DE2436919A1

DE2436919A1 - Verfahren zur gewinnung eines referenzschwellwertes bei der umwandlung eines analogen videosignals in ein digitales videosignal sowie vorrichtung zur durchfuehrung dieses verfahrens

Info

Publication number: DE2436919A1
Application number: DE2436919A
Authority: DE
Inventors: Kiichi Yamaya; Kiyoshi Yoshizawa
Original assignee: Nihon Regulator Co Ltd; Toyo Ink Mfg Co Ltd
Current assignee: Nireco Corp; Toyo Ink SC Holdings Co Ltd
Priority date: 1974-07-30
Filing date: 1974-07-31
Publication date: 1976-02-12
Also published as: GB1430724A; US3911212A

Description

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HOFFMANN & EITLE · PATENTANWÄLTE

D-8000 MÖNCHEN 81 · ARABELLASTRASSE 4 (STERNHAUS) ■ TELEFON (089) 911087 · TELEX 05-29619 (PATHE)

1. Toyo Ink Mfg. Co., Ltd., Tokyo/Japan

2. Nihon Regulator Co., Ltd., Tokyo/Japan

Verfahren zur Gewinnung eines Referenzschwellwertes bei der Umwandlung eines analogen Videosignals in ein digitales Videosignal sowie Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Gewinnung eines Referenzschwellwertes bei der Umwandlung eines analogen Videosignals in ein digitales Videosignal entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie auf eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.

Die vorliegende Erfindung ist insbesondere verwendbar bei der Bildanalyse eines Dokuments oder in Verbindung mit Teilchenmeßsystemen, bei welchen ein bestimmter Abtastwert im Hinblick auf ein von einer Fernsehkamera abgeleitetes Videosignal gemessen wird.

Es ist das Ziel der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Verfahren zur Gewinnung eines Referenzschwellwertes bei der

509887/08c,0

2436U

Umwandlung eines analogen Videosignals in ein digitales Videosignal zu schaffen, welches unabhängig von dem Helligkeitston eines Gegenstandes oder des Hintergrundes bzw. der auf das Objekt gerichteten Strahlungsintensität zufriedenstellende Resultate ermöglicht.

Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß die in dem kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 aufgeführten Verfahrensschritte durchgeführt werden.

Im Rahmen der vorliegenden Erfindung ergibt sich ein verbesserter Referenzschwellwert bei der Bildanalyse eines Dokuments bzw. eines Teilchenmeßsystems, welches eine Abtastung verwendet, wodurch ein durch Abtastung gebildetes analoges Videosignal in ein binäres Videosignal umgewandelt werden kann. Dabei ergibt sich die Möglichkeit einer Verwendung eines veränderlichen Schwellwertes, welcher bei der Signalumwandlung verwendet wird. Dabei lassen sich zufriedenstellende Resultate erreichen, und zwar unabhängig von der relativen Helligkeit eines Gegenstandes oder des Hintergrundes oder der auf einen Gegenstand gerichteten Strahlung. Auf diese Weise kann eine genaue Festlegung des Ortes der Grenzen eines abzutastenden bzw. zu messenden Objektes durchgeführt werden.

Eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ergibt sich anhand der Unteransprüche 2 bis 4.

Im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist ein Schwellwertkreis vorgesehen, in welchem ein von einer Fernsehkamera abgeleitetes Videosignal mit einem Referenzschwellwert verglichen wird, der in Übereinstimmung mit den tatsächlichen Reflektionseigenschaften eines abzutastenden Objektes und des Hintergrundes auf dem Bildschirm festgelegt ist. Dabei werden auf dem Bildschirm zwei

50 9887/ORqO OR₁G₁NAL ,NSPECTED

2 4 3C9

positionsverschiebbare Abtastmarkierungen vorgesehen, von welchen die eine in den hellstai Bildbereich verschoben wird, während die andere in den dunkelsten Bildbereich gelegt wird. Der Schwellwertkreis ist dabei so ausgelegt, daß er das Videosignal zu jenen Zeitpunkten abtastet und speichert, welche den zwei Markierungen auf dem Bildschirm zugeordnet sind. Die beiden abgetasteten Werte des Videosignals werden dann im Hinblick auf die Ableitung des Referenzschwellwertes verarbeitet, indem der Mittelwert der abgetasteten Werte gebildet wird. Die binären Videoübergänge treten dann im Bereich des auf diese Weise festgelegten Referenzschwellwertes auf.

