Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Vergleichen von Bildern, und stellt eine Weiterbildung der Anordnung dar, die in der Schweiz. Patentschrift Nr. 514 200 beschrieben ist.
Automatische Bildvergleichseinrichtungen haben vielseitige Anwendungsmöglichkeiten, beispielsweise bei der Herstellung von genauen Karten aus Luft-Stereoaufnahmen, wie sie in der Fotogrametrie hergestellt werden, oder in der Umwandlung von gedruckten oder geschriebenen Zeichen oder Symbolen in elektrische Signale, die sich zur Weiterverarbeitung in einem Rechner eignen, wie es bei der optischen Zeichenerkennung geschieht, oder beim Schutz von Grundstükken gegen Einbruck und/oder Feuer oder zur Ausrichtung von Werkzeugen und Werkzeugmaschinen in der Produktion, beispielsweise zur Herstellung von integrierten Schaltungen und anderen Halbleitereinrichtungen, wo fotolithografische Masken mit Halbleiteranschlüssen exakt zur Deckung gebracht werden müssen.
Bei einigen Anwendungsfällen der Erfindung, insbesondere bei der Emittlung von Feuer, kann es ausreichend sein, nur die Übereinstimmung festzustellen, die zwischen zu vergleichenden Bildern besteht, die im allgemeinen ein stationäres Objekt darstellen und von einer stationären optischen Einrichtung aufgenommen werden. Unter normalen Umständen sind alle Bilder identisch und stimmen mit einem vorab aufgenommenen Bezugsbild überein. Es braucht dabei an sich nur der Unterschied festgestellt zu werden, der durch das Auftreten von Feuer oder durch ein anderes Ereignis erzeugt wird, jedoch keine Bewegung als solche. Es kann jedoch erwünscht sein, die Richtung eines solchen Ereignisses zu ermitteln, und es kann weiterhin zweckmässig sein, eine Einrichtung wie eine Kamera auf ein derartiges Ereignis zu richten.
Bei anderen Anwendungsfällen, beispielsweise bei der Ausrichtung von fotolithografischen Masken, ist die Verschiebung von Bildern erwünscht, anstatt Veränderungen des Bildinhaltes festzustellen.
In weiteren Anwendungsmöglichkeiten, beispielsweise beim Vergleich entsprechender Bereiche von Luft-Stereoaufnahmen, ist es wesentlich, dass sichergestellt sein kann, dass die miteinander verglichenen Bilder tatsächlich dasselbe Objekt betreffen, wobei dies ebenso wichtig ist wie die Bestimmung ihrer Fotokoordinaten oder ihrer relativen Ausrichtung.
In der Deutschen Offenlegungsschrift 1 926 841 sind Übertrager für eine Bildbewegung und eine Bildveränderung beschrieben und dadurch gesteuerte Einrichtungen, welche hauptsächlich so ausgebildet sind, dass sie Bildverschiebungen ermitteln, beispielsweise zur automatischen Steuerung von Fahrzeugen und zur Bildbewegungskompensation bei der Satellitenfotografie. Weiterhin werden in dieser Druckschrift Einrichtungen beschrieben, welche dazu dienen, automatisch Funktionen auszuführen, die bei einer entsprechenden Ausführung durch den Menschen die Beobachtung eines Gesichtsfeldes erfordern, weiterhin die Erkennung von einem oder von mehreren speziellen Mustern, die von Interesse sind, weiterhin den Vergleich solcher Muster mit einem Normal- oder einem Bezugsmuster, um jeweils zu bestimmen, ob irgendwelche Unterschiede oder Fehlausrichtungen vorliegen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zum Ermitteln von Veränderungen zweier Bilder zu schaffen, wobei eine derartige Vorrichtung zugleich über einen ausserordentlich grossen Helligkeitsbereich mit besonderer Zuverlässigkeit störungsfrei arbeiten soll und gegen Einflüsse wie Rauschen unempfindlich sein soll.
Zur Lösung dieser Aufgabe dienen die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruches angeführten Merkmale.
Damit ist der Vorteil erreichbar, dass ein Signal erzeugt wird, welches in der Weise mit einem ermittelten Vorgang in Beziehung steht, dass dadurch eine andere Einrichtung automatisch oder in anderer Weise auf einen solchen Be reich gerichtet werden kann.
Ein weiterer Vorteil der Vorrichtung besteht darin, dass eine oder mehrere Abtasteinrichtungen, die in bewachten Grundstücken angeordnet sind, mit einer entfernt von den Abtasteinrichtungen angeordneten Speichereinrichtung und einer entsprechenden Signalvergleichseinrichtung in der Weise zusammenarbeiten, dass das gesamte System gegen Störungen oder mutwillige Beschädigungen verhältnismässig sicher ist.
Weiterhin ist der Vorteil erreichbar, dass bei der exakten Positionierung von Werkzeugen und/oder Werkstücken bei der Produktion die erreichbare Genauigkeit der Ausrichtung in manchen Fällen sogar besser ist als das Auflösungsvermögen der verwendeten optischen Systeme.
Die Erfindung wird nachfolgend beispielsweise anhand der Zeichnung beschrieben; in dieser zeigen:
Fig. 1 ein vereinfachtes Funktionsblockschema eines Bildveränderungsfühlers,
Fig. 2 ein vereinfachtes Funktionsblockschema, welches eine Vielfachanordnung aus Einrichtungen gemäss Fig. 1 aufweist,
Fig. 3 ein Detailblockschema eines Bildänderungsfühlers,
Fig. 4 eine schematische Darstellung einer Fotozelle mit zugehörigem Verstärker für den Bildänderungsfühler,
Fig. 5 eine vereinfachte Darstellung einer Abtastanordnung für den Bildänderungsfühler,
Fig. 6 eine vereinfachte Darstellung einer weiteren Abtaster anordnung, die ähnlich aufgebaut ist wie die Anordnung nach Fig. 5,
Fig. 7 eine Bild-Ausrichtungseinrichtung,
Fig. 8 eine weitere Bild-Ausrichtungseinrichtung,
Fig. 9 ein Ausrichtungsmuster, welches in Verbindung mit der Einrichtung nach Fig.
8 verwendbar ist, und
Fig. 10 ein Funktionsblockschema einer Muster-Identifika tionseinrichtung.
Nachfolgend wird eine Ausführungsform des Erfindungs gegenstandes beschrieben, die als Änderungsfühler dient.
Der Hauptzweck einer solchen Ausführungsform besteht darin, automatisch Änderungen abzutasten, die in einem Ge sichtsfeld auftreten, um einen Alarm auszulösen, wenn sol che Änderungen eine vorgegebene Toleranzgrenze über schreiten. Die Einrichtung kann weiterhin Richtungssignale erzeugen, welche dazu geeignet sind, die Richtung anzuge ben, in welcher eine Änderung auftritt, und es kann schliess lich eine Einrichtung wie eine Kamera in Richtung auf eine solche Änderung ausgerichtet werden.
Der Änderungsfühler weist die in der Fig. 1 schematisch dargestellten Hauptfunktionselemente auf, wobei die zur Ab tastung und Ubertragung dienende Anordnung 101 gemäss
Fig. 20 der DOS 1 926 841 aufgebaut sein kann, was jedoch nicht unbedingt der Fall sein muss, während die optische
Achse 102 in eine beliebige gewünschte Richtung weisen kann. Da die Funktion der Anordnung 101 zur Abtastung und Übertragung darin besteht, Helligkeitswerte des abgeta steten Objektes oder des abgetasteten Bereiches in elektri sche Signale umzuwandeln, kann ein beliebiger Abtaster und ein entsprechender Wandler verwendet werden, um im Rah men der Erfindung diese Aufgabe zu erfüllen.
Da nicht erfor derlich ist, von den elektrischen Signalen Bilder zu reprodu zieren, können grössere Abtastöffnungen als üblich verwen det werden, insbesondere in der Richtung senkrecht zu der momentanen Abtastrichtung. Demgemäss kommt der Ände rungsfühler im Betrieb mit einer verhältnismässig geringen
Beleuchtung aus und/oder kann mit verhältnismässig wenig empfindlichen Fotowandlern ausgestattet sein, die im allgemeinen preiswerter sind als hochempfindliche Einrichtungen. Geeignete Öffnungen sind in der oben genannten DOS in vielfältiger Form beschrieben.
Die Breite der Öffnung ist derart gewählt, dass sie etwa demselben Bildwinkel entspricht, wie das kleinste Objekt oder die kleinste Person, die noch erkennbar sein soll, wenn sie ihre Position verändert. Bei im übrigen unveränderten Daten muss die Öffnung um so schmaler sein, je grösser der Abstand zu einem derartigen Objekt ist.
Was die Länge der Öffnung in der Richtung senkrecht zu der Abtastrichtung betrifft, so ist ein Wert von ungefähr dem 3fachen oder 4fachen der Breite im allgemeinen ausreichend.
Bei einer möglichen Ausführungsform der Abtastanordnung kann das lichtempfindliche Element direkt in der abgetasteten Bildfläche liegen und kann dann die Grösse und die Form der Abtastöffnung aufweisen, die funktionell ersetzt wird. Siliziumflächenzellen oder Grenzschichtzellen sowie aus Cadmiumsulfid, -selenid und Schwefelselenid hergestellte Fotowiderstände eignen sich für diesen Zweck. Derartige Typen von Bauelementen sind interessant, da sie einerseits preiswert sind und andererseits ein starkes Ausgangssignal liefern. Sie sprechen jedoch langsam an und erfordern somit eine wesentlich stärkere Betonung der höherfrequenten Komponenten der Videosignale, welche sie erzeugen, als dies bei rascher ansprechenden Typen der Fall ist.
Eine frequenzbegrenzte Anhebung des Videosignals ist im allgemeinen zweckmässig, wenn die Anzahl der wesentlichen Nulldurchgänge des verarbeiteten Signals ein Maximum werden soll, wie es nachfolgend im einzelnen erläutert wird. Wesentliche Nulldurchgänge sind solche, die mit den Helligkeitswerten innerhalb der abgetasteten Felder in Beziehung stehen, und zwar anstatt mit dem elektrischen Rauschen, welches durch das System selbst erzeugt wird. Es hat sich gezeigt, dass bei einer übermässigen Anhebung der hohen Frequenzen allenfalls nur einige wesentliche Nulldurchgänge zusätzlich erreicht werden, dass jedoch andererseits die zeitliche Anordnung aller Nulldurchgänge eine zusätzliche Schwankung aufweist, die durch Rauschen verursacht wird. Es kann sogar vorkommen, dass einige zusätzliche Nulldurchgänge hinzugefügt werden, die lediglich vom Rauschen herrühren.
Ein derartiger Erfolg ist sicherlich nicht erwünscht.
