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Verfahren und Anordnung zur Erfassung räumlicher Abwei-
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chungen von~ein- gl-ten Ebene Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren
zur Erfassung räumlicher Abweichungen von einer glatten Ebene auf einer reflektierenden
Oberfläche eines Gegenstandes, bei dem die Oberfläche mit Lichtbündel mit rasterförmiger
Helligkeits- oder Farbverteilung beleuchtet wird, die von der Oberfläche reflektierten
Lichtstrahlen mit einer ernsehkamera und einer nachgeschalteten elektronischen Auswerteeinrichtung
erfaßt und ausgewertet werden, wobei die Rasterstruktur des Lichtbündels vorzugsweise
senkrecht zur Zeilenrichtung der Fernsehkamera verläuft.
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Bei einem bekannten Verfahren dieser Art (DE-OS 30 21 448) werden
die von der zu beobachtenden Oberfläche reflektierten Lichtstrahlen mit der Fernsehkamera
erfaßt und mit einer elektronischen Auswerteeinrichtung hinsichtlich der optischen
Erfassung von räumlichen Abweichungen an der zu beobachtenden Oberfläche auf einem
Monitor dargestellt.
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Es wird hier die zu beobachtende Oberfläche mit der über lagerten
Rasterstruktur der Lichtstrahlen (Lichtbündel), z. B. durch ein optisches Gitter
in der Beleuchtungseinrichtung, auf Unebenheiten untersucht. Ist die zu beobachtende
Oberfläche eine glatte Ebene, so wird die Rasterstruktur der Lichtstrahlen ungestört
reflektiert, weist die zu beobachtende Oberfläche jedoch räumliche Abweichungen
von einer glatten Ebene auf, so macht sich dies in einer Verzerrung der Rasterstruktur
auf dem Monitor bemerkbar.
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Wenn bei dem bekannten Verfahren die geometrischen Abmessungen der
Rasterstruktur bzw. die Reflexionsbedingungen
der zu beobachtenden
Oberfläche geändert werden, so wird dem bei der Ausfilterung bestimmter Rasterteile
durch eine Anpassung der Rasterstruktur der Lichtbündel oder durch eine Umstellung
der elektronischen Auswerteeinrichtung Rechnung getragen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Anordnung
zur Erfassung räumlicher Abweichungen von einer glatten Ebene zu schaffen, mit der
die Erkennung von räumlichen Abweichungen auf unterschiedlichen zu beobachtenden
Oberflächen ohne großen Aufwand durchführbar ist.
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Zur Lösung dieser Aufgabe werden bei einem Verfahren der eingangs
genannten Art die an Teilen der Oberfläche ohne Abweichungen von der glatten Ebene
reflektierten Lichtstrahlen (Lichtbündel) mit rasterförmiger Helligkeitsoer Farbverteilung
ausgefiltert.
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Durch die erfindungsgemäße Ausfilterung der ungestörten ,r'.asterstruktur
ist eine grundsätzliche Unterscheidung zwischen den sich nach bekannten Gesetzmäßigkeiten
verhaltenden Itelligkeits- bzw. Farbschwankungen bei der Reflexion auf einer ungestörten
Oberfläche und denen in gestörten Bereichen möglich.
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Gemäß einer Ausführungsform wird die Ausfilterung im Verlauf der Lichtstrahlen
von der reflektierenden Oberfläche zur Fernsehkamera mittels einer optischen Blende
vor.enommen, deren mindestens eine Blendenöffnung so gestaltet ist, daß die ungestört
reflektierten Teile der Rasterstruktur ausgefiltert werden.
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Mit dieser Art der Ausfilterung kann somit in vorteilhafter Weise
schon im optischen Teil der Anordnung, d. h. im.