Die Erfindung soll nunmehr anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert und beschrieben werden, wobei auf die beigefügte Zeichnung Bezug genommen wird. Es zeigen:

Fig. 1 eine graphische Darstellung der analogen und binären Videosignale bei der Abtastung eines auf einem schwarzen Hintergrund befindlichen weißen Punktes;

Fig. 2 ein Blockdiagramm einer Ausführungsform der Vorrichtung gemäß der Erfindung und

Fig. 3 eine schematische Ansicht zur Erläuterung der Funktionsweise der Vorrichtung von Fig. 2.

In dem Folgenden soll nunmehr auf Fig. 1 Bezug genommen werden, in welcher die Beziehung zwischen dem einen Objekt und dem von diesem Objekt abgeleiteten Videosignal dargestellt ist. Aus Einfachheitsgründen sei angenommen, daß das von einer Fernsehkamera 1 gemäß Fig. 2 abgetastete Objekt

OBiGiNAL INSPECTED

243GÜ1H

ein weißer Punkt 20 vor einem schwarzen Hintergrund ist. Das durch die Fernsehkamera 1 erzeugte Videosignal V-, welches durch die Abtastung entlang der Abtastlinie S über den weißen Punkt 20 hinweg abgeleitet wird, ist in Form von ausgezogenen Linien A und B dargestellt. Die Kurve A entspricht einem bei schwacher Belichtung auftretenden Videosignal , während die Kurve B einem bei starker Belichtung auftretendem Videosignal entspricht. Es sei in diesem Zusammenhang bemerkt, daß die Übergänge der Videosignale A und B nicht scharf sondern schräg geneigt sei, weil um den weißen Punkt 20 herum ein Graubereich 21 vorhanden ist. Der Zweck der Schwellwertvorrichtung gemäß der Erfindung besteht darin, einen Punkt auf der Schrägung der Videosignale A und B zu bestimmen, welcher der tatsächlichen Punktbegrenzung entspricht. Damit kann dann ein binäres Videosignal entsprechend V_n erzeugt werden, welches an den Punktgrenzen scharfe Übergänge besitzt. Bei den Kurven A und B bezeichnen a₁ und b₁ die Amplitudenbereiche,innerhalb welche das Videosignal als schwarz angesehen wird, während a„ und b„ den Amplitudenbereichen entspricht, innerhalb welchen das Videosignal als weiß angesehen wird. Da entsprechend Fig. 1 der Wert des Videosignals V₁ von Kurve A zu Kurve B mit zunehmender Lichtbestrahlung des abzutastenden Objektes sich verändert, erscheint es einleuchtend, daß für eine zuverlässige Bestimmung des Objektes anstelle eines unveränderlichen Schwellwertes veränderliche Schwellwerte verwendet werden müssen.

Fig. 2 zeigt ein Blockdiagramm einer typischen Ausführungsform der Schwellwertvorrichtung gemäß der Erfindung. Die Funktion dieser Vorrichtung besteht darin, ein binäres Videosignal zu erzeugen, dessen Übergangspunkte im wesentlichen mit den Übergängen der Objektgrenzen bei der Abtastung mit der Fernsehkamera 1 zusammenfallen. Das mit Hilfe der Fernsehkamera 1 erzeugte Videosignal wird einem Videoverstärker 2 und einem

