DE2215941A1

DE2215941A1 - Verfahren zur automatischen bildanalyse

Info

Publication number: DE2215941A1
Application number: DE2215941A
Authority: DE
Inventors: Manfred Dipl Phys Dr Rink
Original assignee: Ernst Leitz Wetzlar GmbH
Current assignee: Ernst Leitz Wetzlar GmbH
Priority date: 1972-04-01
Filing date: 1972-04-01
Publication date: 1973-10-11
Also published as: DE2215941B2; FR2179421A5

Description

ERNST LEITZ GJVIBH

Unser Zeichen: A 1852 633 Wetzlar,den, 24. März 1972

Pat St/Pe Pctfach 210/211 Verfahren zur automatischen Bildanalyse

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur automatischen Bildanalyse, wie Erkennung und Zählung beliebig geformter Figuren und Bestimmung individueller Figurkenngrößen, mit optischer oder elektronischer Abtastung des Bildes und Auswertung der dabei gewonnenen Signale im Digitalrechner, wobei bei der Abtastung über das zu analysierende Bild ein nach Zeilen und Spalten geordnetes fiktives Raster gelegt wird und die dadurch entstehenden Rasterelemente zeilenweise fortlaufend abgetastet werden, und für die entsprechend den unterschiedlichen Grauwerten der Rasterelemente gewonnenen unterschiedlichen Abtastsignale ein oder zwei Schjif ellwerte vorgegeben werden, welche ein Rasterelement als ein einem bestimmten Graubereich der interessierenden Figur zugehöriges Figurelement definieren.

Es sind verschiedene Geräte zur automatischen Bildanalyse bekannt, die von der vorstehend beschriebenen Bildabtastung Gebrauch machen. XJm aus den Signalen dieser Schmalspurabtastung, bei der sowohl das Abtastelement als auch der Zeilenabstand klein gegen die Figurgröße sind, eine Bildanalyse zu ermöglichen, muß ein Kriterium für die Zählung, also die Figurerkennung, hinzukommen. Die Signalfolge, die bei der zeilenweisen Abtastung von derselben Figur herrührt, darf als Ganzes nur einmal gezählt werden. Venn über die Zählung hinaus z.B. nach der Fläche jeder Figur im Bild gefragt wird, müssen die betreffenden Signalfolgen zusammengefaßt,integriert und gespeichert werden. Man verwendet zur Figurerkennung insbesondere die Assoziation von Signalen aufeinander-

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folgender Zeilen und benutzt dazu entweder das Toleranzkriterium oder das Überlappungskriterium.

Nach, dem Toleranzkriterium gehören diejenigen Signale zweier aufeinanderfolgender Zeilen zu derselben Figur, deren Signalflanken innerhalb eines festgelegten, in Abtastrichtung liegenden Toleranzabstandes auftreten.

Nach dem Überlappungskriterium gehören diejenigen Signale zweier aufeinanderfolgender Zeilen zu derselben Figur, die, ohne Berücksichtigung des Zeilenabstandes, ganz oder teilweise örtlich koinzidieren. Das Überlappungskriterium birgt besonders bei kleinem Zeilenabstand weniger Fehlerquellen bei der Zählung unregelmäßiger Figurformen als das Toleranzkriterium.

Eine Zählung wird also registriert, wenn das betreffende Kriterium nicht erfüllt ist, z.B. beim ersten von der Figur herrührenden Signal. Bei u-förmigen Figuren führen beide Kriterien zu einer Doppelzählung, während bei n- und ringförmigen Figuren nur das Toleranzkriterium versagt .

Unabhängig davon, welches der beiden Kriterien zur Signal assoziation herangezogen wird, benötigt man zu seiner Verwirklichung immer gleichzeitig zumindest das Signal von der-vorangegangenen Zeile an dem entsprechenden Punkt zum Vergleich. Es ist also eine Einrichtung zur Speicherung oder Verzögerung der Signale der vorher durchlaufenen Zeile genau um eine Zeilenabtastzeit erforderlich.

Die exakte Zählung beliebiger Figurformen ist bei den z.Zt. bekannten automatischen Bildanalysegeräten noch nicht universell gelöst. Entweder haften ihnen die Unzulänglichkeiten an, die sich aus dem Toleranzkriterium ergeben, oder

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aber das tjberlappungsprinzip versagt bei der Erkennung bestimmter Figurformen. Außerdem ist mit diesen Geräten weder eine echte Flächen- noch eine andere Figurparameterverteilung direkt meßbar. Durch Wiederholung der Abtastung mit einem anderen Längenvergleichswert können nur Häufigkeitsverteilungen von Schnittlängen bzw. von Anzahlen oder von Flächenanteilen der durch den jeweiligen Längenvergleichswert charakterisierten Figuren ermittelt werden.

Es gibt jedoch auch speziell zur Flächenanalyse entwickelte Geräte, in denen die Fläche jeder zu untersuchenden Figur durch Überlagerung mit einer Kreisfläche von variablem Durchmesser verglichen wird. Die eingestellten Öffnungen der Irisblende werden dabei automatisch klassifiziert und die jeweiligen Klassenhäufigkeiten in Zählwerken aufsummiert.

Auch Geräte, die eine Bildanalyse mit Hilfe eines Digitalrechners durchführen, sind bekannt. Die bisher dabei benutzten Verfahren arbeiten jedoch in Anlehnung an das Arrested-Scan-Prinzip, das sich u.a. besonders deutlich bezüglich des größeren Speicherplatzbedarfes von dem hier niedergelegten Zweizeilenvergleichsverfahren unterscheidet. Die Bilder werden dabei mit Hilfe des sogenannten Scanning Analogue to Digital Input Equipment in Digitalinformation übergeführt und im elektronischen Digitalrechner gespeichert. Ein weiteres, gleich großes Speicherfeld wird reserviert für ein im Laufe der Bildanalyse aus einem oder mehreren Originalbildern abgeleitetes Bild. %Zut Detailuntersuchung jeder individuellen Figur muß diese erst in das zunächst leere zweite Speicherfeld übertragen werden. An dieser isolierten Figur können dann Einzelfigurparameter nacheinander bestimmt werden. Die

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Problematik der Figurerkennung liegt hier in der Figur-Transfer-Prozedur. Der Analysenablauf vollzieht sich nach folgendem Verfahren.

Das Bild wird zunächst systematisch abgesucht bis der erste Punkt einer Figur angetroffen wird. Dieser wird in dem zweiten Speicherfeld mark54rt. Daran wird die sogenannte GROV-Operation durchgeführt. Dabei wird dem markierten Figurpunkt außen ein Saum von weiteren Figurpunkten zugefügt. Durch Vergleich mit dem Originalbild werden mit Hilfe von logischen Befehlen alle jene Punkte des Saumes wieder eliminiert, die nicht mit der Originalfigur zusammenfallen. Dieser Vachstumsprozeß wird solange fortgeführt, bis die Figurfläche nicht mehr zunimmt. Am so entstandenen Abbild der einzelnen Figur im zweiten Speicherfeld werden verschiedene Figurparameter bestimmt und abgespeichert. Schließlich wird diese Figur in beiden Bildepeicherfeidern gelöscht und die Suche nach der nächsten Figur wieder aufgenommen.

Das geschilderte Verfahren erfordert je nach Rasterung und • Größe des zu analysierenden Bildes eine erhebliche Speicherkapazität, da die gesamte Bildinformation zunächst gespeichert werden muß.

Der Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben, durch das mit Hilfe eines Digitalrechners beliebig kompliziert geformte Figuren in einem Bild automatisch erkannt und exakt gezählt werden können. Ferner sollen die einzelnen Figuren*während des Verfahrensablaufs duroh eine Reihe individueller, geometrischer Figurparameter charakterisiert werden können, so daß damit das Verfahren weit mehr zu leisten vermag als eine einfache Linear- oder nur reine Fläohenanalyse. Der erforderliche Speicherplatzbedarf sollte so gering wie möglich gehalten werden.

