SE448126B - Anordning for detektering av sprangartade forendringar av en egenskap inom ett omrade av en i diskreta bildelement uppdelad bild - Google Patents

Description

448 126 i i 2 Föreliggande uppfinning härrör från forskning inom de områden som rör datoriserad bildanalys; Litteraturen inom detta område beskriver diverse olika algoritmer, som hänför sig till de problem som löses med hjälp av denna uppfinning. Den signal- behandling som utförs av föreliggande uppfinning skulle liksom dessa algoritmer i princip kunna utföras av en generell dator.

Alla sådana implementeringar har dock den nackdelen att bear- betningen inte är realiserad i maskinvara, utan erfordrar ett program av något slag. Som följd av detta blir de bearbet- níngstider som är aktuella orimligt långa för alla tillämp- ningar av intresse. ' t ' ' Kort beskrivning av uppfinningen- Föreliggande uppfinning avser således erbjudande av en anord- ning som med hög snabbhet detekterar och på ett ändamålsenligt sätt beskriver delområden av en i diskreta bildelement upp-W delad bild som karaktäriseras av vektorer som skiljer sig i fråga om endera riktning eller magnitud, eller en kombination därav. ' " ' De för uppfinningen kännetecknande särdragen framgår av de bifogade patentkraven. I W D i Det har visat_sig att en sådan anordning vid.de speciella tillämpningar som här avses kan vara tusentals gånger snabbare ' än en generell dator.

Uppfinningen skall nedan närmare beskrivas med avseende på en anordning för undersökning av ett lokalt område i en digitali- serad bild. Digitaliseringen avser här att bilden är diskreti- serad i spatialt hänseende, resulterande i bildelement med en viss storlek. Bildelementens_värden kan sedan vara represen- terade i antingen digital eller analog form, beroende påg implementeringen av systemet. Ett fullständigt system för undersökning av en hel bild kan-antingen innehålla en mängd sådana enheter som arbetar parallellt med olika områden av bilden, eller en enda enhet som bringas att successivt analy- 448 126 3 sera varje område av bilden. Dessa områden kan delvis över- lappa varandra. i Det förutsättes här att de egenskaper som skall beaktas är representerade i form av komplexvärda signaler eller två- dimensionella vektorer, en för varje bildelement. Dessa vek- torer representerar en egenskap, exempelvis dominerande orien- tering. Varje vektor är i ett sådant fall så beskaffad att dess riktning beskriver den dominerande orienteringen hos en struktur i bilden, medan vektorns längd representerar säker- heten i angivelsen av denna riktning. Denna vektorrepresen- tation av bilden kan erhållas exempelvis genom transformation av den ursprungliga digitaliserade bilden, i vilken varje bildelement kan vara tilldelat en gråskalenivå eller en inten- sitetsnivå kombinerad med en färgkod, i enlighet med de prin- ciper som beskrivs i "IEEE TRANSACTIONS ON COMMUNICATIONS", voLAcoM-31,É nr 3, mars 1983, sia ass - 406. ben anordning med vilken_föreliggande uppfinning löser ovan angivna problem kan karaktäriseras av en kombination av fyra huvudenheter. En första och andra enhet tillhandahåller bild- data inom det betraktade området resp. uppsättningar av komp- lexvärda multiplikationsfaktorer för motsvarande område. En tredje enhet innehåller ett antal underenheter vilka var och en på ett förutbestämt sätt korrelerar de komplexvärda signa- ' lerna eller vektorerna inom det betraktade området med sagda uppsättningar av multiplikationsfaktorer. En fjärde enhet iutför slutligen en.viktad sammansättning av utsignalerna från den tredje enhetens underenheter. i Kort beskrivning av ritningen.