ORIGINAL INSPECTED

R Π Γ) B B 7 / Π R q 0

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Synchronisiersignaltrennkreis 3 zugeführt.. Mit dem Synchronisiersignaltrennkreis 3 sind Abtastimpulsgeneratoren 4 und 5 verbunden, wodurch denselben getrennte horizontal und vertikal Synchronisiersignale Q₁ und Q zugeführt werden. Die Abtastimpulsgeneratoren 4 und 5 sind mit Verzögerungskreisen versehen, um die Synchronisiersignale Q₁ und Q„ zu verzögern, so daß sich Abtastimpulse P₁ und P ergeben. Diese Abtastimpulse P₁ und P- werden Abtastwertspeicherkreisen 6 und 7 zugeführt, welche das verstärkte Videosignal in Abhängigkeit der Abtastimpulse P₁ und P„ abtasten und speichern. Mit der Fernsehkamera 1 ist eire Wiedergabeeinheit 8, beispielsweise ein industrieller Fernsehempfänger verbunden, welcher ebenfalls mit den Abtastimpulsgeneratoren 4 und 5 verbunden ist, so daß auf dem Bildschirm das Objekt zur Abbildung gebracht werden kann. Die Ausgangssignale der Abtastwertspeicherkreise 6 und 7 werden Pufferverstärker 9 und 10 zugeführt, welche Ausgangsspannungen V„ bzw. V., erzeugen. Diese Ausgangs spannungen V„ und V., werden einem Summierkreis 12 zugeführt, welcher den Mittelwert der Ausgangsspannungen V„ und V_ bildet. Der Summierkreis 12 besteht dabei wie dargestellt, aus einem Paar denselben Widerstandswert R₁ besitzenden Widerständen und einem Pufferverstärker 13. Die Ausgangsspannung dieses Summierkreises 12 wird zur Festlegung des Schwellwertes eines Vergleichers verwendet. Dem anderen Eingang des Vergleichers 14 wird über einen Widerstand R„ das Ausgangssignal des Videoverstärkers 2 zugeführt, so daß das verstärkte Videosignal mit dem Schwellwert verglichen wird. Der Vergleicher 14 führt demzufolge eine Schaltung durch, sobald das verstärkte Videosignal den Mittelwertpunkt kreuzt, der durch Mittelwertbildung der Ausgangsspannungen V„ und V₃ gebildet worden ist. Das durch die Schaltung des Vergleichers 14 erzeugte binäre Videosignal wird einem Verarbeitungskreis 15 zugeführt.

ORiQlMAL !NSPECTED 5 0 9 8 B 7 / 0 H 9 0

2 4 3GG19

Im folgenden soll nunmehr die Funktionsweise der erfindungsgemäßen Schwellwertvorrichtung unter Bezugnahme auf Fig.3 erläutert werden. Im Rahmen dieser Figur ist die Beziehung der Abtastimpulse P₁ und P„ in bezug auf die Synchronisiersignale Q und Q dargestellt. Figur 3 zeigt dabei zusätzlich den Bildschirm 16 der Wiedergabeeinheit 8, auf welchem zusammen mit dem Bild des abgetasteten Objektes 17 zwei Abtastmarkierungen 18 und 19 vorhanden sind. Diese Abtastmarkierungen 18 und besitzen relativ kleine Flächen, welche durch die Breite T_ der Abtastimpulse P₁ und P festgelegt sind. Gemäß Fig.3C sind die Abtastimpulse P und P„ verzögerte Ausführungen des horizontalen Synchronisiersignals Q₁, wobei jedoch eine Invertierung vorgenommen worden ist. Das horizontale Synchronisiersignal Q₁ wird zu diesem Zweck mit Hilfe der Abtastimpulsgeneratoren 4 und 5 bildenden Verzögerungskreise um Zeiträume T,. und T . verzögert, wodurch sich die Abtastimpulse P₁ und P„ bilden. Die vertikalen Positionen der Abtastmarkierungen 18 und 19 werden zu entsprechende Abtastimpulse N₁ und N„ festgelegt, welche eine identische Breite besitzen. Diese Impulse werden dadurch erzeugt, indem das vertikale Synchronisiersignal Q„ gemäß Fig. 3B und entsprechende Zeitperioden P₁ und P„ verzögert wird. Die Abtastimpulsgeneratoren 4 und 5 können so eingestellt werden, daß die Verzögerungszeit T. bis T. sich verändert, so daß die Positionen der beiden Abtastmarkierungen 18 und 19 in gewünschter Weise verschoben werden können. Die eine Abtastmarkierung 18 wird in den Bereich größter Bildhelligkeit, d.h. in den Bereich des Objektes 17,verschoben, während die andere Abtastmarkierung 19 in den Bereich direkter Bildhelligkeit, d.h. in den Hintergrundbereich gemäß Fig. 3A, verschoben-wird. Dabei ist es wichtig, daß die Abtastmarkierungen 18 und 19 deartige Helligkeit besitzen, daß sie von den weißen bzw. hellen Bereichen des Bildschirmes unterschieden werden können. Figur 13 zeigt die zeitliche Beziehung zwischen den Abtastimpulsen P₁, P„ und den Videosignalen V₁, V₁ während der entsprechenden Abtastintervalle auftreten.