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r:ereich des Kameraobjektivs, eine Ausblendung von bestit:? ten Teilen
der Rasterstruktur vorgenommen wenden. Die hie
verwendete optische
Blende ist in üblicher Weise aus einem lichtundurchlässigen Material hergestellt,
das im Bereich der optischen Achse des Sameraob jektivs mindestens eine Blendenöffnung
aufweist. Diese optische Blende kann mittels einer einfachen mechanischen Halterung
im Kameraobjektiv angeordnet und eventuell ausgetauscht werden. Es können somit
eine Anzahl verschiedener Blenden mit verschieden gestalteten Blendenöffnungen fUr
Jeweils aus zufilternde unterschiedliche Teile und Ausbildungen der Rasterstruktur
angebracht bzw. untereinander ausgetauscht werden.
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Um ein schnelles und sicheres Erkennen der verzerrten Teile der Rasterstruktur
zu ermöglichen, kann bei dem bekannten Verfahren die elektronische Auswerteeinrichtung
so ausgebildet sein, daß z. B. die nicht verzerrten Rasterteile mit elektrischen
Schaltungsmitteln in der elektronischen Auswerteeinrichtung ausgefiltert werden.
Die Bemessung dieser Schaltungsmittel ist abhängig von den elektrischen und optischen
Eigenschaften der Fernsehkamera und den geometrischen Abmessungen der auszufilternden
Rasterteile. Da das Ausgangssignal der Fernsehkamera aus einem ein bestimmtes Frequenzband
umfassenden Signal besteht, brauchen nur die dem ungestörten Rastersignal zugeordneten
Frequenzen ausgefiltert werden. Die Ermittlung von durch ein Raster gebildeten Frequenzen
in einem Videosignal ist beispielsweise in W. Dillenburger "Einführung in die Fernsehtechnik",
Bd. 1, Fachverlag Schiele & Schön, 1975, Seiten 85, 86 beschrieben.
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Auf einfache Weise wird die Eliminierung der ungestrten Rasterstruktur
mit der elektronischen Auswerteeinrichtung vorgenommen, indem die Ausfilterung durch
Bewertung des Ausgangssignals der Fernsehkamera derart vorgenommen wird, daß mit
einem Transversalfilter als Bestandteil der Auswerteeinrichtung die den ungestörten
Teilen der Raster-
struktur entsprechenden Frequenzanteile des Ausgangssignals
ausgefiltert werden.
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Gemäß einer weiteren Alternative wird die Aus filterung der ungestörten
Teile der Rasterstruktur durch Differenzbildung von jeweils aufeinanderfolgenden
Zeilen des mit der Fernsehkamera erfaßten Fernsehbildes vorgenommen.
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Durch das Subtrahieren von jeweils entsprechenden Bildpunkten von
aufeinanderfolgenden Zeilen des Fernsehbildes fallen die Informationen bezüglich
der ungestörten Rasterstruktur, bei der die Hell-Dunkel- bzw. Farbzonen vorzugsweise
quer zur Zeilenabtastrichtung untereinanderliegen, aus dem Fernsehbild heraus. Es
kann somit auf einfache Weise der Informationsgehalt des auszuwertenden Signals
auf die gestörten Teile (Unebenheiten) der Rasterstruktur reduziert werden.
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Bei einer vorteilhaften Ausführungsform einer Ano-rdnung zur Durchführung
des erfindungsgemäßen Verfahrens nach Anspruch 2 mit einer Beleuchtungseinrichtung,
die die Lichtbündel mit rasterförmiger Helligkeits- oder Farbverteilung erzeugt,
befindet sich im Kameraobjektiv der Fernsehkamera die optische Blende, deren mindestens
eine Blendenöffnung so gestaltet ist, daß Teile der Rasterstruktur der Lichtstrahlen
der Beleuchtungseinrichtung ausgefiltert werden.
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Vorteilhaft ist eine Ausführungsform der nordnung, bei der die optische
Blende eine Anzahl Spalte als Blendenöffnungen aufweist, deren Ausrichtung und Breite
entsprechend der Ausrichtung und Breite der auszufilternden Teile der Rasterstruktur
bemessen ist.
