DE3005087A1

DE3005087A1 - Verfahren zur optischen analyse eines bildes nach massgabe von farb- und/oder helligkeitswerten

Info

Publication number: DE3005087A1
Application number: DE19803005087
Authority: DE
Inventors: Reinhard 8901 Neusäß Görl
Original assignee: Pfister GmbH
Current assignee: Pfister GmbH
Priority date: 1980-02-12
Filing date: 1980-02-12
Publication date: 1981-08-20
Also published as: DE3005087C2

Description

Verfahren zur optischen Analyse eines Bildes nach Maßgabe von
Farb- und/oder Helligkeitswerten Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur optischen Analyse eines Bildes nach Maßgabe von Farb- und/oder Helligkeitswerten, wobei Felder des Bildes optisch erfaßt und wertmäßig ermittelt, und die ermittelten Werte gespeichert un.d/oder miteinander verglichen und die Ergebnisse nach Maßgabe eines vorgegebenen Ordnungssystemes ausgewertet werden.
Bei der optischen Analyse eines Objektes - in den weiteren Ausführungen als Bild bezeichnet - spielen zur Erkennung gesuchter Merkmale die Farb- und/oder Helligkeitswerte des Bildes eine maßgebliche Rolle.
Eine solche Analyse kann beispielsweise bei einem Thermogramm zur Ermittlung von Wärmeemission benutzt werden.
Ein anderes Anwendungsgebiet ist unter anderem die Kontrolle von Produkten wie beispielsweise von Stoff- oder Papierbahnen zum Auffinden von Fehlerstellen.
Ein weiteres wichtiges Anwendungsgebiet ist beispielsweise die optische Analyse von Fleisch zur Bestimmung des Fleisch/ Fettverhältnisses.
Bei der Autematisierung solcher Bildanalysen wird der beobachtende Mensch durch eine Kamera, vorzugsweise durch eine Schwarz-Weiß-Kamera ersotzt, Schwarz-Weiß-Kameras, bei welchen die Zeilenlängen bestimmt werden, sind geg@nüber Farbkameras um ein Vielfaches preiswerter und zudem stabiler im Betriebsverhalten.
Bei Beobachtung der Helligkeits- und oder Farb-Unterschiede eines Bildes durch eine Schwarz-Weiß-Kamera tritt jedoch die Schwierigkeit auf, daß Bildmuster, insbesondere im Bereich von Farb- und/oder Helligkeits-Übergängen, sich nur schwer und gegebenenfalls mit relativ großer Ungenauigkeit, das heißt, mit großer Fehlertoleranz, erkennen Lassen, da sich deren Abgrenzungen in relativ gering unterschiedlichen Grautönen nicht genau genug bestimmen lassen.
So wurde beispielsweise bei der video-optischen Bildanalyse von Fleisch durch eine Schwarz-Weiß-Kamera beim Ubergangsberelch Fett/Fleisch eine Toleranzbreite von + 3 mm festgestellt, während das menschliche Auge, unterstützt durch die Farbinformation, bei dem gleichen Objekt einen maximalen Fehler von + 1 mm und weniger einzuhalten in der Lage war.
Es ist bereits ein Verfahren zur Analyse von Bildmustern bekannt (DE-AS 19 38 854), bei welchem zur Auswertung unterschiedlicher Informationen eines Bildmusters die von einem Abtaster während der Abtastung des Bildmusters erzeugten elekr trischen Signale als Steuersignale mindestens einer Vorstufe zugeführt werden, die zwischen einem rmpulsgenerator und einer die Inìpulse dieses Generators registrierenden Einrichtungen geschaltet ist, und wobei die Anzahl der in die regi.strierende Einrichtung gelangten Impulse als Maß für die Flächenanteile des Bildmusters mit unterschiedlicher Information verwendet werden.
Um bei diesem Verfahren eine ausreichende Genauigkeit zu erzielen wird vorgeschlagen, zusätzlich durch optisches Eichen den Proportionalitätsfaktor zwischen der Größe der abgetasteten Fläche mit unterschiedlicher Information und der registrierten Zahl von Impulsen zu ermitteln. Ein weiterer Vorschlag sieht vor, mehrere Abtastzyklen mit unterschiedlich hohen Ansprechpegeln der Torstufe bzw. der vom Abtastsignal gesteuerten Torstufe nacheinander durchzuführen.
Das bekannte Verfahren hat jedoch im Falle fließender Farb-oder Helligkeitsübergänge ebenfalls den Nachteil relativ hoher Fehlertoleranzen, oder es erfordert zu deren Eingrenzung äußerst schwieriger und langwieriger Eichungen respektive wiederholter, vergleichender Abtastzyklen. Somit ist das Verfahren verhältnismäßig aufwendig, kompliziert, und bedarf zu seiner Durchführung eines geübten Fachmannes.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein neues Verfahren zu schaffen, das eine unkomplizierte und qualitativ hochwertige Analyse eines Bildes oder eines Bildmusters gestattet, und insbesondere dahingehend verbessert ist, daß die fehlende Farbinformati on im Schwarz-Weiß-Bild durch Kontrasterhöhung kompensiert wird. Dabei soll dieses Ziel mit unkomplizierten Mitteln und in möglichst weitgehender Unabhängigkeit von menschlicher Bedienung erreicht werden.
