DE2905118A1

DE2905118A1 - Anordnung zur geschwindigkeitsmessung von bildpunkten eines videobildes

Info

Publication number: DE2905118A1
Application number: DE19792905118
Authority: DE
Inventors: Juergen Dipl Ing Altmann; Heidrun Sanke; @@ Schoeppe Guenter; @@ Schuett Wolfgang Dipl Phys Dr
Original assignee: Jenoptik Jena GmbH
Current assignee: Jenoptik AG
Priority date: 1978-03-10
Filing date: 1979-02-10
Publication date: 1979-09-13
Also published as: GB2018542A; JPS54139328A; GB2018542B; DD140504A1; SU1206708A1; US4238767A; IN152812B

Description

Titel: Anordnung zur Geschwindigkeitsmessung von Bildpunkten eines Videobildes

Anwendungsgebiet der Erfindung:

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Geschwindigkeitsmessung von Bildpunkten eines Videobildes, bei der eine Videokamera und ein Taktgeber mit einer Synchronisationsstufe verbunden sind, die ausgangsseitig mit zwei Zahlern sowie über eine Filterkette für das Bildsignal des Videobildes mit einem Komparator in Verbindung steht, bei der die Ausgänge der Zäliler und des !Comparators mit einem logischen Verknüpfungsnetzwerk verbunden sind und bei welcher der Ausgang das Verknüpfungsnetzwerkes mit einem Rechner gekoppelt ist.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen:

Es ist bereits eine Vorrichtung bekannt (Zeitschrift füi* physikalische Chemie, Bd. 356), bei der die Geschwindigkeit einer großen Zahl von Teilchen als Ensemble gemessen wird. Dabei ist die Ermittlung der Geschwindigkeitsverteilung der Teilchen nur über statistische Methoden genähert möglieh. Die Teilchen müssen sieh unter schwer realisierbaren Bedingungen in einer geschlossenen Front bewegen, so daß stark eingeschränkte Anwendungsbedingungen vorhanden sind.

Weiterhin sind Vorrichtungen bekannt, bei denen die Geschwindigkeitsmessung unter Anwendung des Laserdopplerverfahren erfolgt. Der hierbei erforderliche elektronische und optische Aufwand ist erheblich, die gleichzeitige Messung der Geschwindigkeit

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mehrerer Teilchen verliert an Eindeutigkeit (lizgiris E.E. (1972) Optics Comniun 6)0 Außerdem sind aus der Bildanalyse Verfahren bekannt, bei denen die Bewegung von Objekten im off-line-Betrieb gemessen wird ( siehe z.B. Hall, Endlich, Wolf, Brain, "Objective Methodes for Registering Landmarks and Determining Cloud Motions Data", IEK Trans. Corp., Juli 1972).

Diese Verfahren erfordern fotografische Aufnahmen in zeitlich konstanten Abständen und eine aufwendige Zwischenspeicherung der Einzelbilder und kann deshalb nicht auf Echtzeitmessungen angewendet werden.

Bekannt ist weiterhin ein Verfahren zur Messung der elektrophoretischen Beweglichkeit von Teilchen (ViP G 01 F/200 932) durch Echtzeitverarbeitung eines bewegten Fernsehbildes, bei dem an einem subjektiv ausgewählten, in einer Elektrophoresekammer befindlichen, mikroskopisch betrachteten und videotechnisch abgebildeten Teilchen die Zeit gemessen wird, die es zum Durchlaufen einer durch zwei elektronisch realisierte Schranken begrenzten Meßstrecke benötigt. Nachteilig ist der der Einzelteilchenmessung anhaftende relativ hohe Zeitaufwand, wenn das Verfahren aur Mittelwertbildung aus einer Vielzahl von Messungen zur Erreichung einer für die untersuchte Probe repräsentativen Aussagen herangezogen wird.

Außerdem muß die Meßanordnung durch Einstellung der Meßstrecke auf einen ausgewählten Bildpunkt jeweils vorbereitet werden, weshalb sowohl der Zeit- als auch der bedienungstechnische Aufwand um so höher ist.

Ebenfalls bekannt ist ein Verfahren zur Mustererkennung (rfe 25, 1976, Heft 2, S. 63 - 66 ), bei dem das Fernsehbild gerastert, die Bildinformation digitalisert, rasterzeilenweise zwischengespeichert, in den Eeehner eingespeichert oder im Echtzeitbetrieb weiterverarbeitet wird.

Von Nachteil bei diesem Verfahren ist, daß eine sehr große Informationsmenge pro Bild bereitgestellt wird, die einen sehr hohen technischen Aufwand erfordern würde.

