DE2545753A1

DE2545753A1 - Anordnung zur erkennung aehnlicher objekte

Info

Publication number: DE2545753A1
Application number: DE19752545753
Authority: DE
Inventors: William L Hrybyk; Raymond A Lloyd; Kenneth C Ryan
Original assignee: Westinghouse Electric Corp
Current assignee: CBS Corp
Priority date: 1974-10-15
Filing date: 1975-10-11
Publication date: 1976-04-22
Also published as: GB1483963A; FR2288438A1; CA1042105A; JPS5165659A; US3969577A

Description

DiPL.-lNG. KLAUS NEUBECKER

Patentanwalt
4 Düsseldorf 1 ■ Schadowplatz 9

Dr.-Ing. Ernst Stratmann

Patenluiiwutl

Düsseldorf, 1O. Okt. 1975 45,395
7565

Westinghouse Electric Corporation
Pittsburgh/ PaV/ V. St. A.

Anordnung zur Erkennung ähnlicher Objekte

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Erkennung ähnlicher Objekte, wobei von besonderem Interesse die Erkennung ähnlicher Objekte durch Vergleich von Fernsehbildern ist.

Bekannte Anordnungen zur Erkennung von Objekten, wobei Bilder des zu erkennenden Objektes mit einem Bild eines ähnlichen Objektes verglichen werden, das bestimmte Eigenschaften besitzt, benutzten bisher entweder rein digitale Verfahren, oder rein analoge Verfahren. Die digitalen Verfahren digitalisieren meist das Bild des bekannten Objektes, das vorbestimmte Spezifikationen erfüllt, mit dem Bild des zu untersuchenden Objektes, um daraus erste und zweite Anordnungen oder Zahlen zu bilden. Diese Anordnungen werden gewöhnlich mittels eines Digitalrechners verglichen, um zwischen ihnen bestehende Unterschiede festzustellen. Beim Vergleich werden verhältnismäßig komplizierte statistische Verfahren benutzt, um signifikante Abweichungen vom Normalen aufzufinden. Derartige Anordnungen arbeiten zufriedenstellend, jedoch neigen sie dazu, aufgrund der erforderlichen komplizierten Hardware sehr aufwendig zu sein. Andere Anordnungen, die analoge Verfahren benutzen, sind zwar gewöhnlich einfach, ihre Arbeitsweise ist aber begrenzt. Typische bekannte analoge Anordnungen

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die Fernsehsignale verwenden, vergleichen beispielsweise entweder alle Abtastzeilen des Bildes oder eine Signalzeile eines jeden Bildes, um dazwischen bestehende Unterschiede aufzufinden. Wenn mehr als eine Abtastzeile des Bildes, aber weniger als das ganze Bild verglichen wird, traten erhebliche Nachteile auf.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Anordnung zum Bildvergleich zu schaffen, die weniger kompliziert und aufwendig ist als die voll digitalisierte Anordnung, und doch eine größere Kapazität besitzt als eine analoge Anordnung.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die im Hauptanspruch aufgeführten Merkmale gelöst.

Die Erfindung besteht somit aus einer Anordnung zur Erkennung ähnlicher Objekte, die eine Einrichtung zur Erzeugung eines ersten Signals mit vorbestimmter Beziehung zu dem Bild eines Modells (erstes Objekt) besitzt. Weiterhin ist eine Einrichtung zur Erzeugung eines zweiten Signals mit vorbestimmter Beziehung zu dem Bild eines zweiten Objektes vorgesehen, das zu erkennen ist. Weiterhin ist ein Vergleicher zum Vergleich ausgewählter Teile des ersten und des zweiten Signals vorhanden, außerdem Schwellwert-Schalteinrichtungen, die auf die Differenz zwischen erstem und zweitem Signal anspricht, um seinerseits ein Signal zu erzeugen, das anzeigt, daß das Differenzsignal einen vorbestimmten Wert für eine vorbestimmte Zeitperiode überschritten hat.

Weitere Einzelheiten, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung ergeben sich aus der beiliegenden Darstellung eines Ausführungsbeispiels sowie aus der folgenden Beschreibung.

Es zeigt:

Fig. 1 ein Funktions-Blockdiagramm des Systems;

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Fig. 2 die an verschiedenen Punkten des in Fig. 1
dargestellten Systems erzeugten Signale;

Fig. 3 eine Modifikation des Grundsystems, bei dem

bedeutsame Unterschiede in einer vorbestimmten
Anzahl von angrenzenden Abtastzeilen ermittelt
werden müssen, bevor ein Fehlersignal erzeugt
wird; und

Fig. 4 ein Diagramm zur Illustration der an verschiedenen Punkten des in Fig. 3 dargestellten Systems erzeugten Signale.

