DE19734639A1

DE19734639A1 - Recheneinrichtung zum Verarbeiten einer Eingangsdatenstruktur

Info

Publication number: DE19734639A1
Application number: DE1997134639
Authority: DE
Inventors: Michael J Pabst; Michael Dr Geisler
Original assignee: Spherics Mess und Analysetechnik GmbH
Current assignee: Spherics Mess und Analysetechnik GmbH
Priority date: 1997-08-11
Filing date: 1997-08-11
Publication date: 1999-02-18

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Recheneinrichtung zum Verarbeiten einer Eingangsdatenstruktur.

Als Verarbeitung einer Eingangsdatenstruktur oder Datenverarbeitung wird ein Prozeß bezeichnet, bei dem aus einer Eingangsdatenstruktur (Eingangsdaten) nach einer vorgegebenen Bearbeitungsvorschrift eine Ausgangsdatenstruktur (Ausgangsdaten) gewonnen wird. Als Eingangsdatenstruktur ist eine Vielzahl von Werten zu verstehen, mit dem der Zustand eines Objektes beschrieben wird. Dieser Zustand kann in komplexen Systemen ein viel- oder unendlichdimen sionaler Zustandsvektor mit analogen Komponenten sein. Der Zustand eines Objektes kann in einem Prozeß einer zeitlichen Veränderung unterliegen, deren Gesetzmäßigkeit unbekannt oder mathematisch nicht beschreibbar ist.

Die rechnerische Verarbeitung (Datenverarbeitung) einer komplexen Eingangsda tenstruktur erfolgt in der Regel in einem Digitalrechner. Die Eingangsdatenstruktur muß hierzu als digitales Datenwort oder Bit-Muster vorliegen, das im Digitalrech ner einer Abfolge von digitalen Rechenoperationen unterzogen wird. Trotz der inzwischen hohen Leistungsfähigkeit eines Digitalrechners gibt es immer noch eine Vielzahl von Anwendungsgebieten, in denen der zum Bearbeiten anstehende Datenumfang in herkömmlichen Digitalrechnern nur mit einem hohen Zeitaufwand bearbeitet werden kann. Dies führt insbesondere dann zu Problemen, wenn die der Bearbeitung zugrundeliegende Eingangsdatenstruktur einen hohen Kom plexitätsgrad aufweist und darüber hinaus einer schnellen, nicht zwangsläufig kausal gekoppelten Veränderung unterliegt.

So stellen bereits einfache Aufgaben, beispielsweise das Erkennen und Aus wählen einer Schraube mit der richtigen Länge und dem richtigen Gewindetyp aus einem Behälter, in dem sie sich in nicht geordneter räumlicher Lage befindet, ein Problem dar, das sowohl an den Digitalrechner als auch an die Software erheb liche Anforderungen stellt.

Der Einsatz eines Digitalrechners stößt insbesondere dann auf Grenzen, wenn komplexe, insbesondere stochastische, Problemstellungen bewältigt werden müs sen, die einer mathematischen Behandlung schwer zugänglich sind oder sich die ser prinzipiell entziehen, oder wenn es sich um die Analyse zeitlich veränderlicher Prozesse handelt, die zwar dem Grundsatz nach einer mathematischen Beschrei bung zugänglich sind, jedoch Datenmengen umfassen, die eine digitale Bearbei tung innerhalb einer vernünftigen Zeit mit bekannten Digitalrechnern ausschlie ßen. Beispiele für solche Problemstellungen sind die Behandlung von Instabi litäten oder Turbulenzen bei aero- und hydrodynamischen Prozessen, die für Verkehrsleitsysteme erforderlichen Stauprognosen, die Wettervorhersage sowie die Prognostizierung einer volkswirtschaftlichen Entwicklung. Derartige komplexe Prozesse, d. h. zeitlich kontinuierlich variable vieldimensionale Eingangs datenstrukturen können auch mit bekannten Analogrechnern nicht bearbeitet werden, da der erfolgreiche Einsatz eines Analogrechners voraussetzt, daß entweder die dem Prozeß zugrundeliegenden mathematischen Beziehungen bekannt sind oder der Prozeß mit Hilfe eines dynamischen Verhaltensmodells simuliert werden kann.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine Recheneinrichtung zum Verarbeiten einer Eingangsdatenstruktur anzugeben, mit der auch komplexe, d. h. vieldimensionale zeitlich veränderliche Eingangsdatenstrukturen in kurzer Zeit verarbeitet werden können.