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Ziel der Erfindung;

Ziel der Erfindung ist die Senkung des zeitlichen und bedienungstechnischen Aufwandes sowie die Erhöhung der Genauigkeit bei der Bildanalyse.

Darlegung des Wesens der Erfindung:

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, mit möglichst einfachen Mitteln sowie mit möglichst geringem bedienungstechnischen Aufwand eine Anordnung zur Geschwindigkeitsmessung von Bildpunkten eines Videobildes zu schaffen, bei dem der gesamte Bildinhalt ohne subjektive Vorauswahl einzelner Bildpunkte gleichzeitig für möglichst viele Bildpunkte in beiden horizontalen Richtungen geschwindigkeitsmäßig ausgewertet wird. Diese Aufgabe wird in einer Anordnung zur Geschwindigkeitsmessung von Bildpunkten eines Videobildes, bei der eine Videokamera und ein .Taktgeber mit einer Synchronisationsstufe verbunden sind, die ausgangsseitig mit zwei Zählern sowie über eine Filterkette für das Bildsignal des Videobildes mit einem Komparator in Verbindung steht, bei der die Ausgänge der Zähler und des Komparators mit einem logischen Verknüpfungsnetzwerk verbunden sind und bei welcher der Ausgang des Verknüpfungsnetzwerkes mit einem Rechner gekoppelt ist, erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Verknüpfungsnetzwerk aus einer Matrix von UWl)-Gattern besteht, denen der Ausgang des Komparators sowie je ein Ausgang ,iedes der beiden Zähler zugeführt sind, daß je ein Steuereingang zweier je zwei benachbarten UND-Gattern jeder Zeile der Matrix nachgeschalteten Torsehaltungen mit je einem Ausgang einer Richtungsauswahlstufe verbunden ist, deren Eingang über ein ODER-Glied mit den Ausgängen der beiden Torschaltungen gekoppelt ist und deren zwei Ausgangssignale jeweils logisch entgegengesetzt sind und daß jeder Torschaltung ein Zeitspeicher nachgeschaltet ist dessen Ausgang mit dem Rechner verbunden ist. Vorteilhaft ist, wenn der Eingang der Richtungsauswahlstufe

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mit einem Takteingang eines über seme Seczemgange gesetzten D-Plip-Flop verbunden ist, und daß «"jeder Ausgang und jeder Setzeingang des D-Plip-Plop über je ein MD-Gatter und je ein Zeitglied sowie über je ein weiteres UND-Gatter mit je einem ODEE-Gatter verbunden sind, dessen Ausgang mit dem Steuereingang je eines der beiden den je zwei benachbarten UND-Gatter nachgeschalteten Torschaltungen in Verbindung steht. Durch die erfindungsgemäße Anordnung wird das Videobild elektronisch gerastert und die Signale der Rasterung werden mit dem Bildsignal des Videobildes unter geringem technisch-ökonomischen Aufwand logisch verknüpft. Die Ausgangssignale dieser Verknüpfungsschaltung werden über Zeitspeicher einem Rechner zugeführt. In die Verknüpfung werden Bildpunkte des digitalisierten Bildsignales während eines gesamten Bilddurchlaufes mit einbezogen. Dadurch wird die gleichzeitige Auswertung aller Bildpunktbewegungen ermöglicht. Über die Richtungsauswahlstufen werden die Bewegungsrichtungen der Bildpunkte für die Auswertung programmiert.

Ausführungsbeispiel:

Die Erfindung soll nachstehend anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert werden: Es zeigen:
Pig. 1: Erfindungsgemäße Anordnung zur Geschwindigkeitsmessung von Bildpunkten eines Videobildes,

Pig. 2: Schaltungsmäßiger Aufbau einer Verknüpfungsstufe der Anordnung nach Pig. 1

In Pig 1 der Zeichnung ist eine blocksehaltungsmäßige Anordnung zur Geschwindigkeitsmessung von Bildpunkten eines Videobildes in der Gesamtform dargestellt. Eine Videokamera 1 erzeugt, z.B. von einer elektrophoretisch auszuwertenden Probe, ein Videobild, daß einer mit einem Quarzoszillator 2 in Verbindung stehenden Synchronisationsstufe 3 zugeführt ist. Ein Ausgang der

