DE3787685T2

DE3787685T2 - Optische Bild-Transformationsvorrichtung.

Info

Publication number: DE3787685T2
Application number: DE87110295T
Authority: DE
Inventors: Shintaro Inagaki; Akira Kobayashi
Original assignee: Anritsu Corp
Current assignee: Anritsu Corp
Priority date: 1986-07-18
Filing date: 1987-07-16
Publication date: 1994-02-03
Anticipated expiration: 2007-07-17
Also published as: DE3787685D1; JPH07117380B2; US4800288A; EP0253391A2; EP0253391B1; JPS6326505A; EP0253391A3

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur optischen Bildtransformation und insbesondere auf eine Vorrichtung zur optischen Bildtransformation, welche eine Vielzahl von Photozellen, einen Speicher und einen Funktionsgenerator aufweist und eine Gesamtsumme von Ausgangssignalen der gewünschten Photozellen in Übereinstimmung mit Daten ausgibt, die mit einer Gewichtungsfunktion in Verbindung stehen, die von dem Funktionsgenerator erzeugt und in dem Speicher gespeichert wird, so daß eine zweidimensionale Transformation eines optischen Bildes räumlich-parallel in Echtzeit ausgeführt werden kann.
Die folgenden zwei Typen von Abtastgeräten zum Erfassen und Messen eines optischen Bildes oder eines räumlich verteilten Musters von ausgestrahlten Lichtintensitäten und zum Extrahieren nützlicher Daten sind bekannt.
(1) Ein Gerät zum Transformieren eines Bildes, welches von einem Licht-Empfängerteil erfaßt wird, in elektrische Signale, und zum sequentiellen Ausgeben der Signale wie ein ladungsgekoppeltes Gerät (CCD); und
(2) ein Gerät zum Ausgeben von Signalen in Echtzeit, die simultan in Übereinstimmung mit einer räumlichen Gewichtungsfunktion verarbeitet werden wie ein integrierter räumlicher Filter unter Verwendung eines Schlitzfeldes.
Das zuletzt erwähnte Gerät ist in den folgenden japanischen Patentanmeldungen JP-A 60-155462 "Berührungslose Durchmesser- Meßvorrichtung", JP-A 60-155463 "Berührungslose Durchmesser- Meßvorrichtung", JP-A 60-155464 "Berührungslose Durchmesser- Meßvorrichtung" und JP-A 60-155465 "Berührungslose Durchmesser-Meßvorrichtung" der gleichen Erfinder dieser Erfindung bekannt. In diesen Vorrichtungen wird ein räumlicher Filter vom Typ eines Schlitzfeldes verwendet, wie z. B. ein Photodetektorfeld, welches aus 2n rechteckigen Photodetektoren besteht, welche die gleichen Abmessungen besitzen. Diese Vorrichtungen führen räumlich-parallele Signalverarbeitungen und Ausgangssignale in Echtzeit aus, wobei die Signale Daten umfassen, die mit der Bewegungsgeschwindigkeit eines projizierten kreisförmigen Bildes und seinem Durchmesser in Verbindung stehen.
Darüber hinaus ist als weiteres Beispiel des zuletzt erwähnten Geräts ein "variabler räumlicher Filter" bekannt, der in der japanischen Patentanmeldung JP-A 61-64694 der gleichen Erfinder der vorliegenden Erfindung beschrieben ist. In diesem Filter kann eine Gewichtungsfunktion variabel sein und ein Signalverarbeitungsschema kann auf der Basis der variablen Gewichtungsfunktion modifiziert werden.
Der Artikel "Bildverarbeitung mit Orthogonaltransformation" in Nachrichtentech. Electron., Vol. 35(4), Seiten 152-154 (1985), welches ein weiteres Beispiel des zuletzt erwähnten Gerätes ist, schlägt eine Realisationsmöglichkeit für einen optischen Filter vor, welcher zweidimensionale orthogonale Funktionen von zwei Werten "0" und "1" verwendet als eine optische Übertragungsintensität einer variablen Flüssigkeitskristallmatrix und zum Ausführen räumlicher Filterung in Übereinstimmung mit diesen Funktionen als Gewichtungsfunktionen. Mit dieser Idee kann die Flüssigkeitskristallmatrix als ein optischer Filter dienen, der ein räumliches Übertragungsprofil besitzt in Übereinstimmung mit der zweidimensionalen orthogonalen Funktion, obwohl sie zwei Werte, nämlich "1" und "0" besitzt, d. h. einen Licht übertragenden Zustand und einen Licht abdeckenden Zustand. Noch genauer ist eine Flüssigkeitskristallmatrix nichts anderes als ein räumlicher Filter. Da die Flüssigkeitskristallmatrix eine variable Eigenschaft besitzt, obwohl nur zwei Werte "0" und "1" verwendet werden, können eine Vielzahl von Typen räumlicher Filter selektiv aufgrund von externen Einstellungen realisiert werden.
In den herkömmlichen Vorrichtungen vom gewöhnlichen Typ, wie z. B. CCD, wird ein erfaßtes Bild in zeitserielle elektrische Signale umgewandelt und die Signale werden sequentiell ausgegeben. Eine solche Vorrichtung kann an ein vielseitiges externes Signalverarbeitungssystem angeschlossen werden, verschiedene Arten von Signalverarbeitung ausführen und nützliche Daten extrahieren. Jedoch müssen in solchen Vorrichtungen, wenn die Signale an das Verarbeitungssystem übertragen werden, alle Bilddaten sequentiell übertragen werden und eine vorgegebene Zeitdauer ist für die Bildübertragung erforderlich. Daher kann das Gerät einem Objekt, welches sich schneller als in einer vorbestimmten Zeitdauer bewegt, nicht folgen und kann keine dynamischen Daten für Hochgeschwindigkeitsobjekte erzeugen. Eine herkömmliche Einrichtung, wie z. B. der oben beschriebene integrierte räumliche Filter führt parallele Signalverarbeitung in Übereinstimmung mit einer räumlichen Gewichtungsfunktion aus, um Signale in Echtzeit auszugeben, die nützliche Daten umfassen. Eine solche Einrichtung ist geeignet, dynamische Daten zu erhalten, wie z. B. die Bewegungsgeschwindigkeit und die Richtung von Hochgeschwindigkeitsobjekten. Jedoch ist das Gerät nicht dazu geeignet, die Gewichtungsfunktion zu verändern. Daher ist die Signalverarbeitung in einem solchen Gerät fest eingestellt und kann nicht modifiziert werden.