Die genannte Aufgabe wird gemäß der Erfindung gelöst mit einer Recheneinrich tung mit den Merkmalen des Patentanspruches 1. Die Recheneinrichtung zum Verarbeiten einer Eingangsdatenstruktur umfaßt eine Abbildungseinrichtung zum Abbilden der Eingangsdatenstruktur in eine Bilddatenstruktur, mit einer ersten Speichereinrichtung zum Speichern der Bilddatenstruktur, und mit einer zweiten Speichereinrichtung zum Speichern wenigstens einer Referenzdatenstruktur, wobei eine Vergleichseinrichtung zum Vergleich der Bilddatenstruktur mit der wenigstens einen Referenzdatenstruktur und zum Abbilden des Vergleichsergebnisses in einen eindimensionalen Vergleichsmeßwert.

Mit einer solchen Recheneinrichtung können komplexe Prozesse ganzheitlich behandelt werden. Dies hat einen Geschwindigkeitsvorteil gegenüber Digital rechnern und der diesen zugrundeliegenden Von-Neumann-Architektur zur Folge. Des Weiteren ermöglicht eine solche ganzheitliche Vergleichsmethode die Behandlung von Eingangsdatenstrukturen oder Prozessen, die mit herkömmlichen mathematischen Methoden schwer oder gar nicht beschrieben werden können.

In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung enthalten die erste und zweite Speichereinrichtung jeweils ein RAM. Dies ermöglicht ein einfaches Speichern und Weiterverarbeiten der Bild- und Referenzdatenstrukturen.

Insbesondere ist als Vergleichseinrichtung ein Komparator vorgesehen, dem ein Integrator nachgeschaltet ist. Dies ermöglicht einen ganzheitlichen Vergleich der in den RAMs abgelegten Bitmuster.

In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist der ersten und zweiten Speichereinrichtung jeweils eine weitere optische Speichereinrichtung, insbesondere ein transluzendes Display, zum Speichern der Bilddaten- bzw. der Referenzdatenstruktur zugeordnet. Dies ermöglicht einen einfachen ganzheitlichen Vergleich der Bilddatenstruktur mit der Referenzdatenstruktur mit analogen optischen Mitteln, beispielsweise mit einer optischen Scaneinrichtung punktweisen Durchstrahlen der Displays, wobei jedem Display ein Photoempfänger zugeordnet ist und die Photoempfänger mit ihrem Ausgang an einen Subtrahierer angeschlossen sind, dem ein Integrator nachgeschaltet ist.

In einer weiteren bevorzugten und besonders einfachen Ausführungsform sind die Displays hintereinander zwischen einer Lichtquelle und einem Photoempfänger angeordnet. In dieser Ausgestaltung kann mit einer einfachen Durchstrahlung ein Grad der Übereinstimmung angebender analoger Meßwert erzeugt werden.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Ausführungsbeispiele der Zeichnung verwiesen. Es zeigen:

Fig. 1 eine Recheneinrichtung gemäß der Erfindung in einer Prinzipdarstellung,

Fig. 2 bis 4 jeweils weitere Ausführungsbeispiele einer Recheneinrichtung gemäß der Erfindung.

Gemäß Fig. 1 ist einem Objekt 2 eine Meßeinrichtung 4 zugeordnet, mit der der Zustand des Objektes 2 anhand einer Vielzahl von Meßwerten erfaßt werden kann. Das Objekt 2 könnte beispielsweise die Wetterlage sein, die sich in einem Raumgebiet, beispielsweise Mitteleuropa, anhand einer Vielzahl von analogen Meßwerten, beispielsweise Druck, Temperatur, Luftfeuchtigkeit, Dielektrizitäts konstante, Windgeschwindigkeit, Windrichtung, usw. darstellen läßt. Der Zustand des Objektes 2 ist somit ein unendlichdimensionaler Vektor mit analogen Vektor komponenten.

