DE19532011A1 - Netzwerk zur Beeinflussung von Signalfeldern - Google Patents

Description

1. Kurzbeschreibung der Erfindung

Die Erfindung betrifft Analogschaltungen, die als rückgekoppelte Verstärkernetzwer­ ke aufgebaut sind. Die Vernetzung ist so realisiert, daß die Ausgangswerte der ein­ zelnen Verstärkerelemente auf die Eingangswerte der jeweils benachbarten Verstär­ kerelemente rückgekoppelt werden. Der Grad der Rückkopplung läßt sich statisch und dynamisch anwendungsspezifisch einstellen. Zweidimensionale Netzwerke mit einer derartigen Architektur lassen sich zum Beispiel in der Bildverarbeitung zur Ent­ rauschung unter Echtzeit-Bedingungen anwenden.

2. Stand der Technik

Die Aufgabe, Daten von Signalfeldern modellbasiert zu entrauschen, ist eine kom­ plexe mathematische Aufgabe, die sich mit Digitalrechnern unter produktionsorien­ tierten Rahmenbedingungen (geringes Rechnervolumen, geringer Energiever­ brauch, Echtzeitfähigkeit) nicht zufriedenstellend lösen läßt. Als Problemlösung bie­ ten sich parallelverarbeitende analoge Netzwerke an, die sich als monolithisch inte­ grierte Schaltungen realisieren lassen.

Bisher diskutierte analoge Netzwerke, wie sie z. B. zur Verarbeitung der Daten von Binärbildern eingesetzt werden, sind nur eingeschränkt praxisgerecht, da sie sich infolge ihrer Konzeption nur für fehlerfreie Binärbilder eignen. Eine zuverlässige Ver­ arbeitung von Bilddaten mit systematischen und statistischen Fehlern erfordert ein Doppelnetzwerk, in welchem ein Entrauschungsnetz dem datenverarbeitenden Netz­ werk vorgeschaltet ist. Um bestimmte Vorzugsrichtungen innerhalb des Bildes unter­ stützen zu können, ist eine Anisotropie des Entrauschungsprozesses erforderlich. Bisher sind in der Bildverarbeitung keine analogen Netzwerke (oder integrierte Schaltungen) bekannt, die für Binärbilder in Echtzeit eine modellbasierte, anisotrope Entrauschung durchführen.

3. Zugrundeliegende Aufgabe

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur modellbasierten, anisotropen Entrauschung von zweidimensionalen Signalfeldern zu entwickeln. Die Umsetzung des Verfahrens soll in einer Analogschaltung demonstriert werden. Die­ se Analogschaltung soll monolithisch integrierbar sein und sich auch für die Echt­ zeit-Entrauschung von komplexeren Feldern mit einer größeren Anzahl von Elemen­ ten (z. B. 256 × 256) eignen.

5. Detaillierte Beschreibung der Erfindung

Entrauschungsnetzwerke für Binärbilder (z. B. Entrauschung von Kantenbildern) wer­ den in früheren Arbeiten beschrieben (vgl. Chr.Koch, J.Marroquin und A.Yuille, Proc. Natl. Head. Sci, USA, Vol. 38, pp. 4263-4267, June 1986 Biophysics). Im Gegen­ satz zu diesen, für quadratisch organisierte Pixelgitter ausgelegten Netzen, wurden für andere Gitterstrukturen alternative Netzwerke entwickelt (vgl. Patentanmeldung DE 195 27 079.7 vom 25. 07. 95).

Ein Beispiel einer Analogschaltung, die zur Implementierung eines Entrauschungs­ verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung eingesetzt werden kann, ist in Abb. 1 für ein eindimensionales Signalfeld gezeigt. Die erforderlichen Schaltungskompo­ nenten beschränken sich im einfachsten Fall auf Verstärkerelemente, Stromspiegel und Schwellwertschalter.

Eine zeilenförmige Anordnung von Verstärkerelementen wird mit Eingangssignalen (Strömen) I_i ^E gespeist. Jedem Eingangssignal wird zusätzlich über Koppelelemente K (z. B. über Stromspiegel) ein Anteil der Ausgangssignale kI_i-l ^out und kI_i+1 ^out der beiden jeweils benachbarten Verstärkerelemente überlagert. Der Kopplungsgrad k der Elemente, der den Anteil des rückgekoppelten Stromes wiedergibt, ist dabei frei einstellbar. Mit Hilfe von Stromspiegeln M werden die Ausgangssignale I_i ^out der Ver­ stärkerelemente auf jeweils drei identische Signale abgebildet. Damit wird vermie­ den, daß der Eingangsstrom der Koppelelemente die Signale I_i ^out verfälscht.