Da Signalkomponenten mit einer grossen Amplitude und einer geringen Frequenz im Videosignal die Tendenz hätten, für die höhenfrequenten Komponenten als Maske zu wirken, müssen sie ausreichend gedämpft werden, damit solche hochfrequenten Komponenten zu Nulldurchgängen führen können, weil es wesentlich ist, dass Nulldurchgänge mit einer aus reichenden Dichte über die Abtastperiode vorhanden sind, damit die Einrichtung eine ausreichende Empfindlichkeit für Änderungen aufweist, die an beliebiger Stelle innerhalb des Gesichtsfeldes auftreten können, zumal die Empfindlichkeit von der Dichte der Nulldurchgänge abhängt. In der Praxis hat es sich als ausreichend erwiesen, wenn eine ansteigende Frequenzcharakteristik eine positive Steigung von 6 bis 12 Dezibel pro Oktave bis zu einer Spitzenfrequenz aufweist, die von den Betriebsbedingungen abhängt.
Hierzu geeignete Schaltungen, welche eine derartige Charakteristik beim Videosignal ermöglichen, sind an sich bekannt, und das Filter 103 kann als Beispiel dienen.
Das Spitzenvideosignal am Ausgang des Filters 103 wird durch einen Flip-Flop 104 quantisiert, das seinen Zustand ändert, so oft das Spitzenvideosignal den Pegel Null kreuzt und die Polarität umkehrt. Je häufiger dies auftritt, um so besser ist die Fähigkeit der Einrichtung, Änderungen abzutasten bzw. zu ermitteln.
Der Speicher 105 kann die Form einer Magnetaufzeich nungsfläche aufweisen, die auf der Abtasteinrichtung an geordnet oder in diese eingebaut sein kann. Eine derartige
Anordnung ist beispielsweise in der Fig. 24 der DOS
1 926 841 dargestellt. Der Speicher kann auch getrennt von der Abtasteinrichtung angeordnet sein und beliebiger geeig neter Art sein, um als Quelle für Bezugssignale zu dienen.
Bei einer getrennten Anordnung muss eine Einrichtung zur Synchronisation zwischen der Abtasteinrichtung 101 und dem Speicher 105 vorgesehen sein, wie es beispielsweise in den Fig. 1 und 2 der oben genannten Druckschrift beschrie ben ist. Im allgemeinen kann die Abtasteinrichtung den Spei cher synchronisieren oder umgekehrt, je nach Anwendungs zweck, oder es können diese beiden Einrichtungen durch eine gemeinsame Wechselspannungsquelle oder durch eine unabhängige Quelle für Synchronisationssignale synchroni siert werden.
In einer bevorzugten Anordnung des Änderungsfühlers kann eine Vielzahl von Abtasteinrichtungen vorgesehen sein, die über ein Gebäude verteilt sein können oder über mehrere Gebäude, wobei die einzelnen Abtasteinrichtungen mit einem zentral angeordneten Vielfachspeicher zusammen wirken, der beispielsweise die Form einer Magnettrommel oder einer Magnetscheibe mit einer grossen Anzahl von Spu ren aufweist, wie sie bei digitalen Datenverarbeitungsanla gen verwendet werden. Die Fig. 2 stellt eine derartige Vielfachabtastanordnung dar, welche Abtasteinrichtungen (und
Wandler) 201, 202, 203 und 204 aufweist, welche weiterhin einen zentralen Speicher 205 und eine zentrale Datenverar beitungseinheit 206 aufweist, die nachfolgend im einzelnen be schrieben wird.
Eine Synchronisierung kann am einfachsten dadurch erreicht werden, dass alle Abtasteinrichtungen und der Trommel- oder Plattenspeicher durch Synchronmotoren angetrieben werden, die aus einer gemeinsamen Wechsel stromversorgung gespeist werden. In einer alternativen Aus führungsform wird ein Synchronisiersignal, welches vorab auf der Trommel gespeichert ist, während des Betriebes der
Einrichtung wiedergegeben und über eine gemeinsame Lei tung 207 an die Abtasteinrichtung übertragen. Die Synchroni sation erfolgt beispielsweise in der Art, wie es anhand der
Fig. 4 und 5 in der oben genannten Deutschen Auslege schrift beschrieben ist.
Wesentliche wirtschaftliche Vorteile ergeben sich aus der Verwendung eines Zentralspeichers und einer zentralen Verarbeitungseinheit in einer Vielfachanordnung, da die Abtast-Übertragungs-Einheiten wesentlich einfacher sind, als wenn sie jeweils mit einem Speicher ausgestattet sind und weil weiterhin andere Teile des Systems wie die Energieversorgung ebenfalls zentralisiert werden kann. Eine weitere besonders nützliche Eigenschaft einer solchen Anordnung besteht darin, dass sie gegen unsachgemässe Eingriffe besondere Sicherheit bietet, beispielsweise auch gegen eine mutwillig herbeigeführte Störung der Leitungen, mit welchen die Abtasteinrichtungen an die Zentraleinheit angeschlossen sind, oder der Abtasteinrichtungen selbst.
Unter normalen Betriebsbedingungen muss ein spezielles genau definiertes Videosignal, welches dem für jede Abtasteinrichtung speziell gespeicherten Bezugssignal entspricht, zu allen Zeiten die Zentraleinheit erreichen. Eine beliebige Störung der Übertragung des ordnungsgemässen Signals würde automatisch zu einem Alarmsignal am Ausgang der Signalverarbeitungseinheit 206 führen.
Gemäss Fig. 1 besteht der Zweck des Signalkomparators 106 darin, Unterschiede zwischen dem Binärsignal am Ausgang des Flip-Flops 104 und einem normalerweise ähnlichen Binärbezugssignal festzustellen, welches vom Speicher 105 erzeugt wird. Diese Unterschiede können von einer Veränderung innerhalb des Gesichtsfeldes der Abtasteinrichtung 101 herrühren, beispielsweise von dem Auftreten einer Person oder von dem Erscheinen oder Verschwinden eines oder mehrerer Objekte, beispielsweise von Feuer, Rauch oder Wasser. In der Regel besteht jedoch keine Notwendigkeit, die Richtung oder die Geschwindigkeit einer Verlagerung von Objekten oder Bildern zu ermitteln, die Bahn solcher Objekte zu verfolgen oder Bildverlagerungen zu kompensieren, wie es in der oben genannten Deutschen Offenlegungsschrift im einzelnen erläutert ist.
Aus diesen Gründen braucht der Komparator 106 die dort beschriebene Verzögerungseinrichtung nicht und kann beispielsweise aus einer logischen Multiplikationseinrichtung oder aus einem einfachen exklusiven ODER-Gatter bestehen, wie es nachfolgend im einzelnen erläutert wird.
Da beide Eingangssignale für den Komparator 106 binär sind, wird bei dem Vergleich der logische Zustand oder die Polarität berücksichtigt. Sobald der Zustand des Flip-Flops 104 nicht ordnungsgemäss ist, wodurch eine Veränderung im Gesichtsfeld der Abtasteinrichtung 101 angezeigt wird, wird vom Komparator 106 ein Signal mit fester Polarität erzeugt. Dieses Signal ist dem in der oben genannten Deutschen Offenlegungsschrift beschriebenen Signal exakt analog, mit der Ausnahme, dass hier das komplementäre Signal zu dem einen der Eingangssignale verwendet wird. Dies führt zu dem Ergebnis, dass kein Signal an dem Ausgang des Komparators 106 auftritt, der als logische Multipliziereinrichtung wirkt, und zwar unter solchen Voraussetzungen, dass eine vollkommene Anpassung vorliegt, und zwar anstatt eines Maximumsignals.
Der Integrator 107 hat eine verhältnismässig kurze Zeitkonstante. Bei einer vollkommenen Anpassung erscheint dort kein Ausgangssignal. Sobald eine Fehlanpassung vorliegt, wird ein rampenartiges Signal erzeugt, dessen Amplitude im Verhältnis zu der Dauer der Fehlanpassung ansteigt, die ihrerseits ein Mass ist, wie gross die im Gesichtsfeld der Abtasteinrichtung aufgetretene Veränderung ist. Eine (nicht dargestellte) Einrichtung dient dazu, den Integrator 107 auf die Ruhestellung zurückzusetzen, wenn die Fehlanpassperiode beendet ist.
An der Alarmklemme 110 wird ein Ausgangssignal erzeugt, wenn der Schwellwertfühler 108 feststellt, dass die Amplitude des rampenähnlichen Signals am Eingang einen vorgegebenen Pegel am Potentiometer 109 überschreitet. Das Vorhandensein eines Schwellwertes verhindert, dass Alarmsignale erzeugt werden, wenn nur unwesentliche Veränderungen im Gesichtsfeld auftreten oder wenn ein gewisses Rauschen vorhanden ist. Andere Einrichtungen zur Unterscheidung von Rauschen in der Schaltung oder von unbedeutenden Ereignissen werden nachfolgend im einzelnen erläutert.
Bei bestimmten Anwendungsfällen des Änderungsfühlers kann es zweckmässig sein, auch ein Signal zu erzeugen, welches die Richtung einer Anderung anzeigt, was zu einem Alarmsignal an der Klemme 110 führen kann. Beispielsweise kann eine Spannung, welche dem Winkel zwischen einer beliebigen Bezugsrichtung und der Richtung eines Ereignisses proportional ist, das einen Alarm auslöst, zu Anzeigezwekken ein entsprechend kalibriertes Voltmeter beaufschlagen.
In einer alternativen Ausführungsform kann dieses Voltmeter eine Schwenkkameraanordnung steuern, um beispielsweise eine derartige Kamera auf ein entsprechendes Ereignis zu richten.
Um eine solche Spannung für eine Abtastung mit konstanter Winkelgeschwindigkeit zu erzeugen, wird ein Sägezahnsignal, welches im Generator 112 erzeugt wird, einmal pro Abtastzyklus ausgelöst und zwar zu demjenigen Zeitpunkt, zu welchem die Abtastung in die Bezugsrichtung weist Ein Triggersignal, welches in dem Speicher 105 durch eine nicht dargestellte Einrichtung erzeugt werden kann, wird dem Generator 112 über die Leitung 111 zugeführt und steuert die Auslösung des Sägezahnsignals in bekannter Weise.
Wenn an der Klemme 110 ein Alarmsignal auftritt, wird das Gatter oder das Verknüpfungsglied 113 momentan geöffnet, so dass ein Ausschnitt des Sägezahnsignals den Impulsdehner 114 erreichen kann, der an der Klemme 115 ein im wesentlichen konstantes Ausgangssignal erzeugt, das eine Durchschnittsamplitude gemäss dem Ausschnitt aufweist, so dass eine Proportionalität zu der Winkelkoordinate besteht, welche dem Ereignis entspricht, das den Alarm auslöst.
Im allgemeinen sollte die Neigung des Signals, welches durch den Generator 112 erzeugt wird, der Winkelgeschwindigkeit der Abtastung proportional sein. Während im obigen Ausführungsbeispiel eine Sägezahnspannung mit konstanter Neigung beschrieben wurde, und zwar in Verbindung mit einer Abtastung mit konstanter Winkelgeschwindigkeit, können für andere Abtasttypen andere Signalformen verwendet werden.
Für Übersichtszwecke ist im allgemeinen eine eindimensionale Abtastung wie eine kreisförmige Abtastung oder eine sektorförmige Abtastung ausreichend. Demgemäss ist die erzeugte Richtungsinformation ebenfalls eindimensional.
Wenn eine zweidimensionale Richtungsinformation erwünscht ist, lässt sich ohne Schwierigkeit ein zweidimensionales Abtastmuster verwenden. In einer alternativen Ausführungsform können zwei eindimensionale Änderungsfühler verwendet werden, wie sie oben beschrieben wurden, um ein zweidimensionales System zu bilden.
