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Verfahren und Anordnung zum Verarbeiten von Meßsignalen zur Gewinnung
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summarischer Kenngrößen Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum
Bearbeiten von Meßsignalen, die ein zweidimensionales Feld repräsentieren, wie von
Fernsehbildern, zur Gewinnung summarischer Kenngrößen.
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Bei der Auswertung von Meßsignalen, wie der Verarbeitung von Fernsehbildern
will rnan oft nur eine summarische Information mittels summarischer Kenngrößen,
wie Mittelwerten, Standardabweichungen, Kovarianz, Auto- und Kreuzkorelationen gewinnen.
Hierzu müssen die summarischen Kenngrößen repräsentierende Integrale vom Typ
ausgewertet werden. Dies ist zum Beispiel beim Verfahren zur automatischen Scharfeinstellung
eines Bildes erforderlich, wie es im Europäischen Patent 0017726 beschrieben ist.
Man geht üblicherweise derart vor, daß die analogen Bildsignale mit einem Analog-Digital-Konverter
digitalisiert und die einzelnen
Bildwerte im Fl ießkommaformat dargestellt
werden. Zur Auswertung des obigen Integrals ist für jeden Punkt dann die Durchführung
von ca.
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N2 N -Multiplikationen und etwa ebenso vielen Additionen erforderlich
, wobei N beispielsweise die Zahl der Rasterpunkte eines Fernsehbildes in einer
Zeile ist. Es ist offensichtlich , daß der Aufwand zur Auswertung des Signals insbesondere
der Zeitaufwand, erheblich ist.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und
eine Anordnung der eingangs genannten Art vorzuschlagen, mittels derer summarische
Kenngrößen von Meßsignalen aus einer Vielzahl von Meßwerten mit weniger , insbesondere
zeitlichem Aufwand und möglichst in Einzelfällen auch in "Realtime" gewonnen werden
können.
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Erfindungsgemäß wird di e genannte Aufgabe durch ein Verfahren gelöst
welches dadurch gekennzeichnet ist, daß mindestens ein Rauschsignal erzeugt wird,
daß jedes Meßsignal mit mindestens einem Rauschsignal verglichen wird und daß eine
Folge von Ausgangsimpulsen entsprechend vorgegebener Relativbeziehungen der jeweiligen
miteinander verglichenen Werte von Meß- und Rauschsignal erzeugt wird. Eine Schalturgsanordnung
sieht zur Lösung der Aufgabe vor, daß mindestens ein Rauschgenerator und mindestens
ein Komparator vorgesehen ist, dem ein Meßsignal und ein vom Rauschgenerator erzeugtes
Rauschsignal zugeführt werden und der binäre Ausgangsimpulse abgibt.
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In bevorzugt er Ausgestaltung kann vorgesehen sein, daß die Ausgangsimpulse
getaktet werden, wobei dies anordnungsmäßig dadurch verwirklicht wird, daß ein Ta
ktgenerator vorgesehen ist und dem Komparator ein Und-Glied nachgeordnet ist, dem
auf dem zweiten Eingang das Taktsignal des Taktgenerators zugeführt wird. Erfindungsgemäßwird
also das Meßsignal nicht mit Hilfe eines üblichen Analog-Digital-Konverters digitalisiert
und dann die oben angesprochene Vielzahl von Operationen durchgeführt, sondern
vielrnehr
dfs Meß- oder Rildsiqnal in einem Komparator mit einem (stationären) Hauschsignal
verglichen und In eine Folge von Ausgangsimpulsen umgewandelt, die als "stochastisches
Binärbild" bezeichnet werden sollen. Diese stochastischen Binärbilder können mittels
logischer elektronischer Glieder verknüpft werden. Die summarischen Kenngrößen werden
durch Auszählen der besetzten Punkte bzw. Binärimpulse im stochastischen Binärbild
bzw. einem durch Verknüpfung erzeugten Ergebnisbild gewonnen.
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Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Anordnung
können in vielfältigster Weise eingesetzt werden, beispielsweise bei der Überwachung
von Anlagen oder industrieller Prozesse, wobei sich die mittlere Helligkeit eines
beobachteten Bildes oder aber auch der Kontrast des Bildes (repräsentiert durch
Standardabweichungen oder Streuung) verändern kann. Mittels des Vergleichs mit vorgegebenen
Standards können zur Qual itätsüberwachung Korrelationskoeff izienten gebildet werden.
Auch höhere Momente können erzeugt werden. Das erfindungsgemäße Verfahren kann nicht
nur im optischen Bereich, sondern auch auf anderen Gebieten , wie bei Ultraschall
untersuchungen eingesetzt werden. Bevorzugte Anwendungsgebiete sind das schnelle
Prüfen von Veränderungen, die Mustererkennung, di e Untersuchung von Mehr-Phasenströmungen
etc.
