DE3015637A1

DE3015637A1 - Bildverarbeitungssystem

Info

Publication number: DE3015637A1
Application number: DE19803015637
Authority: DE
Inventors: M Duane Sanner
Original assignee: Recognition Equipment Inc
Current assignee: Recognition Equipment Inc
Priority date: 1979-04-23
Filing date: 1980-04-23
Publication date: 1980-10-30
Also published as: CA1164086A; GB2047934A; FR2455322A1; JPS55149571A; DE3015637C2; GB2047934B; FR2455322B1

Description

Die Erfindung betrifft Bildverarbeitungsvorrichtungen und insbesondere eine integrierte Schaltungsvorrichtung, die Abbildungen verarbeitet und quantisierte Schwarz- und Weiß-Ausgangsvideosignale erzeugt, welche dem von der Anordnung abgetasteten Bild entsprechen.

Derzeit übliche Verfahren zur Erzielung quantisierter Videosignale erfordern eine Vielzahl von Verarbeitungsfunktionen, von denen jede in einer Kombination aus diskreten und integrierten Schaltungen verwirklicht ist. Die Fähigkeit zur Extrahierung eines quantisierten Videosignals aus qualitativ schlechten Druckdarstellungen ist sehr unterschiedlich bei verschiedenen Datenliftsystemen, sie ist jedoch im allgemeinen eine Funktion der Komplexität des Systems.

Ein mäßig komplexes System, welches gute Schwellwert-Eigenschaften bei qualitativ schlechten Druckabbildungen aufweist, ist als Blockschaltbild in der Fig. 1 dargestellt. Das serielle Videosignal aus der einzelnen Ausgangsschaltung einer .Anordnung von photoempfindlichen Elementen wird zuerst mittels eines Vorverstärkers verstärkt und dann durch einen Integrator geleitet. Am Ende der Integration wird das Signal abgetastet und in ein 4-Bit-Digitalsignal mittels des Analog/Digital-Konverters umgesetzt. Die AGC-Funktion (automatische Verstärkungsregelung) dient zur Normalisierung des A/D-Ausgangs, so daß stets 16 Graupegel für einen Bereich von Video-Eingangspegeln erzeugt werden. Der Konverter dient zum Treiben der Korrelatorfunktion. Der Korrelator ist ein Digitalfilter, welches ein 4-Bit-Eingangssignal in einen Schwarz- oder Weißpegel quantisiert, und zwar auf der Grundlage der Summe der eine Zelle umgebenden Zellen. Es sind ungefähr 20 MSI und SSI-Logik-Bauelementeinheiten erforderlich, um die

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Steuerfunktion und die Zeitsignale zu liefern, die alle Funktionen verknüpfen.

Gemäß der Erfindung werden gleiche oder bessere Schwellwert-Eigenschaften erzielt und das erfindungsgemäße System kann mittels einer einzigen integrierten Schaltung verwirklicht werden. Diese integrierte Schaltung mit mehreren externen Komponenten ersetzt alle der in der Fig. 1 gezeigten Funktionsblöcke.

Bildverarbeitungssysteme ähnlich dem in der Fig. 1 dargestellten, sind in den US-PS 3 947 817; 3 964 022 und 4 075 605 beschrieben.

Durch die Erfindung wird ein wirksamer und wirtschaftlicher Weg geschaffen, um ein optisches Bild aus gedruckten Zeichen oder anderen Symbolen in ein elektrisches Signal umzuwandeln, welches zur Darstellung von Schwarz- und Weißpegeln quantisiert ist. Diese Art eines quantisierten Signals ist für fast alle Erkennungssysteme für optische Zeichen, wie sie in Erkennungsanlagen für optische Zeichen verwendet werden, erforderlich. Die beschriebene Vorrichtung kann beispielsweise in einem manuell handhabbaren Lesegerät für optische Zeichen verwendet werden, um Signale zu liefern, die das Zeichen für die Erkennungslogik darstellen. Das System besteht aus einer impulsbetriebenen Infrarot-Leuchtdiode als Beleuchtungsquelle und einer integrierten Schaltung, die einen Bildes

Sensorteil und einen Analogsignal-Verarbeitungsteil umfaßt. Das auf den Sensor projezierte optische Bild wird in einen Strom von digitalen Videodaten umgewandelt, die Schwarzoder Weißpegel darstellen.

