DE102015217022A1

DE102015217022A1 - Ortsfiltermessverfahren und Vorrichtung zur Ortsfiltermessung

Info

Publication number: DE102015217022A1
Application number: DE102015217022.5A
Authority: DE
Inventors: Martin Schaeper; Nils Damaschke; Robert Kostbade; Daniel Franz
Original assignee: Universitaet Rostock
Current assignee: DAMASCHKE, NILS, DE; FRANZ, DANIEL, DE; KOSTBADE, ROBERT, DE; SCHAEPER, MARTIN, DE
Priority date: 2015-09-04
Filing date: 2015-09-04
Publication date: 2017-03-09
Also published as: WO2017037248A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Ortsfiltermessverfahren zur Bestimmung einer Relativgeschwindigkeit zwischen einer Ortsfiltermessvorrichtung (120, 120') und wenigstens einem Objekt (2) oder Objektkollektiv, wobei die Ortsfiltermessvorrichtung (120, 120') Bilddaten des wenigstens einen Objekts (2) oder Objektkollektivs erfasst, das sich durch ein in einem Referenzsystem der Ortsfiltermessvorrichtung (120, 120') stationäres Aufnahmemessfeld (60, 125) der Ortsfiltermessvorrichtung bewegt, wobei wenigstens ein zeitlich moduliertes Ortsfiltersignal durch Anwendung wenigstens eines Ortsfilters (106) auf wenigstens einen Teil der erfassten Bilddaten erzeugt wird, sowie eine Ortsfiltermessvorrichtung (120, 120') mit einer Aufnahmevorrichtung und einer Bilddatenverarbeitungseinrichtung. Bei dem erfindungsgemäßen Ortsfiltermessverfahren wird zur Erzeugung des wenigstens einen Ortsfiltersignals ein betrachteter Ausschnitt des wenigstens einen Objekts (2) oder Objektkollektivs wenigstens zeitweise oder dauerhaft wenigstens annähernd kon stant gehalten.

Description

Die Erfindung betrifft ein Ortsfiltermessverfahren zur Bestimmung einer Relativgeschwindigkeit zwischen einer Ortsfiltermessvorrichtung und wenigstens einem Objekt oder Objektkollektiv, wobei die Ortsfiltermessvorrichtung Bilddaten des wenigstens einen Objekts oder Objektkollektivs erfasst, das sich durch ein in einem Referenzsystem der Ortsfiltermessvorrichtung stationäres Aufnahmemessfeld der Ortsfiltermessvorrichtung bewegt, wobei wenigstens ein zeitlich moduliertes Ortsfiltersignal durch Anwendung wenigstens eines Ortsfilters auf wenigstens einen Teil der erfassten Bilddaten erzeugt wird, sowie eine Ortsfiltermessvorrichtung mit einer Aufnahmevorrichtung und einer Bilddatenverarbeitungseinrichtung.
Die Ortsfiltermesstechnik ist ein etabliertes, robustes und effizientes Verfahren zur berührungslosen Bestimmung von Geschwindigkeiten von Messobjekten, beispielsweise von Gasen, Fluiden oder Festkörpern. Ortsfiltermesstechnik funktioniert ohne mechanisch bewegte Teile, verschleißfrei und zuverlässig. Es gibt weder Schlupf noch Abnutzung, die die Messung oder die Apparatur beeinträchtigen. Neben einer Geschwindigkeitsmessung können auch Beschleunigungen, der Ort bzw. die Position und die Länge von Messobjekten oder andere anwendungsspezifische abgeleitete Größen wie ein Volumenstrom oder ein Materialfluss, Teilchengrößen oder Teilchengrößenverteilungen gemessen und abgeleitet werden.
Ein Großteil der Signalverarbeitung, die mit der Umwandlung von Bewegung in eine (Orts-)Frequenz einhergeht, ist bereits im Aufbau von bekannten Ortsfiltermessvorrichtungen oder Ortsfiltermessanordnungen realisiert. Zur Ortsfrequenzmessung bedarf es keiner ausgezeichneten Punktquelle. Bildinformationen werden nach dem Ortsfilterprinzip verknüpft und eine bewegungsäquivalente Frequenz gebildet. Die Signalauswertung liefert eine einfache und starke Datenreduktion.
Die Ortsfiltermesstechnik beruht, vereinfacht dargestellt, auf dem Prinzip, dass ein bewegter Gegenstand oder eine bewegte Oberfläche, die an einem optischen Gitter mit einer, ggf. periodischen, Struktur von Gitterlinien vorbeibewegt wird, ein periodisches Signal erzeugt, dessen Frequenz sowohl von der Geschwindigkeit der Bewegung des Objekts als auch von den Gitterparametern bzw. von der Gitterkonstanten des optischen Gitters abhängt. In diese Abhängigkeit fließen auch beispielsweise Vergrößerungsfaktoren von optischen Linsen, Linsensystemen oder anderen optischen Elementen ein, die in einigen Fällen verwendet werden. Die Gitterstruktur kann dabei durch Hardwaregitter realisiert sein, etwa optische Gitter mit unterschiedlicher Transmission oder speziell angeordnete Lichtwellenleiter, durch elektronische Gitter, beispielsweise realisiert mittels Wichtung elektrischer Signale, oder durch Softwaregitter, beispielsweise realisiert mittels Wichtung der Pixelwerte von Bildern.
Wenn die Gitterstruktur bekannt ist und gegebenenfalls bekannt ist, welchen Vergrößerungsfaktor eine Optik aufweist, die im Strahlengang einer Ortsfiltermessanordnung verwendet wird, kann aus der Frequenz des beobachteten Signals auf die Bewegungsgeschwindigkeit des Messobjekts rückgeschlossen werden. Dabei wird, etwa im Fall eines linearen Gitters mit parallelen Gitterlinien, diejenige Geschwindigkeitskomponente der Bewegung erfasst, die senkrecht zur Ausrichtung der Gitterlinien des Ortsgitters ist. Eine Geschwindigkeitskomponente, die parallel zur Ausrichtung der Gitterlinien ist, führt nicht zu einer Modulation des durch das Gitter durchgelassenen Lichts. Diese Komponente wird daher nicht gemessen.
Bei einer gleichförmigen Bewegung ergibt sich bei einem linearen Gitter als Ortsfilter ein Signalspektrum mit einem deutlichen Maximum, das der Bewegungskomponente des Messobjekts senkrecht zur Ausrichtung der Gitterlinien entspricht. Aus der dominierenden Frequenz des Ortsfiltersignals kann die Geschwindigkeit der Bewegung bestimmt werden. Die Genauigkeit und Zeitauflösung der Geschwindigkeitsmessung hängt davon ab, wie genau die Frequenz der Geschwindigkeit entspricht und wie genau und wie schnell die Frequenz im Signal bestimmt wird.
Im Wesentlichen sind zwei verschiedene Ansätze zur Ortsfiltermessung bekannt. In einem ersten Ansatz wird die Ortsfiltermessung mit Hilfe von Hardware-Ortsfiltern bzw. Hardwaregittern realisiert. Bei derartigen Ortsfiltern handelt es sich um diskrete optische Bauelemente, etwa um optische Transmissionsgitter, Phasengitter, Reflexionsgitter oder speziell angeordnete Lichtwellenleiter. Das Licht, das von einem bewegten Messobjekt durch ein optisches Gitter als Ortsfilter hindurchtritt, wird dabei in seiner Gesamtheit zeitlich moduliert. Die Modulationsfrequenz hängt u. a. von der Geschwindigkeit des Messobjekts und von der Ausrichtung des optischen Gitters sowie dessen Gitterparameter bzw. Gitterkonstante ab. Wenn eine Vergrößerungsoptik verwendet wird, wächst auch die Modulationsfrequenz mit dem Vergrößerungsfaktor.