Fig. 1 ist ein funktionelles Blockdiagramm der vorzugsweisen Ausfuhrungsform des erfindungsgemaßen Systems. Die miteinander zu vergleichenden Bilder werden durch eine Fernsehkamera 10 erzeugt. Die Erkennung wird erreicht, indem ein Fernsehbild eines Model!objektes aufgezeichnet wird, von dem bekannt ist, daß es die erforderlichen Spezifikationen erfüllt, und dieses Bild wird in einem Videospeicher 11 gespeichert. Die Fernsehkamera 10 wird dann auf das zu erkennende Objekt gerichtet, um ein zweites Fernsehbild zu erzeugen. Während das Bild des zu erkennenden Objektes von der Fernsehkamera 10
erzeugt wird, wird das vorher in dem Videospeicher 11 gespeicherte Bild gelesen und diese zwei Bilder Zeile auf Zeile
in einem Videovergleicher 12 miteinander verglichen. Der
Ausgang dieses Vergleichers ist der absolute Werte der Differenz zwischen den zwei Bildern.

Der Videospeicher 11 liefert auch Synchronisationssignale
für die Fernsehkamera 10 und für den Rest des Systems. Ein
Zeilenzähler 13 wird zu Beginn eines jeden Bildes zurückgestellt. Dies ist ein Digitalzähler, der stets eine Digitalzahl enthält, die die gerade von der Fernsehkamera 10 abgetastete Zeile identifiziert, wobei die entsprechende Zeile
simultan aus dem Speicher 11 ausgelesen wird. Dieser Zähler liefert auch Folgeadressen für den Speicher 14 mit beliebigem

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Zugriff. In diesem Speicher wird für jede Zeile des Fernsehbildes eine Adresse beiseitegelegt. Jede Stelle in diesem Speicher enthält ein Wort, das anzeigt, ob die zugehörigen Zeilen der zwei Bilder miteinander zu vergleichen sind, oder ob diese Zeilen in dem gerade durchgeführten Test ignoriert werden sollen. Dies erlaubt es, den Vergleich auf eine ausgewählte Zahl von Abtastzeilen zu begrenzen. Eine logische "Eins", die in dem Speicher 14 gespeichert ist, kann benutzt werden, um anzuzeigen, daß die zugehörigen Abtastzeilen verglichen werden sollen. Daten, die anzeigen, welche Zeilen für Vergleichszwecke benutzt werden sollen, werden durch eine Programmeinrichtung 16 in dem Speicher mit beliebigem Zugriff 14 gespeichert.

Wenn die in der Speicherstelle, die vom Inhalt des Zeilenzählers 13 identifiziert wird, gespeicherten Daten anzeigen, daß die gerade abgetastete Zeile für Testzwecke zu verwenden ist, wird ein Ausgangssignal erzeugt, das das Ausgangssignal des Videovergleichers 12 über ein Verknüpfungsglied 15 mit einem Video-Impuls-Konverter 20 verbindet.

Der Video-Impuls-Konverter 20 erzeugt einen Fehlerimpuls von konstanter Amplitude während der Zeit, während der das Ausgangssignal des Video-Verknüpfungsgliedes 15 einen vorbestimmten Wert überschreitet. Dieser Pegel wird so ausgewählt, daß kleine Veränderungen in den zwei Signalen, die zulässige Abweichungen des zu erkennenden Objektes darstellen, ignoriert werden. Das Ausgangssignal des Video-Impuls-Konverters 20 wird mit einem Impuls-Diskriminator 21 verbunden. Wenn der Eingangsimpuls für den Impuls-Diskriminator 21 eine vorbestimmte Breite überschreitet, wird ein Ausgangssignal erzeugt, das eine Fehlerdarstellung 22 auslöst. Die Kombination der Schwellwertgrenzen beim Video-Impuls-Konverter 20 und beim Impuls-Diskriminator 21 ermöglichen es, sowohl Amplituden als auch Zeittoleranzen bei dem Ausgangssignal des Videovergleichers 12 zuzulassen. Differenzen unterhalb dieser Toleranzen entsprechen den zulässigen Abweichungen von dem Normalen,

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während Abweichungen, die über diese Schwellwerte hinausgehen, anzeigen, daß das untersuchte Objekt nicht annehmbar ist. Zusätzliche Flexibilität kann dadurch erreicht werden, daß in dem Speicher 14 zusätzliche Digitaldaten enthalten sind, die die Breite festlegen, die die Ausgangsimpulse des Video-Impuls -Konverters 20 überschreiten müssen, bevor das Signal dahingehend interpretiert wird, daß das zu untersuchende Objekt nicht mehr annehmbar ist. Diese Daten ermöglichen es, die annehmbare Breite der Ausgangsimpulse des Video-Impuls-Konverters 20 für jede Abtastzeile unabhängig festzulegen.

