УСТРОЙСТВО КОМПЕНСАЦИИ БЛУМИНГА ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННОГО ДАТЧИКА
DEVICE FOR COMPENSATING OPTICAL ELECTRONIC SENSOR BLOOMING

Устройство относится к вычислительной технике и может быть использовано для коррекции искажений при формировании изображений оптико-электронным датчиком (ОЭД), вызванных блумингом - паразитным перетеканием зарядов в соседние ячейки ОЭД, и последующего ввода изображения во внутреннюю память вышестоящего устройства.
Известно устройство для ввода полутоновых изображений в ЭВМ (пат.№2009542 РФ, МПК7 G06K 9/00, 15.03.1994 г.), содержащее объект, преобразователь изображения в электрический сигнал, состоящий из диссектора и фокусирующе-отклоняющего узла, блока аналоговых ключей, интегрирующего блока, логарифмирующего блока, двух коммутаторов, аналого-цифрового преобразователя, блока управления, блока сопряжения с ЭВМ, двух цифроаналоговых преобразователей, генератора пилообразного напряжения и видеоконтрольного блока.
Недостатком данного устройства является высокая сложность его использования, низкая точность получаемого изображения, обусловленная погрешностями, вносимыми цифроаналоговыми преобразователями.
Известно устройство для распознавания образов по авторскому свидетельству N 860100 (опубл. 30.08.81, БИ N 32, МКИ G06K 9/00), используемое для идентификации графических образов и состояний объектов, которое по своей технической сущности является наиболее близким к предлагаемому устройству. Это устройство содержит блок памяти, два блока сравнения, информационные входы которых подключены ко входу устройства и выходам блока памяти, логический элемент ИЛИ, входы которого подключены к выходам блоков сравнения, а выход - к информационному входу выходного блока, в качестве которого использован кольцевой сдвиговый регистр; адресный счетчик, выходы которого подключены к адресным входам блока памяти, и блок управления, выходы которого подключены к управляющим входам блоков сравнения, блока памяти, адресного счетчика и выходного блока.
Недостатком устройства-прототипа является низкая точность получаемого изображения и большое время обнаружения искажения.
Технической задачей изобретения является повышение скорости коррекции искажений изображения, вызванных блумингом.
Техническая задача решается таким образом, что в известное устройство-прототип для распознавания образов, содержащее блок памяти, введены схема формирования адресов (ФА), блок инициализации (БИ), блок контроля незначительных расхождений пикселов столбца (HP), блок проверки искаженных последовательностей (НП1), блок проверки искажений с соседними столбцами (НП2), блок проверки незначительного отличия верхних и нижних границ последовательностей (ОГ), блок проверки близости средней яркости столбца к максимально возможной кадра (ИМ1), блок проверки близости средних яркостей последовательностей к максимально возможной кадра (ИМ2), блок признака блуминга (ПБ), блок коррекции искаженного столбца (КП), блок коррекции 2-х столбцов (КС), блок коррекции искаженных областей (КО), причем первая группа входов-выходов блока памяти (БП) соединена с первой группой входов-выходов формирователя адреса, вторая группа входов-выходов блока памяти с первыми группами входов-выходов блоков HP, НП1, НП2, ОГ, ИМ1, ИМ2, КП, КС, КО, выход первый блока памяти подключен к входу первому блока инициализации, первая группа входов блока формирования адресов соединена с первыми группами выходов блоков HP, НП1, НП2, ОГ, ИМ1, ИМ2, КП, КС, КО, выход первый блока инициализации соединен с первыми входами блоков HP, НП1, НП2, ОГ, ИМ1, ИМ2, а выход второй с первыми входами блоков КП, КС, КО, вход второй блока инициализации соединен с выходом схемы признака блуминга, вход третий блока инициализации с выходами первыми блоков КП, КС, КО, вход блока признака блуминга подключен к первым выходам блоков HP, НП1, НП2, ОГ, ИМ1, ИМ2.
Изобретение может быть использовано для снижения искажений изображения, вызванных наличием в поле зрения ОЭД ярких источников излучения малого углового размера, и повышения скорости автоматической коррекции искажений изображения, вызванных блумингом, и соответствует критерию «промышленная приемлемость».
