DE3015637C2 - Bildverarbeitungssystem - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Bildverarbeitungssystem gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

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

2ö Komplexität des Systems.

Ein mäßig komplexes System, welches gute Schwellwert-Eigenschaften bei qualitativ schiechten Druckabbildungen aufweist, ist als Blockschaltbild in der F i g. 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 btets 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-Baue'Tiienteinheiten erforderlich, um die Steuerfunktion und die Zeitsignale zu liefern, die alle Funktionen verknüpfen.

Bildverarbeitungssysteme ähnlich dem in der F i g. 1 dargestellten, sind in den US-PS 39 47 817; 39 64 022 und 40 75 605 beschrieben. Ferner -.ei auf DE-OS 27 34 696 hingewiesen, aus der ein Verfahren bekannt ist. bei dem die Signale einer Zeile mit den entsprechenden, gespeicherten Signalen einer Zeile mit den entsprechenden, gespeicherten Signalen der vorhergehenden und/oder folgenden Zeile verglichen werden, wobei bei Unterschreitung eines Schwellwertes für die Übereinstimmung beim Vergleich der Rest der gestört empfangenen Zeile so verschoben wird, daß diese gesamte Zeile die vorgegebene Anzahl Bildpunkte enthält. Durch einen solchen Vergleich kann der Bereich des Fehlerortes in der Bildzeile genügend genau bestimmt we. izn, da es sich herausgestellt hat, daß durch Korrelation der Bildpunkte zweier benachbarter Abtastzeilen eine durch einen

Übertragungsfehler bedingte Verschiebung von Bildpunkten überraschend gut erkennbar und damit der Fehlerort lokalisierbar ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Bildverarbeitungssystem gemäß dem Oberbegriff des Anpruchs derart auszubilden, daß in wirtschaftlicher Weise ein optisches Bild eines gedruckten Zeichens oder irgendeines anderen Symbols in ein elektrisches Signal übertragen wird, welches quantisiert wird, um so schwarze (Zeichen) und weiße (Hintergrund) Reflexionspegel des gelesenen Dokuments zu repräsentieren. Zur Lösung dieser Aufgabe sieht die Erfindung bei einem solchen Bilderverarbeitungssystem die Maßnahmen des kennzeichnenden Teils des Anspruchs vor.

Durch die Erfindung werden gleiche oder bessere Schwellwert-Eigenschaften erzielt, und das erfindungsgemäße System kann mittels einer einzigen integrierten Schaltung verwirklich werden.

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

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

F i g. 1 ein Blockdiagramm einer Schaltung nach dem Stand der Technik;

F i g. 2 ein Blockdiagramm der erfindungsgemäßen Schaltung;

F i g. 3 die Sensoranordnung;

F i g. 4 ein Schaltbild der Sensoranordnung;

F i g. 5 ein Schaltbild des in den F i g. 2 und 3 cargestellten Qö-Stufen-CCD-Anordnung-Raumfilters;

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

F i g. 7 die 7 χ 7-Hintergrund-Detektormatrix;

F i g. 8 die Abtastpunkt-Gestaltung innerhalb der 7x7 Matrix der F i g. 7;

F i g. 9 ein Schaltbild der Schwarz-Referenzschaltung; Fig. 10 die in der F i g. 2 dargestellte Fleckfilterbildmatrix;

F i g. 11 ein Zeitdiagramm des Schwarz/Weiß-Videosignals;

F i g. 12 ein Flußdiagramm der Haupt-Zeitfolge und

F i g. 13 ein Blockdiagramm des Beziehungsverhältnisses für interne und externe Taktgeber.