Uppfinningen kommer att beskrivas närmare nedan under hänvis- ning till den bifogade ritningen, i vilken fig. 1 illustrerar den aktuella problemsituationen, 448126 a t? fig. 2 visar ett blockschema av anordningen enligt förelig- gande uppfinning,a-p fig. 3 visar ett mera detaljerat blockschema av en adresse- ringsenhet med minnen för bilddata och uppsättningar av multiplikationsfaktorer, s e s fig. 4 visar ett mera detaljerat blockschema av en underenhet för korrelaciensberäkning in fig. zp, fig. 5 visar ett mera detalfierat'blockschema av enheten för viktad kombinering av de erhållna produktsummorna i fig. 2, i ' fig. 6 visar en alternativ utföringsform av en underenhet för korrelationsberäkning, i i fig. 7 visar en analog utföringsform av en enhet för korrela- tionsberäkning,-och i ' fig. 8 visar ett exempel på en lämplig koefficientuppsättning.

Beskrivning av föredragna utföringsformer.

Fig. 1 illustrerar den aktuella problemsituationenr Ett områ- de l bildas av två olika delområden karaktäriserade av vektor- uppsättningar eller komplexvärda signaler med olika riktning- ar, vilka var ooh en exempelvis representerar orienteringen av strukturer inom området. Ett område 2 bildas av två olika del- områden karaktäriserade av vektoruppsättningar med samma rikt- ningar men olika magnitnder. De olika vektorområdena kan exem- pelvis representera strnkturer med samma orientering men med olika kontrast inom respektive_delområde; l Problemsituationen är den att det är önskvärt-att på ett snabbt och tillförlitligt sätt kunna detektera övergångar mellan olika delområden av typ 1 såväl som av typ 2, samt D' 448 126 5 kombinationer därav. Det är sålunda önskvärt att kunna karak- tärisera graden av olikhet mellan olika typer av delområden.

Fig. 2 visar ett blockschema av en anordning i enlighet med föreliggande uppfinning. Figuren visar en enhet 3 som tillhan- -dahåller uppsättningar av komplexvärda multiplikationsfaktorer såväl som komplexvärda bilddata för ett område svarande mot ett "fönster" av en enligt ovan transformerad digitaliserad bild, inom vilket en mätning skall genomföras. Detta område kan typiskt innehålla ll x 11 tvâ-dimensionella vektorer.

Värdena av vektorkomponenterna inom detta område avkänns av en _ enhet 4 innehållande ett förutbestämt antal likadana underen- enheter; av vilka tre angivits med beteckningarna 5, 6 och 7.

Utresultaten från dessa underenheter jämförs sedan i en norme- ringsenhet 8, där ett sammansatt resultat 9 erhålles. Denna ' signal 9 utgör ett mått på förekomsten av en sprângartad variation av egenskapen inom det aktuella området, samt orien- teringen hos gränslinjen mellan de två av denna språngartade variation bildade delområdena av det betraktade området.

En första utföringsform av anordningen enligt fig. 2 kommer nu att beskrivas under hänvisning till fig. 3-5.