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Diese Aufgabe wird nach einem Verfahren der eingangs beschriebenen Art erfindungsgemäß durch die folgenden Verfahrensschritte gelöst (wobei jeweils die erste und alle auf eine Zeile ohne Figurelemente - Leerzeile - folgenden Abtastzeilen, in denen erstmals mindestens ein Figurelement auftritt, als Anfangs-zeilen und die diesen folgenden Zeilen als Fortsetzungszeilen entsprechend den nachstehenden Verfahrensschritten behandelt werden):

Zu jeder in einer Anfangszeile auftretenden Figursehne

- definiert als zusammenhängende Figurelemente einer Zeile - werden die Lagekoordinaten für das äußerste linke und das äußerste rechte Figurelement bestimmt und abgespeichert, dabei wird jeder Figursehne eine fortlaufende Arbeitsnummer, bei Bins beginnend, zugeordnet und die Anfangewerte der individuellen Figurkenngrößen werden ermittelt und abgespeichert; dann werden zu jeder in der jeweiligen Fortsetzungszeile auftretenden Figursehne die Lagekoordinaten für das äußerste linke und das äußerste rechte Figurelement bestimmt und abgespeichert und die Überlappung in Spaltenrichtung mit Sigursehnen der vorangegangenen Zeile (Vergleichszeile) sowie die Vollständigkeit der erkannten Figuren untersucht, wobei im Falle einer Leersseile alle in der Vergleichszeile und im Falle der letzten Abtastzeile auch alle darin erkannten Figuren als vollständig erkannt behandelt werdent daraufhin werden jeder überlappten Figursehne selbst

- sowie auch allen anderen an »der Überlappung beteiligten Figurteilen - als gemeinsame Arbeitsnummer die kleinste Arbeitsnummer der überlappenden Figursehnen der Vergleichszeile zugewiesen, die frei werdenden Arbeitsnummern annulliert und die Numerierung der Figurseh*«n mit einer höheren Arbeitsnummer als der kleinsten

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geneInsamen Arbeitsnummer um eine entsprechende Anzahl erniedrigt, an den zu der kleinsten gemeinsamen Arbeitsnummer gehörenden Anfangs- bzw. Zwisohenwerten der Figurkenngrößen die durch den erkannten Sehnenzuwachs an der Figur erforderlichen Ergänzungen und Änderungen angebracht und als neue Zwischenwerte abgespeichert und die den frei werdenden Arbeitsnummern zugehörenden Zwischenwerte besonders gekennzeichnet;

Anschließend wird jeder nioht überlappten Figursehne als Arbeitsnummer eine besondere, konstante Kennziffer zugewiesen und die zugehörigen Anfangswerte der Figurkenngrößen werden ermittelt und abgespeichert;

Am Ende der Fortsetzungszeile werden die im vorangegangenen Schritt ermittelten Anfangewerte der Figurkenngrößen zwischen die bereits vorher ermittelten Zwischenwerte in der richtigen Reihenfolge eingeordnet, die besonders gekennzeichneten, nicht mehr benötigten Zwischenwerte, die den frei gewordenen Arbeitsnummern zugehören, aussortiert und annulliert, und dann die Zwischenwerte von als vollständig erkannten Figuren aussortiert und der weiteren Verarbeitung zugeführt;

sodann werden die Arbeitsnummern der überlappten und der nioht überlappten Figursehnen überprüft und wieder in eine fortlaufende ^Zahlenfolge überführt, indem nach jeder Einsortierung von neu ermittelten Anfangswerten die der zugehörigen nicht überlappten Figursehne zugewiesene konstante Kennziffer annulliert, durch die um Eine vermehrte größte Arbeitsnummer der bisher schon überprüften Arbeitsnummern dieser Zeile ersetzt wird und ferner alle folgenden Arbeitsnummern, die diese bisher größte Arbeitsnuauaer übersteigen, ebenfalls um Eins erhöht werden, und nach jeder Aussortierung von ZWischenwerten vollständiger Figuren diejenigen Arbeitsnummern um Eins vermindert werden, die größer sind als die Arbeltsnummer der zugehörigen Figur;

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schließlich werden die Arbeitsspeicher für die Lagekoordinaten der äußersten linken und äußersten rechten Figurelemente der Sehnen der Vergleichszeile gelöscht und die entsprechenden Lagekoordinaten der Figursehnen der gerade abgetasteten Zeile (Arbeitszeile) dorthin umgespeichert; sodann wird die Folgezeile abgetastet und die jeweils zutreffenden schritte werden bis zur letzten Abtastzeile wiederholt.

Zum Erkennen einer Überlappung einer Figursehne der Arbeitszeile durch eine Figursehne der Vergleichszeile werden die Lagekoordinaten der äußersten linken und äußersten rechten Figur el entente untersucht, wobei eine Überlappung dann gegeben ist, wenn der Koordinatenwert des äußersten rechten Figurelementeβ der Figursehne der Vergleichszeile größer oder gleich dem Koordinatenwert des äußersten linken Figurelementes der Figursehne der Arbeitszeile und zugleich der Koordinatenwert des äußersten linken Figurelementes der Figursehne der Vergleichszeile kleiner oder gleich dem Koordinatenwert des äußersten rechten Figurelementes der Figursehne der Arbeitszeile ist, wobei die Koordinatenwerte in der Zeile von links nach rechts wachsend gezählt werden.

Zur Überprüfung einer notwendigen Voraussetzung für die Existenz von Überlappungen einer beliebigen Figursehne der Arbeitszeile durch Figursehnen der Vergleichszeile wird der Koordinatenwert des äußersten rechten Figurelementes der Vergleichszeile mit dem Koordinatenwert des äußersten linken Figurelementes der betreffenden Figursehne der Arbeitszeile verglichen, wobei die Unmöglichkeit von Überlappungen zwischen diesen Figursehnen daran erkannt wird, daß der Koordinatenwert des äußersten rechten Figurelementes der Vergleichszeile kleiner als der

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Koordinatenwert des äußersten linken Figurelementes der betreffenden Figursehne der Arbeitszeile ist, wobei die Koordinatenwerte in der Zeile von links nach rechts wachsend gezählt werden.

Die Auffindung aller Überlappungen von Figursehnen der Arbeitszeile durch Figursehnen der Vergleichszeile umfaßt die folgenden Verfahrensschrittet

Zunächst wird die notwendige Voraussetzung für die Existenz von Überlappungen der ersten Figursehne der Arbeitszeile durch Figursehnen der Vergleichszeile überprüft j

falls diese Voraussetzung erfüllt ist, werden die abgespeicherten Lagekoordinaten der äußersten rechten Figurelemente der Figursehnen der Vergleichszeile, bei der

ersten beginnend, nacheinander mit dem Koordinatenwert des äußersten linken Figurelementes der ersten Figursehne der Arbeitszeile solange verglichen, bis der erste Koordinatenwert des äußersten rechten Figurelementes einer Figursehne der Vergleichezeile aufgefunden ist, der größer oder gleich dem Koordinatenwert des äußersten linken Figurelementes der ersten Figursehne der Arbeitszeile ist;

dann wird der Koordinatenwert des äußersten linken Figurelemente β derjenigen Figursehne der Vergleichezeile, zu deren äußerstem rechten Figurelement der Koordinatenwert im vorangegangenen Schritt aufgefunden ist, mit dem Koordinatenwert des äußersten rechten Figurelementes der ersten Figursehne der Arbeitezeile verglichen, wobei eine Überlappung dann aufgefunden ist, wenn der Vergleichswert der Vergleichszeile kleiner oder gleich dem Vergleiohewert der Arbeitszeile ist, anderenfalls wird die erste Figursehne der Arbeitezeile nloht überlappt;

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falls auf diese Weise eine Überlappung aufgefunden ist, und falls in der Vergleichszeile weitere Figursehnen existieren, wird zur Auffindung weiterer Überlappungen der ersten Figursehne der Arbeitszeile der Koordinatenwert des äußersten linken Figurelementes derjenigen Figursehne der Vergleichszeile, die auf die zuletzt aufgefundene überlappende Figursehne der Vergleichszeile folgt, mit dem Koordinatenwert des äußersten rechten Figurelementes der ersten Figursehne der Arbeitszeile verglichen, und eine weitere Überlappung ist dann aufgefunden, wenn der Vergleichswert der Vergleichszeile kleiner oder gleich dem Vergleiohswert der Arbeitszeile ist}

anschließend wird der vorstehende Schritt solange wiederholt, bis keine weitere Überlappung mehr aufgefunden wird;

falls keine weitere Überlappung mehr aufgefunden ist, und falls in der Arbeitszeile weitere Figursehnen existieren, wird die nächstfolgende Figursehne der Arbeitszeile analog zu der ersten bezüglich des ersten Schrittes behandelt;

falls die im vorangegangenen Schritt überprüfte Voraussetzung für die Existenz von Überlappungen der gerade betrachteten Figursehne erfüllt ist, werden die abgespeicherten Lagekoordinaten der äußersten rechten Figurelemente der Figursehnen der Vergleichszeile, bei der zuletzt überlappenden beginnend, nacheinander mit dem Koordinatenwert des äußersten linken Figurelementes der gerade betrachteten Figursehne der Arbeitezeile solange verglichen, bis der erste Koordinatenwert des äußersten rechten Figurelementes einer Figursehne der Vergleiohezeile aufgefunden ist, der größer oder gleich dem Koordinatenwert des äußersten linken Figurelementes der gerade betrachteten Figursehne der Arbeitezeile ist;

