DE3244692A1 - Schaltungsanordnung zur erfassung der grauwertverteilung eines digitalisierten bildes - Google Patents

Description

• Schaltungsanordnung zur Erfassung der Grauwertverteilung
• eines digitalisierten Bildes.
• BESCHREIBUNG In der digitalen Bildverarbeitung wird ein Grauwertbild als eindeutige reelle Funktion f(x,y) zweier Ortsvariablen x und y aufgefaßt. Die Definitionsmenge von f(x,y) ist ein zweidimensionaler Bereich, deren Wertevorrat aus der Menge der Grauwerte g gebildet wird. Der numerische Wert g eines Matrixelementes entspricht dem Grauton des entsprechenden Bildpunktes. Für eine schnelle Bildaufbereitung zur Segmentierung und Merkmalsgewinnung ist die Kenntnis der Grauwertverteilung zum Zeitpunkt der Bildaufnahme ein entscheidendes Hilfsmittel.
• Für eine direkte Auswertung der Grauwertverteil#ung sind Mikroprozessoren zu langsam, da z.B. bei der Digitalisierung eines Standard-Fernsehbpides alle 76 ns ein Grauwert auszuwerten ist.
• Die durch die Erfindung erreichten Vorteile sind im wesentlichen darin zu sehen, daß die direkte Erfassung von Bildpunktgrauwerten und die Zusammenfassung von Bildpunkten mit dem gleichen Grauwert eine der bedeutendsten Komponenten für eine schnelle, optimale und exakte Objektextraktion bilden.
• Da die Anwendung des Verfahrens nicht nur auf globale Grauwertbildmatrixen beschränkt ist, sondern auch auf Teilbildfunktionen angewendet werden kann, ergibt sich die Möglichkeit der Texturanalyse von Objekten, wie sie in der Literatur 1/2/3/ ausführlich behandelt wird.
• Im folgenden wird die Erfindung anhand des, einen möglichen Ausführungsweg darstellenden Blockschaltbildes (Bild 1), näher erläutert.
• Zur Lösung der Aufgabe der direkten Erfassung und Auswertung der Grauwertverteilung weist die erfindungsgemäße Vorrichtung folgende Baugruppen auf: Das Grundsystem liefert die digitalen Bilddaten (Kamera mit A/D-Wandler oder Graubildspeicher). Die vom Grundsystem (1) gelieferten Bildpunktdaten, die mit einer Datenrate von bis zu 40 ns von Bildpunkt zu Bildpunkt auftreten, werden über ein Datenport der Erfassungs- und Auswerteschaltung zugeführt.
• Die Erfassungs- und Auswerteschaltung besteht aus einem schnellen Speichersystem (mit Zugriffz.15 ns), das den aktuellen Bildpunktgrauwert als Adreßwert angeboten bekommt. Ein Steuerwerk (4), das die Vielzahl von Steuerparametern verknüpft, entriegelt den Datenausgang der schnellen RAM's, wenn der Bildpunktgrauwert (Adresse) stabil ansteht (Conversionszeit des A/D-Wandlers). Das so adressierte Datum wird einem programmierbaren Zähler zugeführt, der den alten Datenwert aufnimmt und ihn um 1 erhöht. Der neue Datenwert wird durch die Einrichtung 4 (Steuerwerk) unter der noch anliegenden Adresse in das Speichersystem zurückgeschrieben.
• Die Schaltungsanordnung ist damit in der Lage, die Grauwerte der augenblicklich gelieferten digitalisierten Videosignale on-line, d.h. parallel zur Bildeinspeicherung zu verarbeiten.
• Nach Abschluß des Bildaufnahmezyklusses bzw. des Auslesezyklusses aus dem Graubildspeicher werden die Daten- und Adreßports (5) umgeschaltet, so daß der Bildverarbeitungsrechner transparent auf die Daten der Grauwertverteilung zur Auswertung zugreifen kann.
• Die erfindungsgemäße Schaltung ermöglicht es, in vorteilhafter Weise bekannte Algorithmen zur Auswertung visueller Informationen in Systemen mit kurzer Reaktionszeit z.B. industrielle Bildverarbeitungs- und Mustererkennungssysteme, zu implementieren.
• Literatur: 1. Rosenfeld, A; : Digital Picture Processing Kak, A. C. Academic Press, New York, 1976 2. Rosenfeld, A; : Picture Recognition and Scene Weszka, J.S. Analysis COMPUTER, May 1976, pp. 28-38 3. Kazmierczak, H. : Erfassung und maschinelle Verarbeitung von Bilddaten.
• Springer-Verlag, Wien, New York, 1980 Zusammenfassung der Patentanmeldung: Schaltungsanordnung zur Erfassung der Grauwertverteilung eines digitalisierten Bildes Mit diesem Verfahren und der dazu entwickelten Schaltungsanordnung wird die direkte Erfassung und Ermittlung der Grauwertverteilung eines digitalisierten Bildes möglich. Die Anwendung des Verfahrens ist nicht nur beschränkt auf die Auswertung einer gesamten Bildmustermatrix, die von einem Aufnahmesystem angeboten wird (direkte Verarbeitung mit Transfergeschwindigkeiten bis zu 40 ns pro Bildpunkt) sondern es können auch gespeicherte Bildmatritzen in verschiedenen Auslesemodi (gesamtbild-, flächen-, regionen- und objektorientiert) bearbeitet werden.
• Die mit diesem Verfahren bereitgestellten Grauwertverteilungen ermöglichen dis Anwendung einer Vielzahl bildanalytischer Verfahren, z.B. "first order histogram" zur automatischen Schwellensteuerung("threshold selection11) oder im objektorientierten Auslesemodus die Ermittlung statistischer Texturmerkmale als Diskriminationsverfahren für die Objektunterscheidung Das Grundkonzept des automatisch arbeitenden Verfahrens geht davon aus, daß die zu erfassenden Grauwerte der einzelnen Bildpunkte in der geforderten Bearbeitungsgeschwindigkeit nur dann bearbeitet werden können, wenn die Anzahl der Analyseschritte weitgehend reduziert wird. In dem erfindungsgemäßen Verfahren geschieht dies durch die Verwendung der numerischen Grauwerte der einzelnen Bildpunkte als Adreßwerte für eine schnelle Speichermatrix. Jeder Grauwert repräsentiert in dieser Matrix eine Speicherzelle, die beispielsweise ein 16-Bit-Datenwort enthält. Dieses Datenwort wird innerhalb der Transferzeit eines Bildpunktes durch einen "read modify write cycle" mit Hilfe eines schnellen programmierbaren Zählers bei jedem Ansprechen einer dem Grauwert zugeordneten Zelle beginnend bei Null um eins erhöht. Am Ende eines Bearbeitungszyklusses liegt damit die Anzahl der Grauwerte in einzelnen Ebenen in dieser Speichermatrix vor. Durch Umschalten der Adreß- und Datenleitungen der Speichermatrix (Transparent-Mode) kann der Bildverarbeitungsrechner auf diese Daten zugreifen.
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Claims (4)

