DE10007640A1

DE10007640A1 - Verfahren und Einrichtung zur rekursiven Bearbeitung von Signalfeldern

Info

Publication number: DE10007640A1
Application number: DE10007640A
Authority: DE
Inventors: Karl Hofmann; Willi Platz; Helmut Riedel; Gerald Sobotta; Dieter Wolf
Original assignee: DaimlerChrysler AG
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 2000-02-19
Filing date: 2000-02-19
Publication date: 2001-09-06

Abstract

Es werden Verfahren und eine Einrichtung zur rekursiven Bearbeitung von Signalfeldern, insbesondere bei der Bildverarbeitung mittels eines Systems von Netzwerken, beschrieben, bei dem in einer ersten Verarbeitungsstufe die Signalfelder in ein Netzwerk zur Signalentrauschung eingekoppelt und einem Entrauschungsprozeß unterworfen werden, wobei vorhandene Objekte repräsentierende Signale in dem Signalfeld deutlicher ausgeprägt und vorhandene Objekte nicht repräsentierende Signale in dem Signalfeld unterdrückt werden, in einer zweiten Verarbeitungsstufe in einem Netzwerk zur Schwerpunktbildung der Schwerpunkt der von den Signalfeldern repräsentierenden Objekte gebildet wird, wobei in einer Nachbarschaft des Schwerpunkts befindliche Objekte hervorgehoben und außerhalb der Nachbarschaft des Schwerpunkts befindliche Objekte unterdrückt werden, und in einer dritten Verarbeitungsstufe mittels eines Rückkopplungsnetzwerks die Information über den Schwerpunkt der von den Signalfeldern repräsentierten Objekte zum Eingang des Entrauschungsnetzwerks zurückgekoppelt wird, wobei der Entrauschungsprozeß in der Nachbarschaft des Objektschwerpunkts lokal verstärkt wird.

Description

Die Erfindung betrifft Verfahren und Einrichtung zur rekursiven Bearbeitung von Signalfeldern, insbesondere zur Detektion von Objektschwerpunkten in Signalfeldern.

Die in der Bildverarbeitung häufig auftretende Aufgabe, aus einer Szene den Flächenschwerpunkt von Objekten zu extrahieren, wird heute in den meisten Fällen mit Hilfe von Algorithmen gelöst, die auf leistungsfähigen Digitalrechnern implementiert sind. Dies ist jedoch aufwendig und zeitintensiv. In jüngster Zeit haben sich deshalb Ansätze verstärkt, unterschiedlichste Bildverarbeitungsaufgaben auch durch den Einsatz von Analogschaltungen zu lösen. Aus der Literatur ist bereits ein erster Vorschlag bekannt, wie mittels eines analogen Netzwerkes die Detektion des Flächenschwerpunkts von Objekten realisiert werden kann (D. Standley, "An Object Position and Orientation IC with Embedded Imager", IEEE Journal of Solid State Circuits, Vol. 26, No. 12, 1853-1859, Dec. 1991). Der wesentliche Nachteil dieses vorgeschlagenen Netzwerks besteht jedoch darin, daß es lediglich den gemeinsamen Schwerpunkt aller in einer Szene vorkommenden Objekte liefert, aber keine Einzelobjekte extrahieren kann. Auch lassen sich Störungen und einzelne Objekte nicht unterscheiden und trennen. Die Extraktion des Flächenschwerpunktes für ein einzelnes Objekt innerhalb einer mehrere Objekte enthaltenen Szene wird derzeit von keinem der Ansätze geleistet, bei denen analoge Netzwerke zur Bildverarbeitung verwendet werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Verfahren und Einrichtung zur rekursiven Bearbeitung von Signalfeldern, insbesondere zur Detektion von Objektschwerpunkten in Signalfeldern zu schaffen, welche echtzeitfähig sind und durch analoge Schaltungen verwirklicht werden können.

Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird die gestellte Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zur rekursiven Bearbeitung von Signalfeldern, insbesondere bei der Bildverarbeitung, mittels eines Systems von Netzwerken, bei dem in einer ersten Verarbeitungsstufe die Signalfelder in ein Netzwerk zur Signalentrauschung eingekoppelt und einem Entrauschungsprozeß unterworfen werden, wobei vorhandene Objekte repräsentierende Signale in dem Signalfeld deutlicher ausgeprägt und vorhandene Objekte nicht repräsentierende Signale in dem Signalfeld unterdrückt werden, in einer zweiten Verarbeitungsstufe in einem Netzwerk zur Schwerpunktsbildung der Schwerpunkt der von den Signalfeldern repräsentierten Objekte gebildet wird, wobei in einer Nachbarschaft des Schwerpunkts befindliche Objekte hervorgehoben und außerhalb der Nachbarschaft des Schwerpunkts befindliche Objekte unterdrückt werden, und in einer dritten Verarbeitungsstufe mittels eines Rückkopplungsnetzwerks die Information über den Schwerpunkt der von den Signalfeldern repräsentierten Objekte zum Eingang des Entrauschungsnetzwerks zurückgekoppelt wird, wobei der Entrauschungsprozeß in der Nachbarschaft des Objektschwerpunkts lokal verstärkt wird.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es vorgesehen, daß bei mehreren vom Signalfeld repräsentierten Objekten in der zweiten Verarbeitungsstufe ein globaler Schwerpunkt der Objekte gebildet und über die dritte Verarbeitungsstufe die Information über den globalen Schwerpunkt zur Durchführung des Entrauschungsprozesses in der ersten Verarbeitungsstufe zum Eingang des Entrauschungsnetzwerkes zurückgekoppelt wird, und daß die Verarbeitungsstufen bis zum Erhalten des Schwerpunktes eines von dem Signalfeld repräsentierten einzelnen Objektes rekursiv durchgeführt werden.

Gemäß einer besonders vorteilhaften Weiterbildung hiervon ist es vorgesehen, daß die mehreren vom Signalfeld repräsentierten Objekte ein Hauptobjekt und weitere Objekte enthalten, wobei die rekursive Durchführung der Verarbeitungsstufen zunächst den Schwerpunkt des Hauptobjekts liefert, und daß dann das Hauptobjekt aus dem Signalfeld ausgeblendet wird und die Verarbeitungsstufen neuerlich auf die von dem verbleibenden Signalfeld repräsentierten weiteren Objekte angewendet werden.

Gemäß einem Aspekt der Erfindung ist es vorgesehen, daß das Signalfeld eindimensional ist.

Gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung ist es vorgesehen, daß das Signalfeld zweidimensional ist.

Vorzugsweise ist es vorgesehen, daß der in der ersten Verarbeitungsstufe durchgeführte Entrauschungsprozeß entsprechend der Rekursionsgleichung,

durchgeführt wird, wobei M_i,j Element aus [-1, +1] die kontinuierliche Feldvariable des Signalfeldes mit S OUT|i,j = sign (M_i,j ist, I_x, I_y die Kopplungsparameter in x-Richtung bzw. y- Richtung, H IN|i,j die Eingangsdaten des Signalfeldes und H S|i,j Daten eines zusätzlichen lokalen Schwellenfeldes sind.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es vorgesehen, daß das lokale Schwellenfeld H S|i,j in der Nachbarschaft eines Objektschwerpunktes lokal im Sinne einer Hervorhebung der Objekte und außerhalb dieser Nachbarschaft lokal im Sinne einer Unterdrückung der Objekte verändert wird.

Vorteilhafterweise ist es hierbei vorgesehen, daß die lokale Schwelle in einem Fenster in der Nachbarschaft eines Objektschwerpunkts mit positiven S OUT|i,j-Werten auf H S|i,j = H^F (H^F < 0) und außerhalb des Fensters auf H S|i,j = -H^F gesetzt wird.

Vorteilhafterweise ist es vorgesehen, daß die Nachbarschaft des Objektschwerpunktes durch ein Fenster in Form eines Rechtecks oder Parallelogramms begrenzt wird.

Gemäß einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann es vorgesehen sein, daß die Nachbarschaft des Objektschwerpunktes durch ein doppeltes Fenster definiert wird.

Gemäß einer anderen Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es vorgesehen, daß das lokale Schwellenfeld eine Textur aufweist.