Synchronisationsstufe 3

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~ 6-

steht über eine Filterkette 7 mit einem eine Referenzspannung Uref aufweisenden Komparator 4 in Verbindung. Von der Synchronisationsstufe 3 ist ein zweiter Ausgang sowohl mit einem Zähler 5 als auch mit einem Zähler 6 verbunden, ein dritter Ausgang ist nur mit dem Zähler 5 gekoppelt, und der mit dem Quarzoszillator 2 in Verbindung stehende Ausgang ist lediglich auf den Zähler 6 geführt. Dem Zähler 6 ist eine Kodierstufe 8 nachgesehaltet, deren sechs Ausgänge h, i, 3, k, 1, m ebenso wie drei Ausgänge des Zählers 5 u, v, w und der Ausgang des Komparators 4 an die Zeilen und/ oder Spalten einer Verknüpfungsmatrix 9 angeschlossen sind. Die Verknüpfungsmatrix 9 besteht aus neun gleichartig aufgebauten sowie in drei Zeilen Z^, Z„, Z- und drei Spalten S^, Sp, So angeordneten Verknüpfungsstufen 10, deren Aufbau in Pig. 2 dargestellt ist. Jeder Eingang a der drei in der Zeile Z^ angeordneten Verknüpfungsstufen 10 ist mit dem Ausgang w des Zählers 5 verbunden, während die Eingänge a der Verknüpfungsstufen 10 in der zweiten Zeile Zp mit dem Ausgang ν und die Eingänge a in der Zeile Z^ mit dem Ausgang u des Zählers 5 in Verbindung stehen. Der Ausgang 1 ,jeder Verknüpfungsstufe 10 ist mi± dem Ausgang des Komparators 4 gekoppelt. Von den Verknüpfungsstufen 10 ist weiterhin der Eingang c in der Spalte S^ mit dem Ausgang h, in der Spalte S^ mit dem Ausgang j und in der Spalte S~ mit dem Ausgang 1 der Kodierstufe 8 verbunden. In gleicher Weise besteht eine Kopplung zwischen den Eingängen d der Verknüpfungsstufen 10 und der Kodierstufe 8 , indem die Spalte S* mit dem Ausgang i, die Spalte S₂ mit dem Ausgang k und die Spalte S-. mit dem Ausgang ra verknüpft ist. Die Ausgänge e und f jeder Verknüpfungsstufe 10 sind auf einen Rechner 11 geführt. Aus Fig. 2 ist ersichtlich, daß sowohl der Eingang a als auch der Eingang b der Verknüpfungsstufe 10 auf je einen Eingang eines UETD-Gl ie des 12 und eines UHD-Gliedes 13 geführt sind. Den dritten Eingang des UFD-Gliedes 12 bildet der Eingang c,

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während der Eingang d an den dritten Eingang des UND-Gliedes 13 angeschlossen ist. Der Ausgang des MD-Gliedes 12 ist mit einem ersten Eingang eines UND-Gliedes 14 verbunden, dessen Ausgang über einen Zeitspeicher 16 mit dem Ausgang e in Verbindung steht. In gleicher Weise ist dem UND-Glied 13 ein UND-Glied 15 nachgeschaltet, dessen Ausgang über einen Zeitspeicher 17 mit dem Ausgang f in Verbindung steht. Außerdem sind die beiden Ausgänge der UND-Glieder 14; 15 mit zwei Eingängen eines ODER-Gliedes 18 gekoppelt, dessen Ausgang an den Takteingang eines D-Flip-]?lops 19 angeschlossen ist. Ein Ausgang des D-Flip-Flops 19 ist auf ,je einen Eingang zweier UND-Glieder 20; 21 geführt, der andere Ausgang des D-Flip-Flops 19 ist in gleicher V/eise an zwei UND-Glieder 22; 23 ange schlossen. Jeweils der zweite Eingang der UND-Glieder 20; 22 sowie der Setzeingang des D-Plip-Flops 19 sind mit dem Steuereingang Esetz verbunden. Ein zweiter Steuereingang Erücksetz ist sowohl auf den Rüeksetzeingang des D-Flip-Flops 19 als auch auf die zweiten Eingänge der UND-Glieder 21; 23 geführt. Der Ausgang des UND-Gliedes 20 ist mit einem Eingang eines ODER-Gliedes 24, der Ausgang des UND-Gliedes 23 mit dem Eingang eines UND-Gliedes 25 verbunden. Über ein Zeitglied 26 besteht eine Verbindung vom Ausgang des UND-Gliedes 21 zum zweiten Eingang des ODER-Gliedes 24₅ dessen Ausgang wiederum auf den zweiten Eingang des UND-Gliedes 14 geführt ist. Ein weiters Zeitglied 27 verbindet den Ausgang des UND-Gliedes 22 mit dem zweiten Eingang des ODER-Gliedes 25? dessen Ausgang mit dem zweiten Eingang des UND-Gliedes 15 gekoppelt ist. Die Steuereingänge Esetz aller Verknüpfungsstufen 10 sind ebenso wie die Steuereingänge Erücksetz untereinander verbunden (in der Zeichnung aus Übersichtsgründen nicht dargestellt).