Das Bildverarbeitungssystem weist eine gepulste Infrarot-Leuchtdioden-Beleuchtungsquelle (nicht gezeigt) und eine integrierte Schaltung auf, die sowohl einen Bildsensorteil als auch einen Analogsignal-Verarbeitungsteil umfaßt Ein Blockdiagramm des Systems ist in der F i g. 2 dargestellt Ein auf die Sensoranordnung projeziertes optisches Bild wird in einen Strom von digitalen Videodaten umgewandelt, die Schwarz- oder Weißpegel darstellen. Die Sensoranordnung kann beispielsweise ein Flächensensormit einer Breite von 18 Zellen und einer Höhe von 70 Zellen (F i g. 3) sein. Der Sensor kann beispielsweise eine CCD-Vorrichtung (ladun^gekoppeltes Bauelement) sein, die aus 18 Schieberegisterr von jeweils 70 Bits Länge besteht Jede Stufe dient sowohl als Sensor als auch als Speicher/Auslese-Vorrichtung. Im Betrieb wird von dem Sensor ein Bild des Dokuments stroboskopartig abgebildet 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 gettktet, 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 F i g. 2 gezeigt, ist der Sensor mit einer Signalverarbeitungsstation verbunden. Das Videosignal aus der Sensoranordnung wird mit zwei getrennten Funktionen verarbeitet, die Ausgangssignale erzeugen, weiche zusammen synchronisiert sind, so daß sie sich stets auf die gleiche Zelle von Videodaten beziehen. Diese beiden Funktionen sind das 96-Stufen-CCD-Raurnfilter und die llS-Stufen-CCD-Hintergrund-Referenzschaltung. Das Videosignal wird in die beiden parallelen CCD-Register eingespeist, die gleichzeitig die beiden Verarbeitungsfunktionen ausführen.

In der F i g. 4 ist ein mögliches Ausführungsbeispiel der CCD-Sensoranordnung dargestellt. Die Photoplätze sind Stufen von vertikalen Registern, die durch vertikales Durehtakten aller Register ausgelesen werden, um die Ausgangsref'ster parallel zu laden. Das Ausgangsregister (wie dargestellt) schiebt nach links, so daß das Videosignal mit dem Zellentakt herausgeschoben wird, dann dur"h 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 Ausgangss.;gnal auf, welches ins Negative geht bei dunklen Bereichen des Videobildes und ins Positive für weiße Bereiche. E=n mögliches A usführungsbeispie! des 9f Stufen-CCD-Schieberegisters und -filters ist in der F i g. 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 >t. Während dieser Abtastzeit enthält das Filterregister nur nichtbelichtete oder Schwarzpegel-Zellen.

Mit dem ' lö-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 F i g. 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 (siehe F i g. 2). Der Komparator Nummer 1 wird durch einen Bruchteil des Hintergrund-Referenzausgangssignals und das Signal aus der »Mittelzelle« (in der F i g. 7 als Zelle 58 angegeben), welches die zu quantisierende Video-Informatior ist, betrieben. Die Widerstände R 1 und R 2 bestimmen den Prozentsatz des an den Komparator zu liefernden Hintergrunds, der typisch etwa 0,85 beträgt. Zur Anzeige von Weiß wird der Ausgang des Komparators Nummer 1 wahr, wenn der Wert der Mittelzelle größer ist als 0,85 der Referenz. Dies entspricht einem Druck-Kontrastverhältnis von ungefähr 15Vo; diese Funktion dient daher als Minimal-Druckkontrastverhältnis-Detektor, um zu verhindern, daß Papierstörungen und Fehlzeichen ein Scharz-Ausgangssignal hervorrufen.

Der Komparator 2 dient zur Feststellung, ob der Raumfilterausgang positiv oder negativ ist und liefert ein Logikpegelsignal. Wenn der Ausgang des Raumfilters positiv ist, ist der Ausgang des Komparators wahr und zeigt einen Weißpegel ar_:. 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.