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sodann wird der Koordinatenwert des äußersten linken Figurelementea derjenigen Figursehne der Vergleichezeile» zu deren äußerstem rechten Figurelement der Koordinatenwert im vorangegangenen Schritt aufgefunden ist, mit dem Koordinatenwert des äußersten rechten Figurelementes der gerade betrachteten Figursehne der Arbeitszeile verglichen, und eine Überlappung ist dann aufgefunden, wenn der Vergleichswert der Vergleichszeile kleiner oder gleich dem Vergleichswert der Arbeitszeile ist, anderenfalls wird die gerade betrachtete Figursehne der Arbeitszeile nicht überlappt; falls im vorangegangenen Schritt eine Überlappung aufgefunden ist und falls in der Vergleiohszeile weitere Figursehnen existieren, wird mit der gerade betrachteten Figursehne der Arbeitszeile analog zu den vorstehenden Schritten verfahren;

falls bei der ersten untersuchten Figursehne keine Überlappung aufgefunden ist und falls in der Arbeitezeile weitere Figursehnen existieren, wird die nächstfolgende Figursehne der Arbeitszeile analog zu der ersten in den dafür geltenden vorstehend genannten Schritten behandelt, und gegebenenfalls werden die für die weiteren Figursehnen geltenden Schritte in analoger Weise angeschlossen.

Zur Bestimmung direkt beim Zweizeilenvergleioh bestimmbarer individueller Figurkenngrößen, insbesondere der fortlaufenden Figurnummer n,

ο
der Figurfläche f · a , gemessen durch die Anzahl f ihrer Figurelemente mit der Rasterkantenlänge a, der Abszisse des am weitesten links gelegenen Figurpunktes Ii,

der Abszisse des am weitesten rechts gelegenen Figurpunktes re,

der Ordinate des höchsten Figurpunktes ho (wobei die Zeilen im Bild von unten naoh oben wachsend gezählt •^ind)» 309841/0679

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der Ordinate des tiefsten Figurpunktes hu, der maximalen Figursehne in Zeilenrichtung a · s der Anzahl der Figursehnen in Zeilenrichtung p, der Anzahl der Figursehnen in Spaltenrichtung q, gemessen als Summe der auf die Rasterkantenlänge normierten, von oben nicht überlappten Sehnenstücke, der Randversetzungszahl ν als Anzahl der zum Inneren der gerasterten Figur gerichteten Ecken im sogenannten Stufenrand, der stufenförmigen Annäherung an den Figurrand,

der Mehjirfachheit des Zusammenhanges mz, d.h. der Anzahl der geschlossenen Randkurven der Figur, der Anzahl mo der nach oben offenen Aufteilungen der Figur (Mehrfachüberlappungen von oben mit verschiedenen Überlappungsnummern an sämtlichen Sehnen der Figur), der Gesamttiefe a · to als Summe der Einzeltiefen der Figureinbuchtungen von oben, und

einer Kenngröße, die angibt, ob die Figur von der oberen, unteren, linken, rechten Bildfeldbegrenzung oder gleichzeitig von mehreren oder keiner von diesen geschnitten wird, ermittelt durch Abfrage von ho, hu, Ii und re, werden diese Figurkenngrößen aus den Einzelheiten der Überlappungen der Figursehnen abgeleitet und dazu die folgenden Schritte durchgeführt:

Nach Erkennung einer nicht überlappten Figursehne werden die Anfangewerte der direkt bestimmbaren Figurkenngrößen - soweit erforderlich - festgelegt, das sind insbesondere für f, β und q die Anzahl der Figurelemente dieser Sehne, für Ii bzw. re die Lagekoordinaten des am. weitesten links bzw. rechts gelegenen Figurelements der Sehne, für ho die Zeilenzahl, in der die Sehne liegt, für ρ der Wert 1, für ν und mz der Wert 0} außerdem werden nach Erkennung einer Überlappung einer Figursehne der Arbeitszeile von einer solchen der Ver-

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gleichszeile die unmittelbar errorderlichen Änderungen an den zugehörigen, bisherigen Zwischenwerten der direkt bestimmbaren Figurkenngrößen angebracht, und zwar bei einer ersten Überlappung der betreffenden Figursehne sind das insbesondere das Hinzufügen der Anzahl der Figurelemente der überlappten Sehne zum bisherigen Zwischenwert f, das Erhöhen des bisherigen Zwischenwertes ρ um 1, das Ersetzen der bisherigen Zwischenwerte Ii, re und s durch die beim Vergleich mit den entspre-

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chenden Werten der überlappten Sehne sich ergebenden jeweils extremeren Werte, das Ergänzen der Anzahl der Figurelemente der nicht von oben überlappten Sehnenstücke der betrachteten Figursehne zum bisherigen Zwischenwert q und das Ergänzen der bei der Überlappung erkannten Anzahl der Randversetzungen zum bisherigen Zwischenwert V, wahrend die übrigen zwisohenwerte der erwähnten direkt bestimmbaren Figurkenngrößen unverändert bleiben, bei einer weiteren Überlappung der betreffenden Figursehne von einer solchen der Vergleichszeile, die eine bereits bei vorangegangenen Überlappungen der betreffenden Figursehne aufgetretene Arbeitsnummer hat, sind das insbesondere das Vermindern des bisherigen Zwisohenwertes q um die Anzahl der bei dieser Überlappung als überlappend erkannten Figurelemente, das Ergänzen der bei dieser Überlappung erkannten Anzahl der RandverSetzungen zum bisherigen Zwischenwert ν und das Erhöhen des bisherigen Zwischenwertes mz um 1, während die übrigen Zwischenwerte der erwähnten direkt bestimmbaren Figurkenngrößen unverändert bleiben, bei einer weiteren Überlappung der betreffenden Figursehne von einer solchen der Vergleichezeile, die eine bei vorangegangenen Überlappungen der betreffenden Figursehne noch nicht aufgetretene Arbeitsnummer hat, sind das insbesondere das Hinzufügen des dem überlappend erkannten Figurteil zugehörigen Zwischenwertes f bzw. ρ bzw. mz jeweils zu dem entsprechenden

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bisherigen Zwischenwert, das Ersetzen der bisherigen Zwischenwerte Ii, re, s und ho durch die beim

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Vergleich mit den entsprechenden Werten der überlappten Sehne sich ergebenden jeweils extremeren Werte, das Vermindern des bisherigen Zwischenwertes q um die Anzahl der bei dieser Überlappung als überlappend erkannten Figurelemente und das Ergänzen der bei dieser Überlappung erkannten Anzahl der Randversetzungen zum bisherigen Zwischenwert ν;

dann werden nach Erkennung der letzten Überlappung einer Figursehne die im vorangegangenen Schritt erhaltenen Zwischenwerte der direkt bestimmbaren Figurkenngrößen abgespeichert, wobei sie der kleinsten, bei den Überlappungen dieser Figursehne aufgetretenen Arbeitsnummer zugeordnet werden;

und schließlich werden nach Erkennung der Vollständigkeit einer Figur noch ausstehende, einmalige Änderungen an den Zwischenwerten der direkt bestimmbaren Figurkenngrößen angebracht - das ist insbesondere die Erhöhung des Zwischenwertes mz um 1 - und es werden den direkt bestimmbaren Figurkenngrößen, für die keine ^Zwischenwerte erforderlich sind, ihre endgültigen Werte zugewiesen - das sind für hu die Zeilenzahl der untersten Figursehne und für η eine laufende Nummer.

Zum Erkennen der Vollständigkeit einer Figur wird am Ende jeder Fortsetzungszeile die Differenz zwischen dem dann vorliegenden Zwischenwert der Flächenkenngröße der betreffenden Figur und dem am Ende der vorangegangenen Zeile abgespeicherten Zwischenwert der Flächenkenngröße derselben Figur gebildet und eine Figur wird dann als vollständig erkannt, wenn diese Differenz verschwindet.

Zur Identifizierung von Figuren hinsichtlich bestimmter Formen, abhängig oder unabhängig von Größe und/oder

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Orientierung, wird die Lage der Ist-Werte ausgewählter Figurkenngrößen bezüglich entsprechender vorgegebener Sollwertbereiche untersucht, und eine Figur ist hinsichtlich der genannten Eigenschaften identifiziert, wenn alle genannten Ist-Werte innerhalb der genannten Sollwertbereiche liegen.