Erfindungsgemäß wird also eine Anordnung von integrierten photoempfindlichen Elementen zur Abnahme eines Bildes eines

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Druckzeichens oder Symbols von einem Dokument oder einer anderen Oberfläche verwendet, sowie zur Verarbeitung des Bildes, um Hintergrundbedingungen des Dokumentes zu berücksichtigen und um das Bild in Bezug auf einen gewünschten Schwellwert zu setzen, so daß ein Schwarz/ Weiß-Videoausgangssignal in serieller Form erzeugt wird, welches dem von der Anordnung abgetasteten Bild entspricht. Es werden ladungsgekoppelte Bauelemente in erheblichem Umfang auf einer einzigen integrierten Schaltung verwendet, um eine vollständige Bildverarbeitungsvideovorrichtung auf einem einzigen integrierten Schaltungschip zu erzeugen.

Die Erfindung wird im folgenden beispielsweise unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert; es zeigt:

Fig. 1 ein Blockdiagramm einer Schaltung nach dem Stand der Technik;

Fig. 2 ein Blockdiagramm der erfindungsgemäßen Schaltung;

Fig. 3 die Sensoranordnung;

Fig. 4 ein Schaltbild der Sensoranordnung;

Fig. 5 ein Schaltbild des in den Fig. 2 und 3 dargestellten 96-Stufen-CCD-Anordnungs-Raumfilters;

e-

Fig. 6 ein Schaltbild der 115-Stufen-CCD-Anordnung, die für den in der Fig. 2 gezeigten Weiß-Referenzdetektor verwendet wird;

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Fig. 7 die 7 χ 7-Hintergrund-Detektormatrix;

Fig. 8 die Abtastpunkt-Gestaltung innerhalb der 7x7 Matrix der Fig. 7;

Fig. 9 ein Schaltbild der Schwarz-Referenzschaltung;

Fig. 10 die in der Fig. 2 dargestellte Fleckfilterbildmatrix;

Fig. 11 ein Zeitdiagramm des Schwarz/Weiß-Videosignals;

Fig. 12 ein Flußdiagramm der Haupt-Zeitfolge; und

Fig. 13 ein Blockdiagramm des Beziehungsverhältnisses • für interne und externe Taktgeber.

Das System ist ein Datenliftsystem, das aus einer gepulsten Infrarot-Leuchtdioden-Beleuchtungsquelle (nicht gezeigt) und einer integrierten Schaltung besteht, die sowohl einen Bildsensorteil· al·s auch einen Analogsignal-Verarbeitungsteil· umfaßt. Ein Biockdiagramm des Systems ist in der Fig. 2 dargestellt. Ein auf die Sensoranordnung projeziertes optisches Bild wird in einen Strom von digitalen Videodaten umgewandelt, die Schwarz- oder Weißpegel· dar steven. Die Sensoranordnung kann beispielsweise ein Fiächensensor mit einer Breite von 18 Zellen und einer Höhe von 70 Ze^en (Fig. 3) sein. Der Sensor kann beispieisweise eine CCD-Vorrichtung (iadungsgekoppe^es Bauel·ement) sein, die aus 18 Schieberegistern von jeweils 70 Bits Länge besteht. Jede Stufe dient sowohl· al·s Sensor al·s auch al·s Speicher/Auslese-Vorrichtung. Im Betrieb wird auf dem Sensor eine Abbildung strobo-

