DE2507173C2 - Einrichtung zum Erkennen eines Objektes - Google Patents

Description

dadurch gekennzeichnet, daß

d) der Analog/Digital-Wandler (21) während einer Abtastung mehrere, aufeinanderfolgende Pereiche des analogen Videosignals in jeweils einen einzigen, digitalen Wen umwandelt, der sich jeweils mit dem Gesamtwert des analogen Videosignals während einer Zeitspanne ändert, die wenigstens so lang ist wie etwa die Zeitspanne für eine Zeilenabtastung des analogen Videosignals, daß

e) der Analog/Digital-Wandler (21) diese digitalen Werte für mehrere Zeilenabtastungen erzeugt, und daß

f) die Vergleichseinrichtung (Rechner 23) den sich ergebenden Satz von digitalen Werten mit ähnlich erzeugten Sätzen von digitalen Werten für bekannte Objekte vergleicht, die in einem Speicher (24) hinterlegt sind.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Analog/Digital-Wandier (21) digitale Werte erzeugt, die proportional zu dem Mittelwert des analogen Videosignals während der jeweiligen Zeitspanne ist

3. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß dem Arsalrag/Digital-Wandler (21) ein Filter (18) zur Entfernung der Frequenzen des analogen Videosignals vorgeschaltet ist, die bei oder über der Zeilenabtastfrequenz liegen.

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Erkennen eines Objektes der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Gattung.

Die Prüfung von biologischen Materialien, insbesondere die mikroskopische Untersuchung solcher Materialien auf pathologische Zustände, ist zeitraubend und erfordert häufig einen gut ausgebüdeten, erfahrenen Pathologen. Es wurden daher erhebliche Anstrengungen unternommen, um automatisch arbeitende Einrichtungenfür solche Untersuchungen zu entwickeln.

Soe ist es beispielsweise für die Untersuchung von Blut bekannt, entsprechend präparierte Proben durch eine Fernsehkamera abzutasten und die Blutzellen zu zählen. Dabei können bei weiterentwickelten Geräten Blutzellen unterschiedlicher Größen getrennt gezählt werden. Die Anwendung dieser Geräte ist jedoch auf die Fälle beschränkt, bei denen Zellen oder andere Teilchen getrennt identifiziert und gezählt werden können.

Für allgemeinere Untersuchungen, beispielsweise die Auswertung von pathologischen Geweben i.i Form von makroskopischen oder mikroskopischen Proben menschlichen, tierischen oder pflanzlichen Ursprungs, kann ein sogenanntes »fotoelektrisches Isofotometer« verwendet werden, bei dem Licht hoher Intensität durch die Probe geleitet und das sich ergebende Helligkeits muster aufgezeichnet und ausgewertet wird. Dieses

ίο Verfahren ist jedoch noch sehr zeitaufwendig und teuer.

Eine Einrichtung zum Erkennen es Objektes der

angegebenen Gattung is! schließlich aus der US-PS 37 05 383 bekannt und weist eine Anordnung zur Erzeugung eines das Objekt darstellenden, analogen Videosignals durch zweidimensionale Abtastung des Objektes mit vorgegebenen Abtastfrequenzen, weiterhin einen Analog/Digital-Wandler für die Umwandlung des analogen Videosignals in ein entsprechendes, digitales Videosignal und eine Einrichtung für den Vergleich des digitalen Videosignals mit einem Satz digitaler, bekannte Objekte darstellendes Videosignal auf.

Diese Einrichtung erzeugt beispielsweise mittels einer Fernsehkamera ein das Objekt darstellendes, analoges Videosignal, das mittels einer Signalverarbeitungseinrichtung in ein entsprechendes, digitales Videosignal umgewandelt wird, wodurch ein sogenanntes »Histogramm« des Objektes entsteht. Dieses digitale Videosignal wird dann mit einem Satz digitaler, bekannte Objekte darstellender Videosignale verglichen, so daß beispielsweise bei der Untersuchung von Zellen starke Abweichungen von Normaiwerten festgestellt werden können.

Bei diesem Histogramm-Verfahren sind nur die relativen Beträge der unterschiedlichen Intensitäten des analogen Videosignals wesentlich, d. h., die Frequenz, mit der die unterschiedlichen Intensitäten auftreten.

