RU2695417C1 - Method for noise-immune gradient selection of object contours on digital halftone images - Google Patents

Method for noise-immune gradient selection of object contours on digital halftone images Download PDF

Info

Publication number
RU2695417C1
RU2695417C1 RU2018139827A RU2018139827A RU2695417C1 RU 2695417 C1 RU2695417 C1 RU 2695417C1 RU 2018139827 A RU2018139827 A RU 2018139827A RU 2018139827 A RU2018139827 A RU 2018139827A RU 2695417 C1 RU2695417 C1 RU 2695417C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
image
smoothing
contours
noise
gradient
Prior art date
Application number
RU2018139827A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Дмитрий Анатольевич Безуглов
Вячеслав Владимирович Воронин
Владимир Алексеевич Крутов
Original Assignee
федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Донской государственный технический университет" (ДГТУ)
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Донской государственный технический университет" (ДГТУ) filed Critical федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Донской государственный технический университет" (ДГТУ)
Priority to RU2018139827A priority Critical patent/RU2695417C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2695417C1 publication Critical patent/RU2695417C1/en

Links

Images

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H04ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04NPICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
    • H04N1/00Scanning, transmission or reproduction of documents or the like, e.g. facsimile transmission; Details thereof
    • H04N1/40Picture signal circuits
    • H04N1/409Edge or detail enhancement; Noise or error suppression

Abstract

FIELD: data processing.
SUBSTANCE: invention relates to image processing and can be used in photo, video, optical-location and optical-electronic equipment when solving tasks of pattern recognition by their contours on images. Method's essence consists in that, taking into account the noise level of the image, the smoothing coefficient is selected, coefficients of smoothing cubic B-splines are calculated along each line and each column of the image. Then two matrices Gx and Gy component of the brightness gradient at each point of the image by summation of smoothing parabolic B-splines with coefficients of smoothing cubic B-splines found earlier for rows and columns. Further, a brightness gradient module is determined at each point of the image. After that, contours of the object are formed by converting a brightness gradient module, during which elements on the new white matrix are selected with black colour, the modulus of the gradient for which in the image coordinates exceeds the transformation threshold.
EFFECT: high rate of extracting contours of halftone images in conditions of pulse interference.
1 cl, 3 tbl, 5 dwg

Description

Изобретение относится к области цифровой обработки изображений и может быть использовано в фото, видео, оптико-локационной и оптико-электронной технике при решении задач распознавания образов по их контурам на цифровых изображениях. The invention relates to the field of digital image processing and can be used in photo, video, optical-location and optical-electronic equipment in solving problems of pattern recognition by their contours in digital images.

Необходимыми условиями того, что через некоторую точку цифрового полутонового изображения проходит контур, являются следующие: The necessary conditions for a contour to pass through some point of a digital grayscale image are as follows:

- резкое изменение яркости в данной точке по сравнению хотя бы с одной из соседних точек;- a sharp change in brightness at a given point compared to at least one of the neighboring points;

- наличие хотя бы двух соседних точек, сопоставимых по яркости с рассматриваемой точкой.- the presence of at least two neighboring points comparable in brightness with the point in question.

В связи с этим большинство известных способов выделения контуров на цифровых полутоновых изображениях основаны на вычислении модуля градиента на всей площади цифрового изображения по приближениям первой производной - локальным конечным разностям яркости. При этом приближенные компоненты градиента вычисляют с использованием скользящего окна (маски), перемещающегося по всему изображению. При этом яркости пикселей изображения, попадающих в скользящее окно, перемножают на коэффициенты маски, а затем суммируют [1 – Гонсалес Р., Вудс Р. Цифровая обработка изображений. -М.: Техносфера, 2005, 1072с.; 2 - Гонсалес Р., Вудс Р., Эддинс С. Цифровая обработка изображений в среде MATLAB.-М.: Техносфера,2006, 616с.; 3 – Прэтт У. Цифровая обработка изображений: Пер.с англ. - М.: Мир, 1982. Кн.2. 480с.; 4 - Гданский Н.И., Марченко Ю.А. Градиентный способ выделения контуров объектов на матрице полутонового растрового изображения. // Патент РФ №2325044 на изобретение. МПК H04N1/409, G06K9/46. Заявит. Гданский Н.И., Марченко Ю.А. Патентообл. МГУИЭ. - № 2007106412/09; заявл. 21.02.2007; опубл. 20.05.2008.].In this regard, most of the known methods for selecting contours in digital grayscale images are based on the calculation of the gradient modulus over the entire area of the digital image using the approximations of the first derivative — local finite brightness differences. In this case, the approximate components of the gradient are calculated using a sliding window (mask) moving throughout the image. In this case, the brightness of the image pixels falling into the sliding window is multiplied by the mask coefficients, and then summed [1 - Gonzalez R., Woods R. Digital image processing. -M .: Technosphere, 2005, 1072 pp .; 2 - Gonzalez R., Woods R., Eddins S. Digital image processing in MATLAB.-M .: Technosphere, 2006, 616 pp .; 3 - Pratt W. Digital image processing: Transl. From English. - M .: Mir, 1982. Book 2. 480s .; 4 - Gdansky N.I., Marchenko Yu.A. Gradient way to highlight the contours of objects on a halftone raster image matrix. // RF patent №2325044 for the invention. IPC H04N1 / 409, G06K9 / 46. Will declare. Gdansky N.I., Marchenko Yu.A. Patent. MGUIE. - No. 2007106412/09; declared 02/21/2007; publ. 05/20/2008.].

В настоящее время известно несколько типов масок: Робертса, Превитта, Собеля, Щарра и др. Маска Робертса является наиболее простой, поскольку имеет размер 2х2 пикселя. Маски Превитта, Собеля и Щарра имеют размерность 3х3 пикселя и отличаются значениями коэффициентов. Следует отметить, что подобные маски вычисления компонент градиента яркости при помощи конечных разностей используются в составе более сложных алгоритмов выделения контуров. Одним из лучших подобных алгоритмов является детектор границ «Canny», использующий, в частности, маску Собеля. Недостатками способов выделения контуров изображений на основе применения скользящих окон и определения компонент градиента яркости при помощи конечных разностей является их достаточно сильная чувствительность к помехам, относящимся к классу импульсных, возникающих вследствие многих явлений при цифровом преобразовании и передаче изображений (пораженные пиксели).Currently, several types of masks are known: Roberts, Prewitt, Sobel, Shcharr, etc. The Roberts mask is the simplest because it has a size of 2x2 pixels. The masks of Prewitt, Sobel and Shcharr have a dimension of 3x3 pixels and differ in the values of the coefficients. It should be noted that similar masks for calculating the components of the brightness gradient using finite differences are used as part of more complex contouring algorithms. One of the best such algorithms is the Canny border detector, which uses, in particular, the Sobel mask. The disadvantages of the methods for isolating the contours of images based on the use of sliding windows and determining the components of the brightness gradient using finite differences are their rather strong sensitivity to noise belonging to the class of pulsed arising due to many phenomena during digital conversion and transmission of images (affected pixels).

К другим способам выделения контуров объектов на изображениях относятся способы, основанные на вычислении приближений вторых производных – операторы типа «лапласиан» «гауссиан», или операторы, использующие разновидности масок Лапласа. Известна также корреляционная маска, коэффициенты которой пропорциональны соответствующим коэффициентам корреляции элементов изображения. В случае, когда корреляция между элементами изображения отсутствует, маска не оказывает влияния на изображение, в противоположном случае коэффициент корреляции равен единице, данная маска сводится к маске Лапласа [Прэтт У.Цифровая обработка изображений: Пер. с англ. - М.: Мир, 1982. Кн.2, 480с., C.500-508.]. Данные способы благодаря пересечению нулевого уровня прямой, соединяющей разнозначные вторые производные, позволяют получить более точное положение контура, но являются более чувствительными к различным помехам, в том числе и импульсным, чем градиентные, а также имеют недостаток, связанный с обнаружением многочисленных ложных замкнутых кривых.Other methods for isolating the contours of objects in images include methods based on calculating the approximations of second derivatives — operators of the Laplacian and Gaussian type, or operators using varieties of Laplace masks. A correlation mask is also known, the coefficients of which are proportional to the corresponding correlation coefficients of image elements. In the case where there is no correlation between the image elements, the mask does not affect the image; in the opposite case, the correlation coefficient is unity, this mask reduces to the Laplace mask [Pratt W. Digital image processing: Trans. from English - M .: Mir, 1982. Book 2, 480c., C.500-508.]. These methods, due to the intersection of the zero level of the straight line connecting the ambiguous second derivatives, make it possible to obtain a more accurate position of the contour, but they are more sensitive to various noises, including pulsed than gradient ones, and also have the disadvantage associated with the detection of numerous false closed curves.