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skopisch abgetastet, wobei als Beleuchtungsquelle eine impulsbetriebene Infrarot-Leuchtdiode verwendet wird. Sobald die Diode abgeschaltet ist, werden die 18 Register um ein Bit geschoben, so daß sie das serielle Ausleseregister laden. Das Ausleseregister wird um 18 Impulse getaktet, so daß es als Ausgang einen seriellen Bitstrom erzeugt. Dann wird ein zweiter Schiebeimpuls für die 18 vertikalen Schieberegister erzeugt und der Zyklus wird insgesamt 70mal wiederholt, bis alle Daten ausgelesen worden sind. Diese Art des Auslesens kann nur deshalb verwendet werden, da der Sensor während der Auslesequenz nicht beleuchtet ist. Die Beleuchtungszeit umfaßt etwa 10 % der gesamten Bildzykluszeit. Diese Maßnahme hat den Vorteil, daß eine viel einfachere CCD-Struktur erforderlich ist, deren gesamte Zellenfläche lichtempfindlich ist und daher zweimal so empfindlich wie eine Sensor-Struktur, die abwechselnde Sensor- und Speicherplätze verwendet. Wie in der Fig. 2 gezeigt, ist der Sensor mit einer Signalverarbeitungsstation verbunden. Das Videosignal aus der Sensoranordnung wird mit zwei getrennten Funktionen verarbeitet, die Ausgangssignale erzeugen, welche zusammen synchronisiert sind, so daß sie sich stets auf die gleiche Zelle von Videodaten beziehen. Diese beiden Funktionen sind das 96-Stufen-CCD-Raumfilter und die 115-Stufen-CCD-Hintergrund-Referenzschaltung. Das Videosignal wird in die beiden parallelen CCD-Register eingespeist, die gleichzeitig die beiden Verarbeitungsfunktionen ausführen.

In der Fig. 4 ist ein mögliches Ausführungsbeispiel der CCD-Sensoranordnung dargestellt. Die Photoplätze sind Stufen von vertikalen Registern, die durch vertikales Durchtakten aller Register ausgelesen werden, um die Ausgangsregister parallel zu laden. Das Ausgangsregister (wie dargestellt) schiebt nach 1 Lnks, so daß das Video-

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signal mit der Zellengeschwindigkeit herausgeschoben wird, dann durch einen Vorverstärker geht und schließlich zu den parallelen Registern.

Das Raumfilter ist ein lineares Filter, das derart konstruiert ist, daß es Teile des Bildes, die den Zeichen-Strichcharakteristiken oder schwarzen Teilen des Bildes entsprechen, verstärkt. Das Filter weist ein Ausgangssignal auf, welches ins Negative geht bei dunklen Bereichen des Videobildes und ins Positive für weiße Bereiche. Ein mögliches Ausführungsbeispiel des 95-Stufen-CCD-Schieberegisters und -filters ist in der Fig. 5 dargestellt. Das Videosignal wird in serieller Form in ein Ende des Schieberegisters eingespeist. Das Ausgangssignal aus dem Differenzverstärker bildet den Filterausgang. Dieses Ausgangssignal wird am Ende der Nutzflächenüberschreitungszeit abgetastet und in einem Kondensator gespeichert, so daß es während des nächsten Bildes als Schwarz-Referenzpegel nutzbar ist. Während dieser Abtastzeit enthält das Filterregister nur nichtbelichtete oder Schwärzpegel-Zeilen.

Mit dem 115-Stufen-CCD-Register ist eine Hintergrunds-Referenzschaltung oder ein Referenzdetektor verbunden, der eine nichtlineare Funktion darstellt, welche Ausgangssignale erzeugt, die dem Hintergrund- oder Weißpegel innerhalb einer 7 χ 7-Elementfläche entsprechen. Diese Fläche ist allgemein in der Fig. 7 dargestellt und als 7 χ 7-Hintergrund-Detektormatrix bezeichnet. Eine Beschreibung dieser Funktion folgt später.

Jedes Filterfunktions-Ausgangssignal in Verbindung mit einem Schwarz-Referenzpegel treibt eine Komparatorschaltung, um Weiß- oder Schwarz-Digitalpegel zu erzeugen. Der Komparator Nummer 1 wird durch einen Bruchteil

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des Hintergrund-Referenzausgangssignals getrieben und daß Signal aus der "Mittelzelle" (in der Fig. 7 als Zelle 58 angegeben), welches die zu quantisierende Video-Information ist. Die Widerstände R1 und R2 bestimmen den Prozentsatz des an den Komparator zu liefernden Hintergrunds, der typisch etwa 0,85 beträgt. Zur Anzeige von Weiß wird der Ausgang des !Comparators Nummer 1 wahr, wenn der Wert der Mittelzelle größer ist als 0,85 der Referenz. Dies entspricht einem Druck-Kontrastverhältnis von ungefähr 15 %; diese Funktion dient daher als Minimal-Druckkontrastverhältnis-Detektor, um zu verhindern, daß Papierstörungen und Fehlzeichen ein Schwarz-Ausgangssignal hervorrufen.