Das zeitlich modulierte Licht wird über eine Optik beispielsweise mittels Photodioden detektiert, die eine hohe Grenzfrequenz, beispielsweise etwa 10 MHz oder bis in den GHz-Bereich, aufweisen. Aufgrund der schnellen Reaktionszeit der Photodioden können nach diesem ersten Ansatz in der Ortsfiltermessung sehr schnelle Signale und sehr hohe Frequenzen verarbeitet werden, soweit genügend Licht vorhanden ist. Dazu wird die Hardware, also u. a. die verwendete Optik und die verwendeten Ortsfilter, an die jeweiligen Einsatzbedingungen angepasst, beispielsweise bezüglich der zu messenden Geschwindigkeiten oder der Oberflächenbeschaffenheit der Messobjekte. Bei der Anpassung wird erreicht, dass für die jeweiligen Einsatzbedingungen und die zu messenden Größen optimale Modulationssignale eingestellt werden. Damit sollen Mehrdeutigkeiten aufgrund von beispielsweise durch die Gitterparameter des Ortsfilters verursachte Über- und Unterabtastungen vermieden und ein gutes Signal-zu-Rauschen-Verhältnis erreicht werden.
Dieser erste Ansatz mit diskreten optischen Bauelementen als Ortsfilter bietet eine sehr hohe zeitliche Auflösung der Messung durch den möglichen Einsatz sehr schneller Empfänger. Die Hardwareanpassung ist jedoch aufwändig, da das Gitter bei Änderung der Messbedingungen hardwareseitig angepasst werden muss.
In einem zweiten Ansatz wird auf den Einsatz von Hardware-Gittern verzichtet. Stattdessen wird die Ortsfiltermessung durch eine spezielle Signalgenerierung für zeilen- oder flächenhafte Empfänger, z.B. Kameras mit CCD- oder CMOS-Chips, PD-Arrays oder faseroptische Gitter umgesetzt. In diesem Fall sind keine optischen Gitter notwendig, sondern die gitter- bzw. matrixartige Strukturierung des optischen Empfängers wird zur Ortsfiltermessung ausgenutzt.
Die Ortsfiltermessung umfasst dabei die Signalgenerierung, beispielsweise mit einem sogenannten Softwaregitter über die Wichtung der elektrischen Signale oder Pixelwerte mit der Ortsfilterfunktion und anschließender Summierung aus den einzelnen Bildpunkten, wodurch ein Ortsfiltereffekt erzeugt wird. So können ohne Änderung der Hardware Ortsfilter mit verschiedenen Orientierungen oder Gitterkonstanten erzeugt bzw. angewandt werden. Dies ist vergleichbar mit dem Austausch von optischen Gittern nach dem oben genannten ersten Ansatz.
Eine solche elektronische bzw. softwareseitige Realisierung von Gitterfunktionen hat den weiteren Vorteil der Anpassbarkeit des Ortsfiltersystems an den vorliegenden Prozess. Bei CCD- und CMOS-Sensoren wird dieses durch die Gewichtung von Pixelzeilen und spalten nach einer vorgegebenen Gitterfunktion vorgenommen. Weiterhin können mit Softwaregittern Gitterfunktionen erzeugt werden, die optisch nicht oder nur mit hohem Aufwand realisierbar sind. So können Gitter mit negativen und/oder komplexen Gewichtungen realisiert werden. Diese Gitter bieten den Vorteil, dass sie mittelwertfreie modulierte Signale und/oder orthogonale Signale zur Bestimmung von Momentanamplitude und Momentanphase mit hoher zeitlicher Auflösung liefern. Weiterhin sind die Gewichte nicht auf 0 und 1 beschränkt, sondern können auch Zwischenwerte und andere Werte (Verstärkung, komplexe Zahlen) annehmen. Sehr einfach sind auf diese Weise beispielsweise komplexe harmonische Funktionen als Gitterfunktionen realisierbar.
Das entstandene Ortsfiltersignal ist bezüglich seiner Frequenz proportional zur Bewegungsgeschwindigkeit. Die Schätzung der Signalfrequenz kann mittels einer Nulldurchgangs- oder Schwellwertdetektion bzw. Periodendauermessung, der Ermittlung des Leistungsdichtespektrums, des Drehzeigerverfahrens oder der Kreuzkorrelationsphase vorgenommen werden. Diese Analysemethoden sind beispielsweise in der Dissertation von M. Schaeper, „Mehrdimensionale Ortsfiltertechnik", Universität Rostock 2013, veröffentlicht in Springer Vieweg, Springer Fachmedien Wiesbaden 2014 erläutert.
Für die Unsicherheit der Geschwindigkeitsmessung mittels eines Ortsfiltermessverfahrens mit einer der zuvor genannten Analysemethoden kommen unterschiedliche Fehlereinflüsse zum Tragen. Zunächst entspricht der Frequenzwert nicht notwendigerweise der Geschwindigkeit der Oberfläche. Dieser Fehler wird typischerweise als systematischer Fehler klassifiziert. Weiterhin hängt die Genauigkeit der Geschwindigkeitsbestimmung vom Signal-Rausch-Verhältnis ab. Einflüsse sind hier beispielsweise zeitliche Schwankungen in der Beleuchtung, Rauschprozesse in der Messkette oder Quantisierungsfehler. Dies sind typischerweise zufällige Fehler.
Der systematische Fehler bei der Ortsfiltermessung basiert im Wesentlichen auf Phasensprüngen im Signal. Bei der Relativbewegung zwischen dem Objekt oder Objektkollektiv und der Ortsfiltermessvorrichtung läuft zwischen aufeinanderfolgenden Aufnahmen ein Teil der betrachteten Oberfläche aus dem betrachteten Bereich bzw. Aufnahmemessfeld heraus und ein neuer Teil läuft in den beobachteten Bereich hinein. Damit ändert sich fortlaufend die Datenbasis der Bildinformation, da wegfallende Bildteile durch hinzukommende neue Bildteile ersetzt werden. Dies verursacht die Schwankungen in der Phasenlage des Ortsfiltersignals.
Weiterhin treten die Phasensprünge nicht kurzzeitig auf, sondern das Ortsfiltersignal ändert sich von Aufnahme zu Aufnahme kontinuierlich, bis sich ein neuer Frequenzwert stabilisiert hat. Da diese Phasenänderungen nicht eindeutig identifiziert werden können und teilweise über einen langen Zeitraum vorliegen können, gehen sie in die Geschwindigkeitsstatistik ein und bedingen einen systematischen Fehler, der im Messprozess nicht quantifiziert werden kann. Aufgrund der sich stetig ändernden Oberfläche tritt der Fehler beim Messprozess als Schwankung der Frequenz bzw. Verbreiterung des Spektrums auf. Die Unsicherheit aufgrund der Phasenänderungen ist größer als die Unsicherheit aufgrund des Rauschens und dominiert die Genauigkeit der Ortsfiltertechnik. Bisherige Ortsfiltermesssysteme erreichen daher Messunsicherheiten von maximal 0.05% unter Laborbedingungen.
Weiterhin wird beobachtet, dass die Amplitude des Ortsfiltersignals im Bereich von Phasensprüngen und Frequenzänderungen häufig einbricht und sich das Signal-Rausch-Verhältnis signifikant reduziert. Gleichzeit mit Phasensprüngen treten somit hohe zufällige Fehler auf, die temporär eine zusätzliche Unisicherheit der Analysemethode bedingen. Auch hier ist keine Quantifizierung des Fehlers möglich, da geringe Amplituden auch außerhalb von Phasensprüngen auftreten können.
Die Fehler werden beispielsweise durch Obergrenzen für Phasenänderungen, mittels Plausibilitätstests zwischen mehreren Signalpaaren (vgl. I. Menn, „Optische Messung der Fließgeschwindigkeit von Erythrozyten zur Erfassung der Mikrozirkulation", Universität Rostock, 2010) und durch Mittelung über mehrere Messwerte bekämpft. Allerdings reduziert sich damit die Dynamik der Systeme, da die Messung schneller Geschwindigkeits- und Frequenzänderungen nicht mehr möglich ist.
Der vorliegenden Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zugrunde, die Messgenauigkeit von Ortsfiltermessverfahren zu erhöhen und hierzu ein Ortsfiltermessverfahren und eine Ortsfiltermessvorrichtung mit verbesserter Genauigkeit zur Verfügung zu stellen.