Gemäss Fig. 2 weist die zentrale Verarbeitungseinheit 206 für jede Abtast-Übertragungs-Einheit wie 201, 202 usw.
einen Satz von Elementen auf, die oben beschrieben wurden, um individuelle Alarmsignale an den Klemmen 211, 212 213 usw. zu erzeugen, und um entsprechende Richtungssignale (gegebenenfalls) an den Klemmen 221, 222, 223 usw. zu erzeugen, die jeweils den Abtasteinrichtungen 201, 202, 203 usw.
entsprechen. Um Richtungssignale zu liefern, muss nur ein Sägezahngenerator (oder eine Einrichtung zur Erzeugung einer anderen geeigneten Signalform) vorhanden sein, um alle Verknüpfungsglieder und Impulsdehner parallel zu speisen.
Die Fig. 3 stellt in weiteren Einzelheiten die Elemente des Änderungsfühlers dar, welche zur Erzeugung der Alarmsignale erforderlich sind. Während jeder Abtastung erzeugt der modulierte Lichtstrom, der von der Fotozelle 301 aufgenommen wird, ein Eingangssignal für die Verstärker 302 und 303, wobei der letztere die Frequenzunterscheidungsfunktion der Schaltung 103 (Fig. 1) erfüllt. Gemäss den obigen Erläuterungen ändert das Flip-Flop 304 seinen Schaltzustand in Abhängigkeit von den Nulldurchgängen des Signals am Ausgang des Verstärkers 303. Das auf diese Weise erzeugte Binärsignal wird dem exklusiven ODER-Gatter 305 zugeführt, und sobald der Schalter 306 geschlossen oder das Relais 318 zum Zwecke der Aufzeichnung eines Bezugssignals auf die Trommel 309 zum Verstärker 307 und zum Magnetkopf 308 betätigt wird.
Der Schalter 306 ist jedoch normalerweise offen, und das vorab auf der Magnetfläche der Trommel 309 gespeicherte Bezugssignal wird vom Kopf 308 gelesen, um den Verstärker 310 und das Flip-Flop 311 zu speisen, wodurch das Bezugssignal wieder in seinen ursprünglichen Binärzustand zurückgebracht wird, um einen Polaritätsvergleich mit dem Ausgang des Flip-Flops 304 im Gatter 305 durchzuführen, wie es oben bereits erläutert wurde.
Da der Zustand des Flip-Flops 304 durch die Polarität des Spitzenvideosignals an seinem Eingang bestimmt wird, kann bei einer sehr geringen Videoamplitude, die einem sehr geringen Kontrast entspricht, Schaltungsrauschen zufällige Veränderungen im Zustand des Flip-Flops 304 herbeiführen.
Wenn diese Veränderungen ausreichend lange dauern, kann sich ein unerwünschtes Alarmsignal ergeben, wenn dagegen keine spezielle Vorkehrung getroffen wird, beispielsweise durch Einbau eines Alarmabschaltgatters 313 zwischen dem Komparatorgatter und dem Integrator 314 mit einer kurzen Zeitkonstante. Das Gatter 313 ist nur geöffnet, wenn ein Steuersignal, das vom Ausgang des Verstärkers 303 abgeleitet wird, einen vorgegebenen Pegel überschreitet, der durch die Einstellung des Potentiometers 312 festgelegt ist, wodurch die Möglichkeit eines durch Rauschen ausgelösten Alarms vermieden wird. Der Integrator 314 wird durch (nicht dargestellte) Einrichtungen rasch auf den Zustand zurückgestellt, dass kein Ausgangssignal vorliegt, und zwar am Ende jedes durch das Gatter 305 erzeugten Impulses.
Für bestimmte Zwecke können andere Signaltypen verwendet werden, um das Gatter 313 zu steuern. Da durch den verhältnismässig grossen Rauschanteil in den Videosignalen die Tendenz besteht, dass eine Anhebung in den Bereichen erfolgt, welche dunklen Zonen des Objektes entsprechen, könnte das Öffnen des Gatters 313 beispielsweise davon abhängig gemacht werden, dass ein Videosignal ausreichender Amplitude am Ausgang der Zelle 301 oder am Verstärker 302 vorhanden ist. Da Änderungen im Zustand des Flip-Flops 304, die bei einer verhältnismässig starken Neigung dV/dt des Videosignals am Eingang auftreten, mit höherer Wahrscheinlichkeit korrekt sind, so kann eine derartige Neigung in ein Gattersteuersignal umgewandelt werden, indem sie differenziert wird.
Natürlich lässt sich durch verschiedene Kombinationen der oben genannten Gattersteuer anordnungen die Zuverlässigkeit der Signale steigern, wel che den Integrator 314 erreichen, wobei zu berücksichtigen ist, dass bei dem Änderungsfühler gemäss der Erfindung die
Kenntnis des genauen Zeitpunktes, zu welchem das Flip
Flop 304 seinen Zustand ändert, nicht erforderlich ist, so dass unzuverlässige Signale einfach eliminiert werden kön nen.
In einer Bildverlagerungs-Abtasteinrichtung, wie sie oben unter Bezugnahme auf die Deutsche Offenlegungsschrift
1 926 841 beschrieben wurde, kann anstatt eines logischen Gatters 313 vom Ja-Nein-Typ eine analoge Multipliziereinrichtung verwendet werden, um den Ausgangssignalen des Gatters 305 ein grösseres Gewicht zu verleihen, die unter günstigen Rauschverhältnissen erzeugt werden und umgekehrt.
Um die Anwendungsmöglichkeiten des erfindungsgemäs sen Änderungsfühlers zum Schutze von Grundstücken zu verbessern, kann eine Einrichtung vorgesehen werden, durch welche die Einrichtung für Veränderungen unempfindlich wird, die in bestimmten Bereichen des Gesichtsfeldes erfolgen, indem beispielsweise eine oder mehrere zusätzliche Magnetspuren auf der Trommel 309 vorgesehen werden, die in bekannter Weise mit entsprechenden Köpfen, Verstärkern und einer zugehörigen Schaltung zusammenwirken, um zunächst die Aufzeichnung und anschliessend die Wiedergabe von Signalen zu ermöglichen, welche so ausgebildet sind, dass sie die gewünschte Steuerung des Gatters 313 oder einer ähnlichen Einrichtung in voller Synchronisation mit der Abtastwirkung in der Weise ausführen, dass der Ände rungsfühler in bestimmten Richtungen anspricht und in ande ren Richtungen nicht anspricht.
Zumindest könnte in einer alternativen Ausführungsform eine solche zusätzliche Spur der Trommel 309 derart ausgebildet -werden, dass sie ein zusätzliches Bezugssignal spei chert, wodurch für jede derartige zusätzliche Spur ein zusätz liches Flip-Flop wie 311 und ein zusätzliches exklusive ODER
Gatter wie 305 vorzusehen wäre, dessen einer Eingang noch vom Flip-Flop 304 gespeist wird. Das zusätzliche Bezugssig nal könnte beispielsweise dem Erscheinungsbild eines Grund stückes entsprechen, welches unter unterschiedlichen Beleuchtungsverhältnissen überwacht wird, die sich von den Beleuchtungsverhältnissen bei der Aufzeichnung des ersten Bezugssignals unterscheiden. Bei einer derartigen Mehrfachbezugsanordnung würden die Ausgangssignale aller exklusiven ODER-Gatter wie 305 einem (nicht dargestellten) UND-Gatter zugeführt, dessen Ausgangssignal das Gatter 313 speisen würde.
Diese Anordnung würde gewährleisten, dass solange kein Alarm ausgelöst wird, wie das Ausgangssignal des Flip Flops 304 zumindest einem der Bezugssignale entspricht.
Eine elektrooptische Einrichtung, wie sie als Änderungsfühler oben beschrieben wurde, kann in der Weise eingesetzt werden, dass sie über einen bestimmten Helligkeitsbereich des überwachten Objektes arbeitet, dessen einer Randbereich einer künstlichen Beleuchtung im Inneren eines Gebäudes entspricht und dessen anderer Randbereich der Beleuchtung im Freien entspricht, und zwar bei starkem Sonnenlicht. Ausserdem können Objekte innerhalb des Gesichtsfeldes berücksichtigt werden, die entweder ein sehr grosses oder ein sehr kleines Reflexionsvermögen haben. Es ist zweckmässig, dass die Fotozelle und die zugehörigen Verstärker 302 und 303 dazu in der Lage sind, einen ausserordentlich grossen Helligkeitsbereich zu verarbeiten, vorzugsweise ohne manuelle oder automatische Lichtsteuereinrichtung, wie sie in der Fotografie üblich sind.
Wenn erreicht werden kann, dass die Videoverstärkung reziprok zu der Beleuchtungsstärke sein kann, wird die Amplitude des Videosignals unabhängig von der Beleuchtung und wird allein durch den Kontrast des Objektes bestimmt. Es ist ersichtlich, dass eine logarithmische Charakteristik der Fotozelle oder ihres zugehörigen Verstärkers 302 ein derartiges Ergebnis liefert.
Die Fig. 4 zeigt schematisch eine Anordnung, die eine Annäherung der gewünschten logarithmischen Kennlinie ermöglicht, indem ein Fotowiderstand 401 verwendet wird, dessen Leitfähigkeit im wesentlichen proportional zur Beleuchtungsstärke ist, und in dem weiterhin ein nicht-linearer Kollektorwiderstand 402 verwendet wird, beispielsweise ein als Varistor oder ein als Thyrite bekannter Widerstand. Bei geringen Beleuchtungspegeln ist der Kollektorstrom des Transistors 403 gering, der Widerstand des Varistors 402 ist jedoch hoch. Bei hohen Beleuchtungspegeln gilt die umgekehrte Feststellung, und zwar mit dem Ergebnis, dass die Signalamplitude an der Klemme 404 sich wesentlich weniger ändert als dies bei einem festen Widerstand der Fall wäre, der als Kollektorlast des Transistors 403 dient.
Eine weitere Möglichkeit zur Erreichung einer sehr gut angenäherten logarithmischen Kennlinie oberhalb einer bestimmten Beleuchtungsschwelle besteht darin, eine Siliziumsonnenzelle zu verwenden, die einen Verstärker mit einer hohen Eingangsimpedanz speist.
Eine progressive Veränderung in der Beleuchtung, die das gesamte Gesichtsfeld gleichmässig beeinflusst, führt nicht zu einer Veränderung im Videosignal, vorausgesetzt, dass die Übertrager-Verstärker-Kennlinie logarithmisch ist, wie es oben erläutert wurde. Wenn diese Kennlinie nur angenähert ist, treten Veränderungen im Videosignal auf, die unter Umständen auch zu einem unerwünschten Alarm führen können, es sei denn, dass das aufgezeichnete Bezugssignal von Zeit zu Zeit erneuert wird, wie es allgemein in der oben genannten Deutschen Offenlegungsschrift anhand der Fig. 4 und 5 beschrieben ist.
