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Verfahren und Vorrichtung der digitalen Bildverarbeitun
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Die Erfindung betrifft zunächst ein Verfahren der digitalen Bildverarbeitung,
bei dem man von einem Gegenstandsbereich ein Bild erzeugt und aus dem Bild durch
elementweises Abtasten Videosignale erzeugt.
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Ferner betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Durchführung des
Verfahrens, mit einem optischen Abbildungssystem, das von einem Gegenstandsbereich
ein Bild herstellt, und einen optischelektrischen Wandler mit einer elementweise
abtastbaren, im wesentlichen ebenen, vorzugsweise kreis- oder kreisringförmigen
Empfangsfläche und einer Betriebsschaltung, die die zur Abtastung erforderlichen
Steuersignale und synchron damit Videosignale erzeugt.
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Die beschriebenen Maßnahmen werden vor allem bei Feriiseh-Aufnahmen
aiigewandt. Bei vielen Anwendungen, beispielsweise für Zwecke der industriellen
Qualitäts- und Fertigungskontrolle, ist es dabei oft wichtig, daß zwischen den Videosignalen
und den von ihnen repräsentierten Details des Gogenstandsbereichs eine einfache
und über den ganzen Gegenstandsbereich möglichst einheitliche geometrische Zuordnung
besteht. Ferner ist es dann meistens auch erwünscht, daß die erhaltenen Video signale
nach einem einfachen Muster und ohne umständliche Koordinatentransformationen in
einen Bildspeicher eingegeben und für Auswertungszwecke aus dem Bildspeicher ausgelesen
werden können.
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Ganz besonders bestehen derartige Forderungen bei der On-Line-Bildverarbeitung,
und dort insbesondere dann, wenn die erzi.elbare Axbeits btast-)Geschwindigkeit
direkt von dem Zeitaufwand für die Verarbeitung der Videosignale abhängt.
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Bei bisher bekannten Verfahren der eingangs angegebenen Art wird das
Bild des Gegenstandsbereichs mit Hilfe eines optischen Abbildungssystems, zum Beispiel
aus Linsen und/oder Spiegeln, in einer Ebene erzeugt, wobei man normalerweise bestrebt
ist, einen möglichst großen Bildwinkel zu erfassen. Das Bild stellt dann eine mehr
oder weniger verzerrte und verzeichnete ZenQralperspektive des Gegenstandsbereichs
dar. Ein solches Bild ist zwar für eine visuelle Betrachtung brauchbar, jedoch für
eine quantitative Auswertung nur sehr eingeschränkt geeignet, weil es keine über
das ganze Bild einheitliche und einfache geometrische Zuordnung zwischen
Bild-
und Gegenstandselementen gibt und überdies diese Zuordnung noch durch Abbildungsfehler,
insbesondere Verzeichnung, weiter kompliziert wird. Es mag zwar grundsätzlich möglich
sein, bei der digitalen Bildverarbeitung derartige Ungleichmäßigkeiten und Fehler
durch entsprechende Koordinatentransformationen und Korrekturen auszugleichen, doch
sind dafür eine entsprechend großer und apparativer Aufwand und eine entsprechend
große Verarbeitungszeit erforderlich. Das ist oft nicht tragbar. Insbesondere bei
der On-Line-Bildverarbeitung kommte es auf eine möglichst kurze Signal-Verarbeitungszeit
an, weil dadurch direkt die erzielbare Arbeitsgesch.windigkeit der Gesamtvorricjtung
bestinmt wird.
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Die Erfindung geht deshalb von der Aufgabe aus, ein Verfahren und
eine Vorrichtung zur digitalen Bildverarbeitung zu schaffen, die mit einfachen Mitteln
eine quantitative Auswertung des Bildinhalts mit kurzen Verarbeitungszeiten ermöglicht.
