DE102009010904A1

DE102009010904A1 - Apparatur und Verfahren zur Objekterkennung und Objektvergleich

Info

Publication number: DE102009010904A1
Application number: DE200910010904
Authority: DE
Inventors: Tobias Wenzel
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2009-03-02
Filing date: 2009-03-02
Publication date: 2010-09-09

Abstract

Erkennung eines Objekts oder mehrerer Objekte durch Aufzeichnung des zeitlich kohärenten Objektwellenfeldes, welches von den Objekten reflektiert oder emittiert wird, gekennzeichnet durch Aufzeichnung von Amplitude und Phase an mehreren Punkten des Aufzeichnungsraumausschnitts (Volumen, gekrümmte Fläche oder Ebene).

Description

Es sind viele Objekterkennungsmethoden bekannt, darunter auch einige holographische. Die Holographie bietet Möglichkeiten, Objekte direkt zu vergleichen und eine „Ja”/„Nein” Information mit einem bestimmten Ort gekoppelt zu erhalten. Diese Verfahren sind jedoch sehr empfindlich und können daher nicht für allgemeine Erkennung beispielsweise von Objekten in einem Raum, in dem sich ein Robotter orientieren soll, angewandt werden. An anderes wichtiges Feld der Objekterkennung ist die Medizin. Mit Hilfe von Ultraschall kann in den Körper hineingesehen werden. Hierbei wird immer noch das Echolot Prinzip angewandt. Holographische Methoden würden hier ein weiteres Feld von Möglichkeiten erschließen. Für eine ausführlichere Darstellung und Quellenangaben sei auf die beiliegende Arbeit „Digitalholographische Objekterkennung” Verwiesen.
In der Medizin und in der Technik fehlen einfache Methoden, mit denen man Objekte unabhängig von schlechten Kontrasten zuverlässig in Typ, Position und Lage identifizieren kann. Holographische Verfahren bzw. Verfahren, die auf Interferenz beruhen, waren bis jetzt nur in Spezialfällen anwendbar und nur mir komplizierten und langwierigen numerischen Verfahren auszuwerten. Somit waren sie bis jetzt ungeeignet, um diesen Anwendungsbereich zu erschließen.
Indem die Erkennung wie in Patentanspruch 1. geschildert gestaltet wird, besonders in Verbindung mit dem holographischen Verfahren aus Unteranspruch 4. und der langen Wellenlänge aus Unteranspruch 18.. Weil die Phaseninformation mit aufgezeichnet wird und der Informationsgehalt der Objektwelle mit der relativ langen Wellenlänge auf das Wesentliche reduziert wird, lassen sich einfache mathematische Verarbeitungsmethoden anwenden. Nun kann nach dem Verfahren aus Unteranspruch 4. eine direkte Auswertung der Daten mit gezielten Ja-Nein Ergebnissen stattfinden.
Allgemein wird das ein auf Interferenz beruhendes Verfahren mit den Randbedingungen der Patentansprüche erstmals handhabbar für ein weites Feld alltäglicher Anwendungen. Die einzelnen Unteransprüche bergen verschiedene Vorteile:
Zu 1.:
Wird von einem Sensor die Schwingung der Welle an einer Stelle aufgezeichnet, so sind Phase und Amplitude aufgezeichnet, denn die Amplitude der Schwingung ist die Amplitude des Wellenfelds an dieser Stelle und die zeitliche Verschiebung der aufgezeichneten Welle im Vergleich zu einer virtuell mitlaufendem (Referenz-)Welle gleicher Frequenz ist die Phase des Wellenfelds an der Stelle.