Gemäß einer besonderen Weiterbildung hiervon ist es vorgesehen, daß das lokale Schwellenfeld eine Textur in Form eines Schachbrettmusters aufweist.

Gemäß einer alternativen Weiterbildung hiervon ist es vorgesehen, daß das lokale Schwellenfeld eine Textur in Form eines vertikalen Streifenmusters aufweist.

Gemäß einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es vorgesehen, daß das lokale Schwellenfeld H S|i,j als statisches Feld in Form eines externen Parameterfeldes vorgesehen wird.

Gemäß einer anderen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es vorgesehen, daß das lokale Schwellenfeld H S|i,j als Ausgangsbelegung der Eingangsdaten H IN|i,j des Signalfeldes einer Relaxationsperiode vorgegeben wird.

Gemäß einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es vorgesehen, daß das lokale Schwellenfeld H S|i,j während einer Relaxationsperiode zumindest teilweise dynamisch verändert wird.

Gemäß einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es vorgesehen, daß das lokale Schwellenfeld H S|i,j als direktes oder transformiertes Bild eines Referenzbildes erzeugt wird (ikonische Erzeugung).

Gemäß einer anderen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es vorgesehen, daß das lokale Schwellenfeld H S|i,j aus symbolischen Daten wie Positionen, Belegungsdichten oder Flächenträgheitstensorelementen von Binärbildern erzeugt wird (symbolische Erzeugung).

Gemäß einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das lokale Schwellenfeld H S|i,j als Überlagerung mehrerer unterschiedlich erzeugter ortsabhängiger Schwellenfelder durch Summation, Maximumwertbildung oder durch eine andere kombinierende Operation erzeugt.

Vorzugsweise ist es vorgesehen, daß die Daten des lokalen Schwellenfeldes H S|i,j vor der Verarbeitung mit den Eingabedaten H IN|i,j additiv und/oder multiplikativ kombiniert werden.

Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird die gestellte Aufgabe gelöst durch eine Einrichtung zur rekursiven Bearbeitung von Signalfeldern, insbesondere bei der Bildverarbeitung, enthaltend:
ein Entrauschungsnetzwerk mit einer Vielzahl von Diskriminatorschaltungen, die jeweils einen Eingang zur Aufnahme eines Signals des Signalfeldes und einen Signalausgang aufweisen, wobei die Signalausgänge über Koppelelemente mit vorgegebenem Koppelgrad auf die Eingänge von jeweils benachbarten Diskriminatorschaltungen zurückgekoppelt sind,
ein dem Entrauschungsnetzwerk nachgeschaltetes Steuersignalerzeugungsnetzwerk mit einer Vielzahl von mit den Signalausgängen der in dem Entrauschungsnetzwerk enthaltenen Diskriminatorschaltungen gekoppelten Eingangsknoten, welches von der Größe und Verteilung der an den Eingangsknoten anliegenden, von den Diskriminatorschaltungen gelieferten Ausgangssignalen abhängige Steuersignale erzeugt, und
ein Rückkopplungsnetzwerk zur Erzeugung von ein ortsabhängiges Schwellenfeld repräsentierenden Rückkopplungssignalen und zur Rückkopplung derselben auf die Eingänge der im Entrauschungsnetzwerk enthaltenen Diskriminatorschaltungen in Ansprache auf die von dem Steuersignalerzeugungsnetzwerk abgegebenen Steuersignale.

Gemäß einer Weiterbildung der erfindungsgemäßen Einrichtung ist es vorgesehen, daß die in dem Entrauschungsnetzwerk enthaltenen Diskriminatorschaltungen durch Eingänge zur Aufnahme des Signals des Signalfeldes und des Rückkopplungssignals und Signalausgänge aufweisende Verstärkerschaltungen gebildet sind.

Vorteilhafterweise ist es vorgesehen, daß die in dem Entrauschungsnetz enthaltenen Koppelelemente Stromspiegelschaltungen enthalten.

Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Einrichtung ist es vorgesehen, daß die Verstärkerschaltungen Verstärkerelemente mit tanh-Charakteristik aufweisen.

Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, daß die Eingänge der Verstärkerschaltungen Strom/Spannungs-Wandler zur Aufnahme des Signals des Signalfeldes und des Rückkopplungsignals aufweisen.

Gemäß eitler vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Einrichtung ist es vorgesehen, daß zwischen dem Signalausgang der Diskriminatorschaltungen und den Eingangsknoten des Steuersignalerzeugungsnetzwerk Schwellwertschalter angeordnet sind.

Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Einrichtung ist es vorgesehen, daß das Signalerzeugungsnetzwerk durch ein eine Vielzahl von an den Eingangsknoten miteinander gekoppelten Einzelwiderständen enthaltendes erstes Widerstandsnetzwerk gebildet ist, das an seinen Enden Ausgänge zur Abgabe von aus den an seinen Eingangsknoten anliegenden Signalen abgeleiteten Summensignalen zur Erzeugung der Steuersignale aufweist.

Gemäß einer anderen besonders vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Einrichtung ist es vorgesehen, daß das Rückkopplungsnetzwerk eine Vielzahl von jeweils einen mit den Eingängen der im Entrauschungsnetzwerk enthaltenen Diskriminatorschaltungen gekoppelten Rückkopplungssignalausgang aufweisenden Rückkopplungssignalerzeugungsschaltungen zur Erzeugung der das ortsabhängige Schwellenfeld repräsentierenden Rückkopplungssignale in Ansprache auf die von dem Steuersignalerzeugungsnetzwerk gelieferten Steuersignale enthält.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der zuletzt genannten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Einrichtung ist es vorgesehen, daß die Rückkopplungssignalerzeugungsschaltungen einstellbare Fensterkomparatoren enthalten, die eingangsseitig mit den Knoten eines zweiten Widerstandsnetzwerks verbunden sind, welchem an seinen Enden die von dem Steuersignalerzeugungsnetzwerk gelieferten Steuersignale zugeführt werden, und welche Anschlüsse zur Zuführung von obere und untere Fenstergrenzen repräsentierenden Einstellgrößen aufweisen.

Gemäß einer Variante der erfindungsgemäßen Einrichtung ist es vorgesehen, daß die Entrauschungs-, Steuersignalerzeugungs- und Rückkopplungsnetzwerke eindimensional sind.

Gemäß einer anderen Variante der erfindungsgemäßen Einrichtung ist es vorgesehen, daß die Entrauschungs-, Steuersignalerzeugungs- und Rückkopplungsnetzwerke zweidimensional sind.

Gemäß einer besonders vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Einrichtung sind die in den Entrauschungs-, Singalerzeugungs- und Rückkopplungsnetzwerke enthaltenen Diskriminator-, Steuersignalerzeugungs- und Rückkopplungssignalerzeugungsschaltungen jeweils durch regelmäßig flächenhaft angeordnete Signalverarbeitungsschaltungen mit jeweils einander zugeordneten Eingangs- und Ausgangsknoten gebildet.

Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform der letztgenannten Weiterbildung der erfindungsgemäßen Einrichtung sieht es vor, daß die Entrauschungs-, Steuersignalerzeugungs- und Rückkopplungsnetzwerke jeweils durch einzelne Module in Form von monolithisch integrierten Schaltungen gebildet sind.