Das neue Verfahren ist in den Ansprüchen ausführlich und eindeutig beschrieben. Im folgenden sollen einige in den Ansprüchen erscheinende Begriffe näher erläutert und das Prinzip des neuen Verfahrens herausgestellt werden. Die Leistungsfähigkeit des neuen Verfahrens soll anhand einer Zusammenstellung der wichtigsten, von den direkt bestimmbaren Figurparametern abgeleiteten Bestimnmngsgrößen dokumentiert werden.

Zur Durchführung der Bildanalyse denkt man sich ein Quadratmaschennetz über das Bild gelegt. Dadurch wird es in quadratische Flächenelemente, sogenannte Rasterelemente aufgeteilt, die in Zeilen und Spalten angeordnet sind. Jedem Rasterelement soll eindeutig der Dualwert (0) oder (1) entsprechend seinem überwiegenden Flächenanteil am kleineren bzw. größeren Dualhelligkeitswert zugeordnet werden. Praktisch wird diese Zuordnung bei der Bildwandlung durchgeführt. Die Rasterkantenlänge a legt dabei das geometrische Auflösungsvermögen fest. Den zu untersuchenden Figuren wird der Dualwert (1) zugeordnet. Der übrige Fläohenanteil im Bild, der Untergrund oder sogenannte Komplementäranteil hat dann den Dualwert (0). Irgendein Rasterelement kann also nur Figurelement oder Komplementärelement sein.

Jedes Rastelelement im Innern des Bildes hat aoht umliegende Nachbarelemente. Die vier an die Seiten des Rasterelements angrenzenden Rasteralemente werden Hauptnachbarelemente ge-

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nannt. Die vier nur an die Ecken des Rasterelements anstoßenden Rasterelemente heißen Nebennachbarelemente.

Inneres Figurelement sollein Figurelement heißen, das vier Hauptnachbarfigurelemente hat, d.h. das an allen vier Seiten von weiteren Figurelementen begrenzt wird.

Ein Randelement der Figur ist ein Figurelement, das mindestens ein Hauptnachbarelement vom Dualwert (0) hat, d.h. an das mindestens ein Komplementärelement in der gleichen Zeile oder Spalte angrenzt.

Durch Einführung des Rasters wird aus einer Figur eine sogenannte gerasterte Figur. Sie umfaßt - falls sie nicht nur aus einem isolierten Figurelement besteht - die Menge aller derjenigen Figurelemente, zwischen denen in irgendeiner Weise mindestens eine direkte oder indirekte hauptnachbarschaftliche Beziehung besteht. Nebennachbarfigurelemente, die sonst keine Nachbarfigurelemente gemeinsam haben, gehören demnach verschiedenen gerasterten Figuren an.

Der mathematische Begriff des ein- oder mehrfachen Zusammenhanges der Punktmenge einer Figur soll der Einfachheit halber auf die Figur selbst übernommen werden. Bei einer einfach zusammenhängenden Figur ist der Gesamtrand identisch mit dem äußeren Rand, während er sich bei einer mehrfach zusammenhängenden Figur aus dem äußeren und entsprechend vielen inneren Rändern zusammensetzt.

Der Begriff der (einfach gezählten) Parallelprojektion einer Figur auf eine Bezugsrichtung wird erweitert auf den Begriff der mehrfach gezählten Parallelprojektion₀ Man stellt sich an die Figur gezeichnet alle diejenigen

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Geraden senkrecht zu einer gegebenen Richtung vor, die jeweils mindestens einen Punkt mit der äußeren oder inneren Randkurve gemeinsam haben, ohne daß ein einfacher Schnittpunkt vorliegt. Die Summe aller Abstände zweier solcher Geraden, die bei einmaligem Durchlaufen der geschlossenen Randkurven unmittelbar nacheinander angetroffen werden, wird als mehrfach gezählte Parallelprojektion, der Figur auf die vorgegebene Richtung definiert. Die übliche, einfach gezählte Parallelprojektion auf die gleiche Bezugsrichtung ist das Maximum der Abstände zwischen allen soeben eingeführten Geraden.

Bei dem neuen Verfahren handelt es sich um ein Zweizeilenvergleichsverfahren nach einem durch Umnumerierung modifizierten Überlappungsprinzip zur Erkennung der Sehnen-Figur Zugehörigkeit.

Das wesentlichste Merkmal des Verfahrens ist das strenge bitweise Vorgehen in Zeilenrichtung von linke nach rechts und die daran anschließende zeilenweise Fortsetzung von oben nach unten. In diesem grundlegenden Ausgangspunkt, der alle folgenden Züge deutlich bestimmt, unterscheidet es sich von den früher mit Hilfe von Digitalrechnern vorgenommenen Bildanalysen.

Zur Durchführung wird dabei gleichzeitig immer nur die Information zweier benachbarter Zeilen gebraucht. Zwisohen zwei solchen Zeilen - der sogenannten Arbeitezeile und der darüberliegenden sogenannten Vergleichszeile -wird jeweils die Assoziation untersucht, die von sichj£ überlappenden Sehnenstreifen gebildet wird.

Von einer Zeile werden im allgemeinen mehrere Figuren geschnitten. An jeder Figur ist eine Vielzahl von Einzelparametern zu bestimmen. Die direkten Figurparameter

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bauen sich - zum großen Teil - schrittweise aus ihren Zwischenwerten bei jedem Zeilenzuwachs auf. Ihre Endwerte können erst vorliegen, wenn die Figur als vollständig erkannt ist. Diese fertigen Figurparameter brauchen nicht im einzelnen gespeichert zu werden, sondern können gleich in die entsprechenden Summenspeieher zur Bildung der Mittelwerte und der statistischen Momente höheren Grades sowie in die Klassenhäufigkeitsverteilungen übernommen werden.

Jedoch müssen die Parameterzwischenwerte der in Arbeit stehenden, angeschnittenen Figuren gespeichert sein. Sie müssen ferner voneinander unterscheidbar und eindeutig den Figuren zuzuordnen sein. Sie können als Komponenten eines die Figur kennzeichnenden Vektors aufgefaßt werden. Es ist zweckmäßig, die Anzahl der Parameterzwischenwerte stets als Block von w Zahlen, als sogenannte Zahlen-w-Tupel zu behandeln, in dem die Reihenfolge der Werte zu beachten ist.

Die Zuordnung der w-Tupel der Parameterzwischenwerte zu den betreffenden Figuren erfordert eine eindeutige Figurkennzeichnung. Eine einfache Möglichkeit dazu bietet die Figurnumerierung. Sie wird jedoch nicht fortlaufend vorgenommen. Vielmehr findet eine ständige Umnumerierung statt. Anlässe dafür sind: Die Erkennung des Beginns einer neuen Figur, die Erkennung der Vereinigung mehrerer Figurteile zu einer und die Erkennung der Vollständigkeit einer Figur.

Die Parameterwerte aller als vollständig erkannten Figuren werden aussortiert. Damit sind die Speicherzellen für ihre Parameter-w-Tupel wieder frei. Alle schon vergebenen Arbeitsnummern, die größer sind als die der gerade fertig ausgewerteten Figur,luutx werden um eins erniedrigt. Urage-

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kehrt erhält eine Figur bzw. ein nach oben gerichteter Figurteil beim ersten Zellenschnitt die folgende Nummer auf die der vorangegangenen Figur.Alle schon vergebenen Nummern, die größer oder gleich derjenigen der neuen Figur sind, werden um eins erhöht. Wird die Zugehörigkeit mehrerer nach oben verzweigter Teile zu einer Figur festgestellt, so behält die Gesamtfigur die kleinste Nummer ihrer Teile bei, da das betreffende Teilstück als erstes davon erkannt wurde. Die übrigen Nummern oder Figurteile werden annulliert, und es wird mit ihnen verfahren wie bei der Erkennung der Vollständigkeit einer Figur. Teilstücke einer nach unten verzweigten Figur werden bei dem Analysenverfahren direkt als zusammengehörig erfaßt und verursachen demnach leine Umnumerierung.

Auf diese Veise sind die in Arbeit stehenden Figuren nach der Zeilenendverarbeitung immer mit einer laufenden Nummer ab 1 belegt. Eine solche Umnumerierung hat den Vorteil, daß die zu vergebenden Zahlen wesentlich kleiner bleiben als bei grundsätzlich durchgehender Numerierung. Damit bleibt auch der Speioherplatzbedarf für die Parameterzwisohenwerte auf ein Minimum beschränkt. So, wie aufgrund der Reihenfolge der Werte in einem w-Tupel dl· zu einer Figur gehörenden Parameterzwischenwerte unterschieden werden können, so kann aufgrund der Arbeitenummern zwischen den einzelnen Pararaeter-w-Tupeln verschiedener Figuren unterschieden werden.

