DE3414856C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zum Untersuchen von (zweidimensionalen) Bildern, wie Ultraschallbildern, Fernsehbildern oder dgl., wobei mindestens eine Helligkeitsfunktion des Bildes erzeugt wird, deren Wert jeweils vom Ort im Bild abhängig ist.

Zur Auswertung oder Untersuchung von Bildern, wie Ultraschallbildern, Fernsehbildern oder dgl. will man oft nur eine summarische Information mittels summarischer Kenngrößen, die Mittelwerten, Standortabweichung, Kovarianz, Auto- und Kreuzkorrelationen 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 in der EP-OS 00 17 726 beschrieben ist. Man geht üblicherweise derart vor, daß die analogen Bildsignale mit einem Analog-Digital-Konverter digitalisiert und die die einzelnen Bildwerte im Fließkommaformat dargestellt werden. Zur Auswertung des obigen Integrals ist für jeden Punkt dann die Durchführung von ca. N²-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.

Weiterhin befaßt sich die Literaturstelle ETZ-B, Band 25 (1983, H. 4, Seiten 70, 71 mit der sogenannten stochastisch- ergotischen Meßtechnik nach Wehrmann, bei der eine Rauschspannung mit einer einstellbaren Gleichspannung verglichen wird und durch diesen Vergleich eine binäre Zufallsgröße erzeugt wird. Mit einem diese Technik durchführenden Gerät sollen häufig vorkommende Kennwerte einer Meßspannung, wie Effektivwert, Scheitelwert usw. bestimmt werden. Es wird eine langsam veränderliche Meßspannung durch Vergleich mit einem stochastischen Signal ein Wahrscheinlichkeitsmaß für den Momentanwert der Meßspannung geschaffen, das nach Wahrscheinlichkeitsrechnung binär weiterverarbeitet werden kann. Die Literaturstelle ATM, Lieferung 446, März 1973, R46-R50 erläutert genauer die in der vorgenannten Literaturstelle erwähnten U-FUNCTION-METER als Meßgeräte für die Niederfrequenztechnik. J. Bremer liefert in der Literaturstelle AEÜ, Band 33, 1979 H. 7/8, S. 314-320 einen "Beitrag zur Therorie der deterministisch-stochastischen Wandler, der sich mit der Linearisierung des Zusammenhangs zwischen Eingang und Ausgang bei solchen Wandlern, insbesondere durch Rückkopplung befaßt. Die Literaturstellen der Elektroniker, 1982, H. 11, S. 34-36 und Elektronik 1982, H. 14, S. 37-40 beschreiben eine andere Art von "stochastischer" Effektivwertmessung, bei der kein Rauschsignal-Meßwert-Vergleich vorgenommen wird, sondern zu stochastisch gesetzten, also nicht festen Zeitpunkten der Meßwert übernommen und zwecks Effektivwertmessung, also Mittelwertbildung weiter verarbeitet wird. Bei der Literaturstelle Elektronik 1981, F12, S. 103-104 wird ein Mittelwert stochastischer Signalformen, wobei also das Signal selbst stochastisch ist, durch Spannungs-Frequenz-Wandlung über eine endliche Zeit hin bestimmt. Hier ist der Meßwert stochastisch, nicht das Meßverfahren bzw. seine Verarbeitung.

Ausgehend von der eingangs genannten EP-OS 00 17 726 liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Anordnung zum Untersuchen von Bildern, wie Ultraschallbildern, Fernsehbildern oder dergleichen vorzuschlagen, mittels derer summarische Größen von Meßsignalen aus einer Vielzahl von Meßwerten mit weniger, insbesondere zeitlichem Aufwand und möglichst auch in Loyalzeit gewonnen werden können.

Erfindungsgemäß wird die genannte Aufgabe durch ein Verfahren gelöst, welches dadurch gekennzeichnet ist, daß stationäre Rauschsignale erzeugt werden, daß die Helligkeitsfunktion des Bildes mit mindestens zwei Rauschsignalen verglichen wird, so daß die stochastischen Funktionen zur Erzeugung stochastischer Binärbilder getastet werden, daß mindestens zwei stochastische Binärbilder logisch zu einem stochastischen Verknüpfungsbild miteinander verknüpft werden, daß nicht nur die stochastischen Binärbilder, sondern auch das oder die Verknüpfungsbilder ausgezählt und die Zählergebnisse arithmetisch verknüpft werden. Eine Schaltungsanordnung sieht zur Lösung der Aufgabe vor, daß durch Rauschgeneratoren und einen Komparator dem die Helligkeitsfunktion der Bilder und von den Rauschgeneratoren erzeugte Rauschsignale zugeführt werden.