Gemäss Fig. 3 ist die Grenzfrequenz des Tiefpassfilters 316 niedriger als die Abtastfrequenz. Dadurch wird im Ausgangssignal des Gatters 305 eine Mittelwertbildung erreicht.
Eine Veränderung, die festgestellt werden soll, beispielsweise das Erscheinen eines Objektes oder einer Person im Gesichtsfeld, ist ein lokales Ereignis, das zu einem Impuls verhältnismässig langer Dauer am Ausgang des Gatters 305 führt. Diese Art des Impulses führt gemäss den obigen Er läuterungen zu einem rampenähnlichen Signal am Ausgang des Integrators 314, und bei einer entsprechend langen
Dauer wird ein Alarm ausgelöst. Es entsteht jedoch kein star kes Signal am Ausgang des Tiefpassfilters 316.
Gesamtveränderungen der Beleuchtung führen normaler weise zu einer Vielzahl von verhältnismässig kurzen Impul sen am Ausgang des Gatters 305. Da der Integrator 314 ge mäss den obigen Erläuterungen am Ende jedes Impulses zw rückgestellt wird, führen kurze Impulse, und zwar unabhän gig von ihrer Zahl, nicht zu Rampen mit grosser Amplitude.
Diese Impulse haben jedoch einen zusätzlichen Effekt am
Ausgang des Tiefpassfilters 316, der bei ausreichender Ampli tude einen monostabilen Multivibrator 317 triggert und ein
Relais 318 betätigt, um zu bewirken, dass das aufgezeichnete
Bezugssignal derart aufbereitet wird, dass es das dann vorlie gende Erscheinungsbild des Objektes wiedergibt.
Wie für den Fachmann ersichtlich ist, sind vielfältige Abwandlungen der Bezugs- und Alarmfunktionen möglich, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Beispielsweise kann anstatt des durch den Integrator 314 erzeugten
Signals der Schwellwertfühler 315 das gemittelte Ausgangs signal des Multivibrators 317 aufnehmen. Bei dieser Anordnung würde das Alarmsignal ausgelöst, wenn die Frequenz der Bezugssignalaufbereitung einen vorgegebenen Wert überschreitet.
Das horizontale Bildfeld, welches durch einen Änderungsdetektor gemäss der Erfindung abgetastet und beispielsweise dazu verwendet wird, einen Einbrecher zu ermitteln, sollte durch den zu schützenden Bereich und durch die Anordnung des Abtasters festgelegt werden. Dieses Bildfeld kann unter Umständen nur wenige Grad betragen oder es kann volle 360" umfassen. Durch die Verwendung von schwenkbaren oder rotierenden Spiegeln können Abtaster hergestellt werden, die das erforderliche Bildfeld überstreichen, indem einfach die Amplitude der Schwenkbewegung verändert wird oder indem die Anzahl der Flächen des rotierenden Spiegels geändert wird.
Die Fig. 5 stellt eineAnordnung dar, die im wesentlichen 3600 mittels eines rotierenden, doppelseitigen Spiegels 501 ab tastet, der um eine Achse 502 schwenkbar ist und mittels einer nicht dargestellten Einrichtung antreibbar ist. Die reflektierte optische Achse 503 rotiert bekanntlich mit der doppelten Winkelgeschwindigkeit des Spiegels, wobei sie den Bereich von 360" pro Umdrehung des Spiegels zweimal überstreicht. Eine Objektivlinse 504, die mit der Maske 505 und einem lichtempfindlichen Übertrager 506 zusammenarbeitet, ist stationär eingebaut und mittels einer nicht dargestellten Einrichtung gehalten.
Da die Anordnung gemäss Fig. 5 eine Unterbrechung liefert, wenn die Ebene des Spiegels 501 mit der optischen Achse 507 der Linse 504 fluchtet, wäre eine derartige Anordnung für ein visuelles Bildsystem nicht geeignet. Eine derartige Anordnung würde sich auch nicht dazu eignen, ausschliesslich Veränderungen zu überwachen.
Die Fig. 6 zeigt eine abgewandelte Ausführungsform der Anordnung gemäss Fig. 5. In der Fig. 6 wird ein rotierender vierseitiger Spiegel 601 verwendet, anstatt eines zweiseitigen Spiegels, so dass eine 180 -Abtastung viermal pro Umdrehung des Spiegels erfolgt. Die übrigen Komponenten der Fig. 6 sind dieselben wie diejenigen in der Fig. 5. Natürlich kann auch eine andere Anzahl von Spiegelflächen verwendet werden, um andere Abtastbreiten zu liefern. Beispielsweise würde ein achtseitiger Spiegel eine 90 -Abtastung und ein sechsseitiger Spiegel eine 1200-Abtastung liefern.
Nachfolgend wird eine Ausführungsform des Erfindungsgegenstandes beschrieben, die als Ausrichteinrichtung wirkt.
Die Fig. 7 zeigt die Anordnung des Bildkomparators als Ausrichteinrichtung, die beispielsweise als Monokomparator zur exakten Positionierung von Durchgangspunkten bei der
Fotogrametrie verwendet werden kann. Der Bildkomparator 701 kann beispielsweise die in den Fig. 11 und 13 der Deutschen Offenlegungsschrift 1 926 841 beschriebenen Bauteile aufweisen. Dabei ist die Objektebene 702 relativ nahe an dem entsprechenden Objektiv angeordnet, um eine optische Vergrösserung zu erreichen. Weiterhin kann in bekannter Weise eine Vorkehrung dafür getroffen sein, dass der abgetastete Bereich vom Bedienungspersonal gleichzeitig beobachtet werden kann, indem beispielsweise eine Strahleraufteilung erfolgt.
Das Ausgangssignal des Bildkomparators 701 kann an ent sprechenden Messgeräten 703 angezeigt werden, welche Bild.
rotationen anzeigen, wobei 704 die Translation in der x-Richtung, 705 die Translation in der y-Richtung und 706 beliebige Unterschiede des Bildes anzeigen, die in bezug auf das gespeicherte Bezugsbild festgestellt werden. Anstatt die entsprechenden Signale der Fehlausrichtung nur anzuzeigen, was das Eingreifen des Bedienungspersonals erfordert, könnte in bekannter Weise eine automatische Positionierungseinrichtung betätigt werden, um die Ausrichtung des abgetasteten Bildes in bezug auf das gespeicherte Bezugssignal durchzuführen.
Weiterhin könnte dann, wenn ein übermässig grosses Abweichungssignal auf dem Messgerät 701 angezeigt wird, dies als Anzeige dafür genommen werden, dass der abgetastete Bildbereich nicht der richtige ist. Vom Bedienungspersonal könnte die Einstellung dann berichtigt werden, indem das Objekt in bezug auf den Fühler 701 bewegt wird oder umgekehrt, wobei dieser Vorgang natürlich auch automatisch mit einer an sich bekannten Einrichtung durchgeführt werden könnte. Sobald ein Bereich gefunden ist, der nur ein hinreichend kleines Abweichungssignal liefert, könnte die genaue relative Ausrichtung erfolgen.
In einem typischen Monokomparator würde eine grössere Speicherkapazität erforderlich sein, als sie üblicherweise auf einer Trommel vorhanden ist, wie sie in der Fig.
11 der oben genannten Deutschen Offenlegungsschrift beschrieben ist. Es ist dann zweckmässiger, die Speicherfunktion von der Abtasteinrichtung zu trennen, wie es in Verbindung mit einer Betriebsart erläutert ist, die insbesondere durch die Fig. 1, 2, 4 und 5 der oben genannten Deutschen Auslegeschnft veranschaulicht ist.
In anderen Ausrichtanwendungen des Bildkomparators, beispielsweise zur Bestimmung des Geländeprofils aus der Messung der Paralaxe bei Antennen-Stereofotografien, muss eine relative Ausrichtung zwischen zwei Bildern erreicht werden, anstatt zwischen einem Bild und einem aufgezeichneten Bezugsbild. Bei derartigen Anwendungen wird ein Signal von einer zweiten, synchron laufenden Abtasteinrichtung erzeugt, die als eine Quelle des Bezugssignals dient, wie es in der Deutschen Offenlegungsschrift 1 926 841 beschrieben ist.
Dort handelt es sich um ein Zielverfahren der in den Fig. 1 und 2 dargestellten Einrichtung. Die dort beschriebene Anordnung dient zur Ausrichtung in nur zwei Richtungen, wobei eine Drehung in diesem Anwendungsfall keine Rolle spielt. Erforderlichenfalls könnte auch eine Rotationsausrichtung vorgesehen werden.
Es ist ersichtlich, dass geeignete Systeme für ähnliche Zwecke dadurch gebildet werden können, dass zwei oder mehrere Abtasteinrichtungen und entsprechend viele Speichereinrichtungen vorgesehen werden, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Eine derartige Anordnung zur präzisen Ausrichtung einer fotografischen Maske und eines fotoempfindlichen Substrates wie sie beispielsweise bei der Herstellung von Halbleitereinrichtungen verwendet wird und insbesondere zur Herstellung von integrierten Schaltungen dient, ist in der Fig. 8 veranschaulicht.
Das optische System des Bildkomparators 801 der Fig. 8 st so ausgebildet, dass eine selektive Abtastung von jeweils wei speziellen Ausrichtzielen oder -mustern erfolgt, die auf ler Maske 802 bzw. auf dem Substrat 803 aufgebracht sind.
Die Markierung 901 (Fig. 9) auf der Maske 802 sowie die Llarkierung 902 auf dem Substrat 803 können bei Ausrich :ung konzentrisch angeordnet sein und können beispielsweise aus abwechselnd hellen (oder durchsichtigen) und dun den (oder undurchsichtigen) Sektoren bestehen, es sind je Joch auch andere Muster denkbar. Eine (nicht dargestellte) ichliesseinrichtung kann durch den Spalt 804 in den opti ;chen Weg des Bildkomparators 801 eingefügt werden, so lass das Licht von einer der Markierungen 901 und 902 abgeschirmt wird. Eine (nicht dargestellte) Beleuchtungseinrichtung gewährleistet eine ausreichende Beleuchtung des Fühlers und einen grossen Rauschabstand am Ausgang des Fühlers, wo dies für eine entsprechende Genauigkeit erforderlich ist.
Im Betrieb kann die Maske 802 mit der optischen Achse 307 durch Beobachtung durch das Okular 806 ausgerichtet werden, welches einen Teil des auf dem Spiegel 808 reflektierten Lichtes aufnimmt und es kann das auf diese Weise erzeugte Signal als Bezugssignal aufgezeichnet werden. Während dieses Vorganges wird ein geeigneter Verschluss verwendet, um nur von der Maske aufgenommenes Licht zu der Abtasteinrichtung 809 durchzulassen. Die erste Verschluss- einrichtung wird dann abgenommen, und es wird eine andere eingesetzt, welche nur Licht von dem Substratmuster 902 auf die Abtasteinrichtung durchlässt. Das Substrat wird dann ausgerichtet, indem die Verlagerungsausgangssignale des Änderungsfühlers, die auf den Messgeräten 810, 811 und 812 angezeigt werden, entsprechend kompensiert werden.
Die Anzeige auf dem Messgerät 813, die Abweichungsanteige, wird ebenfalls kompensiert, wenn der Vorgang ordnungsgemäss ausgeführt ist, während ein grosses Ausgangssignal erscheint, wenn dies nicht der Fall ist.