Fig. 2 ist ein Diagramm, das die an verschiedenen Punkten des in Fig. 1 dargestellten Systems auftretenden Signale wiedergibt. Die Darstellung ist begrenzt auf den Vergleich einer einzigen Zeile der Fernsehbilder. Alle anderen Zeilen werden in ähnlicher Weise verglichen, daher ist die dargestellte Zeile typisch für das gesamte Verfahren des Bildvergleichs. Zwei aufeinanderfolgende Abtastzeilen-Synchronisationsimpulse sind mit den Bezugszahlen 23 und 24 bezeichnet. Die Zeit zwischen diesen zwei Impulsen definiert eine Zeile des Fernsehbildes. Die Zeilen-Synchronisationsimpulse werden von dem Videospeicher 11 erzeugt. Diese Impulse synchronisieren die Fernsehkamera 10 und erhöhen den Zeilenzähler 13. Wenn alle Zeilen des Bildes verglichen wurden, wird der Zeilenzähler 13 auf Null zurückgebracht und das Vergleichsverfahren wiederholt. Diese Funktion wird in bequemer Weise durch die vertikalen Synchronimpulse erreicht, die von dem Videospeicher 11 erzeugt werden.

Die in dem Speicher 11 gespeicherten Videosignale und das Videoausgangsssignal, das dem Bild von der Fernsehkamera 10 abgetasteten Objektes entspricht, sind entsprechend mit den Bezugsziffern 30 und 31 versehen. Diese Signale bilden den Eingang für den Videovergleicher 12. Das Ausgangssignal des Videovergleichers 12 ist mit der Bezugszahl 25 versehen. Mathematisch gesehen ist das Ausgangssignal des Videovergleichers 12 gleich dem absoluten Wert der Differenz zwischen

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den Eingangssignalen. Es sollte bemerkt werden, daß dieses Differenzsignal zwei Spitzen enthält, die den Differenzen in der Vorderkante und der Hinterkante der miteinander verglichenen Signale entspricht. Andere Arten von Signalen mögen unterschiedliche Anzahlen von Spitzen erzeugen. Auf jeden Fall stellt dieses Signal das Eingangssignal für den Video-Impuls-Konverter 20 dar und veranlaßt diesen Schaltkreis, einen Impuls zu erzeugen, dessen Breite gleich der Zeit ist, in der dieses Signal den Schwellwert überschreitet. Das Ausgangssignal des Video-Impuls-Konverters 20 ist bei der Bezugszahl 27 dargestellt.

Das Ausgangssignal des Video-Impuls-Konverters 20 ist mit dem Eingang des Impuls-Diskriminators 21 verbunden, der es ermöglicht, daß Impulse mit weniger als vorgeschriebener Zeitdauer ignoriert werden, um darzustellen, wie dieses erreicht wird, ist der Impuls-Diskriminator 21 so eingestellt, daß der erste in Fig. 2 dargestellte Impuls als ein Fehler interpretiert wird, während der zweite Impuls ignoriert wird. Dies wird dadurch erreicht, daß der Impuls-Diskriminator

21 so eingestellt wird, daß die Breite des Eingangsimpulses einen vorgeschriebenen Wert Δρ überschreiten muß, der mit der Bezugszahl 28 versehen ist, bevor die Fehlerdarstellung

22 aktiviert wird. Der Ausgangsimpuls des Impuls-Diskriminators, der der Verzögerung ΔP folgt, wird durch die Bezugszahl 29 bezeichnet. Da der zweite Impuls des Ausgangssignals des Videoimpuls-Konverters 20 eine Breite aufweist, die geringer als P ist, wird das Ausgangssignal des Impuls-Diskriminator-Schaltkreises 21 begrenzt auf einen Impuls während des in Fig. 2 dargestellten typischen Bildes. Der Impuls wird die Fehlerdarstellung 22 aktivieren und anzeigen, daß das untersuchte Objekt die vorgeschriebenen Eigenschaften nicht aufweist .