Vorteilhafterweise wird also nicht die Helligkeitsfunktion des Bildes mit Hilfe eines üblichen analog-digital- digitalisiert und dann die oben angesprochene Vielzahl von Operationen durchgeführt, sondern vielmehr die Helligkeitsfunktion mit stationären Rauschsignalen verglichen und in Folgen von Ausgangsimpulsen umgewandelt, die als stochastisches Binärbild bezeichnet werden. Diese stochastischen Binärbilder können mittels logischer elektonischer Bilder verknüpft werden. Die summarischen Kenngrößen werden durch Auszählen der besetzten Punkte bzw. Binärimpulse im stochastischen Binärbild bzw. einem durch zusätzliche Verknüpfungen erzeugten Ergebnisbild gewonnen. Durch Zerlegung der stochastischen Binärbilder in ein strenges Tastraster mit hoher Abtastfrequenz können stochastische Ortsinformationen gewonnen und insbesondere Nachbarschaftsinformationen durchgeführt werden, da für die mittels der Erfindung zu gewinnende Information, beispielsweise bei den in der EP-OS 00 17 726 bei den folgenden angesprochenen Einsatzgebieten die "Nachbarn" im Mittel wichtig sind und daher eine lokale Zuordnung erforderlich ist, die durch die erfindungsgemäße Lösung gewährleistet ist.

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 Qualitätsüberwachung Korrelationskoeffizienten gebildet werden. Auch höhere Momente können erzeugt werden. Das erfindungsgemäße Verfahren kann nicht nur im optischen Bereich, sondern auch auf anderen Gebieten, wie bei Ultraschalluntersuchungen eingesetzt werden. Bevorzugte Anwendungsgebiete sind das schnelle Prüfen von Veränderungen, die Mustererkennung, die Untersuchung von Mehr- Phasenströmungen etc.

Es können in dieser Weise zwei statistisch unabhängig 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.

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:

h (u, v) = | A′ ∩ B′ (u, v) ∩|

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.

In entsprechender Weise können Elemente der Autokorrelationsfunktion, der Fourier- oder Walshtransformierten sowie sonstige Arten von statischen Momenten und Korrelationsmaße ermittelt werden. Es kann beispielsweise der Verschiebungsvektor (u, v) eine Folge von Werten 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. Entsprechend kann über die Kreuzkorrelationsfunktion festgestellt werden, ob ein bestimmtes Signal in einem anderen enthalten ist, letzteres also einen bestimmten periodischen Anteil enthält.

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 Ausgangsimulse 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. unterschreitet. In weiterer bevorzugter Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Anordnung ist vorgesehen, daß Komparatoren Speicher nachgeordnet sind, denen Adressier- und Verschiebeeinheiten zugeordnet sind; daß eine Arithmetrisch-Logische-Einheit und Zähler sowie ein Steuerrechner vorgesehen sind, wobei letzterer die Tätigkeit von Adreß- und Verschiebeeinheiten sowie Arithmetisch-Logische-Einheit und Zähler steuert.

Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen und aus der nachfolgenden Beschreibung, in der Ausführungsformen der Erfindung in einzelnen erläutert sind. Dabei zeigt

Fig. 1 ein Ablaufdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens;

Fig. 2 eine Veranschaulichung zur Erzeugung eines stochastischen Binärbildes;

Fig. 3 eine schematische Schaltungsanordnung zur Erzeugung des Binärbildes;

Fig. 4 eine schematische Schaltungsanordnung zur Verknüpfung von Binärbildern; und

Fig. 5 eine schematische Darstellung für eine Vorrichtung zur Verarbeitung von Meßsignalen.

Ein Einsatzbeispiel für das erfindungsgemäße Verfahren sind von einer Fernsehkamera 1 (Fig. 1) aufgenommene Fernsehbilder, beispielsweise von Werkstückoberflächen, eines von einer Kamera überwachten Raumes od. 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 werden 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 Mittelwerten, Standardabweichungen, höherer Momente und Korrelationen weiterverknüpft.

Ein stochastisches Binärbild wird in der aus der Fig. 2 ersichtlichen Weise erstellt. Die Kurve A des oberen Teils der Fig. 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 Fig. 2 jeweils ein Binärimpuls erzeugt, wenn der Wert des Meßsignals A kleiner ist als der Wert des erzeugten Rauschsignals, so daß entsprechend dieser Vergleichsoperation eine Folge A′ von Binärimpulsen a _i , _j erzeugt werden, wobei die Folge A′ oder Gesamtheit der Binärimpulse als stochastisches Binärbild bezeichnet wird. Die Anzahl der besetzten Punkte des stochastischen Binärbildes A′ ist dann ein Maß für den Mittelwert, im Ausgangsbeispiel ein Maß für den Mittelwert der Leuchtdichte der aufgenommenen Szene:

Eine Vorrichtung zum Einsatz beim erfindungsgemäßen Verfahren ist schematisch in der Fig. 3 dargestellt. Die Vorrichtung weist einen Komparator 6 auf, 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 Schwellwertsetzer 13, 14 zugeordnet. Das 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.