Di· Voraussetzung für dieses Umnumerierverfahren ist die riohtige Erkennung einer noch so kompliziert zusammenhängenden Figur. Vegen dea zeilenweisen Vorgehens werden die Figuren in Sehnen zerlegt. Die Figurerkennung baut also auf der Sehnenerkennung auf und stellt sich dann als Frag· nach d«r Zugehörigkeit der in den Zellen entstehenden Sehnen zu Figuren. Mit Vorteil kann dazu das Sehnen-Überlappungekriterium angewandt werden.

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Der Begriff der Überlappung läßt sich einfach und anschaulich am Bild einer gerasterten Figur erklären. Figursehnen zweier benachbarter Zeilen überlappen, wenn mindestens ein Figurelement einer Sehne der einen Zeile ein zu einer Sehne der anderen Zeile gehörendes Hauptnachbarelement hat oder anders formuliert, wenn in den Raster spalten unter einer Sehne der oberen der beiden betrachteten Zeilen mindestens ein Figurelement einer Sehne der anderen Zeile liegt«, Die Anzahl der Spalten, in denen Figurelemente der überlappenden Sehnen liegen, gibt die in Rasterkantenlängen gemessene Überlappungsstrecke der Sehnen an.

Eine Überlappung kann von der überlappten Sehne der unteren der beiden Zeilen oder von der überlappenden Sehne der darüberliegenden Zeile aus beurteilt werden. Unter einer Mehrfachüberlappung von oben ist die Überlappung einer Sehne von mehreren aufeinanderfolgenden Sehnen in der darüberliegenden Zeile zu verstehen. Entsprechend ist mit einer Mehrfachüberlappung von unten gemeint, daß eine Sehne mehrere aufeinanderfolgende Sehnen der darunterliegenden Zeile überlappt. Bei Einfachüberlappungen ist der unterscheidende Zusatz von oben bzw. von unten nicht erforderlich. Eine Mehrfachüberlappung von oben bzw„ unten deutet auf eine - zumindest lokal begrenzte - Aufspaltung der Figur in mehrere Teile nach oben bzw. unten hin. Die Einschiebung der "lokalen Begrenzung der Aufspaltung" bezieht sich darauf, daß sich die Figurteile weiter oben bzw. weiter unten im Bild wieder vereinigen können und damit eine mehrfachzusammenhängende Figur vorliegen kann.

Die aufgrund des Überlappungskriteriums zusammengehörenden Sehnen bestimmen genau die bereits auf andere Weise definierte gerasterte Figur»

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Für ein Verfahren mit durchlaufender Numerierung würde das Überlappungskriterium als Bestimmungemöglichkeit der Sehnenzugehörigkeit zu einzelnen Figuren völlig für die Bildanalyse ausreichen. Alle Einzelfigurparameter müßten gespeichert bleiben bis zur statistischen Endauswertung. Venn die Gesamtbildinformation verarbeitet wäre, wäre mit Gewißheit auch jede im Bild enthaltene Figur vollständig untersucht. Die möglichst frühzeitige Erkennung der Vollständigkeit einer untersuchten Figur würde überhaupt nicht benötigt.

Andere steht es damit bei Anwendung des Umnumerierungsverfahrens innerhalb des neuen Bildanalyseverfahrene. Es beruht geradezu darauf, die frühzeitig erkannte Vollständigkeit einer Figur zur Umnumerierung und der damit verbundenen Speicherplatzeinsparung auszunutzen. Zur vollkommenen Figurerkennung gehört also neben einem Zugehörigkeit skriterium der Sehnen zu einer Figur noch ein Kriterium für die rechtzeitige Feststellung der Vollständigkeit einer Figur.

Ein solches allgemeingültiges und exaktes Kriterium erfordert beachtlichen Aufwand. Es ist richtig zu sagen: Eine Figur ist vollständig, wenn keine ihrer Sehnen einer Zeile weitere Sehnen der nächsten Zeile überlappt. Eine Schwierigkeit tritt bei nach unten verzweigten Figuren auf. Venn ein Figurteil naoh unten vollständig erkannt ist, weiß man zu diesem Zeitpunkt noch nicht, ob überhaupt andere Figurteile vorhanden sind und ob sie sieh noch naoh unten fortsetzen. Das zei#, daß man zur Lösung des Problems weitere Detailinformation speiohern und zu gegebener Zeit wieder abfragen muß.

Xm vorliegenden Verfahren wird zur Entscheidung der Vollständigkeit einer Figur nioht allein mit dem Überlappunge-

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kriteritim gearbeitet. Die Vollständigkeit der unter Arbeit stehenden Figuren wird an jedem Zeilenende geprüft, wo auch, die Umnumerierung vervollkommnet wird_o Am Zeilenende läßt sich die Figurvollständigkeit leichter erkennen. Beim zeilenweisen Fortschreiten der Analyse stellt sioh der Zwischenwert des Flächenparameters dar als Summe der (1)-Dualwerte der bisher erkannten Sehnenstreifen einer Figur. Solange eine Figur unvollständig ist, wächst der Zwischenwert ihres Flächenparameters von Zelle zu Zeile streng monoton an. Kann an einem Zeilenende festgestellt werden, daß an einzelnen Figuren kein Flächenzuwachs aufgetreten ist, so ist das, selbst bei den kompliziertesten Figuren, ein streng gültiges Kriterium für ihre Vollständigkeit.

Der Zyklus der Zweizeilenassoziation beginnt bei Vorliegen einer sogenannten Anfangszeile, d.h. einer auf eine Leerzeile folgenden Arbeitszeile· In ihr findet im wesentlichen nur die Verarbeitung der bitweisen information zu den sogenannten Sehnendaten statt. Darunter sind die Lagekoordinaten des linken und rechten Sehnenschnittpunkte 8 in der Arbeitezelle als natürliche Spaltenzahlen und die Arbeitsnummer zu verstehen. Die so transformierten Daten der Bildzeilen werden direkt in drei dafür vorgesehenen Speioherblöcke der Vergleichezeile gespeichert. Dann kann die nächste Zeile in Angriff genommen werden₀

Zunächst findet wieder derselbe Vorgang der Umspeieherung der Zeileninformation statt«, Jetzt aber erfolgt die Bearbeitung der Daten der Arbeitszeile als sogenannte Fortsetzungszeile unter Berücksichtigung der Sehnendaten der Vergleichezeile. Hierin besteht die Zweizeilenaseoziation. 1st ein rechter SehnenSchnittpunkt erkannt, die Sehne also vollständig, wird sofort über ihre FigurZugehörigkeit aufgrund der Arbeitsnummer der überlappenden Sehne entschieden

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und. die entsprechenden Zwischenwerte der Figurparameter werden auf den neuesten Stand gebracht. Die dabei neu angefallenen Sehnendaten werden zunächst in die entsprechenden Blöcke für die Sehnendaten der Arbeitszeile gespeichert. Am Zeilenende erfolgt die Neuordnung der Numerierung und Umsetzung der Sehnendaten der Arbeitezeile in die Blöcke der weiterhin nicht mehr benötigten Sehnendaten der Vergleichszeile. Das entspricht der Umdefinition der Sehnendaten der Arbeitszeile zu solchen der Vergleiohszeile. Damit sind die Voraussetzungen für einen neuen Zeilanablauf geschaffen.

Aufgrund der in dem neuen Verfahren angewendeten Kriterien für die Figurerkennung und -kennzeichnung können aus den Sehnendaten über die im Anspruch 5 genannten direkt bestimmbaren Figurparameter hinaus noch eine Vielzahl abgeleiteter individueller Figurkenngrößen bestimmt werden. Die wichtigsten sind nachfolgend zusammengestellt, wobei auf die im Anspruch 5 gegebenen Definitionen bezug genommen wird.