Также известны способы выделения контуров объектов на изображениях, более далекие от заявляемого способа, которые основаны на аппроксимации перепадов яркости и статистические способы, например, способ на основе локально-полиномиальной аппроксимации [5 - Sherstobitov A. I., Marchuk V. I., Timofeev D. V., Voronin V. V., Egiazarian K. O.  Local feature descriptor based on 2D local polynomial approximation kernel indices. Image Processing: Algorithms and Systems XII, edited by Karen O. Egiazarian, Sos S. Agaian, Atanas P. Gotchev, Proceedings of SPIE Vol. 9019 (SPIE, San Francisco, WA 2014) 901908, DOI: 10.1117/12.2041610.]. Однако недостатком способов, основанных на аппроксимации перепадов яркости, является чувствительность к наличию на матрице цифрового изображения импульсных помех.Also known are methods of isolating the contours of objects in images that are farther from the proposed method, which are based on approximating brightness differences and statistical methods, for example, a method based on local polynomial approximation [5 - Sherstobitov AI, Marchuk VI, Timofeev DV, Voronin VV, Egiazarian KO Local feature descriptor based on 2D local polynomial approximation kernel indices. Image Processing: Algorithms and Systems XII, edited by Karen O. Egiazarian, Sos S. Agaian, Atanas P. Gotchev, Proceedings of SPIE Vol. 9019 (SPIE, San Francisco, WA 2014) 901908, DOI: 10.1117 / 12.2041610.]. However, the disadvantage of methods based on the approximation of brightness differences is the sensitivity to the presence of pulsed noise on the digital image matrix.

Следует отметить, что повышение устойчивости известных способов выделения контуров изображения возможно за счет предварительной коррекции изображения, связанной со сглаживанием яркости изображения. Однако такой подход может привести не только к устранению импульсных помех, но и к потере части полезной информации о контуре изображения.It should be noted that increasing the stability of the known methods for distinguishing image contours is possible due to preliminary image correction associated with smoothing the image brightness. However, this approach can lead not only to the elimination of impulse noise, but also to the loss of some useful information about the image circuit.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому способу является способ помехоустойчивого градиентного выделения контуров объектов на цифровых полутоновых изображениях [6 - Безуглов Д.А., Мищенко С.Е., Кузин А.П. Способ помехоустойчивого градиентного выделения контуров объектов на цифровых полутоновых изображениях //Патент РФ № 2648954, МПК G06K 9/48. Заявит. и патентообл. Ростовский филиал РТА - № 2016104498/08; заявл. 10.02.2016; опубл. 15.08.2017 Бюл. № 23], взятый за прототип, заключающийся в том, что сначала вычисляют прямое вейвлет-преобразование строк и столбцов цифрового полутонового изображения, а затем формируют две матрицы

Figure 00000001
и
Figure 00000002
компонент градиента яркости в каждой точке изображения путем обратного вейвлет преобразования, в котором в качестве ядра преобразования используют аналитические функции, описывающие производные используемых вейвлетов обратного преобразования по соответствующим координатам. После этого определяют модуль градиента яркости в каждой точке изображения, и формируют контуры объекта путем порогового преобразования модуля градиента яркости, в процессе которого на новой белой матрице черным цветом выделяют элементы, модуль градиента, для которых в соответствующих координатах изображения превышает порог преобразования.Closest to the technical nature of the claimed method is a method of noise-resistant gradient separation of the contours of objects in digital halftone images [6 - Bezuglov DA, Mishchenko S.E., Kuzin A.P. The method of noise-resistant gradient selection of the contours of objects in digital grayscale images // RF Patent No. 2648954, IPC G06K 9/48. Will declare. and patented. Rostov branch of the RTA - No. 2016104498/08; declared 02/10/2016; publ. 08/15/2017 Bull. No. 23], taken as a prototype, which consists in first calculating the direct wavelet transform of the rows and columns of a digital grayscale image, and then forming two matrices
Figure 00000001
and
Figure 00000002
a component of the brightness gradient at each point in the image by means of an inverse wavelet transform, in which analytical functions are used as the transformation kernel, which describe the derivatives of the inverse transform wavelets used in the corresponding coordinates. After that, the brightness gradient module is determined at each point in the image, and the object contours are formed by threshold conversion of the brightness gradient module, during which elements, the gradient module, for which in the corresponding image coordinates exceed the conversion threshold, are highlighted in black on a new white matrix.

Недостатком способа-прототипа является то, что вычисление прямого вейвлет-преобразования строк и столбцов цифрового полутонового изображения требует больших вычислительных затрат. Кроме того, данный способ демонстрирует слабую устойчивость к воздействию импульсных помех.The disadvantage of the prototype method is that the calculation of the direct wavelet transform of rows and columns of a digital grayscale image is computationally expensive. In addition, this method demonstrates poor resistance to impulse noise.

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является создание средств выделения контуров полутоновых изображений в условиях импульсных помех, удовлетворяющих требованиям к высокой скорости обработки изображений.The problem to which the invention is directed, is the creation of means for selecting the contours of grayscale images in the conditions of impulse noise, satisfying the requirements for high speed image processing.

Техническим результатом является повышение скорости выделения контуров полутоновых изображений в условиях импульсных помех.The technical result is to increase the speed of separation of the contours of grayscale images in the conditions of pulsed interference.

Для решения указанной технической проблемы предлагается способ помехоустойчивого градиентного выделения контуров объектов на цифровых полутоновых изображениях, который состоит в том, что сначала с учетом уровня зашумленности выбирают коэффициент сглаживания, вычисляют коэффициенты сглаживающих кубических B-сплайнов вдоль каждой строки и каждого столбца изображения. Затем формируют две матрицы

Figure 00000001
и
Figure 00000002
компонент градиента яркости в каждой точке изображения путем суммирования сглаживающих параболических B-сплайнов с найденными ранее коэффициентами сглаживающих кубических B-сплайнов для строк и столбцов соответственно. Далее определяют модуль градиента яркости в каждой точке изображения. После этого формируют контуры объекта путем порогового преобразования модуля градиента яркости, в процессе которого на новой белой матрице черным цветом выделяют элементы, модуль градиента для которых в соответствующих координатах изображения превышает порог преобразования.To solve this technical problem, we propose a method for noise-resistant gradient-based contouring of objects in digital grayscale images, which consists in the fact that, first, taking into account the level of noise, a smoothing coefficient is selected, and smoothing cubic B-splines are calculated along each row and each column of the image. Then two matrices are formed
Figure 00000001
and
Figure 00000002
components of the brightness gradient at each point in the image by summing the smoothing parabolic B-splines with the coefficients of smoothing cubic B-splines found earlier for the rows and columns, respectively. Next, determine the modulus of the brightness gradient at each point in the image. After that, the object contours are formed by the threshold conversion of the brightness gradient module, during which elements are selected in black on a new white matrix, the gradient module for which in the corresponding image coordinates exceeds the conversion threshold.

Таким образом, предлагаемый способ имеет следующие отличительные признаки и последовательность его реализации от способа-прототипа, которые приведены в таблице 1.Thus, the proposed method has the following distinctive features and the sequence of its implementation from the prototype method, which are shown in table 1.