Der oben erwähnte variable räumliche Filter ist nützlich beim Verändern einer Gewichtungsfunktion in Abhängigkeit von der Bewegungsrichtung eines Objekt und Messen von Bewegungsgeschwindigkeit in verschiedenen Richtungen, aber besitzt nicht die Fähigkeit, eine zweidimensionale Transformation durchzuführen.
Bei der Signalverarbeitung, welche zweidimensionale orthogonale Funktionen verwendet mit der Flüssigkeitskristallmatrix, wie in der oben angegebenen Literaturstelle beschrieben, ist eine Hochspannung erforderlich, um den Flüssigkeitskristall zu treiben. Daher kann ein Schalten mit hoher Geschwindigkeit nicht erreicht werden und die Größe des Geräts kann nicht verkleinert werden.
Angesichts dieser Situation ist die vorliegende Erfindung gemacht worden. Ihre Aufgabe ist es, die Nachteile der herkömmlichen Einrichtungen zu beseitigen und eine Vorrichtung zur optischen Bildtransformation bereitzustellen, welche eine zweidimensionale Transformation in Echtzeit ausführen kann, welche dynamische Daten eines optischen Bildes oder eines Lichtmusters erfassen kann, was von den herkömmlichen Geräten nicht realisiert werden kann und zudem auf einfache Art und Weise die Signalverarbeitung verändern kann.
Insbesondere umfaßt eine Vorrichtung zur optischen Bildtransformation in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung: eine Vielzahl von Photozellen, die zweidimensional in einer einzelnen Licht-Empfangsebene angeordnet sind, zum Ausgeben von Signalen, die den Intensitäten des empfangenen Lichts entsprechen; eine erste Summensignal-Ausgangsleitung zum Empfang der Ausgangssignale von den Photozellen und zum Übertragen einer Summe von Ausgangssignalen; Übertragungsschalter, von denen jeder zwischen einer der genannten Photozellen und der ersten Summensignal-Ausgangsleitung angeordnet ist und die Fähigkeit besitzt, das Ausgangssignal der entsprechenden Photozelle in Übereinstimmung mit einem Steuersignal zu verstärken, dämpfen, übertragen und/oder zu isolieren, um so das Ausgangssignal von der entsprechenden Photozelle zu verstärken oder zu dämpfen und/oder es zu übertragen oder nicht zu übertragen an die erste Summensignal-Ausgangsleitung; einen Verstärker zum Empfang des Signals von der ersten Summensignal- Ausgangsleitung und zum Ausgeben eines diesem entsprechenden Signals; ein Speicher zum Speichern der Steuersignale, einschließlich der Gewichtungsdaten, welche die Verstärkungsfaktoren, einen Dämpfungsfaktor und/oder die Information kennzeichnen, ob die Übertragungsschalter übertragen oder isolieren, und zum Ausgeben der Steuersignale, um zu bewirken, daß die Übertragungsschalter eine Verstärkung, Dämpfung, Übertragung und/oder Isolation ausführen; eine Speichersteuereinrichtung zum Schreiben der Gewichtungsdaten in den Speicher; und einen Funktionsgenerator zum Erzeugen von Gewichtungsdaten von zweidimensionalen Funktionen und Übertragen der Gewichtungsdaten an die Speichersteuereinrichtung.
Die Erfindung kann noch besser von der folgenden detaillierten Beschreibung unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen verstanden werden, welche zeigen:
Fig. 1 ist ein Blockdiagramm, welches schematisch die Vorrichtung zur optischen Bildtransformation gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt.
Fig. 2 ist ein Blockdiagramm, welches schematisch die Anordnung eines weiteren Ausführungsbeispiels zeigt.
Fig. 3 ist eine Detailansicht, welche eine Anordnung in der Nähe des Licht-Empfangsbereichs der Vorrichtung zur optischen Bildtransformation zeigt, welche in Figur l dargestellt ist.
Fig. 4 ist eine Detailansicht einer Anordnung in der Nähe einer Photozelle der Vorrichtung zur optischen Bildtransformation, die in Fig. 1 dargestellt ist.
Fig. 5 ist eine Ansicht, die zweidimensionale Walsh-Funktionen zeigt.
Fig. 6 ist eine teilweise geschnittene Ansicht einer Photozelle, die das andere Ausführungsbeispiel im Detail zeigt.
Fig. 7 ist eine Ansicht, die ein weiteres Ausführungsbeispiel der Anordnung in der Nähe des Licht-Empfangsbereichs und der Photozellen zeigt.
Fig. 8A-8C sind Ansichten, welche die Lichtintensitätsverteilungen von drei quadratischen Bildern zeigen, welche verschiedene Abmessungen besitzen.