Zu den durch mathematische Verknüpfung abgeleiteten Figurkenngrößen gehören insbesondere
der nominelle Figurdurohmesser nach Vadell (1932) als

2 ff/i⁷,

der statistische Figurdurchmesser nach Feret (1931) iⁿ Zeilenrichtung als b = re - Ii + 1,

der statistische Figurdurchmesser nach Feret in Spaltenrichtung als h s ho - hu + 1,

die Fläche des die Figur umschreibenden zeilen-spaltenparallelen Rechtecks als b · h,

das Seitenverhältnis des genannten umschreibenden Rechtecks als max(b,h)/min(b/h),

das streokungsriohtungangebende Seitenverhältnis des genannten umschreibenden Rechtecks als b/h,

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der Figurflächenanteil am genannten umschreibenden Rechteck (compactness factor) nach Moore (1968) als f/b · h,

die mehrfach gezählte Parallelprojektion der Figur auf die Spaltenrichtung als 2p,

die mehrfach gezählte Parallelprojektion der Figur auf die Zeilenrichtung als 2q,

die mittlere Länge der Sehnen der Figur in Zeilenrichtung als f/p,

die mittlere Länge der Sehnen der Figur in Spaltenrichtung als f/q,

das Verhältnis der mittleren Längen der Sehnen der Figur in Zeilen- und Spaltenrichtung als max(p,q)/min(p,q),

das streckungsrichtungangebende Verhältnis der mittleren Längen der Sehnen der Figur in Zeilen- und Spaltenrichtung als q/p»

ein absolutes bzw. relatives Maß für Einbuchtungen der Figur in Spaltenrichtung als ρ - h bzw. (p - h)/h,

ein absolutes bzw. relatives Maß für Einbuchtungen der Figur in Zeilenrichtung als q - b bzw. (q - b)/b,

ein absolutes bzw. relatives Maß für Einbuchtungen der Figur in Zeilen- und Spaltenrichtung als ρ + q - b - h bzw. (p + q - b - h)/(b + h),

der Stufenrand, d.h„ Länge der die gerasterte Figur begrenzenden Randkurve(n) als rs = 2(ρ + q),

der korrigierte Stufenrand der Figur als rk = rs - v(2 -V2), der hydraulische Radius der Figur als f/rk, der Zirkulafcitätsindex der Figur als f/rk ,

die Länge der größeren Seite des der Figur flächen- und umfang sgieichen, sogenannten äquivalenten Reohteoks nach Moore (I968) als a, = rk/4(1 + \(i - I6f/rk²'),

die Länge der kleineren Seite des äquivalenten Rechtecks als a₂ m rk/^(1 - V1 - 16f/rk²),

das Seitenverhältnis des äquivalenten Rechtecks als a-j/a2»

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die Länge der größeren Aohse der der Figur flächen- und umfangsgleichen, sog. äquivalenten Ellipse nach Moore

(1968) ale S₁ - 2/3*((rk +fwF) + V (rk ♦ \f¥?)² - die Länge der kleinen Achse der äquivalenten Ellipse ale

((rk + f*~?) - ^(rk + \W)^Z - 9»f'), das Achsenverhältnis der äquivalenten Ellipse als Näherungewerte für die größte Figur au »dehnung als

11 _ 1/2(o + dg), wobei ο *> max(b.h) und dg -Vb² + h² (Moore u. Vyman (I963))

oder als 12 = (•_raax/b)o + (1 - (e_mÄX/*))dg

oder als 13 - (^_11xA)²C + (1 - (»_max/b)²)

_max die mittlere Figurausdehnung senkrecht zur ermittelten

größten Figurauedehnung als f/11 bzw. f/12 bzw. f/13, der Streckungsfaktor der Figur als sf β 11 /f bzw.

Sf a 12²/f bzw. Sf m l^/f,

ein modifizierter Streokungsfaktor der Figur, bestimmt durch das Achsenverhältnis einer der Figur flächengleiohen Ellipse, deren große Achse die Länge 11 bzw. 12 bzw. 13 hat, als sf* » irl1²/^^f *>■»· sf* * irl2²/**" bzw. sf* β irl3²/^f.

die näherungsweise Orientierung der Figur bezüglich der Zeilenriohtung als spitzer Winkel

_{5( )f}

arotg(sf) - k5

wobei Längen in Einheiten der Rasterkantenlänge a

ο und Flächen in Einheiten der Rasterelementfläehe a

angegeben sind.

Von den mit dem neuen Verfahren bestimmbaren Figurkenngrößen muß besonders auf die Anzahl q der Figursehnen in Spaltenriohtung hingewiesen werden, die hier bei zeilenweisem Analysenablauf gewonnen werden kann. Diese Größe konnte bislang nur bei einer erneuten Analyse des um 90° gedrehten Bildes erhalten werden. Die große

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geometrische Bedeutung von q zeigt die Vielzahl der davon abhängigen Figurkenngrößen.

Im folgenden sollen nooh einige Modifikationen angegeben werden, die im Rahmen der Erfindung liegen.

Das angegebene Kriterium zur Figurvollständigkeitserkennung läßt sich in ganz analoger Weise anstelle der Figurfläche mit jedem beliebigen Figurparameter formulieren, dessen Zwischenwert beim zeilenweisen Fortschreiten der Bildanalyse monoton zunimmt.

Im vorgelegten Konzept werden gerasterte Figuren auch dann als getrennte Individuen aufgefaßt und ausgewertet, wenn einzelne Randelemente Nebennachbarfigurelemente zu anderen gerasterten Figuren sind. Solche Figuren sind dann nicht vollständig voneinander durch Komplementärelemente isoliert, sondern berühren sich an den Eckpunkten der Rasterfelder. Eine Variante kann darin bestehen, den Begriff der gerasterten Figur zu erweitern, so daß auch einander an den Eckpunkten berührende Figurelemente als ein einziges, gerastertes Gebilde betrachtet werden.

Zur Durchführung dieser Neufassung des Begriffs der "gerasterten Figur·¹ braucht nur die jeweilige Figursehne der Arbeitszeile fiktiv am rechten und linken Sehnenendpunkt um je ein Rasterelement verlängert zu werden. Danach kann das Überlappungskriterium in sonst unveränderter Form angewandt werden.

Als Erweiterung des Zveizeilenvergleichsverfahrens ist es naheliegend, an eine Mehr- speziell an eine Dreizeilenassoziation zu denken. Neben der bisher verwendeten - über der Arbeitszeile gelegenen - Vergleiohszeile

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(hier zur Unterscheidung Vergleichszeile I genannt) und der eigentlichen Arbeitszeile könnte zur Figuruntersuchung zusätzlich die auf die Arbeits-zeile folgende Zeile (Vergleichezeile II) herangezogen werden. Zur Untersuchung der Sehnenüberlappung von unten könnte dasselbe Verfahren wie bei der Sehnenüberlappung von oben dienen.

Ist man neben dem korrigierten Stufenrand oder an dessen Stelle an dem Figurrand interessiert, der sich aus der Anzahl der Figurrandelemente ohne Berücksichtigung ihrer jeweiligen Vielfachheit ergibt, so wird man bei der Dreizeilenassoziation vermutlich einfacher zum Zijfel kommen als beim Zweizeilenvergleich, weil bei letzterem Information zwischengespeichert werden müßte, die erst beim Kenntnisstand der nächsten Zeile zum eigentlichen Randparamet er zwischenwert verarbeitet werden könnte.

Schließlich ließe sich die Anzahl der Mehrfachüberlappungen von unten an jeder Figur zählen. Damit könnte man weitere Angaben über die Lage der Einbuchtungen in Spaltenrichtung und die mittlere Einbuchtungstiefe in derselben Riohtung machen. Dieser Jnformationsgewinn ist wegen seiner Lageabhängigkeit nicht sonderlich aufschlußreich, es sei denn als Hilfsgröße bei der Unterscheidung zwischen vorgegebenen Figurformen.

Das angegebene Verfahren der Bildanalyse läßt sich in allen Zweigen der Naturwissenschaften, Medizin und Technik einsetzen, für die Untersuchungen von individuellen Unter suohungsobJekten in bildhaft vorliegender Information von Nutzen sind. Da es sioh um ein Bildauswerteverfahren handelt, ist es unabhängig von der speziellen Art der Bildgewinnung. Es spielt also keine Rolle, ob die zu unterem-

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ohenden Bilder rein optisch (makro- oder mikroskopisch), elektronenoptisch, röntgenographisch, radiographisch oder durch kernphysikalische Prozesse entstanden sind.