In einer alternativen Ausführungsform kann ein Signal, welches der genauen exakten Ausrichtung der Muster 901 und 902 entspricht, vorab gespeichert werden, und sowohl die Maske 802 als auch das Substrat 803 können nachfolgend unter Bezugnahme auf dieses vorab registrierte Signal zusgerichtet werden. Da die bei einer einzigen Abtasteinrichtung möglichen Toleranzen der Ausrichtung eine Funktion der Rotationsempfindlichkeit des Fühlers sind, nehmen sie mit dem Abstand von der Ausrichtungsmarkierung zu.
In einer bevorzugten Ausführungsform für die Ausrichtung von verhältnismässig grossen Masken und von Halbleiteranschlüssen werden daher zweckmässigerweise zwei identische Abtaster Linrichtungen verwendet, die mit zwei Sätzen von Markierungen arbeiten, die so weit wie möglich auseinander an angeordnet sind. Dies führt zu einer im wesentlichen konstanten Ausrichtungsgenauigkeit über den gesamten Anschluss.
Die Fig. 10 veranschaulicht eine Anordnung zur automatischen Erkennung und Identifikation einzelner Muster oder Symbole innerhalb eines Satzes solcher Elemente, und zwar unter Verwendung des erfindungsgemässen Bildkomparators. Eine der bekanntesten Anwendungsmöglichkeiten zur Mustererkennung ist die Umwandlung von alphabetischen Zeichen oder von numerischen Zeichen in elektrische Signale, die dazu geeignet sind, in einen Rechner eingespeist zu werden, oder die zur Übertragung zu einer entfernteren Empfangsstation geeignet sind.
Das zu identifizierende Muster 151 wird zur Abtastung m der Objektebene der Linse 152 angeordnet. Die Abta ,tung erfolgt in bekannter Weise durch einen Bildzerleger 153, der beispielsweise als schwenkbare Fotovervielfacherröhre ausgebildet sein kann. Eine raschere Abtastung, als sie herkömmlicherweise durch eine mechanische Einrichtung erreicht werden kann, und die Erzeugung von komplexen Abtastmustern, welche dem Mustertyp angepasst sind, der erkannt werden soll, sind erwünscht, und die Abtastung wird somit zweckmässigerweise bei dieser abgewandelten Ausführungsform des Bildkomparators durch eine elektronische Einrichtung durchgeführt. Die elektronische Abtastung erleichtert weiterhin die automatische Wiederausrichtung, wie es nachfolgend erläutert wird.
Das Ausgangssignal des Bildzerlegers 153, welches im Verstärker 154 verstärkt wird und durch ein oben bereits beschriebenes Flip-Flop 155 in ein Binärsignal umgewandelt wird, wird dem Speicherkanalwähler 156 zugeführt, und zwar nach dem Durchgang durch das Verzögerungselement 162, dessen Zweck unten erläutert wird.
Zunächst wird der Wähler 156 nacheinander in die aktiven Positionen 157, 158 und 159 gestellt, um im Speicher 161 jeweils ein entsprechendes Signal zu registrieren, wobei die verschiedenen Signale verschiedenen Mustern wie dem Muster 151 entsprechen, und er wird in die Abtaststellung gebracht. Zur Vereinfachung der Darstellung sind nur drei aktive Positionen des Wählers 156 gezeichnet, d. h. drei Bezugsaufzeichnungskanäle. Tatsächlich können jedoch mehrere Dutzend aktiver Wählerpositionen und entsprechender Speicherkanäle vorgesehen sein, und zwar in Abhängigkeit von der Anzahl der Muster oder Symbole, die gespeichert und später identifiziert werden sollen.
Nachdem der Speicher 161 mit der gewünschten Anzahl von Bezugssignalen geladen ist, wird der Schalter 156 in die inaktive Stellung 160 gebracht und binäre Bezugssignale, die gemäss den obigen Erläuterungen aus den aufgezeichneten Signalen wieder hergestellt wurden, werden den exklusiven ODER-Gattern 168,169 und 170 zugeführt, und zwar zum Vergleich gegenüber dem Ausgangssignal der Verzögerungseinrichtung 162. Dieses Ausgangssignal entspricht natürlich dem Muster oder dem Symbol, welches zu diesem Zeitpunkt abgetastet wird. Die Polarität der den exklusiven ODER-Gattern zugeführten Signale ist derart gewählt, dass im Falle einer vollständigen Übereinstimmung das Ausgangssignal des entsprechenden Gatters eine logische 1 ist.
Bei einer nicht ganz vollkommenen Übereinstimmung würde das logische Ausgangssignal vorherrschend 1 sein, würde jedoch zwischendurch 0 sein. Entsprechende Tiefpassfilter 171, 172 und 173 liefern Ausgangssignale mit veränderlicher Amplitude, und gleich dem Mittelwert von jedem der Ausgangssignale der entsprechenden Gatter ist, wobei die Amplitude somit ein Mass der Übereinstimmung jedes Bezugssignales mit dem eintreffenden Signal ist. Diese analogen Ausgangssignale werden Schwellenwertfühlern 174, 175 und 176 zugeführt. Normalerweise überschreitet nur ein Ausgangssignal den am Potentiometer 164 eingestellten Schwellenwert, der fest oder veränderlich sein kann, was zu einem eindeutigen einzigen Ausgangssignal an einer der Klemmen 165, 166, 167 führt, so dass dadurch das Muster 151 identifiziert ist.
Es ist ersichtlich, dass die so weit beschriebene Musteridentifikationseinrichtung an sich ein Mehrkanal-Änderungsfühler ist, wobei jeder Kanal der Ausführungsform gemäss Fig. 3 sehr ähnlich ist. Die Funktionen der Anderungsabta- stung und der Musteridentifikation oder der Kongruenzidentifikation sind zueinander komplementär. Deshalb kann eine zur Ausführung einer solchen Funktion geeignete Einrichtung auch die andere Funktion ausführen. Es ist jedoch zweckmässig, die Polarität der Signale, die den exklusiven ODER-Gattern zugeführt werden, derart zu wählen, dass sich bei jedem Fall von Interesse eine logische 1 ergibt, nämlich bei einer Übereinstimmung in der Musteridentifikation oder bei einer Veränderung im Änderungsfühler.
Die soweit beschriebene Anordnung gemäss Fig. 10 wäre auch dazu geeignet, eine Vielzahl von vorab gespeicher ten Mustern zu identifizieren, vorausgesetzt, dass jedes Muster in derselben Position angeordnet ist, wie bei der Speicherung. Jede Fehlausrichtung würde das Mass der Übereinstimmung des Abtastsignals mit dem Bezugssignal verringern, und dies könnte dazu führen, dass kein Ausgangssignal erscheint, wenn die am Potentiometer 164 eingestellte Schwelle nicht erreicht oder überschritten wird. Es ist somit erforderlich, eine genaue Ausrichtung des Musters 151 in bezug auf das Abtastmuster der Röhre 153 zu erreichen, wie es unten erläutert wird.
Während Bezugssignale in den Speicher 161 eingegeben werden, erfolgt die Abtastung durch den Abtastgenerator 181, indem der Verstärker 182 für die x-Ablenkung und der Verstärker 183 für die y-Ablenkung gespeist werden. Der Abtastgenerator 181 wird mit dem Speicher und mit dem Abtastgeschwindigkeitssignalgenerator 161 durch eine nicht dargestellte Einrichtung synchronisiert. Der Suchgenerator 184 ist inaktiv, und die Gatter 185 und 186 werden während der Bezugssignaleinspeicherung geschlossen. Während der zur Identifikation dienenden nachfolgenden Musterabtastung wird durch die logische Steuereinheit 180 festgestellt, dass kein Ausgangssignal vorhanden ist, und zwar mit Hilfe der NOR-Funktion, wobei der Suchgenerator 184 aktiviert wird, welcher den durch den Generator 181 erzeugten normalen Abtastsignalen verhältnismässig langsam veränderbare Signale überlagert.
Dies bewirkt, dass das gesamte Abtastmuster sich gemäss einem willkürlichen Muster verlagert, beispielsweise nach einer sich expandierenden Spirale, bis an einem der Gatter 168, 169, 170 ein nennenswertes Ausgangssignal erscheint, wobei zu diesem Zeitpunkt der Suchgenerator 184 abgeschaltet wird und die Gatter 185, 186 durch die ODER-Funktion der logischen Steuereinheit 180 geöffnet werden.
Gleichzeitig wird eines der UND-Gatter 177, 178 oder 179 geöffnet, wodurch es ermöglicht wird, dass ein entsprechendes Bezugssignal an die exklusiven ODER-Gatter 191 und 192 geführt wird, wo es mit einem entsprechenden unverzögerten binären Videosignal verglichen wird, welches an dem Ausgang des Flip-Flops 155 auftritt, und weiterhin mit einem doppelt verzögerten binären Videosignal verglichen wird, welches an dem Ausgang des Flip-Flops 155 auftritt, und weiterhin mit einem doppelt verzögerten binären Videosignal, das durch die Verzögerungseinrichtung 163 geliefert wird.
Es ist ersichtlich, dass die exklusiven ODER-Gatter 191 und 192 die funktionellen Äquivalente der Multipliziereinrichtungen 171 und 172 gemäss Fig. 17 der DOS 1 921 841 sind und dass die Signale, welche an den Eingängen jedes Gatters auftreten, zeitlich in genau derselben Bezie hung stehen wie diejenigen Signale an den Eingängen jedes Verstärkers. Darüber hinaus ist das Signal am Ausgang des Differentialverstärkers 193 (Fig. 10) mit dem Ausgangssignal des Differentialverstärker 193 des Bezugssystems vergleichbar und Schwankungen des Mittelwertes geben in ähnlicher Weise die zeitlichen Unterschiede zwischen entsprechenden Übergängen des Bezugssignals und des einfach verzögerten Binärsignals wieder.
Weiterhin kann eine Verarbeitung des Si gnals am Ausgang des Verstärkers 193 exakt in der Weise erfolgen, wie es für das Bezugssignal erläutert wurde, um Signale zu erzeugen, die eine Fehlausrichtung am Ausgang des Filters 196 (für die x-Richtung) und des Filters 197 (für die y-Richtung) anzeigen. Gegebenenfalls könnten auch Rotationsfehlausrichtungssignale durch das Tiefpassfilter des Ausgangs des Verstärkers 193 erreicht werden und dazu verwendet werden, eine Korrekturrotation des gesamten Abtastmusters in bekannter Weise auszuführen. Im allgemeinen ist es jedoch ausreichend, eine Ausrichtung in der x-Richtung und in der y-Richtung dadurch herbeizuführen, dass die Ausgangssignale der Filter 196 und 197 den Verstärkern 182 bzw. 183 über Gatter 185, 186 zugeführt werden, wodurch bewirkt wird, dass durch Ablenkspulen 187 bzw. 188 Korrekturfelder erzeugt werden.