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Nach der Erfindung wird diese Aufgabe hinsichtlich des Verfahrens
gelöst mit einem Verfahren der eingangs angegebenen Art, das dadurch gekennzeichnet
ist, daß man von einem zylinderringförmigen Gegenstandsbereich ein kreisringförmiges
Bild erzeugt.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird das Bild in einer Form erzeugt,
die für die elektrische Abtastung und für die Speicherting und anschließende Auswertung
der dabei erhaltenen Signale
günstig ist. Besonders vorteilhaft
ist es dabei, daß der Gegenstandsbereich ohne weiteres in einem Bildspeicher nach
kartesicher Koordinaten in Zeilen und Spalten als ebene Abwicklung dargesiellt werden
kann. Umständliche und zeitraubende elektronis c he Koordinatentransformationen
sind nicht erforderlich, weil der Hauptteil der für die maßstabsrichtige ebene Abvicklung
erforderlichen Koordinatentransformation bereits bei der Erzeugung des Bildes vorgenommen
wird. Ei.ne hohe Genauigkeit und Maßrichtigkeit des Bildes ist bei der verwendeten
Abbildung eines zylinderringförmigen Gegenstandsbereichs in einen kreisringförmigen
Bildbereich mit geringem Aufwand erzielbar. Schon mit einem einfachen optischen
Abbildungssystem ist eine hohe Abbildungsqualität erzielbar, wie sie für eine quantitative
Auswertung der Video signale gewünscht wird. Erforderlichenfalls kann man die Abbildungsqualität
durch Verringern der Höhe des zylinderringförmigen Gegenstandsbereichs weiter steigern,
bis zu dem Grenzfall, daß die axiale Abmessung des Gegenstandsbereichs nur noch
gleich der Breite einer einzigen Abtastzeile des Eildbereichs ist. Das optische
Abbildungssystem braucht dann nur einen nahezu kreislinienförmigen Gegenstandsbereich
in ein gleichfalls nahezu kreislinienförmiges Bild abzubilden. Dabei kann eine hohe
Abbildungsgenauigkeit sehr leicht erzielt werden. In jedem Fall ist eine Abtastung
von axial ausgedehnten Gegenstandsbereichen leicht dadurch möglich, daß man den
Abbildungsvorgang axial weiterführt. Das kann intermittierend oder bei schraubenlinienförmig
aneinandergereihtn
Gegeflstandsbereichen auch kontinuierlich erfolgen.
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Meist ist es vorteilhaft, wenn man das kreisringförmige Bild nach
Polarkoordinaten abtastet und die Videosignale nach kartesischen Koordinaten ordnet.
Das entspricht einer Abwicklung des Gegenstandsbereichs in eine Ebene. Derart gewonnene
Videosignale können leicht in ein Schirmbild umgesetzt werden, das eine solche ebene
Abwicklung des Gegenstandsbereichs darstellt und deshalb für eine visuelle wie auch
für eine messende Auswerdung besonders geeignet ist. Die Transformation von Polarkoordinaten.
zu kartesischen Koordinaten ist sehr einfach und erfordert in digitalen elektronischen
Systemen nur wenIg Aufwand und Verarbeitungszeit.
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Dic erf2ndunesgeninße Vorrichtung zur Durchfiihrung des Verfahrens
ist dadurch gekennzeichnet, daß das optische System zur Abbildung eines zylinderringförmigen
Gegenstandsbereichs in ein kreisringförmiges Bild auf der Empfangsfläche ausgebildet
und angeordnet ist.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann einfach aufgebaut sein, weil
das optische Abbildungssystem nur ebene einfache Abbildungsleistung zu vollbringen
hat, und weil bei der Abtastung des kreisringförmigen Bildes mit einfachen Schaltmitteln
eine Umsetzung in kartesische Koordinaten derart erfolgen kann, daß die danach in
einem Bildspeicher geordneten Videosignalc direkt eine ebene Abwicklung des Gegenstandsbereichs
darstellen. Es ist dann, auch ohne großen Aufwand möglich, diese Abwicklung als
Schirmbild sichtbar zu machen. Demgemäß enthält die Vorrichtung vorzugsweise eine
Auswerteschaltung, die einen von den Video signalen gesteuerten Bildschirm zur sichtbaren
Darstellung von wenigstens Teilen des Gegenstandsbereichs aufweist. Dabei kann ferller
in an sich bekannter Weise die Betriebs schaltung Stellmittel zum Verändern des
Abbildungsmaßstabes in wenigstens einer Koordinatenrichtung aufweisen; das erleichtert
die visuelle Auswertung des Schirmbildes.