Der Quarzoszillator 2 steuert den Zähler 6 und die Synchronisationsstufe 3 an, in der die Vertikal- und Horizontal-Synchronisationsimpulse erzeugt werden. Die Synchronisationsimpulse

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steuern in "bekannter Weise die Videokamera 1, die ein Videobild eines bewegten Objektes, z.B. einer elektrophoretisch auszuwertenden Probe, liefert.

Das Bildsignal des Videobildes wird durch die Pilterlette 7 geleitet, die vorwiegend das Frequenzspektrum der bewegten Objekte passieren läßt (Bandpaß). Das gefilterte Bildsignal wird dem Komparator 4 zugeleitet, dessen Referenzschwelle mit der Referenzspannung U _f auf Werte eingestellt ist, die bestimmten Helligkeitsstufen der bewegten Objekte entsprechen. Überschreitet des Signalpegel am invertierenden Eingang des !Comparators 4 den Wert der Referenzspannung Uf, so gibt der Komparator 4 ein Signal ab, das an allen Verknüpfungsstufen 10 der Verknüpfungsmatrix 9 anliegt. Durch die Zähler 6 mit der nachgeschalteten Kodierstufe 9 werden in Abhängigkeit des Quarzoszillators 2 und der Synchronisationsstufe 3 iⁿ jeder Zeile des Videobildes sechs Impulse an den Ausgängen h, i, j, k, 1, m abgeleitet, von denen in der Aufeinanderfolge die ungeradzahligen die Zeile des Videobildes ungefähr vierteln. Der Abstand der geradzahligen von den ungeradzahligen Impulsen kann durch an sich bekannte in der Zeichnung nicht dargestellte Mittel in Schritten verändert werden, die etwa ^mr- der Zeilenlänge entsprechen. Der Zähler 5 , der durch den Vertikal-Synchronimpuls rückgesetzt wird, zählt die Zeilen der sogenannten Halbbilder, die durch das Schreiben jeder zweiten Zeile des Videobildes bei einem Strahldurchlauf entstehen. Bei den Zeilen 20 - 100 erscheint am Ausgang w ein Signal, bei den Zeilen 120 - 200 am Ausgang ν und bei den Zeilen 220 - 300 des Videobildes am Ausgang u. Die Ausgangsimpulse der Zähler_y5, 6 und des Komparators 4 werden UKD-mäßig in den Verknüpfungsstufen 10 der Verknüpfungsmatrix 9 verknüpft. Die Ausgangssignale dieser UND-Glieder 12, 13 gelangen über die durch die UND-Glieder 14, 15 gebildeten Torschaltungen in die Zeitspeicher 16, 17, in denen jeweils die Zeitpunkte der UED-Verknüpfung der Signale an den Eingängen a,b,c

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bzw. a, b, d der Verknüpfungsstufe 10 festgehalten werden. Die Ausgänge der Zeitspeicher 16, 17 werden über die Ausgänge e, f jeder Verknüpfungsstufe 10 dem Rechner 11 zur Differenzbildung zugeführt, wodurch die Zeitänderung bzw. in Verbindung mit der Weggröße eine Geschwindigkeit der Bildpunkte ermittelt werden.