Diese Aufgabe wird durch ein Ortsfiltermessverfahren zur Bestimmung einer Relativgeschwindigkeit zwischen einer Ortsfiltermessvorrichtung und wenigstens einem Objekt oder Objektkollektiv gelöst, wobei die Ortsfiltermessvorrichtung Bilddaten des wenigstens einen Objekts oder Objektkollektivs erfasst, das sich durch ein in einem Referenzsystem der Ortsfiltermessvorrichtung stationäres Aufnahmemessfeld der Ortsfiltermessvorrichtung bewegt, wobei wenigstens ein zeitlich moduliertes Ortsfiltersignal durch Anwendung wenigstens eines Ortsfilters auf wenigstens einen Teil der erfassten Bilddaten erzeugt wird, das dadurch weitergebildet ist, dass zur Erzeugung des wenigstens einen Ortsfiltersignals ein betrachteter Ausschnitt des wenigstens einen Objekts oder Objektkollektivs wenigstens zeitweise oder dauerhaft wenigstens annähernd konstant gehalten wird.
Das erfindungsgemäße Ortsfiltermessverfahren behebt auf grundsätzliche Weise das zuvor beschriebene Problem, dass Phasensprünge und Phasenänderungen zusammen mit kleinen Amplituden die Genauigkeit der Ortsfiltermessung grundsätzlich begrenzen. Bislang werden üblicherweise sämtliche aufgenommenen Bildinformationen zur Generierung eines Ortsfiltersignals verwendet und der Signalinhalt für die Versatzschätzung wurde nicht optimiert.
Demgegenüber sieht die vorliegende Erfindung die bereits konzeptionell völlig unterschiedliche Vorgehensweise vor, zumindest zeitweise Phasenschwankungen aufgrund von Änderungen der Bilddatenbasis so vollständig wie möglich zu unterdrücken, indem über einen, insbesondere möglichst langen, Zeitraum dieselben Bildinformationen für das Ortsfiltermessverfahren verwendet werden. Dadurch werden die Phasenänderungen im Ortsfiltersignal auf die Beiträge von unvermeidbarem Bildrauschen und gegebenenfalls von unvermeidbaren geringen Ungenauigkeiten bei der Konstanthaltung des betrachteten Ausschnitts des betrachteten Objekts bzw. Objektkollektivs begrenzt. Auf diese Weise werden die spektralen Koeffizienten des erzeugten Ortsfiltersignals konstant oder weitgehend konstant gehalten. Mit diesen reinen Ortsfiltersignalen ist somit eine sehr genaue und phasensprungfreie bzw. -arme Geschwindigkeitsmessung möglich. Des Weiteren ergeben sich durch die Konstanthaltung der Bildinformationen weitere Vorteile für die Auswertung und Validierung des Ortsfiltersignals. Einerseits ergibt die Konstanthaltung der Bildinformationen, im Gegensatz zu bisherigen Auswerteverfahren, wenigstens zeitweise zeitlich konstante Amplituden der komplexen Ortsfiltersignale. Diese wiederum können als direktes und eindeutiges Maß für die Zuverlässigkeit der Geschwindigkeitsschätzung herangezogen werden. Damit ergeben sich Informationen zu der lokalen Qualität des Signals. Andererseits kann die Bildinformation zwar nicht zeitlich beliebig lange konstant gehalten werden, jedoch sind die Signalstellen, an denen keine Konstanz der Bildinhalte vorliegt und damit ein Phasensprung vorhanden ist, bekannt und auf wenige Messwerte reduziert. Damit können die aufgrund von Phasensprüngen unsicheren Messwerte auf eine Minimalanzahl reduziert und identifiziert werden und entweder eliminiert oder gegebenenfalls durch valide Messwerte, z.B. anderer Ortsfilter, ersetzt werden. Es ergibt sich eine Verbesserung der Genauigkeit bzw. Reduzierung des Phasenrauschens um eine Größenordnung gegenüber bekannten Methoden der Signalvalidierung und Plausibilitätsprüfung von Ortsfiltersignalen.
Eine weitere Verbesserung ergibt sich in dem Fall, dass mehrere Ortsfiltersignale gleichzeitig gemessen werden, wenn vorteilhafterweise bei mehreren Ortsfiltersignalen die Ortsfiltersignale mit den höchsten Amplituden ausgewählt werden. Diese werden im Zweifelsfall die höchste Phasenstabilität und das höchste Signal-Rausch-Verhältnis aufweisen
Bezüglich der Konstanthaltung der Bilddatenbasis gibt es mehrere Möglichkeiten. In einer vorteilhaften Ausgestaltung, die insbesondere bei linearen Relativbewegungen einfach anzuwenden ist, werden Bilddaten aus einer Serie von aufeinanderfolgenden Teilmessfeldern verwendet, die sich innerhalb des Aufnahmemessfelds mit dem Objekt oder Objektkollektiv mitbewegen. Dabei bleiben vorzugsweise Messwerte des Ortsfiltersignals, die beim Übergang von einem Teilmessfeld auf ein nachfolgendes Teilmessfeld entstehen, unberücksichtigt, wobei insbesondere ein solcher Messwert durch einen vorangegangenen Messwert, einen aus vorangegangenen Messwerten interpolierten Messwert oder durch einen Messwert eines anderen Ortsfilters oder eines anderen Teilmessfeldes ersetzt wird.
Bei dieser vorteilhaften Vorgehensweise wird jeweils ein Teilbereich des beobachteten Bereichs ausgewählt und innerhalb des Aufnahmemessfelds mit der Relativbewegung und -bewegungsrichtung zwischen Objekt und Ortsfiltermessvorrichtung mitbewegt. So liegen in jeder nachfolgenden Aufnahme, in der der Teilbereich noch vollständig innerhalb des Aufnahmemessfelds liegt, dieselben oder nahezu dieselben Bildinformationen vor, auf die der gegenüber dem im Referenzsystem der Ortsfiltermessvorrichtung stationäre Ortsfilter angewendet wird. Da somit nunmehr ein konstanter Bildausschnitt an dem Ortsfilter vorbeigeführt wird, ist das Ortsfiltersignal ein im Wesentlichen phasenreines Signal, also ein Ortsfiltersignal mit im Rahmen des Bildrauschens und der Genauigkeit der Bestimmung des nachverfolgten Teilmessfelds verschwindender Frequenzänderung
Bei dieser Verfahrensführung erzeugt die Anwendung des Ortsfilters auf die Bilddaten jedes nachverfolgten Teilmessfelds einen zeitlich auf die Dauer der „Existenz“ des Teilmessfelds im Aufnahmemessfeld begrenzten Teilzug oder Ausschnitt des Ortsfiltersignals. Als Analysemethode für das Ortsfiltersignal zur Bestimmung der Ortsfilterfrequenz und die Extraktion einer Geschwindigkeitsinformation können prinzipiell alle oben genannten Verfahren angewendet werden. Die Auswahl sollte sich jedoch nach der Länge der Ortsfiltersignalteilzüge richten. Das Drehzeigerverfahren beispielsweise ist in vielen Fällen zur Auswertung des Ortsfiltersignals geeignet, selbst wenn die Längen der Ortsfiltersignalteilzüge weniger als eine vollständige Periode, beispielsweise Sinusperiode oder Kosinusperiode, betragen. Zwei aufeinanderfolgende Messpunkte bzw. Aufnahmen genügen in diesem Fall, um aus der zeitlichen Phasenänderung die Frequenz zu schätzen. In diesem Fall ist es auch besonders einfach möglich, die Lücken zu ersetzen bzw. aufzufüllen, die bei dem Übergang von einem Teilmessfeld zum nächsten Teilmessfeld entstehen. Bei längeren Ortsfiltersignalzügen, die mehrere Schwingungsperioden durchlaufen, ist auch die Nulldurchgangsdetektion mit Periodendauermessung anwendbar, ebenso wie die Autokorrelationsphase oder die Auswertung des Leistungsdichtespektrums.