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Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung
ergeben mit einfachsten Mitteln verzerrungs- und verzeichn'ulgsfreie 3600-Panoramabilder
und davon abgeleitete,
in einfacher Weise geordnete und schnell
verarbeitbare Videosignale. Die Erfindung bietet ganz besondere Vorteile, wenn eine
Zylinder-Innenfläche abgebildet werden soll; es ist dann ohne weiteres möglich,
die Vorrichtung baulich so klein zu gestalten, daß sie auch in verhältnismäßig dünne
Endoskop-Rohre und dergleichen eingebaut werden kann. Wegen der dann vorliegenden
Axialsymmetrie kann das optische Abbildungssystem sehr einfach scin und ein Vorderglied
aufweisen, das nur auf die Abbildung eines zylinderringförmigen Bereichs der 2,ylinder-Innenfläche
korrigiert ist. Auch bei der Abbildung einer Zylinder-Außenfläche läßt sich die
Erfindung mit großem Vorteil heranziehen. Wegen der hohen Axialsymmetrie kann das
optische Abbildungssystem ohne weiteres mit einem axialen Durchgang ausgelegt werden,
in welchem der Gegenstand koaxial anzuordnen ist, so daß man auch dann ein über
3600 gehendes Panoramabild erhält. Um den Strahlengang freizügig bemessen zu können,
wird vorzugsweise das optische Abbildungssystem mit einem zu seiner Achse geneigten
Spiegel versehen, der den Strahlengang aus dem Axialbereich herausknickt. Man braucht
dann nur das Vorderglied mit einem axialen Durchgang zu versehen. Dabei kammt man
mit einem einzigen Spiegel für die 360° -Abbildung aus, wenn man einen Spiegel verwendet,
der eine Durchgangsöffnung für den Gegenstand aufweist.
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Da nach der Erfindung ein zylinderringförmiger Gegenstandsberech mit
einem dazu koaxialen optischen Abbildungssystem
abgebildet wird,
kamin in dem Abbildungssystem mit Vorteil ein ringförmiges Vorderglied verwendet
werden, insbesondere in Form einer Ringspiegellinse oder eines ringförmigen gewölbten
Spiewgels. Die Ringöffnung kann im Fall der Abbildung einer zylinderschen Außenfläche
als Durchgangsöffnung für den Gegenstand dienen.
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DAinit axial ausgedehntere Gegenstände bequem erfaßt werden können,
ist zweckmäßigerweise wenigstens das optische System relativ zu dem Gegenstand axial
verstellbar.
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Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen in
Verbindung den Zeichnungen näher erläutert.
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Es zeigt: Fig. 1 eine schematische Axialschnitt-Darstellung einer
erfindungsgemäßen Vorrichtung, Fig, 2 in ähnlicher Darstellung wie Fig. 1 eine abgewandelte
Aus führungs form, Fig. 3 in ähnlicher Darstellung wie Fig. 1 eine weitere abgewandelte
Axlsflrungsform, Fig. 4 eine perspektivische Darstellung eines abzubildenden Gegenstandsbereichs,
Fig. 5 eine Draufsicht auf einen kreisringförmigen Bildbereich, Fig. 6 eine schematische
Darstellung eines kartesischen Bildspeichers, Fig. 7 eine der Fig. 4 entsprechende
perspektivische Darstellung eines Gegenstandsbereichs in Form einer einzigen Umfangs
zeile,
Fig. 8 ebene schematische Draufsicht auf das von dem Gegenstandsbereich
nach Fig. 7 erzeugte Bild, Fig. 9 ein schematisches Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen
Vorrichtung.