Eine andere besonders vorteilhafte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Einrichtung sieht es vor, daß die Entrauschungs-, Steuersignalerzeugungs- und Rückkopplungsnetzwerke durch eine gemeinsame monolithisch integrierte Schaltung gebildet sind.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 ein schematisiertes Blockschaltbild zur Verdeutlichung der Funktionsweise von Verfahren und Einrichtung zur rekursiven Verarbeitung von Signalfeldern gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;

Fig. 2a) + b) schematisierte Darstellungen von als Textur bei der Verarbeitung von Signalfeldern gemäß Ausführungsbeispielen der Erfindung verwendeten Mustern;

Fig. 3 ein auf einige wenige Einzelschaltungen vereinfachtes Schaltbild einer Einrichtung zur rekursiven Verarbeitung von Signalfeldern, welche gemäß einem Ausführungsbeispiel für die Verarbeitung zur Detektion von Objektschwerpunkten eines eindimensionalen Signalfeldes vorgesehen ist;

Fig. 4 in schematisierter Darstellung einen Ausschnitt aus dem in Fig. 3 dargestellten Schaltbild, der eine in einem Rückkopplungsnetzwerk der erfindungsgemäßen Einrichtung enthaltene Widerstandskette zeigt;

Fig. 5a) ein Diagramm zur Darstellung des Spannungsverlaufs über der in Fig. 4 gezeigten Widerstandskette des Rückkopplungsnetzwerks;

Fig. 5b) ein Diagramm eines aus dem in Fig. 5a) gezeigten Spannungsverlauf abgeleiteten ortsabhängigen Schwellenfeldes H S|i,j in dem Rückkopplungsnetzwerk der erfindungsgemäßen Einrichtung;

Fig. 6 ein Blockschaltbild eines zweidimensionalen Entrauschungsnetzwerkes, wie es Bestandteil eines weiteren Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Einrichtung ist;

Fig. 7 eine schematisierte Darstellung der Kopplungen zur Verarbeitung eines zweidimensionalen Signalfeldes mit Rechteck-Pixeln gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;

Fig. 8 eine schematisierte Darstellung von Kopplungen zur Verarbeitung eines zweidimensionalen Signalfeldes in hexagonalen Pixeln gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung; und

Fig. 9 eine schematisierte Darstellung der Kopplungen zur Verarbeitung eines zweidimensionalen Signalfeldes in Dreieck-Pixeln gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Das in Fig. 1 dargestellte schematisierte Blockschaltbild zeigt die Grundzüge von Verfahren und Einrichtung zur rekursiven Verarbeitung von Signalfeldern gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung, womit z. B. in der Bildverarbeitung die Aufgabe realisiert werden kann, aus einer Szene den Flächenschwerpunkt einer Szene zu extrahieren. Obwohl gleichermaßen eindimensionale und zweidimensionale Signalfelder verarbeitet werden können, sollen die Grundzüge der Erfindung zunächst für Verfahren und Einrichtung dargestellt werden, bei welchen zweidimensionale Signalfelder verarbeitet werden. Die zu verarbeitenden Daten des zweidimensionalen Signalfeldes werden in Form von Binärdaten B_xy in Form von Strömen in ein Entrauschungsnetzwerk 10 eingespeist. Das Entrauschungsnetzwerk 10 basiert bei dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel auf einer rechteckigen Gitteranordnung mit einer Vielzahl von Diskriminatorelementen oder Diskriminatorschaltungen, die jeweils einen Eingang zur Aufnahme eines Signals des Signalfeldes und einen Signalausgang aufweisen und über Koppelelemente mit benachbarten Diskriminatorelementen rückgekoppelt sind und die an den Daten der eingelesenen Signalfelder einen Entrauschungsprozeß in der Weise leisten, daß vorhandene Objekte repräsentierende Signale in dem Signalfeld deutlicher ausgeprägt und vorhandene Objekte nicht repräsentierende Signale in dem Signalfeld unterdrückt werden. Sowohl der Aufbau des Entrauschungsnetzwerks 10 als auch der Entrauschungsprozeß werden später noch im einzelnen erläutert werden.

Von dem Entrauschungsnetzwerk 10 werden dem entrauschten Signalfeld entsprechende binäre Signalwerte I_xy ebenfalls in Form von eingeprägten Strömen einem dem Entrauschungsnetzwerk 10 nachgeschalteten Steuersignalerzeugungsnetzwerk 20 zugeführt, welches auch als Netzwerk zur Schwerpunktsbildung bezeichnet werden kann und eine Vielzahl von mit Signalausgängen der in dem Entrauschungsnetzwerk 10 enthaltenen Diskriminatorelementen gekoppelten Eingangsknoten aufweist. Das Signalerzeugungsnetzwerk 20 weist hier wiederum eine rechteckige Gitterstruktur auf und enthält ein eine Vielzahl von an den vorher genannten Eingangsknoten miteinander gekoppelten Einzelwiderständen umfassendes erstes Widerstandsnetzwerk. Dieses Widerstandsnetzwerk weist an seinen Enden, d. h. in dem hier dargestellten Fall, wo es sich um ein rechteckförmiges Widerstandsnetzwerk handelt, an seinen Ecken, Ausgänge zur Abgabe von aus den an den Eingangsknoten des Netzwerks anliegenden Signalen abgeleiteten Summensignalen in Form von vier Eckströmen I_TL, I_BL, I_TR Und I_BR auf. Aus diesen Summensignalen werden dann in Fig. 1 nicht im einzelnen dargestellte Steuersignale erzeugt. In dem Signalerzeugernetzwerk 20 wird in einer zweiten Verarbeitungsstufe des erfindungsgemäßen Verfahrens der Schwerpunkt der von den Signalfeldern repräsentierten Objekte, so wie sie von dem Entrauschungsnetzwerk 10 an das Signalerzeugungsnetzwerk 20 übermittelt worden sind, gebildet, wobei in einer Nachbarschaft des Schwerpunkts befindliche Objekte hervorgehoben und außerhalb der Nachbarschaft des Schwerpunkt befindliche Objekte unterdrückt werden.

Die von dem Signalerzeugungsnetzwerk 20 abgegebenen, der Bildung der Steuersignale entsprechenden Eckströme I_TL, I_BL, I_TR und I_BR werden einem Rückkopplungsnetzwerk 30 zugeführt, welches hier ebenfalls als rechteckiges Gitternetzwerk aufgebaut ist und eine Vielzahl von Rückkopplungsignalerzeugungselementen oder Rückkopplungsignalerzeugungschaltungen umfaßt, die jeweils einen mit den Eingängen der in dem Entrauschungsnetzwerk 10 enthaltenen Diskriminatorelemente gekoppelten Signalausgang aufweisen und in einer dritten Verarbeitungsstufe des erfindungsgemäßen Verfahrens eine Information über den Schwerpunkt der von den Signalfeldern repräsentierten Objekte zum Eingang des Entrauschungsnetzwerks zurückkoppelt, so daß der Entrauschungsprozeß in der Nachbarschaft des Objektschwerpunkts lokal verstärkt wird. Die Rückkopplung der Information über den Objektschwerpunkt erfolgt wiederum in Form von eingeprägten Strömen, welche in Fig. 1 mit B_x und B_y bezeichnet sind.

Das Rückkopplungsnetzwerk 30 ist von entscheidender Bedeutung für die Leistungsfähigkeit des beschriebenen Gesamtsystems, es verwertet die Information über den gefundenen Schwerpunkt der in dem Signalfeld enthaltenen Objekte und macht diese durch Rückführung zu den Eingangsknoten des Entrauschungsnetzwerks 10 für dasselbe verfügbar zur lokalen Verstärkung des Entrauschungsprozesses an den Daten des Signalfeldes.

Die Einkopplung der Eingangsdaten B_xy des Signalfeldes in das System kann z. B. seriell mittels Schieberegistern oder Multiplexern oder parallel durch Kontaktierung der Signalquellen in jedem Eingangsknoten des Entrauschungsnetzwerks 10 erfolgen.

Als Schaltungselemente in den einzelnen Netzwerken 10, 20, 30 werden vorzugsweise analoge Schaltungselemente verwendet, welche eine Verarbeitung des Signalfeldes in Echtzeit zulassen.

Damit ist innerhalb einer sehr kurzen Relaxationszeit ein rekursiver Prozeß möglich, bei welchem die das eingegebene Signalfeld repräsentierenden Daten einer Signalentrauschung und einer Bearbeitung eines oder mehrerer in dem Signalfeld vorhandener Objekte unterzogen wird: in der ersten Verarbeitungsstufe werden durch das Signalfeld repräsentierte Objekte deutlicher ausgeprägt und Rauschsignale unterdrückt, in der zweiten Verarbeitungsstufe wird der Flächenschwerpunkt des von dem Signalfeld repräsentierten Objekts, oder bei Vorhandensein von mehreren Objekten aller von dem Signalfeld repräsentierten Objekte, gebildet, wobei auch Störungen darin enthalten sein können, und in der dritten Verarbeitungsstufe in der Nachbarschaft der geschätzten Schwerpunktposition der Objekte deren Hervorhebung gefördert und außerhalb dieser Nachbarschaft Störungen und eventuell weitere Objekt unterdrückt. Durch die Rückkopplung der so erhaltenen Information auf den Eingang des Entrauschungsnetzwerks werden die bearbeiteten Daten des Signalfeldes kontinuierlich zu einer verbesserten Schwerpunktschätzung weiterverwendet und kontinuierlich entstört. Der Übergang von der Findung des globalen Flächenschwerpunkts zum Schwerpunkt einzelner Objekte erfolgt durch Ausblendung des dichtesten Objekts und nachfolgender neuerlicher Anwendung der Verarbeitungsschritte auf die das Restbild repräsentierenden Daten des Signalfeldes.