Der Komparator 2 dient zur Feststellung, ob der Raumfilterausgang positiv ist oder negativ und liefert ein Logikpegelsignal. Wenn der Ausgang des Raumfilters positiv ist, ist der Ausgang des Komparators wahr und zeigt einen Weißpegel an. Der Ausgang des Komparators hebt in beträchtlichem Maß Bildkontrastunterschiede hervor und macht aus weißen und schwarzen Bereichen eines Zeichens mit niedrigem Kontrast Weiß- oder Schwarz-Logikpegel-Ausgänge .

Die beiden Komparatoren sind mit einer OR-Schaltung kombiniert, um einen quantisierten Schwarz/Weiß-Ausgang zu erzeugen. Die Signale werden auf einer Weiß-Basis mit einer OR-Funktion verknüpft, so daß jeder Komparator einen Weiß-Ausgang erzwingen kann. Der Komparator 1 erzwingt einen Weiß-Ausgang für ein Signal mit absolut niedrigem Kontrast und der Komparator 2 öffnet die weissen Bereiche in einer 8, einem A oder anderen alphanumerischen Zeichen, die einen eingeschlossenen oder teilweise eingeschlossenen Bereich aufweisen. Der Ausgang der OR-Schaltung wird weiter in einem Fleckfilter verarbeitet,

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um isolierte weiße oder schwarze Zellen aus dem Ausgangssignal zu entfernen. Zusätzlich zu den Schwarz/Weiß-Datenausgangssignalen werden von der Steuerlogik, wie in der Fig. 2 gezeigt, Zeitsignale für die externe Logiksynchronisation geliefert. Diese Signale sind als "Datentakt-Aus", Zeilen/Bild-Synchronisation und "Strobe-Aus" bezeichnet. Die Zeilen/Bild-Synchronisation wird beim Abtasten des seriellen Videostroms und zur vertikalen Lokalisierung verwendet. "Strobe-Aus" triggert die Infrarot-Leuchtdioden, die die abzutastende oder zu lesende Oberfläche beleuchten. Auch ein Hintergrund-Signalpegelausgang und die Schwarz-Referenz sind verfügbar und werden als Anzeige des Signal/-Stör-Verhältnisses verwendet, so daß das Videosignal bei niedrigen Lichtpegeln ignoriert werden kann.

Eine Beschreibung der Haupt-Zeitsequenz ist in dem Flußdiagramm der Fig. 12 dargestellt. Ein vertikaler Takt wird für jeweils 18 Daten- oder Festratenimpulse erzeugt und ist freilaufend. Diese Taktimpulse werden durch einen Vertikaltaktzähler gezählt. Wenn der Zählwert gleich oder weniger als 73 ist, wird eine Überprüfung vorgenommen, um festzustellen, ob der Zählwert 73 beträgt. Für einen Zählwert der geringer ist als 73 wird ein Vertikaltakt an die Sensoranordnung ausgeblendet, so daß die Zelle oder die Festdaten um eine Zeile zum Ausleseregister fortschreiten. Wenn der Zählwert 73 beträgt, wird ein Schwarz-Referenz-Abtastimpuls erzeugt, und zwar zusätzlich zu der vertikalen Taktung des Sensors. Das Ausgangsregister wird dann parallel mit den Videödaten geladen und dann ausgelesen, wobei 18 Datentakte erforderlich sind.

Die vorstehende Sequenz wird wiederholt, bis der Vertikaltakt-Zählwert 74 erreicht. Bei diesem Zählwert wird die Taktung der Sensoren gestoppt und die Infrarotbeleuchtungs-

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quelle wird eingeschaltet. Die Beleuchtungsquelle bleibt eingeschaltet, bis der Zählwert 82 erreicht. Dann wird der Vertikaltaktzähler zurückgesetzt, so daß der vollständige Zyklus wiederholt werden kann.