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 показана структурная схема устройства, а на фиг.2 дан алгоритм устройства компенсации блуминга оптико-электронного датчика.
Блуминг - процесс «перетекания» заряда в матрице ОЭД с сильно освещенных пикселей на менее освещенные соседние, вызванный переполнением потенциальной ямы в ячейке (пикселе). Искажения, вызванные блумингом, проявляются в виде вертикальных ярких полос ниже и выше яркого объекта с малыми угловыми размерами.
Устройство содержит (фиг.1) блок памяти (БП) 1, схему формирования адресов (ФА) 2, блок инициализации (БИ) 3, блок контроля незначительных расхождений пикселов столбца (HP) 4, блок проверки искаженных последовательностей (НП1) 5, блок проверки искажений с соседними столбцами (НП2) 6, блок проверки незначительного отличия верхних и нижних границ последовательностей (ОГ) 7, блок проверки близости средней яркости столбца к максимально возможной кадра (ИМ1) 8, блок проверки близости средних яркостей последовательностей к максимально возможной кадра (ИМ2) 9, блок проверки признака блуминга (ПБ) 10, блок коррекции искаженного столбца (КП) 11, блок коррекции 2-х столбцов (КС) 12, блок коррекции искаженных областей (КО) 13, причем первая группа входов-выходов блока памяти (БП) 1 соединена с первой группой входов-выходов формирователя адреса (ФА) 2, вторая группа входов-выходов блока памяти (БП) 1 с первыми группами входов-выходов блоков (HP) 4, (НП1) 5, (НП2) 6, (ОГ) 7, (ИМ1) 8, (ИМ2) 9, (КП) 11, (КС) 12, (КО) 13, выход первый блока памяти (БП) 1 подключен к входу первому блока инициализации (БИ) 3, первая группа входов схемы формирования адресов (ФА) 2 соединена с первой группой выходов блоков (HP) 4, первого блока (НП) 5, второго блока (НП2) 6, (ОГ) 7, (ИМ1) 8, (ИМ2) 9, (КП) 11, (КС) 12, (КО) 13, выход первый блока инициализации (БИ) 3 соединен с первыми входами блоков (HP) 4, (НП1) 5, (НП2) 6, (ОГ) 7, (ИМ1) 8, (ИМ2) 9, а выход второй с входами блоков (КП) 11, (КС) 12, (КО) 13, вход второй блока инициализации (БИ) 3 соединен с выходом первым блока признака блуминга (ПБ) 10, вход третий блока инициализации (БИ) 3 с выходами первыми блоков (КП) 11, (КС) 12, (КО) 13, вход первый блока признака блуминга (ПБ) 10 подключен к выходам первым блоков (HP) 4, (НП1) 5, (НП2) 6, (ОГ) 7, (ИМ1) 8, (ИМ2) 9.
Устройство работает следующим образом. Изображение, искаженное блумингом, поступает в (БП) 1, на первом выходе (БП) 1 формируется признак того, что изображение уже записано, и с первого выхода (БП) 1 поступает на первый вход (БИ) 3, блок инициализации (БИ) 3 с первого выхода формирует сигнал, запускающий (HP) 4. Блок (HP) 4 через свою первую группу выходов выбирает из памяти через блок (ФА) 2 данные, которые поступают на первую группу входов-выходов из (БП) 1. После обработки изображения формируется сигнал присутствия (отсутствия) блуминга, который поступает с первого выхода блока (HP) 4, на первый вход (ПБ) 10, если блуминг в первой схеме обнаружен, то (ПБ) 10 со своего первого выхода инициализирует блок инициализации (БИ) 3, который осуществляет запись искаженных столбцов в память и запускает следующую схему. Блок (ПБ) 10 на каждом этапе проверки формирует сигнал признака блуминга (=1), и если на каком-либо этапе этот сигнал будет равен 0, то (БИ) 3 прекратит проверку данного изображения и приступит к следующему. Если проверка прошла успешно, то на втором выходе (БИ) 3 появится сигнал, инициализирующий схемы коррекции: (КП) 11, (КС) 12, (КО) 13. После проведения каждой коррекции через первые группы входов-выходов исправленные столбцы будут записаны в (БП) 1.