Fig. 3 visar mera i detalj enheten 3 i fig. 2 för tillhanda- hållande av uppsättningar av komplexvärda miltiplikationsfak- torer och komplexvärda bilddata för det betraktade området. D Det förutsättes här att de olika vektorerna som förekommer inom en omgivning kring "mätpunkten" i bilden, signal 10, såväl som uppsättningarna av multiplikationsfaktorer, signa- lerna ll, 12 och 13, är representerade av komponenterna magni- tud och fas. Exempelvis kan magnituden representeras av ett tal mellan 0 och 255, dvs av en byte. Pâ samma sätt kan även fasvinkeln representeras av en byte. Härigenom kommer varje bildpünkt att vara tilldelad två byte i ett minne, vilka rep- resenterar den till bildpunkten hörande vektorn. Om annan digital upplösning önskas är givetvis andra minnestilldel- ningar tänkbara. Informationen kan även vara representerad i r analog form såsom en spänning eller en-ström. En adressgene- 44sl12e,¿ 36, rator 14 tillhandahåller ur bilddataminnet 15 aktuella komp- lexvärda signaler för en omgivning kring mätpumkten i form av magnitud 16 och fas 17. Adressgeneratorn 14 tillhandahåller även korresponderande uppsättningar av komplexvärda multipli- kationsfaktorer från ett koefficientminne 18. För enkelhets skull betraktas tre olika uppsättningar av multiplikations- faktorer i form av magnitudsignaler 19, 21 och 23 respektive fassignaler 20, 22 och 24. Ûppfinningen är dock ej begränsad till just detta antal, utan både färre och fler uppsättningar är möjliga. Enheterna 14, 15 och 18 utgör var för sig väl känd teknik och är ej föremål för denna ansökan. 2 Fig. 4 visar mera i detalj uppbyggnaden av underenheten 5 i enheten 4, vilken som redan nämnts ovan innehåller ett antal likadana underenheter 5, 6, och 7 för korrelering av de komp- lexvärda signalerna eller vektorerna inom det betraktade om- rådet med sagda uppsättningar av_komplexvärda multiplikations- faktorer. Antalet underenheter svarar sålunda i detta fall mot antalet uppsättningar av multiplikationsfaktorer. Funktionen av exempelvis nnderenheten 5 är följande. Bildminnets 15_ magnitudsignal 16 och_koefficientminnets 18 magnitudsignal 19 leds till en multiplikator 25, Den så erhållna produktkompo- nenten 26 leds till multiplicerande summatorer 27, 28, 29 och 30. Bildminnets 15 fassignal 17 kombineras med koefficientmin- »nets 18 fassignal 20 i två adderare 31 och 32. I den ena adde- raren 31 adderas de tvâ fasvinklarna, medan i den andra adde- raren 32 skillnaden mellan vinklarna beräknas. De så erhållna fasvärdena leds till var sin uppslagstabell 33, 37 för cosinus och var sin uppslagstabell 36, 38 för sinus. De därvid erhåll- na värdena går till var sin av_de tidigare nämnda multiplice- rande summatorerna 27, 28, 29 och 30. Som ytterligare insignal till varje multiplicerande summator föreligger den tidigare nämnda magnitudprodukten 251 Detta ger fyra produktsummor för den betraktade omgivningen, varie produktsumma leds till en kvadreringsenhet 33, 331, 34 och 34', varefter de fyra kompo- nenterna kombineras i~en adderare 35'. I n. Ü 2448 126 7 I enheten 4 ingår även ett antal liknande underenheter, exemp- lifierade med beteckningarna 6 och 7, vilka har samma princi- piella funktion som enhet 5 men använder andra uppsättningar 21, 22 resp. 23, 24 av komplexvärda multiplikationsfaktorer.

Som redan påpekats ovan är uppfinningen ej begränsad till just detta antal av underenheter, utan antalet underenheter kan variera i beroende av antalet uppsättningar av multiplika- tionsfaktorer, vilket i sin tur bestäms av de olika tillämp- ningarna. Systemet kan även innehålla bara en enda underenhet i vilken produktsummorna för alla uppsättningar av komplex- värda koefficienter beräknas i serie, den ena efter den andra.

Fig. 5 visar mera i detalj enheten 8 i fig. 2 för sammansätt- ning och normering av delresultaten 36', 37' och 38' från respektive underenhet 5, 6 och 7. Delresultaten leds via en- heter 39, 40 och 41 för kvadratrotutdragning till var sin enhet 42, 43 och 44 för omvandling från polär till rektangulär representation av komplexa signaler. Insignalen till en sådan enhet 42 utgöres dels av magnitudvärdet från kvadratrotutdrag- ningsenheten 39 och dels ett fasvinkelvärde 45, som är förin- ställbart eller kan modifieras på ett förutbestämt sätt från ett område till ett annat i bilden. Eventuellt kan enheterna 42-44 förutom fasförskjutning av insignalerna även multipli- cera dessa med en magnitudfaktor, så att en komplexvärd vikt- ning av insignalerna erhålles. De från omvandlingsenheterna 42, 43 och 44 erhållna signalerna i termer av rektangulära koordinater summeras i adderare 48 och 49, de reella komponen- tenterna i adderaren 48 och de imaginära i adderaren 49.

Resultatet av mätningen inom den betraktade omgivningen kring mätpunkten föreligger då i form av en_komplex signal med realdel 50 och imaginärdel 51. Om så önskas kan resultatet bringas på polär form i en rektangulär/polär-omvandlare 52, vilken ger ett utresultat i form av magnitud 53 och fas 54.