Таблица 1Table 1

Способ-прототипPrototype method Предлагаемый способThe proposed method 1. С учетом уровня зашумленности изображения выбирают коэффициент сглаживания1. Given the level of image noise, a smoothing factor is selected 2. Вычисляют коэффициенты сглаживающих кубических B-сплайнов вдоль каждой строки и каждого столбца изображения2. Calculate the coefficients of the smoothing cubic B-splines along each row and each column of the image 1. Вычисляют прямое вейвлет-преобразование строк и столбцов цифрового полутонового изображения1. Calculate the direct wavelet transform of the rows and columns of a digital halftone image 2. Формируют две матрицы

Figure 00000001
и
Figure 00000002
компонент градиента яркости в каждой точке изображения
2.1 путем обратного вейвлет-преобразования, в котором в качестве ядра преобразования используют аналитические функции, описывающие производные используемых вейвлетов обратного преобразования по соответствующим координатам2. Form two matrices
Figure 00000001
and
Figure 00000002
luminance gradient component at each image point
2.1 by the inverse wavelet transform, in which analytical functions are used as the transformation kernel, which describe the derivatives of the inverse transform wavelets used in the corresponding coordinates 3. Формируют две матрицы
Figure 00000001
и
Figure 00000002
компонент градиента яркости в каждой точке изображения путем
3.1 суммирования сглаживающих параболических B-сплайнов с найденными ранее коэффициентами сглаживающих кубических B-сплайнов для строк и столбцов соответственно
3. Form two matrices
Figure 00000001
and
Figure 00000002
component of the brightness gradient at each point in the image by
3.1 summation of smoothing parabolic B-splines with previously found coefficients of smoothing cubic B-splines for rows and columns, respectively
3. Определяют модуль градиента яркости в каждой точке изображения3. Determine the modulus of the gradient of brightness at each point in the image 4. Определяют модуль градиента яркости в каждой точке изображения4. Determine the modulus of the gradient of brightness at each point in the image 4. Формируют контуры объекта путем порогового преобразования модуля градиента яркости, в процессе которого на новой белой матрице черным цветом выделяют элементы, модуль градиента для которых в соответствующих координатах изображения превышает порог преобразования4. The contours of the object are formed by a threshold conversion of the brightness gradient module, during which elements are selected in black on a new white matrix, the gradient module for which in the corresponding image coordinates exceeds the conversion threshold 5. Формируют контуры объекта путем порогового преобразования модуля градиента яркости, в процессе которого на новой белой матрице черным цветом выделяют элементы, модуль градиента для которых в соответствующих координатах изображения превышает порог преобразования5. The contours of the object are formed by a threshold transformation of the brightness gradient module, during which elements are selected in black on a new white matrix, the gradient module for which in the corresponding image coordinates exceeds the conversion threshold

Из представленной таблицы 1 сравнения последовательностей реализации способа-прототипа и предлагаемого способа видно, что в предлагаемом способе введены операции:From the table 1 comparison of the sequences of the prototype method and the proposed method shows that in the proposed method the following operations are introduced:

− с учетом уровня зашумленности изображения выбирают коэффициент сглаживания;- taking into account the level of noise in the image, a smoothing factor is selected;

− вычисляют коэффициенты сглаживающих кубических B-сплайнов вдоль каждой строки и каждого столбца изображения.- calculate the coefficients of the smoothing cubic B-splines along each row and each column of the image.

А также изменен режим выполнения одной операции:And also the execution mode of one operation is changed:

− две матрицы

Figure 00000001
и
Figure 00000002
компонент градиента яркости в каждой точке изображения формируют путем суммирования сглаживающих параболических B-сплайнов с найденными ранее коэффициентами сглаживающих кубических B-сплайнов для строк и столбцов соответственно.- two matrices
Figure 00000001
and
Figure 00000002
the brightness gradient component at each image point is formed by summing the smoothing parabolic B-splines with the coefficients of smoothing cubic B-splines found earlier for the rows and columns, respectively.

Введение двух операций и изменение режима одной операции позволяет обеспечить достижение технического результата, а именно, повышение скорости формирования контуров полутоновых изображений в условиях импульсных помех.The introduction of two operations and changing the mode of one operation allows to achieve a technical result, namely, increasing the speed of formation of the contours of grayscale images in the conditions of impulse noise.

Предлагаемое изобретение не известно из анализа уровня техники, а также не известны источники информации, содержащие сведения об аналогичных технических решениях, имеющих признаки, сходные с признаками, отличающими заявляемое решение от прототипа, а также свойства, совпадающие со свойствами заявляемого решения, поэтому можно считать, что оно обладает существенными отличиями, вытекает из них неочевидным образом и, следовательно, соответствует критериям «новизна» и «изобретательский уровень».The present invention is not known from the analysis of the prior art, and information sources containing information about similar technical solutions having features similar to those distinguishing the claimed solution from the prototype, as well as properties that match the properties of the proposed solution, are therefore not known, therefore, that it has significant differences follows from them in an unobvious way and, therefore, meets the criteria of “novelty” and “inventive step”.

Сущность предлагаемого способа раскрывается фигурами 1-5. The essence of the proposed method is disclosed by figures 1-5.

На Фиг. 1 приведена структурная схема устройства, реализующего предлагаемый способ помехоустойчивого градиентного выделения контуров объектов на цифровых полутоновых изображениях.In FIG. 1 is a structural diagram of a device that implements the proposed method of noise-tolerant gradient selection of the contours of objects in digital grayscale images.

На Фиг. 2 показано исходное цифровое полутоновое изображение (фиг. 2а) и результат выделения контуров данного изображения при отсутствии шумов (фиг. 2б).In FIG. Figure 2 shows the original digital grayscale image (Fig. 2a) and the result of selecting the contours of this image in the absence of noise (Fig. 2b).

На Фиг. 3 показаны тестовые цифровые полутоновые изображения с наложенным на них импульсным шумом (на фиг. 3а на исходное изображение наложен импульсный шум «битые пиксели» с вероятностью 0,5, на фиг. 3б − «соль-перец» также с вероятностью 0,5).In FIG. Figure 3 shows test digital grayscale images with impulse noise superimposed on them (in Fig. 3a, impulse noise “broken pixels” with a probability of 0.5 is superimposed on the original image, and “salt-pepper” with a probability of 0.5 in Fig. 3b) .

На Фиг. 4 приведены изображения, иллюстрирующие результаты выделения контуров на зашумленных изображениях при помощи маски Собеля (результаты на фиг. 4а соответствуют импульсному шуму «битые пиксели» с вероятностью 0,5, а на рис. 4б − «соль-перец» с вероятностью 0,5).In FIG. Fig. 4 shows images illustrating the results of the contouring in noisy images using the Sobel mask (the results in Fig. 4a correspond to impulse noise “dead pixels” with a probability of 0.5, and in Fig. 4b - “salt-pepper” with a probability of 0.5 )

На Фиг. 5 отображены результаты выделения контуров предлагаемым способом (результаты на фиг. 5а соответствуют импульсному шуму «битые пиксели» с вероятностью 0,5, а на рис. 5б − «соль-перец» с вероятностью 0,5).In FIG. 5 shows the results of the selection of the contours of the proposed method (the results in Fig. 5a correspond to impulse noise “broken pixels” with a probability of 0.5, and in Fig. 5b - “salt-pepper” with a probability of 0.5).

При реализации данного способа выполняется следующая последовательность операций:When implementing this method, the following sequence of operations is performed:

- с учетом уровня зашумленности изображения выбирают коэффициент сглаживания − 1;- taking into account the level of image noise, a smoothing factor of 1 is selected;

- вычисляют коэффициенты сглаживающих кубических B-сплайнов вдоль каждой строки и каждого столбца изображения – 2;- calculate the coefficients of the smoothing cubic B-splines along each row and each column of the image - 2;

- формируют две матрицы

Figure 00000001
и
Figure 00000002
компонент градиента яркости в каждой точке изображения путем суммирования сглаживающих параболических B-сплайнов с найденными ранее коэффициентами сглаживающих кубических B-сплайнов для строк и столбцов соответственно − 3;- form two matrices
Figure 00000001
and
Figure 00000002
the brightness gradient component at each image point by summing the smoothing parabolic B-splines with the coefficients of smoothing cubic B-splines found earlier for the rows and columns, respectively - 3;

- определяют модуль градиента яркости в каждой точке изображения − 4;- determine the modulus of the brightness gradient at each point in the image - 4;

- формируют контуры объекта путем порогового преобразования модуля градиента яркости, в процессе которого на новой белой матрице черным цветом выделяют элементы, модуль градиента для которых в соответствующих координатах изображения превышает порог преобразования − 5.- form the contours of the object by a threshold conversion of the brightness gradient module, during which elements are selected in black on a new white matrix, the gradient module for which in the corresponding image coordinates exceeds the transformation threshold - 5.