Vorteilhafterweise wird ein neues Teilmessfeld erzeugt, sobald ein vorangegangenes Teilmessfeld eine Grenze des Aufnahmemessfeldes erreicht hat. Somit wird ein neues Teilmessfeld ausgesucht, sobald der beobachtete Teilbereich aus dem Aufnahmemessfeld hausläuft. Dies ist bereits absehbar, da der Ort des beobachteten Teilbereichs im Aufnahmemessfeld in jeder Aufnahme bekannt ist. Das neue Teilmessfeld umfasst wenigstens teilweise einen neu hinzugekommenen Bildausschnitt im Aufnahmemessfeld. Dies geht im Allgemeinen mit einem Amplituden- und Phasensprung im Ortsfiltersignal einher. Dieser wird aber erwartet bzw. ist aufgrund der Änderung des Teilmessfelds bekannt, so dass dieser Übergang bei der Ermittlung der Geschwindigkeit ausgeschlossen werden kann. Ein Vorteil dabei ist, dass nur der Messwert, der bei Änderung des Teilmessfeldes erzeugt wird, durch den Phasensprung fehlerbehaftet ist. Im Gegensatz dazu liegt bei der herkömmlichen Auswertung ein kontinuierlicher Übergang über eine Vielzahl von ungenauen Messwerten vor. Der nachfolgende Teilsignalzug des Ortsfiltersignals von dem weiteren Teilmessfeld ergibt dann wieder ein im Wesentlichen phasenreines Signal, wobei sich nur die Phase und die Amplitude des Signals von dem des vorhergehenden Signalabschnittes unterscheiden.
Ist ein Phasensprung als Übergang von einem Teilmessfeld zu einem anderen Teilmessfeld erkannt worden, so kann der Messwert an dieser Stelle entweder verworfen oder durch einen interpolierten oder validen Messwert ersetzt werden. Ein interpolierter Messwert kann beispielsweise durch einen vorangegangenen Messwert oder durch einen Mittelwert vorangegangener Messwerte erzeugt werden. Ein anderer valider Messwert kann mittels eines anderen Ortsfilters, für den an dieser Stelle kein Phasensprung auftrat, oder mittels eines anderen Teilmessfeldes innerhalb des Aufnahmemessfeldes ermittelt werden.
Zum Konstanthalten der Bildinformation in einem Teilmessfeld wird das Teilmessfeld mit dem Objekt oder dem Objektkollektiv mitbewegt. Hierfür kann zunächst eine Abschätzung der erst noch zu bestimmenden Geschwindigkeit der Objekte im Bildausschnitt verwendet werden. Typischerweise weist die Abschätzung eine Genauigkeit von einem oder einigen wenigen Pixeln auf, was für die Konstanthaltung der spektralen Bildinformation ausreicht. Dagegen liegt die Genauigkeit der Versatzschätzung mittels Ortsfilter bei Vernachlässigung der Phasensprünge im Subpixelbereich, von kleiner als einem Pixel bis zu 0,01 Pixel.
Dies bedeutet einen zwei- oder mehrstufigen Prozess, in dem zunächst einmal ein „vorläufiges“ Ortsfiltersignal bezüglich der Bilddaten des gesamten Aufnahmemessfelds erzeugt wird und analysiert wird. Dieses Ortsfiltersignal ist mit Phasensprüngen behaftet, stellt aber eine Basis für eine Abschätzung der Relativgeschwindigkeit dar. In die Abschätzung können auch die vorhergehenden gemittelten oder interpolierten Geschwindigkeitswerte eingehen. Auf dieser Grundlage kann dann ein Teilmessfeld, insbesondere willkürlich, innerhalb des Aufnahmemessfeldes definiert und mit der so bestimmten Geschwindigkeit mitbewegt werden innerhalb des Aufnahmemessfeldes. Das in dem mitbewegten Aufnahmemessfeld erzeugte Ortsfiltersignal ist dann bereits weniger Schwankungen unterlegen, so dass bereits durch diese Maßnahme die Messung verbessert wird. Die entsprechend verbesserte Messung kann auch wiederum für die Anpassung der Mitbewegungsgeschwindigkeit des Teilmessfelds im Aufnahmemessfeld oder aber des darauffolgenden nächsten Teilmessfeldes verwendet werden, so dass eine fortlaufende Annäherung an die tatsächliche Relativgeschwindigkeit und Bewegungsrichtung erfolgt.
In einer zusätzlichen oder alternativen vorteilhaften Weiterbildung ist vorgesehen, dass Begrenzungen der Teilmessfelder durch wenigstens eine, insbesondere eindimensionale, Bildsignalanalyse ermittelt werden, bei der zu jeder Aufnahme wenigstens ein charakteristischer, insbesondere eindimensionaler projizierter, Bildsignalverlauf erzeugt wird, indem die erfassten Bilddaten aus dem Aufnahmemessfeld, insbesondere spalten- und/oder reihenweise, aufsummiert und/oder gemittelt werden. Diese Bildsignalanalyse ermöglicht es, die Relativbewegung des Objekts bzw. Objektkollektivs im Aufnahmemessfeld anhand der ursprünglichen Bilddaten bei geringem Aufwand und mit einer Genauigkeit von einem oder einigen wenigen Pixeln abzuschätzen, um die Mitbewegungsgeschwindigkeit des Teilmessfeldes im Aufnahmemessfeld zu determinieren. Dies kann auch eine Nachverfolgung von bestimmten Strukturen im Bildsignal sein oder die Erkennung bestimmter Strukturen im Bildsignalverlauf, die in aufeinanderfolgenden Aufnahmen räumlich versetzt wiederkehren.
Hierzu werden vorzugsweise die Begrenzungen der Teilmessfelder an Signifikanzstellen im projizierten Bildsignalverlauf gesetzt. Signifikanzstellen sind insbesondere Extremwerte oder qualifizierte Schwellwertdurchgänge. Unter einem qualifizierten Schwellwertdurchgang wird ein Schwellwertdurchgang verstanden, der eine ausreichende Amplitudenänderung aufweist, so dass nicht jedes kleine Bildrauschen, das zufällig auch den Schwellwert durchläuft, als Signifikanzstelle erkannt wird. Auch Extremwerte sind durch ihre Hervorhebung gegenüber dem umgebenden Signalverlauf oder durch Überschreiten eines oberen Schwellwertes oder Unterschreiten eines unteren Schwellwertes auffällig, wobei ggf. ebenfalls ein ausreichender Hub vorhanden sein muss. Als Schwellwertdurchgänge können negative Schwellwertdurchgänge mit absteigender Flanke und/oder positive Schwellwertdurchgänge mit aufsteigender Flanke verwendet werden. Extremwerte können lokale Maxima und/oder lokale Minima sein.
Die Signifikanzstellen können außerdem in ihrer räumlichen Beziehung zueinander bestimmten Bedingungen unterworfen werden. So kann ein Mindestabstand zwischen den ausgewählten Signifikanzstellen, die den Beginn und das Ende eines Teilmessfelds im Aufnahmemessfeld kennzeichnen, definiert werden, damit die verwendeten Bildanteile nicht zu klein werden. Andererseits kann auch ein Maximumwert für den Abstand bestimmt werden, damit ausreichend lange Teilsignalzüge des Ortsfiltersignals sichergestellt werden, da zu große Teilmessfelder im Aufnahmemessfeld sehr schnell aus dem Aufnahmemessfeld herauslaufen würden. Die so definierte maximale Erstreckung eines Teilmessfelds im Aufnahmemessfeld in Bewegungsrichtung kann auch abhängig von der Periodizität der verwendeten Ortsfilterfunktion im gesamten Aufnahmemessfeld gemacht werden, damit sichergestellt wird, dass beim Durchlaufen des Aufnahmemessfeldes das Teilmessfeld wenigstens eine ganze oder mehrere Perioden des Ortsfilters durchläuft.
Besonders bevorzugt ist bei der Festlegung eines neuen Teilmessfelds die Auswahl der zuletzt in das Aufnahmemessfeld hereingelaufenen Signifikanzstelle als nachlaufende Teilmessfeldbegrenzung und einer vorauslaufenden Signifikanzstelle, deren räumlicher Abstand zur nachlaufenden Teilmessfeldbegrenzung zwischen einem Minimalabstand und einem Maximalabstand liegt, als vorauslaufende Teilmessfeldbegrenzung.
Ebenfalls vorteilhafterweise wird bei einem neu zu erzeugenden Teilmessfeld jeweils das erste und/oder letzte Vorkommen der Signifikanzstellen im projizierten Bildsignalverlauf als Teilmessfeldbegrenzung verwendet, bis die vorauslaufende Signifikanzstelle aus dem Aufnahmemessfeld herausläuft. Alternativ wird ebenfalls vorteilhaft ein neues Teilmessfeld erzeugt, sobald sich der Abstand zwischen den erkannten ersten und letzten Vorkommen von Signifikanzstellen im projizierten Bildsignalverlauf ändert. Ebenfalls alternativ können auch die jeweils stärksten Signifikanzstellen verwendet werden. Bei dem Übergang von einem Teilmessfeld zum nächsten ist es nicht erforderlich, dass das gesamte Teilmessfeld ersetzt wird. Aufeinanderfolgende Teilmessfelder können auch überlappen. Im Falle des Wechsels eines Teilmessfeldes kann vorteilhafterweise auch ein anderes Teilmessfeld genutzt werden, das keinen Wechsel aufweist. Somit kann der nichtvalide Ortsfiltermesswert des einen Teilmessfeldes durch den Ortsfiltermesswert des anderen Teilmessfeldes ersetzt wird.