1. Schaltungsanordnung zur Erfassung der Grauwertverten'il### eines digitalisierten Bildes.

   PATENTANSPRÜCHE 1, Es handelt sich um ein Verfahren und eine Schaltungsanordnung zur direkten, d.h. parallel zur Bildaufnahme ;umid indirekten, d.h. aus einem Graubildspeicher, Erfassu er Grauwertverteilung eines digitalisierten Bildes.
2. 2. Das Verfahren nach Anspruch 1 ist dadurch gekennzeiräi.-net, daß die Grauwertverteilung eines digitalisierten Das terbildes mit einer elektronischen Schaltungsanordnung direkt verarbeitet und ausgewertet wird. Der dabei zu verarbeitende Datenstrom von bis zu 25 MByte/s bei 4024 x 1024 Bildpunkten erfordert ein Verfahren, das eine Erfassung von aufeinander folgenden Bildpunktgrauwerten in weniger als 40 ns vornehmen kann. Im Fernsehbereich mit 512 x 512 Bildpunkten ergibt sich eine Analysezeit von ca.76 ns. Die genannten Erfassungs- und Verarbeitungszeiten werden erfindungsgemäß dadurch realisiert, daß der zu erfassende Bildpunktgrauwert mit seinem numerischen Wert als Adreßwert zur Adressierung einer schnellen Speichermatrix (ca.15ns Zugriffszeit) verwendet wird. Unter dieser dem jeweiligen Grauwert zugeordneten Adresse wird über eine mathematische Operation ein Summenwert gebildet. Der generierte Summenwert repräsentiert die Anzahl der in dieser Grauwertebene befindlichen Bildpunkte der aktuellen Bildmatrix. Die Anzahl der Grauwertebenen kann zwischen 2 und 256 je nach v-erlangter Analyseschärfe schwanken.
3. 3. Das Verfahren nach Anspruch 1 und 2 ist dadurch gekennzeichnet, daß nicht nur Grauwertverteilungen der gesamten Bildmustermatrix erfaßt und bearbeitet werden können, sondern auch dadurch, daß in Verbindung mit der Schaltungsanordnung des Patentes P 32 34 607.7 flächen,- regionen,-und objektorientierte Grauwertverteilungen erfaßt und analysiert werden können.
4. 4. Das Verfahren nach den Ansprüchen 1, 2 und 3 ist dadurch gekennzeichnet, daß die Grauwertverteilung für jedes Bildmuster nicht nur im direkten Betrieb (parallel zur Bildaufnahme) erfaßt werden kann, sondern auch dadurch, daß die indirekte Verarbeitung gespeicherter Bildmuster durch Umschalten der Datenquellen (Kamera/Bildspeicher) möglich ist.

   S Die Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 4 ist dadurch gekennzeichnet, daß eine Datenquelle (Kamera mit A/D gewandeltem Videosignal oder Graubildspeicher (1)), die die zu analysierenden Bilddaten liefert, mit den Adreßleitungen eines schnellen Speichersystems (2) verbunden ist. Die auf dieser Adreßleitung zugeführten numerischen Grauwerte der einzelnen Bildpunkte einer Bildmatrix adressieren mit ihrem Wert eine diesem Wert zugeordnete Speicherzelle in der Speichermatrix. Bei jedem Ansprechen der Speicherzelle innerhalb einer Bildaufnahme-oder Bildausleseoperation wird ein Datenwert gebildet.

   Dieser Datenwert, beginnend bei Null, wird innerhalb der Adressierungsphase ausgelesen und in einen programmierbaren Zähler (3) geladen. Der Zähler erhöht diesen Datenwert um 1 und die logische Ablaufsteuerung (4) schreibt diesen Datenwert unter der noch anstehenden Adresse wieder in die Speicherzelle zurück (Zykluszeit zwischen 40 und 70 ns).

   Am Ende einer Bildaufnahme bzw. einer BiLdausleseoperation (Bildspeicher) steht in den einzelnen den Grauwerten zugeordneten Speicherzellen der Speichermatrix die dem aktuellen Bildmuster zugehörige Grauwertverteilung.

   Durch Umschalten der Adreß- und Datenports (5) kann der Bildverarbeitungsrechner transparent auf die Daten der Grauwertverteilung zugreifen.