ζ 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, um isolierte weiße oder schwarze Zellen aus dem Ausgangssignal zu entfernen. Zusätzlich zu den Schwarz/Weiß-Datenausgangssignalen werden von der Steuerlogik, wie in der F i g. 2 gezeigt, Zeitsignale für die externe Logiksynchronisation geliefert. Diese f ίο Signale sind als »Datentakt-Aus«, Zeilen/Bild-Synchronisation und »Strobe-Aus« bezeichnet. Die Zeilen/Bild-

', 1 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 Taktimpulsc werden durch einen Vertikaitaktzähier gezählt. Wenn der Zähiwert gleich oder weniger ais 73 ist, wird eine überprüfung vorgenommen, um festzustellen, ob der Zählwert 73 beträgt. Für einen Zählwert der geringer ist als 73 wird ein

20 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 Videodaten 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 Infrarotbeleuchtungsquelle 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 F i g. 13 dargestellt. Die Raumfilterfunktion liefert eine Zeichenstrich-Hervorhebung und dient als Aperturkorrektion, die die optische Streuung in der 30 Anordnung und jede gleichförmige Komponente der Linsenabweichung korrigiert.

Das 96-Zellen-CCD-Register bildet einen zweidimensionalen diskreten Umlauf der Bilddaten des Sensors. Als zweidimensionale Anordnung betrachtet, kann diese als eine 5 χ 5-Matrix betrachtet werden, die auf das Muster der Zellen der Anordnung aufgesetzt ist. Dieser Sachverhalt ist in der F i g. 7 dargestellt, wobei die 5 χ 5-Raumfiltermatrix in Verbindung mit einer 7 χ 7-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

feststellung der Bilddaten des Sensors durch. Er überdeckt die 7 χ 7-Matrixflache, die in der F i g. 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 7 χ 7-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 einzelnen Detektorabtastungen liegen gewöhnlich innerhalb von ±5% für Anordnungssignalpegel über 20% der Sättigung.

Die Schwarz-Referenzschaltung erzeugt einen Ausgangspegel, der einem Nullichtpegel-Zustand auf der Sensoranordnung äquivalent ist. Der Fehler im Scharz-Referenzpegel sollte verglichen mit dem tatsächlichen Anordnungsschwarz allgemein weniger als 1% des Ausgangssignals der beleuchteten Anordnung betrachten, 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:

A(ij)= T(i-\j)+ 77/+ Ij)+ TCv-I) + T(ij+1)

1 wenn A(ij)—4

H ^S(iJ)= ,

55 [ Q-wenn A(Jj)=O

wobei S(Ij) die zweidimensionale fleckgefilterte Bildmatrix bedeutet, das obere linke Element der Matrix ist 5(0,0). A(ij) ist die Summe der Binärwerte (0— 1) der 4 auf einer Achse gelegenen Zellen, die der zu fleckfilternden Zelle in der Schwellwertmatrix (F i g. 10) benachbart sind.

Wenn für eine bestimmte Zelle die vier umgebenden Zellen gleich sind, zwingt das Fleckfilter die Zentrumszelle 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 Verzögerung ist hier eine stärkere Verzögerung eingebaut, um das Videosignal mit dem für das System erzeugten Zeilen/Bild-Synchronisationssignal zu synchronisieren.

Hierzu 9 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Bildverarbeitungssyste-π mit einem Bildfühler zur Erzeugung von Bilddaten in der Form von scharzen und weißen Pixels, einer ViJeoverarbeitungsvorrichtung und einer Entscheidungsschaltung zur Erzeugung schwarzer oder weißer Entscheidungen für jedes Pixel, dadurch gekennzeichnet, daß die Videoverarbeitungseinheit parallele Verarbeitungskanäle besitzt, wobei ein Kanal die Kantenverstärkung der Bilddaten durchführt, während der andere Kanal ein Kontrastvernältnisdetektor ist, der feststellt, ob ein Pixel schwarz genug ist, um einen minimalen akzeptablen Pegel zu übersteigen, und wobei ferner eine Schaltung vorgesehen ist, um die Ausgangsgrößen der parallelen Kanäle vor der Schwarz- oder Weißent-

   !0 scheidung zu kombinieren.