СПОСОБ ОБРАБОТКИ СИГНАЛОВ ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ ИСКАЖЕНИЙ ФОНА В ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТИ ТЕЛЕВИЗИОННЫХ ИЗОБРАЖЕНИЙ
METHOD OF PROCESSING SIGNALS FOR DETERMINING PARAMETRES OF BACKGROUND GEOMETRICAL DISTORTIONS IN TELEVISION IMAGE SEQUENCE

Изобретение относится к цифровой обработке изображений и может быть использовано в охранных системах, системах технического зрения, системах космического мониторинга Земли и др.
Известен способ обработки сигналов для выделения объектов, наблюдаемых в последовательности телевизионных изображений [Пат. РФ №2311684, Бюл. №33, 27.11.2007], состоящий в том, что запоминается первый кадр обрабатываемой последовательности в качестве фонового изображения, определяются параметры сдвига и поворота изображения текущего кадра относительно эталонного изображения, при этом угол поворота изображения текущего кадра относительно эталонного изображения определяется до вычисления параметров сдвига изображения, а затем вычисляются параметры сдвига изображения текущего кадра относительно эталонного изображения с субпиксельной точностью, после проверки условия смены эталонного изображения вычисляют параметры сдвига изображения текущего кадра относительно фонового изображения и угла поворота изображения текущего кадра относительно изображения первого кадра по найденным значениям параметров сдвига и поворота текущего кадра относительно эталонного изображения.
Недостатками указанного способа являются высокие вычислительные затраты, а также отсутствие механизма отсеивания участков изображения, содержащих движущиеся объекты.
Известен способ обработки сигналов для совмещения наблюдаемых телевизионных изображений [Ranganath H.S., Borland J.S., Malcolm W.W. Feature extraction technique for fast digital image registration: SOUTHEASTCON, Proceedings of the Region 3 Conference and Exhibit, 1980. - Pp.225-228], состоящий в том, что запоминается исходное изображение, на нем выделяются наиболее информативные участки изображения, запоминается текущее изображение, производится корреляционная обработка выбранных участков с целью установления соответствия текущего и исходного изображений.
Недостатком данного способа является несовершенство метода выделения опорных участков, а также то, что он не учитывает возможность поворота текущего изображения относительно исходного.
Наиболее близким к заявляемому способу является выбранный в качестве прототипа способ обработки сигналов для определения координат объектов, наблюдаемых в последовательности телевизионных изображений [Пат. РФ №2193825, Бюл. №33 27.11.2002], состоящий в том, что принимаются и запоминается сигналы текущего телевизионного изображения, на изображении выбираются 2-N ориентиров, причем N=3, 4, 5,…, формируются сигналы несходства телевизионных изображений 2·N ориентиров текущего телевизионного изображения и телевизионных изображений 2·N ориентиров предыдущего телевизионного изображения, определяются смещения телевизионных изображений 2·N ориентиров текущего телевизионного изображения относительно телевизионных изображений 2-N ориентиров предыдущего телевизионного изображения, на их основе определяют перемещение и крен поля текущего изображения за время между приемом предыдущего и текущего изображений.
Недостатком данного способа является несовершенство метода определения ориентиров, невозможность определения параметров смещения и поворота изображения с малым количество ориентиров, недостаточная точность определения смещения ориентиров.
Технической задачей изобретения является повышение точности определения параметров геометрических преобразований за счет выбора наилучших опорных участков и повышения точности вычисления их координат.
эт
эт
эт
Технический результат, достигаемый при осуществлении заявленного изобретения, заключается в принятии и аналого-цифровом преобразовании сигнала изображения каждого кадра, выборе на первом кадре обрабатываемой последовательности М опорных участков, где М=4, 5, назначении первых М-1 участков основными, а последнего - поисковым, определении положения опорных участков с субпиксельной точностью по данным каждого кадра за время между приемом текущего и следующего кадра, определение на основе координат опорных участков на текущем и предыдущем кадре параметров сдвига и поворота фонового изображения относительно предыдущего изображения, вычисление параметров сдвига и поворота фонового изображения относительно первого кадра, взаимозамене опорного участка, имеющего наибольшую невязку, и поискового опорного участка, замене поискового опорного участка на произвольный участок текущего изображения, не пересекающийся с основными опорными участками и находящийся на достаточном удалении от границ изображения, замене опорных участков, находящихся на небольшом удалении от границ кадра, на произвольные участки текущего изображения, не пересекающиеся с основными опорными участками и находящиеся на достаточном удалении от границ изображения, проведении межкадровой экспоненциальной фильтрации эталонных изображения опорных участков.
Способ обработки сигналов для определения параметров геометрических искажений фона в последовательности телевизионных изображений включает в себя выполнение следующих действий.
Производится прием и аналого-цифровое преобразование сигнала изображения каждого кадра наблюдаемой последовательности. Результат аналого-цифрового преобразования изображения каждого кадра имеет вид матрицы чисел l(i, j, n), ,  где I и J - размеры оцифрованного изображения в элементах разрешения (пикселях), n=1, 2, 3,… - номер кадра. Каждый элемент матрицы l(i, j, n) является результатом квантования яркости соответствующей точки наблюдаемой сцены.