Die relativen Raten der internen und externen Takte sind in der Fig. 13 dargestellt. Die Raumfilterfunktion liefert eine Zeichenstrich-Hervorhebung und dient als Aperturkorrektion, die die optische Streuung in der Anordnung und jede gleichförmige Komponente der Linsenabweichung korrigiert.

Das dem 95-Zellen-CCD-Register zugeordnete Raumfilter bildet eine zweidimensionale diskrete Zirkularkonvolution einer zweidimensionalen Raumimpuls-Abhängigkeit mit den Bilddaten des Sensors. Als zweidimensionale Anordnung betrachtet, kann diese als eine 5x5-Matrix betrachtet werden, die auf das Muster der Zellen der Anordnung aufgesetzt ist. Dieser Sachverhalt ist in der Fig. 7 dargestellt, wobei die 5x5-Raumfiltermatrix in Verbindung mit einer 7x7-Hintergrund-Detektormatrix gezeigt ist. Es ist anzumerken, daß sich die Zelle 58 im Zentrum der Matrix befindet. Der Referenzdetektor oder Hintergrunddetektor, der in der Fig. 6 gezeigt ist, wobei der Ausgang der weiße Hintergrundpegel-Ausgang ist, führt eine flächenbegrenzte Raumspitzenfeststellung der Bilddaten des Sensors durch. Er überdeckt die 7x7-Matrixflache, die in der Fig. 7 dargestellt ist, verwendet jedoch ein Schachbrettmuster von Abtastungen für eine Gesamtsumme von 24 Punkten, wie in der Fig. 8 dargestellt. Er ist auf dem zweiten CCD-Register von 115 Stufen verwirklicht, wobei das Zentrum der 7x7-Matrix an der Zellenverzögerung 58 liegt. Jeder Abtastpunkt ist eine diodenähnliche Funktion mit Einheitsgewichtung, die bewirkt, daß der Detektorausgang die höchste (weißeste) der 24 abgetasteten Zellen darstellt. Die Übereinstimmung zwischen

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einzelnen Detektorabtastungen liegen gewöhnlich innerhalb von + 5 % für Anordnungssignalpege1 über 20 % der Sättigung.

Die Schwarz-Referenzschaltung erzeugt einen Ausgangspegel, der einem Nullichtpegel-Zustand auf der Sensoranordnung äquivalent ist. Der Fehler im Schwarz-Referenzpegel sollte verglichen mit dem tatsächlichen Anordnungsschwarz allgemein weniger als 1 % des Ausgangssignals der beleuchteten Anordnung betragen, und zwar für Beleuchtungspegel, die größer sind als 20 % des Sättigungswertes.

Das Fleckfilter verarbeitet die Daten weiter, um einzelne weiße oder schwarze Datenbits aus dem Ausgangssignal zu entfernen. Es arbeitet mit der folgenden Funktion auf die Schwellwert-Matrix:

+ TCL+1,J) + T(i,j-1) +

f wenn A(i,j) =4 T(i,j) wenn 0 -C A(i,j)<4 0 wenn A(i,j) =0

wobei S(i,j) die zweidimensionale fleckgefilterte Bildmatrix bedeutet, das obere linke Element der Matrix ist S(o,o). A(i,j) ist die Summe der Binärwerte (0-1) der 4 auf einer Achse gelegenen Zellen, die der zu fleckfilternden Zelle in der Schwellwertmatrix (Fig. 10) benachbart sind.

Wenn für eine bestimmte Zelle die vier umgebenden Zellen gleich sind, zwingt das Fleckfilter die Zentrumsζeile auf den gleichen Wert wie die umgebenden Zellen. Andernfalls bewirkt das Filter in der Zentrumszelle nichts. Die Fig. 9 zeigt die Funktion von vier benachbarten Zellen und einer Zentrumszelle. Das Fleckfilter ist ein angezapftes CCD-Register, welches die entsprechenden Logikelemente speist. Zusätzlich zu der sich aus dieser Funktion ergebenden

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Verzögerung ist hier eine stärkere Verzögerung eingebaut, um das Videosignal mit dem für das System erzeugten Zeilen/Bild-Synchronisationssignal zu synchronisieren.