Im folgenden sollen die Grundlagen des angewandten Signalverarbeitungsverfahrens näher beschrieben werden.

Aus der DE 195 32 011 A1 ist ein Netzwerk zur Beeinflussung von Signalfeldern bekannt, welches als rückgekoppeltes Verstärkernetzwerk aufgebaut ist, so daß die Ausgangswerte der einzelnen Verstärkerelemente auf die Eingänge jeweils benachbarter Verstärkerelemente zurückgekoppelt werden. Damit läßt sich ein eindimensionaler oder zweidimensionaler Entrauschungsprozeß realisieren.

Der kontinuierliche Prozeß zur verbesserten Entrauschung der die Objekte repräsentierenden Signalfelder läßt sich durch die folgende Rekursionsgleichung darstellen:

wobei M_i,j aus [-1, +1] die kontinuierliche Feldvariable des Signalfeldes mit S OUT|i,j = sign (M_i,j) ist, I_x, I_y die Kopplungsparameter in x-Richtung bzw. y-Richtung, H IN|i,j die Eingangsdaten des Signalfeldes und H S|i,j Daten eines zusätzlichen lokalen Schwellenfeldes sind.

Die Diskretisierung der lokalen Feldvariable M_i,j wird durch die zusätzliche lokale Schwelle H S|i,j gesteuert, so daß in Bereichen mit H S|i,j < 0 eine Verschiebung zu positiven Werten S OUT|i,j gefördert wird, während H S|i,j < 0 eine entsprechende Verschiebung zu negativen Werten gefördert wird.

Das ortsabhängige Schwellenfeld H S|i,j wird somit in der Nachbarschaft eines geschätzten Schwerpunkts von durch das Signalfeld repräsentierten Objekten positiv gewählt, so daß ein Cluster positiver S OUT|i,j-Werte hervorgehoben wird. Das Profil von H S|i,j kann anwendungsspezifisch optimiert werden, wobei im einfachsten Fall ein Fenster gesetzt wird, innerhalb dessen H S|i,j = H^F (mit H^F < 0) und außerhalb des Fensters H S|i,j = -H^F gewählt wird. Die Form des Fensters, die anwendungsspezifisch unter Anpassung an die Formstruktur der zu detektierenden Objekte angepaßt wird, kann in Form eines einhüllenden Rechtecks oder Parallelogramms gestaltet sein. Die Abmessungen des Fensters können während des kontinuierlich verbesserten Entrauschungsprozesses gemäß einer aktuellen Schätzung der zu erwartenden Formstruktur des zu detektierenden Objektes verändert werden. Bestimmte Arten von Objekten können in Binärkarten auch nicht immer als einzelne Cluster erkennbar sein, sondern beispielsweise als Doppel- Cluster, z. B. für den Anfang und das Ende eines ausgerichteten Objekts, so daß in solchen Fällen für die Struktur von H S|i,j die Form eines doppelten Fensters gewählt wird.

Neben den oben beschriebenen einfachen Fensterfunktionen kann das ortsabhängige Schwellenfeld H S|i,j auch zum Hervorheben von Texturen verwendet werden. Wie Fig. 2a) zeigt, kann beispielsweise ein Schachbrettmuster als Textur verwendet werden, wobei

Dieser Hervorhebungsprozeß läßt sich zusätzlich unterstützen, indem in Gleichung (1) die Parameter I_x < 0 und I_y < 0 gewählt werden. Damit wird die Detektion von schachbrettartigen Mustern erleichtert und verbessert. Eine Parameterwahl I_x < 0 und I_y < 0 unterstützt dagegen vertikale Streifenmuster in Form einer Texturierung, wie sie in Fig. 2b) gezeigt ist. Dabei ist es ohne Belang, ob die Streifen in der Reihenfolge hell/dunkel oder dunkel/hell vorliegen. In Gleichung (2) besteht für H S|j in einem solchen Fall nur noch eine Abhängigkeit vom Laufindex j mit _j = 1, 3, 5, . . . Durch geeignete Wahl des Schwellenfeldes lassen sich auch andere Texturen mit vielfältiger Periodizität der hell/ dunkel- oder dunkel/hell-Kontraste hervorheben.

Das ortsabhängige Schwellenfeld H S|i,j läßt sich auf unterschiedliche Art und Weise erzeugen und nutzen. Es kommen die folgenden Möglichkeiten in Betracht:

- Eingabe von H S|i,j als statisches Feld in Form eines externen Parameterfeldes, z. B. von einer Rechnereinheit oder aus einem Speicher. Hierdurch wirkt H S|i,j wie eine statische Maske.
- Eingabe von H S|i,j als Anfangsbelegung des Signalfeldes in einer Relaxationsperiode.
- Interne dynamische Veränderung von H S|i,j während einer Relaxationsperiode (teilweise oder auch vollständig).

Verfahrensmäßig lassen sich im wesentlichen drei Erzeugungstypen für das ortsabhängige Schwellenfeld H S|i,j unterscheiden:

- Erzeugung des lokalen Schwellenfeldes H S|i,j als direktes oder transformiertes Bild eines Referenzbildes (ikonische Erzeugung).
- Erzeugung des lokalen Schwellenfeldes H S|i,j aus symbolischen Daten wie Positionen, Belegungsdichten oder Flächenträgheitstensorelementen von Binärbildern (symbolische Erzeugung).
- Erzeugung des lokalen Schwellenfeldes H S|i,j als Überlagerung mehrerer unterschiedlich erzeugter ortsabhängiger Schwellenfelder durch Summation, Maximumwertbildung oder durch eine andere kombinierende Operation.

Da insbesondere solche Feldanteile H S|i,j, die innerhalb einer Relaxationsperiode nicht verändert werden, sich technisch von den Eingabedaten des Signalfeldes nicht unterscheiden lassen, ist vor der Verarbeitung eine Fusionierung derartiger Feldanteile mit den Signalfeldeingabedaten erforderlich, z. B. im Pixeltaktschema digital oder analog-seriell mit additiver und/oder multiplikativer Fusionierung.

Anhand der Fig. 3 soll nun ein Ausführungsbeispiel erläutert werden, das der Schwerpunktfindung von Objekten in eindimensionalen Signalfeldern dient. In Anlehnung an die blockschematische Darstellung in Fig. 1 ist in Fig. 3 mit dem Bezugszeichen 10 eine als Entrauschungsnetzwerk fungierende Schaltungsanordnung bezeichnet, Bezugszeichen 20 zeichnet ein Widerstandsnetzwerk, das der Steuersignalerzeugung bzw. Schwerpunktsbildung dient, Bezugszeichen 30 bedeutet ein Rückkopplungsnetzwerk.

Das Entrauschungsnetzwerk 10 enthält eine Vielzahl von Diskriminatorschaltungen 11, von denen in Fig. 3 lediglich fünf dargestellt sind, denen die Laufindizes i - 2, i - 1, i, i + 1, i + 2 zugeordnet sind. Die Diskriminatorschaltungen 11 verfügen jeweils über einen Eingang I IN|i . . . zur Aufnahme eines Signals des Signalfeldes und über einen Signalausgang I MF|i. . . Jede der Verstärkerschaltungen 11 enthält einen Transkonduktanzverstärker 12 mit tanh- Charakteristik, dessen Eingängen einerseits über einen Strom/Spannungs-Wandler 13 ein dem eingeprägten Eingangsstrom I IN|i entsprechendes Spannungssignal und andererseits über einen Strom/Spannungs-Wandler 14 ein einem einstellbaren Schwellwertstrom I^S entsprechendes Spannungssignal zugeführt wird. Der Ausgang des Verstärkers 11 ist mit einer Stromspiegelschaltung 15 verbunden, über welche das Ausgangssignal I MF|i identisch abgebildet über Koppelelemente 17, 18 den Eingängen der jeweils benachbarten Diskriminatorschaltungen 11 rückgekoppelt wird. Somit wird dem Eingangssignal einer jeden Diskriminatorschaltung 11 zusätzlich zu dem eigenen Eingangssignal I IN|i über die Koppelelemente 17, 18 ein Anteil des Ausgangsstroms I MF|-1 bzw. I MF|i+1 der benachbarten Verstärkerschaltungen überlagert. Der Kopplungsgrad K der Koppelelemente 17, 18, der den Teil des rückgekoppelten Stromes wiedergibt, ist dabei frei einstellbar. Durch die Verwendung der Stromspiegelschaltungen 15 wird vermieden, daß der Eingangsstrom I MF|i der i-ten Diskriminatorschaltung 11 zu einer Verfälschung des Ausgangsstroms I MF|i-1 bzw. I MF|i+1 der benachbarten Diskriminatorschaltungen führt, von weichen die Rückkopplung erfolgt.