Vorzugsweise wird ein Wechsel der Teilmessfelder anhand einer Änderung einer Position, eines Abstands und/oder einer Amplitude der Signifikanzstellen im Aufnahmemessfeld und/oder Teilmessfeld bestimmt.
Da sich die räumliche Beziehung der Signifikanzstellen in einem Teilmessfeld nicht oder nur geringfügig gegeneinander verschiebt, kann anhand der Lage oder des Musters der Signifikanzstellen und der Länge des Teilmessfeldes vorteilhafterweise ein Wechsel von Teilmessfeldern und damit die Phasensprünge identifiziert und eingegrenzt werden. Somit kann bei der Ortsfiltertechnik der Einfluss der Phasensprünge vollständig eliminiert werden.
Eine weitere Möglichkeit, die Bilddatenbasis konstant zu halten, eröffnet sich bei rotierenden Bewegungen. So sieht eine alternative Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Ortsfiltermessverfahrens vor, dass bei einer rotierenden Relativbewegung des wenigstens einen Objekts oder Objektkollektivs zur Ortsfiltermessvorrichtung ein kreis- oder ringförmiger Ortsfilter mit in Umfangsrichtung modulierter Struktur verwendet wird, dessen Zentrum auf einem Rotationszentrum der rotierenden Relativbewegung liegt. Bei einer rotierenden Relativbewegung, die beispielsweise bei rotierenden Walzen, Rädern etc. gegeben ist, ist es möglich, den gewählten Bildausschnitt konstant zu halten, da durch die Kreisbewegung immer dieselbe Oberflächenstruktur eines sich bewegenden Objekts oder Struktur eines sich drehenden Objektkollektivs die Bilddatenbasis darstellt. Ein kreis- oder ringförmiger Ortsfilter mit in Umfangsrichtung modulierter Struktur hat in dem Fall den Vorteil, dass keine Bildbestandteile aus dem kreis- oder ringförmigen Aufnahmemessfeld herauslaufen oder neu in dieses hineinlaufen, so dass bereits auf diese Weise kontinuierlich der betrachtete Ausschnitt des wenigstens einen Objekts oder Objektkollektivs dauerhaft konstant gehalten wird. Das so erzeugte Ortsfiltersignal ist dauerhaft phasenstabil.
Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird auch gelöst durch eine Ortsfiltermessvorrichtung mit einer Aufnahmevorrichtung und einer Bilddatenverarbeitungseinrichtung, die mittels einer Bilddatenverarbeitungssoftware oder als FPGA eingerichtet ist, ein zuvor beschriebenes erfindungsgemäßes Ortsfiltermessverfahren auszuführen. Damit bietet die erfindungsgemäße Ortsfiltermessvorrichtung die gleichen Vorteile, Merkmale und Eigenschaften wie das erfindungsgemäße Ortsfiltermessverfahren, das in der Ortsfiltermessvorrichtung ausgeführt wird.
Weitere Merkmale der Erfindung werden aus der Beschreibung erfindungsgemäßer Ausführungsformen zusammen mit den Ansprüchen und den beigefügten Zeichnungen ersichtlich. Erfindungsgemäße Ausführungsformen können einzelne Merkmale oder eine Kombination mehrerer Merkmale erfüllen.
Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben, wobei bezüglich aller im Text nicht näher erläuterten erfindungsgemäßen Einzelheiten ausdrücklich auf die Zeichnungen verwiesen wird. Es zeigen:
1 einen Aufbau eines bekannten klassischen optischen Ortsfiltermesssystems in schematischer Darstellung,
2 bekannte Realisierungen einer räumlich orthogonalen Gitterfunktion am Beispiel eines Einfach-Differenzgitters in schematischer Darstellung,
3 ein Beispiel einer Intensitätsverteilung von Bildhelligkeiten,
4 ein Beispiel einer Signalentstehung bei vorgegebenem Ortsfilter und Verschiebung der Intensitätsverteilung aus 3,
5 den beispielhaften zeitlichen Verlauf eines komplexen Ortsfiltersignals mit harmonischem Ortsfilter mit ausgewerteten Größen,
6 eine beispielhafte Ausführung eines erfindungsgemäßen Ortsfiltermessverfahrens,
7 eine beispielhafte Darstellung eines resultierenden Ortsfiltersignals bei einem erfindungsgemäßen Ortsfiltermessverfahren mit aufeinanderfolgenden Teilmessfeldern,
8 den beispielhaften zeitlichen Verlauf eines komplexen Ortsfiltersignals mit harmonischem Ortsfilter bei einem erfindungsgemäßen Ortsfilterverfahren sowie die abgeleiteten Größen und
9 einen ringförmigen Ortsfilter mit in Umfangsrichtung modulierter Struktur.
In den Zeichnungen sind jeweils gleiche oder gleichartige Elemente und/oder Teile mit denselben Bezugsziffern versehen, so dass von einer erneuten Vorstellung jeweils abgesehen wird.
In 1 ist ein Aufbau eines klassischen optischen Ortsfiltermesssystems mit einer Ortsfiltermessvorrichtung 100 dargestellt, wie sie beispielsweise aus der oben erwähnten Dissertation von M. Schaeper, „Mehrdimensionale Ortsfiltertechnik", Universität Rostock, 2013, beschrieben ist.
Die Ortsfiltermessvorrichtung 100 umfasst einen Photoempfänger 102, der Licht von einem in Bewegungsrichtung 4 bewegten Objekt 2 mit einer beleuchteten Struktur durch ein optisches System empfängt. Dieses umfasst eine Abbildungsoptik 108, in deren Bildebene ein als optisches Gitter ausgebildeter Ortsfilter 106 angeordnet ist. Das durch den Ortsfilter 106 hindurchgelassene Licht wird mittels einer Optik 104 auf den Photoempfänger 102 gebündelt und integriert. Der Ortsfilter 106 bewirkt, dass jeder Bildpunkt des Objekts 2 mit der Ortsfilterfunktion, hier mit der Transmissionsfunktion des Ortsfilters 106, gewichtet wird. Die Grundfrequenz eines jeden Lichtpunkts ist proportional zur Bewegungsgeschwindigkeit des Oberflächenpunktes. Da dies für alle Bildpunkte gilt, ergibt sich eine zeitliche Modulation der Lichtmenge, die den Ortsfilter 106 passiert und bei dem Photoempfänger 102 ankommt. Wenn alle Bildpunkte mit der gleichen Relativgeschwindigkeit zur Abbildungsoptik 108 bewegt sind, ergibt sich ein sehr reines Frequenzspektrum des modulierten Lichts. Die Bewegungsgeschwindigkeit der Relativbewegung senkrecht zur Orientierung des optischen Gitters des Ortsfilters 106 ist dann das Produkt aus der Trägerfrequenz des aufgenommenen Zeitsignals und der Gitterperiode des verwendeten Gitters, wobei auch noch der Vergrößerungsmaßstab des Objektivs umgekehrt proportional hinzukommt.
In 2a), 2b) sind schematisch Realisierungen zweier Ortsfiltermessvorrichtungen 120 (2a) bzw. 120' (2b) am Beispiel eines Einfach-Differenzgitters gezeigt, die im Wesentlichen ebenfalls der Dissertation von M. Schaeper entnehmbar ist. An die Stelle einer Kombination eines optischen Gitters als Ortsfilter und eines Photoempfängers tritt ein strukturierter Empfänger in Form eines Matrixempfängers 122 oder eines Zeilenempfängers 123 der Ortsfiltermessvorrichtung 120, 120', der Bildinformationen von dem Objekt 2, das sich in einer Bewegungsrichtung 4 bewegt, durch eine Abbildungsoptik 124 empfängt. Die Kombination aus Abbildungsoptik 124 und strukturiertem Empfänger 122, 123 definiert auf der Oberfläche des Objekts 2 ein Aufnahmemessfeld 125, das einen Teil der Oberfläche des Objekts 2 umfasst.
