DE3711918C2 - Verfahren zur automatischen Verfolgung von jeweils einem Teilchen unter mehreren Teilchen - Google Patents
Verfahren zur automatischen Verfolgung von jeweils einem Teilchen unter mehreren TeilchenInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur automatischen Verfol
gung von jeweils einem Teilchen unter mehreren Teilchen, wie
es aus der DE 30 22 111 A1 bekannt ist.
Ein Verfahren ähnlicher Art ist in der DE-PS 29 05 118 be
schrieben. Es ist jedoch sehr kompliziert aufgebaut. Zur
Ausmessung von Teilchengemengen mit inhomogener Geschwindig
keitsverteilung ist es ungeeignet. Eine Punktverfolgung
erweist sich ebenfalls als nicht durchführbar.
Desweiteren ist aus der US 4,220,967 ein System bekannt, bei
dem in aufeinanderfolgenden Bildern strukturierte Gegenstände
anhand ihres Pixelmusters erkannt werden. Dabei ist es nicht
möglich gleichartige Gegenstände zu erkennen.
Die der Erfindung gestellte Aufgabe besteht darin, das e.g.
Verfahren derart zu gestalten, daß mit ihm Einzelteilchen auf
einem Bild verfolgbar und ihre Geschwindigkeiten bzw. deren
Geschwindigkeitsverteilung, insbesondere von Partikeln in
Sedimentationszellen, bestimmbar sind.
Die Lösung ist in den Merkmalen des Anspruches 1 beschrieben.
Die übrigen Ansprüche geben vorteilhafte Weiterbildungen und
Ausführungsformen der Erfindung an.
Eine Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens besteht aus
einer CCD-Kamera, mit der ein Fernsehbild z. B. aus einer Sedi
mentationszelle aufgenommen wird, einem Hardwaremodul, in dem
die Bilder verarbeitet werden und einem Terminal, an dem die
Geschwindigkeit der Teilchen angezeigt wird. Das Hardwaremodul
wählt ein Partikel aus, bestimmt dessen Geschwindigkeit und
gibt den Wert auf den Bildschirm des Terminals aus, wenn der
minimale Verfolgungsweg überschritten ist.
Um auch Teilchen zu verfolgen, die nur teilweise registrierbar
sind, weil sie z. B. aus der Schärfeebene laufen, kann die Ge
schwindigkeit der Teilchen aus den vorhandenen Daten bestimmt
und bei Verschwinden des Teilchens das Bildfenster mit der er
rechneten Geschwindigkeit nachgeführt werden.
Damit Teilchen auch bei verschiedenen Geschwindigkeiten sicher
registriert werden können, wird der Bildfensterrand in Bewe
gungsrichtung soweit verschoben, daß das Teilchen im nächsten
Bildfeld noch reintrifft.
Zur Bestimmung der Geschwindigkeitsverteilung eines Teilchens
wird zu jedem Halbbild die Position des Teilchens gespeichert
und dann daraus die Verteilung bestimmt.
Die gesamte Elektronik ist auf einer einzigen Europakarte
unterzubringen und kann daher leicht in einem etwas vergrößer
ten Gehäuse der Sedimentationszelle untergebracht werden.
Durch Mitführen einer Maske wird demnach nur das Teilchen aus
gewählt, das über das Bildfeld zu verfolgen ist. Die Maske
wird aus den jeweils letzten Koordinaten des Bildpunktes unter
Berücksichtigung der aktuellen Geschwindigkeit berechnet. Die
Maske wird teils mit Hardware teils durch Software erzeugt.
Die Funktionsweise und der Aufbau einer
Schaltungsanordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen
Verfahrens wird mittels zweier Ausführungsbeispiele anhand der
Fig. 1 und 2 näher erläutert, wobei die Schaltungsanordnung
gemäß Fig. 2 lediglich eine Variation derjenigen gemäß Fig.
1 dargestellt.