Прежде чем рассмотреть работу устройства выделения контуров для обоснования способа изложим следующее.Before considering the operation of the device for the selection of circuits to justify the method, we state the following.

Пусть задана матрица изображения

Figure 00000003
размером
Figure 00000004
. Тогда строке изображения может быть поставлена в соответствие некоторая функция
Figure 00000005
. В области
Figure 00000006
входные данные можно представить в виде совокупности
Figure 00000007
равноотстоящих отсчетов координат
Figure 00000008
Figure 00000009
с шагом
Figure 00000010
, заданных так, что Let the image matrix be given
Figure 00000003
the size
Figure 00000004
. Then some function can be associated with the image line.
Figure 00000005
. In the area of
Figure 00000006
input data can be represented as a set
Figure 00000007
equidistant coordinate samples
Figure 00000008
Figure 00000009
in increments
Figure 00000010
defined so that

Figure 00000011
;
Figure 00000012
(1)
Figure 00000011
;
Figure 00000012
(one)

и соответствующих им значений яркости изображения

Figure 00000013
.and corresponding image brightness values
Figure 00000013
.

Представим входной сигнал в виде сплайн-аппроксимации в базисе сглаживающих кубических нормализованных В-сплайнов дефекта 1 [7 Завьялов Ю.С., Квасов Б.И., Мирошниченко B.JI. Методы сплайн-функций. -М.: Наука, 1980. 350 с.]Imagine the input signal as a spline approximation in the basis of smoothing cubic normalized B-splines of defect 1 [7 Zavyalov Yu.S., Kvasov BI, Miroshnichenko B.JI. Methods of spline functions. -M.: Science, 1980. 350 p.]

Figure 00000014
(2)
Figure 00000014
(2)

где

Figure 00000015
− коэффициент
Figure 00000016
-го сплайна;Where
Figure 00000015
- coefficient
Figure 00000016
spline;

Figure 00000017
(3)
Figure 00000017
(3)

Figure 00000018
(4)
Figure 00000018
(four)

Figure 00000019
− координаты середины носителя
Figure 00000020
-сплайна;
Figure 00000019
- coordinates of the middle of the medium
Figure 00000020
-spline;

Figure 00000021
− степень сплайна.
Figure 00000021
- degree of spline.

Рассмотрим теперь участок

Figure 00000022
и осуществим привязку коэффициентов сплайна к середине соответствующего носителя. Тогда для этого участка, с учетом (4), выражение (5) примет вид [7]:Let's consider now a site
Figure 00000022
and bind the spline coefficients to the middle of the corresponding carrier. Then for this section, taking into account (4), expression (5) will take the form [7]:

Figure 00000023
(5)
Figure 00000023
(five)

Введем нормализованную координату

Figure 00000024
, тогда выражение (5) можно представить в виде:We introduce the normalized coordinate
Figure 00000024
, then expression (5) can be represented as:

Figure 00000025
(6)
Figure 00000025
(6)

После несложных арифметических преобразований получим аналитическое выражение для сплайна на участке

Figure 00000022
в виде:After simple arithmetic transformations, we obtain an analytical expression for the spline in the segment
Figure 00000022
as:

Figure 00000026
(7)
Figure 00000026
(7)

Коэффициенты сплайна найдем из решения задачи минимизации функционала [8 Лапчик М.П. Численные методы .-М: Академия, 2008, 381с.]:We find the spline coefficients from the solution of the functional minimization problem [8 Lapchik M.P. Numerical methods.-M: Academy, 2008, 381 pp.]:

Figure 00000027
(8)
Figure 00000027
(eight)

где

Figure 00000028
− коэффициент сглаживания; Where
Figure 00000028
- smoothing coefficient;

Figure 00000029
− значение сплайна в точке
Figure 00000030
;
Figure 00000029
- spline value at a point
Figure 00000030
;

Figure 00000031
− модуль второй производной сплайна.
Figure 00000031
- module of the second derivative of the spline.

Коэффициент сглаживания выбирают равным величине среднеквадратического отклонения шума на изображении. В случае, если статистические характеристики шума неизвестны, то эффект сглаживания шумов наблюдается при

Figure 00000032
.The smoothing coefficient is chosen equal to the value of the standard deviation of the noise in the image. If the statistical characteristics of the noise are unknown, then the effect of noise smoothing is observed at
Figure 00000032
.

С учетом представления сплайна в виде (7) функционал (8) можно представить в видеGiven the representation of the spline in the form (7), functional (8) can be represented in the form

Figure 00000033
(9)
Figure 00000033
(9)

С учетом (7)

Figure 00000034
представляет собой линейную функцию от
Figure 00000035
:In view of (7)
Figure 00000034
is a linear function of
Figure 00000035
:

Figure 00000036
(10)
Figure 00000036
(ten)

В узловых точках

Figure 00000037
, откудаAt nodal points
Figure 00000037
from where

Figure 00000038
(11)
Figure 00000038
(eleven)

Figure 00000039
(12)
Figure 00000039
(12)

Для формирования результирующей системы уравнений относительно неизвестных коэффициентов

Figure 00000040
продифференцируем (9) по каждому элементу вектора
Figure 00000041
и приравняем к нулю полученное выражение. Например, первое уравнение можно записать в видеTo form the resulting system of equations for unknown coefficients
Figure 00000040
we differentiate (9) for each element of the vector
Figure 00000041
and equate the resulting expression to zero. For example, the first equation can be written as

Figure 00000042
(13)
Figure 00000042
(13)

После дифференцирования по каждому из коэффициентов

Figure 00000043
получим систему уравнений видаAfter differentiation for each of the coefficients
Figure 00000043
we get a system of equations of the form

Figure 00000044
, (14)
Figure 00000044
, (14)

где

Figure 00000045
− квадратная семидиагональная матрица ранга
Figure 00000046
;Where
Figure 00000045
- square semidiagonal matrix of rank
Figure 00000046
;

Figure 00000047
− вектор правых частей, который строится на основе входного массива
Figure 00000048
.
Figure 00000047
- the vector of the right parts, which is based on the input array
Figure 00000048
.

В работе [9 Безуглов Д.А., Крутов В.А., Швачко О.В. Метод дифференцирования сигналов с использованием сплайн-аппроксимации // Фундаментальные исследования, 2017, № 4-1, С.24-28] ненулевые элементы матрицы

Figure 00000049
были получены в виде:In the work [9 Bezuglov D.A., Krutov V.A., Shvachko O.V. The method of signal differentiation using spline approximation // Fundamental Research, 2017, No. 4-1, P.24-28] nonzero matrix elements
Figure 00000049
were obtained as:

Figure 00000050
(15)
Figure 00000050
(15)

Figure 00000051
(16)
Figure 00000051
(sixteen)

Figure 00000052
(17)
Figure 00000052
(17)

Figure 00000053
, (18)
Figure 00000053
, (18)

а вектор

Figure 00000054
был записан в виде:and vector
Figure 00000054
was written as:

Figure 00000055
. (19)
Figure 00000055
. (nineteen)

Анализ системы уравнений позволяет заключить, что матрица

Figure 00000056
всегда хорошо обусловлена, что обеспечивает существование единственного решения системы уравнений. При этом матрица
Figure 00000056
зависит только от коэффициента сглаживания. Это позволяет найти обратную матрицу
Figure 00000057
и использовать ее для расчета искомых коэффициентов всех строк и столбцов изображения по формулеAnalysis of the system of equations allows us to conclude that the matrix
Figure 00000056
always well-conditioned, which ensures the existence of a unique solution to a system of equations. Moreover, the matrix
Figure 00000056
depends only on the smoothing coefficient. This allows you to find the inverse matrix
Figure 00000057
and use it to calculate the desired coefficients of all rows and columns of the image according to the formula

Figure 00000058
. (20)
Figure 00000058
. (20)

Система уравнений вида (14) может быть решена для каждой строки и столбца изображения. В результате получим матрицы