Die Differenz der jeweiligen überlagerten Eingangssignale bezüglich der einstellbaren Stromschwelle I^S wird in den Verstärkern 11 verstärkt. Aufgrund der Verwendung von Transkonduktanz-Verstärkern mit tanh-Charakteristik hat die Verstärkercharakteristik dabei einen linearen Bereich, der mit zunehmender Differenz der beiden Signaleingänge in einem Sättigungsbereich des Ausgangssignals übergeht. Alternativ zu einem Transkonduktanz-Verstärker können jedoch auch andere Verstärker verwendet werden, welche eine signalbegrenzende Funktion bei größeren Differenzen der Eingangssignale aufweisen.

Dem Ausgang eines jeden der signalbegrenzenden Verstärker 11 ist ein Diskretisierer bzw. Schwellwertschalter 16 mit einstellbarer Schaltschwelle angeschlossen, mit dessen Hilfe sich die wertkontinuierlichen Ausgangssignale I MF|i in diskrete (binäre) Stromwerte I^D _i umwandeln lassen.

Der Entrauschungsvorgang in dem soweit beschriebenen Entrauschungsnetzwerk 10 erfolgt in der Weise, daß durch die Rückkopplung der Ausgangssignale I MF|i einer Diskriminatorschaltung 11 auf die Eingangssignale I IN|i benachbarter Diskriminatorschaltungen 11 über die Stromspielgelschaltungen 15 und die Koppel elemente 17, 18 eine Hervorhebung von vorhandene Objekte repräsentierenden Signalen in dem Signalfeld und eine Unterdrückung von vorhandene Objekte nicht repräsentierenden Signalen in dem Signalfeld stattfindet. Dabei findet die Entrauschung sowohl für systematische wie auch für statistische Fehler statt.

Das insgesamt mit dem Bezugszeichen 20 bezeichnete Steuersignalerzeugungsnetzwerk enthält eine Vielzahl von ein erstes Widerstandsnetzwerk 24 bildenden Einzelwiderständen 22, die in Serie geschaltet sind über Eingangsknoten, denen die von den Schwellwertschaltern 16 der Diskriminatorschaltungen 11 abgegebenen diskretisierten Ausgangsströme I D|i zugeführt werden. Die Enden des durch die Einzelwiderstände 22 gebildeten ersten Widerstandsnetzwerks 24 geben Summenströme I_R und I_L ab, welche einer in dem Steuersignalerzeugungsnetzwerk 20 enthaltenen Steuereinheit 23 zugeführt werden. Die Summensignale I_R, I_L enthalten eine Information über die Größe und Verteilung der an den Eingangsknoten zwischen den Einzelwiderständen 22 anliegenden von den Diskriminatorschaltungen 11 gelieferten Ausgangssignale I D|i, welche in der Steuereinheit 20 zu Steuersignalen V(0), V(n - 1) verarbeitet werden. Der Steuereinheit 23 werden weiterhin Signale S, V_offs und V_win zugeführt, deren Bedeutung nachfolgend im Zusammenhang mit dem Rückkopplungsnetzwerk 30 näher erläutert wird.

Das insgesamt mit dem Bezugszeichen 30 versehene Rückkopplungsnetzwerk dient der Erzeugung von das ortsabhängige lokale Schwellenfeld H S|i,j repräsentierenden Rückkopplungssignalen und zur Rückkopplung derselben auf die Eingänge der im Entrauschungsnetzwerk 10 enthaltenen Diskriminatorschaltungen 11 in Ansprache auf die von dem Steuersignalerzeugungsnetzwerk 20 abgegebenen Steuersignale V(0), V(n - 1) und enthält eine Vielzahl von Rückkopplungssignalerzeugungsschaltungen 31, die durch eingangsseitig mit den Knoten eines aus Einzelwiderständen 33 bestehenden zweiten Widerstandsnetzwerks 34 verbundene einstellbare Fensterkomparatoren 32 gebildet sind und jeweils mit den Eingängen I IN|i der im Entrauschungsnetzwerk 10 enthaltenen Diskriminatorschaltungen 11 gekoppelte Rückkopplungssignalausgänge aufweisen. Den Enden des aus den Einzelwiderständen 33 gebildeten zweiten Widerstandsnetzwerks 34 werden die von der Steuereinheit 23 des Steuersignalerzeugungsnetzwerks 20 gelieferten Steuersignale V(0), V(n - 1) in Form von eingeprägten Spannungen zugeführt. Der Verlauf dieser eingeprägten Spannungen über den Einzelwiderständen 33 des zweiten Widerstandsnetzwerks 34 liefert ortsabhängige Spannungen an den Knoten zwischen den Einzelwiderständen 33, welche den Eingängen der einstellbaren Fensterkomparatoren 32 zugeführt werden. Obere und untere Fenstergrenzen der Fensterkomparatoren 32 repräsentierende Einstellgrößen sind die von der Steuereinheit 23 abgeleiteten Einstellspannungen V_offs und V_win. Durch die Fensterkomparatoren 32 erfolgt die Auswahl eines bestimmten Bereichs innerhalb des Signalfeldes entsprechend den an den Knoten des zweiten Widerstandsnetzwerks 34 anliegenden Spannungen. Liegt die jeweilige Knotenspannung innerhalb des an den einstellbaren Fensterkomparatoren 32 gesetzten Spannungsfensters, so wird an den Ausgängen derselben ein positives Stromsignal I A|i als Element des Schwellenfeldes H S|i,j bereitgestellt und zu den Eingängen I IN|i der in dem Entrauschungsnetzwerk 10 enthaltenen Diskriminatorschaltungen 11 zurückgeführt. Wenn die Spannung an den Knoten des zweiten Widerstandsnetzwerk 34 außerhalb des genannten Spannungsfensters liegt, ist das Vorzeichen der Ausgangsspannung I A|i der Fensterkomparatoren 32 negativ. Auf diese Weise läßt sich ein Schwellenfeld H S|i,j gewinnen, dessen Lage und Ausdehnung im Signalfeld durch die Spannungen ah den Enden des zweiten Widerstandsnetzwerks 34 und durch die oberen und unteren Fenstergrenzen der einstellbaren Fensterkomparatoren 32 bestimmt sind. Die Spannungen an den Enden des zweiten Widerstandsnetzwerks 34 werden durch die von dem Steuersignalerzeugungsnetzwerk 20 erhaltenen Steuersignale V(0), V(n - 1) bezüglich der festgestellten Schwerpunktsposition bestimmt. Die Größe der Komparatorfenster ist frei wählbar.