Funktionsablauf gemäß Fig. 1:
Das Bild wird mit einer Fernsehkamera 17 aufgenommen und dort in ein serielles Signal 72 umgewandelt. In der Elektronik läuft synchron zum Lesestrahl in der Kamera 17 ein Zähler 2, 12 mit, so daß jedem Bildpunkt ein Zählerwert 51, 59 zugeord net wird. Übersteigt das Videosignal einen bestimmten Wert, ist also ein helles Objekt 0 vorhanden, dann wird der Zähler stand 51, 59 der der Position des Teilchens 0 entspricht, ab gespeichert. Der Zählerstand 51, 59 unterteilt sich in Hori zontal 51- und Vertikalkomponente 59. Vom Horizontalzähler 2 wird ein bestimmter Betrag a abgezogen und in dem Register 3 gespeichert, dann wird ein Wert b dazugezählt und in dem Re gister 5 gespeichert. Die Ausgänge dieser Register 54, 55 sind je mit einem Vergleichbaustein 4, 6 verbunden, der dann ein Signal 66, 67 abgibt, wenn Zählerstand 51 und Registrierwert 54, 55 übereinstimmen. Mit diesen beiden Signalen 66, 67 schaltet man ein Flipflop 11 ein und aus, so daß aus dem Bild feld ein Bildstreifen 68 ausgewählt wird. Auf dieselbe Art wird mit der Vertikalkomponente verfahren. Beide Streifen 68, 69 werden AND verknüpft, so daß im Bildfeld ein Bildfenster 70 entsteht. Das Eingangssignal 71 wird mit dem Bildfenster so AND verknüpft, daß nur noch Objekte 0 registriert werden, die im Bildfenster 70 liegen. Macht man nun das Bildfenster 70 und die Dichte der Teilchen 0 so klein, daß nur noch ein Teilchen 0 registriert wird, dann kann man ein Teilchen 0 auswählen und es verfolgen. Die Bildfensterkoordinaten 56, 67, 60, 62 werden nach jedem Bildfeld durch den oben angegebenen Vorgang an die jeweilige Position 51, 59 des Teilchens 0 angepaßt. Die maxi male Geschwindigkeit ergibt sich daraus, daß das Teilchen 0 in dem auf dem positionsbestimmenden Vorgang folgenden Bildfeld sich noch im Bildfeld 70 befinden muß.
Das Bild wird mit einer Fernsehkamera 17 aufgenommen und dort in ein serielles Signal 72 umgewandelt. In der Elektronik läuft synchron zum Lesestrahl in der Kamera 17 ein Zähler 2, 12 mit, so daß jedem Bildpunkt ein Zählerwert 51, 59 zugeord net wird. Übersteigt das Videosignal einen bestimmten Wert, ist also ein helles Objekt 0 vorhanden, dann wird der Zähler stand 51, 59 der der Position des Teilchens 0 entspricht, ab gespeichert. Der Zählerstand 51, 59 unterteilt sich in Hori zontal 51- und Vertikalkomponente 59. Vom Horizontalzähler 2 wird ein bestimmter Betrag a abgezogen und in dem Register 3 gespeichert, dann wird ein Wert b dazugezählt und in dem Re gister 5 gespeichert. Die Ausgänge dieser Register 54, 55 sind je mit einem Vergleichbaustein 4, 6 verbunden, der dann ein Signal 66, 67 abgibt, wenn Zählerstand 51 und Registrierwert 54, 55 übereinstimmen. Mit diesen beiden Signalen 66, 67 schaltet man ein Flipflop 11 ein und aus, so daß aus dem Bild feld ein Bildstreifen 68 ausgewählt wird. Auf dieselbe Art wird mit der Vertikalkomponente verfahren. Beide Streifen 68, 69 werden AND verknüpft, so daß im Bildfeld ein Bildfenster 70 entsteht. Das Eingangssignal 71 wird mit dem Bildfenster so AND verknüpft, daß nur noch Objekte 0 registriert werden, die im Bildfenster 70 liegen. Macht man nun das Bildfenster 70 und die Dichte der Teilchen 0 so klein, daß nur noch ein Teilchen 0 registriert wird, dann kann man ein Teilchen 0 auswählen und es verfolgen. Die Bildfensterkoordinaten 56, 67, 60, 62 werden nach jedem Bildfeld durch den oben angegebenen Vorgang an die jeweilige Position 51, 59 des Teilchens 0 angepaßt. Die maxi male Geschwindigkeit ergibt sich daraus, daß das Teilchen 0 in dem auf dem positionsbestimmenden Vorgang folgenden Bildfeld sich noch im Bildfeld 70 befinden muß.
Als Startbildfenster 70 wird ein breites Rechteck quer zur Be
wegungsrichtung gewählt, um alle Teilchen 0 zu detektieren.
Ist ein Teilchen 0 erkannt, dann wird das Bildfenster 70 so
klein wie möglich gehalten, um eine Beeinflussung von weiteren
Teilchen 0 zu vermeiden.