Ovan har beskrivits hur ett mått på en sprângartad förändring av en egenskap och orienteringen av gränslinjen av denna för- ändring kan erhållas i ett område kring en mätpunkt, vilken motsvarar ett bildelement i den ursprungliga bilden. På mot- 448 1266 svarande sätt kan även övriga bildelement i bilden undersökas' med avseende på förekomsten av språngartade förändringar hos nämnda egenskap i omgivningar kring dessa bildelement. Detta kan ske antingen genom att en anordning successivt avsöker bilden genom förflyttning av "fönstretfi till omgivningar, hörande till nya.bildelement, eller genom att flera anord- ningar parallellt avsöker flera omgivningar. Vid den ovan beskrivna utföringsformen representerades bild- och koeffi- cientvektorerna i polârt format. Alternativt kan de betraktade signalerna vara representerade av komponenter i rektangulärt format, där den ena komponenten motsvarar realdelen och den andra komponenten motsvarar imaginärdelen av en komplexvärd signal. Det förutsättes även för denna implementering att en 'lämplig mekanism, såsom en adressgenerator, ur ett minne till- handahåller de aktuella vektorvärdena för en omgivning kring mätpunkten. Blockschemat i fig. 2 gär även i detta fall* tillämpligt för anordningen. 7 Denna alternativa utföringsform av uppfinningen kommer nu att beskrivas mera i detalj under hänvisning till fig. 6, som visar uppbyggnaden av enheten 5 vid denna variant. Realdelen och imaginärdelen av bilddata 10 resp. koefficienter ll leds till fyra multiplikatorer 60, 61, 62 och 63. Utsignalerna från dessa leds till fyra adderare 64, 65, 66, och 67. Observera att ena ingången av adderarna 64 och 67 är inverterande. Häri- genom bildar adderarna 64, 65 realdelen resp. imaginärdelen' av den komplexa produkten av insignalerna 10, 11, medan adde- rarna 66, 67 bildar realdelen resp.= imaginärdelen av den komplexa produkten av insignalen 10 och komplexkonjugatet av insignalen ll. Utsignalerna från adderarna summeras upp i fyra summatorer 68, 69, 70 och 71. De sålunda erhållna summasigna- lerna kvadreras i fyra multiplikatorer 72, 73, 74 och 75. De kvadrerade summasignalerna adderas slutligen igen adderare 76 för bildande av utsignalen 365.-Denna är identisk med signalen 36' i utföringsformen enligt fig. 4. Det inses att liksom vid den första utföringsformen enheterna 6 och 7 även vid den.. alternativa utföringsformen är identiska med den nyss beskriv- na enheten 5.7-ii 7' Ö i 448 126 9 Eftersom den alternativa utföringsformen av enheten 5 ger sam- ma utsignal som enheten 5 i den första utföringsformen kan en- heten 8 användas oförändrad.

Ytterligare en alternativ utföringsform av en enhet 5 visas i fig. 7. Denna utföringsform är särskilt lämplig för en analog implementering av uppfinningen, men kan även användas vid en digital implementering. Vid nedanstående beskrivning hänvisas dock för enkelhets skull endast till en analog implementering.

Bilddatasignalerna 10 för hela den betraktade omgivningen kring mätpunkten, exempelvis representerade av spänningar eller strömmar, leds till uppsättningar av motstånd eller multiplicerande D/A-omvandlare 80-82, 90-92, 100-102 och 110- 112, vilka representerar motsvarande koefficientuppsättning för samma omgivning. Observera att koefficientuppsättningen resp. bilddatasignalerna förekommer dubbelt för bildande av olika produktkombinationer. Multiplikationen erhålls i detta fall som en avspeglinq av Ohms lag. De därvid erhållna pro- duktsignalerna summeras i fyra summatorer 120-123, exempelvis implementerade av àterkopplade operationsförstärkare, vars utsignaler kombineras i fyra adderare 130-133 för bildande av real- resp. imaginärdelen av produktsummorna av bilddatasig- gnalerna och koefficienterna.resp. av dessa signaler och de konjugerade koefficienterna. Dessa signaler kvadreras sedan i kvadreringsenheter 140-143 för slutlig summering i en adderare 150. Utsignalen 36"till-föres enheten 8 och behandlas där på samma sätt som vid tidi-gare beskrivna utföringsformer.