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Mit dieser Ausgestaltung der optischen Blende lassen sich bei besonders
einfacher Gestaltung der Blendenöffnungen insbesondere balkenförmige Teile der Hasterstruktur
in vorteihaft einfacher leise ausfiltern. Die Ausrichten
der Spalte
in der optischen Blende ist hier im wesentlichen parallel zur Ausrichtung der Balken
der flasterstruktur, und die Breite dieser Spalte wird in Abhängigkeit von der Breite
der Balken der Rasterstruktur bzw. der Abstände der Balken untereinander bestimmt
(vergleiche insbesondere das oben erwähnte Buch "Einführung in die Fernsehtechnik",
Seite 93).
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Die Bestimmung von aufgrund von Spalten in einer optischen Blende
hervorgerufenen Frequenzanteilen in einem Meßsignal ist für sich gesehen aus "Feinwerktechnik
und Meßtechnik", Jahrgang 83, 1975, Seiten 289 bis 294 bekannt. Die in dieser Literaturstelle
aufgestellten Betrachtungen zur berührungslosen Geschwindigkeitsmessung beziehen
sich Jedoch auf die Messung der Geschwindigkeit eines an einer Meßanordnung mit
der Blende vorbeibewegten Objekts und nicht auf die Erfassung von räumlichen Strukturen
einer Oberfläche. Die Oberfläche des Meßobjekts bei der bekannten Meßanordnung weist
eine statistische Verteilung der Reflexionseigenschaften auf, die somit beim Vorbeibewegen
des Meßobjekts an der optischen Blende zu einer zeitabhängigen Amplitudenschwankung
des Meßsignals führt, welche in Form eines bestimmten Frequenzanteils ausgewertet
werden kann.
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Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn bei einer der oben erwähnten Anordnungen
die Fernsehkamera, die zu beobachtende Oberfläche und die Beleuchtungseinrichtung
so zueinander angeordnet sind, daß die Oberfläche auf der lichternpfindlichen Schicht
der Fernsehkamera scharf abgebildet und die Beleuchtungseinrichtung unscharf abgebildet
ist.
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Zur einwandfreien Abbildung der OberflE;cne auf die lichtempfindliche
Schicht der Fernsehkamera miissen die optisch wirksamen Teile der Anordnung in solchen
Abständen zueinander aufgebaut sein, daß eine scharfe .boi1{«un., der Obenfläche
gewährleistet ist. Die Abbildung der Beleuchtur
einrichtung ist
in vorteilhafter Weise unscharf, wodurch eine Dämpfung von durch die Beleuchtungseinrichtung
hervorgerufenen störenden, höherfrequenten Anteilen im Meßsignal erreicht wird.
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Zur Anpassung der optisch wirksamen Teile der Anordnung an Oberflächen,
die in einigen Bereichen unterschiedliche Abstände zur Fernsehkamera aufweist, ist
es vorteilhaft, wenn zur Verschiebung der Abbildungsebene der Beleuchtungseinrichtung
in Richtung der optischen Achse des Kameraobjektivs zwischen der Beleuchtungseinrichtung
und der zu beobachtenden Oberfläche eine optische Linsenanordnung angebracht ist.
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Mit dieser zusätzlichen optischen Linsenanordnung (Feldlinse) kann
die leuchtende Fläche der Beleuchtungseinrichtung in der Ebene der Blende im Kameraobjektiv
scharf abgebildet werden, was eine einfache Auswertung der zu erfassenden Teile
der Oberfläche sicherstellt.
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Vorteilhafte Anordnungen zur Durchführung der Verfahren nach den Ansprüchen
3 und 4 sind mit den Unteransprüchen 9 und 10 gekennzeichnet.