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Beispielsweise ist in bevorzugter Ausführung des Verfahrens vorgesehen,
daß mittels der Anzahl der Ausgangsimpulse der Mittelwert des Meßsignals, beispielsweise
die mittlere Helligkeit eines Fernsehbildes bestimmt wird, wobei die An ordnung
derart ausgestaltet ist, daß mindestens ein Zähler vorgesehen ist, in dem die Ausgangsimpulse
des Komparators gezählt und ins Verhältnis zur Gesamtzahl der Takte des Taktgenerators
in der entprechenden Zeit gesetzt werden. Sei z.B. A ein Original-Grauwertbild und
A' das stochastische Binärbild von A mit den Elementen a j sowie | i | die Anzahl
der besetzten Punkte von A', so ergibtsich der Mittelwert
durch Auszählen der gesetzten Punkte oder Ausgangsimpulse des Binärbildes
A' mittels seines Zählers und ggfls. Normierung über die gesamte Zahl der Punkte,
deren Besetzung möglich ist.
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In weiterer bevorzugter Ausgestaltung kann vorgesehen sein, daß zwei
stockastisch unabhängige Rauschsignale erzeugt, mit dem Meßsignal verglichen und
jeweils entsprechende Ausgangsimpulse erzeugt werden und daß ein gemeinsames Vorliegen
von durch Vergleich mit jedem Rauschsignal erzeugte Ausgangsimpulse festgestellt
und entsprechende Sekundärimpulse erzeugt werden, und daß zwei unabhängige Rauschgeneratoren
vorgesehen sind, daß zwei Komparatoren zum Vergleich der Rauschsignale mit Meßsignalen
vorgesehen sind, und daß den Komparatoren einerseits jeweils mindestens ein Zähler
und andererseits ein weiterer gemeinsamer Zähler über ein Und-Glied zugeordnet sind.
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Es können in dieser Weise zwei statistisch unabhängige stochastische
Binärbilder A'1 und A'2 des Originalbildes A erzeugt werden, mittels derer die Standardabweichung
des Originalbildes bestimmbar ist. Der erste Term entsteht dabei durch Zuführung
der beiden stochastischen Binärbilder zu den Eingängen eines Und-Gliedes sowie Aufzählen
der Ausgangsimpulse des Und-Gliedes in einem Zähler.
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Wenn B' (u,v) ein um einen Vektor (u, v) verschobenes stochastisches
Binärbild ist , so ergibt sich ein Element h (u, v) der Kreuzkorrelationsfunktion
bis auf einen vom Rauschsignal abhängigen, konstanten Faktor in der folgenden Weise:
Die Kovarianz zweier stochastischer Binärbilder ist beispielsweise
wobei der erste Term ebenfalls durch ein elektronisches Und-Glied erzeugt wird und
im übrigen die besetzten Punkte dessen Ausgangs sowie der Ausgänge der Komparatoren
in Zählern gezählt und miteinander verknüpft werden.
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In entsprechender Weise können Elemente der Autokorrelationsfunktion,
der Fourier- oder Walshtransformierten sowie sonstige Arten von statistischen Momenten
und Korrelationsmaße ermittelt werden. Es kann beispielsweise der Verschiebungsvektor
(u, v) eine Folge von We rten durchlaufen, so kann mittels der Autokorrelationsfunktion
ein periodischer Anteil des Originalbildes gewonnen werden; es ergibt sich eine
periodische Funktion mit gleicher Periode wie der der Originalfunktion, wobei der
Rauschanteil eliminiert wird.
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Entsprechend kann über die Kreuzkorrelationsfunktion festgestellt
werden, ob ein bestimmtes Signal in einem anderen enthalten ist, letzteres also
einen bestimmten periodischen Anteil enthält.
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Wenn oben gesagt wird, daß Ausgangsimpulse entsprechend vorgegebener
Relativbeziehungen der jeweiligen miteinander verglichenen Werte von Meß-und Rauschsignal
erzeugt werden, so ist damit gemeint, daß Ausgangsimpulse oder das stochastische
Binärbild entweder in Abhängigkeit davon erzeugt werden, ob der Wert des Meßsignals
größer ist als der des Rauschsignals oder aber umgekehrt . Es kann dabei vorgesehen
sein, daß das Meßsignal jeweils nur berücksichtigt wird, soweit es eine vorgegebene
Schwelle über - bzw.