Die Meßeinrichtung 4 erfaßt die Meßwerte an diskreten Meßpunkten X_j und er zeugt auf diese Weise eine mehrdimensionale analoge Datenstruktur, die ein mehr oder weniger vollständiges Abbild des Zustandes des Objektes 2 zu einem bestimmten Zeitpunkt t repräsentiert.

Der analogen Meßeinrichtung 4 kann eine Verarbeitungsstufe 6, beispielsweise Analog-Digital-Wandler, nachgeordnet sein, der die von den Meßwertauf nehmern erfaßte und in Form analoger Signale vorliegende analoge Daten struktur, in eine digitale Datenstruktur umwandelt, um eine einfache Übertragung der Meßwerte zu einer zentralen Recheneinrichtung 8 zu ermöglichen.

Am Eingang der Recheneinrichtung 8 liegt somit eine Eingangsdatenstruktur E_i an, die den Zustand des Objektes 2 zum Zeitpunkt t entweder analog durch einen analogen Zustandsvektor oder bei Zwischenschaltung der Verarbeitungsstufe 6 digital durch ein Bit-Muster repräsentiert.

Diese Eingangsdatenstruktur E_i wird in einer Abbildungseinrichtung 10 weiterver arbeitet und in eine Bilddatenstruktur B umgewandelt, die in einer ersten Speichereinrichtung 12 vorübergehend gespeichert wird. Die in der ersten Speichereinrichtung 12 gespeicherte Bilddatenstruktur B wird in einer Vergleichseinrichtung 14 mit wenigstens einer in einer zweiten Speichereinrichtung 16 gespeicherten Referenzdatenstruktur R verglichen und in einen analogen Vergleichsmeßwert M abgebildet. Bei Bedarf kann eine Einrichtung 18 nachgeschaltet sein, in der dieser Vergleichsmeßwert M zur Weiterverarbeitung digitalisiert wird, wobei je nach Anwendungsfall auch eine einfache 1-Bit-Darstellung (ja-nein, größer-kleiner) ausreichend sein kann.

Vorzugsweise werden eine Vielzahl von Referenzdatenstrukturen R mit der Bilddatenstruktur B verglichen, wobei für jeden Vergleich ein Vergleichs meßwert M gebildet wird, so daß eine Vielzahl von Vergleichsmeßwerten M vorliegen, die eine Ausgangsdatenstruktur E_a bilden.

Die Ausgangsdatenstruktur E_a kann dabei eine einfache Aussage sein, mit der der Zustand des Objektes zu einem Zeitpunkt t + T zumindest hinsichtlich eines Teilaspektes wiedergegeben wird. Mit anderen Worten: Der Ergebnisraum kann eine geringere oder die gleiche Komplexität wie der Objektraum haben. So reicht es unter Umständen für Stauprognosen aus, eine Staugefahr in einem eng umschriebenen Gebiet vorherzusagen. Die Ausgangsdatenstruktur E_a ist somit in diesem Fall ein mehr oder weniger vollständiges Bild eines zukünftigen Zustandes der Eingangsdatenstruktur E_i.

Zur Ermittlung der Ausgangsdatenstruktur E_a kann es erforderlich sein, eine Viel zahl von zeitlich aufeinander folgenden Eingangsdatenstrukturen E_i für die Ver gleichsoperationen auszuwerten. In diesem Falle können in der Speicherein richtung 12 mehrere aus den verschiedenen Eingangsdatenstrukturen E_i erzeugte Bilddatenstrukturen B vorübergehend gespeichert werden.

Die Vergleichseinrichtung 14 kann für die Durchführung des Vergleichs und dem Ermitteln des daraus abgeleiteten Vergleichsergebnisses zusätzlich ein herkömm liches analoges Rechenwerk 40 enthalten, in dem die Vergleichsoperation durch mathematische Operationen, beispielsweise Integration, Summation, Differenz bildung, ergänzt wird.