эт
эт
Осуществляется выбор на изображении первого кадра М опорных участков, где М=4, 5,…. Для этого на первом кадре изображения формируется зона выбора опорных участков Z(n). Она включает в себя точки z(i, j, n) изображения l(i, j, n) первого кадра, отвечающие следующим условиям:
где р - параметр, характеризующий минимальное удаление опорного участка от границ кадра.
1
Зона поиска первого опорного участка Z(n) полностью соответствует выбранной зоне поиска Z(n). Зоны поиска всех опорных участков, исключая первый, формируются по правилу:
,
где  - номер опорного участка;
m
m
ω(n) - множество точек, принадлежащих эталону w(α, β, n);
А\В - операция исключения точек множества В из множества A.
m
m
Опорный участок w(α, β, n) выбирается в зоне поиска Z(n) по следующему правилу:
где
m
при i, j∈Z(n), - матрица значений критерия выбора
m
m
a, b- размеры опорного участка;
i, j - координаты центра текущего опорного участка;
- среднее значение яркости по текущему опорному участку.
Эт
m
Производится назначение первых М - 1 участков основными, а последнего - поисковым. Изображения опорных участков на первом кадре принимаются за эталонные изображения w(α, β, n).
Обработка каждого кадра наблюдаемой последовательности изображений, начиная со второго, начинается с предварительной оценки положения изображений опорных участков , . Определение предварительных оценок координат всех опорных участков на текущем изображении кадра производится по правилу:
где
- разностная критериальная функция;
m
w(α, β, n) - изображение m-го опорного участка в n-м кадре;
m
W (n) - зона поиска m-го опорного участка в n-м кадре.
m
m
w
w
w
Зона поиска W(n) представляет собой прямоугольную область изображения, центр которой находится в точке (i(n-1), j(n-1)), а размеры I, J заданы заранее и одинаковы для всех опорных участков.
m
m
Для уточнения предварительных оценок положения опорных участков производится определение субпиксельных поправок оценок координат δi(n), δj(n) всех опорных участков на текущем изображении кадра.
Субпиксельные поправки определяются из значений критериальной функции, аппроксимированной в ближайшей окрестности точки  полиномом второго порядка:
;
.
Итоговые оценки положения опорных участков ,  на текущем изображении кадра вычисляются по следующему правилу:
,
.
Используя полученные оценки положения опорных участков, столбец , содержащий предварительные оценки параметров смещения и поворота текущего изображения относительно предыдущего, вычисляется по следующему правилу:
,
эт
(m=1,2,…,М)
-
где А- операция псевдообращения матрицы А.
Так как , то значения  будут оцениваться приближенно.
Исходя из этого, выполняется вычисление столбца невязки оценки D(n) по значениям  и ,  следующим образом:
.
эт
(m=1,2,…,М)
d
Так как опорный участок с наибольшим суммарным абсолютным значением невязки наиболее вероятно будет вносить наибольшую ошибку в оценку положения изображений опорных участков, то его номер mопределяется по следующему правилу:
.
d
d
эт
Из рассмотрения исключается поисковый опорный участок, а также участок с номером m. В том случае, когда m=М, ни один основной опорный участок из рассмотрения не исключается. По оценкам координат оставщихся основных опорных участков вычисляются итоговые оценки  параметров смещения и поворота текущего изображения относительно предыдущего по следующему правилу:
.
d-1
d+1
эт
(m=1,2,…, m, m,…, М-1)
Значения параметров сдвига Δi(n), Δj(n) и поворота Δφ(n) фона текущего изображения относительно фона первого кадра вычисляются по правилу:
,
,
В случае, когда , наибольшую суммарную абсолютную невязку имеет основной опорный участок . Этот участок с поисковым опорным участком  заменяется один на другой по следующему правилу:
,
,
.
Так как поисковый опорный участок подлежит замене каждый кадр, то присвоение ему данных заменяемого им основного опорного участка не требуется.
k
k
k(
Поисковый опорный участок  и все основные опорные участки w(α, β, n), расположенные на расстоянии менее р пикселей от границ изображения, необходимо заменить на опорные участки, выбираемые в зонах поиска Z(n) случайным образом. При этом зоны поиска Zn) формируются на основе Z(n) последовательным исключением из нее всех опорных участков, остающихся неизменными, а также всех уже выбранных эталонов.
Производится межкадровая экспоненциальная фильтрация эталонных изображений опорных участков, не подвергавшихся замене, по следующему правилу:
,
ф
где k∈[0, 1] - коэффициент межкадровой фильтрации эталонных изображений опорных участков.
Таким образом, отличия заявляемого способа от прототипа состоят в следующем:
1) наличии улучшенного метода выбора опорных участков;
2) наличии поискового опорного участка и процедуры, позволяющих адаптировать алгоритм к изменениям наблюдаемого изображения;
3) вычислении координат опорных участков с субпиксельной точностью;
4) возможности определения параметров смещения и поворота фона на изображении с малым количеством ориентиров.