5 0 9 B B 7 / 0 8 9 0

Während des Betriebs der Schwellwertvorrichtung wird das zu bemessende Objekt mit Hilfe der Fernsehkamera 1 abgetastet, wodurch sich ein Videosignal ergibt, welches der Menge physikalischer Parametern oder der Identität des Objektes 17 entspricht. Auf dem Bildschirm 16 erscheinen dabei neben dem abzutastenden Objekt 17 zusätzlich zwei Abtastmarkierungen 18 und 19. Durch geeignete Einstellung der Verzögerungskreise der Abtastimpulsgeneratoren 4 und 5 kann eine Abtastmarkierung in den Bereich höchster Bildhelligkeit geschoben werden, während die andere Abtastmarkierung in den Bildbereich niedrigster Bildhelligkeit geschoben wird. Bei der beschriebenen Ausführungsform wird die Abtastmarkierung 18 in den Bereich des eine relativ hohe Helligkeit besitzenden weißen Punktes 20 geschoben, während die Abtastmarkierung 19 in den relativ dunkel ausgebildeten Bereich des Hintergrundes geschoben wird. Die Verschiebung der beiden Abtastmarkierungen 18, 19 bewirkt, daß die Schwellwertvorrichtung das Videosignal an jenen Punkten abtastet, welchen den beiden Abtastmarkierungen 18, 19 entspricht. Die beiden Abtastwerte des Videosignals werden dem Summierkreis 12 zugeführt, innerhalb welchem eine Referenzspannung V _f abgeleitet wird, welche dem Mittelwert der Abtastwerte entspricht. Die Referenzspannung V ~ kann dabei wie folgt ausgedrückt werden:

V₂-V₃ V₂ + V₃

^Vref ^{= V}3 ⁺ ' ^R1 ⁼ —T—

2R 2

Die Referenzspannung V ~ wird über einen Widerstand R„ der positiven Eingangsklemme des Vergleichers 14 zugeführt. Der negativen Eingangsklemme des Vergleichers 14 wird über einen identischen Widerstand R„ das verstärkte Videosignal V₁ zugeführt. Es ergibt sich somit, daß die Spannung V ~ dazu verwendet wird, um den Schwellwert des Vergleichers 14 festzulegen. Beispielsweise gibt der Vergleicher einen logischen

ORIGINAL INSPECTED

■.:.·■·· 7/η ag η.

Wert"1"ab, sobald V. - V ~ ist, während ein logischer Zustand "0" abgegeben wird, wenn VXV _f ist. Das auf diese Weise erzeugte logische Videosignal V wird für die darauffolgende Verarbeitung dem Verarbeitungskreis 15 zugeführt. So wie sich dies anhand Vergleichung 1 ergibt, entspricht der innerhalb des Vergleichers 14 verwendete Schwellwert in Abhängigkeit der Abtastimpulse P₁ und P„ dem Mittelwert zwischen dem hellen und dem dunklen Bereich. Der Vergleicher 14 gibt somit ein binäres Videosignal V ab, welches aufgrund eines Vergleichs mit dem Mittelwert zwischen dem weißen und dem schwarzen Bereich gebildet worden ist.

Die vorliegende Erfindung ergibt eine verbesserte Schwellwertvorrichtung, welche bei der Bildanalyse eines Dokumentes oder eines Teilchenmeßsystems verwendet werden kann, wodurch eine zuverlässige und genaue Umwandlung eines Videosignals in ein binäres Videosignal möglich ist. Da der Referenzwert sich in Abhängigkeit zur Helligkeit bzw. des Kontrastes zwischen dem Objekt und dem Hintergrund und der auf das Objekt gerichteten Strahlung ändert, erfordert die vorliegende Erfindung keine genaue Festlegung der verwendbaren Symbol- und Blattqualitäten, wodurch die Kosten der maschinenlesbaren Dokumente verringert werden. Falls die vorliegende Erfindung in Verbindung mit einem Teilchenmeßsystem verwendet wird, ergibt die Schwellwertvorrichtung gemäß der Erfindung ein binäres Videosignal, welches Übergänge besitzt, die im wesentlichen an den Grenzlinien des zu messenden Objektes auftreten.

Während die beschriebene Ausführungsform für die Ableitung der Referenzspannung V _f mit drei Pufferverstärkern 9, 10 und versehen ist, so soll doch verstanden sein, daß in diesem Zusammenhang ebenfalls arithmetische Kreise wie Addierer und Teiler verwendet werden können. Anstelle eines Vergleichers kann fernerhin ein Schmittkreis verwendet werden.