Die von den Ausgängen der in dem Rückkopplungsnetzwerk 30 enthaltenen Fensterkomparatoren 32 zu den Eingängen der in dem Entrauschungsnetzwerk 10 enthaltenen Diskriminatorschaltungen 11 zurückgekoppelten Ausgangsströme I A|i bewirken eine lokale Verstärkung des Entrauschungsprozesses innerhalb des durch das lokale Schwellenfeld H S|i,j bestimmten Bereichs. Bezugnehmend auf die Fig. 4, 5a) und 5b) soll die Erzeugung der von dem Rückkopplungsnetzwerk 30 gelieferten Rückkopplungssignale I A|i näher erläutert werden. Das in Fig. 4 gezeigte Widerstandsnetzwerk, das dem Widerstandsnetzwerk 34 in Fig. 3 entspricht, umfaßt eine Anzahl von n Knoten, deren Zählung von 0 bis n - 1 läuft. Jeder Knoten des Netzwerks ist mit einem Fensterkomparator 32 verbunden. An den Enden liegen die Spannungen V(0) und V(n - 1) an. Die Anzahl der Einzelwiderstände 33 beträgt n - 1. Der Spannungsverlauf über einem solchen Netzwerk mit 10 Knoten (0. . .9) ist in Fig. 5a) gezeigt. Wie ersichtlich ist, liegt das Komparatorfenster der Fensterkomparatoren 32 mit einer Spannungsweite V_win symmetrisch um einen Offsetwert V_offs. Damit ergeben die Ausgangssignale der Fensterkomparatoren 32 nach Normierung ein ortsabhängiges Signalfeld H S|i,j mit einem Verlauf, der in Fig. 5b) dargestellt ist.

Der lineare Spannungsverlauf über dem Widerstandsnetzwerk 34 genügt bei hinreichend hohem Diskretisierungsgrad folgender Beziehung (x-Achsenrichtung):

V(x) = Sx + V(0) (5)

Die Steigung S dieser Geraden ermittelt sich aus den Spannungen an den Enden des Widerstandsnetzwerkes.

Zwischen der Offsetspannung V_offs und der Schwerpunktkoordinate x_S besteht folgende Beziehung:

Die Anzahl der Pixel n_pix, die innerhalb eines Spannungsfensters der Weite V_win erfaßt werden, ermittelt sich aus der Geradensteigung S und der Fensterweite V_win.

Somit ergeben sich die Spannungen an den beiden Enden des Netzwerks zu folgenden Werten:

V(0) = V_offs - Sx_S (9)

V(n - 1) = V(0) + S(n - 1) (10)

Die Lösungen für V(0) und V(n - 1) können z. B. mittels eines digitalen Signalprozessors berechnet werden. Alternativ dazu kann hierfür vorzugsweise auch eine analoge Signalverarbeitung eingesetzt werden, für welche lediglich die Funktionen "Addition" und "Verstärkung" erforderlich sind. Eine solche analoge Lösung der Gleichungen (9) und (10) bietet darüber hinaus den Vorteil der Echtzeitfähigkeit. Als Lösungsmöglichkeiten kommen sowohl die Verarbeitung von Spannungssignalen wie auch die Verarbeitung von entsprechend transformierten Stromsignalen in Betracht.

In der Anwendung des Netzwerkes für die Schwerpunktfindung von Clustern lassen sich nun verschiedene zeitabhängige Prozesse ausnutzen. Wird das gesamte beschriebene System als integrierte Schaltung unter Verwendung einer modernen Halbleiter-Prozeß technologie ausgeführt, so wird der Entrauschungsprozeß innerhalb einer sehr kurzen Relaxationszeit im Bereich von µs ablaufen. Gleiches gilt auch für die Relaxationszeit des Widerstandsnetzwerkes zur Ermittlung des globalen Schwerpunktes und für die Ausbildung des Schwellenfeldes aus dem Rückkopplungsnetzwerk.

Durch eine zeitliche Veränderung der Geradensteigung S beginnend von einem sehr kleinen Wert S_min bis hin zu einem Maximalwert S_max, läßt sich das ortsabhängige Schwellenfeld H S|i,j gemäß Fig. 5a) und Fig. 5b) bei gegebenen Werten für V_win und V_offs auch zeitlich steuern, so daß von einem Schwellenfeld mit großer Ausdehnung auf ein Schwellenfeld kleiner Ausdehnung übergegangen werden kann. Die Zeitabhängigkeit der Geradensteigung kann dabei für beide Koordinatenrichtungen durchaus verschieden sein. Damit läßt sich ein Schwellenfeld mit einstellbaren initialen Abmessungen, das in einem Signalfeld um den globalen Schwerpunkt von mehreren Clustern zentriert ist, innerhalb einer ebenfalls einstellbaren Zeitspanne so weit einengen, bis nur noch eine Mindestgröße der Feldausdehnung besteht. Die Mindestgröße läßt sich ebenfalls in beiden Achsenrichtungen frei wählen. Infolge der so erzeugten Rückkopplung auf den zeitgleich ablaufenden kontinuierlichen Entrauschungsprozeß wird sich bei einer derartigen Einengung die Lage des Schwerpunktes so lange kontinuierlich in Richtung des dichtesten Clusters verschieben, bis der Schwerpunkt schließlich die Position des dichtesten Clusters kennzeichnet. Als Randbedingung gilt jedoch, daß die zeitliche Veränderung der Geradensteigung langsamer gewählt werden muß als der Relaxationsprozeß der Entrauschung abläuft.

Gleichermaßen kann bei konstant gehaltener Geradensteigung S und bei konstantem Wert für V_offs auch die Höhe des Komparatorfensters zeitlich verändert werden. Durch Verringerung der Fensterhöhe V_win läßt sich das Schwellenfeld H S|i,j ebenfalls in seinen Ausdehnungen verkleinern. Für beide Achsenrichtungen können dabei unterschiedliche Zeitkonstanten verwendet werden. Auch bei einem solchen Vorgehen muß die zeitliche Veränderung langsamer als die Relaxationszeit des Entrauschungsprozesses sein.

Als weitere Möglichkeit zur Veränderung des Schwellenfeldes kommt bei konstanten Werten für S und V_win auch eine zeitliche Variation der Offsetgröße V_offs in Betracht. Auch hier können die Parameter für beide Achsenrichtungen unterschiedlich sein. Eine derartige Maßnahme ermöglicht zwar innerhalb des Signalfeldes eine Verschiebung des Schwellenfeldes, welches in seinen Abmessungen durch die Wahl von S und V_win definiert ist, läßt jedoch keine Veränderung der Felddimensionen zu.

Schließlich kann das Schwellenfeld H S|i,j auch durch verschiedene Kombination der zeitlichen Veränderung von Geradensteigung S, Offsetspannung V_offs und Fensterhöhe V_win beeinflußt werden. Auch bei einer derartigen Vorgehensweise sind die Bereits angeführten Zeitbedingungen einzuhalten. Die Veränderungen können für beide Achsenrichtungen unterschiedlich gewählt sein.

Bei dem anhand der Fig. 3, 4 und 5a) und b) beschriebenen Ausführungsbeispiel sind die Entrauschungs-, Steuersignalerzeugungs- und Rückkopplungsnetzwerke 10, 20, 30 eindimensional angeordnet. Alternativ und vorzugsweise sind solche Netzwerke jedoch zweidimensional ausgebildet, wobei die vorstehend erläuterten Grundprinzipien der Signalverarbeitung in den Netzwerken sinngemäß auf ein zweite Dimension zu erweitern sind. Für ein Signalfeld mit n Zeilen und n Spalten bedeutet das für die Schwerpunktkoordinaten:

Damit wird das ortsabhängige lokale Schwellenfeld für einen rechteckigen Bereich innerhalb eines zweidimensionalen Signalfeldes erzeugt. Die Widerstandsnetzwerke 24 und 34 in dem Steuersignalerzeugungsnetzwerk 20 bzw. in dem Rückkopplungsnetzwerk 30 sind damit zweidimensionale Netzwerke, ebenso wie das Entrauschungsnetzwerk 10 ein zweidimensionales Netzwerk ist.

Fig. 6 zeigt die Erweiterung des in Fig. 3 gezeigten Entrauschungsnetzwerks 10 auf ein zweidimensionales Netzwerk. Für jede Diskriminatorschaltung 11 finden die gleichen Schaltungselemente in Form von Verstärkern, Strom/Spannungs-Wandlern und Stromspielgelschaltungen sowie Schwellwertschaltern Anwendung, lediglich die Zahl der Koppelelemente verdoppelt sich auf Koppelelemente K_x und K_y entsprechend der verdoppelten Anzahl von Dimensionen. Die Koppelelemente K_x und K_y können in der dargestellten Topologie regelmäßig angeordnet sein, so daß durch einen hohen Symmetriegrad der Schaltung eine kompakte Bauweise erzielt wird. Durch monolithische Integration einer derartigen Schaltung ist somit die Verarbeitung von komplexen zweidimensionalen Signalfeldern möglich.