Die Schwellenwertfühler 174, 175 und 176 sind durch (nicht dargestellte) an sich bekannte Einrichtungen miteinander verbunden, und zwar derart, dass nur eine von diesen zu einem bestimmten Zeitpunkt ein Signal an ein entsprechendes UND-Gatter liefern kann. Wenn infolge einer engen Übereinstimmung zwischen Symbolen, die erkannt werden sollen (wie 0 und Q beispielsweise) mehr als eine exklusives ODER-Gatter 168, 169 oder 170 ein Ausgangssignal erzeugt, welches über der durch das Potentiometer 164 eingestellten Schwelle liegt, führt eine Verriegelung zwischen den Fühlern 174, 175 und 176 dazu, dass keines der UND-Gatter 177, 178 oder 179 aktiviert wird, so dass die oben beschriebene Suchbetriebsart besteht.
Die Vielfachübereinstimmung wird zugleich über die Leitung 198 an die logische Steuereinheit 180 übermittelt, die in Reaktion darauf das Potentiometer 164 ansteuert, so dass der Schwellenwert angehoben wird, bis nur eines der exklusiven ODER-Gatter 168, 169 oder 170 ein Signal liefert, welches ausreicht, um das entsprechende UND-Gatter zu betätigen. Wenn diese (normale) Bedingung vorherrscht, werden die Gatter 185, 186 aktiviert, und die Ausrichtung geht gemäss den obigen Erläuterungen vonstatten.
The invention relates to a device for comparing images, and represents a further development of the arrangement that is used in Switzerland. U.S. Patent No. 514,200.
Automatic image comparison devices have a wide range of possible uses, for example in the production of precise maps from aerial stereo recordings, as they are produced in photogrammetry, or in the conversion of printed or written characters or symbols into electrical signals that are suitable for further processing in a computer, As happens with optical character recognition, or when protecting property against intrusion and / or fire or for aligning tools and machine tools in production, for example for the manufacture of integrated circuits and other semiconductor devices, where photolithographic masks are exactly aligned with semiconductor connections have to.
In some applications of the invention, in particular in the detection of fire, it may be sufficient to determine only the correspondence that exists between images to be compared, which generally represent a stationary object and are recorded by a stationary optical device. Under normal circumstances, all images are identical and match a pre-recorded reference image. All that needs to be determined is the difference that is created by the occurrence of fire or some other event, but no movement as such. However, it may be desirable to determine the direction of such an event, and it may furthermore be expedient to point a device such as a camera at such an event.
In other applications, for example when aligning photolithographic masks, it is desirable to shift images instead of determining changes in the image content.
In other possible applications, for example when comparing corresponding areas of aerial stereo recordings, it is essential that it can be ensured that the images compared with one another actually relate to the same object, this being just as important as determining their photo coordinates or their relative orientation.
German Offenlegungsschrift 1 926 841 describes transmitters for image movement and image change and devices controlled thereby, which are mainly designed to determine image shifts, for example for automatic control of vehicles and for image movement compensation in satellite photography. Furthermore, devices are described in this publication which are used to automatically carry out functions which, when carried out by humans, require observation of a visual field, furthermore the recognition of one or more special patterns that are of interest, furthermore the comparison of such Patterns with a normal or a reference pattern to determine if there are any differences or misalignments, respectively.
The invention is based on the object of creating a device for determining changes in two images, with such a device at the same time working over an extremely large brightness range with particular reliability without interference and being insensitive to influences such as noise.
The features listed in the characterizing part of the patent claim serve to solve this problem.
This has the advantage that a signal is generated which is related to a determined process in such a way that another device can be directed automatically or in some other way to such an area.
Another advantage of the device is that one or more scanning devices, which are located in guarded properties, work together with a storage device located remotely from the scanning devices and a corresponding signal comparison device in such a way that the entire system is relatively safe against interference or willful damage .
Furthermore, the advantage can be achieved that, with the exact positioning of tools and / or workpieces during production, the achievable accuracy of alignment is in some cases even better than the resolution of the optical systems used.
The invention is described below, for example with reference to the drawing; in this show:
1 shows a simplified functional block diagram of an image change sensor,
FIG. 2 shows a simplified functional block diagram which has a multiple arrangement of devices according to FIG. 1,
3 shows a detailed block diagram of an image change sensor,
4 shows a schematic illustration of a photocell with an associated amplifier for the image change sensor,
5 shows a simplified representation of a scanning arrangement for the image change sensor,
Fig. 6 is a simplified representation of a further scanner arrangement, which is constructed similarly to the arrangement of FIG. 5,
7 shows an image alignment device;
8 shows another image alignment device,
FIG. 9 shows an alignment pattern which is used in connection with the device according to FIG.
8 can be used, and
10 is a functional block diagram of a pattern identification device.
An embodiment of the subject invention is described below, which serves as a change sensor.
The main purpose of such an embodiment is to automatically sense changes that occur in a field of view in order to trigger an alarm if such changes exceed a predetermined tolerance limit. The device can furthermore generate direction signals which are suitable for indicating the direction in which a change occurs, and finally a device such as a camera can be aligned in the direction of such a change.
The change sensor has the main functional elements shown schematically in FIG. 1, with the arrangement 101 used for scanning and transmission
Fig. 20 of DOS 1 926 841 can be constructed, but this does not necessarily have to be the case, while the optical
Axis 102 can point in any desired direction. Since the function of the arrangement 101 for scanning and transmission is to convert brightness values of the scanned object or the scanned area into electrical signals, any scanner and a corresponding converter can be used to fulfill this task in the context of the invention.
Since it is not necessary to reproduce images from the electrical signals, larger scanning openings than usual can be used, especially in the direction perpendicular to the current scanning direction. Accordingly, the change sensor comes in operation with a relatively low
Lighting off and / or can be equipped with relatively less sensitive photo transducers, which are generally cheaper than highly sensitive devices. Suitable openings are described in various forms in the DOS mentioned above.
The width of the opening is selected such that it corresponds approximately to the same angle of view as the smallest object or the smallest person who should still be recognizable when they change their position. If the data are otherwise unchanged, the opening must be narrower the greater the distance to such an object.
As for the length of the opening in the direction perpendicular to the scanning direction, a value of about 3 or 4 times the width is generally sufficient.
In one possible embodiment of the scanning arrangement, the light-sensitive element can lie directly in the scanned image area and can then have the size and the shape of the scanning opening which is functionally replaced. Silicon surface cells or boundary layer cells as well as photoresistors made from cadmium sulfide, cadmium selenide and sulfur selenide are suitable for this purpose. Such types of components are interesting because on the one hand they are inexpensive and on the other hand they provide a strong output signal. However, they are slow to respond and thus require much more emphasis on the higher frequency components of the video signals they generate than the more rapidly responding types.
A frequency-limited increase in the video signal is generally useful if the number of essential zero crossings of the processed signal is to be a maximum, as will be explained in detail below. Substantial zero crossings are those that are related to the brightness values within the scanned fields, rather than to the electrical noise generated by the system itself. It has been shown that if the high frequencies are increased excessively, only a few substantial additional zero crossings are achieved, but that on the other hand the temporal arrangement of all zero crossings has an additional fluctuation caused by noise. It may even happen that some additional zero crossings are added which are simply due to the noise.
Such a success is certainly not desired.
Since signal components with a large amplitude and a low frequency in the video signal would have the tendency to act as a mask for the high-frequency components, they must be sufficiently attenuated so that such high-frequency components can lead to zero crossings, because it is essential that zero crossings with a Reaching density are available over the scanning period so that the device has sufficient sensitivity to changes that can occur at any point within the field of view, especially since the sensitivity depends on the density of the zero crossings. In practice it has proven to be sufficient if an increasing frequency characteristic has a positive slope of 6 to 12 decibels per octave up to a peak frequency, which depends on the operating conditions.
Circuits suitable for this purpose which enable such a characteristic in the video signal are known per se, and the filter 103 can serve as an example.
The peak video signal at the output of the filter 103 is quantized by a flip-flop 104, which changes its state as often as the peak video signal crosses the level zero and reverses the polarity. The more frequently this occurs, the better the facility's ability to sense changes.
The memory 105 may be in the form of a magnetic recording surface which may be arranged on or built into the scanning device. Such a one
The arrangement is, for example, in FIG. 24 of the DOS
1 926 841. The memory can also be arranged separately from the scanning device and be of any suitable type in order to serve as a source for reference signals.
In the case of a separate arrangement, a device for synchronization between the scanning device 101 and the memory 105 must be provided, as is described, for example, in FIGS. 1 and 2 of the above-mentioned document. In general, the scanning device can synchronize the memory or vice versa, depending on the application, or these two devices can be synchronized by a common AC voltage source or by an independent source for synchronization signals.
In a preferred arrangement of the change sensor, a large number of scanning devices can be provided, which can be distributed over a building or over several buildings, the individual scanning devices interacting with a centrally arranged multiple memory, for example in the form of a magnetic drum or a magnetic disc with a large Has number of Spu ren, as they are used in digital Datenverarbeitungsanla conditions. Fig. 2 shows such a multiple scanning arrangement, which scanning devices (and
Converter) 201, 202, 203 and 204, which also has a central memory 205 and a central data processing unit 206, which will be described in detail below.
The easiest way to achieve synchronization is that all scanning devices and the drum or disk storage are driven by synchronous motors that are fed from a common alternating current supply. In an alternative embodiment, a synchronization signal, which is previously stored on the drum, during operation of the
Device reproduced and transmitted via a common line 207 to the scanning device. The synchronization takes place, for example, in the way it is based on the
Fig. 4 and 5 is described in the above German Ausle script.
Significant economic advantages result from the use of a central memory and a central processing unit in a multiple arrangement, since the scanning-transmission units are much simpler than if they are each equipped with a memory and because other parts of the system such as the power supply are also centralized can be. Another particularly useful property of such an arrangement is that it offers particular security against improper tampering, for example also against deliberately caused disturbance of the lines with which the scanning devices are connected to the central unit, or of the scanning devices themselves.
Under normal operating conditions, a special, precisely defined video signal, which corresponds to the reference signal specially stored for each scanning device, must reach the central unit at all times. Any disturbance in the transmission of the correct signal would automatically lead to an alarm signal at the output of the signal processing unit 206.
According to FIG. 1, the purpose of the signal comparator 106 is to determine differences between the binary signal at the output of the flip-flop 104 and a normally similar binary reference signal which is generated by the memory 105. These differences can result from a change within the field of view of the scanning device 101, for example from the appearance of a person or from the appearance or disappearance of one or more objects, for example from fire, smoke or water. As a rule, however, there is no need to determine the direction or the speed of a displacement of objects or images, to follow the path of such objects or to compensate for image displacements, as is explained in detail in the above-mentioned German Offenlegungsschrift.
For these reasons, the comparator 106 does not need the delay device described there and can for example consist of a logic multiplier device or a simple exclusive OR gate, as will be explained in detail below.
Since both input signals for the comparator 106 are binary, the logic state or the polarity is taken into account in the comparison. As soon as the state of the flip-flop 104 is incorrect, as a result of which a change in the field of view of the scanning device 101 is indicated, a signal with a fixed polarity is generated by the comparator 106. This signal is exactly analogous to the signal described in the above-mentioned German Offenlegungsschrift, with the exception that the complementary signal to one of the input signals is used here. This leads to the result that no signal occurs at the output of the comparator 106, which acts as a logic multiplier, under such conditions that a perfect match is present, and indeed instead of a maximum signal.