Untersucht man mit dieser Einrichtung beispielsweise ein Objekt, bei dem jede Elementfläche, also bcispielsweise eine vorgegebene, von einer Fernsehkamera noch auflösbare Flächeneinheit, nur einen von zv/ei unterschiedlichen Werten des optischen Reflexionsvermögens haben kann, nämlich einen Wert I und einen Wert 2, die beispielsweise den üblichen Hell/Dunkel-Darstellungen entsprechen, so gibt es viele, unterschiedliche Objekte, bei denen mit der Einrichtung nach dieser Entgegenhaltung jeweils gleiche analoge und dementsprechend auch gleiche digitale Videosignale erzeugt werden, d.h., diese stark unterschiedlicheil Objekte können nicht voneinander unterschieden wardea

Dabei handelt es sich um Objekte, bei denen zwar die Gesamtzahl von Elementflächen mit dem optischen Reflexionsvermögen 1 bzw. 2 jeweils gleich sind, sich jedoch die Elementfläche mit dem Reflexionsvermögen 2 an verschiedenen Stellen befinden. Liegen nun die verschiedenen Elementflächen so, daß sich die unterschiedlichen Intensitäten jeweils mit der gleichen Frequenz zeigen, so lassen sich die verschiedenen Objekte nicht voneinander unterscheiden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung zum Erkennen eines Objektes der angegebenen Gattung zu schaffen, bei der mit geringem verarbeitungstechnischen Aufwand für die Videosignale alle unterschiedlichen Objekte zweifelsfrei identifiziert werden können.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst

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Zweckmäßige Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen zusammengestellt.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile beruhen insbesondere darauf, da3 beispielsweise für jede Abtastzeile nur ein einziger, digitaler Wert erzeugt wird, der beispielsweise vom Durchschnittswert de Helligkeit dieser Abtastzeile abhängt. Dieser einzige, digitale Wert ändert sich jeweils mit dem Gesamtwert fies analogen Videosignals während einer Zeitspanne, die wenigstens so lang ist wie etwa die Zeitspanne für eine Zeilenabtastung des analogen Videosignals.

Diese »Mittelwertbildung« reicht für die zweifelsfreie Unterscheidung aller, in der Praxis auftretenden Objekte aus, ohne daß ein großer, verarbeitungstechnischer Zusatzaufwand erforderlich ist, da, wie erwähnt für jede Abtastzeile nur ein einziger digitaler Wert ermittelt wird, also wenig Rechen- und Speicherraum benötigt v/ird.

Für die Belange der Praxis reicht es aus, wenn mit 50 ,verschiedenen digitalen Werten gearbeitet wird, wie durch Versuche festgestellt werden konnte.
^; Beispielsweise bei der Untersuchung von menschlichem Gewebe werden die digitalen Werte für normale (Gewebe in einem Speicher eines digitalen Rechners gespeichert und mit den digitalen Werten verglichen, /die von dem zu untersuchenden Gewebe erhalten worden sind.

Die Erfindung wird im folgenden anhand einer Ausführungsform unter Bezugnahme auf die schemati-. sehen Zeichnungen näher erläutert Es zeigt

F ί g. 1 ein Blockschaltbild einer Ausführungsform einer Einrichtung zum Erkennen eines Objektes mit einer Bildabtaströhre,

F i g. 2 den vom Schaltbild nach F i g. 1 abweichenden Teil des Blockschaltbildes einer Einrichtung mit einer Vidicon-Röhre, und

F i g. 3a. 3b, 3c und 3d zur Erläuterung der Einrichtung nach den F i g. 1 und 2 dienende Wellenformen.

Die Einrichtung nach F i g. 1 weist eine Kathodenstrahlröhre 10 mit einer Ablenkspule il auf, die von einem Horizontal- und einem Vertikal-Generator gespeist wird. Der Kathodenstrahlröhre 10 werden von einer Spannungsquelle 11 Dunkeltast- und Steuer-Signale einschließlich der Steuer-Signale für die Helligkeit sowie die Betriebsspannung zugeführt