Fig. 9A-9C sind Ansichten, die die Walsh-Hadamard-Übertragungsergebnisse von Objekten zeigen, die von einer theoretischen Berechnung entsprechend der Fig. 8A bis 8C erhalten werden.
Fig. 10A-10C sind Ansichten, welche die tatsächlichen experimentellen Ergebnisse entsprechend der Fig. 9A bis 9C zeigen.
In einer Vorrichtung zur optischen Bildtransformation in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung werden Signale von einem ebenen Detektorfeld mit einer variablen Gewichtungsfunktion verarbeitet, um ein Summensignal zu erhalten oder es werden zwei Summensignale erzeugt und die Differenz zwischen ihnen erhalten. Für die Gewichtungsfunktionen werden orthogonale Funktionen, wie z. B. trigonometrische Funktionen, Walsh-Funktionen oder ähnliches verwendet.
Die Beziehung zwischen den zweidimensionalen Funktionen und der zweidimensionalen Transformation, die von der Vorrichtung zur optischen Bildtransformation in dieser Erfindung ausgeführt wird, wird im folgende beschrieben. Wenn im allgemeinen ein zweidimensionales optisches Bild f(x,y) als diskrete Daten definiert ist und die diskreten Daten durch eine Matrix [Fxy] repräsentiert werden, wird eine zweidimensionale Transformation [I&ijlig;] durch eine bestimmte Matrix [Gxy] durch die folgende Gleichung (1) ausgedrückt:
[I&ijlig;] = [Gxy]·[Fxy]·[Gxy]T (1)
wobei [Gxy]T die transponierte Matrix von [Gxy] ist.
[I&ijlig;] umfaßt einen spezifischen Wert, welcher ein Merkmal des Bildes f(x,y) repräsentiert. Er spielt eine wichtige Rolle in der Signalverarbeitung von zweidimensionalen optischen Bildern, um nützliche Daten zu extrahieren.
Die Elemente der Matrix [I&ijlig;] werden wie folgt berechnet:
I&ijlig; = /x /y Gix·Fxy·Gjy (2)
Wenn die Funktion g(i,j,x,y) als Gleichung (3) definiert ist, wird die Gleichung (2) folglich:
g(i,j,x,y) = Gix·Gjy (3)
I&ijlig; = /x /y g(i,j,x,y)·Fxy (4)
Gix wird als eine Funktion von x angesehen und wird eine Transformationsfunktion -ten Grades bezeichnet. Insbesondere, wenn [Gix] eine orthogonale Matrix ist, wird sie eine orthogonale Funktion -ten Grades bezeichnet.
g(i,j,x,y) wird eine zweidimensionale Übertragungsfunktion (i,j)-ten Grades als Erweiterung von Gix genannt. Insbesondere, wenn Gix eine orthogonale Funktion ist, wird sie eine zweidimensionale orthogonale Funktion (i,j)-ten Grades genannt. Wie von der Gleichung (4) ersichtlich, ist das Erhalten einer zweidimensionalen Transformation I&ijlig; gleichwertig dem Multiplizieren einer zu messenden Matrix Fxy mit der Funktion g(i,j,x,y) und dem Bestimmen einer Summe innerhalb einer x-y-Ebene. Die Gleichung (4) kann, wie in der Gleichung (5) gezeigt, erweitert werden:
I&ijlig; = /x /y g(i,j,x,y)·fxy (5)
Man beachte, daß die Gleichung (4) eine diskrete Verarbeitung von fxy in eine rechteckige Matrix mit gleichen Intervallen in vertikaler und horizontaler Richtung repräsentiert. Die Gleichung (5) repräsentiert eine diskrete Verarbeitung von fxy an einem beliebigen zweidimensionalen Punkt. Jedoch ist das Prinzip das gleiche wie in Gleichung (4).
Wie oben beschrieben, sind die folgenden Fähigkeiten für eine Vorrichtung zur optischen Bildtransformation erforderlich, welche eine arithmetische Operation der Gleichung (4) oder (5) mit hoher Geschwindigkeit ausführt:
(1) die Fähigkeit zum Multiplizieren der ausgestrahlten Lichtintensität an dem Lichtempfangspunkt (x, y) mit einer entsprechenden Funktion g(i,j,x,y), um eine Produkt auszugeben;
(2) die Fähigkeit, alle Produkte an den Punkten (x,y) zu addieren;
(3) die Fähigkeit, die oben erwähnten Multiplikationen und Additionen unabhängig vom Vorzeichen des Wertes g(i,j,x,y) auszuführen;
(4) die Fähigkeit, simultan die Multiplikationen und Additionen in Echtzeit auszuführen; und
(5) die Fähigkeit zum externen Verändern des Grades und der Funktion g(i,j,x,y).
Eine Vorrichtung zur optischen Bildtransformation in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung, welche die oben erwähnte parallele und variable Verarbeitung realisieren kann, wird unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben. Fig. 1 zeigt die Anordnung eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung. Eine Vielzahl von Photozellen 1 sind zweidimensional in einer einzelnen Licht- Empfangsebene angeordnet. Diese Photozellen 1 erfassen entsprechend ein optisches Bild oder ein projiziertes Lichtmuster als ein zu messendes Objekt. Zum Beispiel ist jede Photozelle 1 durch eine Silizium-Photodiode realisiert zum Ausgeben eines Photostromes, welcher der ausgestrahlten Lichtintensität entspricht. In Fig. 1 werden vier Photozellen 1 verwendet.
Jede Photozelle 1 ist mit einer ersten und zweiten Summensignal-Ausgangsleitung 2 und 3 verbunden. Die Ausgangsleitungen 2 und 3 sind beispielsweise leitende Drähte, die aus dünnen Metallfilmen hergestellt sind, die auf einem Substrat ausgebildet sind. Diese ersten und zweiten Ausgangsleitungen 2 und 3 empfangen Ausgangssignale von den Photozellen 1 über entsprechende Übertragungsschalter 4 und geben die Summensignale an den Verstärker 5 aus. Noch genauer, die ersten und zweiten Ausgangsleitungen 2 und 3 empfangen Ausgangssignale, wie z. B. die Photoströme von einer oder einer Vielzahl von Photozellen 1 auf das Schalten der Übertragungsschalter 4 hin und geben die Summensignale dieser Ausgangssignale an den Verstärker 5 aus.