Die Lösung der Aufgabe gelingt dadurch, daß für jedes Feld durch mindestens zwei. optische Erfassungen mindestens zwei Werte, und davon mindestens einer unter Vorschaltung eines Filters, ermittelt werden, daß aus den für ein Feld ermittelten Werten je ein Quotient gebildet wird, und daß aus den Quotienten zur Analyse des Bildes ein synthetisches Bild zusammengesetzt wird.
Mit der Erfindung ergibt sich der Vorteil, daß eine signifikante Erhöhung des Kontrastes im Bereich von Farb- und/oder Helligkeits-Ubergängen bei der Bildanalyse durch eine Schwarz-Weiß-Kamera erreicht wird, und daß die fehlende Farbinformation des Schwarz-Weiß-Bildes so ergänzt wird, daß ein "hartes" Bild erhalten wird, bei welchem Farbtöne in kontrastreiche Grau-Werte umgesetzt sind.
In Auqsgestaltung des Verahrens ist vorgesehen, daß ein Feld mit einer Kamera optisch sequentiell ohne und mit Filter erfaßt wird.
Hierdurch ergibt sich der Vorteil, daß durch die serielle Aufbereitung zweier Bilder über eine gemeinsame Optik und Kamera alle praktisch vorkommenden Instabilitäten beispielsweise durch mechanische Veränderung, Haltering, Interferenz oder sonstige Fehler eliminiert werden.
Diese Vorteile gelten auch für den weiteren Vorschlag daß ein Feld des Bildes mit einer Kamera optisch sequentiell mit mindestens zwei Filtern von unterschiedlichen Farb- und/ oder Helligkeitswerten erfaßt wird.
Durch diese Maßnahme wird ebenfalls in sehr vorteilhafter und unkomplizierter Weise erreicht, daß die fehlende Farbinformation im Schwarz-Weiß-Bild durch Überlagerung von mindestens zwei mittels unterschiedlicher Farbfilterung gewonnener serieller Schwarz-Weiß-Bilder so ergänzt wird, daß ein kontrastreiches Bild erhalten wird. Dabei richtet sich die Auswahl des Spektralbereiches der Filter nach der Farbtemperatur des zu messenden Objektes. Die erzielte Verbesserung der Übergangszonen des synthetischen Bildes liegt fallweise zwischen dem Dreifachen bis Zehnfachen des Normalbild-Kontrastes und gegebenenfalls noch erheblich darüber.
Eine andere Ausgestaltung der Erfindung sicht vor, daß ein Feld optisch simultan mittels zweier syncllrongesteuerter Kameras durch mindestens ein Filter vorzugsweise durch zwei unterschiedliche Filter, erfaßt wird.
Mit dieser Maßnahme ergibt sich der Vorteil, daß bei simultaner Bildorfassung die Meßzeit pro Feld halbiert wird.
Der Aufwand. an Mechanik zur Umschaltung der Farbfilter und Bildspeicher, wie dieser bei der Bilderfassung durch eine Kamera notwendig ist, kann bei simultaner Bilderfassung mittels zweier synchrongesteuerter Kameras entfallen.
In Ausgestaltung der Erfindung ist deren Anwendung bei Fleischwaren zur Flei@@h-Fett-Bestimmung und oder bei Schlachttierkörpern vorgesehen, da, wie bereits weiter oben ausgeführt wurde, diese Bestimmung nur bei hoher Genauigkeit sinnvoll durchgeführt werden kann.
Und schließlich ist die Anwendung der Erfindung bei der Analyse eines Bildes für Kontrollzwecke vorgesehen.
Im folgenden wird die Erfindung anhand von Beispielen in der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen: die >1 die sequentielle Erfassung eines Bildes mit einer Schwarz-Weiß-Kamera und einer Filter wechseleinrichtung im Blockscbaltbild, die optisch simultane Erfassung eines Bildes mittels zweier synchron gesteuerter Schwerz-Weiß-Kameras durch unterschiedliche Filter, ebenfalls im Blockschaltbild, Fi. Diagramme von Farb- und/oder Helligkeitswerten eines Bildfeldes, und zwar beim Vergleich zwischen "Normalbild", Filterbild "rot", Filterbild "grün" und nsynthetischem" Bild.
Gemäß Fig. 1 besteht das Meßobjekt 1 aus einer betrachteten Fläche, beispielsweise eines Fleischstückes, in welchem sich rotes Magerfleisch 1' und weiße Fettschichten 1 " abwechseln.
Vor dem Meßobjekt 1 rotiert eine von dem Rotor 3 angetriebene Filterscheibe 2, welche zur Hälfte beispielsweise aus rotem Filterglas 2' und zur anderen Hälfte aus grünem Filterglas 2'' besteht. Eine handelsübliche Schwarz-Weiß-Fernsehkamera 4 sieht daher ein abwechselnd rot- bzw. grüngefiltertes Bild. Synchron mit der Filterdrehzahl wird der Schalter 9 so umgeschaltet, daß das jeweils rotgefilterte Bild in den Bild speicher "rot" 6, und das grüngefilterte Bild in den Bildspeicher "grün" 5 eingelesen oder eingeladen wird. Die Abf @ag@@in@ichtung 7 tastet ayncbren zur Bildfolge die Helligk£it beider Spelcherbilder ab und bildet aus den Helligkeitswerten den QuotieYlten "Q') - "rotes" Bild : :"grünes" Bild "rotes" Bild = = Q .