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unterschreitet. In weiterer bevorzugter Ausgestaltung der erfindungsgemäßen
Anordnung ist vorgesehen, daß Komparatoren Speicher nachgeordnet sind, denen Adressier-
und Verschiebeeinheiten zugeordnet sind; daß eine Arithmetrisch-Logi sche-Einheit
und Zähler sowie ein Steuerrechner vorgesehen sind, wobei letzterer die Tätigkeit
von Adress- und Verschiebeeineinheiten
sowie Arithmetrisch-Logi
sche-Einheit und Zähler steuert.
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Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen
und aus der nachfolgenden Beschreibung, in der Ausführungsformen der Erfindung im
einzelnen erläutert sind. Dabei zeigt: Figur 1 ein Laufdiagramm des erfindungsgemäßen
Verfahrens; Figur 2 eine Veranschaulichung zur Erzeugung eines stochastischen Binärbildes;
Figur 3 eine schematische Schaltungsanordnung zur Erzeugung des Binärbildes; Figur
4 eine schematische Schaltungsanordnung zur Verknüpfung von Binärbildern; und Figur
5 eine schematische Darstellung für eine Vorrichtung zur Verarbeitung von Meßsignalen.
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Ein Einsatzbeispiel für das erfindungsgemäße Verfahren sind von einer
Fernsehkamera 1 (Figur 1) aufgenommene Fernsehbilder, beispielsweise von Werkstückoberflächen,
eines von einer Fernsehkamera überwachten Raumes od.
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dgl. Hierbei wird bekanntermaßen das optische Bild einer Szene in
einen Bildraster zerlegt, dieses abgetastet und zu jedem Bildelement des Rasters
ein elektrischer Meßwert erzeugt, der der mittleren Leuchtdichte jedes Bildelements
entspricht. Die Gesamtheit der Meßwerte wird als Meßsignal bezeichnet Aus diesem
Meßsignal und mit Hilfe von Rauschsignalen weden in einem zweiten Schritt der Stufe
2 des Verfahrens stochastische Binärbilder erzeugt, die in einer dritten Stufe 3
miteinander verknüpft werden können und deren Ergebnisse in einer vierten Stufe
4 des Verfahrens weiterverarbeitet werden, wobei beispielsweise die eine diskrete
Abfolge von Binärimpulsen
bildenden Ergebnisse der Stufe 3 aufsummiert
werden. Die Ergebnisse der Stufe 3 werden in der Weiterverarbeitungsstufe 4 dann
jeweils auch im Hinblick auf die gewünschte Information oder die gewünschten Kenngrößen,
wie M ittelwerten, Standardabweichung , höherer Momente und Korrelationen weiterverknüpft.
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Einstochastisches Binärbild wird in der aus der Figur 2 ersichtlichen
Weise erstellt. Die Kurve A des oberen Teils der Figur 2 repräsentiert ein analoges
Meßsignal als Abfolge einer Vielzahl von Meßwerten, wobei die Striche oder Unterteilungen
i auf der T-Achse anzeigen, daß eine getaktete Verarbeitung erfolgt. Es wird ein
stationäres Rauschsignal S erzeugt. Zu jedem Taktzeitpunkt werden das Meßsignal
A und das Rauschsignal S miteinander verglichen und bei der Ausführungsform der
Figur2 jeweils ein Binänrrpuls erzeugt, wenn der Wert des Meßsignals A größer ist
als der Wert des erzeugten Rauschsignals, so daß entsprechend dieser Vergleichsoperation
eine Folge A' von Binärimpulsen ai,j erzeugt werden, wobeide Folge A' oder Gesamtheit
der Binärimpulse als stochastisches Binärbild bezeichnet wird. Die Anzahl der besetzten
Punkte des stochastischen Binärbilds A' ist dann ein Maß für den Mittelwert, im
Ausgangsbeispiel ein Maß für den Mittelwert der Leuchtdichte der aufgenommenen Szene:
Eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist schematisch
in der Figur 3 dargestellt. Die Vorrichtung weist einen Komparator 6 ati, dem das
TV-Signal 7 zugeführt wird. Dem Komparator 6 sind über zwei Umschalter 8, 9 jeweils
sowohl ein Rauschgenerator 11, 12 als auch ein Schwel lwertsetzer 13, 14 zugeordnet.
Des vom Komparator abgegebene Binärsignal 16 wird über ein logisches Und-Glied 17
mit dem TV-Synchronisationssignal über einen Taktgenerator 18 verknüpft, so daß
als Ausgang des Und-
Gliedes sich das getaktete Binärsignal 19
ergibt.
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Das Binärsignal 16 ergibtech im Komparator durch den Vergleich des
TV-Signals 7 mit einem Rauschsignal entweder des Rauschgenerators 11 oder des Rauschgenerators
12 , wobei zusätzlich durch die Schwellwertsetzer 13, 14 nur derartige Meßwerte
des TV- oder Meßsignals 7 berücksichtigt werden, die einen vorgegebenen oberen bzw.
vorgegebenen unteren Schwellwert nicht über-bzw. unterschreiten. Die Schwellwerte
selbst können ggfls. von einer zentralen Steuereinheit (nicht dargestellt) ausgesteuert
werden.