In manchen Fällen mögen die für die zu untersuchende Vorrichtung zulässigen Toleranzen oder die Arbeitsbedingungen des Systems derartig sein, daß bedeutsame Abweichungen in mehr

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als einer Zeile notwendig sind, bevor ein Fehler angezeigt , wird. Das in Fig. 3 dargestellte System, das eine Modifikation des in Fig. 1 wiedergegebenen Systems darstellt, erreicht dieses Ergebnis. Das Ausgangssignal des Impuls-Diskriminators ist mit dem Eingang eines Schieberegisters 35 verbunden. Jedesmal, wenn das Ausgangssignal des Impuls-Diskriminators auf seinen positiven Wert ansteigt, wird das Schieberegister 35 zur rechten Eins-Position verschoben und ein hochpegeliges Signal (eine logische "Eins") wird in die erste Bit-Position dieses Registers eingeschoben. Die Vorderkante oder positive Kante des Ausgangssignals des Impuls-Diskriminators 21 setzt den Ausgang eines Steuerflipflops 36 ebenfalls auf eine logische "Eins". Die negative Seite dieses Flipflops wird mit dem vollen Abtast-Synchronisationsimpuls in einem Steuerverknüpfungsglied 37 derart kombiniert, daß das Schieberegister 35 zu Beginn der Abtastzeile auf Null gestellt wird, falls ein Fehler während der vorangegangenen Abtastzeile nicht aufgetreten ist. Die Ausgangssignale des Schieberegisters 35 werden mit einem D'ekodier-Schaltkreis verbunden, um ein Signal zu erzeugen, das die Fehlerdarstellung aktiviert. Die Fehlerdarstellung wird aktiviert, wenn eine vorbestimmte Anzahl von angrenzenden Bitstellen in dem Schieberegister 35 eine logische Eins enthalten, was anzeigt, daß diese Anzahl von angrenzenden Abtastzeilen wesentliche Abweichungen vom Normalen enthalten. Der Steuerflipflop 36 wird an der Hinterkante eines jeden Zeilen-Synchronisationsimpulses zurückgestellt, vorausgesetzt, daß kein Fehler in der vorangegangenen Zeile ermittelt wurde. Die obige Abwandlung kann wünschenswert sein, wenn das System starken Vibrationen ausgesetzt ist oder wenn genaue Ausrichtung zwischen dem Objekt und der Fernsehkamera schwierig ist.

Fig. 4 illustriert die an verschiedenen Teilen des Systems erzeugten Signale, wenn die in Fig. 3 dargestellte Abwandlung verwendet wird. Drei angr^Snde Zeilen-Synchronisationsimpulse sind mit den Bezugszahlen 39, 40 und 41 versehen. Die Video-Information, die in dem Vergleicher 12 verglichen werden soll,

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ist mit den Bezugszeichen 42 und 43 versehen, wobei die Differenz zwischen diesen Signalen bei der Bezugszahl 44 dargestellt ist. Das Differenzsignal 44 wird zu einem Impuls umgesetzt/ wie bereits beschrieben. Dieser Impuls wird mit dem Eingang eines Impulsbreiten-Diskriminators verbunden. Wenn die Breite des Impulses einen vorbestimmten Wert Δ Ρ überschreitet, erzeugt der Impuls-Diskriminator einen Ausgangsimpuls 46. Die Vorderkante dieses Impulses bewirkt, daß eine logische "Eins" in die erste Bitstelle des Schieberegisters 35 eingeschoben wird, außerdem setzt sie den Flipflop 36. Der Q-Ausgang dieses Flipflops wird mit dem Zeilen-Synchronisationsimpuls in einem Verknüpfungs-Schaltkreis 37 kombiniert, um das Schieberegister 35 zurückzustellen. Jedoch wird dieser Flipflop an der Hinterkante des Zeilen-Synchronisationsimpulses zurückgestellt, wodurch diese Rückstellung nach irgendeinem Bild verhindert wird, bei dem am Impuls-Diskriminator 41 ein Ausgangsimpuls erzeugt wurde. Der Rückstellimpuls für das Schieberegister 35 besitzt die Bezugszahl 47. Auf diese Weise werden Signale von logischen "Einsen" fortlaufend in das Schieberegister 35 eingeschoben, bis bedeutsame Fehler in angrenzenden Zeilen der Fernsehbilder ermittelt werden. Somit kann die Anzahl der Bits im -Schieberegister 35 und der Decodier-Schaltkreis 38 so eingestellt werden, daß Fehler in irgendeiner Anzahl von angrenzenden Zeilen ermittelt werden müssen, bevor ein Fehlersignal ausgelöst wird. Ein Fehler wird angezeigt, wenn das Schieberegister 35 die erforderliche Anzahl von logischen "Einsen" enthält. Dies liefert ein Verfahren, das sicherstellt, daß Fehlersignale nicht einfach schon deshalb erzeugt werden, weil einige kleinere mechanische Fehlausrichtungen zwischen der Fernsehkamera und dem zu erkennenden Objekt vorhanden sind. Dieses liefert in Verbindung mit den Schwellwerten des Video-Impuls-Konverters und der Diskrimination unterschiedlicher Impulsbreiten innerhalb des Impuls-Diskriminator-Schaltkreises 21 ein Verfahren, das als ein statistisches Verfahren zur Ermittlung von Unterschieden zwischen den Bildern des Modells und des zu untersuchenden Objektes bezeichnet werden könnte.