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Die Erfindung wird anhand der Figuren erläutert, wobei Figur 1 eine
Prinzipdarstellung eines Ausführungsbeispiels der Anordnung zur Durchführung des
erfindungsgemäßen Verfahrens mit einer vollkommen ebenen zu erfassenden Oberfläche,
Figur 2 dasselbe Ausführungsbeispiel mit einer an einer Stelle unebenen Oberfläche,
Figur 7 ein Ausfütlrungsbeispiel einer optischen Blen4e mit dem durch sie ausfilterbaren
Frequenzspektrum, Figur 4 ein elektrisches Schaltbild einer Ausführungsform und
Figur 5 ein Schaltbild einer weiteren Ausführungsform einer Anordnung zur Durchführung
des erfindungsgemäßen Verfahrens Sarstel1t.
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Das in der Figur 1 dargestellte Ausführungsbeispiel enthält eine Fernsehkamera
1, die einen Sensor 2 mit einer lichtempfindlichen Schicht 3 und in ihrem durch
eine Linse 4 angedeuteten KameraobJektiv eine optische Blende 5 aufweist. Die Blende
5 weist in einem Abstand b angeorrI-nete Spalte 6 als Blendenöffnungen auf, deren
Längsausdehnung quer zur Abtastrichtung 7 der Fernsehkamera 1 verläuft. Zwischen
dem KameraobJektiv und einer zu bcobachtenden Oberfläche 8 befindet sich ein halbdurchlässiger
Spiegel 9, der in einem Winkel von 45 ° zur Abtastrichtung 7 bzw. zur Abtastrichtung
7' auf der Oberfläche 8 angeordnet ist.
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Eine Beleuchtungseinrichtung 10 befindet sich senkrecht zu den Abtastrichtungen
7 und 7', so daß die von ihr ausgehenden Lichtstrahlen in einem Winkel von 45 °
auf den halbdurchlässigen Spiegel 9 fallen und von ihm auf die Oberfläche 8 umgelenkt
werden. Von der bei diesem Ausführungsbeispiel ebenen Oberfläche 8 werden diese
Lichtstrahlen durch den halbdurchlässigen Spiegel 9 hindurch vom Kameraobjektiv
der Fernsehkamera 1 erfaßt. Die Fernsehkamera 1, der halbdurchlässige Spiegel 9,
die Oberfläche 8 und die Beleuchtungseinrichtung 10 sind in einem solchen Abstand
zueinander aufgebaut, daß die Oberfläche 8 scharf und die Beleuchtungseinrichtung
10 unscharf auf der lichtempfindlichen Schicht 3 des Sensors 2 abgebildet werden.
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Die von der Fernsehkamera 1 festgelegte Abtastrichtung 7 wirkt sich
auf der Beleuchtungseinrichtung 10 durch die Umlenkung als Abtastrichtung 7" aus.
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Die Beleuchtungseinrichtung 10 ist so aufgebaut, daß die von ihr ausgehenden
Lichtstrahlen in der X-Richtung des Koordinatensystems 11 einen sinusförmigen Verlauf
12 der Intensität I mit der Wellenlänge X aufweisen. Aufgrund der Spalte 6 in der
Blende 5 werden vom Kameraobjektiv LicWtbündel 13, 14, 15 und 16 erfaßt, deren Breite
von der breite der Spalte 6 und vom Ort auf der BeleuchtuSs-
einrichtung
10 abhängig sind, von der sie ausgehen. Die Breiten der Lichtbündel auf der Beleuchtungseinrichtung
10 sind hier mit a13, a14, a15 und a16 bezeichnet; die jeweiligen Abstände der Lichtbündel
voneinander sind b13, b14 und b15.
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Der in der Figur 1 dargestellte Verlauf der Lichtbündel 13, 14, 15
unj 16 betrifft nui den entsprechenden Abtastpunkt auf der lichtempfindlichen Schicht
3 und ist insbesondere von der Reflexionseigenschaft der Oberfläche 8 abhängig;
für alle anderen Abtastpunkte auf der lichtempfindlichen Schicht 3 gelten andere
Verläufe der Lichtbündel 13, 14, 15 und 16, die jedoch in gleicher Weise -wie dargestellt
- mit veränderten Reflexionswinkeln ermittelt werden.