Der auf dem Bildschirm der Kathodenstrahlröhre 10 erzeugte Leuchtpunkt wird durch ein Objektiv 13 auf einen Objektträger 14 mit dem zu erkennenden Objekt fokussiert, der in einer entsprechenden, in der Zeichnung nicht dargestellten Halterung untergebracht ist Eine Feldlinse 15 leitet die das Objekt in dem Objektträger 14 passierenden Lichtstrahlen zu einer Fotoröhre 16 für die Erzeugung eines analogen Video-Signals, dessen Amplitude sich mit der Helligkeit der Abbildung des Objektes in dem Objektträger 14 längs aufeinanderfolgender Zeilen des abgetasteten Bildes ändert

Das analoge Videosignal der Fotoröhre ie wird über einen Verstärker 17 und einen Tiefpaß 18, der die Frequenzen des analogen Videosignals entfernt die bei oder über der Zeilenabtastfrequenz liegen, zu einem Oszilloskop 19 für die visuelle Betraciiiung geführt Dem Oszilloskop 19 werden außerdem von der Spannungsqüelje 12 Synchronisationssignale zugeführt, um die Ablenkkreise des Oszilloskops mit dem Betrieb der Katodenstrahlröhre 10 zu synchronisieren.

Als Katodenstrahlröhre 10 kann eine übliche Fernsehbildröhre verwendet werden, die für die

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65 Fernsehnorm von 525 Zeilen und 60 Teilbildern pro Sekunde bei einer Zeilenfrequenz von 17 750 Hz ausgelegt ist.

Das geglättete, den Tiefpaß 18 passierende analoge Videosignal wird einem Analog/Digital-Wandler 21 zugeführt der die Amplitudenänderungen des analogen Videosignals in entsprechende digitale Werte umwandelt Dabei wird das analoge Videosignal in aufeinanderfolgenden, gegebenen Zeitspannen abgetastet, und die Amplitude des analogen Videosignals während dieser Zeitspanne wird in einen entsprechenden, digitalen Wert umgewandelt

Die Ausgangssignale des Analog/Digital-Wandlers 21 werden über einen Kodierer 22 einem digitalen Rechner 23 zugeführt, der die Auswertung übernimmt Der digitale Rechner 23 weist Speicher 24 Für Sätze von digitalen Werten auf, so daß die gespeicherten Sätze von digualen Werten mit neu eingegebenen Sätzen von digitalen Werten verglichen und damit festgestellt werden kann, ob Obereinstimmung zwischen den beiden Sätzen besteht oder nicht

In Abhängigkeit vom Ergebnis dieses Vergleiches erzeugt der digitale Rechner 23 dann ein entsprechendes Bewertungssignal.

Auf den Kodierer 22 kann dann verzichtet werden, wenn der Analog/Digital-Wandler 21 binär kodierte, digitale Werte erzeugt die direkt vom Rechner 23 zugeführt werden können.

Die digitalen Werte von dem Analog/Digital-Wandler 21 werden auch einem Drucker 25 zugeleitet, der eine permanente Aufzeichnung der digitalen Werte erzeugt

Während einer Abtastung werden mehrere, aufeinanderfolgende Bereiche des analogen Videosignals in jeweilf einen einzigen, digitalen Wert umgewandelt, der sich jeweils mit dem Gesamtwert des analogen Videosignals während einer Zeitspanne ändert, die wenigstens so lang ist wie etwa die Zeitspannung für eine Zeilenabtastung des analogen Videosignals.

Dadurch genügt eine relativ geringe Zahl von digitalen Werten, um das abgetastete Objekt in dem Objektträger 14 darzustellen. Details sollen später unter Bezugnahme auf F i g. 3 erörtert werden.

F i g. 2 zeigt eine Ausführungsform einer Einrichtung zum Erkennen eines Objektes, bei der statt einer Katodenstrahlröhre 10 eine Vidicon-Kameraröhre verwendet wird. Hierbei wird das zu erkennende Objekt 31 durch ein Objektiv 33 auf die Vidicon-Röhre 32 fokussiert; das Ausgangssignal der Vidicon-Röhre wird einem Verstärker 17 zugeleitet, der dem Verstärker 17 bei der Ausführungsform nach Fig. 1 entspricht Die Ablenk- und Steuerspannungen empfängt die Vidicon-Röhre 32 von einer Versorgungseinheit 34.