Man beachte, daß jeder Schalter 4 die Fähigkeit zum Verstärken, Dämpfen, Übertragen und/oder Isolieren eines Ausgangssignals von der Photozelle 1 in Übereinstimmung mit einem Steuersignal besitzt. Zum Beispiel umfaßt der Schalter 4 vorzugsweise einen Silizium-FET, der im Ansprechen auf eine Gatter-Spannung (das Steuersignal) schalten, übertragen, isolieren, verstärken und dämpfen kann. In der Photo-Übertragungsvorrichtung, welche in Fig. 1 gezeigt ist, sind acht Übertragungsschalter 4 so vorgesehen, daß die Übertragung für alle Kombinationen von 4 Photozellen 1 und ersten und zweiten Summensignal-Ausgangsleitungen 2 und 3 erhalten werden kann. Jedoch kann jeder Schalter 4 ein 2-Ausgangswähler sein, welcher selektiv ein Eingangssignal auf der ersten oder zweiten Ausgangsleitung 2 oder 3 in Übereinstimmung mit dem Steuersignal ausgeben kann. In diesem Fall können vier 2-Ausgangsübertragungsschalter 4 für vier Photozellen 1 verwendet werden.
Der Verstärker 5 gibt ein Differenzsignal aus den zwei Signalen, welche von der ersten und zweiten Ausgangsleitung 2, 3 empfangen werden, an einen Recorder (nicht gezeigt) aus. Der Verstärker 5 ist z. B. ein differentieller Verstärker, welcher von einem analogen Halbleiter realisiert wird.
Der Speicher 6 speichert die Steuersignale, einschließlich der Gewichtungsdaten zum Steuern der Übertragung, der Isolation, der Verstärkungsfaktoren und/oder der Dämpfungsfaktoren für die individuellen Schalter 4. Der Speicher 6 hat die Fähigkeit, die Steuersignale an die Schalter 4 auszugeben. Der Speicher 6 kann beispielsweise durch Flip-Flops von Siliziumtransistoren realisiert werden. Noch genauer, der Speicher 6 speichert die Steuersignale einschließlich der Gewichtungsdaten. Der Speicher 6 gibt Steuersignale an die Schalter 4 aus und veranlaßt jeden der Schalter 4, einen spezifischen Verstärkungs- oder Dämpfungsfaktor mit einem Ausgangssignal der Photozelle 1 zu multiplizieren und/oder das multiplizierte Signal an eine der Ausgangsleitungen 2 und 3, die durch die Gewichtungsdaten gekennzeichnet sind, auszugeben.
Die Speichersteuereinrichtung 7 wird verwendet, um die Gewichtungsdaten in den Speicher 6 zu schreiben. Zum Beispiel umfaßt die Steuereinrichtung 7 Spalten- und Zeilendecodierer, Spaltenauswahlschalter und ähnliches. Der Funktionsgenerator 8 kann einen Wert von zweidimensionalen Funktionen, wie z. B. zweidimensionale Cosinusfunktionen, zweidimensionale Haar- Funktionen oder zweidimensionale Walsh-Funktionen ausgeben. Der Funktionsgenerator 8 kann einen Mikroprozessor oder ähnliches umfassen.
Noch genauer, der Funktionsgenerator 8 gibt den Wert g(i,j,x,y) einer zweidimensionalen Funktion eines entsprechenden Grades (im folgenden als Gewichtungsfunktion bezeichnet) in Übereinstimmung mit dem gewünschten Grad , und ähnlichem von einem externen Gerät aus. Die Gewichtungsdaten veranlassen jeden Übertragungsschalter 4, ein Ausgangssignal von der entsprechenden Photozelle 1 an der x-ten Zeile und an der -ten Spalte mit g(i,j,x,y) zu multiplizieren. Die Gewichtungsdaten werden in den Speicher 6 über die Speichersteuereinrichtung 7 geschrieben.
Wenn g(i,j,x,y) ein positiver Wert ist, überträgt der Schalter 4 das Signal g(i,j,x,y) an die erste Summensignal-Ausgangsleitung 2. Wenn g(i,j,x,y) ein negativer Wert ist, überträgt der Schalter 4 das Signal von g(i,j,x,y) an die zweite Summensignal-Ausgangsleitung 3. Der Verstärker 5 gibt die Differenz zwischen den zwei Signalen, die über die Ausgangsleitungen 2 und 3 übertragen werden, aus. Daher kann eine Operation zum Multiplizieren positiver und negativer Werte von g(i,j,x,y) mit den Ausgangssignalen von der Photozelle l leicht ausgeführt werden.
Man beachte, daß die Photozelle 1 nicht in einer rechteckigen Matrix mit gleichen Intervallen in der horizontalen und vertikalen Richtung angeordnet sein muß, sondern in konzentrischen Kreisen angeordnet sein kann, oder in einer honigkorb-ähnlichen, hexagonalen, sehr dichten Matrix oder ähnlichem angeordnet sein können.
Insbesondere bei dem Verfahren zum Anordnen der Photozellen 1 in einer rechteckigen Matrix mit gleichen Intervallen in der horizontalen und vertikalen Richtung werden Gewichtungsdaten g(i,j,x,y) erzeugt durch Berechnen des Produkts von zwei Werten von eindimensionalen Funktionen, wie g(i,j,x,y) = Gix·Gjy. Verglichen mit anderen Verfahren, in denen sie ohne die Produktoperation berechnet werden, können die Gewichtungsdaten einfacher und mit höherer Geschwindigkeit erzeugt werden.