Die Differenz der jeweiligen überlagerten Eingangssignale bezüglich einer einstell­ baren Stromschwelle I^S wird anschließend verstärkt. Die Verstärkercharakteristik soll dabei einen linearen Bereich aufweisen, der mit zunehmender Differenz der beiden Signaleingänge in einen Sättigungsbereich des Ausgangssignals übergeht. Dies läßt sich beispielsweise bei geringem schaltungstechnischen Aufwand durch einen Transkonduktanz-Verstärker mit tanh-Charakteristik erzielen. Um einen Transkon­ duktanz-Verstärker einsetzen zu können, ist allerdings eine vorherige Strom/Span­ nungs-Wandlung der Eingangssignale und der Stromschwelle erforderlich.

Alternativ zum Transkonduktanzverstärker können auch andere Verstärkerelemente verwendet werden, solange diese eine signalbegrenzende Funktion bei größeren Differenzen der Eingangssignale beinhalten und eine tanh-ähnliche Charakteristik aufweisen.

Am Ausgang eines jeden dieser signalbegrenzenden tanh-Verstärker ist ein Diskre­ tisierer (Schwellwertschalter) mit einstellbarer Schaltschwelle angeschlossen. Mit Hilfe dieser Diskretisierer lassen sich die wertkontinuierlichen Ausgangssignale I_i ^out in diskrete (digitale) Stromwerte I_i ^A umwandeln.

Dieser Schaltung liegt folgendes Verfahren zugrunde:

Das Feld I^E enthält Eingangsdaten aus einem eindimensionalen Signalfeld. Die Wer­ te der einzelnen Eingangssignale liegen dabei im Intervall [-I_max ^E, +I_max ^E]. In nor­ mierter Darstellung enthält dieses Intervall den Wertebereich -1 I_i ^E +1. Der Wandlungsfaktor α der Verstärkerelemente, die zur Strom/Spannungs-Wandlung eingesetzt werden, transformiert die Eingangsströme I_i ^E und die Stromschwelle I^S in entsprechende Spannungswerte:

U_i ^E = αI_i ^E (1)

U^S = αI^S (2)

Die den Strom/Spannungs-Wandlern nachgeschalteten Verstärkerelemente führen anschließend eine U/I-Wandlung mit tanh-Charakteristik durch, liefern also Aus­ gangssignale I_i ^out im Intervall [-I_max ^out, +I_max ^out]. Zur Normierung werden die zu ver­ stärkenden Spannungssignale auf den Wert der Temperaturspannung U_T bezogen und mit einem Idealitätsfaktor (0 1) gewichtet.

(k_B: Boltzmann-Konstante, e: Elementarladung)

Das gekoppelte Netzwerk in Abb. 1 löst daher das Gleichungssystem:

Der Wert von k gibt die Kopplung zwischen benachbarten Elementen wieder und re­ präsentiert daher den Entrauschungsgrad der Analogschaltung. Eine starke Rück­ kopplung der Ausgangssignale auf die Eingangssignale benachbarter Elemente, d. h. im vorliegenden Ausführungsbeispiel Rückführung von Stromanteilen der Ausgangs­ signale über Stromspiegel, hat einen hohen Entrauschungsgrad des ursprünglichen Signalfeldes zur Folge. Wird umgekehrt nur ein geringer Anteil der jeweiligen Aus­ gangssignale rückgekoppelt, so wird das ursprüngliche Signalfeld nur geringfügig entrauscht. Die Entrauschung findet sowohl für systematische wie auch für statisti­ sche Fehler statt.

Die entrauschten Analogwerte der Ausgangsströme I_i ^out können für eine weitere Verarbeitung herausgeführt werden. Mittels nachgeschalteter Diskretisierungsele­ mente (Schwellwertschalter) lassen sich diese Analogwerte auf digitale Stromwerte I_i ^A abbilden, wobei sich durch die Wahl der Schaltschwelle dieser Diskretisierungs­ elemente der Entrauschungsprozeß zusätzlich steuern läßt. Man erhält schließlich ein binäres, entrauschtes Ausgabedatenfeld. Eine weitere Verarbeitung der digitalen Ausgangswerte ist bei digitalen Eingangsdaten I_i ^E vorteilhaft.