Der strukturierte Matrixempfänger 122, beispielsweise ein CCD- oder CMOS-Bildempfänger, umfasst in Spalten und Zeilen angeordnete Bildpixel. Um ein Ortsfiltersignal s(t) (Bezugszeichen 14) zu erzeugen, werden im elektronisch realisierten Ortsfilter 106 die Lichthelligkeitsinformationen aller Bildpixel mit den Gewichten 126 multipliziert und spaltenweise addiert 127, wobei durch die Gewichte 126 die Ortsfilterfunktion 106 definiert wird. Die entsprechenden Auslesepfade 128 sind mit durchgezogenen Linien angedeutet.
Im Unterschied zum in 2a) dargestellten Matrixempfänger 122, bei dem die Signale der Matrixelemente innerhalb jeder Spalte aufsummiert werden, weist der in 2b) dargestellte Zeilenempfänger 123 bereits nur eine Zeile mit Matrixelementen auf. Entsprechend ist das korrespondierende Aufnahmemessfeld 125 wesentlich schmaler ausgebildet als beim Matrixempfänger 122.
Die Periodizität und die Wichtungsfunktionen des Ortsfilters 106 können auch geändert werden. Es können so auch Gewichtungen wie beispielsweise Kosinus- oder Sinusfunktionen oder komplexe Wichtungsfunktionen angewendet werden Es können auch mehrere Ortsfilter auf ein Bild angewendet werden. Dies ist entweder softwaremäßig oder mittels programmierbarer FPGA beispielsweise möglich.
Die Ortsfiltersignale der Ortsfiltermessvorrichtung 100, 120 aus den 1 und 2 sind notwendigerweise phasensprung- bzw. phasenvariationsbehaftet, da fortlaufend durch die Relativbewegung zwischen Objekt 2 und der Ortsfiltermessvorrichtung 100, 120 Teile der Oberfläche des Objekts 2 aus dem Aufnahmemessfeld herauslaufen und neue Teile hineinlaufen, so dass die Datenbasis, auf der die Ortsfiltersignalerzeugung beruht, ständig wechselt.
Um das erfindungsgemäße Vorgehen näher zu beleuchten, wird in den folgenden 3 bis 5 zunächst der Effekt des Phasenrauschens dargestellt. Auch die 3 und 4 entstammen der Dissertation von M. Schaeper.
3 zeigt einen beispielhaften Verlauf einer Intensitätsverteilung eines Bildhelligkeitssignals 10 von aufgenommenen Bilddaten entlang der Längserstreckung eines Objekts in dessen Bewegungsrichtung 4. Die Bewegungsrichtung bzw. Ortserstreckung wird auch mit x als Ortskoordinate bezeichnet. Die Intensität ist in einer normierten Amplitude zwischen 0 und 1 für Intensitätswerte zwischen Schwarz (Wert 0) und Weiß (Wert 1) dargestellt. Die Intensitätsverteilung schwankt zwischen etwa 0,4 und 0,7.
Entlang der x-Erstreckung des Bildhelligkeitssignals sind mit Pfeilen Stellen bzw. Ortspositionen gekennzeichnet, an denen sich ein vorauslaufender Bildrand des Aufnahmemessfelds zu verschiedenen Zeitpunkten t₁ bis t₄ befindet, wobei sich das Objekt in Bewegungsrichtung 4 durch das Aufnahmemessfeld hindurch bewegt. Zwischen den Zeitpunkten t₁ bis t₄ bewegt sich das Objekt relativ zum Aufnahmemessfeld jeweils um die Breite des Aufnahmemessfelds weiter, das somit die Erstreckung aufweist, die durch den Abstand der Pfeile zu den Zeitpunkten t₁ bis t₄ dargestellt ist.
In der Darstellung der 3 ist das Aufnahmemessfeld als zeitlich bewegt gegenüber den Helligkeitsdaten des Objekts dargestellt. Für das Ortsfiltermessverfahren ist es allerdings unerheblich, ob sich das Objekt bewegt oder das Aufnahmemessfeld, da es auf die Relativbewegung ankommt.
In 4 ist auf der linken Seite eine untereinander gestaffelte Folge von Darstellungen gezeigt, in denen sich das Bildhelligkeitssignal 10 aus 3 sich jeweils um die Breite des Aufnahmemessfeldes weiterbewegt. Es sind somit Schnappschüsse zu den Zeitpunkten t₁ bis t₄. Das Aufnahmemessfeld erstreckt sich zwischen x = 0 und x_B, seine Erstreckung in Bewegungsrichtung beträgt somit x_B.
Dem Bildhelligkeitssignal 10 ist ein Ortsfilter 12 überlagert, der vier Perioden eines Kosinussignals enthält, das zwischen den Werten –1 und +1 alterniert. Nur in diesem Bereich des Aufnahmemessfelds zwischen x = 0 und x_B wird das Bildhelligkeitssignal 10 mit dem Ortsfilter 12 gefaltet bzw. gewichtet aufsummiert. Die außerhalb des Aufnahmemessfelds liegenden Bildhelligkeitsinformationen fließen nicht in die Messung ein, da sie für den Bildsensor nicht sichtbar sind. Das entstehende Ortsfiltersignal s(t) ist in 4 rechts dargestellt mit einer vertikalen nach unten verlaufenden Zeitachse. Die Zeitpunkte t₁ bis t₄ sind mit Pfeilen und Kreuzen auf dem Ortsfiltersignal s(t), dessen Realteil 14 dargestellt ist, gekennzeichnet.
Es ist in 4 erkennbar, dass das Ortsfiltersignal 14 zwischen den Zeitpunkten t₁ und t₂ eine sehr geringe Amplitude und eine relativ unregelmäßige Struktur aufweist, die wenig Gemeinsamkeiten mit einer reinen Sinus- oder Kosinusfunktion aufweist. Etwa um den Zeitpunkt t₃ herum ist die Amplitude sehr groß und das Signal sehr regelmäßig. Etwa zum Zeitpunkt t₄ ist bei mittelgroßer Signalamplitude eine Unregelmäßigkeit in dem alternierenden Signal zu erkennen, was auf eine Phasenänderung hindeutet.
Das in 4 gezeigte Beispiel betrifft ein Kosinus-Ortsgitter mit einer Periodizität μx_B von 4. Es sind allerdings auch für beliebige andere Periodizitäten Ortsfiltersignale produzierbar.
In den vorangegangen 3 und 4 war jeweils nur ein Kosinusgitter betrachtet worden, das einem Realteil eines komplexen Ortsfiltersignals entspricht. 5 zeigt das zeitliche Verhalten eines komplexen Ortsfiltersignals. Im Bildteil 5a) sind der Realteil 14, der Imaginärteil 15 und der Betrag der Amplitude 16 dargestellt. Realteil 14 und Imaginärteil 15 werden mit jeweils einem um 90° verschobenen Ortsfiltergitter derselben Periodizität erzeugt. Die obere einhüllende Kurve entspricht dem Betrag 16 des komplexen Ortsfiltersignals und kann aus Realteil 14 und Imaginärteil 15 bei der Auswertung berechnet werden.
Auch hier ist erkennbar, dass der Betrag der Amplitude 16 des komplexen Ortsfiltersignals in Teilen des Verlaufs sehr klein ist. In diesen Bereichen ist mit einem vergleichsweise schlechten Signal und einer ungenauen Messung zu rechnen. Im Bildteil 5b) ist die aus Realteil 14 und Imaginärteil 15 berechnete Phase 17 des komplexen Ortsfiltersignals dargestellt. In Bereichen hoher Amplitude 16 ergibt sich ein nahezu linearer Phasenanstieg. In Bereichen mit geringer Amplitude 16 sind stärkere Abweichungen von der Linearität zu erkennen.