Для определения областей изображения, искаженных блумингом, последовательно анализируются яркости пикселов каждого столбца кадра. Признаком принадлежности столбца искаженной области изображения (признаком наличия искажений в столбце) является одновременное выполнение следующих условий:
1) незначительные расхождения яркостей пикселов столбца, определяемого неравенством
Y - размер кадра по вертикали,
i,j
I - яркость i-го пиксела j-го анализируемого столбца,
Δпор
I - пороговое значение расхождения яркостей;
s,j
s=t..m
s,j
2) наличие непрерывной последовательности I| (где t, m - ординаты начала и конца последовательности) пикселов столбца с яркостями I, большими или равными средней яркости  столбца, такой что
s,j
∀I, s=t+1..m-1:
s-1,j
s,j
s+1,j
s-1,j
s,j
Δtm
s+1,j
s,j
Δtm
I≥, I≥, I≥, |I-I|<I, |I-I|<I.
Ординаты t и m начала и конца последовательности определяются по перепаду яркости между соседними пикселами.
t,j
t-1,j
ΔTM
t,j
t+T,j
Δtm
M
t: |I-I|>I |I-I|<I при T=1..T,
m,j
m+1,j
Δ,TM
m,j
m-T,j
Δtm
M
m: |I-I|>I, |I-I|<I при T=1..T
Δtm
s
s=t..m
I - пороговое значение яркости пикселов, определяющее допустимое различие яркостей пикселов непрерывной последовательности I|,
ΔTM
I - пороговое значение яркостей пикселов, позволяющее определить границу последовательности,
M
T - количество пикселов, достаточное для достоверного определения границы последовательности;
s,j-1
s=t
..m
s,j+1
s=t
..m
/
/
//
//
3) наличие непрерывных последовательностей пикселов I|   , I|    с яркостями, большими или равными средней яркости анализируемого столбца. Последовательности определяются выражениями
s,j-1
/
/
∀I, s=t+1..m-1:
s-1,j-1
s,j-1
s+1,j-1
s-1,j-1
s,j-1
Δtm
s+1,j-1
s,j-1
Δtm
I≥, I≥, I≥, |I-I|<I, |I-I|<I,
s,j+1
//
//
∀I, s=t+1..m-1:
s-1,j+1
s,j+1
s+1,j+1
s-1,j+1
s,j+1
Δtm
s+1,j+1
s,j+1
Δtm
I≥, I≥, I≥, |I-I|<I, |I-I|<I,
/
/
/
/
/
t
,j-1
t
-1,j-1
ΔTM
t
,j-1
t
+T,j-1
Δtm
M
t: |I  -I  |>I, |I  -I  |<I при T=1..T,
/
/
/
/
/
m
,j-1
m
+1,j-1
Δ,TM
m
,j-1
m
-T,j-1
Δtm
M
m: |I  -I  |>I, |I  -I  |<I при T=1..T,
//
//
//
//
//
t
,j+1
t
-1,j+1
ΔTM
t
,j+1
t
+T,j+1
Δtm
M
t: |I  -I  |>I, |I  -I  |<I при T=1..T,
//
//
//
//
//
m
,j+1
m
+1,j+1
Δ,TM
m
,j+1
m
-T,j+1
Δtm
M
m: |I  -I  |>I, |I  -I  |<I при T=1..T;
4) незначительные отличия ординат верхней и нижней границ последовательностей, указанных в пунктах (2) и (3)
/
//
tm
tm
|t-t|<Δ, |t-t|<Δ,
/
//
tm
tm
|m-m|<Δ, |m-m|<Δ,
tm
tm
Δ - константное значение величины (как правило, Δ=3);
max
5) близость средней яркости  пикселов столбца к максимально возможной яркости I пикселов кадра
max
ΔM
|-I|<I;
6) близость средних яркостей пикселов последовательностей, указанных в пунктах (2) и (3), максимальному значению яркости пикселов кадра
,
,
;
ΔM
ΔM
ΔM
/
/
I  - априори задаваемая величина, обычно I <I.