Dieses Vorgehen ist vor allem bei Ultraschall und Terraherzstrahlung möglich. Mit dieser, zusätzlich aufgezeichneten Information können Auswertungsverfahren vereinfacht und/oder zusätzliche Informationen gewonnen werden.
Zu 2. bis 4.:
Mit diesen Auswertungsmethoden kann einfach und schnell eine Objekterkennung durchgeführt werden. Diese Methoden sind auf Grund des Verfahrens wie in Anspruch 1. wesentlich einfacher durchzuführen als bis her. (Ohne die Aufzeichnung der Phase, höchstens mit errechneter Phase aus einem Hologramm, dass mit einer Referenzwelle aufgenommen wurde. Dazu wird jedoch eine zusätzliche Welle, in für die Aufnahme ungünstiger Lage, und ein zusätzlicher, nicht trivialer, Rechenschritt benötigt.)
Zu 5.:
Insbesondere Ultraschall erschließt die Anwendung in der Medizin und in der Materialprüfung, da es viele undurchsichtige Materialien durchdringt. Bei Longitudinalwellen können meist Phase und Amplitude aufgezeichnet werden und somit kommt eine interferometrische Betrachtung in Frage.
Zu 9., 10. und 11.:
So lassen sich mit rein absorbierendem Material sinus- oder sägezahnförmige Zonenplatten konstruieren. Für Wellenlängen und Strahlungen, für die herkömmliche, bauchige Linsenkörper aus transparenten Materialen mit hoher Brechzahl nicht gebaut werden können, können so auch hochwertige Linsen konstruiert werden. Dies ist Vorraussetzung für die Furierholographie und erschließt daher ein weiteres Anwendungsfeld des in Patentanspruch 1. formulierten Verfahrens.
Zu 6. bis 11.:
Eine zusätzliche Furiertransformation (ebenfalls mit Ultraschall möglich), bedeutet zusätzlichen Zugang zu weiteren bekannten Auswertungsmethoden, die auf das neue Verfahren angewandt und ggf. zusätzlich vereinfacht werden können. Darüber hinaus wird das Verfahren mit Furiertransformation noch ein wenig unempfindlicher, wodurch schneller, größere Räume o. ä. erfasst werden können.
Zu 12. bis 17.:
Mit diesen Apparaturen können die benötigten Messungen effektiv durchgeführt werden.
Zu 18.:
Die so gewonnen Informationen können beispielsweise mit einer Musterobjektwelle bestimmter Wellenlänge verglichen werden. So kann bei einem bekannten Objekt bekannter Position die Größe über einen Direktvergleich der Wellenform ermittelt werden ohne weitere Auswertungsverfahren.
Zu 19.:
Die relativ lange Wellenlänge (optimaler Weise ist das Objekt ca. 1000 Wellenlängen groß) bewirkt, dass unerwünschte Texturinformationen nicht mit erfasst werden. Es werden nur die wesentlichen Informationen über die Beschaffenheit (Makrostruktur) der Objekte erfasst. Somit wird das Verfahren erst handhabbar. Die vielen Störinformationen, die ein holographisches Verfahren bis anfällig machen, werden umgangen. Nur so kann man zwei große Objekte vergleichen: Aufgrund ihrer mikroskopischen Ähnlichkeit. Ihre Oberflächeninformation ist in der Regel sehr verschieden.
In der beiliegenden Arbeit „Digitalholographische Objekterkennung” sind die meisten Patentansprüche genauer, mit Beispielen und Quellen versehen, beschrieben. Die Umsetzungsmöglichkeiten der meisten Verfahren werden im Einzelnen erläutert. Die übrigen ergeben sich daraus.