Bei Verwendung von einfachen Stromspiegeln beträgt der Wertebereich des Kopp­ lungsgrades k:

0 k 1 (5)

Werden die Stromspiegel mit höherem schaltungstechnischen Aufwand als einstell­ bare Stromverstärker ausgeführt, so läßt sich der Einstellbereich des Kopplungs­ grades zusätzlich erweitern:

-1 k +1 (6)

Ein charakteristisches Kennzeichen der Koppelelemente besteht darin, daß sie die Rückführung von Ausgangssignalen auf Eingangssignale durchführen, ohne die Ausgangssignale zu beeinträchtigen. Im einfachsten Fall wird ein Strom I_i ^out mit Hilfe eines Stromspiegels gemessen und mit dem Kopplungsgrad k multipliziert, bevor er auf das benachbarte Verstärkerelement rückgeführt wird. Verallgemeinert stellen die Koppelelemente steuerbare, abschaltbare Stromquellen dar, die sowohl statisch als auch dynamisch angesteuert werden können und Ausgangsströme I_source in folgen­ dem Bereich liefern:

I_source = kI_i ^out (7)

Die elektrische Charakteristik dieser Elemente ist in Abb. 2 dargestellt.

Die Verwendung derartiger steuerbarer Quellen, insbesondere die Ausnützung der Abschaltcharakteristik, erlaubt die lokale Veränderung von Kohärenzlängen inner­ halb der bearbeiteten Signalfelder. Eine lokale Adaption ist unter anderem in der Bildverarbeitung für Segmentierungs-Anwendungen von großem Vorteil.

Schaltungskonzepte unter Verwendung einer Kopplung von Signalausgängen und Signaleingängen mit Hilfe gesteuerter Stromquellen bieten erhebliche Vorteile ge­ genüber Konzepten mit sogenannten "schaltbaren Widerständen" oder "fuses", wie sie z. B. in (C. Mead, "Analog VLSI and Neural Systems", Addison-Wesley, 1989) vor­ geschlagen wurden. Da die gesteuerten Stromquellen die einzelnen Signalausgänge nicht beeinträchtigen, lassen sich mit dieser Schaltungstechnik rückgekoppelte Systeme realisieren, deren Ausgangs-Eingangs-Relationen mit schaltbaren Wider­ ständen nicht erzielt werden können.

Das beschriebene Verfahren kann in einfacher Weise auf die Entrauschung von zweidimensionalen Signalfeldern mit Zeilen und Spalten (z. B. Grauwertbilder) erwei­ tert werden. Die in Abb. 1 beschriebene Schaltungsanordnung wird dazu in eine Analogschaltung gemäß Abb. 3 überführt. Dabei erweitern sich die formalen Bezie­ hungen für die Eingabe- und Ausgabedaten in diesem Fall für eine Zeilen- und Spal­ tendarstellung ÿ wie folgt:
Im Feld I^E sind nunmehr die Eingangsdaten der Zeilen und Spalten eines zweidi­ mensionalen Signalfeldes enthalten. Der Wertebereich der einzelnen Feldelemente I_ÿ ^E beträgt auch im zweidimensionalen Fall -1 I_ÿ ^E +1.

Somit löst das zweidimensional gekoppelte Netzwerk in Abb. 3 das Gleichungs­ system:

Die Parameter I_max ^out, und α bestimmen auch hier die Verstärkercharakteristik der tanh-Verstärker, während k_x und k_y im zweidimensionalen Fall unterschiedliche Wer­ te annehmen können.

Für den Wertebereich von k_x und k_y gilt:

-1 k_x +1 (9)

-1 k_y +1 (10)

Durch die Wahl der Werte für k_x und k_y wird das Entrauschungsverhalten festgelegt. Eine starke Kopplung (großer Wert für k_x und k_y) bewirkt einen hohen Entrau­ schungsgrad des zugrundegelegten Bildes in beiden Achsenrichtungen x und y, während eine schwächere Kopplung die ursprünglichen Bilddaten wenig beeinflußt. Werden für k_x und für k_y unterschiedliche Werte gewählt, so können innerhalb eines Bildes unterschiedliche Entrauschungsgrade für die jeweiligen Achsenrichtungen er­ zielt werden. Wird in x-Richtung ein hoher Entrauschungsgrad benötigt, so wird k_x groß und k_y klein gewählt. Entsprechend wird k_x klein und k_y groß, falls die Ent­ rauschung in y-Richtung stärker sein soll. Eine derartige Anisotropie läßt sich z. B. in der Bildverarbeitung zur Entrauschung von Objektkanten mit bestimmten Vorzugs­ richtungen ausnutzen. Überdies können die beiden Faktoren k_x und k_y lokal von der Segmentierung abhängig gemacht werden. Somit ist auch ein Entrauschen längs von vorgegebenen Kanten möglich.