Für die Verarbeitung eines zweidimensionalen Signalfeldes ist erforderlich, daß die Rückführung des Schwellenfeldes aus dem Rückkopplungsnetzwerk 30 auf das Entrauschungsnetzwerk 10 über ein zusätzliches Logikgatter für jeden Eingangsknoten mit einer UND-Funktion erfolgt, durch welche sicher gestellt wird, daß das Schwellenfeld einen Rechteckbereich umfaßt und nicht einen ganzen horizontalen oder vertikalen Streifen des Signalfeldes überdeckt.

Zweidimensionale Signalfelder können mit Hilfe von unterschiedlichen Gittern verarbeitet werden. Das in Fig. 6 gezeigte zweidimensionale Entrauschungsnetzwerk gestattet die Entrauschung eines zweidimensionalen Signalfeldes eines rechteckigen Gitters, wie es in Fig. 7 dargestellt ist. Hiermit kann beispielsweise das Signalfeld mit Bilddaten eines zeilen- und spaltenförmig aufgebauten Bildaufnehmers verarbeitet werden. Wird die beschriebene Signalkopplung zur Bildentrauschung nach dem Prinzip der "nächsten Nachbarn" ausgeführt, so bilden in einem solchen orthogonalen Rechteck-Gitter die Koppelelemente entsprechend Fig. 7 ebenfalls ein Rechteck-Gitter. Für weitergehende Anwendungen können dagegen auch Kopplungen verwendet werden, die eine Verknüpfung von "übernächsten Nachbarn" herstellen. Zusätzlich können über Multiplexer-Schaltungen die Kopplungen auch nach vorgegebenen Mustern dynamisch veränderbar gestaltet werden.

Zwei weitere zweidimensionale Gitteranordnungen sind in den Fig. 8 und 9 dargestellt. In diesen Figuren sind die Koppelelemente, die von einem Gitterpunkt zu den jeweiligen Nachbarn führen und diejenigen, die von den Nachbarn Signale zurückkoppeln, in jeweils einem einzigen Symbol zusammengefaßt. So zeigt Fig. 8 eine hexagonale Struktur, bei der die Koppelelemente auf einem Dreiecksgitter liegen. Bei der in Fig. 9 gezeigten dreieckförmigen Struktur ergibt sich für die Anordnung der Koppelelemente ebenfalls ein Dreiecksgitter.

Analog zur Verarbeitung von Stromsignalen können die beschriebenen Schaltungen mit Hilfe einer geeigneten Transformation auch für die Verarbeitung von Eingangsdaten in Form von Spannungssignalen ausgelegt werden. Die gesteuerten Stromquellen können in diesem Fall als gesteuerte Spannungsquellen verschaltet sein. Die Ausführungsform der Gesamtschaltung wird sich nach den Herstellungstechnologien orientieren, im Falle einer Realisierung mit CMOS-Technologie bietet die Verwendung von Stromsignalen Vorteile.

Vorzugsweise sind die in den Entrauschungs-, Steuersignalerzeugungs- und Rückkopplungsnetzwerken 10, 20, 30 enthaltenen Diskriminator-, Steuersignalerzeugungs- und Rückkopplungssignalerzeugungsschaltungen 11, 21, 31 jeweils durch regelmäßig flächenhaft angeordnete Signalverarbeitungsschaltungen mit jeweils einander zugeordneten Eingangs- und Ausgangsknoten gebildet.

Die Entrauschungs-, Steuersignalerzeugungs- und Rückkopplungsnetzwerke 10, 20, 30 können durch einzelne Module in Form von monolithisch integrierten Schaltungen gebildet sein, alternativ und vorzugsweise können die Netzwerke durch eine gemeinsame monolitisch integrierte Schaltung gebildet sein.

Bezugszeichenliste

10

Entrauschungsnetzwerk

11

Diskriminatorschaltung

12

Verstärker

13

Strom/Spannungs-Wandler

14

Strom/Spannungs-Wandler

15

Stromspiegelschaltung

16

Schwellwertschalter

17

Koppelelement

18

Koppelelement

19

20

Steuersignalerzeugungsnetzwerk

21

Steuersignalerzeugungsschaltung

22

Einzelwiderstand

23

Steuereinheit

24

erstes Widerstandsnetzwerk

25

26

27

28

29

30

Rückkopplungsnetzwerk

31

Rückkopplungssignalerzeugungsschaltung

32

Fensterkomparator

33

Einzelwiderstände

34

zweites Widerstandsnetzwerk

Claims

1. Verfahren zur rekursiven Bearbeitung von Signalfeldern, insbesondere bei der Bildverarbeitung, mittels eines Systems von Netzwerken, bei dem
in einer ersten Verarbeitungsstufe die Signalfelder in ein Netzwerk zur Signalentrauschung eingekoppelt und einem Entrauschungsprozeß unterworfen werden, wobei vorhandene Objekte repräsentierende Signale in dem Signalfeld deutlicher ausgeprägt und vorhandene Objekte nicht repräsentierende Signale in dem Signalfeld unterdrückt werden,
in einer zweiten Verarbeitungsstufe in einem Netzwerk zur Schwerpunktsbildung der Schwerpunkt der von den Signalfeldern repräsentierten Objekte gebildet wird, wobei in einer Nachbarschaft des Schwerpunkts befindliche Objekte hervorgehoben und außerhalb der Nachbarschaft des Schwerpunkts befindliche Objekte unterdrückt werden, und
in einer dritten Verarbeitungsstufe mittels eines Rückkopplungsnetzwerks die Information über den Schwerpunkt der von den Signalfeldern repräsentierten Objekte zum Eingang des Entrauschungsnetzwerks zurückgekoppelt wird, wobei der Entrauschungsprozeß in einer Nachbarschaft des Objektschwerpunkts lokal verstärkt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei mehreren vom Signalfeld repräsentierten Objekten in der zweiten Verarbeitungsstufe ein globaler Schwerpunkt der Objekte gebildet und über die dritte Verarbeitungsstufe die Information über den globalen Schwerpunkt zur Durchführung des Entrauschungsprozesses in der ersten Verarbeitungsstufe zum Eingang des Entrauschungsnetzwerkes zurückgekoppelt wird, und daß die Verarbeitungsstufen bis zum Erhalten des Schwerpunktes eines von dem Signalfeld repräsentierten einzelnen Objektes rekursiv durchgeführt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die mehreren vom Signalfeld repräsentierten Objekte ein Hauptobjekt und weitere Objekte enthalten, wobei die rekursive Durchführung der Verarbeitungsstufen zunächst den Schwerpunkt des Hauptobjekts liefert, und daß dann das Hauptobjekt aus dem Signalfeld ausgeblendet wird und die Verarbeitungsstufen neuerlich auf die von dem verbleibenden Signalfeld repräsentierten weiteren Objekte angewendet werden.

4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Signalfeld eindimensional ist.

5. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Signalfeld zweidimensional ist.

6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß der in der ersten Verarbeitungsstufe durchgeführte Entrauschungsprozeß entsprechend der Rekursionsgleichung
durchgeführt wird, wobei M_i,j Element aus [-1, +1] die kontinuierliche Feldvariable des Signalfeldes mit S OUT|i,j = sign (M_i,j) ist, I_x, I_y die Kopplungsparameter in x- Richtung bzw. y-Richtung, H IN|i,j die Eingangsdaten des Signalfeldes und H S|i,j Daten eines zusätzlichen lokalen Schwellenfeldes sind.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das lokale Schwellenfeld H S|i,j in der Nachbarschaft eines Objektschwerpunktes lokal im Sinne einer Hervorhebung der Objekte und außerhalb dieser Nachbarschaft lokal im Sinne einer Unterdrückung der Objekte verändert wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die lokale Schwelle in einem Fenster in der Nachbarschaft eines Objektschwerpunkts mit positiven S OUT|i,j- Werten auf H S|i,j = H^F (H^F < 0) und außerhalb des Fensters auf H S|i,j = -H^F gesetzt wird.

9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Nachbarschaft des Objektschwerpunktes durch ein Fenster in Form eines Rechtecks oder Parallelogramms begrenzt wird.