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Claims

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Patentansprüche

1. Verfahren zur automatischen Bildanalyse, wie Erkennung und Zählung beliebig geformter Figuren und Bestimmung individueller Figurkenngrößen, mit optischer oder elektrmonischer Abtastung des Bildes und Auswertung der dabei gewonnenen Signale im Digitalrechner, wobei bei der Abtastung über das zu analysierende Bild ein nach Zeilen und Spalten geordnetes fiktives Raster gelegt wird und die dadurch entstehenden Rasterelemente zeilenweise fortlaufend abgetastet werden, und für die entsprechend den unterschiedlichen Grauwerten der Rasterelemente gewonnenen unterschiedlichen Abtastsignale ein oder zwei Schwellwerte vorgegeben werden, welche ein Rasterelement als ein einem bestimmten Graubereich der interessierenden Figur zugehöriges Figurelement definieren, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte (wobei jeweils die erste und alle auf eine Zeile ohne Figurelemente - Leerzeile - folgenden Abtastzeilen, in denen erstmals mindestens ein Figurelement auftritt, als Anfangszeilen und die diesen folgenden Zeilen als Fortsetzungezeilen entsprechend den nachstehenden Verfahrensschritten behandelt werden):

a) zu jeder in einer Anfangezeile auftretenden Figursehne - definiert als zusammenhängende Figurelemente einer Zeile - werden die Lagekoordinaten für das äußerste linke und das äußerste rechte Figurelement bestimmt und abgespeichert, dabei wird jeder Figursehne eine fortlaufende Arbeitsnummer, bei Eins beginnend, zugeordnet und die Anfangswerte der individuellen Figurkenngrößen werden ermittelt und abgespeichert;

b) zu jeder in der jeweiligen Fortsetzungszeile auftretenden Figursehne werden die Lagekoordinaten für das äußerste linke und das äußerste rechte Figurelement

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bestimmt und abgespeichert und die Überlappung In Spaltenrichtung mit Figursehnen der vorangegangenen Zelle (Vergleichszelle) sowie die Vollständigkeit der erkannten Figuren untersucht, wobei im Falle einer Leerzeile alle in der Vergleichszeile und im Falle der letzten Abtastzeile auch alle darin erkannten Figuren als vollständig erkannt behandelt werden;

c) zu jeder überlappten Figursehne werden ihr selbst - sowie auoh allen anderen an der Überlappung beteiligten Figurteilen - als gemeinsame Arbeitsnummer die kleinste Arbeitsnummer der überlappenden Figursehnen der Vergleichszeile zugewiesen, die frei werdenden Arbeitsnummern annulliert und die Numerierung der Figursehnen mit einer höheren Arbeitsnummer als der kleinsten gemeinsamen Arbeitsnummer um eine entsprechende Anzahl erniedrigt, an den zu der kleinsten gemeinsamen Arbeit snummer gehörenden Anfangs- bzw. Zwischenwerten der Figurkenngrößen die durch den erkannten Sehnenzuwachs an der Figur erforderlichen Ergänzungen und Änderungen angebracht und als neue Zwischenwerte abgespeichert und die den frei werdenden Arbeitsnummern zugehörinden Zwischenwerte besonders gekennzeichnet;

d) jeder nicht Überlappten Figursehne werden als Arbeitsnummer eine besondere, konstante Kennziffer zugewiesen und die zugehörigen Anfangswerte der Figurkenngrößen ermittelt und abgespeichert;

e) am Ende der Fortsetzungszeile werden die in Schritt d) ermittelten Anfangswerte der Figurkenngrößen zwischen die nach Schritt c) ermittelten Zwischerawerte in der richtigen Reihenfolge eingeordnet, die besonders gekennzeichneten, nicht mehr benötigten Zwisclaemwerte, die den frei gewordenen Arbeitsmunmezti ziigeiiiären _t aus™

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sortiert und annulliert, und dann die Zwiechenwerte von als vollständig erkannten Figuren auesortiert und der weiteren Verarbeitung zugeführt;

f) die Arbeitsnummern der überlappten und der nicht überlappten Figursehnen werden überprüft und wieder in eine fortlaufende Zahlenfolge überführt, indem nach jeder Einsortierung von neu ermittelten Anfangswerten die konstante Kennziffer naoh Schritt d) der zugehörigen nicht überlappten Figursehne annulliert, durch die um Eins vermehrte größte Arbeitenummer der bisher schon überprüften Arbeitsnummern dieser Zeile ersetzt wird und ferner alle folgenden Arbeitsnummern, die diese bisher größte Arbeitenummer übersteigen, ebenfalls um Eins erhöht werden, und naoh jeder Aussortierung von Zwisohenwerten vollständiger Figuren diejenigen Arbeitsnummern um Eins vermindert werden, die größer sind als die Arbeitsnummer der zugehörigen Figurj

g) die Arbeitsspeicher für die Lagekoordinaten der äußersten linken und äußersten rechten Figunfem ente der Sehnen der Verglelohszeile werden gelöscht und die entsprechenden Lagekoordinaten der Figursehnen der gerade abgetasteten Zeile (Arbeitszeile) dorthin umgespeichert 1

h) die Folgezeile wird abgetastet und die jeweils zutreffenden Schritte werden bis zur letzten Abtastzeile wiederholt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zum Erkennen einer Überlappung einer Figursehne der Arbeitszeile duroh eine Figursehne der Vergleichezeile die Lagekoordinaten der äußersten linken und äußersten rechten Figurelemente untersucht werden, wobei eine Überlap-

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pung dann gegeben ist, wenn der Koordinatenwert des äußersten rechten Figurelementes der Figursehne der Vergleichszeile größer oder gleich dem Koordinatenwert des äußersten linken Figurelementes der Figursehne der Arbeitszeile und zugleich der Koordinatenwert des äußersten linken Figurelementes der Figursehne der Vergleichszeile kleiner oder gleich dem Koordinatenwert des äußersten rechten Figurelementes der Figursehne der Arbeitszeile ist, wobei die Koordinatenwerte in der Zeile von links nach rechts wachsend gezählt werden.

3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Überprüfung einer notwendigen Voraussetzung für die Existenz von Überlappungen einer/beliebigen Figursehne der Arbeitszeile durch Figursehnen der Vergleichszeile der Koordinatenwert des äußersten rechten Figurelementes der Vergleichszeile mit dem Koordinatenwert des äußersten linken Figurelementes der betreffenden Figursehne der Arbeitszelle verglichen wird, wobei die Unmöglichkeit von Überlappungen zwischen diesen Figursehnen daran erkannt wird, daß der Koordinatenwert des äußersten rechten Figurelementes der Yergleichszeile kleiner als der Koordinatenwert des äußersten linken Figurelementes der betreffenden Figursehne der Arbeitszeile ist, wobei die Koordinatenwerte in der Zeile von links nach rechts wachsend gezählt werden.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Auffindung aller Überlappungen von Figursehnen der Arbeitszeile durch Figursehnen der Vergleichszeile die folgenden Verfahrensschritte umfaßt χ

a) die notwendige Voraussetzung für die Existenz von Überlappungen der ersten Figursehne der Arbeitszeile

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durch Figursehnen der Vergleiohszeile wird nach Anspruch 3 überprüft;

b) falls diese Voraussetzung erfüllt ist, werden die nach Anspruch 1 abgespeicherten Lagekoordinaten der äußersten rechten Figurelenente der Figursehnen der Vergleichszeile, bei der ersten beginnend, nacheinander mit dem Koordinatenwert des äußersten linken Figurelementes der ersten Figursehne der Arbeitszeile solange verglichen, bis der erste Koordinatenwert des äußersten rechten Figurelementes einer Figursehne der Vergleichszeile aufgefunden ist, der größer oder gleich dem Koordinatenwert des äußersten linken Figurelementes der ersten Figursehne der Arbeitszeile ist;

c) der Koordinatenwert des äußersten linken Figurelementes derjenigen Figursehne der Vergleichszeile, zu deren äußerstem rechten Figurelement der Koordinatenwert im vorangegangenen Schritt aufgefunden ist, wird mit dem Koordinatenwert des äußersten rechten Figurelementes der ersten Figursehne der Arbeitszeile verglichen, wobei eine Überlappung dann aufgefunden ist, wenn der Vergleichswert der Vergleiohszeile kleiner oder gleich dem Vergleichswert der Arbeitezeile ist, anderenfalls wird die erste Figursehne der Arbeitszeile nicht überlappt;

d) falls auf diese Weise eine Überlappung aufgefunden 1st, und falls in der Vergleichszeile weitere Figursehnen existieren, wird zur Auffindung weiterer Überlappungen der ersten Figursehne der Arbeitezeile der Koordinatenwert des äußersten linken Figurelementes derjenigen Figursehne der Vergleichszeile, die auf die zuletzt aufgefundene überlappende Figursehne der Vergleichszeile folgt, mit dem Koordinatenwert des

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äußersten rechten Figurelementeβ der ersten Figursehne der Arbeitszeile verglichen, und eine weitere Überlappung ist dann aufgefunden, wenn der Vergleichswert der Vergleichszeile kleiner oder gleich dem Vergleichswert der Arbeitszeile ist;

e) der vorstehende Schritt wird solange wiederholt, bis keine weitere Überlappung mehr aufgefunden wird}

f) falls keine weitere Überlappung mehr aufgefunden ist und falls in der Arbeitszeile weitere Figursehnen existieren, wird die nächstfolgende Figursehne der Arbeitszeile analog zu der ersten bezüglich des Schrittes a) behandelt;

g) falls die im vorangegangenen Schritt überprüfte Voraussetzung für die Existenz von Überlappungen der gerade betrachteten Figursehne erfüllt ist, werden die abgespeicherten Lagekoordinaten der äußersten rechten Figurelemente der Figursehnen der Vergleichszeile, bei der zuletzt überlappenden beginnend, nacheinander mit dem Koordinatenwert des äußersten linken Figurelementes der gerade betrachteten Figursehne der Arbeit szeile solange verglichen, bis der erste Koordinatenwert des äußersten rechten Figurelementes einer Figursehne der Vergleichszeile aufgefunden ist, der größer oder gleich dem Koordinatenwert des äußersten linken Figurelementes der gerade betrachteten Figursehne der Arbeitszeile ist;

h) der Koordinatenwert des äußersten linken Figurelementes derjenigen Figursehne der Vergleichezeile, zu deren äußerstem rechten Figurelement der Koordinatenwert im vorangegangenen Schritt aufgefunden ist, wird mit dem Koordinatenwert des äußersten rechnen Figurelementes der gerade betrachteten Figursehne der Ar-