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Fig. 1 zeigt schematisch eine Vorrichtung, mit der ein zylinderringförmiger
Gegenstandsbereich 1 einer Zylinder-Innenfläche 3 eines Gegenstandes 5 mit einem
optischen Abbildungssystem 7 in ein kreisringförmiges Bild 9 auf einer ebenen und
kreisförmigen Empfangsfläche 11 eines optisch-elektrischen Wandlers 13 abgebildet
wird. Zu dem Wandler 13 gehört eine Betriebsschaltung 15, die in bekannter Wcise
die zur Abtastung des Bildes erforderlichen Ablenlcsignale und synchron damit in
einem Ausgang 17 Videosignale erzeugt, die den Bildinhalt elementweise wiedergeben.
Die Video signale werden bei der dargestellten Ausführungsform ferner einer Auswerteschaltung
19 zugefuhrt, die einen von den Videosignalen gesteuerten Bildschirm 21 zur sichtbaren
Darstellung des Gegenstandsbereichs in Form einer ebenen Abwicklung aufweist. Bei
der dargestellten Ausführungsform hat die Auswerteschaltung 19 Stellmittel 23, 25
zum Verändern des Abbildungsmaßstabes in den beiden kartesischen Koordinatenrichtungen
des Schirmbildes.
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Das optische Abbildungssystem 7 ist bei der dargestellten Ausführungsform
zur Abbildung des zylinderringförmigen Gegenstandsbereichs 1 in das kreisringförmige
Bild 9 koaxial innerhalb der Zylinder-Innenfläc1ie 3 angeordnet. Es hat ein oder
mehrere Vorderglleder 27, das nur für die Abbildung des zylinderförmigen Gegenstandsbereichs
1 korrigiert sind. Das optische
Abbildungssystem enthält ferner
eine Bleiide 29 und ein sammelndes Hinterglied 31. Durch axiales Verstellen oder
Weiterbewegen des optischen Abbildungssystems 7 relativ zu dem Gegenstand 5 können
andere Gegenstandsbereiche la, 1b, usw. erfaßt werden.
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Fig. 2 zeigt eine Ausführungsform ähnlich wie Fig. 1, jedoch mit einem
Vorderglied in Form einer Ringspiegellinse 33 und einem zusätzlichen sammelnden
Zwischenglied 35.
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Fig. 3 zeigt eine Ausführungsform zum Abbilden einer Zylinder-Außenfläche
37 eines länglichen zylindrischen Gegenstandes 39.
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Das optische Abbildungssystem hat einen axialen Durchgang 41, in welchem
der Gegenstand 39 koaxial anzuordnen ist. Das System enthält ebenso wie bei der
Ausfiihrungsform nach Fig. 2 ein Vorderglied in Form einer Ringspiegellinse 43,
die den Durchgang 41 bildet. Hinter dem Vorderglied wird der Strahlengang mit einem
zu der Achse 45 des Vordergliedes geneigten Spiegel 47, der eine Durchgangsöffnung
49 für den Gegenstand 39 aufweist, aus dem Axialbereich des Gegenstandes 39 .herausgeknickt
und über sammelnde Glieder 49, 51 und eine dazwischen angeordnete Blende 53 zu einem
kreisringförmigen Bildberei.cn 55 geführt. Statt der Ringspiegellinse 33 oder 43
kann auch ein Vorderglied in Form eines ringförmig gewölbten Spiegels verwendet
werden.
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Figuren 4 bis 6 erläutern die Abtastung des kreisringförmigen Bildes
9 und die Anordnung der Videosignale in einei Bildspeicher 37. Fig. 4 zeigt den
Gegenstandsbereich 1 in perspektivischer Darstellung. Fig. 5 zeigt das kreisringsförmige
Bild 9 des Gegenstandsbereichs 1. Die Umfangsräder 39 und 41 des Gegenstandsbereichs
1 werden in die Umfangsränder 39' und 41' des Bildes transformiert, die axiale Höhe
h des Gegenstandsbercichs 1 in die radiale Breite h' des
Bildes
9. Es versteht sich, daß beim Abbilden eine Maßstabsänderung vorgenonmlen werden
kann.
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Fig. 6 erläutert den Rildspeicher 37 mit nach kartesischen Koordinaten
angeordneten Speicherplätzen.