При определении искаженных областей кадра блок инициализации (БИ) 3 на первом выходе формирует сигнал, первоначально поступающий на вход 1 (HP) 4, который инициализирует первый блок коррекции, блок (HP) 4 на первой группе выходов подает сигналы на первую группу входов (ФА) 2 для формирования адреса. (ФА) 4 формирует адреса для выбора яркостей анализируемых пикселов. При поступлении адресов на первой группе входов -выходов (БП) 1 появляются данные яркостей пикселов для анализа. Блоки (НП1) 5, (НП2) 6, (ОГ) 7, (ИМ1) 8, (ИМ2) 9 выбирают данные таким же образом и по формулам (1-6) определяют столбцы кадра, подверженные искажению.
После получения искаженных областей производится запись их адресов в память для последующего устранения блуминга.
Коррекция искажений производится для отдельно расположенных искаженных столбцов и областей кадра, содержащих несколько искаженных столбцов, расположенных вплотную друг к другу, путем определения откорректированных яркостей каждого пиксела, принадлежащего искаженному столбцу.
0
i,j
7) Откорректированная яркость I  каждого пиксела отдельно расположенного искаженного столбца определяется по формуле
0
i,j
i,j-1
i,j+1
I =0,5*(I+I),
i,j-1
i,j+1
где I, I - яркости пикселов, расположенные слева и справа от текущего пиксела, корректируемого столбца.
1
2
1
2
8) Коррекция яркостей пикселов искаженной области, содержащей два столбца с абсциссами j и j, причем j<j, производится по формулам
0
i,j1
i,j1-1
i,j2+1
I =0,75*I+0,25*I,
0
i,j2
i,j1-1
i,j2+1
I =0,25*I+0,75*I.
Следует отметить коррекция областей, содержащих более двух искаженных столбцов путем интерполяции по яркостям соседних пикселов, не представляется возможной вследствие низкой точности интерполяции.
0
i,j
9) Коррекция таких областей производится путем линейного контрастирования, при котором откорректированная яркость I  пиксела определяется по формуле
,
1
1
2
2
1
1
2
2
i>I, i<I, j>J, j<J,
1
2
1
2
1
2
const
1
2
где i, i - ординаты нижней и верхней строк, входящих в искаженную область, j, J - абсциссы левого и правого столбцов, входящих в искаженную область, I, I - ординаты нижней и верхней строк области, по которой производится определение параметров k, I, J, J - абсциссы левого и правого столбцов области, по которой производится определение параметров.
Для коррекции изображения блоки (КП) 11, (КС) 12, (КО) 13 рассчитывают по формулам (7-9) откорректированные значения яркостей пикселов искаженных столбцов (областей) и записывают откорректированные значения в (БП) 1, для этого на первой группе выходов блоков (КП) 11, (КС) 12, (КО) 13 формируется сигнал адресов откорректированных пикселов, на первой группе входов-выходов блоков (КП) 11, (КС) 12, (КО) 13 формируются яркости исправленных пикселов, которые поступают на вторую группу входов-выходов (БП) 1. Запись откорректированных яркостей происходит по разрешающему импульсу с первых выходов блоков (КП) 11, (КС) 12, (КО) 13.
Последовательность операций, выполняемых устройством при коррекции искажений, вызванных блумингом, следующая: определение искаженных областей кадра по выражениям (1)-(13), блоками блоков (HP) 4, (НП1) 5, (НП2) 6, (ОГ) 7, (ИМ1) 8, (ИМ2) 9, коррекция яркостей пикселов искаженных областей в соответствии с выражениями (14)-(16), блоками (КП) 11, (КС) 12, (КО) 13, повторение указанных операций до тех пор, пока при определении искаженных областей кадра не будет найден ни один искаженный столбец или блуминг в кадре не обнаружен.
Откорректированное изображение передается для дальнейшего использования внешними устройствами по группе входов-выходов 2 (БП) 1.
Устройство обладает высоким быстродействием, так как выполняется на ПЛИС. Коррекция может проводиться автоматически без усложняющих эту процедуру настроек.