Die Ausführungsform nach F i g. 2 ist sowohl für die Abtastung dreidimensionaler Objekte 31 als auch für Durchsichtdarstellungen geeignet, während die Katodenstrahlröhre 10 der Einrichtung nach Fig. 1 speziell für Durchsicht-Darsteiiungen dient

Die Verarbeitung der vom Vei-stärker 17 erzeugten Signale erfolgt bei beiden Ausführungsformen auf die gleiche Weise, so daß insoweit die Erläuterung von F i g. 1 übernommen werden kann.

In Fig.3a stellt die Kurve 41 die Umhüllende der Video-Signale dar, die bei der Abtastung einer Mikroaufnahme eines Zellgewebes auf dem Oszilloskopen 19 wiedergegeben werden. Das Oszilloskop 19 wird durch Synchronirr.pulse so synchronisiert, daß die Kurve 41 eine Bildabtastung darstellt In der Praxis wird das

Bild beispielsweise jeweils mit einer Frequenz von 60 Hz ständig neu aufgezeichnet. Die aufeinanderfolgenden Abbildungen sind jedoch gleich, abgesehen davon, daß kleine, vom Zeilensprung herrührende Unterschiede auftreten können-

Ohne den Tiefpaß 18 wäre die Fläche unter der Kurve 41 leuchtend, und es können gewisse Linienstrukturen sichtbar sein, ebenso wie ein Schattenmuster entsprechend den hellen und dunklen Bereichen in der Mikroaufnahme längs der Abtastzeilen. Diese Details lassen sich jedoch in Zeichnungen nur schwer darstellen.

Das Gitter 43, auf das noch Bezug genommen wird, soll jedoch dahingehend verstanden werden, daß die Fläche unter der Kurve ausgefüllt ist.

Wie man erkennt, ändert sich die Amplitude der Kurve 41 über den Ablauf der Bildabtastung, und zwar in Abhängigkeit von dem Mittelwert der Bildsignale, die aufeinanderfolgenden Zeilen entsprechen. Dieser Mittelwert v/ird wiederum durch die Zahl und die Größe heller und dunkler Flächen längs aufeinanderfolgenden Abtastzeilen bestimmt Es ist schwierig, genau die Beziehung zwischen der Signalampjitude, die durch die Kurve 41 dargestellt wird, und den Änderungen und der Intensität des Lichtes längs der Abtastzeilen festzustellen, da diese Parameter durch viele Faktoren beeinflußt werden.

Es wird angenommen, daß die Signal-Amplitude den Durcnschnitt oder das Integral der Helligkeit auf jeder Abtastzeile darstellt, wobei diese Begriffe nicht in ihrem engen mathematischen Sinn verstanden werden sollen.

In jedem FaI! ist eindeutig, daß die Kurve nicht die detaillierte Änderung der Helligkeit über eine Abtastzeile wiedergibt, sondern einen Wert, der von der mittleren Helligkeit in jeder Abtastzeile abhängt In diesem Sinne wird der Ausdruck »Mittelwert« verwendet.

Die Kurve 42 in F i g. 3b gibt das Signal nach F i g. 3a wieder, nachdem es den Tiefpaß 18 passiert hat und damit die Zeilenfrequenz sowie höhere Frequenzen eliminiert worden sind. Die Kurve 42 folgt im wesentlichen der Form der K'srve 41. In der Praxis tritt jedoch eine gewisse Glättung scharfen Spitzen und Täler auf.

Die Amplitude des Signals für cmc bestimmte Abtastzeile ändert sich in Abhängigkeit von unterschiedlichen Hell- und Dunkelanteilen längs der Abtastzeile, während die gesamte Kurve bei unterschiedlichen Zellegeweben auch unterschiedliche Formen hat

F i g. 3c zeigt eine Kurve auf dem Oszüloskop einer Mikroaufnahme einer anderen Art von Zellgewebe, daß ohne Tiefpaß 18 abgetastet worden ist. F i g. 3d zeigt dagegen das entsprechende Videosignal nach Durchlaufen des Tiefpasses 18.

Es ist möglich, die gewonnenen, analogen Videosignale nach Fig.3a und 3c sowie die entsprechenden, geglätteten Kurven nach Fig.3b und 3d von Hand.zu digitalisieren, indem über die Oszilloskop-Fläche ein Gitter 43 gelegt wird (siehe Fig.3a); jede senkrechte Spalte kann dann als Abtastzeit und die Zahl der ermittelten Quadrate für die Zuordnung eines entsprechenden, digitalen Wertes benutzt werden. Durcn Verwendung von kleineren Quadraten in dem Gitter läßt sich eine genauere Digitaiisierung erreichen.