"grünes" Bild Mit dem Pfeil 10 ist die Ausgabe des Quotienten zur weiteren Verarbeitung in Form eines synthetischen Bildes symbolisiert. Wie in Fig. 3 zu erkennen ist, wird der Über gang von rotem zu weißem Bildanteil dadurch erheblich steiler.
Man nennt diesen Vorgang in der Fachsprache "Versteilerung".
Dadurch entsteht am Ausgan.g der Abfrageeinrichtung 7 ein synthetisches, kontrastreiches Bild. Der Impulsgeber 8 synchronisiert den zeitlichen Ablauf der Bilderfassung.
Gemäß Fig. 2 wird das Meßobjekt 11 über eine Optik 12 fokussiert. Die beiden Prismen 13 verzweigen die dabei entstehende Abbildung in zwei gleichwertige optische Wege.
Die Filterplatte "grün" 14 erzeugt in der Schwarz-Weiß-Kamera 17 ein nach grünen Farbanteilen bewertetes Schwarz-Weiß-Bild, und entsprechend der Filterplatte "rot" 15 in Kamera 16 ein nach roten Farbanteilen bewertetes Schwarz-Weiß-Bild. Beide Kameras werden synchronisiert, so daß der analoge Quotientenrechner 18 ein normal weiter zu verarbeitendes kontrastreiches Bild-Signal liefert.
In Fig. 3 ist das Verfahren nach der Erfindung, insbesendere die Quotientenbildung eines Feldes, in einer Folge von Diagrammen untereinander dargestellt.
Die oberste Darstellung enthält das ungefilterte "Normalbild".
Der darin enthaltene hellste Helligkeits- oder Farbwert. von der Schwarz-Weiß-Kamera zunächst als beliebiger Grauwert erkannt, wird in der Skala der Ordinate "y" auf die Wertdefinition "100" normiert (rechte Bildhälfte).
Für den dunkelsten Helligkeits- oder Grauwert des Feldes ergibt sich dabei beispielsweise der flelativwert 30 (linke Bildhälfte). Im Bereich des Bildüberganges Dunkel/Hell ergibt sich infolge eines relativ schlechten Kontrastes ein verhältnismäßig weiter, verschwommener Übergangsbereich, dessen Kontrastschärfe beispielsweise durch den mittleren Winkel α1 dargestellt werden kann. Die maximalen Grauwert- oder Helligkeitsunterschiede ergeben demnach das Verhältnis 100 : 30.
Im darunterliegenden Filterbild "rot" wird durch Vorschalten eines Rotfilters der dunkelste Grauwert, z.B. für Fleisch einer Fleisch/Fett-Bestimmung, auf den Relativwert 60 im Verhältnis zu dem auch im Filterbild auf "100" normierten hellsten Grauwert angehoben.
Daraus resultiert im Übergangsbereich ein die Kontrastwirkung symbolisierender Winkel α2 für ein Hell/Dunkel-Verhältnis 100 : 60.
Im Filterbild "grün" mit grünem Vorschaltfilter aufgenommen, nimmt der Relativwert der dunkleren Floisch- oder Bildpartie im Verhältnis zum ebenfalls auf den Wert "100" normierten Fett-Crauwert den Wert 10 an.
Im Übergangsbereich Dunkel/Hell ergibt sich dabei ei.n Winkel α3 für ein Hell Dunkel-Verhältnis 100/10.
Der relativ geringe Grauwert 10 entspricht dem geringen grünen Farbanteil im Bereich des Magerfleisches.
Das unterste Feld in Fig. 3 zeigt das Diagramm des Quotienten "rot" Helligkeitswert = Q "grün" Es handelt sich dabei um den Quotienten Q der beiden über die Bildachsen X - X = Länge des Feldes dargestellten Funkeinen, das heißt über die ganze Länge der Funktionskurven.
Dabei ergeben beispielsweise die linksseitigen Schnittpunkte der Kurven mit der Ordinate "y" einen Quotienten Q: "rot" 60 = = 6 "grün" 10 Der dabei resultierende, relativ steile Winkel O(zeigt durch seinen Verlauf die erhöhte Kontrastwirkung des synthetischen Bildes. Die sich hieraus ergebende Kontrastwirkung beim Hell/ Dunkel-Verhältnis beträgt 100 : 6 = 16,5 : 1. Gegenüber dem Normalbild mit einer Kontrastwirkung 100 : 30 = 3,3 : 1 bedeutet dies beispielsweise eine Kontraststeigerung um einen Faktor 5.
In Versuchen sowic in der Praxis hat sich überraschenderweise herausgestellt, daß das neue Verfahren sich für unkompliziert und rasch durchführbare optische Analysen eines Bildes nach Maßgabe von Farb- und oder Helligkeitswerten durch eine Schwarz-Weiß-Kamera ausgezeichnet eignet.
Die sich hieraus ergebende Vielfalt der Anwendungsmöglichkeiten ist in der cingangs beispielhaft gewählten Aufzählung nur mit einer kloinen Auswahl aufgeigt.
Weitere Anwendungsgebiete sowie Modifikationen des erfindungsgemäßen Verfahrens fallen unter die Erfindung, sofern sie einem der geltenden Patentansprüche genügen.