Figure 00000059
и
Figure 00000060
, которые в каждой строке хранят массивы коэффициентов сглаживающих кубических
Figure 00000061
-сплайнов, аппроксимирующих распределения яркости вдоль строк и столбцов входного изображения
Figure 00000062
соответственно. Например, матрица
Figure 00000059
в строке с номером
Figure 00000063
содержит вектор коэффициентов сплайна
Figure 00000040
Figure 00000064
, найденных в результате решения системы уравнений (14) по распределению яркости вдоль соответствующей строки матрицы
Figure 00000062
, а матрица
Figure 00000060
в строке с номером
Figure 00000065
содержит вектор коэффициентов сплайна
Figure 00000040
Figure 00000066
, найденных по данным соответствующего столбца матрицы
Figure 00000062
.A system of equations of the form (14) can be solved for each row and column of the image. As a result, we obtain the matrices
Figure 00000059
and
Figure 00000060
which in each line store arrays of smoothing cubic coefficients
Figure 00000061
splines approximating the brightness distribution along the rows and columns of the input image
Figure 00000062
respectively. For example, the matrix
Figure 00000059
in line with number
Figure 00000063
contains a vector of spline coefficients
Figure 00000040
Figure 00000064
found as a result of solving the system of equations (14) by the brightness distribution along the corresponding row of the matrix
Figure 00000062
, and the matrix
Figure 00000060
in line with number
Figure 00000065
contains a vector of spline coefficients
Figure 00000040
Figure 00000066
found from the corresponding matrix column
Figure 00000062
.

С учетом выражения (7) сплайн, описывающий производную одномерной функции

Figure 00000067
, может быть записан в виде:Given expression (7), a spline describing the derivative of the one-dimensional function
Figure 00000067
can be written as:

Figure 00000068
(21)
Figure 00000068
(21)

Данный сплайн называют сглаживающим параболическим

Figure 00000069
-сплайном.This spline is called smoothing parabolic.
Figure 00000069
Spline.

Отсюда следует, что компоненты градиента яркости входного изображения могут быть найдены по формулам:It follows that the components of the brightness gradient of the input image can be found by the formulas:

Figure 00000070
(22)
Figure 00000070
(22)

Figure 00000071
(23)
Figure 00000071
(23)

Как и в прототипе, модуль градиента яркости найдем по формулеAs in the prototype, the brightness gradient module will be found by the formula

Figure 00000072
. (24)
Figure 00000072
. (24)

При этом пороговое преобразование описывается соотношением:In this case, the threshold transformation is described by the relation:

Figure 00000073
(25)
Figure 00000073
(25)

Здесь

Figure 00000074
− значение порога.Here
Figure 00000074
Is the threshold value.

В качестве примера рассмотрим задачу выделения контуров на цифровом полутоновом изображении в условиях импульсных шумов. Следует отметить, что способ-прототип обеспечивает эффективное подавление шумов, распределенных по нормальному закону, и не предназначен для выделения контуров на зашумленном изображении. В связи с этим работоспособность предлагаемого способа выделения контуров производилась в сравнении с получившим практическое распространение методом выделения контуров, основанном на применении маски Собеля (детектор границ «Canny»). Сравнение предлагаемого способа и способа-прототипа произведем по быстродействию.As an example, we consider the problem of selecting contours in a digital grayscale image under conditions of pulsed noise. It should be noted that the prototype method provides effective suppression of noise distributed according to the normal law, and is not intended to highlight contours in a noisy image. In this regard, the efficiency of the proposed method for the selection of contours was carried out in comparison with the method of selecting contours, which was widely used, based on the use of the Sobel mask (“Canny” border detector). Comparison of the proposed method and the prototype method will produce speed.

Для формирования тестовых изображений использовался следующий алгоритм. Матрица яркости

Figure 00000075
исходного полутонового изображения, в котором отсутствовали шумы, обрабатывалась детектором границ «Canny». В результате было получено изображение контуров
Figure 00000076
, соответствующее матрице яркости
Figure 00000075
при отсутствии шумов. Изображения, соответствующие матрицам
Figure 00000075
и
Figure 00000077
приведены на фиг.2 (фиг. 2а и 2б соответственно).The following algorithm was used to form test images. Brightness matrix
Figure 00000075
The original halftone image, in which there was no noise, was processed by the “Canny” border detector. As a result, the image of the contours was obtained.
Figure 00000076
corresponding to the brightness matrix
Figure 00000075
in the absence of noise. Matrix Matched Images
Figure 00000075
and
Figure 00000077
are shown in figure 2 (Fig. 2A and 2B, respectively).

Далее в исходное цифровое полутоновое изображение был добавлен шум (матрица

Figure 00000078
). В качестве модели шума использовался импульсный шум «битые пиксели» и «соль-перец» с вероятностью
Figure 00000079
. В результате были получены изображения, которым соответствуют матрицы яркости
Figure 00000080
, представленные на фиг. 3 (фиг. 3а и 3б соответственно).Next, noise was added to the original digital grayscale image (matrix
Figure 00000078
) As a noise model, impulse noise “broken pixels” and “salt-pepper” was used with probability
Figure 00000079
. As a result, images were obtained that correspond to brightness matrices
Figure 00000080
shown in FIG. 3 (Figs. 3a and 3b, respectively).

На фиг. 4 приведены матрицы

Figure 00000081
контуров, по результатам обработки оператором Собеля зашумленных изображений, представленных на фиг. 3 (фиг. 4а отражает результаты выделения контуров изображения на фиг. 3а, а фиг. 4б − фиг. 3б).In FIG. 4 are matrices
Figure 00000081
contours, according to the results of processing by the Sobel operator of the noisy images presented in FIG. 3 (Fig. 4a reflects the results of the selection of the image outlines in Fig. 3a, and Fig. 4b - Fig. 3b).

Анализ полученных изображений позволяет заключить, что оператор Собеля неработоспособен для выделения контуров на изображениях, полученных в условиях импульсных шумов.An analysis of the obtained images allows us to conclude that the Sobel operator is inoperative for selecting contours in images obtained under pulsed noise conditions.

На фиг. 5 приведены изображения матриц

Figure 00000082
контуров, полученные при помощи предлагаемого способа с использованием сплайн дифференцирования. Изображение на фиг.5а соответствует модели шумов «битые пиксели», а на фиг. 5б − «соль-перец». Приведенные на фиг. 5 изображения подтверждают работоспособность предлагаемого способа выделения контуров при наличии импульсных шумов.In FIG. 5 shows images of matrices
Figure 00000082
contours obtained using the proposed method using spline differentiation. The image in FIG. 5a corresponds to the “dead pixel” noise model, and in FIG. 5b - “salt and pepper”. Referring to FIG. 5 images confirm the efficiency of the proposed method for the allocation of circuits in the presence of impulse noise.

С целью количественной оценки эффективности предлагаемого способа по сравнению с прототипом использовалось три показателя. In order to quantify the effectiveness of the proposed method in comparison with the prototype used three indicators.

Первый состоял в том, что определялась величина среднеквадратического отклонения (СКО) между изображениями контуров

Figure 00000083
, полученными предлагаемым способом, а также способом прототипа и изображением контура
Figure 00000084
, полученным при отсутствии шумов.The first was that the standard deviation (RMS) between the contour images was determined
Figure 00000083
obtained by the proposed method, as well as the prototype method and the contour image
Figure 00000084
obtained in the absence of noise.

Оценка СКО осуществлялась по формуле:RMS assessment was carried out according to the formula:

Figure 00000085
. (26)
Figure 00000085
. (26)

Второй показатель представляет собой оценку

Figure 00000086
отношения сигнал/шум (ОСШ), рассчитываемую по формулам:The second indicator is an estimate
Figure 00000086
signal-to-noise ratio (SNR) calculated by the formulas:

Figure 00000087
, (27)
Figure 00000087
, (27)

Figure 00000088
, (28)
Figure 00000088
, (28)

где

Figure 00000089
− максимальное значение яркости в полутоновых изображениях, которое обычно равно 255.Where
Figure 00000089
- The maximum brightness value in grayscale images, which is usually equal to 255.