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Die einzelnen Binärimpulse des getakteten Binärsignals 19 können durch
einen Zähler 21 (Figur 4) gezählt werden und ergeben dann ein Maß für den Mittelwert
bzw. die mittlere Leuchtdichte des aufgenommenen Fernsehbildes, wobei der Zähler
21 dann zu der Weiterverarbeitungsstufe 4 (F igur 1, 2) zuzuordnen ist.
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In entsprechender Weise kann in einer weiteren Einrichtung zur Erzeugung
der stochastischen Binärbilder 2' ein TV- oder Meßsignal B in sein Binärsignal B'
umgewandelt werden, wobei dessen Mittelwert ggfls auf dem Zähler 22 erzeugt wird.
Die beiden Binärsignale A' und B' können aber in einer Verknüpfungseinrichtung 3,
die im dargestellten Ausführungsbeispiel aus einem Und-Glied 23 besteht, miveinander
verknüpft werden,wobei das Verknüpfungsergebnis im Zähler 24 aufaddiert und in einer
Weiterverarbeitungseinheit 26 weiterverarbeitet wird.
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Handelt es sich beim Signal B um das gleiche Signal A, welches in
der Einheit 2 verarbeitet wird, und weist die Einheit 2' von den Rauschgeneratoren
der Einheit 2 stochastisch unabhängige Rauschgeneratoren auf, so sind A' und B'
zwei statistisch unabhängige, stochastische Binärbilder des gleichen Ausgangsbildes.
Die Verknüpfung im Und-Glied 23 ergibt dann die Varianz oder
das
Quadrat der Standardabweichung
A A ', ist hier die Anzahl der besetzten Punkte des stochastischen Binärbildes A'
im Zähler Z1 (21) bzw. Z3 (22). Der erste Term gibt die Anzahl der gemeinsamen besetzten
Punkte von A' und A'2, wie er 1 2' dem im Zähler Z2 (24) aufsummierten Ergebnisses
des Ausgangs des Und-Glieds 23 entspricht.
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Sind die Signale A und B unterschiedliche Signale, so ergibtsich die
Kovarianz der beiden Bilder A und B
aus den Zählerständen Z1, Z2, Z3 der Zähler:
Die Kovarianz von A und B reduziert sich für den Fall, daß die BilderA und B die
gleichen sind auf die oben angegebene Varianz (Formel 2).
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In einer Schaltungsanordnung nach der Figur 4 läßt sich jeder Verschiebungssektor
durch ein Schieberegister erzeugen, der unmittelbar nach der Herstellung des jeweiligen
stoachastischen Binärbildes in den Schaltkreis eingefügt wird.
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In der Figur 5 ist eine Schaltungsanordnung dargestellt, mittels der
eine Verarbeitung beispielsweise von Bildern flexibel und in vielfältigster Weise
durchgeführt werden kann. Die Schaltungsanordnung weist eine zentrale Steuereinheit
31
auf. Es sind weiterhin im dargestellten Ausführungsbeispiel drei Adress- und Verschiebeinheiten
vorgesehen, die jeweils als Bitschichten bezeichneten Binärspeichern 33.1, 33.2,...
33.m in Verbindung stehen, in denen jeweils jede da abgelegt sind. Die Adress- und
Verschiebeeinheiten 32 ermöglichen eine Verschiebung der Bilder gegeneinander um
einen freiwählbaren Vektor. Es sind weiterhin Multiplexer 34.1 bts 34.3 vorgesehen,
die die Speicherinhalte zeitlich nacheinander auf andere Einheiten, weiterschalten.
Die abgelegten Bilder werden in der Verknüpfungseinheit 36 in Form einer Arretmetisch-Logischen-Einheit,
die durch die Steuereinheit 31 gesteuert wird, miteinander in der oben beschriebenen
Weise verknüpft, wobei weiterhin ein Zähler 37 zum Zählen der Punkte im Ergebnisbild
in der iunter Bezugnahme auf Figur 4 beschriebenen Weise vorgesehen ist.
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In dieser Weise ist z.B. diemultiplikative Verknüpfung zweier Bilder
mit ausschließender Integration mit Hilfe nur einer einzigen Bildverknüpfung, die
N2 logische Operationen (N Kantenlänge des Bildes) bein haltet. und einem einzigen
Zählschritt möglich. Die Schaltungsanordnung der Figur 5 kann in naheliegender Weise
verallgemeinert werden.
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- L e e r s e i t e -