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.Aus der vorangegangenen Beschreibung kann leicht erkannt werden, daß ein System zur Erkennung von Objekten geschaffen wurde, mit dem festgestellt werden kann, ob diese Objekte vorbestimmte Eigenschaften einhalten. Es wird eine große Flexibilität erreicht, da beliebige Teile des Bildes des Objektes für die Erkennung benutzt werden können. Es sind auch Vorkehrungen für die Fälle getroffen, wo Abweichungen vom Normalen aufgrund einer Statistik ermittelt werden können, um normale Variationen des Produktes oder leichte Fehlausrichtungen der Testausrüstung auszugleichen. Die Bilder können auch auf andere Weise als durch Fernsehkameras erzeugt werden, so lange die Bilder in der erforderlichen Form geliefert werden. Das offenbarte System kann in bequemer Weise unter Benutzung von im Handel erhältlichen Bauteilen aufgebaut werden.

Patentansprüche:

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Claims

- 10 ■ F a" t e η t a η s ρ r ü C h e !

ϊ1/N Anordnung zur Erkennung ähnlicher Objekte, gekennzeichnet durch eine Einrichtung (10, 11) zur Erzeugung eines ersten Signals (42) mit einer vorbestimmten Beziehung zu dem Bild eines Modells eines ersten der Objekte; durch eine Einrichtung (10) zur Erzeugung eines zweiten Signals (43) mit vorbestimmter Beziehung zum Bild des zweiten zu erkennenden Objektes; durch einen programmierbaren Vergleicher (12, 15) zum Vergleich ausgewählter Teile des ersten und des zweiten Signals (42, 43); durch Schwellwert-Schalteinrichtungen (20, 21), die auf die Differenz zwischen dem ersten und dem zweiten Signal reagieren, um ein Signal zu erzeugen, das anzeigt, daß das Differenzsignal (44) einen vorbestimmten Wert für eine vorbestimmte Zeitperiode überschritten hat.
2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das erste und das zweite Signal (42, 43) Fernseh-Videosignale von dem ersten und dem zweiten ähnlichen Objekt sind.
3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der programmierbare Vergleicher einen Digitalspeicher

(14) umfaßt, in dem Daten gespeichert sind, die anzeigen, welche Teile des ersten und des zweiten Signals miteinander verglichen werden sollen.
4. Anordnung nach Anspruch 2 oder 3 (wenn dieser von Anspruch 2 abhängig ist), dadurch gekennzeichnet, daß der Vergleicher (12) das erste und das zweite Fernseh-Videosignal (42, 43) Zeile auf Zeile miteinander vergleicht, um ein Signal (44) zu erzeugen, das gleich dem absoluten Wert der Differenz dazwischen ist.

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5. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der prograinmierbare Vergleicher Schaltkreiseinrichtungen umfaßt, die auf wesentliche Abweichungen vom Normalen in einer ausgewählten
Zahl von angrenzenden Zeilen des ersten und des zweiten Signals anspricht, bevor ein Fehlersignal erzeugt wird.
6. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Abweichungs-Schaltkreise ein Schieberegister (35) umfassen, um Signale zu speichern, die bedeutsame Abweichungen vom Normalen zeigen.
7. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgänge des Schieberegisters (35) an einen Decodier-Schaltkreis (38) angeschlossen sind, um eine vorbestimmte Anzahl der gespeicherten Signale, die als Fehler
decodiert wurden, festzulegen.

ES/hs 3

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