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beitszeile verglichen, und eine Überlappung ist dann aufgefunden, wenn der Vergleichewert der Vergleichezeile kleiner oder gleich dem Vergleichswert der Arbeitszeile ist; anderenfalls wird die gerade betraohtete Figursehne der Arbeitszeile nicht überlappt;

i) falls im vorangegangenen Schritt eine Überlappung aufgefunden ist und falls in der Vergleichezeile weitere Figursehnen existieren, wird mit der gerade betrachteten Figursehne der Arbeitezeile analog zu den Schritten d) bis h) verfahren;

k) falls im Schritt o) keine Überlappung aufgefunden ist und falls in der Arbeitezeile weitere Figureehnen existieren, wird die nächstfolgende Figursehne der Arbeitszeile analog zu der ersten in den Schritten a) bis e) behandelt, und gegebenenfalls werden analog Schritt f) und die folgenden Schritte angeschlossen.

Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bestimmung direkt beim Zweizeilenvergleich bestimmbarer individueller Figurkenngrößen, insbesondere

der fortlaufenden Figurnummer n,

der Figurfläohe f*a², gemessen durch die Anzahl f ihrer Figurelemente mit der Rasterkantenlänge a, der Abszisse des am weitesten links gelegenen Figurpunktes Ii,

der Abszisse des am weitesten rechts gelegenen Figurpunkte β re,

der Ordinate des höchsten Figurpunktes ho (wobei die Zeilen im Bild von unten nach oben wachsend gezählt sind), der Ordinate des tiefsten Figurpunktes hu,

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der maximalen Figursehne in Zeilenrichtung ^a°^s _max.» der Anzahl der Figursehnen in Zeilenrichtung p, der Anzahl der Figursehnen in Spaltenrichtung q, gemessen als Summe der auf die Rasterkantenlänge normierten, von oben nicht überlappten Sehnenstücke, der Handversetzungezahl ν als Anzahl der zum Inneren der gerasterten Figur gerichteten Ecken im sogenannten Stufenrand, der stufenförmigen Annäherung an den Figurrand , tenet

der Mehrfachheit des Zusammenhanges mz, d.h„ der Anzahl der geschlossenen Randkurven der Figur, der Anzahl mo der nach oben offenjien Aufteilungen der Figur (Mehrfachüberlappungen von oben mit verschiedenen Überlappungsnummern an sämtlichen Sehnen der Figur), der Gesamttiefe a*to als Summe der Einzeltiefen der Figureinbuchtungen von oben, und

einer Kenngröße, die angibt, ob die Figur von der oberen, unteren, linken, rechten Bildfeldbegrenzung oder gleichzeitig von mehreren oder keiner von diesen geschnitten wird, ermittelt durch Abfrage von ho, hu, Ii und re, diese Figurkenngrößen aus den Einzelheiten der Überlappungen der Figursehnen abgeleitet und dazu die folgenden Schritte durchgeführt werdenj

a) nach Erkennung einer nicht überlappten Figursehne werden die Anfangewerte der direkt bestimmbaren Figurkenngrößen - soweit erforderlich - festgelegt, das sind insbesondere für f, s und q die Anzahl der Figurelemente dieser Sehne, für Ii bzw. re die Lagekoordinaten des am weitesten links bzw«, rechts gelegenen Figurelements der Sehne, für ho die Zeilenzahl, in der die Sehne liegt, für ρ der Wert 1, für ν -und mz der Wert Oj

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b) nach Erkennung einer Überlappung einer Figursehne der Arbeitszeile von einer solchen der Vergleiohszeile werden die unmittelbar erforderlichen Änderungen an den zugehörigen, bisherigen Zwisohenwerten der direkt bestimmbaren Figurkenngrößen angebracht, und zwar

bei einer ersten Überlappung der betreffenden Figursehne sind das insbesondere das Hinzufügen der Anzahl der Figurelemente der überlappten Sehne zum bisherigen Zwischenwert f, das Erhöhen des bisherigen Zwischenwertes ρ üb I₁ das Ersetzen der bisherigen

Zwisohenwerte Ii, re und s „_. durch die beim Ver-

max

gleioh mit den entsprechenden Werten der überlappten Sehne sich ergebenden jeweils extremeren Werte, das Ergänzen der Anzahl der Figurelemente der nicht von oben überlappten Sehnenstücke der betrachteten Figursehne zum bisherigen Zwiechenwert q und das Ergänzen der bei der Überlappung erkannten Anzahl der Randversetzungen zum bisherigen Zwischenwert v, während die übrigen Zwischenwerte der erwähnten direkt bestimmbaren Figurkenngrößen unverändert bleiben, bei einer weiteren Überlappung der betreffenden Figursehne von einer solchen der Vergleichezeile, die eine bereits bei vorangegangenen Überlappungen der betreffenden Figursehne aufgetretene Arbeitsnummer hat, sind das insbesondere das Vermindern des bisherigen Zwischenwertes q um die Anzahl der bei dieser Überlappung als überlappend erkannten Figurelemente, das Ergänzen der bei dieser Überlappung erkannten Anzahl der Randversetzungen zum bisherigen Zwischenwert ν und das Erhöhen des bisherigen Zwiechenwertes mz um 1, während die übrigen Zwischenwerte der erwähnten direkt bestimmbaren Figurkenngrößen unverändert bleiben,

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bei einer weiteren Überlappung der betreffenden Figursehne von einer solchen der Vergleichszeile, die eine bei vorangegangenen Überlappungen der betreffenden Figursehne noch nicht aufgetretene Arbeitsnummer hat, sind das insbesondere das Hinzufügen des dem überlappend erkannten Figurteil zugehörigen Zwischenwertes f bzw. ρ bzw. mz jeweils zu dem entsprechenden bisherigen Zwischenwert, das Ersetzen der bisherigen Zwischenwerte Ii, re, s und ho durch die beim Vergleich mit den entsprechenden Werten der überlappten Sehne sich ergebenden jeweils extremeren Werte, das Vermindern des bisherigen Zwischenwertes q um die Anzahl der bei dieser Überlappung als überlappend erkannten Figurelemente und das Ergänzen der bei dieser Überlappung erkannten Antsahl der Randver Setzungen zum bisherigen Zwischenwert v;

c) nach Erkennung der letzten Überlappung einer Figursehne werden die nach b) erhaltenen Zwischenwerte der direkt bestimmbaren Figurkenngrößen abgespeichert, wobei sie der kleinsten, bei den Überlappungen dieser Figursehne aufgetretenen Arbeitsnummer zugeordnet werden;

d) nach Erkennung der Vollständigkeit einer Figur werden noch ausstehende, einmalige Änderungen an den Zwischenwerten der direkt bestimmbaren Figurkenngrößen angebracht - das ist insbesondere die Erhöhung des Zwischenwertes mz um 1 - und es werden den direkt bestimmbaren Figurkenngrößen, für die keine Zwischenwerte erforderlich sind, ihre endgültigen Werte zugewiesen - das sind für hu die Zeilenzahl der untersten Figursehne und für η eine laufende Nummer.

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6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zum Erkennen der Vollständigkeit einer Figur am Ende jeder PortSetzungszeile die Differenz zwischen dem dann vorliegenden Zwischenwert der Plächenkenngröße der betreffenden Figur und dem am Ende der vorangegangenen Zeile abgespeicherten Zwischenwert der Flächenkenngröße derselben Figur gebildet wird und eine Figur dann als vollständig erkannt wird, wenn diese Differenz verschwindet.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Identifizierung von Figuren hinsichtlich bestimmter Formen, abhängig oder unabhängig von Größe oder/und Orientierung, die Lage der Ist-Werte ausgewählter Figurkenngrößen bezüglich entsprechender vorgegebener Sollwertbereiche untersucht wird, und daß eine Figur hinsichtlich der genannten Eigenschaften identifiziert ist, wenn alle genannten Ist-Werte innerhalb der genannten Sollwertbereiche liegen.

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