Значения третьего показателя для оценки эффективности предлагаемого способа для подавления импульсных помех получают при помощи соотношенияThe values of the third indicator to assess the effectiveness of the proposed method for suppressing impulse noise is obtained using the ratio

Figure 00000090
; (29)
Figure 00000090
; (29)

где

Figure 00000091
- СКО фона; Where
Figure 00000091
- DIS standard;

Figure 00000092
(30)
Figure 00000092
(thirty)

− среднее значение фона; n1, m1- координаты выбранной площадки фона размером

Figure 00000093
на исследуемом изображении
Figure 00000094
,- the average value of the background; n1, m1- coordinates of the selected background area in size
Figure 00000093
on the test image
Figure 00000094
,

Figure 00000095
. (31)
Figure 00000095
. (31)

Результаты данного сопоставления применительно к модели импульсного шума типа «битые пиксели» при различных вероятностях шума

Figure 00000096
и значениях коэффициента сглаживания
Figure 00000097
приведены в таблице 2. Аналогичные результаты, относящиеся к импульсному шуму «соль-перец», представлены в таблице 3.The results of this comparison as applied to the model of impulse noise of the “broken pixel” type for various noise probabilities
Figure 00000096
and smoothing coefficient values
Figure 00000097
are shown in table 2. Similar results related to impulse noise "salt-pepper" are presented in table 3.

Таблица 2table 2

Показатель 1, выигрыш по среднеквадратическому отклонению еско , дБIndicator 1, the ESR gain, dB Вероятность шума Noise probability Коэффициент сглаживания сплайн-функцийSpline function smoothing factor 5five 10ten 5050 100100 0,30.3 1,81.8 2,012.01 2,222.22 2,232.23 0,50.5 2,032.03 2,312,31 2,62.6 2,642.64 0,70.7 2,132.13 2,422.42 2,752.75 2,792.79 Показатель 2, выигрыш по отношению пиковый сигнал/шум SNR, дБIndicator 2, peak SNR gain, dBr Вероятность шума Noise probability Коэффициент сглаживания сплайн-функцийSpline function smoothing factor 5five 10ten 5050 100100 0,30.3 3,473.47 4,094.09 5,225.22 5,485.48 0,50.5 3,763.76 4,574,57 5,875.87 6,326.32 0,70.7 3,973.97 4,854.85 6,456.45 6,876.87 Показатель 3, выигрыш по отношению пиковый сигнал/шум по СКО фона SNRF, дБ Indicator 3, the gain in the ratio of peak signal to noise on the standard deviation of the SNRF background, dB Вероятность шума Noise probability Коэффициент сглаживания сплайн-функцийSpline function smoothing factor 5five 10ten 5050 100100 0,30.3 5,235.23 6,086.08 8,118.11 8,98.9 0,50.5 5,415.41 6,346.34 8,158.15 8,948.94 0,70.7 5,635.63 6,656.65 8,738.73 9,49,4

Таблица 3Table 3

Показатель 1, выигрыш по среднеквадратическому отклонению еско , дБIndicator 1, the ESR gain, dB Вероятность шумаNoise probability Коэффициент сглаживания сплайн-функцийSpline function smoothing factor 5five 10ten 5050 100100 0,20.2 2,152.15 2,282.28 2,332,33 2,332,33 0,30.3 2,512,51 2,692.69 2,832.83 2,812.81 0,50.5 2,952.95 3,233.23 3,53,5 3,533.53 0,70.7 3,223.22 3,553,55 3,923.92 3,963.96 Показатель 2, выигрыш по отношению пиковый сигнал/шум SNR, дБ Indicator 2, peak SNR gain, dBr Вероятность шумаNoise probability Коэффициент сглаживания сплайн-функцийSpline function smoothing factor 5five 10ten 5050 100100 0,20.2 4,864.86 5,435.43 5,945.94 6,066.06 0,30.3 5,135.13 5,775.77 6,576.57 6,566.56 0,50.5 5,45,4 6,156.15 7,167.16 7,447.44 0,70.7 5,655.65 6,466.46 7,787.78 8,078.07 Показатель 3, выигрыш по отношению пиковый сигнал/шум по СКО фона SNRF, дБ Indicator 3, the gain in the ratio of peak signal to noise on the standard deviation of the SNRF background, dB Вероятность шумаNoise probability Коэффициент сглаживания сплайн-функцийSpline function smoothing factor 5five 10ten 5050 100100 0,20.2 6,056.05 6,936.93 8,78.7 9,599.59 0,30.3 6,176.17 7,087.08 99 9,699.69 0,50.5 6,076.07 7,057.05 8,998.99 9,799.79 0,70.7 6,126.12 7,147.14 9,329.32 10,1210.12

Оценим выигрыш предлагаемого способа по сравнению со способом-прототипом по быстродействию.We estimate the gain of the proposed method in comparison with the prototype method in terms of speed.

Пусть распределение яркости изображения задает квадратная матрица

Figure 00000098
размером MЧM.Let the square matrix define the distribution of image brightness
Figure 00000098
size MCHM.

При этом прямое дискретное вейвлет-преобразование для строк и столбцов в способе-прототипе осуществляется по формуламMoreover, the direct discrete wavelet transform for rows and columns in the prototype method is carried out according to the formulas

Figure 00000099
, (32)
Figure 00000099
, (32)

Figure 00000100
(33)
Figure 00000100
(33)

соответственно.respectively.

Здесь

Figure 00000101
− вейвлет.Here
Figure 00000101
- wavelet.

В этом случае объем вычислительных затрат

Figure 00000102
при реализации прямого вейвлет-преобразования будет равен:In this case, the amount of computational cost
Figure 00000102
when implementing a direct wavelet transform, it will be equal to:

Figure 00000103
. (34)
Figure 00000103
. (34)

В выражении (34) учтено, что

Figure 00000104
.In expression (34), it is taken into account that
Figure 00000104
.

Если выбранному виду вейвлета соответствует его производная, то обратное преобразование, позволяющее получить компоненты градиента яркости исходного изображения, можно найти по формуламIf the derivative corresponds to the selected wavelet type, then the inverse transformation, which allows obtaining the components of the brightness gradient of the original image, can be found by the formulas

Figure 00000105
(35)
Figure 00000105
(35)

Figure 00000106
(36)
Figure 00000106
(36)

где

Figure 00000107
− коэффициент нормировки для обратного вейвлет-преобразования (для приведенных соотношений данный коэффициент равен единице).Where
Figure 00000107
Is the normalization coefficient for the inverse wavelet transform (for the given relations, this coefficient is equal to unity).

Обратное преобразование потребует также

Figure 00000108
операций. С учетом того, что модуль градиента яркости изображения будем определять по формуле (19) итоговое количество операций для выделения контуров будет составлятьInverse transformation will also require
Figure 00000108
operations. Taking into account the fact that the brightness gradient modulus of the image will be determined by formula (19), the total number of operations for selecting contours will be

Figure 00000109
. (37)
Figure 00000109
. (37)

Для реализации предлагаемого способа выделения контуров с использованием сплайн-аппроксимации необходимо

Figure 00000110
раз решить систему линейных уравнений размерностью
Figure 00000111
вида (14). Для обращения матрицы такой системы уравнений потребуется порядка
Figure 00000112
операций. Так как коэффициенты матрицы совпадают для всех строк и столбцов, то матрицу
Figure 00000113
необходимо обратить один раз. Так как матрицу можно обратить заранее, для всех вычислений используется одна матрица, изменяется только правая часть системы уравнений (14). Для вычисления контура необходимо еще
Figure 00000114
операций. В результате общее число операций при реализации предлагаемого способа составитTo implement the proposed method for selecting contours using spline approximation, it is necessary
Figure 00000110
times solve a system of linear equations of dimension
Figure 00000111
type (14). To invert the matrix of such a system of equations, an order of
Figure 00000112
operations. Since the coefficients of the matrix are the same for all rows and columns, the matrix
Figure 00000113
need to draw once. Since the matrix can be inverted in advance, for all calculations one matrix is used, only the right-hand side of the system of equations (14) changes. To calculate the contour
Figure 00000114
operations. As a result, the total number of operations during the implementation of the proposed method will be

Figure 00000115
. (38)
Figure 00000115
. (38)

Отсюда следует, что выигрыш в вычислительной эффективности, равный отношению числа операций в способе-прототипе и предлагаемом способе будет равен:It follows that the gain in computational efficiency equal to the ratio of the number of operations in the prototype method and the proposed method will be equal to:

Figure 00000116
(39)
Figure 00000116
(39)

Как правило,

Figure 00000117
. В этом случаеUsually,
Figure 00000117
. In this case

Figure 00000118
. (40)
Figure 00000118
. (40)

Например, при

Figure 00000119
выигрыш составит
Figure 00000120
раз.For example, when
Figure 00000119
the gain is
Figure 00000120
time.