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Leerseite

Claims

Patentansprüche

Bildverarbeitungssystem mit einer Einrichtung zur Abtastung und Erzeugung eines Schwarz/Weiß-Videosignals, das einem Bild auf einem Objekt entspricht, gekennzeichnet durch Einrichtungen zur Verarbeitung des Videosignals, um das Videosignal zu verstärken, welches Schwarzsignalzellen als Teil eines abgetasteten Bildes und Weißsignalzellen als Hintergrund für das abgetastete Bild definiert; und durch Einrichtungen zur Filterung des Videosignals, um isolierte Schwarzsignale oder Weißsignale, die für das Bild nicht repräsentativ sind, zu entfernen.

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TELEFON

TELEGRAMM: PATLAW MÜNCHEN

TELEX: 5-S2O39 patw d
2. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Einrichtung zur Verstärkung des Videosignals zwei parallele Verarbeitungsfunktionen umfaßt, rlie synchronisiert sind, um Ausgangssignale zu erzeugen, die sich stets auf die gleichen Signalzellen beziehen.
3. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Abtasten und erzeugen eines Schwärζ/Weiß-Videosignals eine Sensoranordnung und ein serielles Ausleseregister ist.
4. System nach Anspruch 3, dadurch g e k e η η zeichnet, daß/Einrichtung zur stroboskopischen Aufbringung eines Bildes auf die Sensoranordnung vorgesehen ist, die aus einer impulsbetrieltenen Infrarot-Leuchtdiode besteht.
5. Systern nach Anspruch 4, dadurch g e k e η η zeichnet , daß die Einrichtung zur stroboskopischen Aufbringung eines Bildes auf die Sensoranordnung eine impulsbetriebene Infrarot-Leuchtdiode ist.
6. Bildverarbeitungssystem mit einer Sensoranordnung aus photoempfindlichen Zellen zur Erzeugung serieller Videosignale, die den von jeder Zelle abgefühlten Daten entsprechen, und zur Abgabe dieser Signale am Ausgang als ein Schwarz- oder Weiß-Videosignal, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zur stroboskopischen Aufbringung eines Bildes auf die Anordnung, Einrichtung zur Verarbeitung des Videosignals, um das Videosignal jeder Zelle zu verstärken, und jedes Zellenausgangssignal als Schwarz- oder Weißsignal zu definieren, und durch Einrichtungen zur

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Filterung des verstärkten Videosignals, um isolierte, nicht zum Bild gehörige Schwarz- oder Weißsignale zu entfernen.
7. System nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet , daß das System auf einer integrierten Schaltung geformt ist.
8. System nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet , daß die Sensoranordnung und die Einrichtung zur Verarbeitung des Videosignals CCD-Register umfassen.
9. System nach'Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet , daß die Einrichtung zur Verarbeitung des Videosignals, um das Videosignal zu verstärken, parallele CCD-Register umfaßt, sowie eine Schwarz-Signal-Referenzschaltung und eine Hintergrund-Referenzschaltung, daß die Schwarz-Referenzschaltung jedesmal dann ein Signal erzeugt, wenn die ausgewählten Sensorzellen abgetastet werden, und daß die Hintergrund-Referenz schaltung ein Ausgangssignal erzeugt, welches dem Hintergrund oder Weißpegel in einer 7 χ 7-Zellenflache entspricht.
10. System nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet , daß die Hintergrund-Referenzschaltung ein Schachbrettmuster von 24 Abtastpunkten innerhalb des 7 χ 7-Zellenbereichs benutzt, um die Hintergrund-Referenz zu erzeugen.
11. Abbildungssystem, welches auf einem einzigen integrierten Schaltungscliip aufgebaut ist, gekennzeichnet durch eine impulsbeleuchtete Sensoranordnung, um ein Bild von einem Objekt

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abzuheben und eine Vielzahl von Schwarz- und/oder Weißsignalen zu erzeugen, wobei die Schwarzsignale Grauschattierungen des Bildes entsprechen und die Weißsignale dem Hintergrund des Bildes entsprechen, eine Verarbeitungsschaltung, um das Videosignal durch in Bezug setzen des Signals gegen Standard-Signalpegel zu verstärken und das Videosignal zu filtern, um isolierte Schwarz- oder Weißsignale zu entfernen, die für das Bild nicht repräsentativ sind.

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