Zweidimensionale Funktionen, wie beispielsweise Gewichtungsdaten, sind nicht auf die oben beschriebenen beschränkt. Zum Beispiel können verschiedene andere zweidimensionale Funktionen verwendet werden, so daß die Mittelwerte von nebeneinanderliegenden Punkten verwendet werden können, um die Anwendungen zu glätten; ein Gradient kann erfaßt werden unter Verwendung der differentiellen Gewichte; Kanten können verstärkt werden unter Verwendung von Laplac scher Gewichtung usw. Als zweidimensionale Funktionen, insbesondere bei Verfahren unter Verwendung von zweidimensionalen orthogonalen Funktionen, können sie für den Fall, daß zweidimensionale trigonometrische Funktionen verwendet werden, einer zweidimensionalen Frequenzanalyse eines zu messenden Bildes unterworfen werden. Weiterhin können sie als zweidimensionale orthogonale Funktionen, für den Fall, daß zweidimensionale Walsh-Funktionen verwendet werden, einer zweidimensionalen Frequenzanalyse eines zu messenden Bildes unterworfen werden. Auf diese Art kann die Vorrichtung dieses Ausführungsbeispiels bei der Spektralanalyse in einem erweiterten Sinne in einem Spektrum angewandt werden, welches den speziellen verwendeten zweidimensionalen orthogonalen Funktionen entspricht.
Wenn zweidimensionale orthogonale Funktionen als zweidimensionale Funktionen einer Gewichtungsfunktion verwendet werden, sind sie nicht auf die oben erwähnten beschränkt. Zum Beispiel sind verschiedene andere zweidimensionale orthogonale Funktionen, wie z. B. zweidimensionale trigonometrische Funktionen, zweidimensionale Walsh-Funktionen, zweidimensionale Haarfunktionen und ähnliche geeignet, verwendet zu werden. Insbesondere, wenn zweidimensionale Walsh-Funktionen wal(i,j,x,y) als zweidimensionale Funktionen g(i,j,x,y) verwendet werden, nimmt wal(i,j,x,y) nur die zwei Werte "+1" und "-1" an. Daher ist keine Verstärkungs- oder Dämpfungsfähigkeit für die Übertragungsschalter 4 notwendig und der Aufbau kann vereinfacht werden. Daher ist dieser Aufbau insbesondere in einem integrierten Schaltkreis geeignet und eine Vorrichtung zur optischen Bildtransformation mit der Fähigkeit zur zweidimensionalen Frequenzanalyse kann realisiert werden.
Weiterhin können die Übertragungsschalter 4 durch andere Mittel realisiert werden, z. B. können die Schalter 4 durch elektrische Verstärker oder Dämpfer realisiert werden, deren Ausgänge sich in Übereinstimmung mit den Gewichtungsdaten g(i,j,x,y) ändern.
Wenn 2-Ausgangswähler als Übertragsschalter 4 verwendet werden, können die Gewichtungsdaten g(i,j,x,y) mit den Werten "+1" oder "-1" angenähert und zweidimensionale Transformationen ausgeführt werden. Zusätzlich kann der Aufbau vereinfacht werden und eignet sich für einen integrierten Schaltkreis. Wenn binäre Funktionen, wie die zweidimensionalen Walsh-Funktionen wal(i,j,x,y) als die zweidimensionalen Funktionen verwendet werden, kann eine Vorrichtung zur optischen Bildtransformation realisiert werden, die eine zweidimensionale Transformation mit ausreichender Genauigkeit ohne Näherung ausführen kann.
Die Gestalt und der Aufbau der Komponenten der Photo-Transformationsvorrichtung dieser Erfindung ist nicht auf die oben angegebenen Ausführungsbeispiele beschränkt. Daher sind im Falle, daß der Hauptteil integriert ist, um eine integrierte Struktur zu bilden, da diese Struktur Wiederholungen von grundlegenden Komponenten, wie z. B. Photozellenteile, Speicherzellen oder ähnlichem enthält, nur zwei Signalausgangsleitungen erforderlich, unabhängig von der Anzahl der Photozellen. Daher kann eine integrierte Vorrichtung zur optischen Bildtransformation, welche in vorteilhafter Weise die integrierte Halbleiterschaltungstechnik verwendet, realisiert werden. Weiterhin können im Falle, daß eine Vielschichtstruktur von zwei oder mehr Schichten verwendet wird, und die Photozellen in der obersten Schicht vorgesehen sind, die Photozellen nahezu den gesamten Bereich der Licht-Empfangsebene bedecken. Mit dieser Struktur kann die gesamte Fläche der Licht-Empfangsebene effektiv verwendet werden, ohne von einem Speicher, Drahtleitungen oder ähnlichem in Anspruch genommen zu werden. Folglich kann eine integrierte Vorrichtung zur optischen Bildtransformation realisiert werden, welche in vorteilhafter Weise die integrierte Halbleiterschaltungstechnik nützt.
Wenn ein Speicher in verschiedene Teile (Zellen) aufgeteilt ist, um Gewichtungsdaten von individuellen Photozellen zu speichern, und die Teile neben den entsprechenden Photozellen angeordnet sind, kann der Verdrahtungsabstand zwischen jeder Photozelle und dem Speicherteil verkürzt werden. Da der Bereich, welcher von den gesamten Verdrahtungsleitungen beansprucht wird, verringert werden kann, kann eine integrierte Vorrichtung zur optischen Bildtransformation bereitgestellt werden, welche in vorteilhafter Weise die integrierte Halbleiterschaltungstechnik ausnützt.