The integrator 107 has a relatively short time constant. With a perfect match, no output signal appears there. As soon as there is a mismatch, a ramp-like signal is generated, the amplitude of which increases in proportion to the duration of the mismatch, which in turn is a measure of how great the change that has occurred in the field of view of the scanning device is. A device (not shown) is used to reset the integrator 107 to the rest position when the mismatch period has ended.
An output signal is generated at the alarm terminal 110 when the threshold value sensor 108 determines that the amplitude of the ramp-like signal at the input exceeds a predetermined level at the potentiometer 109. The presence of a threshold prevents alarm signals from being generated if there are only insignificant changes in the field of view or if there is some noise. Other means of distinguishing between noise in the circuit or insignificant events are explained in detail below.
In certain applications of the change sensor, it can be useful to generate a signal which indicates the direction of a change, which can lead to an alarm signal at the terminal 110. For example, a voltage that is proportional to the angle between any reference direction and the direction of an event that triggers an alarm can be applied to a suitably calibrated voltmeter for display purposes.
In an alternative embodiment, this voltmeter can control a swivel camera arrangement in order, for example, to point such a camera at a corresponding event.
In order to generate such a voltage for scanning at a constant angular velocity, a sawtooth signal, which is generated in the generator 112, is triggered once per scanning cycle, namely at the point in time at which the scanning points in the reference direction A trigger signal which is stored in the memory 105 can be generated by a device not shown, is fed to the generator 112 via the line 111 and controls the triggering of the sawtooth signal in a known manner.
If an alarm signal occurs at terminal 110, the gate or the logic element 113 is opened momentarily so that a section of the sawtooth signal can reach the pulse stretcher 114, which generates an essentially constant output signal at terminal 115, which has an average amplitude according to the section so that there is a proportionality to the angular coordinate which corresponds to the event that triggered the alarm.
In general, the slope of the signal generated by generator 112 should be proportional to the angular velocity of the scan. While a sawtooth voltage having a constant slope was described in the above embodiment in connection with a scan with a constant angular velocity, other waveforms can be used for other types of scan.
For purposes of clarity, a one-dimensional scan such as a circular scan or a sector-shaped scan is generally sufficient. Accordingly, the direction information generated is also one-dimensional.
If two-dimensional direction information is desired, a two-dimensional scanning pattern can be used without difficulty. In an alternative embodiment, two one-dimensional change sensors, as described above, can be used to form a two-dimensional system.
According to FIG. 2, the central processing unit 206 has for each scanning-transmission unit such as 201, 202 etc.
includes a set of elements described above to generate individual alarm signals on terminals 211, 212, 213, etc., and to generate corresponding directional signals (if any) on terminals 221, 222, 223, etc., corresponding to the scanners, respectively 201, 202, 203 etc.
correspond. In order to deliver direction signals, only a sawtooth generator (or a device for generating another suitable signal form) needs to be present to feed all logic elements and pulse stretcher in parallel.
Fig. 3 illustrates in more detail the elements of the change sensor which are required to generate the alarm signals. During each scan, the modulated luminous flux picked up by photocell 301 produces an input signal to amplifiers 302 and 303, the latter performing the frequency discrimination function of circuit 103 (Fig. 1). According to the explanations above, the flip-flop 304 changes its switching state depending on the zero crossings of the signal at the output of the amplifier 303. The binary signal generated in this way is fed to the exclusive OR gate 305 and as soon as the switch 306 or the relay 318 is closed is operated for the purpose of recording a reference signal on the drum 309 to the amplifier 307 and the magnetic head 308.
However, the switch 306 is normally open and the reference signal previously stored on the magnetic surface of the drum 309 is read by the head 308 to feed the amplifier 310 and flip-flop 311, thereby returning the reference signal to its original binary state in order to to carry out a polarity comparison with the output of flip-flop 304 in gate 305, as already explained above.
Since the state of flip-flop 304 is determined by the polarity of the peak video signal at its input, circuit noise can cause random changes in the state of flip-flop 304 when the video amplitude is very low, which corresponds to very little contrast.
If these changes take a long enough time, an undesired alarm signal can result, if no special precaution is taken, for example by installing an alarm switch-off gate 313 between the comparator gate and the integrator 314 with a short time constant. Gate 313 is only open when a control signal derived from the output of amplifier 303 exceeds a predetermined level determined by the setting of potentiometer 312, thereby avoiding the possibility of a noise-triggered alarm. Integrator 314 is quickly reset to the no output state by means (not shown) at the end of each pulse generated by gate 305.
Other types of signals can be used to control gate 313 for certain purposes. Since the relatively large amount of noise in the video signals tends to increase in the areas that correspond to dark zones of the object, opening of gate 313 could, for example, be made dependent on a video signal of sufficient amplitude at the output of cell 301 or is present on amplifier 302. Since changes in the state of the flip-flop 304, which occur with a relatively strong slope dV / dt of the video signal at the input, are more likely to be correct, such a slope can be converted into a gate control signal by differentiating it.
Of course, various combinations of the above-mentioned gate control arrangements can increase the reliability of the signals which reach the integrator 314, taking into account that in the case of the change sensor according to the invention the
Knowledge of the exact time at which the flip
Flop 304 changes state is not required so that unreliable signals can simply be eliminated.
In an image displacement scanning device as described above with reference to German Offenlegungsschrift
1 926 841, an analog multiplier device can be used instead of a logic gate 313 of the yes-no type in order to give greater weight to the output signals of the gate 305, which are generated under favorable noise ratios and vice versa.
In order to improve the application possibilities of the change sensor according to the invention for the protection of property, a device can be provided by which the device becomes insensitive to changes that occur in certain areas of the field of view, for example by providing one or more additional magnetic tracks on the drum 309 , which cooperate in a known manner with corresponding heads, amplifiers and an associated circuit in order to first enable the recording and then the reproduction of signals which are designed so that they can control the gate 313 or a similar device in full synchronization with execute the scanning effect in such a way that the change sensor responds in certain directions and does not respond in other directions.
At least in an alternative embodiment such an additional track of the drum 309 could be designed in such a way that it stores an additional reference signal, whereby an additional flip-flop such as 311 and an additional exclusive OR for each such additional track
Gates like 305 would have to be provided, one input of which is still fed by the flip-flop 304. The additional reference signal could, for example, correspond to the appearance of a property that is monitored under different lighting conditions that differ from the lighting conditions when the first reference signal was recorded. With such a multiple reference arrangement, the output signals of all exclusive OR gates such as 305 would be fed to an AND gate (not shown), the output of which would feed gate 313.
This arrangement would ensure that no alarm is triggered as long as the output signal of flip-flop 304 corresponds to at least one of the reference signals.
An electro-optical device as described above as a change sensor can be used in such a way that it works over a certain brightness range of the monitored object, one edge area of which corresponds to artificial lighting inside a building and the other edge area of which corresponds to outdoor lighting in strong sunlight. In addition, objects within the field of view can be taken into account that have either a very large or a very small reflectivity. It is useful that the photocell and the associated amplifiers 302 and 303 are able to process an extraordinarily large range of brightness, preferably without manual or automatic light control devices, as are common in photography.
If it can be achieved that the video gain can be reciprocal to the illuminance, the amplitude of the video signal becomes independent of the illumination and is determined solely by the contrast of the object. It can be seen that a logarithmic characteristic of the photocell or its associated amplifier 302 provides such a result.
4 shows schematically an arrangement which enables an approximation of the desired logarithmic characteristic by using a photoresistor 401, the conductivity of which is essentially proportional to the illuminance, and in which a non-linear collector resistor 402 is used, for example a Varistor or a resistor known as a thyrite. At low lighting levels, the collector current of transistor 403 is low, but the resistance of varistor 402 is high. At high lighting levels, the reverse statement applies, with the result that the signal amplitude at terminal 404 changes significantly less than would be the case with a fixed resistor serving as the collector load of transistor 403.
Another possibility for achieving a very well approximated logarithmic characteristic curve above a certain lighting threshold is to use a silicon solar cell that feeds an amplifier with a high input impedance.
A progressive change in the lighting, which influences the entire field of view equally, does not lead to a change in the video signal, provided that the transformer-amplifier characteristic is logarithmic, as explained above. If this characteristic curve is only approximated, changes in the video signal occur, which under certain circumstances can also lead to an undesired alarm, unless the recorded reference signal is renewed from time to time, as is generally stated in the above-mentioned German patent application Figs. 4 and 5 is described.
According to FIG. 3, the cutoff frequency of the low-pass filter 316 is lower than the sampling frequency. As a result, averaging is achieved in the output signal of gate 305.
A change that is to be determined, for example the appearance of an object or a person in the field of vision, is a local event which leads to an impulse of relatively long duration at the output of gate 305. According to the explanations given above, this type of pulse leads to a ramp-like signal at the output of the integrator 314, and with a correspondingly long one
An alarm is triggered continuously. However, no strong signal is produced at the output of the low-pass filter 316.
Overall changes in the lighting normally lead to a large number of relatively short pulses at the output of the gate 305. Since the integrator 314 is reset at the end of each pulse according to the above explanations, short pulses do not lead, regardless of their number to ramps with large amplitudes.
However, these impulses have an additional effect on the
Output of the low-pass filter 316, which triggers and a monostable multivibrator 317 when the amplitude is sufficient
Relay 318 actuated to cause the recorded
Reference signal is processed in such a way that it reproduces the appearance of the object then present.
As is evident to the person skilled in the art, numerous modifications of the reference and alarm functions are possible without departing from the scope of the invention. For example, instead of that generated by integrator 314
Signal of the threshold sensor 315, the averaged output signal of the multivibrator 317 record. With this arrangement, the alarm signal would be triggered if the frequency of the reference signal processing exceeds a predetermined value.
The horizontal image field, which is scanned by a change detector according to the invention and used, for example, to detect an intruder, should be determined by the area to be protected and by the arrangement of the scanner. This field of view may be only a few degrees or it may be a full 360 ". By using pivoting or rotating mirrors, scanners can be produced that sweep the required field of view by simply changing the amplitude of the pivoting movement or by increasing the number of surfaces of the rotating mirror is changed.
Fig. 5 shows an arrangement which is essentially 3600 scans by means of a rotating, double-sided mirror 501 which is pivotable about an axis 502 and can be driven by means of a device not shown. As is known, the reflected optical axis 503 rotates at twice the angular speed of the mirror, sweeping twice the range of 360 "per revolution of the mirror. An objective lens 504, which works together with the mask 505 and a light-sensitive transmitter 506, is installed in a stationary manner and by means of a device not shown held.
Since the arrangement according to FIG. 5 provides an interruption when the plane of the mirror 501 is aligned with the optical axis 507 of the lens 504, such an arrangement would not be suitable for a visual image system. Such an arrangement would also not be suitable for exclusively monitoring changes.
FIG. 6 shows a modified embodiment of the arrangement according to FIG. 5. In FIG. 6, a rotating four-sided mirror 601 is used instead of a two-sided mirror, so that a 180 scan takes place four times per revolution of the mirror. The remaining components of Fig. 6 are the same as those in Fig. 5. Of course, a different number of mirror surfaces can be used to provide different scan widths. For example, an eight-sided mirror would provide a 90 scan and a six-sided mirror would provide a 1200 scan.