I fig. 8 visas ett exempel på en lämplig uppsättning av multi- plikationsfaktorer avsedda som insignaler till någon av enhe- 2 terna 5, 6, 7. Om det antages att det område av bilden som skall betraktas har en utsträckning på 11 x ll bildelement kommer även koefficientuppsättningen att ha samma utsträck- ning. Det har visat sig vara särskilt fördelaktigt att i anordningen enligt uppfinningen använda fyra underenheter 5 och fyra därmed associerade koefficientuppsättningar. Därvid utgöres de tre övriga koefficientuppsättningarna av kopior av .SI 44si126 amg den i fig. 8 visade vilka vridits moturs 45, 90 resp. 135 grader i förhållande till fig. 8.

De i fig. 5 visade fasvinklarna 45 ... 47 har under de i före- gående stycke angivna förutsättningarna lämpligen värdena 0,g 90, 180 resp. 270 grader. “f in gg .

En annan lämplig koefficientuppsättning utgöres av en uppsätt- ning som vridits moturs 22.5 grader i förhållande.tíll fig. 8.

I detta fall utgöres övriga tre uppsättningar av kopior som e vridits moturs 45,_9O resp 135 grader i förhållande till denna_ vridna uppsättning. i t I ytterligare en variant kan koeffioientuppsättningarna vara vridna på sådant sätt att de ej har samma inbördes vinkelav-g stånd. i t' ' Det inses att uppfinningen kan varieras och modifieras på många sätt inom ramen för uppfinningens grundtanke, vilkeni definieras av de bifogade patentkraven. * nu) hiv

Claims (1)

1. 448 126 11 PATENTKRAV

   1. Anordning för detektering av språngartade förändringar av ' en egenskap inom ett.område av en i diskreta bildelement upp- delad bild, varvid denna egenskap representeras av komplex- värda signaler, en för varje bildpunkt, med signalfasen_ beskrivande_egenskapens typ och signalmagnituden beskrivande säkerheten i egenskapsutsagan, k ä n n ett e c k n a~d av en första enhet.(l5) för tillhandahållande av signalerna (16, 17) inom området, åtminstone en andra enhet (18) för tillhandahållande av åtminstone en mot dessa svarande uppsättning av komplex- värda multiplikationsfaktorer (19, 20; 21, 22; 23, 24), Ven tredje enhet_(4) för att för varje uppsättning av multipli- kationsfaktorer bilda en måtsignal (36', 37', 38') beståen- de av summan av kvadraterna av magnituderna av en första summasignal innehållande de komplexvärda produkterna av signalerna (16, 17) och motsvarande multiplikationsfaktorer -(19, 20) 21, 22; 23, 24) samt en andra summasignal innehål- lande de komplexvärda produkterna av signalerna och motsva- rande konjugerade multiplikationsfaktorer, och ' en fjärde enhet (8) för med komplexvärda koefficienter (45, 46, 47) viktad summering av kvadratroten ur mätsignalerna från den tredje enheten (4).

   2. Anordning enligt krav 1, k ä n n ett e c k n a d av att den tredje enheten (4) innefattar mot varje uppsättning av multiplikationsfaktorer svarande underenheter (5, 6, 7), vilka bildar den mot respektive uppsättning svarande mätsignalen (ss', 31-, 3s')

   3. iAnordning enligt krav 2, k_ä n n e t etc k n a d av att varje underenhet (5, 6, 7) innefattar en multiplikator (25) 448 126), 12 för bildande av produkten (26) av magnituden (16) av signaler- na och magnituden (19) av motsvarande multiplikationsfaktorer, adderare (31, 32) för bildande av summan resp. skillnaden mellan fasen (17) av signalerna och fasen (20) av motsvarande ' ” mulripllkarlenefakrerer, organ (35, as, 31, as) för bildande av cosinus resp. sinus av denna summa resp. skillnad, multi- plicerande summatorer (27, 28, 29, 30) för multiplicering av de erhållna cosinus- resp. sinussignalerna med produktsigna- len (26) från multiplíkatorn (25) och summering av delresul- taten, kvadreringsenheter (33, 33', 34, 34') för kvadrering av de erhållna summorna och en adderare (35') för addering av dessa kvadrater (fig; 4). lå