Das entsprechende E/gebnis liefert der Analog/Digital-Wandler 21 bei den Ausführungsformen nach Fig. 1 und 2. Dieser Analog/Digit?!-Wandler wird durch die Bild-Synchronisationssignale von der Spannungsquelle 12 synchronisiert, so daß die Analog/Digital-Wandlung jeweils an einem gewünschten Punkt der Bildabtastung beginnt. Die Bewertungsfolge wird so festgelegt, daß die Zeitspanne zwischen dem Beginn einer Bewertung und dem Beginn der nächsten Bewertung wenigstens so lang ist wie etwa die Zeitspanne f'ir eine Zeilenabtastung des analogen Videosignals. Damit ist die Zahl der Analog/Digital-Wandlungen nicht wesentlich größer als die Zeilenfrequenz.

Einige Ausführungsformen von Analog/Digital-Wandlern speichern die Signalamplituden am Beginn eines Bewertungsintervalls; es wird dann jeweils dieser Wert digitalisiert. In einem solchen Fall ist es zweckmäßig, den Tiefpaß 18 zu verwenden, damit dem Analog/Digital-Wandler 21 ein geglättetes Videosignal zugeleitet wird und Änderungen der Amplitude längs einer Zeile die Digitalisierung nicht beeinflussen. Dies ist in Fig.3d durch die Zeilen 43 dargestellt Der Abstand der Zeilen 43 entspricht in dieser Darstellung der Zahl von Zeilen, so daß die Digitalisierung des Anfangsw<!rtes eines ^wertungsintervalls zu einem erheblichen Fehler führen könnte. Eine Erhöhung der Zahl der Bewertungen reduziert jedoch diesen Fehler.

Beim Arbeiten mit der Ausführungsform nach F i g. 1

wird ein Durchsichtbild eines normalen Gewebes hergestellt, in dem Objektträger 14 angebracht abgetastet und digitalisiert Die erzeugten, digitalen Werte werden in den digitalen Rechner 23 eingegeben und in seinem Speicher 24 gespeichert

Nun wird ein Durchsichtbild des zu prüfenden Gewebes in dem Objektträger 14 angeordnet abgetastet und digitalisiert Dabei werden ebenfalls während

■»ο einer Abtastung mehrere, aufeinanderfolgende Bereiche des analogen Videosignais in jeweils einen einzigen, digitalen Wert umgewandelt, der sich jeweils mit dem Gesamtwert des analogen Videosignals während einer Zeitspanne ändert, die wenigstens so lang ist wie etwa die Zeitspanne für eine Zeilenabtastung des analogen Videosignals.

Die so erzeugten digitalen Werte werden ebenfalls dem digitalen Rechner 23 zugeführt, der sie mit den gespeicherten Sätzen von digitalen Werten für das

normale Gewebe vergleicht, um festzustellen, ob die Sätze von digitalen Werten gleich sind oder nicht In Abhängigkeit von dem Ergebnis dieses Vergleichs erfolgt eine entsprechende Anzeige.

Falls nur ein Teil des Durchsichtbildes des Gewebes überprüft werden soll, kann die Abtastung auf diesen Bereich beschränkt werden.

Für die Bewertung unterschiedlicher Gewebekategorien können entsprechende Sätze von digitalen Werten in dem Speicher 24 gespeichert und in üblicher Weise

identifiziert werden, damit man bei Bedarf die gesuchte Kategorie ohne Probleme wieder auffinden kann.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

Paten'.insprfiche:

1. Einrichtung zum Erkennen eines Objektes

α) mit einer Anordnung zur Erzeugung eines das Objekt darstellenden, analogen Videosignals durch zweidimensionale Abtastung des Objektes mit vorgegebenen Abtastfrequenzen,

b) mit einem Analog/Digital-Wandler für die Umwandlung des analogen Videosignals in ein entsprechendes, digitales Videosignal und

c) mit einer Einrichtung für den Vergleich des digitalen Videosignals mit einem Satz digitaler, bekannte Objekte darstellender Videosignale,