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Das Bild 9 wird nach Polarkoordinatell r, p! abgetastet, die direkt
den Zeilen bzw. Spalten des Bildspeichers 37 zugeordnet sind. dadurch entspricht
jede Zeile yi einer Umfangs zeile y11. des Bildes 9, und alle Zeilen sind gleich
lang Anders gesagt ist jedem Längeninkrement der Zeilen yi (d.h. jeder Spalte x.)ein
Umfangswinkel Inkrement # #i und jeder Zeilennummer yi ein Radius-Inkrement # ri
zugeordnet. In dem Bildspeicher 37 wird somit eine maßstabsgetreue Darstellung einer
ebenen Abwicklung des Gegenstandsbereichs 1 gebildet. Zeilen und Spalten können
vertauscht werden.
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Die Abtastung nach Polarkoordinaten kann so erfolgen, daß nacheinander
Umfangszeilen abgefahren werden, oder so, daß nacheinander radiale Zeilen abgefahren
werden. In beiden Fällen kann die in der Betriebs schaltung des Wandlers vorgesehene
Koordinaten-Transformationsschaltung sehr einfach ausgebildet sein, und die Signale
können ohne umständliche Transformation direkt in den kartesischen Bildspeicher
eingegeben werden, wobei im erstgenannten Fall die Zeilen und im zweitgenannten
Fall die Spalten nacheinander aufgefüllt werden.
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Figuren 7 und 8 erläutern den Fall, daß die axiale Abmessung des Gegenstandsbereichs
101 sehr klein bemessen wird, so daß sie nur einer Zeile des kartesischen Bildspeichers
entspricht.
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Die Erfassung eines größeren Gegenstandsbereichs erfolgt dann dadurch,
daß der Abbildungsvorgang axial weitergeführt wird, am einfachsten durch eine schrittweise
axiale Relativbewegung zwischen d optischen System und dem Gegenstand. Die Abtastung
des Bildes erfolgt dabei stets in ein und derselben Bild-Umfangszeile 1011,und die
Zeilen des Bildspeichers werden auch dann eine nach der anderen mit Videosignalen
belegt. Es ist natürlich auch möglich, den Gegenstandsbereich unter kontinuierlicher
axialer Relativbewegung zum Abbildungssysteni abzutasten; dann entspricht jede Zeile
des Bildspeichers einem Gegenstandsbereich in Form eines 3600-Abschnitts einer Schraubenlinie
oder (bei Gegenstandsbereichen mit größerer axialer Abmessung) eines Schraubenbandes.
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Fig. 9 zeigt ein Blockschaltbild einer Vorrichtung der beschriebenen
Art. In dem optisch-elektrischen liand3.er 13 wird dessen Empfangsfläche 11 mit
dem Elektronenstrahl 33 abgetastet, der mittels x und y-Ablenkverstärkern 45 bzw.
47 geführt wird.
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Von einem Ubrengenerator 49 werden Synchronsignale für einen Zeilenkipp-Oszillator
51 erzeugt. Leterer synchronisiert nach einer konstanten Anzahl von Zeilen einen
Bildkipp-Oszillator 53 und einen Sinus-Oszillator 55. Mittels eines Phasenschiebers
57 werden aus dem Sinus-Oszillator 55 zwei um 90° gegeneinander
verschebene
sinusförmige Ablenkspannungen gewennen und den Ablenkverstärkern 45 bzw. 47 zugeführt.
Dadurch wird der Abtaststrahl 33 kreisförmig abgelenkt. Über eine Mischstufe 59
werden die Ableiilcsignale so mit der Zeilenfrequenz moduliert, daß der Abtaststrahl
33 die Empfangsfläche 11 in kreisringförmigen Zeilen abtastet. Zusätzlich steuern
der Zeilenkipp-Oszillator 51 und der Bildkipp-Oszillator 53 die Ablenksysteme eines
Bildschirm-Monitors 61. Die von dem Wandler 13 erzeugten Videosignale werden über
einen Videoverstärker 63 sowohl dem Monitor 61 als auch über einen Analog-Digitalwandler
65 dem Bildspeicher 37 zugeleitet, der mit einem Bildverarbeitungsrechner 67 zusanimengeschaltet
ist.