An embodiment of the subject matter of the invention which acts as an alignment device is described below.
Fig. 7 shows the arrangement of the image comparator as an alignment device, for example as a monocomparator for the exact positioning of transit points in the
Photogrammetry can be used. The image comparator 701 can, for example, have the components described in FIGS. 11 and 13 of German Offenlegungsschrift 1 926 841. The object plane 702 is arranged relatively close to the corresponding objective in order to achieve an optical magnification. Furthermore, a precaution can be made in a known manner so that the scanned area can be observed by the operating personnel at the same time, for example by splitting the emitter.
The output signal of the image comparator 701 can be displayed on appropriate measuring devices 703, which image.
indicate rotations, 704 indicating the translation in the x direction, 705 indicating the translation in the y direction and 706 indicating any differences in the image which are determined with respect to the stored reference image. Instead of only displaying the corresponding signals of misalignment, which requires operator intervention, an automatic positioning device could be actuated in a known manner in order to carry out the alignment of the scanned image with respect to the stored reference signal.
Furthermore, if an excessively large deviation signal is displayed on the measuring device 701, this could be taken as an indication that the scanned image area is not the correct one. The setting could then be corrected by the operating personnel by moving the object in relation to the sensor 701 or vice versa, whereby this process could of course also be carried out automatically with a device known per se. As soon as an area is found which only provides a sufficiently small deviation signal, the exact relative alignment could be made.
In a typical mono comparator, a larger storage capacity would be required than is usually available on a drum, as shown in FIG.
11 of the above-mentioned German Offenlegungsschrift is described. It is then more expedient to separate the storage function from the scanning device, as is explained in connection with an operating mode which is illustrated in particular by FIGS. 1, 2, 4 and 5 of the above-mentioned German layout.
In other alignment applications of the image comparator, for example to determine the terrain profile from the measurement of parallax in antenna stereo photographs, a relative alignment must be achieved between two images rather than between an image and a recorded reference image. In such applications, a signal is generated by a second, synchronously running scanning device which serves as a source of the reference signal, as described in German Offenlegungsschrift 1,926,841.
There it is a target method of the device shown in FIGS. 1 and 2. The arrangement described there is used for alignment in only two directions, rotation playing no role in this application. If necessary, a rotational alignment could also be provided.
It is evident that suitable systems for similar purposes can be formed by providing two or more scanning devices and a corresponding number of storage devices without departing from the scope of the invention. Such an arrangement for the precise alignment of a photographic mask and a photosensitive substrate as it is used, for example, in the manufacture of semiconductor devices and in particular is used in the manufacture of integrated circuits, is illustrated in FIG.
The optical system of the image comparator 801 of FIG. 8 is designed in such a way that a selective scanning of each of white special alignment targets or patterns which are applied to the mask 802 or to the substrate 803 takes place.
The marking 901 (FIG. 9) on the mask 802 and the marking 902 on the substrate 803 can be arranged concentrically when aligned and can, for example, consist of alternating light (or transparent) and dark (or opaque) sectors other patterns are also conceivable for each yoke. A closing device (not shown) can be inserted into the optical path of the image comparator 801 through the gap 804 so that the light is shielded by one of the markings 901 and 902. An illumination device (not shown) ensures sufficient illumination of the sensor and a large signal-to-noise ratio at the output of the sensor, where this is necessary for a corresponding accuracy.
In operation, the mask 802 can be aligned with the optical axis 307 by observation through the eyepiece 806, which receives part of the light reflected on the mirror 808, and the signal generated in this way can be recorded as a reference signal. During this process, a suitable shutter is used to allow only light picked up by the mask to pass to the scanner 809. The first shutter device is then removed and another one inserted which only allows light from the substrate pattern 902 to pass onto the scanning device. The substrate is then aligned by appropriately compensating for the displacement output signals from the change sensor displayed on gauges 810, 811 and 812.
The display on the measuring device 813, the deviation rate, is also compensated if the process has been carried out properly, while a large output signal appears if this is not the case.
In an alternative embodiment, a signal corresponding to the exact exact alignment of patterns 901 and 902 can be pre-stored, and both mask 802 and substrate 803 can subsequently be trimmed with reference to this pre-registered signal. Since the alignment tolerances possible with a single scanner are a function of the rotation sensitivity of the probe, they increase with distance from the alignment mark.
In a preferred embodiment for the alignment of relatively large masks and semiconductor connections, two identical scanner line directions are therefore expediently used, which work with two sets of markings which are arranged as far apart as possible. This leads to a substantially constant alignment accuracy over the entire connection.
FIG. 10 illustrates an arrangement for the automatic recognition and identification of individual patterns or symbols within a set of such elements, specifically using the image comparator according to the invention. One of the most popular uses for pattern recognition is the conversion of alphabetic characters or numeric characters into electrical signals that are suitable for being fed into a computer or that are suitable for transmission to a remote receiving station.
The pattern 151 to be identified is arranged for scanning m the object plane of the lens 152. Abta, processing takes place in a known manner by an image splitter 153, which can be designed, for example, as a pivotable photomultiplier tube. A faster scanning than can conventionally be achieved by a mechanical device, and the generation of complex scanning patterns which are adapted to the type of pattern that is to be recognized are desirable, and the scanning is thus expediently in this modified embodiment of the image comparator by a electronic setup carried out. Electronic scanning also facilitates automatic realignment as explained below.
The output signal of the image decomposer 153, which is amplified in the amplifier 154 and converted into a binary signal by a flip-flop 155 already described above, is fed to the memory channel selector 156 after passing through the delay element 162, the purpose of which is explained below.
First, the selector 156 is successively set to the active positions 157, 158 and 159 to register a corresponding signal in the memory 161, the various signals corresponding to different patterns such as the pattern 151, and set to the scanning position. To simplify the illustration, only three active positions of the selector 156 are drawn; H. three reference recording channels. In fact, however, several dozen active selector positions and corresponding memory channels can be provided, depending on the number of patterns or symbols that are to be stored and later identified.
After the memory 161 has been loaded with the desired number of reference signals, the switch 156 is brought to the inactive position 160 and binary reference signals, which have been restored from the recorded signals as explained above, are fed to the exclusive OR gates 168, 169 and 170 for comparison with the output of the delay device 162. This output, of course, corresponds to the pattern or symbol which is being sampled at that time. The polarity of the signals fed to the exclusive OR gates is selected such that, in the event of a complete match, the output signal of the corresponding gate is a logic 1.
In the event of a less than perfect match, the logical output signal would predominantly be 1, but would be 0 in between. Corresponding low-pass filters 171, 172 and 173 provide output signals of variable amplitude and equal to the mean value of each of the output signals of the corresponding gates, the amplitude thus being a measure of the correspondence of each reference signal with the incoming signal. These analog output signals are fed to threshold sensors 174, 175 and 176. Normally, only one output signal exceeds the threshold value set on potentiometer 164, which can be fixed or variable, which results in a unique single output signal at one of terminals 165, 166, 167, so that pattern 151 is thereby identified.
It can be seen that the pattern identification device described so far is per se a multi-channel change sensor, each channel being very similar to the embodiment according to FIG. The functions of change detection and pattern identification or congruence identification are complementary to one another. Therefore, a device capable of performing such a function can also perform the other function. However, it is advisable to select the polarity of the signals which are fed to the exclusive OR gates in such a way that a logical 1 results in each case of interest, namely in the case of a match in the pattern identification or a change in the change sensor.
The arrangement according to FIG. 10 described so far would also be suitable for identifying a multiplicity of previously stored patterns, provided that each pattern is arranged in the same position as when it was stored. Any misalignment would reduce the degree of correspondence between the sampling signal and the reference signal, and this could result in no output signal appearing if the threshold set on potentiometer 164 is not reached or exceeded. It is thus necessary to achieve precise alignment of the pattern 151 with respect to the scanning pattern of the tube 153, as will be explained below.
While reference signals are being input into the memory 161, the sampling is carried out by the sampling generator 181 by feeding the amplifier 182 for the x-deflection and the amplifier 183 for the y-deflection. The scan generator 181 is synchronized with the memory and with the scan speed signal generator 161 by means not shown. Search generator 184 is inactive and gates 185 and 186 are closed during reference signal storage. During the subsequent pattern scanning, which is used for identification, the logic control unit 180 determines that no output signal is present, specifically with the aid of the NOR function, the search generator 184 being activated, which outputs the normal scanning signals generated by the generator 181 relatively slowly changeable signals superimposed.
This causes the entire scanning pattern to shift according to an arbitrary pattern, for example after an expanding spiral, until a noticeable output signal appears at one of the gates 168, 169, 170, at which point the search generator 184 is switched off and the gates 185, 186 can be opened by the OR function of the logic control unit 180.
Simultaneously, one of the AND gates 177, 178 or 179 is opened, thereby enabling a corresponding reference signal to be fed to the exclusive OR gates 191 and 192 where it is compared with a corresponding instantaneous binary video signal which is at the output of the flip-flop 155 occurs, and is further compared with a double delayed binary video signal which occurs at the output of the flip-flop 155, and further with a double delayed binary video signal which is supplied by the delay device 163.
It can be seen that the exclusive OR gates 191 and 192 are the functional equivalents of the multipliers 171 and 172 according to FIG. 17 of DOS 1 921 841 and that the signals which appear at the inputs of each gate are chronologically in exactly the same relationship are like those signals at the inputs of every amplifier. In addition, the signal at the output of the differential amplifier 193 (Fig. 10) is comparable to the output signal of the differential amplifier 193 of the reference system and fluctuations in the mean value in a similar manner reflect the time differences between corresponding transitions of the reference signal and the single-delayed binary signal.
Furthermore, the signal at the output of the amplifier 193 can be processed exactly in the manner explained for the reference signal in order to generate signals which are misaligned at the output of the filter 196 (for the x-direction) and of the filter 197 (for the y-direction). Optionally, rotational misalignment signals could also be passed through the low pass filter of the output of amplifier 193 and used to correctively rotate the entire scan pattern in a known manner. In general, however, it is sufficient to achieve alignment in the x-direction and in the y-direction by supplying the output signals of the filters 196 and 197 to the amplifiers 182 and 183, respectively, through gates 185, 186, thereby causing correction fields are generated by deflection coils 187 and 188, respectively.
The threshold value sensors 174, 175 and 176 are connected to one another by means (not shown) known per se, specifically in such a way that only one of these can supply a signal to a corresponding AND gate at a specific point in time. If, as a result of a close match between symbols to be recognized (such as 0 and Q, for example) more than one exclusive OR gate 168, 169 or 170 generates an output signal that is above the threshold set by potentiometer 164, a latch occurs the sensors 174, 175 and 176 so that none of the AND gates 177, 178 or 179 is activated, so that the search mode described above exists.
The multiple match is also transmitted via line 198 to the logic control unit 180, which activates the potentiometer 164 in response, so that the threshold value is raised until only one of the exclusive OR gates 168, 169 or 170 provides a signal which is sufficient to activate the corresponding AND gate. When this (normal) condition prevails, gates 185, 186 are activated and alignment proceeds as explained above.