quattro coppie e cosi via. In generale, un termine di ordine N richiede N coppie latch-addizionatore per la sua implementazione.

Ritornando ora alla fig. 1 , il modulo di valutazione 5 à ̈ così composto da un numero adeguato di coppie latch-addizionatore.

In questo esempio, i valori “a" e “b" sono uguali a 1 , ovvero non vi à ̈ alcun movimento rotatorio tra trame video. Il modulo di valutazione 5 à ̈ alimentato con i coefficienti “C" dal modulo LSF 4.

Quando ciascun valore per G(xk,yj) à ̈ stato valutato per ciascun pixel, esso à ̈ passato al modulo di sottrazione 6, in cui esso à ̈ sottratto dal suo equivalente I(xk,yj). Quindi, quando à ̈ stato elaborato un trame video completo, i dati di uscita dal modulo di sottrazione 6 comprendono la superficie modificata della curva C in fig. 3, ovvero la funzione T(xk,yj).

La forma di realizzazione alternativa di fig. 6 presenta gli stessi moduli della fig. 1, con le caratteristiche aggiuntive costituite da un monitor di posizione sospensione cardanica 13 e un modulo di trasformazione 14. Per correggere le coordinate pixel (xk,yj) in considerazione del movimento rotatorio della sospensione cardanica tra trame, il modulo trasformatore 14 riceve un input dal monitor di posizione sospensione cardanica 13 e determina i valori per “a†e “b†che esso usa per regolare i valori iniziali caricati nel latch, comprendente il modulo di valutazione. Il modulo trasformatore 14 opera per mezzo di una tecnica convenzionale, utilizzante la moltiplicazione a matrice n x n.

Legenda figure

Tavola 1/5

Fig. 1

1 = cercatore

3 = modulo di selezione

4 = modulo LSF

5 = modulo di valutazione

6 = modulo di sottrazione

Tavola 4/5

Fig. 4, 5

ADDER = ADDIZIONATORE

LATCH = LATCH

Tavola 5/5

1 = cercatore

13 = monitor posizione sospensione cardanica 3 = modulo di selezione

14 = modulo di trasformazione

4 = modulo LSF

5 = modulo di evacuazione

6 = modulo di sottrazione

Claims (7)

1. RIVENDICAZIONI 1. Apparato di elaborazione di immagini per l'elaborazione di dati di pixel in uscita da un arrav bidimensionale scansionato per la generazione di immagini, in cui una funzione di intensità di uscita I(xk,yj) proveniente dall'array comprende una superficie irregolare consistente di dati bersaglio e sfondo sovrapposti su una deviazione approssimante una superficie liscia rappresentata da una funzione di intensità G(xk,yj), in cui G(xk,yj) e' un polinomio di ordine N, in cui l'apparato comprende mezzi per valutare la funzione di intensità G(xk,yj). detti mezzi comprendendo un addizionatore adatto a determinare la funzione di intensità per un dato punto , sommando il valore della funzione di intensità G(xk,yj) per il punto calcolato precedente ad un valore di offset, mezzi per calcolare i coefficienti della funzione di intensità G(xk,yj) sulla base della funzione di intensità di uscita I(xk,yj) e mezzi per sottrarre G(xk,yj) da I(xk,yj), in modo da lasciare senza deviazioni i dati bersaglio e di sfondo.
2. 2. Apparato di elaborazione di immagini secondo la rivendicazione 1 , in cui i mezzi per valutare G(xk,yj) sono adatti a valutare la funzione di intensità G(xk,yj) per ciascun valore di pixel (xk,yj), dati detti coefficienti.
3. 3. Apparato di elaborazione di immagini secondo la rivendicazione 1 o la rivendicazione 2, in cui i mezzi per calcolare i coefficienti sono datti ad eseguire una interpolazione ai minimi quadrati alla funzione di intensità ricevuta I(xk,yj).
4. 4. Apparato di elaborazione di immagini secondo una qualsiasi delle precedenti rivendicazioni, comprendente mezzi per compensare il movimento dell array di generazione di immagini.
5. 5. Apparato di elaborazione di immagini secondo la rivendicazione 4, in cui i mezzi per compensare per il movimento deil'array di generazione di immagini utilizzano un processo di moltiplicazione a matrice.
6. 6. Apparato d'elaborazione di immagini, secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui i singoli termini formanti il polinomio sono calcolati da N coppie di moduli, in cui ciascuna coppia comprende un addizionatore e un latch, in cui N Ã ̈ l'ordine del singolo termine da calcolare.
7. 7. Cercatore infrarossi per un missile, comprendente un apparato di elaborazione di immagini secondo una qualsiasi delle precedenti rivendicazioni.