IMSPEGTED

f η ^c\ ρ R 7 / η R q ο

Claims

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Patentansprüche

/TT/Verfahren zur Gewinnung eines Referenzschwellwertes, bei welchem mit dem von einer Fernsehkamera abgeleiteten Videosignal verglichen wird, um auf diese Weise ein entsprechendes binäres Videosignal zu erzeugen, dadurch gekennzeichnet , daß auf einem Bildschirm das Bild eines mittels einer Fernsehkamera abgetasteten Objektes sowie 'zwei Abtastmarkierungen wiedergegeben werden, wobei die beiden eine unterschiedliche Helligkeit aufweisenden Abtastmarkierungen an beliebige Punkte des Bildschirmes verschiebbar sind, daß anschließend eine der beiden Abtastmarkierungen in den Bereich hoher Helligkeitsintensität und die anderen Abtastmarkierungen in den einen Bereich niedriger Helligkeitsintensität des Bildschirmes verschoben wird, daß anschließend das Videosignal zu jenen Zeitpunkten,welchen den beiden Abtastmarkierungen entspricht,abgetastet wird und daß anschließend daran der Mittelwert der von dem Videosignal gebildeten Abtastwerte für die Ableitung eines Referenzschwellwertes gebildet wird.
2. Schwellwertvorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennz eich-net , daß folgende Einheiten vorgesehen sind:

a) einem Synchronisiersignaltrennkreis(3),welcher aus dem Videosignal die Synchronisiersignale abtrennt;

b) einem ersten Abtastimpulsgenerator (4), welcher in Abhängigkeit des abgeleiteten Synchronisiersignals einen ersten Abtastimpuls ableitet;

c) einem zweiten Abtastimpulsgenerator (5), welcher

in Abhängigkeit des abgeleiteten Synchronisiersignals einen zweiten Abtastimpuls ableitet;

ORIGINAL INSPECTED

5 0 9 P R 7 / Π B 9 0

4 36919

d) einem ersten Abtastwertspeicherkreis (6), welcher in Abhängigkeit des ersten Abtastimpulses das Videosignal abtastet und speichert;

e) einem zweiten Abtastwertspeicherkreis (7), welcher in Abhängigkeit des zweiten Abtastimpulses das Videosignal abtastet und speichert;

f) ein Summierkreis, welcher in Abhängigkeit der beiden Abtastwertspeicherkreise (6,7) ein Referenzsignal bildet, welches gleich dem Mittelwert der abgetasteten Werte des Videosignals ist;

g) einem Vergleicher (14), welcher in Abhängigkeit des Videosignals und des Referenzsignals, und zwar je nachdem ob das Videosignal größer oder kleiner als das Referenzsignal ist, ein binäres Videosignal bildet und

h) einem mit einem Bildschirm (16) versehenen Fernsehmonitor (8), welcher in Abhängigkeit des Videosignals ein Bild des durch die Fernsehkamera (1) abgetasteten Objektes (17) zur Wiedergabe bringt, wobei der Fernsehmonitor (8) auf dem Bildschirm zwei Abtastmarkierungen (18,19) bildet, deren Positionen den beiden Abtastimpulsen entsprechen und wobei die beiden Abtastimpulsgeneratoren (4,5) so eingestellt sind, daß die Positionen der beiden Abtastmarkierungen(18,19) auf dem Bildschirm so veränderbar sind, daß die beiden Abtastmarkierungen (18,19) in den Bereich höchster und niedrigster Helligkeitsintensität auf den Bildschirm (16) schiebbar sind.

ORIGINAL

5 0 9 a R 7 / 0 R 9 0
3. Schwellwertvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß die beiden Abtastimpulsgeneratoren (4,5) Verzögerungskreise aufweisen, mit welchen die abgeleiteten Synchronisiersignale einer veränderlichen Zeitverzögerung beaufschlagbar sind.
4. Schwellwertvorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet , daß der Summierkreis (12) zwei Pufferverstärker (9,10) aufweist, welche auf die abgetasteten Videosignale der beiden Abtastwertspeicherkreise (6,7) ansprechen, ferner daß zwei einen identischen Widerstand aufweisende Widerstände R. vorgesehen sind, welche mit den Ausgängen der beiden Pufferverstärker (9,10) verbunden sind, so daß ein dritter Pufferverstärker (13) vorgesehen ist, welcher eingangsseitig mit der gemeinsamen Verbindungsstelle der beiden Widerstände R₁ und ausgangsseitig mit dem Vergleicher (14) verbunden ist.

Π^α237/0890

JAf

Leerseife