Fig. 2 zeigt die Anordnung eines weiteren Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung. Die Anordnung dieses Ausführungsbeispiels ist im wesentlichen die gleiche wie im oben beschriebenen Ausführungsbeispiel mit der Ausnahme, daß eine einzelne Summensignal-Ausgangsleitung vorgesehen ist. Daher können in diesem Ausführungsbeispiel positive Werte g(i,j,x,y) verarbeitet werden, aber negative Werte von g(i,j,x,y) können nicht behandelt werden. Wenn negative Werte von g(i,j,x,y) notwendig sind, wird ein vorbestimmter konstanter Ausgleichswert g&sub0; addiert und nicht negative Werte g&sub0;+g(i,j,x,y) werden anstelle von g(i,j,x,y) verwendet, um so den Betrieb zu erlauben.
Fig. 3 und 4 zeigen im Detail die Anordnung des in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiels. Noch näher, Fig. 3 zeigt im Detail in der Anordnung die Nähe eines Licht-Empfangsbereichs, und Fig. 4 zeigt im Detail die Anordnung in der Nähe der Photozellen. In diesem Ausführungsbeispiel werden zweidimensionale Walsh-Funktionen wal(i,j,x,y) als die Gewichtungsdaten g(i,j,x,y) verwendet. Daher wird als Funktionsgenerator 8 ein Walsh-Funktionsgenerator verwendet. Fig. 5 zeigt die zweidimensionale Walsh-Funktion.
Fig. 3 zeigt eine erste und zweite Suiuinensignal-Ausgangsleitung 2 und 3 und eine Speichersteuereinrichtung 7. In Fig. 3 ist das Innere des Licht-Empfangsbereichs 11, in dem Pixel 10 einschließlich Photozellen auf dem Substrat 9 angeordnet sind, schematisch illustriert.
Der Licht-Empfangsbereich 11 umfaßt eine große Anzahl von Pixel 10, welche in einer 32·32 (=1024) Matrix in horizontaler und vertikaler Richtung angeordnet sind. Jedes Pixel 10 ist mit einer einzelnen Wortleitung 12 und einer oder mehr Datenleitungen 13 sowie der Speichersteuereinrichtung 7 verbunden. Wenn diese Leitungen geeignet ausgewählt werden, kann ein willkürliches Pixel gewählt werden und die gewünschten Daten können in eine Zelle eines Speichers in dem gewählten Pixel geschrieben werden. Fig. 3 illustriert die Drahtverbindungen dieser Leitungen für ein einzelnes Pixel 10 aus der Menge von 1024 Pixeln. Jedoch sind tatsächlich die Leitungen mit allen Pixeln 10 verbunden.
Ein wesentliches Merkmal dieser Erfindung besteht in der Anordnung, daß die Summensignal-Ausgangsleitungen für die Ausgangssignale mit allen Pixeln 10 verbunden sind und daß eine Summe von allen Ausgangssignalen von allen Photozellen, die von den Gewichtungsdaten gekennzeichnet sind, simultan an die erste und zweite Ausgangsleitung 2 und 3 in Echtzeit ausgegeben werden. Die Gewichtungsdaten wal(i,j,x,y) nehmen nur zwei Werte "+1" oder "-1" an, wie in Fig. 5 gezeigt. Daher, in Übereinstimmung mit x und y jeder Photozelle, werden alle Ausgänge der Photozellen von wal(i,j,x,y) = +1 mit der ersten Summensignal-Ausgangsleitung 2 verbunden und alle Ausgänge der Photozellen von wal(i,j,x,y) = -1 werden mit der zweiten Summensignal-Ausgangsleitung 3 verbunden. Insbesondere können die Summen von allen Signalen der gewünschten Photozellen in dem Licht-Empfangsbereich 11 über die erste und zweite Summensignal-Ausgangsleitung 2 und 3 in Echtzeit ausgegeben werden.
Fig. 4 zeigt den internen Aufbau eines einzelnen Pixels 10 und die Struktur einer Verdrahtung in der Nähe einer Photozelle 1, um die Ausgangssignale von den Photozellen 1 an die Ausgangsleitungen 2 und 3 über die Übertragungsschalter 4 zu übertragen. In diesem Ausführungsbeispiel ist der Speicher 6 in Teile (Zellen) aufgeteilt, um die Gewichtungsdaten von individuellen Photozellen zu speichern. Die Teile umfassen ein Flip-Flop, ähnlich wie in einem herkömmlichen statischen RAM (SRAM). Wie in Fig. 4 gezeigt, umfaßt in diesem Ausführungsbeispiel ein Pixel zwei Zellen des Speichers 6 und beansprucht eine einzelne Wortleitung 12 und zwei Datenleitungen 13 für jede Zelle des Speichers 6 in der gleichen Art und Weise wie in dem bekannten SRAM. Jedoch wird unter den Datenleitungen für zwei Zellen des Speichers 6 die Datenleitung 13c zum Anzeigen der Adresse jeder Zelle gewöhnlicherweise zusätzlich zu den Datenleitungen 13a und 13b verwendet, um die Inhalte der Zellen anzuzeigen. Daher werden drei Datenleitungen verwendet.
Wenn ein Bit von elektrischen Daten, welche in der entsprechenden Zelle des Speichers 6 gespeichert sind, den logischen Wert "1" besitzt, führt der entsprechende Übertragungsschalter 4 eine Übertragungsoperation aus. Wenn ein Bit der elektrischen Daten, die in einer entsprechenden Zelle des Speichers 6 gespeichert sind, den logischen Wert "0" besitzt, führt er eine Sperroperation aus. Mit dieser Anordnung kann ein Ausgangssignal von einer beliebigen Photozelle 1 an die erste und zweite Summensignal-Ausgangsleitung 2 und 3 ausgegeben werden.