Im Bildteil 5c) ist das Phasendifferenzsignal 18 gewichtet mit der Ortsfilterperiode und dem Vergrößerungsmaßstab als Bildversatz bzw. bestimmter Geschwindigkeitsverlauf dargestellt. Die Phasendifferenz ist dabei die Änderung der Phase 17 zwischen zwei Bildern und entspricht dem Drehzeigersignalverfahren zur Bestimmung der Objektgeschwindigkeit. Es treten Abweichungen gegenüber dem wahren Bildversatz 19 auf. Die Abweichungen werden umso größer, je kleiner die Amplitude 16 des Ortsfiltersignals ist. Weiterhin sind auch bei hohen Amplituden Abweichungen vom wahren Wert ersichtlich. Ein Plausibilitätstest dient dazu, den Einfluss des Rauschens und von Phasensprüngen im Signal durch Mittelung und Ausschluss unzuverlässiger Messungen zu minimieren. Zum Beispiel könnten Geschwindigkeitsschwankungen auf einen maximalen Wert limitiert werden. Es könnten so ohne Probleme starke Abweichungen 21 erkannt werden. Sollen jedoch auch geringere Abweichungen 22 aufgrund von kleineren Phasensprüngen erkannt werden, so muss die Schwelle sehr niedrig gelegt werden und viele Signalwerte sind ungültig.
In den 6 bis 9 sind Eigenschaften des erfindungsgemäßen Ortsfiltermessverfahrens dargestellt, die die zuvor gezeigten Einschränkungen des herkömmlichen Ortsfiltermessverfahrens aufheben.
6 zeigt schematisch die Vorgehensweise bei einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens. In diesem beispielhaften Fall findet eine lineare Bewegung statt, bei der sich ein Objekt 2 oder Objektkollektiv durch ein Aufnahmemessfeld 60, wie vorstehend beschrieben, hindurchbewegt. Die acht untereinander abgebildeten Kurven betreffen jeweils das auf dem Ortsfilter abgebildete Objekt oder Objektkollektiv 2 zu unterschiedlichen fortlaufenden Zeitpunkten. Die gestrichelten Kurven 61 entsprechen dem Bildhelligkeitssignal 10 im Aufnahmemessfeld 60, welches z.B. der Zeilensensor 123 aus 2b) aufnimmt.
In dem Bildhelligkeitssignal werden innerhalb des jeweiligen Auf nahmemessfeldes Signifikanzstellen 62 ^1-3, 63 ^1-2 gesucht. Hierbei handelt es sich in dem Ausführungsbeispiel gemäß 6 um den jeweils ersten und letzten negativen Schwellwertdurchgang im Aufnahmemessfeld 60. Zwischen diesen jeweils zwei erkannten Signifi kanzstellen 62 ^1-3, 63 ^1-2, beispielsweise dem ersten (62 ^1-3) und dem letzten (63 ^1-2) innerhalb des Intervalls, wird ein betrachteter Ausschnitt als Teilmessfeld 64 ^1-4 definiert, der bezüglich des Bildhelligkeitssignals 61 ortsfest bleibt, bis es aus dem Aufnahmemessfeld 60 hinausläuft. Sobald dies geschieht, werden neue Signifikanzstellen innerhalb des Aufnahmemessfelds gesucht, um ein neues Teilmessfeld zu definieren. Es kann zwischen den in 6 dargestellten Zeitpunkten auch mehrere Zeitpunkte gegeben haben, in denen die Teilmessfelder neu definiert wurden. Abweichend von dem in 6 dargestellten Auswahlkriterium können auch kleinere oder größere Teilmessfelder ausgewählt werden, die länger bzw. kürzer im Aufnahmemessfeld 60 verbleiben.
Die Bildhelligkeitssignale 61 der Teilmessfelder 64 ^1-4 werden mit dem Ortsfilter 106 gewichtet und durch Summation das Ortsfiltersignal 14 gebildet. Die Bildhelligkeitsmesswerte, die außerhalb der Teilmessfelder 64 ^1-4 liegen, fließen dabei nicht in die Bildung des Ortsfiltersignals ein und werden vorteilhafterweise vor der Summation auf Null gesetzt oder mit Null gewichtet.
7 zeigt beispielhaft schematisch das Resultat des so erzeugten Ortsfiltersignals. Solange, wie ein Teilmessfeld 64 ^1-4 innerhalb des Aufnahmemessfeldes 60 verbleibt, ergibt sich für das Ortsfiltersignal s(t) jeweils ein Ortsfiltersignalabschnitt 74 bis 74‘‘‘‘, das jeweils ein Teilzug eines monofrequenten Sinus- bzw. Kosinussignals ist, wenn die Ortsfilterfunktion ebenfalls eine Sinus- oder Kosinusfunktion war. Abweichungen von dieser reinen Signalstruktur stammen vom vorhandenen Bildrauschen und möglicherweise auftretenden Ungenauigkeiten bei der Verfolgung der Teilmessfelder 64 ^1-4. Diese Ortsfiltersignalabschnitte 74 bis 74‘‘‘‘ können entweder Bruchteile einer Periode oder eine oder mehrere Perioden umfassen, je nach Wahl der minimalen oder maximalen Breite der Teilmessfelder 64 ^1-4 innerhalb des Aufnahmemessfelds 60. Jeweils an den Stellen 76, an denen ein Teilmessfeld 64 ^1-4 aus dem Aufnahmemessfeld 60 herausläuft und durch ein neues Teilmessfeld 64 ^1-4 ersetzt wird, sind gestrichelte vertikale Linien dargestellt, die diesen Übergang kennzeichnen. An diesen Stellen liegt kein gültiger Messwert vor. Dieser kann durch die letzte vorhergehende Messung, einen Mittelwert aus vorhergehenden Messungen oder andere valide Ortsfiltermesswerte ersetzt werden. Obwohl sich die Amplituden und Phasen der einzelnen Ortsfiltersignalabschnitte 74 bis 74‘‘‘‘ voneinander unterscheiden, so ist deren Grundfrequenz doch jeweils die gleiche.
8 zeigt das Ergebnis für den gleichen Signalzug und die gleiche Ortsfilterwichtung aus 5. Im Bildteil 8a) sind wiederum das komplexe Ortsfiltersignal mit Realteil 14 und Imaginärteil 15 sowie die daraus gebildete Signalamplitude 16 zu erkennen. Wie in 8 dargestellt sind Realteil 14 und Imaginärteil 15 abschnittsweise harmonisch und die Amplitude 16 ist abschnittsweise konstant.
Im Bildteil 8b) ist wiederum die Phase 17 des komplexen Ortsfiltersignals aufgetragen. Diese ist nun, im Gegensatz zur bisherigen Ortsfiltertechnik, für ein Teilmessfeld 64 ^1-4 nahezu linear und weist Sprünge 23 bei Änderungen des Teilmessfeldes 64 ^1-4 auf.
Diese Sprünge 23 sind durch horizontale Linien angegeben und wurden aus der Änderung der Signifikanzpunkte 62 ^1-3, 63 ^1-2 bzw. der Teilmessfelder 64 ^1-4 abgeleitet. Damit sind die Phasensprünge im Ortsfiltersignal auf einen Messwert lokalisiert und über die Änderungen der Teilmessfelder 64 ^1-4 detektierbar.
Im Bildteil 8c) ist wiederum der Bildversatz, der wahre Wert 19 sowie die, nun stückweise konstante, Amplitude 16 dargestellt. Vergleichend zu 5 ist zu erkennen, dass die Genauigkeit der Geschwindigkeitsschätzung stark verbessert ist. Auch bei hohen Amplituden treten keine systematischen Aufweichungen vom wahren Wert auf und das Rauschen im Phasendifferenzsignal 18 ist signifikant reduziert. Für kleine Amplituden ist der Messwert unsicherer und es treten höhere Schwankungen auf. Allerdings kann über die Signalamplitude in diesen Bereichen das Auftreten unsicherer Messwerte identifiziert werden. Hierfür könnte z.B. beim Unterschreiten einer Amplitudenschwelle genau wie an den Stellen der Phasensprünge 23 der Messwert verworfen, interpoliert oder durch einen sichereren Messwert eines anderen Ortsfilters oder Teilmessfeldes ersetzt werden.