Таким образом, известные авторам способы выделения контуров на полутоновых изображениях неэффективны в условиях импульсных помех, а способ-прототип, обеспечивающий решение задачи выделение контуров на зашумленных изображениях, способен бороться с гауссовым шумом и обладает низким быстродействием. Напротив, предлагаемый способ является устойчивым к воздействию импульсных помех и позволяет увеличить скорость выделения контуров полутоновых изображений.Thus, the methods known to the authors for isolating contours in grayscale images are ineffective in conditions of impulse noise, and the prototype method that provides the solution to the problem of isolating contours in noisy images is able to deal with Gaussian noise and has a low speed. On the contrary, the proposed method is resistant to impulse noise and can increase the speed of the selection of the contours of grayscale images.

Рассмотрим функционирование устройства выделения контуров, реализующее способ.Consider the operation of the device for the selection of circuits that implements the method.

В состав устройства выделения контуров (фиг. 1) входят блоки определения коэффициентов сплайнов исходного изображения (БОКС) 1 и 2, блоки вычисления матриц

Figure 00000121
и
Figure 00000122
Figure 00000123
и
Figure 00000124
компонент градиента яркости изображения (БВКГ) 3 и 4, блок определения модуля градиента яркости изображения (БОМГ) 5, блок порогового преобразования (БПП) 6.The structure of the contouring device (Fig. 1) includes blocks for determining the coefficients of the splines of the original image (BOX) 1 and 2, blocks for computing matrices
Figure 00000121
and
Figure 00000122
Figure 00000123
and
Figure 00000124
a component of the brightness of the image image (BVKG) 3 and 4, a unit for determining a module of a gradient of image brightness (BOMG) 5, a threshold transformation unit (BPP) 6.

Общим входом устройства являются входы БОКС 1 и БОКС 2, выход БОКС 1 подключен ко входу БВКГ 3, выход которого соединен с первым входом БОМГ 5, выход БОКС 2 соединен со входом БВКГ 4, выход которого подключен ко второму входу БОМГ 5, выход БОМГ 5 соединен со входом БПП 6, выход которого является выходом устройства.The general input of the device is the inputs of the BOX 1 and the BOX 2, the output of the BOX 1 is connected to the input of the BVKG 3, the output of which is connected to the first input of the BOMG 5, the output of the BOX 2 is connected to the input of the BVKG 4, the output of which is connected to the second input of the BOMG 5, the output of the BOMG 5 connected to the input of the BPP 6, the output of which is the output of the device.

Устройство работает следующим образом. The device operates as follows.

На входы БОКС 1 и БОКС 2 поступает двумерное распределение яркости сигнала, задаваемое матрицей яркости

Figure 00000125
цифрового полутонового изображения. В БОКС 1 осуществляют вычисление коэффициентов сплайнов
Figure 00000126
из решения
Figure 00000127
систем линейных уравнений вида (14) по формуле (15) для каждой строки входной матрицы
Figure 00000128
. Полученные коэффициенты сплайнов с выхода БОКС 1 поступают на вход БВКГ 3, в котором преобразование сигналов осуществляют по формуле (21). На выходе БВКГ 3 формируют двумерную матрицу
Figure 00000129
, элементы которой содержат значения производных яркости в каждой точке изображения вдоль строки. Данные сигналы поступают на первый вход БОМГ 5. The inputs of BOX 1 and BOX 2 receive a two-dimensional distribution of the brightness of the signal specified by the brightness matrix
Figure 00000125
digital halftone image. In BOX 1, spline coefficients are calculated
Figure 00000126
from decision
Figure 00000127
systems of linear equations of the form (14) by the formula (15) for each row of the input matrix
Figure 00000128
. The obtained spline coefficients from the output of BOX 1 are fed to the input of the BVCH 3, in which the signals are converted according to the formula (21). At the output of BVKG 3 form a two-dimensional matrix
Figure 00000129
, the elements of which contain the derivatives of brightness at each point in the image along the line. These signals are fed to the first input of BOMG 5.

В БОКС 2 осуществляют вычисление коэффициентов сплайнов из решения

Figure 00000130
систем линейных уравнений вида (14) по формуле (20) для каждого столбца матрицы
Figure 00000131
. Полученные коэффициенты сплайнов с выхода БОКС 2 поступают на вход БВКГ 4, в котором преобразование сигналов осуществляют по формуле (21). На выходе БВКГ 4 формируют двумерную матрицу
Figure 00000132
, элементы которой содержат значения производных яркости в каждой точке изображения вдоль строки. Данные сигналы поступают на второй вход БОМГ 5. В БОМГ 5 осуществляют процедуру расчета модуля градиента яркости по формуле (24). В результате получают двумерную матрицу
Figure 00000133
, описывающую распределение модуля градиента яркости входной матрицы
Figure 00000134
, соответствующее каждому ее элементу. Матрица
Figure 00000135
поступает на вход БПП 6, в котором осуществляют формирование двумерной матрицы контуров
Figure 00000136
по формуле (20). Полученная матрица поступает на выход устройства, где может быть визуализирована или сохранена в памяти ЭВМ.In BOX 2, the spline coefficients are calculated from the solution
Figure 00000130
systems of linear equations of the form (14) according to the formula (20) for each column of the matrix
Figure 00000131
. The obtained spline coefficients from the output of BOX 2 are fed to the input of the BVCH 4, in which the signals are converted according to the formula (21). At the output of BVKG 4 form a two-dimensional matrix
Figure 00000132
, the elements of which contain the derivatives of brightness at each point in the image along the line. These signals are fed to the second input of BOMG 5. In BOMG 5, the procedure for calculating the brightness gradient module by the formula (24) is carried out. The result is a two-dimensional matrix
Figure 00000133
describing the distribution of the brightness gradient modulus of the input matrix
Figure 00000134
corresponding to each of its elements. Matrix
Figure 00000135
enters the input of the BPP 6, in which the formation of a two-dimensional matrix of contours
Figure 00000136
by the formula (20). The resulting matrix is sent to the output of the device, where it can be visualized or stored in the computer memory.

В качестве блоков 1-6 рассмотренного устройства обработки изображений могут быть использованы описанные в [10 − АйфичерЭ.С., Джервис Б.У. Цифровая обработка сигналов: практический подход. 2-е издание. - М.: Вильямс, 2004. 992 с.; 11 − Куприянов М.С., Матюшкин Б.Л. Техническое обеспечение цифровой обработки сигналов. Справочник. - М.: Наука и техника, 2000. 752 с.], а также любые аналогичные известные из уровня техники технические устройства (программируемые и непрограммируемые процессоры цифровой обработки сигналов и изображений), реализующие соответствующие математические функции (15)-(20).As blocks 1-6 of the considered image processing device, those described in [10 - Ayficher E.S., Jervis B.U. Digital signal processing: a practical approach. 2nd edition. - M.: Williams, 2004. 992 p .; 11 - Kupriyanov M.S., Matyushkin B.L. Technical support for digital signal processing. Directory. - M.: Science and Technology, 2000. 752 pp.], As well as any similar technical devices known from the prior art (programmable and non-programmable processors for digital signal and image processing) that implement the corresponding mathematical functions (15) - (20).

В БОКС 1 и БОКС 2 осуществляется операция умножения матрицы на вектор. Эта операция аналогична сверточной фильтрации, которая широко применяется в устройствах цифровой обработки сигналов [10], [11].In BOX 1 and BOX 2, the operation of multiplying the matrix by a vector is performed. This operation is similar to convolutional filtering, which is widely used in digital signal processing devices [10], [11].