Claims

Erkennung eines Objekts oder mehrerer Objekte durch Aufzeichnung des zeitlich kohärenten Objektwellenfeldes, welches von den Objekten reflektiert oder emittiert wird, gekennzeichnet durch Aufzeichnung von Amplitude und Phase an mehreren Punkten des Aufzeichnungsraumausschnitts (Volumen, gekrümmte Fläche oder Ebene).
Erkennung wie in 1., gekennzeichnet durch eine holographische Betrachtung der aufgezeichneten Welleninformationen, um die Objektinformation zu dekodieren oder zu vergleichen.
Erkennung wie in 2., gekennzeichnet durch eine holographische Betrachtung in der Form, dass die aufgezeichneten Welleninformationen (Amplitude und Phase) als Objektwellen angesehen werden. Eine errechnete oder gemessene Musterobjektwelle wird mit einer errechneten oder gemessenen Referenzwelle (gleicher Wellenlänge) virtuell überlagert. Das sich ergebende Wellenfeld wird genutzt, um mit den gemessenen Informationen, die als Objektwelle interpretiert werden, die Musterobjektwelle virtuell zu rekonstruieren. Unterschiede zwischen der Musterobjektwelle und der zu vergleichenden Objektwelle treten somit zu Tage.
Erkennung und Betrachtung wie in 3., gekennzeichnet durch die virtuelle Rekonstruktion der Referenzwelle an Stelle der Musterobjektwelle. Unterschiede zwischen der Musterobjektwelle und der zu vergleichenden Objektwelle treten somit als Störungen der rekonstruierten Referenzwelle zu Tage.
Erkennung wie in 1. bis 4., gekennzeichnet durch die Verwendung von Longitudinalwellen, insbesondere lang- oder kurzwelligem Ultraschall.
Erkennung wie in 1. bis 5., gekennzeichnet durch eine Furiertransformation der Objekte, sodass das Wellenfeld in, in der Nähe oder in größerer Entfernung von der Furierebene aufgenommen wird.
Erkennung wie in 6., gekennzeichnet durch eine Betrachtung der gemessenen Informationen als Objektwelle eines Furierhologramms, um mittels (virtueller) Furiertransformation die Objektinformationen zu dekodieren oder Direktvergleiche durchzuführen, (also eine von 3. oder 4. abweichende Auswertung in diesem Spezialfall).
Erkennung wie in 6. oder 7., gekennzeichnet durch eine Furiertransformation der Objekte mittels einer diffraktiven Linse.
Erkennung wie in 8., gekennzeichnet durch die Verwendung einer diffraktiven Amplituden-Linse (also einer Fresnelschen Zonenplatte, die für die verwendete(n) Wellenlänge(n) aus absorbierenden und durchlässigen Bereichen besteht), wobei durch Strukturen entlang den Rändern der Zonen (also der absorbierenden oder durchlässigen Ringe) Übergänge geschaffen werden. Betrachtet man die absorbieren Bereiche als schwarz und die durchlässigen als weiß, so lassen sich durch die Strukturen Grauwerte erzeugen. Die Strukturen müssen dazu tangential zu den Zonen(-ringen) kleiner oder gleich der Wellenlänge sein, damit sie von den Wellen nicht als zusätzliche Beugungsstrukturen wahrgenommen werden.
Erkennung wie in 9., gekennzeichnet durch die Verwendung von Strukturen, die nicht nur tangential, sondern auch radial kleiner gleich der Wellenlänge sind.
Erkennung wie in 9. oder 10., gekennzeichnet durch die Verwendung von Strukturen, die ein viertel so groß wie die Wellenlänge oder kleiner sind.
Erkennung wie in 1. bis 11., gekennzeichnet durch die Verwendung einer Apparatur bestehend aus einem oder mehreren Sensoren, die bewegt werden, um an verschiedenen Stellen Amplitude und Phase des Wellenfeldes aufzuzeichnen.
Erkennung wie in 1. bis 11., gekennzeichnet durch die Verwendung einer Apparatur bestehend aus einem mit Sensoren besetzten Rotorarm, der das Wellenfeld in einer oder mehreren Ebenen abscannt.
Erkennung wie in 13., gekennzeichnet durch die Verwendung einer kohärenten Strahlungsquelle, die auf der Rotationsachse des Rotorarms sitzt und den Halbraum vor dem Rotorarm beleuchtet oder beschallt.
Erkennung wie in 1. bis 11., gekennzeichnet durch die Verwendung einer Apparatur bestehend aus einem Sensorfeld, welches analog zur Digitalphotographie schnell das Wellenfeld in dem Teilraum, den das Sensorfeld einnimmt, in Form von Phase und Amplitude aufzeichnet.
Erkennung wie in 15., gekennzeichnet durch die Verwendung einer kohärenten Strahlungsquelle, die in der Mitte oder an einer anderen Stelle im Sensorfeld sitzt und den Halbraum vor dem Sensorfeld Rotorarm beleuchtet oder beschallt.
Erkennung wie in 1. bis 16., gekennzeichnet durch die mehrmalige Aufzeichnung des Wellenfeldes unter Verwendung jeweils verschiedener Wellenlängen.
Erkennung und Betrachtung wie in 2. bis 7., gekennzeichnet durch den mehrmaligen virtuellen Vergleich der (einmal) aufgezeichneten Informationen unter jeweiliger Variation bestimmter Variablen wie der Wellenlänge, des Abstands des Musterobjekts, der Größe des Musterobjekts, der Drehung des Musterobjekts, oder Ähnlichem.
Erkennung 1. bis 18., gekennzeichnet durch die Verwendung von, im Verhältnis zur Objektgröße, relativ langer Wellenlängen (nIR, fIR, Terraherzwellen, Mikrowellen, Radarwellen, Ultraschall, o. ä.), in genau in dem Maße, dass unerwünschte Texturinformationen oder Objekte nicht aufgezeichnet und nur die wesentlichen Informationen über die Beschaffenheit (Makrostruktur) der Objekte erfasst werden. Die jeweils kleinsten damit noch zu erfassenden Objekte sind wenige Wellenlängen groß.