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In der Figur 2 sind alle mit der Darstellung in der Figur 1 übereinstimmenden
Teile der erfindungsgemäßen Anordnung mit gleichen Bezugszeichen wie in der Figur
1 versehen. Die zu beobachtende Oberfläche 8 weist im Unterschied zur in der Figur
1 gezeigten Anordnung eine unebene Stelle 20 auf, die eine konkave Verformung der
Oberfläche 8 darstellt. Aufgrund der Verformung an der Stelle 20 ergeben sich Lichtbündel
21, 22, 23- und 24, deren Verlauf vom Verlauf der Lichtbündel 13, 14, 15 und 16
nach der Figur 1 abweicht, obwohl der Abtastpunkt auf der lichtempfindlichen Schicht
der gleiche ist. Die Lichtbündel 21, 22, 23 und 24 wenden somit auch von anderen
Orten auf der Beleuchtungseinrichtung 10 abgesandt, die aufgrund der sinusförmigen
Helligkeitsverteilung andere Intensitäten als die in der Figur 1 dargestellten Lichtbündel
aufweisen. Die Breiten der Lichtbündel sind hier mit a21, a22, a23 und a24, die
Jeweiligen Abstände mit b21, b22 und b23 bezeichnet.
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Die konkave Verformung an der Stelle 20 führt somit :.rä;^-rend der
Abastung der zu beobachtenden Oberfläche 8 in der Abtastrichtung 7' zu Intensitätsschwankungen
der je-
weiligen Lichtbündel, die der durch die sinusförmige Helligkeitsverteilung
der Beleuchtungseinrichtung 10 hervorgerufenen Intensitätsschwankung überlagert
sind. Djpse Intensitätsschwankungen führen durch die mit einer vorgegebenen Abtastgeschwindigkeit
durchgeführte Abtastung zu einem Meßsignal am Ausgang der Fernsehkamera 1, das als
Frequenzanteile auch die durch die Verformung an der Stelle 20 hervorgerufenen Intensitätsschwankungen
aufweist Das gesamte Frequenzspektrum des Meßsignals wird maßgeblich, wie in der
Figur 3 dargestellt, durch die Anzahl und Abmessungen der Spalte 6 in der Blende
5 bestimmt.
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Aus dem in der Figur 3 gezeigten Diagramm ist ersichtlich, daß Frequenzmaxima
an den Stellen 1/b, 2/b, 3/b usw. mit abnehmender Intensität zu höheren Frequenzen
hin auftreten. Mit b ist auch hier der Abstand der Spalte voneinander gekennzeichnet;
zwischen den Frequenzmaxlma treten noch kleinere Zwischenmaxima auf, so daß sich
insgesamt im Intervall Frequenzmaxima entsprechend der Anzahl der Spalte ergeben.
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Mit der in der Figur 4 dargestellten Schaltungsanordnung wird anhand
eines elektrischen Schaltbildes die Ausfilterung mittels eines elektronischen Filters
erläutert.
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Das Schaltbild stellt ein an und für sich bekanntes Transversalfilter
dar, an dessen Eingang 40 eine analoge Ein--gangsspannung Ue anliegt, die auf den
Eingang einer Abtast- und Halteschaltung 41 geführt ist, welche von einem Takteingang
4.2 angesteuert wird. Der Ausgang der Abtast-und Halteschaltung ist mit einer Anzahl
Verzögerungsglieder verbunden, die kettenförmig aneinandergereiht und ebenfalls
vom Takteingang 42 angesteuert sin. Der Ausgang der fibtast- und Halteschaltung
41 und die Ausgänge der Verzögerungsglieder 43 sind Jeweils über Gewichtungsbausteine
-44 auf Eingänge eines Summationsgliedes 45 geführt, an dessen Ausgang die Ausgangsspannung
Ua anliegt.