Nachdem die spezifischen Grade und angezeigt sind, wird in diesem Ausführungsbeispiel das interessierende Bild fxy parallel in Echtzeit in Übereinstimmung mit den zweidimensionalen Walsh-Funktionen transformiert, wobei das (i,j)-te Grad- Element I&ijlig; ausgegeben wird. Noch genauer, eine zweidimensionale Frequenzanalyse eines interessierenden Bildes wird parallel ausgeführt, und die (i,j)-Komponente des zweidimensionalen Frequenzspektrums wird in Echtzeit ausgegeben. Daher kann die (i,j)-Komponente eines Frequenzspektrums eines interessierenden Bildes, welches sich mit hoher Geschwindigkeit bewegt oder verändert, in Echtzeit erfaßt werden.
Wenn und mit hoher Geschwindigkeit geschalten werden, kann das zweidimensionale Frequenzspektrum eines interessierenden Bildes sequentiell in Übereinstimmung mit und erfaßt werden. Weiterhin können die Grade und , welche am besten die Merkmale eines interessierenden Bildes repräsentieren, selektiv in einem ersten Schritt eingestellt werden und die Hauptmerkmale eines interessierenden Bildes werden in Übereinstimmung mit dem Ausgangssignal zu diesem Zeitpunkt erfaßt. Dann können detailliertere Merkmale erfaßt werden und die Grade und , die am besten die detaillierten Merkmale repräsentieren, werden in Übereinstimmung mit den Hauptmerkmalen in dem nächsten Schritt bestimmt, und danach wird Schritt für Schritt eine Merkmalsextraktion durchgeführt. Auf diese Art und Weise kann eine Merkmalsextraktion, Musterklassifikation, Gestaltidentifikation, Erkennung und ähnliches eines interessierenden Bildes durchgeführt werden. In diesem Ausführungsbeispiel können verschiedene Messungsoperationen von einer einzelnen Vorrichtung ausgeführt werden.
Fig. 6 zeigt die Anordnung in der Nähe einer Photozelle gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel. In diesem Ausführungsbeispiel sind die Photozellen 1, die erste und zweite Summensignal-Ausgangsleitung 2 und 3, die Übertragungsschalter 4, der Speicher 6 und die Speichersteuereinrichtung 7 in einer Zwei-Schicht-Struktur integriert, wodurch sich eine dreidimensionale integrierte Struktur bildet. In diesem Fall kann, da die Photozellen 1 auf der obersten Schicht angeordnet sind, die gesamte obere Oberfläche einer integrierten Einrichtung effektiv genutzt werden und das gesamte ausgestrahlte Licht empfangen werden. Man beachte, daß der umgebende Bereich, welcher in Fig. 6 nicht gezeigt ist, der gleiche ist wie derjenige in den obigen Ausführungsbeispielen.
Es wurden Gerätemuster hergestellt und eine Überprüfung der Funktion wurde durchgeführt, um die Fähigkeiten dieser Erfindung der Erfinder sicherzustellen. In diesen Mustern ist eine integrierte Struktur in der Nähe des Licht-Empfangsbereichs in Fig. 7 gezeigt. Fig. 7 illustriert vier Photozellen 1, um die Darstellung einfach zu halten. In dem tatsächlichen Gerätemuster sind 256 Photozellen 1 in einer 16 (Zeilen)·16 (Spalten) Matrix integriert. Quadratische Bilder verschiedener Abmessungen wurden von dem Gerätemuster empfangen und eine zweidimensionale Walsh-Hadamard-Transformation wurde ausgeführt. Insbesondere zeigen
Fig. 8A bis 8C projizierte Lichtintensitätsverteilungen von drei quadratischen Bildern verschiedener Abmessungen, welche in dem Experiment verwendet wurden. Fig. 9A bis 9C zeigen die Walsh-Hadamard-Transformationsergebnisse der Bilder, die durch theoretische Berechnung in Übereinstimmung mit den Fig. 8A bis 8C erhalten wurden. Fig. 10A bis 10C zeigen die tatsächlichen experimentellen Ergebnisse. Wie aus diesen Zeichnungen ersichtlich, ist die Operation des Gerätemusters in ausgezeichneter Übereinstimmung mit der Theorie.
In den oben angegebenen Ausführungsbeispielen werden Flip- Flops, welche gleichwertig denjenigen sind, die in SRAMs verwendet werden, als Speicher 6 verwendet. Wenn dagegen die Schaltkreise einer Speicherzelle eines dynamischen RAM (DRAM) verwendet werden, kann die gleiche Operation von kompakten Zellen ausgeführt werden, welche vorteilhafter für die integrierten Schaltungen sind. Wenn ein programmierbarer ROM (PROM) als Speicher 6 verwendet wird, kann eine programmierbare Vorrichtung zur optischen Bildtransformation auf einem einzelnen Chip realisiert werden, bei der voreingestellte Gewichtungen geeignet eingestellt werden können.
Nach der oben beschriebenen Erfindung wurde eine Vorrichtung zur optischen Bildtransformation entwickelt, bei der sowohl dynamische Datenverarbeitung und Transformation erreicht werden kann unter Verwendung einer variablen Gewichtungsfunktion. Diese Vorrichtung zur optischen Bildtransformation besitzt die Fähigkeit zur räumlich-parallelen Signalverarbeitung, die geeignet ist, um zweidimensionale transformierte Daten eines ausgestrahlten und projizierten Bildes zu erhalten und ein Echtzeitsignal auszugeben. Zusätzlich werden im Falle, daß die Gewichtungsdaten zurückgeschrieben werden, verschiedene andere zweidimensionale Transformationsoperationen selektiv von einem einzelnen Gerät ausgeführt. Die Anzahl der Summensignal-Ausgangsleitungen beträgt 1 oder 2, unabhängig von der Anzahl der Photozellen. Daher ist die Struktur der vorliegenden Erfindung geeignet, in einem integrierten Schaltkreis realisiert zu werden.