Das D-Flip-Flop 19, die UND-Glieder 20, 21, 22, 23, die Zeitglieder 26, 27 und die ODER-Glieder 18, 24, 25 bilden im Zusammenhang mit den MD-Gliedern 14, 15 eine Richtungsauswahlstufe für die Zeit- bzw. Geschwindigkeitsmessung der Bildpunkte, so daß die rechnerische Erfassung der Bildpunkte nicht nur in einer bestimmten horizontalen Bewegungsrichtung erfolgen muß. Die Ausgangsimpulse des Zählers 6 können durch an sich bekannte, in der Zeichnung nicht dargestellte, Mittel auf einem Monitor als Schranken für die Messung sichtbar gemacht v/erden. Für die Erklärung der Wirkungsweise der Richtungsauswahlstufe sei angenommen, der Zeitspeicher 16 der Fig. 2 sei für die Zeitmessung an einer Schranke 1 (impuls am Eingang c der Verknüpfungsstufe 10) und der Zeitspeicher 17 sei für die Zeitmessung an einer Schranke 2 (impuls am Eingang d der Verknüpfungsstufe 10) vorgesehen. Ist durch die Richtungsauswahlstufe z.B. das HffD-Glied 14 vorbereitet, so können Bewegungsvorgänge der Bildpunkte von der ersten zur zweiten Schranke verfolgt werden. Bei der UND-Verknüpfung der drei Signale an den Eingängen a, b, c, d, h, ein Bildpunkt passiert in dem zu betrachtenden Zeilenbereich des Videobildes die Schranken 1, so wird dieser Zeitpunkt im Zeitspeicher 16 festgehalten. Gleichzeitig wird über das ODER-Glied 18 das D-Flip-Flop 19 umgestellt, so daß das UND-Glied 14 verriegelt und das UND-Glied 15 entriegelt wird. Das Öffnen des UND-Gliedes 15 kann mit Hilfe des Zeitgliedes 27, dessen Zeitkonstante einstellbar ist, zeitlich verzögert werden. Die UND-Glieder 20, 21, 22, 23 sowie die ODER-Glieder 24, 25 sorgen durch eine geeignete logische Verknüpfung dafür, daß jeweils die in Bewegungsrichtung

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zweite Schranke verzögert "scharf" wird. Bewegen sich die Bildpunkte von Schranke 1 nach Schranke 2, so wird der Bildpunkt, der die Schranke 1 zum Ansprechen brachte, als nächster die Schranke 2 erreichen. Durch die Tottastzeit der Schranke 2 mit Hilfe des Zeitgliedes 27 werden Bildpunkte, die an der Schranke 1 nicht registriert wurden, weitestgehend ausgeschaltet. Alle Objekte, deren Laufzeit über der vorgegebenen Zeitgrenze liegt, lösen die Schranke 2 aus. Gleichzeitig stellt der Ausgangsimpuls des UND-Gliedes 15, der zeitlich im Zeitspeicher 17 registriert wird, das D-Plip-Flop in seine Ausgangslage zurück, so daß das UND-Glied 14 für die nächste Messung vorbereitet wird. Die Ri chtungsaus v/ahl wird über ein entsprechendes Signal am Steuereingang Bsetz bzw. am Steuereingang Erücksetz programmiert und erfolgt gleichzeitig für alle Verknüpfungsstufen 10.

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Leerseite

Claims

oqnm 18 T-vf. indungsanspruch: * ^ υ w ι ι w

1. Anordnung zur Geschwindigkeitsmessung von Bildpunkten eines Videobildes, bei der eine Videokamera und ein Taktgeber mit einer Synchronisationsstufe verbunden sind, die ausgangsseitig mit zwei Zählern sowie über eine leiterkette für das Bildsignal des Videobildes mit einem Komparator in Verbindung steht, bei der die Ausgänge der Zähler und des !Comparators mit einem logischen Verknüpfungsnetzwerk verbunden sind und bei welcher der Ausgang des Verknüpfurgsnetzwerkes mit einem Rechner gekoppelt ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Verknüpfungsnetzwerk aus einer Matrix von UHD-Gattern besteht, denen der Ausgang des !Comparators sowie je ein Ausgang jedes der beiden Zähler zugeführt sind, daß je ein Steuereingang zweier je zwei benachbarten UND-Gattern jeder Zeile der Matrix nachgeschalteten Torschaltungen mit je einem Ausgang einer Richtungsauswahlstufe verbunden ist, deren Eingang über ein ODER-Glied mit den Ausgängen der beiden Torschaltungen gekoppelt ist und deren zwei Ausgangssignale jeweils logisch entgegengesetzt sind, und daß jeder Torschaltung ein Zeitspeicher nachgeschaltet ist, dessen Ausgang mit dem Rechner verbunden ist.

2. Anordnung nach Punkt 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Eingang der Richtungsauswah_olstufe mit einem Takteingang eines über seine Setzeingänge gesetzten D-Flip-Flops verbunden ist, und daß jeder Ausgang und jeder Setzei'ngang des D-Flip-Flops über je ein IMD-Gatter und je ein Zeitglied sowie über je ein weiteres UND-Gatter mit je einem ODER-Gatter verbunden sind, dessen Ausgang mit dem Steuereingang je eines der beiden den je zwei benachbarten UND-Gattern nachgeschalteten Torschaltungen in Verbindung steht.

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ORIGINAL INSPECTED