Claims

Patentansprüche 1. Verwahren zur optischen Analyse eines Bildes nach Maßgabe von Farl) und/oder Helligkeitswerten, , wobei Felder des Bildes optisch erfaßt und wertmäßig ermittelt, und die ermittolten Werte gespeichert und oder miteinander verglichen und die Ergebnisse nach Maßgabe eine0 vorgegebenen Ordnungssystemes ausgewertet werden, d a d u r c h g e k e n nz e i c h n e t, daß für jedes Feld durch mindestens zwei optische Erfassungen mindestens zwei Werte, und davon mindestens einer unter Vorschaltung eines Filters, ermittelt werden, daß aus den für ein Feld ermittelten Werten ein Quotient gebildet wird, und daß aus den Quotienten zur Analyse des Bildes ein synthetisches Bild zusammengefügt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Feld mit einer Kamera optisch sequentiell ohne und mit Filter erfaßt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Feld mit einer Kamera optisch sequentiell mit mindestens wei Filtern von unterschiedlichen Farb- und/oder Helligkeitswerten erfaßt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzei.chmetç daß ein Feld optisch s:i.mlltan mittels zweier synchren gesteuerter Kameras durch mindestens ein Filter, vorzugsweise durch zwei unterschiedliche Filter erfaßt wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß als Kamera eine Schwarz-Weiß-Kamera verwendet wird.
6. Verfahren nach Anspruch 1 bis 5, gekennzeichnet durch dessen Anwendung zur Fleisch-Fett-Bestimmung von Fleischwaren und/oder Schlachttierkörpern.
7. Verfahren nach Anspruch 1 bis 5, gekennzeichnet durch dessen Anwendung bei der Analyse eines Bildes für Kontrollzwecke.