9 zeigt schematisch eine alternative Ausgestaltung eines Ortsfilters 82, der eine Ringform mit in Umfangsrichtung modulierter Charakteristik aufweist. Dessen Zentrum stimmt mit dem Zentrum 80 in einer Rotation in Bewegungsrichtung 4, die in diesem Fall eine Rotationsrichtung ist, überein. In diesem Fall bleibt der betrachtete Bildausschnitt, nämlich der Ringausschnitt, stets derselbe, so dass sich ein quasi unendlicher Verlauf des Ortsfiltersignals analog zu dem in 9c) Dargestellten ergibt. Dabei ist der Ausschnitt 60 aus dem Bildhelligkeitssignal aus 9a) und 9b) vergleichbar mit dem Verlauf der Bildhelligkeit entlang einer vollständigen Umdrehung um 360° im Ringabschnitt um das Zentrum 80 herum. Durch die Drehung in Bewegungsrichtung 4 entspricht das ringförmige Gitter 82 auch dem unendlichen Ortsfilter 62 aus 9.
Alle genannten Merkmale, auch die den Zeichnungen allein zu entnehmenden sowie auch einzelne Merkmale, die in Kombination mit anderen Merkmalen offenbart sind, werden allein und in Kombination als erfindungswesentlich angesehen. Erfindungsgemäße Ausführungsformen können durch einzelne Merkmale oder eine Kombination mehrerer Merkmale erfüllt sein. Im Rahmen der Erfindung sind Merkmale, die mit „insbesondere“ oder „vorzugsweise“ gekennzeichnet sind, als fakultative Merkmale zu verstehen.
Bezugszeichenliste

2: Objekt
4: Bewegungsrichtung
10: Bildhelligkeitssignal von aufgenommenen Bilddaten
14: Realteil des Ortsfiltersignals s(t)
15: Imaginärteil des Ortsfiltersignals s(t)
16: Amplitude des Ortsfiltersignals s(t)
17: Phase des komplexen Ortsfiltersignals s(t)
18: Phasendifferenzsignal des Ortsfiltersignals s(t)
19: wahrer Bildversatz
21: starke Abweichungen
22: geringe Abweichungen
23: Sprünge
60: Aufnahmemessfeld
61: Bildhelligkeitssignal
62^1-3, 63^1-2: Signifikanzstellen
64^1-4: Teilmessfeld
74–74‘‘‘‘: Ortsfiltersignalabschnitt
80: Rotationszentrum
82: Ortsfilter
100: Ortsfiltermessvorrichtung
102: Photoempfänger
104: Optik
106: Ortsfilter
108: Abbildungsoptik
120, 120': Ortsfiltermessvorrichtung
122: Matrixempfänger
123: Zeilenempfänger
124: Abbildungsoptik
125: Aufnahmemessfeld
126: Gewichte
127: Addierelemente

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Nicht-Patentliteratur

M. Schaeper, „Mehrdimensionale Ortsfiltertechnik“, Universität Rostock 2013 [0013]
Springer Vieweg, Springer Fachmedien Wiesbaden 2014 [0013]
I. Menn, „Optische Messung der Fließgeschwindigkeit von Erythrozyten zur Erfassung der Mikrozirkulation“, Universität Rostock, 2010 [0018]
M. Schaeper, „Mehrdimensionale Ortsfiltertechnik“, Universität Rostock, 2013 [0052]

Claims

Ortsfiltermessverfahren zur Bestimmung einer Relativgeschwindigkeit zwischen einer Ortsfiltermessvorrichtung (120, 120') und wenigstens einem Objekt (2) oder Objektkollektiv, wobei die Ortsfiltermessvorrichtung (120, 120') Bilddaten des wenigstens einen Objekts (2) oder Objektkollektivs erfasst, das sich durch ein in einem Referenzsystem der Ortsfiltermessvorrichtung (120, 120') stationäres Aufnahmemessfeld (60, 125) der Ortsfiltermessvorrichtung bewegt, wobei wenigstens ein zeitlich moduliertes Ortsfiltersignal durch Anwendung wenigstens eines Ortsfilters (106) auf wenigstens einen Teil der erfassten Bilddaten erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzeugung des wenigstens einen Ortsfiltersignals (s) ein betrachteter Ausschnitt des wenigstens einen Objekts (2) oder Objektkollektivs wenigstens zeitweise oder dauerhaft wenigstens annähernd konstant gehalten wird.
Ortsfiltermessverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei mehreren Ortsfiltersignalen die Ortsfiltersignale mit den höchsten Amplituden ausgewählt werden.
Ortsfiltermessverfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass Bilddaten aus einer Serie von aufeinanderfolgenden Teilmessfeldern (64 ^1-4) verwendet werden, die sich innerhalb des Aufnahmemessfelds (60, 125) mit dem Objekt (2) oder Objektkollektiv mitbewegen.
Ortsfiltermessverfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass Messwerte des Ortsfiltersignals, die beim Übergang von einem Teilmessfeld (64 ^1-4) auf ein nachfolgendes Teilmessfeld (64 ^1-4) entstehen, unberücksichtigt bleiben, wobei insbesondere ein solcher Messwert durch einen vorangegangenen Messwert, einen aus vorangegangenen Messwerten interpolierten Messwert oder durch einen Messwert eines anderen Ortsfilters oder eines anderen Teilmessfeldes (64 ^1-4) ersetzt wird.
Ortsfiltermessverfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein neues Teilmessfeld (64 ^1-4) erzeugt wird, sobald ein vorangegangenes Teilmessfeld (64 ^1-4) eine Grenze des Aufnahmemessfeldes (60, 125) erreicht hat.
Ortsfiltermessverfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine Bewegungsgeschwindigkeit der Teilmessfelder (64 ^1-4) im Aufnahmemessfeld (60, 125) aus einer zeitlichen Modulation wenigstens eines Ortsfiltersignals extrahiert wird, das auf den Bilddaten des gesamten Aufnahmemessfelds (60, 125) oder auf den Bilddaten eines aktuellen Teilmessfelds (64 ^1-4) und/oder eines oder mehrerer früherer Teilmessfelder (64 ^1-4) beruht.
Ortsfiltermessverfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass Begrenzungen der Teilmessfelder (64 ^1-4) durch wenigstens eine, insbesondere eindimensionale, Bildsignalanalyse ermittelt werden, bei der zu jeder Aufnahme wenigstens ein charakteristischer, insbesondere eindimensionaler projizierter, Bildsignalverlauf (10, 61) erzeugt wird, indem die erfassten Bilddaten aus dem Aufnahmemessfeld (60, 125), insbesondere spalten- und/oder reihenweise, aufsummiert und/oder gemittelt werden.
Ortsfiltermessverfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Begrenzungen der Teilmessfelder (64 ^1-4) an Signifikanzstellen (62 ^1-3, 63 ^1-2) im projizierten Bildsignalverlauf (10, 61) gesetzt werden, insbesondere bei Extremwerten oder qualifizierten Schwellwertdurchgängen.
Ortsfiltermessverfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Festlegung eines neuen Teilmessfelds (64 ^1-4) die Auswahl einer zuletzt in das Aufnahmemessfeld (60, 125) hereingelaufenen Signifikanzstelle (63 ^1-2) als nachlaufende Teilmessfeldbegrenzung und einer vorauslaufenden Signifikanzstelle (62 ^1-3), deren räumlicher Abstand zur nachlaufenden Teilmessfeldbegrenzung zwischen einem vorbestimmten Minimalabstand und einem vorbestimmten Maximalabstand liegt, als vorauslaufende Teilmessfeldbegrenzung, erfolgt.
Ortsfiltermessverfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein Wechsel der Teilmessfelder (64 ^1-4) anhand einer Änderung einer Position, eines Abstands und/oder einer Amplitude der Signifikanzstellen (62 ^1-3, 63 ^1-2) im Aufnahmemessfeld (60, 125) und/oder Teilmessfeld (64 ^1-4) bestimmt wird.
Ortsfiltermessverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer rotierenden Relativbewegung des wenigstens einen Objekts (2) oder Objektkollektivs zur Ortsfiltermessvorrichtung (120, 120') ein kreis- oder ringförmiger Ortsfilter (82) mit in Umfangsrichtung modulierter Struktur verwendet wird, dessen Zentrum auf einem Rotationszentrum (80) der rotierenden Relativbewegung liegt.
Ortsfiltermessvorrichtung (120, 120') mit einer Aufnahmevorrichtung und einer Bilddatenverarbeitungseinrichtung, die mittels einer Bilddatenverarbeitungssoftware oder als FPGA eingerichtet ist, ein Ortsfiltermessverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11 auszuführen.