Claims

1. Vorrichtung zur optischen Bildtransformation zum zweidimensionalen Transformieren der Intensitätsverteilung von empfangenem Licht, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung enthält:

eine Vielzahl von Photozellen (1), die zweidimensional in einer einzelnen lichtempfangenden Ebene angeordnet sind, zum Ausgeben von Signalen, die den Intensitäten des empfangenen Lichts entsprechen;

erste Summensignal-Ausgangsleitungen (2) zum Empfang der Signalausgänge der genannten Photozellen (1) und zum Übertragen einer Summe der Ausgangssignale;

Übertragungsschalteinrichtungen (4), von denen jede zwischen einer der genannten Photozellen (1) und der genannten ersten Summensignal-Ausgangsleitung (2) entsprechend den genannten Photozellen (1) angeordnet ist und die Fähigkeit besitzt, das Ausgangssignal der entsprechenden Photozellen (1) zu verstärken, dämpfen, übertragen und zu isolieren in Übereinstimmung mit einem Steuersignal, um so das Ausgangssignal von den entsprechenden Photozellen (1) zu verstärken oder zu dämpfen und/oder es zu übertragen oder nicht zu übertragen an die genannten ersten Summensignal-Ausgangsleitungen (2);

eine Verstärkereinrichtung (5) zum Empfang des Signals von den ersten Summensignal-Ausgangsleitungen (2) und Ausgeben eines diesem entsprechenden Signals;

eine Speichereinrichtung (6) zum Speichern der Steuersignale einschließlich von Gewichtungsdaten, um die Verstärkungsfaktoren, die Dämpfungsfaktoren und/oder die Information anzuzeigen, ob für die genannten Übertragungsschalteinrichtungen (4) übertragen oder isoliert wird, und Ausgeben der Steuersignale, um zu bewirken, daß die Übertragungsschalteinrichtungen (4) Verstärkung, Dämpfung, Übertragung oder Isolation ausführen;

eine Speichersteuereinrichtung (7) zum Schreiben der Gewichtungsdaten in die genannte Speichereinrichtung (6); und

eine Funktionserzeugungseinrichtung (8) zum Erzeugen der Gewichtungsdaten von zweidimensionalen Funktionen und Übertragen der Gewichtungsdaten an die genannte Speichersteuereinrichtung (7).

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vielzahl von Photozellen (1) in einer rechteckigen Matrix mit gleichen Intervallen in horizontaler und vertikaler Richtung angeordnet sind, die zweidimensionalen Funktionen zweidimensionale Walsh-Funktionen sind, und die Übertragungsschalteinrichtung (4) Übertragungsgatter umfaßt, welche abgesperrt werden können.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Photozellen (1), die Summensignal- Ausgangsleitungen (2), die Übertragungsschalteinrichtungen (4), die Speichereinrichtung (6) und die Speichersteuereinrichtung (7) integriert sind, um eine integrierte Struktur zu bilden.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Photozellen (1), die Summensignal-Ausgangsleitungen (2), die Übertragungsschalteinrichtungen (4), die Speichereinrichtung (6) und die Speichersteuereinrichtung (7) in einer Vielschichtstruktur von zwei oder mehr Schichten integriert sind, wodurch sie eine dreidimensionale integrierte Struktur bilden.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie zweite Summensignal-Ausgangsleitungen (3) umfaßt, zum Empfangen der Ausgangssignale der genannten Photozellen (1) und zum Übertragen einer Summe der Ausgangssignale, und dadurch gekennzeichnet, daß jede der genannten Übertragungsschalteinrichtungen (4) zwischen einer der genannten Photozellen (1) und den genannten ersten und zweiten Summensignal-Ausgangsleitungen (2, 3) in Übereinstimmung mit den Photozellen (1) angeordnet ist und die Fähigkeit besitzt zum Verstärken, Dämpfen, Übertragen und Isolieren des Ausgangssignals von der entsprechenden Photozelle (1) in Übereinstimmung mit einem Steuersignal, um so selektiv das Ausgangssignal von der entsprechenden Photozelle (1) zu übertragen oder nicht zu übertragen an eine der genannten ersten und zweiten Summensignal- Ausgangsleitungen (2, 3) nach dem Verstärken oder Dämpfen des Ausgangssignals, wobei die Verstärkereinrichtung (5) die Signale von den ersten und zweiten Summensignal- Ausgangsleitungen (2, 3) empfängt und die Differenz zwischen ihnen ausgibt, und die Speichereinrichtung (6) die Steuersignale speichert, einschließlich der Gewichtungsdaten zum Anzeigen der Verstärkungsfaktoren der Dämpfungsfaktoren und der Information, ob die Übertragungsschalteinrichtung (4) überträgt oder isoliert wird, und die Steuersignale ausgibt, um zu bewirken, daß die Übertragungsschalteinrichtung (4) eine Verstärkung, Dämpfung, Übertragung und Isolation ausführt.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Vielzahl von Photozellen (1) in einer rechteckigen Matrix mit gleichen Intervallen in horizontaler und vertikaler Richtung angeordnet sind, daß die zweidimensionalen Funktionen zweidimensionale Walsh-Funktionen sind, und daß die Übertragungsschalteinrichtungen (4) Doppelausgangswähler aufweist, welche selektiv die Signale an eine der ersten und zweiten Summensignal-Ausgangsleitungen (2, 3) ausgeben können.

7. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Photozellen (1), die ersten und zweiten Summensignal-Ausgangsleitungen (2, 3), die Übertragungsschalteinrichtungen (4), die Speichereinrichtung (6) und die Speichersteuereinrichtungen (7) integriert sind, um eine integrierte Struktur zu bilden.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5, 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Photozellen (1), die ersten und zweiten Summensignal-Ausgangsleitungen (2, 3), die Übertragungsschalteinrichtungen (4), die Speichereinrichtung (6) und die Speichersteuereinrichtung (7) in einer Vielschichtstruktur von zwei oder mehr Schichten integriert sind, wodurch sie eine dreidimensionale integrierte Struktur bilden.