В БВКГ 3 и БВКГ 4 для расчета компонентов градиента выполняются операции умножения матрицы на матрицу, которая также распространена в устройствах цифровой обработки сигналов [10],[11].In BVKG 3 and BVKG 4, to calculate the gradient components, matrix-matrix multiplication operations are performed, which is also common in digital signal processing devices [10], [11].

БОМГ 5 и БПП 6 могут быть реализованы аналогично способу прототипу в соответствии с описанием в источниках [10], [11].BOMG 5 and BPP 6 can be implemented similarly to the prototype method in accordance with the description in the sources [10], [11].

Приведенные выше материалы подтверждают соответствие критерию “промышленная применимость” предложенного способа.The above materials confirm compliance with the criterion of "industrial applicability" of the proposed method.

Это означает, что техническим результатом изобретения является повышение скорости выделения контуров полутоновых изображений в условиях импульсных помех.This means that the technical result of the invention is to increase the speed of selection of the contours of grayscale images in the conditions of pulsed interference.

Claims (1)

Способ помехоустойчивого градиентного выделения контуров объектов на цифровых полутоновых изображениях, при котором формируют две матрицы
Figure 00000137
и
Figure 00000138
компонент градиента яркости в каждой точке изображения, определяют модуль градиента яркости в каждой точке изображения, формируют контуры объекта путем порогового преобразования модуля градиента яркости, в процессе которого на новой белой матрице черным цветом выделяют элементы, модуль градиента для которых в соответствующих координатах изображения превышает порог преобразования, отличающийся тем, что перед формированием матриц
Figure 00000137
и
Figure 00000138
компонент градиента яркости с учетом уровня зашумленности изображения выбирают коэффициент сглаживания и вычисляют коэффициенты сглаживающих кубических B-сплайнов вдоль каждой строки и каждого столбца изображения, а две матрицы
Figure 00000137
и
Figure 00000138
компонент градиента яркости в каждой точке изображения формируют путем суммирования сглаживающих параболических B-сплайнов с найденными ранее коэффициентами сглаживающих кубических B-сплайнов для строк и столбцов соответственно.
Method of noise-tolerant gradient selection of contours of objects in digital grayscale images, in which two matrices are formed
Figure 00000137
and
Figure 00000138
components of the brightness gradient at each point in the image, determine the module of the brightness gradient at each point in the image, form the contours of the object by threshold conversion of the module of the brightness gradient, during which elements are selected in black on a new white matrix, the gradient module for which in the corresponding coordinates of the image exceeds the conversion threshold characterized in that before the formation of the matrices
Figure 00000137
and
Figure 00000138
the components of the brightness gradient, taking into account the level of noise in the image, select the smoothing coefficient and calculate the smoothing coefficients of the cubic B-splines along each row and each column of the image, and two matrices
Figure 00000137
and
Figure 00000138
the brightness gradient component at each image point is formed by summing the smoothing parabolic B-splines with the coefficients of smoothing cubic B-splines found earlier for the rows and columns, respectively.
RU2018139827A 2018-11-13 2018-11-13 Method for noise-immune gradient selection of object contours on digital halftone images RU2695417C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2018139827A RU2695417C1 (en) 2018-11-13 2018-11-13 Method for noise-immune gradient selection of object contours on digital halftone images

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2018139827A RU2695417C1 (en) 2018-11-13 2018-11-13 Method for noise-immune gradient selection of object contours on digital halftone images

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2695417C1 true RU2695417C1 (en) 2019-07-23

Family

ID=67512259

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2018139827A RU2695417C1 (en) 2018-11-13 2018-11-13 Method for noise-immune gradient selection of object contours on digital halftone images

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2695417C1 (en)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2755092C1 (en) * 2020-11-23 2021-09-13 Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт метрологии им. Д.И. Менделеева" Method for forming image with local brightness gradient and device for its implementation
RU2783065C1 (en) * 2021-07-29 2022-11-08 Федеральное государственное казенное военное образовательное учреждение высшего образования "Военный учебно-научный центр Военно-воздушных сил "Военно-воздушная академия имени профессора Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина" (г. Воронеж) Министерства обороны Российской Федерации Apparatus for selecting the contours of objects in hyperspectral images

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2325044C1 (en) * 2007-02-21 2008-05-20 Московский государственный университет инженерной экологии Gradient method of object contour extraction at halftone raster image matrix
RU2360289C1 (en) * 2008-08-11 2009-06-27 Евгений Александрович Самойлин Method of noise-immune gradient detection of contours of objects on digital images
RU2016104498A (en) * 2016-02-10 2017-08-15 Государственное казенное образовательное учреждение высшего образования "Российская таможенная академия" METHOD OF INTERFERENCE-STABLE GRADIENT IDENTIFICATION OF OBJECTS CIRCUITS ON DIGITAL HALITONE IMAGES

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2325044C1 (en) * 2007-02-21 2008-05-20 Московский государственный университет инженерной экологии Gradient method of object contour extraction at halftone raster image matrix
RU2360289C1 (en) * 2008-08-11 2009-06-27 Евгений Александрович Самойлин Method of noise-immune gradient detection of contours of objects on digital images
RU2016104498A (en) * 2016-02-10 2017-08-15 Государственное казенное образовательное учреждение высшего образования "Российская таможенная академия" METHOD OF INTERFERENCE-STABLE GRADIENT IDENTIFICATION OF OBJECTS CIRCUITS ON DIGITAL HALITONE IMAGES

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2755092C1 (en) * 2020-11-23 2021-09-13 Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт метрологии им. Д.И. Менделеева" Method for forming image with local brightness gradient and device for its implementation
RU2783065C1 (en) * 2021-07-29 2022-11-08 Федеральное государственное казенное военное образовательное учреждение высшего образования "Военный учебно-научный центр Военно-воздушных сил "Военно-воздушная академия имени профессора Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина" (г. Воронеж) Министерства обороны Российской Федерации Apparatus for selecting the contours of objects in hyperspectral images
RU2788589C1 (en) * 2021-12-14 2023-01-23 Российская Федерация, от имени которой выступает Министерство цифрового развития, связи и массовых коммуникаций Российской Федерации Method for adapting an antenna array by a gradient procedure with variable pitch
RU2788589C9 (en) * 2021-12-14 2023-05-25 Российская Федерация, от имени которой выступает Министерство цифрового развития, связи и массовых коммуникаций Российской Федерации Method for adapting an antenna array by a gradient procedure with variable pitch

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Thanh et al. An iterative mean filter for image denoising
Hodgson et al. Properties, implementations and applications of rank filters
Kobylin et al. Comparison of standard image edge detection techniques and of method based on wavelet transform
Sharma et al. Different techniques of edge detection in digital image processing
Abo-Zahhad et al. Edge detection with a preprocessing approach
Nakariyakul Fast spatial averaging: an efficient algorithm for 2D mean filtering
Veerakumar et al. Impulse noise removal using adaptive radial basis function interpolation
Khan et al. Image de-noising using noise ratio estimation, K-means clustering and non-local means-based estimator
RU2695417C1 (en) Method for noise-immune gradient selection of object contours on digital halftone images
RU2648954C2 (en) Method for noiseless gradient selection of object contours on digital halftone images
Avots et al. A new kernel development algorithm for edge detection using singular value ratios
Rahman et al. Edge detection technique by histogram processing with canny edge detector
Chochia Transition from 2D-to 3D-images: Modification of two-scale image model and image processing algorithms
Gao et al. New edge detection algorithms using alpha weighted quadratic filter
JP2870299B2 (en) Image signal processing device
Meitzler et al. Wavelet transforms of cluttered images and their application to computing the probability of detection
Medvedeva et al. Methods of Filtering and Texture Segmentation of Multicomponent Images
Janoriya et al. Critical review on edge detection techniques in spatial domain on low illumination images
Shen On multi-edge detection
RU2589301C1 (en) Method for noiseless gradient selection of object contours on digital images
Anitha et al. Comparison of standard edge detection techniques along with morphological processing and pseudo coloring in sonar image
Abdelkawy et al. Small infrared target detection using two-dimensional fast orthogonal search (2D-FOS)
Strickland et al. Estimation of ship profiles from a time sequence of forward-looking infrared images
Jahagirdar et al. Comparative study of satellite image edge detection techniques
Raghavendra et al. Time efficient design and fpga implementation of distributed canny edge detector algorithm