   4. Anordning enligt krav 2, k ä n n e t e c k n a d- av att varje underenhet (5, 6,a7) innefattar multiplikatorer (60,-61, 62,.63) för multiplicering av signalernas (10) real- resp. imaginärdel med motsvarande multiplikationsfaktorers (ll) real- resp; lmagiaardel, adderare (64, ss, es, 61) för bildan- de av real- resp. imaginärdeldel av produkten av signalerna i och motsvarande multiplikationsfaktorer resp. av signalerna ' och motsvarande konjugerade faktorer ur multiplikatorernas ut- signaler, summatorer (68, 69, 70, 71) för summering av respek- tive adderares (64, 65, 66, 67) utsignaler, kvadrerare (72, 73, 74, 75) för kvadrering av summatorernas utsignaler och en adderare (76) för addering av kvadrerarnas (72-75) utsignaler (fig.6).

   5. Anordning enligt krav 2, k ä n n e t.e c k n a d av att varje underenhet (5, 6, 7) innefattar uppsättningar av andra enheter (ao-sz) so-92; loo-1o2¿c1lo-112) vilka tillhandahåller real- resp. imagínärdel av multiplikationsfaktorer och multi- plicerar dessa med real- resp. imaginärdelen av signalerna, mot uppsättningarna av andra enheter svarande summatorer (120- l23) för summering av dessa produktsignaler, adderare (130- d ä 133) för bildande av summan av produkterna av signalerna och multiplikationsfaktorerna resp. av signalerna och de konjuge- rade faktorerna, kvadreringsenheter (140-143) för kvadrering av utsignalerna från respektive adderare och en tillkommande ru (x d! 448 126 2 13 adderare (150) för summering av kvadreringsenheternas utsignaler.

   6. Anordning enligt krav 5, k ä n n e t e c k n a d av att aa andra annatarna (so-az; eo-92; ioo-102; 110-112) via an analog implementering utgöres av nät av motstånd eller multi- plicerande D/A-omvandlare;

   7. Anordning enligt något av föregående krav, k äln n e - t e c'k n a d av att den fjärde enheten (8) innefattar rotut-A dragningsenheter (39-41) för dragning av kvadratroten ur ut- signalerna från.den tredje enheten (4), viktningsenheter (42- , 44) för multiplicering av de därvid erhållna signalerna med motsvarande förutbestämda komplexa viktsfaktorer och två adde- rare (48, 49) för addering av real- resp. imaginärdelarna av viktningsenheternas utsignaler.

   8. Anordning enligt något av föregående krav, k ä n n e - t e ork n a d *av fyra uppsättningar av multiplikationsfak- torer (19-24). r " 9- Anordning enligt krav 8, k.ä n n e t e c k n a d av en underenhet (5-7) för varje uppsättning av multiplikations- faktorer. t

   10. Anordning enligt krav 8 eller 9, k ä n n e t e c kön a d av att en uppsättning av mutiplikationsfaktorer (19, 20) genom vridning med förutbestämda vinklar genererar övriga uppsätt- aningar (21, 22; .. 23, 24). 11; Anordning enligt krav 10, k ä n n e t egc k n a d fav att tre uppsättningar erhålles genom vridning av den återstående uppsättningen 45, 90 resp. 135 grader.

   12. Anordning enligt något av föregående krav, k ä n n e - t e c'k n a d av att de komplexvärda koefficienterna (45-47) gutför en fasvridning av mätsignalerna (36'-38'). 448 126? "'14" (fl

   13. 'Anordning 'enligt något av kraVenB-ll, k än n e _t e c k - n a d av att de kømplexvärda koefficienterna ( 45-47) utför en fasvridning av mätsignalerna (36'-38' I på 0, 90,, 180 resp. 270 grader. ¶ - e . ¶ ä! .Ißr