Nimmt man an, daß sich die Teilchen gradlinig in vertikaler
Richtung bewegen, dann kann man durch Zählen der Zeilen den
Weg und durch Zählen der Halbbilder die Zeit und aus den bei
den Werten die Geschwindigkeit des Teilchens gewinnen.
Beschreibung der Schaltungsanordnung gemäß Fig. 1:
Der 10 MHz Taktgenerator 1 triggert mit dem Ausgangssignal 50 den Zähler 2, der beim Zeilenrücklauf der Kamera 17 durch das Zeilensynchronsignal 58 zurückgesetzt wird. Der Zählerstand 51 ist dann synchron zur horizontalen Bewegung des Lesestrahls in der Kamera 17. Der Vergleicher 4 vergleicht das horizontale Zählsignal 51 mit einem Startwert 54, der im Register 3 abge speichert ist. Ist das Signal 51 gleich dem Signal 54, dann erzeugt der Vergleicher 4 ein Ausgangssignal 67, das das Flipflop 11 einschaltet. Im Register 5 ist der horizontale Stopwert 55 gespeichert, der im Vergleicher 6 mit dem Horizontalzählsignal 51 verglichen wird. Wenn der Zählerwert 51 gleich dem Stopwert 55 ist, erzeugt der Vergleicher 6 ein Signal 66, das das Flipflop zurücksetzt. Am Ausgang des Flipflops 11 steht jetzt ein horizontales Ausgangssignal 68, das mit dem vertikalen Austastsignal 69 im AND-Gatter 14 ver knüpft wird. Das vertikale Austastsignal 69 entsteht wie folgt:
Der 10 MHz Taktgenerator 1 triggert mit dem Ausgangssignal 50 den Zähler 2, der beim Zeilenrücklauf der Kamera 17 durch das Zeilensynchronsignal 58 zurückgesetzt wird. Der Zählerstand 51 ist dann synchron zur horizontalen Bewegung des Lesestrahls in der Kamera 17. Der Vergleicher 4 vergleicht das horizontale Zählsignal 51 mit einem Startwert 54, der im Register 3 abge speichert ist. Ist das Signal 51 gleich dem Signal 54, dann erzeugt der Vergleicher 4 ein Ausgangssignal 67, das das Flipflop 11 einschaltet. Im Register 5 ist der horizontale Stopwert 55 gespeichert, der im Vergleicher 6 mit dem Horizontalzählsignal 51 verglichen wird. Wenn der Zählerwert 51 gleich dem Stopwert 55 ist, erzeugt der Vergleicher 6 ein Signal 66, das das Flipflop zurücksetzt. Am Ausgang des Flipflops 11 steht jetzt ein horizontales Ausgangssignal 68, das mit dem vertikalen Austastsignal 69 im AND-Gatter 14 ver knüpft wird. Das vertikale Austastsignal 69 entsteht wie folgt:
Das Horizontalsynchronsignal 58 der Kamera 17 triggert den
Zeilenzähler 12, der am Ende eines Halbbildlaufes der Kamera
17 durch das Vertikalsynchronsignal 80 zurückgesetzt wird. Der
Zählerstand 51 ist dann synchron zur vertikalen Bewegung des
Lesestrahls in der Kamera 17. Der Vergleicher 8 vergleicht das
vertikale Zählsignal 59 mit einem Startwert 60, der im Re
gister 7 abgespeichert ist. Ist das Signal 59 gleich dem
Signal 60, dann erzeugt der Vergleicher 8 ein Ausgangssignal 64,
das das Flipflop 13 einschaltet. Im Register 9 ist der
vertikale Stopwert 62 gespeichert, der im Vergleicher 10 mit dem
Vertikalsignal 59 verglichen wird. Wenn der Zählwert 59 gleich
dem Stopwert 62 ist, erzeugt der Vergleicher 10 ein Signal 65,
das das Flipflop 13 zurücksetzt. Am Ausgang des Flipflops 13
steht jetzt ein vertikales Ausgangssignal 69.