Gemäß Fig. 2 enthalten die erste und die zweite Speichereinrichtung 12 bzw. 16 jeweils wenigstens ein RAM, in denen die Bilddatenstruktur E bzw. die Referenzdatenstruktur R gespeichert sind. Entsprechend der Anzahl der zum Vergleich herangezogenen Referenzdatenstrukturen R sind vorzugsweise in der zweiten Speichereinrichtung mehrere RAMs vorgesehen, in denen die als Bitmuster vorliegende Bilddatenstrukturen R parallel gespeichert sind. Die in der ersten Speichereinrichtung 12 und in der zweiten Speichereinrichtung 16 jeweils vorliegenden Bitmuster werden in einem Komparator 42 verglichen. Der Komparator 42 erzeugt dabei ein Zeitsignal, das logisch aus einer Folge von "0" für differierende Belegung der parallel erfaßten Speicherplätze oder von "1" für übereinstimmende Speicherplatzbelegung besteht. Elektronisch entspricht dem ein Zeitsignal aus Rechteckimpulsen zwischen den beiden Spannungspegeln U_low für den logischen Wert "0" und U_high für den logischen Wert "1" mit einer charakteristischen zeitlichen Breite T, die von der Taktfrequenz beim Auslesen der RAMs bestimmt wird. Dieser Spannungsverlauf wird von einem analog arbeitenden Integrator 44 zu einer die Abweichung beider Muster repräsentierenden Vergleichsmeßwert M integriert. Dieses Zeitintegral der Ausgangsspannung des Komparators 42 bewegt sich dabei zwischen N × T × U_low im Fall kompletter Verschiedenheit der Speicherplatzbelegung und N × T × U_high im Fall kompletter Übereinstimmung wobei N die Anzahl der Speicherplätze ist, die miteinander verglichen werden. Der Wert des Zeitintegrals liegt am Ende der Ausleseprozedur praktisch ohne Zeitverzug und weitere Rechnungen vor und kann nach Ende der minimalen Bearbeitungszeit N × T zur Auswertung der Musterähnlichkeit herangezogen werden. Im einfachsten Fall ist dies die Unterscheidung in "ähnliche Muster", für den Fall, daß der Vergleichsmeßwert M einen vorgegebenen Wert überschreitet oder "unähnliche Muster" für den Fall, daß der Vergleichsmeßwert M einen vorgegebenen Wert unterschreitet. Die Bitmuster werden dabei ganzheitlich behandelt und ein analoger Vergleich der Übereinstimmung angestellt. Mittels zusätzlicher Filter 122 und 162 kann die Art des Vergleichs beeinflußt werden. Bei Verwendung breitbandiger Filter 122, 162 folgt im Komparator 42 ein Punkt-für-Punkt-Vergleich. Durch die Verwendung schmalbandiger Filter 122, 162 werden zum Vergleich im Komparator 42 auch benachbarte Bildpunkte herangezogen.

Gemäß Fig. 3 werden die in der ersten Speichereinrichtung 12 und in der zweiten Speichereinrichtung 16 jeweils als Bitmuster vorliegende Bilddatenstruktur B bzw. Referenzdatenstruktur R jeweils auf eine optische Speichereinrichtung 46 bzw. 48 ausgegeben. Bei diesen optischen Speichereinrichtungen 46 bzw. 48 handelt es sich vorzugsweise um transluzende zweidimensionale TFT- oder LCD-Displays. Die transluzenden Displays 46 und 48 sind hintereinander zwischen einer Lichtquelle 50 und einem Photoempfänger 52 angeordnet. Optische Abbildungseinrichtungen 54 und 56 bewirken eine Kollimierung und anschließende Fokussierung des von der Lichtquelle 50 emittierten Lichtes auf den Photoempfänger 52, so daß eine gleichmäßige Durchstrahlung der beiden transluzenden Displays 45 und 48 erfolgt. Der von der Lichtquelle 50 emittierte Lichtstrahl durchstrahlt die gesamte Fläche der transluzenden Displays 46 und 48 gleichmäßig. Das transmittierte Licht wird vom Photoempfänger 52 empfangen, der die integrale Helligkeit mißt. Werden außerdem beide Muster je einmal zum Negativ invertiert, so bilden die Verhältnisse der drei Durchlichthelligkeiten ein zusätzliches Maß für die Ähnlichkeit der Bilddaten. Auch hier liegen die Helligkeitswerte ohne weitere Rechnung praktisch am Ende des jeweiligen Bildaufbaus analog gemessen vor.