10. Verfahren nach Anspruch 7, 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Nachbarschaft des Objektschwerpunktes durch ein doppeltes Fenster definiert wird.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das lokale Schwellenfeld eine Textur aufweist.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das lokale Schwellenfeld eine Textur in Form eines Schachbrettmusters aufweist.

13. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das lokale Schwellenfeld eine Textur in Form eines vertikalen Streifenmusters aufweist.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß das lokale Schwellenfeld H S|i,j als statisches Feld in Form eines externen Parameterfeldes vorgesehen wird.

15. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß das lokale Schwellenfeld H S|i,j als Ausgangsbelegung der Eingangsdaten H IN|i,j des Signalfeldes einer Relaxationsperiode vorgegeben wird.

16. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß das lokale Schwellenfeld H S|i,j während einer Relaxationsperiode zumindest teilweise dynamisch verändert wird.

17. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß das lokale Schwellenfeld H S|i,j als direktes oder transformiertes Bild eines Referenzbildes erzeugt wird (ikonische Erzeugung).

18. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß das lokale Schwellenfeld H S|i,j aus symbolischen Daten wie Positionen, Belegungsdichten oder Flächenträgheitstensorelementen von Binärbildern erzeugt wird (symbolische Erzeugung).

19. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß das lokale Schwellenfeld H S|i,j als Überlagerung mehrerer unterschiedlich erzeugter ortsabhängiger Schwellenfelder durch Summation, Maximumwertbildung oder durch eine andere kombinierende Operation erzeugt wird.

20. Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Daten des lokalen Schwellenfeldes H S|i,j vor der Verarbeitung mit den Eingabedaten H IN|i,j additiv und/oder multiplikativ kombiniert werden.

21. Einrichtung zur rekursiven Bearbeitung von Signalfeldern, insbesondere bei der Bildverarbeitung, enthaltend:
ein Entrauschungsnetzwerk (10) mit einer Vielzahl von Diskriminatorschaltungen (11), die jeweils einen Eingang (I IN|i) zur Aufnahme eines Signals des Signalfeldes und einen Signalausgang (I MF|i) aufweisen, wobei die Signalausgänge (I MF|i) über Koppelelemente (15, 17, 18) mit vorgegebenem Koppelgrad (K) auf die Eingänge (I IN|i) von jeweils benachbarten Diskriminatorschaltungen (11) zurückgekoppelt sind, ein dem Entrauschungsnetzwerk (10) nachgeschaltetes Steuersignalerzeugungsnetzwerk (20) mit einer Vielzahl von mit den Signalausgängen (I MF|i) der in dem Entrauschungsnetzwerk (10) enthaltenen Diskriminatorschaltungen (11) gekoppelten Eingangsknoten, welches von der Größe und Verteilung der an den Eingangsknoten anliegenden, von den Diskriminatorschaltungen (11) gelieferten Ausgangssignalen (I D|i) abhängige Steuersignale (V(0), V(n - 1)) erzeugt, und
ein Rückkopplungsnetzwerk (30) zur Erzeugung von ein ortsabhängiges Schwellenfeld H S|i,j repräsentierenden Rückkopplungssignalen und zur Rückkopplung derselben auf die Eingänge der im Entrauschungsnetzwerk (10) enthaltenen Diskriminatorschaltungen (11) in Ansprache auf die von dem Steuersignalerzeugungsnetzwerk (20) abgegebenen Steuersignale (V(0), V(n - 1)).

22. Einrichtung nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß die in dem Entrauschungsnetzwerk (10) enthaltenen Diskriminatorschaltungen (11) durch Eingänge zur Aufnahme des Signals des Signalfeldes und des Rückkopplungssignals und Signalausgänge aufweisende Verstärkerschaltungen (12, 13, 14) gebildet sind.

23. Einrichtung nach Anspruch 21 oder 22, dadurch gekennzeichnet, daß die in dem Entrauschungsnetz (10) enthaltenen Koppelelemente (15, 17, 18) Stromspiegelschaltungen (15) enthalten.

24. Einrichtung nach Anspruch 22 oder 23, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstärkerschaltungen (12, 13, 14) Verstärkerelemente (12) mit tanh-Charakteristik aufweisen.

25. Einrichtung nach Anspruch 22, 23 oder 24, dadurch gekennzeichnet, daß die Eingänge der Verstärkerschaltungen (12, 13, 14) Strom/Spannungs-Wandler (13, 14) zur Aufnahme des Signals des Signalfeldes und des Rückkopplungsignals aufweisen.

26. Einrichtung nach einem der Ansprüche 21 bis 25, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Signalausgang (I MF|i) der Diskriminatorschaltungen (11) und den Eingangsknoten des Steuersignalerzeugungsnetzwerk (20) Schwellwertschalter (16) angeordnet sind.

27. Einrichtung nach einem der Ansprüche 21 bis 26, dadurch gekennzeichnet, daß das Signalerzeugungsnetzwerk (20) durch ein eine Vielzahl von an den Eingangsknoten miteinander gekoppelten Einzelwiderständen (22) enthaltendes erstes Widerstandsnetzwerk gebildet ist, das an seinen Enden Ausgänge zur Abgabe von aus den an seinen Eingangsknoten anliegenden Signalen abgeleiteten Summensignalen (I^R, I^L) zur Erzeugung der Steuersignale (V(0), V(n - 1)) aufweist.

28. Einrichtung nach einem der Ansprüche 21 bis 27, dadurch gekennzeichnet, daß das Rückkopplungsnetzwerk (30) eine Vielzahl von jeweils einen mit den Eingängen (I IN|i) der im Entrauschungsnetzwerk (10) enthaltenen Diskriminatorschaltungen (11) gekoppelten Rückkopplungssignalausgang aufweisenden Rückkopplungssignalerzeugungsschaltungen (31) zur Erzeugung der das ortsabhängige Schwellenfeld (H S|i,j) repräsentierenden Rückkopplungssignale in Ansprache auf die von dem Steuersignalerzeugungsnetzwerk (20) gelieferten Steuersignale (V(0), V(n - 1)) enthält.

29. Einrichtung nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, daß die Rückkopplungssignalerzeugungsschaltungen (31) einstellbare Fensterkomparatoren (32) enthalten, die eingangsseitig mit den Knoten eines zweiten Widerstandsnetzwerks (33) verbunden sind, welchem an seinen Enden die von dem Steuersignalerzeugungsnetzwerk (20) gelieferten Steuersignale (V(0), V(n - 1)) zugeführt werden, und welche Anschlüsse zur Zuführung von obere und untere Fenstergrenzen repräsentierenden Einstellgrößen (V_offs, V_win) aufweisen.

30. Einrichtung nach einem der Ansprüche 21 bis 29, dadurch gekennzeichnet, daß die Entrauschungs-, Steuersignalerzeugungs- und Rückkopplungsnetzwerke (10, 20, 30) eindimensional sind.

31. Einrichtung nach einem der Ansprüche 21 bis 29, dadurch gekennzeichnet, daß die Entrauschungs-, Steuersignalerzeugungs- und Rückkopplungsnetzwerke (10, 20, 30) zweidimensional sind.

32. Einrichtung nach Anspruch 30 oder 31, dadurch gekennzeichnet, daß die in den Entrauschungs-, Singalerzeugungs- und Rückkopplungsnetzwerke (10, 20, 30) enthaltenen Diskriminator-, Steuersignalerzeugungs- und Rückkopplungssignalerzeugungsschaltungen (11, 21, 31) jeweils durch regelmäßig flächenhaft angeordnete Signalverarbeitungsschaltungen mit jeweils einander zugeordneten Eingangs- und Ausgangsknoten gebildet sind.

33. Einrichtung nach Anspruch 32, dadurch gekennzeichnet, daß die Entrauschungs-, Steuersignalerzeugungs- und Rückkopplungsnetzwerke (10, 20, 30) jeweils durch einzelne Module in Form von monolithisch integrierten Schaltungen gebildet sind.

34. Einrichtung nach Anspruch 32, dadurch gekennzeichnet, daß die Entrauschungs- Steuersignalerzeugungs- und Rückkopplungsnetzwerke (10, 20, 30) durch eine gemeinsame monolithisch integrierte Schaltung gebildet sind.