Das horizontale Bildfenstersignal 68 und das vertikale Bild
fenstersignal 69 werden im AND-Gatter verknüpft. Das Ausgangs
signal 70 ist ein Bildfenstersignal, das nur dann 1 ist, wenn
sich der Schreibstrahl der Kamera 17 innerhalb des Bild
fensters 70 befindet, das durch die Werte 54, 55, 60 und 62
der Register 3, 5, 7 und 9 bestimmt wird. Das Videosignal 77
wird im Schwellwertdiskriminator 16 so schwellwertdiskrimi
niert, daß das Ausgangssignal 71' bei den zu beobachtenden
Punkten 1 ist. Das Signal 71 wird dann dem Bildfenster 70 in
15 AND-verknüpft. Befindet sich ein Teilchen im Bildfeld 70,
dann werden die Zählerstände 51 und 59 in den Registern 18 und
19 abgespeichert. Die Position des Teilchens 0 ist also dann
in den Registern 18 und 19 abgespeichert. Aus diesen Werten 75
und 74 werden dann durch Addition in den Addierern 20 und 22
mit den Konstanten b und d die horizontalen und vertikalen
Stopwerte 63 und 56 berechnet. Die Startwerte 57 und 61 werden
erhalten, indem man von den Registerwerten 74 und 75 die Kon
stanten a und c in den Subtrahierern 21 und 23 subtrahiert und
so die Startwerte 57 und 61 erhält. Ist der Bildaufbau der Ka
mera 17 beendet, speichert das Vertikalsynchronsignal 80 die
Werte 57, 56, 61 und 63 in die Start- und Stopregister 3, 5, 7
und 9 ab, die dann beim neuerlichen Bildaufbau der Kamera 17
das Bildfenster 70 neu bestimmen.
Das Bildfenster 70 wird also durch die Position des Teilchens
0 bestimmt. Um bei höheren Geschwindigkeiten des Teilchens 0
zu gewährleisten, daß das Teilchen 0 im nächsten Halbbild der
Kamera 17 wieder in das Bildfeld 70 trifft, paßt man die Kon
stanten a, b, c und d entsprechend an.
Der Computer 81 liest die Teilchenpositionen 74, 75 und er
rechnet daraus die Teilchengeschwindigkeit, die dann zu einem
Ausgabegerät 83 geleitet wird.
Wenn eine Messung eines Teilchens 0 beendet ist, wird das
Bildfenster 70 durch Setzen der Werte 74, 75 durch den Computer
81 neu gesetzt.
Fig. 2 zeigt eine Alternative zur Schaltungsanordnung gemäß
Fig. 1.
Der Funktionsablauf ist wie e.g. mit dem Unterschied, daß die
Komponenten 23, 22, 80, 21, 20, 7, 9, 8, 10, 13, 18 durch den
Mikroprozessor 100, der durch das Programm im Speicher 101 ge
steuert wird, ersetzt werden.
Claims (4)
1. Verfahren zur automatischen Verfolgung von jeweils einem
Teilchen unter mehreren Teilchen, das sich als Signalpunkt
über ein von einer Aufnahmeeinrichtung erfaßtes und darge
stelltes Bild der Teilchen bewegt und dessen Geschwindig
keit aus der zeitlichen Änderung der Position des Signal
punktes bestimmt wird, wobei
- a) das Bild in ein serielles Signal (72) umgewandelt wird,
- b) synchron zum Lesestrahl in der Aufnahmeeinrichtung (17) jedem Bildpunkt im Bildfeld ein Zählerwert (51, 59) zu geordnet wird,
- c) als Startbildfenster (70) im Bildfeld ein breites Rechteck quer zur Bewegungsrichtung gewählt wird, um alle Teilchen (0) zu detektieren,
- d) nach Erkennen eines Teilchens (0) jeweils mit zwei Hori zontal- und Vertikalsignalen aus dem Bildfeld zwei Bild streifen (68, 69) ausgewählt werden, deren Schnittfläche ein Bildfenster (70) ergibt, das derart ausgelegt wird, daß nur ein Einzelteilchen (0) in dem Bildfenster (70) erfaßt wird, und
- e) mit dem Bildfenster (70) dieses Einzelteilchen (0) ver folgt wird, wobei das Bildfenster (70) aus den jeweils letzten Koordinaten des Signalpunktes unter Berücksich tigung der aktuellen Geschwindigkeit des Einzelteilchens (0) berechnet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur
Bestimmung der Geschwindigkeitsverteilung zu jedem Halbbild
die Position des Einzelteilchens (0) gespeichert und dann
daraus die Verteilung bestimmt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
daß die Einzelteilchen (0) Partikel in Sedimentationszellen
sind.
4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
daß die Einzelteilchen (0) Ionen in Elektrophoreseapparatu
ren sind.
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