Abb. 3 zeigt die Erweiterung der Anordnung in Abb. 1 auf ein ein zweidimensionales Netzwerk. Als Schaltungselemente werden ebenfalls lediglich Verstärker, Stromspiegel und Schwellwertschalter benötigt. Die Koppelelemente K_x und K_y können in der dargestellten Topologie sehr regelmäßig angeordnet werden, so daß durch den ho­ hen Symmetriegrad der Schaltung eine kompakte Bauweise erzielt wird. Die mono­ lithische Integration einer derartigen Schaltung erlaubt daher die Verarbeitung von komplexen Signalfeldern.

Zweidimensionale Signalfelder können auf unterschiedlichen Gittern basieren. Das beschriebene Verfahren leistet eine Entrauschung derartiger Signalfelder auch für nicht-orthogonale Gitter. Dies läßt sich am Beispiel von Bildverarbeitungs-Anwen­ dungen verdeutlichen. Im einfachsten Fall werden die Bilddaten eines zeilen- und spaltenförmig organisierten Bildaufnehmers verarbeitet. Wird die beschriebene Signalkopplung zur Bildentrauschung nach dem Prinzip der "Nächsten Nachbarn" ausgeführt, so bilden in einem derartigen orthogonalen Rechteck-Gitter die Koppel­ elemente entsprechend Abb. 4 ebenfalls ein Rechteck-Gitter. Für weitergehende An­ wendungen können dagegen auch Kopplungen verwendet werden, die eine Ver­ knüpfung der "Übernächsten Nachbarn" herstellen. Zusätzlich können über Multi­ plexer-Schaltungen die Kopplungen auch nach vorgegebenen Mustern dynamisch veränderbar gestaltet werden.

In den folgenden Abbildungen 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.

Im Falle einer hexagonal organisierten Struktur von Bildaufnehmern mit hexa­ gonalen Pixeln ergibt sich eine Gitterstruktur gemäß Abb. 5. Die Koppelelemente liegen auf einem Dreiecks-Gitter.

Als weiterer Anwendungsfall ist in Abb. 6 ein Bildaufnehmer mit dreieckförmigen Pixeln dargestellt. Hier ergibt sich für die Anordnung der Koppelelemente ebenfalls ein Dreiecks-Gitter.

Analog zur Verarbeitung von Stromsignalen kann die beschriebene Schaltung mit Hilfe einer geeigneten Transformation natürlich 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 an den Möglichkeiten der Herstellungstechnologie orientieren. Falls z. B. eine Realisierung in CMOS- Technologie erfolgen soll, bietet die Verwendung von Stromsignalen Vorteile.

Claims (5)

1. Netzwerk zur Beeinflussung von Signalfeldern, insbesondere zur Anwendung in der elektronischen Bildverarbeitung, bestehend aus einer Vielzahl regelmäßig flächenhaft angeordneter Verstärkerschaltungen, wobei jedem Signal des Signalfeldes je eine eigene Verstärkerschaltung mit einem das Signal aufnehmenden Signaleingang (I^E) und einem Signalausgang (I^out) zugeordnet ist, und wobei ferner jeder Signalausgang über Koppelelemente mit einstellbarem Kopplungsgrad () auf die Eingänge der jeweils benachbarten Verstärkerschaltungen rückgekoppelt ist.

2. Netzwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Koppelelemente Stromspiegelschaltungen (M) verwendet sind.

3. Netzwerk nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstärkerschaltungen Verstärkerelemente mit tanh-Charakteristik aufweisen.

4. Netzwerk nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in den Verstärkerschaltungen eingangsseitig die Differenz des am jeweiligen Signaleingang anliegenden Signals und einer einstellbaren Signalschwelle gebildet und jeweils einem Verstärkerelement zugeführt wird.

5. Netzwerk nach einem vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß dem Signalausgang jeweils ein Schwellwertschalter nachgeordnet ist.