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Mit einem Transversalfilter nach dieser Darstellung ist es möglich,
aus einem analogen Eingangs signal Ue, das ein bestimmtes Frequenzspektrum aufweist,
Frequenzanteile herauszufiltern. Die Filtercharakteristik wird durch die Taktfrequenz
am Takteingang 42, die mit den Verzögerungsgliedern 43 eingestellten Verzögerungszeiten
und die Gewichtungsfaktoren c1 ... cn der Gewichtungsbausteine 44 bestimmt.
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In Analogie zu der Filterwirkung der optischen Blende 5 der erfindungsgemä.Pen
Anordnung gemäß den Figuren 1 bis 3 entsprechen die Verzögerungszeiten der Verzögerungsglieder
43 den Abständen - z. B. b21, b22, b23 - der Lichtbündel. Die Gewichtungsfaktoren
c ... cn entsprechen den jeweiligen Flächen der Öffnungen in der optischen Blende
5 gemäß Figur 3; die Summation im Summationsglied 45 entspricht der Vereinigung
der Lichtbündel bei der erfindungsgemäßen Anordnung im Abtastpunkt auf der lichtempfindlichen
Schicht 3. Die bekannten mathematischen Berechnungsmethoden zur Bestimmung der erforderlichen
Verzögerungszeiten und Gewichtungsfaktoren bei diesem bekannten Transversalfilter
stimmen grundsätzlich mit denen zur Bestimrnung der erforderlichen Geometrie der
Öffnung in der Blende 5 (vergleiche Figur 3) überein.
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Die Darstellung des Ausführungsbeispiels gemäß der Figur 5 weist einen
Zeilenspeicher 51 auf, der beispielsweise durch ein analoges Schieberegister (=
CCD-Speicher) gebildet ist. Der Ausgang des Zeilenspeichers 51 ist auf einen ersten
Eingang 52 eines Zeilendifferenzbausteins 53 (Differenzverstärker) geführt, an dessen
zweito-tr. Eingang 54 das Ausgargssignal des optischen Sensors 2 anliegt, das hier
auch das Eingangssignal Ue des Zeilenspeichers 51 darstellt. Das analoge Schieberegister
als Zeilenspeicher 51 ist darüber hinaus r..0it dem Steuertakt eines Taktgenerators
55 beaufschlagt. Das Ausgangssingal des Zeilendifferenztausteins @@ ist auf den
Eingang 56 eines Kompara-
tors 57 geführt, an dessen zweitem Ausgang
58 eine vorgegebene Spannung anliegt. ueber eine Impulsformerschaltung 59 wird das
Ausgangssignal des Komparators 57 einerseits einer Auswerteeinheit 60 und über einen
Videoschalter 61 einem monitor '2 zugeführt. Der Videoschalter r\1 ist über einen
weiteren Ausgang mit dem Ausgangssignal des optischen Sensors 2 beaufschlagt.
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Das vom optischen Sensor 2 einer Videokamera gelieferte Videsosingal
(BAS-Signal) wird gemäß diesem Ausführungsbeispiel einerseits dem Analogschieberegister
(Zeilenspeicher 51) und andererseits dem Zeilendifferenzbaustein 53 zugeführt. Dadurch,
daß das Schieberegister aufgrund des definierten Steuertaktes des Taktgenerators
55 eine Verzögerung um genau eine Bildzeile verursacht, liegen an den Eingängen
des Zeilendifferenzbausteins 53 zwei aufeinanderfolgende Videozeilen zeitgleich
vor und werden voneinander subtrahiert. Der Zeilendifferenzbaustein 53 liefert somit
eine positiv oder negativ gerichtete Signalspannung, die jeweils im nachfolgenden
Kompa@ator 57 detektiert wird. Das Ausgangssignal des Komparators 57 wie nach einer
Impulsformung einmal in der Auswerteeinheit (0 ausgewertet und zum anderen zur Herstellung
des Fernsehbildes im Monitor 62 herangezogen.