In der Ausführungsform gemäß Fig. 4 sind die transluzenden Displays 46 und 48 nebeneinander angeordnet. Mit Hilfe einer optischen Scaneinrichtung, die eine Lichtquelle 50 sowie eine einen Strahlteiler und eine Ablenkeinrichtung zur Abtastung enthaltende Optikeinheit 62 umfaßt, werden die Displays 46 und 48 synchron von einem gebündelten Lichtstrahl mit frei wählbarem Querschnitt durchstrahlt. Dies entspricht einer Filterung der Bilddaten. Die bei dieser Form der Messung entstehenden analogen zeitveränderlichen Meßsignale an den Photoempfängern 52 werden in einem Subtrahierer 64 voneinander subtrahiert und anschließend in einem Integrator 66 aufsummiert. Die integrale Differenz bildet dann einen eindimensionalen Vergleichsmeßwert und ist dann ein Maß für die Ähnlichkeit zwischen der Bilddatenstruktur B und der Referenzdatenstruktur R.

Bezugszeichenliste

2

Objekt

4

Meßeinrichtung

6

Verarbeitungsstufe

8

Recheneinrichtung

10

Abbildungseinrichtung

12

erste Speichereinrichtung

14

Vergleichseinrichtung

16

zweite Speichereinrichtung

18

Einrichtung

40

analoges Rechenwerk

42

Komparator

44

Integrator

50

Lichtquelle

52

Photoempfänger

54

,

56

optische Abbildungseinrichtung

60

Scaneinrichtung

62

Optikeinheit

64

Subtrahierer

66

Integrator

122

,

162

Filter
E_i

Eingangsdatenstruktur
E_a

Ausgangsdatenstruktur
X_j

Meßpunkt
t Zeitpunkt
B Bilddatenstruktur
R Referenzdatenstruktur
M Vergleichsmeßwert

Claims

1. Recheneinrichtung (8) zum Verarbeiten einer Eingangsdatenstruktur (E_i), mit einer Abbildungseinrichtung (10) zum Abbilden der Eingangsdatenstruktur (E_i) in eine Bilddatenstruktur (B), mit einer ersten Speichereinrichtung (12) zum Speichern der Bilddatenstruktur (B), und mit einer zweiten Speichereinrich tung (16) zum Speichern wenigstens einer Referenzdatenstruktur (R), wobei eine Vergleichseinrichtung (14) zum Vergleich der Bilddatenstruktur (B) mit der wenigstens einen Referenzdatenstruktur (R) und zum Abbilden des Vergleichs ergebnisses in einen eindimensionalen Vergleichsmeßwert (M).

2. Recheneinrichtung nach Anspruch 1, bei der die erste und zweite Speichereinrichtung (12, 16) jeweils ein RAM enthalten.

3. Recheneinrichtung nach Anspruch 2, bei der als Vergleichseinrichtung (14) ein Komparator (42) vorgesehen, dem ein Integrator (44) nachgeschaltet ist.

4. Recheneinrichtung nach Anspruch 2, bei dem der ersten und zweiten Speichereinrichtung (12, 16) jeweils eine weitere optische Speichereinrichtung (46 bzw. 48) zum Speichern der Bilddaten- bzw. der Referenzdatenstruktur (B, R) zugeordnet ist.

5. Recheneinrichtung nach Anspruch 4, bei der als weitere optische Speichereinrichtungen (46, 48) jeweils ein transluzendes zweidimensionales Display vorgesehen ist.

6. Recheneinrichtung nach Anspruch 5, bei der eine optische Scaneinrichtung (60) zum punktweisen Durchstrahlen der Displays vorgesehen ist, wobei jedem Display ein Photoempfänger (52) zugeordnet ist die mit ihrem Ausgang an einen Subtrahierer (64) angeschlossen sind, dem ein Integrator (66) nachgeschaltet ist.

7. Recheneinrichtung nach Anspruch 5, bei der die Displays hintereinander zwischen einer Lichtquelle (50) und einem Photoempfänger (52) angeordnet sind.