Das Binärsignal 16 ergibt sich 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) aus gesteuert werden.

Die einzelnen Binärimpulse des getakteten Binärsignals 19 können durch einen Zähler 21 (Fig. 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 (Fig. 1,2) zuzuordnen ist.

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, miteinander verknüpft werden, wobei das Verknüpfungsergebnis im Zähler 24 aufaddiert und in einer Weiterverarbeitungseinheit 26 weiterverarbeitet wird.

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′ | 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′₁ und A′₂, wie er dem im Zähler Z₂ (24) aufsummierten Ergebnisses des Ausgangs des Und-Glieds 23 entspricht.

Sind die Signale A und B unterschiedliche Signale, so ergibt sich 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 Bilder A und B die gleichen sind auf die oben angegebene Varianz (Formel 2).

In einer Schaltungsanordung nach Fig. 4 läßt sich jeder Verschiebungsvektor durch ein Schieberegister erzeugen, das unmittelbar nach der Herstellung des jeweiligen stoachastischen Binärbildes in den Schaltkreis eingefügt wird.

In der Fig. 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 Verschiebeeinheiten 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 bis 34.3 vorgesehen, die die Speicherinhalte zeitlich nacheinander auf andere Einheiten, weiterschalten. Die abgelegten Bilder werden in der Verknüpfungseinheit 36 in Form einer Arithmetisch-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 unter Bezugnahme auf Fig. 4 beschriebenen Weise vorgesehen ist. In dieser Weise ist z. B. die multiplikative Verknüpfung zweier Bilder mit ausschließender Integration mit Hilfe nur einer einzigen Bildverknüpfung, die N² logische Operationen (N Kantenlänge des Bildes) beinhaltet und einem einzigen Zählschritt möglich. Die Schaltungsanordnung der Fig. 5 kann in naheliegender Weise verallgemeinert werden.

Claims (8)

1. Verfahren zum Untersuchen von (zweidimensionalen) Bildern, wie Ultraschallbildern, Fernsehbildern oder dgl., wobei mindestens eine Helligkeitsfunktion des Bildes erzeugt wird, deren Wert jeweils vom Ort im Bild abhängig ist, dadurch gekennzeichnet, daß stationäre Rauschsignale erzeugt werden, daß die Helligkeitsfunktion des Bildes mit mindestens zwei Rauschsignalen verglichen wird, so daß stochastische Funktionen des Bildes oder der Bilder erzeugt werden, daß die stochastischen Funktionen zur Erzeugung stochastischer Binärbilder getastet werden, daß mindestens zwei stochastische Binärbilder logisch zu einem stochastischen Verknüpfungsbild miteinander verknüpft werden, daß nicht nur die stochastischen Binärbilder, sondern auch das oder die Verknüpfungsbilder ausgezählt und die Zählergebnisse arithmetisch verknüpft werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Meßsignale die Helligkeitsfunktion zweier Bilder mit Rauschsignalen verglichen und ein gemeinsames Vorliegen stochastischer Binärbilder durch Erzeugung von Sekundärimpulsen festgestellt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Helligkeitsfunktionen verschiedener Bilder mit Rauschsignalen verglichen werden.

4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Helligkeitsfunktionen durch unterschiedliche elektronische Relativverschiebung einer Ausgangs-Helligkeitsfunktion erzeugt werden.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Vergleich einer Vielzahl um unterschiedliche Werte verschobener Helligkeitsfunktionen mit einer Ausgangs-Helligkeitsfunktion durchgeführt wird.

6. Anordnung zum Untersuchen von Bildern, wie Ultraschallbildern oder dgl. wobei mindestens eine Helligkeitsfunktion des Bildes erzeugt wird, deren Wert jeweils vom Ort im Bild abhängig ist, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorangehenden Ansprüche gekennzeichnet, durch Rauschgeneratoren (11, 12) und einen Komparator (6) dem die Helligkeitsfunktion der Bilder und von den Rauschgeneratoren erzeugte Rauschsignale zugeführt werden.

7. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens einem Komparator ein Schieberegister nachgeschaltet ist.

8. Anordnung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß Komparatoren Speicher (33) nachgeordnet sind, denen Adressier- und Verschiebeinheiten (32) zugeordnet sind; daß eine Arithmetrisch-Logische-Einheit (36) und Zähler (37) sowie ein Steuerrechner (31) vorgesehen sind, wobei letzterer die Tätigkeit von Adreß- und Verschiebeeinheiten (32) sowie Arithmetrisch-Logische-Einheit (36) und Zähler (37) steuert.