DE3875726T2 - Kurven-nachfahrgeraet. - Google Patents

Description

• Diese Erfindung ist ein Gerät zum automatischen Folgen einer Kurve, die im wesentlichen in einer Ebene liegt, und zum Erzeugen digitaler Ausgabesignale, die die mathematische Gestalt und/oder den Ort der Kurve anzeigen.
• Zu Beginn sollte verstanden werden, daß die Verwendung des Wortes "Kurve" allgemein bestimmt ist, alle Linien abzudecken, ob gerade oder mit einem endlichen Radius. Eine gerade Linie, wie leicht ersichtlich, ist einfach eine Kurve mit einem Radius von unendlich. Kurvenfolger nach dem Stand der Technik fallen in zwei Kategorien. Die erste sind die Folger, die Einfach- oder Doppelsensoren verwenden, um Punkte auf einer Linie zu erfassen und auf die Weise auf eine Richtung zu schließen und damit eine durchgehende Linie zu verfolgen. Es gibt kein kommerziell erhältliches Gerät, das diese Methode anwendet und dem Anmelder bekannt ist und welches verwendet werden kann zum Digitalisieren von Zeichnungen in einer derartigen Weise, daß sie sogleich von einer computer-unterstützten Entwurfs-Software wiedergewonnen werden kann und verwendet werden kann. Die zweite dem Anmelder bekannte Kategorie sind jene Linienfolger; die Matrixsensoren verwenden und die Zeichnung abtasten, um ein digitales (Raster- oder Pixel-) Abbild oder Bild des Objektes zu erzeugen und aufzunehmen; dieses Bild kann dann durch Computersoftware analysiert werden, zum Beispiel CAD, die Bildverarbeitung und andere Methoden, wie zum Beispiel "Kantenverbesserung" (edge enhancement) verwenden, um geometrische Figuren zu identifizieren und die Figuren in Vektorformat aufzunehmen. Das sich ergebende vektorisierte Abbild ist eine gute Annäherung der tatsächlichen Linienzeichnung und besteht aus einer Sammlung von Linien und Bögen, aber keine "Intelligenz" ist damit verbunden; der Anwender muß dann CAD-Software verwenden, um das sich ergebende Bild nachzuprüfen und die notwendige Intelligenz der Zeichnung zuzuordnen.
• In GB-A-21 69 074 ist ein Kurvenfolgesystem offenbart, das digitale Ausgabesignale erzeugt, die die Kurvengestalt oder deren Ort anzeigen. Eine optische Abtasteinrichtung enthält viele einzelne optische Sensoren (250 x 400 Pixel), die in einer zweidimensionalen Matrix angeordnet sind, die ein Sichtfenster festlegt. Videosignale, die von der Kamera gesendet wurden, werden in einer Schwellenerfassungseinrichtung, in einem Datenblockaufnehmer und einem Computer verarbeitet. Diese Pixel, die Reflexionen von der Linie registrieren erzeugen Signale von einer Spannung, während die übrigen Pixel Hintergrundreflexionen registrieren, die Signale einer anderen Spannung erzeugen. Beide Mengen von Pixelsignalen werden digitalisiert und in Binär-Bitform gespeichert. Die Verarbeitungseinrichtung erhält die digitalen Videodaten und berechnet gerade Liniensegmente, die als Vektorkomponenten dienen, die sich der Kurve am besten anpassen, d.h. von P zu P+1, etc., siehe Figur 11. Diese die Kurve beschreibenden Vektorsignale werden in geeignete Antriebssignale umgewandelt und verwendet, um den Abtastkopf zu bewegen.
• Die vorliegende Erfindung nimmt einen vollkommen unterschiedlichen Ansatz gegenüber allen bekannten Anordnungen. Die vorliegende Erfindung verwendet Matrixsensoren, um ein Linienabbild zu verfolgen, entwickelt eine mathematische Darstellung der Linie (wobei bestimmten Anwendungsbeschränkungen genügt wird), ordnet "echte" Koordinaten- und Abmessungswerte zu, während die Linie nachverfolgt wird (unter Berücksichtigung von Maßstab und Orientierung), wandelt direkt um und speichert die mathematischen (vektorisierten) Kurven in einem geeigneten Format zur Wiedergewinnung durch CADD-Software, ordnet Attribute zu (wie zum Beispiel Höhe oder Temperatur zu Konturen), gemäß anwendungsspezifischen Kriterien. Meine Erfindung ist in der Lage, ein Gebiet gemäß einem vorbestimmten Suchalgoritmus abzutasten, um eine Linie zu finden, um sie nachzuverfolgen, und in der bevorzugten Ausführungsform meiner Erfindung lehre ich die Anwendung einer optischen Sensormatrix, die unter dem Warenzeichen "Optic RAM" von Micron Technology Inc. verkauft wird, und einer einfachen Linse, um eine Linie auf einer Maßstabszeichnung zu beobachten; meine Erfindung ist jedoch nicht auf optisches Erfassen begrenzt.
• In weit zusammenfassenden Begriffen stellt meine Erfindung, die in Anspruch 1 festgelegt ist, ein Gerät zum automatischen Folgen einer Kurve bereit, die im wesentlichen in einer Ebene liegt, und zum Erzeugen digitaler Ausgabesignale, die die mathematische Gestalt und/oder den Ort der Kurve anzeigen, wobei der Apparat aufweist: (a) Abtasteinrichtungen zum Abtasten von inkrementellen Abschnitten der Kurve, (b) einen Antriebsmechanismus mit einer Halteeinrichtung und einer steuerbaren Einrichtung zum inkrementellen Bewegen der Halteeinrichtung wahlweise entlang einer ersten oder X-Achse und auch entlang einer dazu senkrechten zweiten oder Y-Achse, wobei der Antriebsmechanismus in der Nähe der Kurve plaziert werden kann, (c) eine Einrichtung, die die Abtasteinrichtungen an der Halteeinrichtung zur Bewegung damit befestigt und (d) eine Verarbeitungseinrichtung, die verbunden ist, um die Ausgabesignale von den Abtasteinrichtungen zu empfangen, wobei die Verarbeitungseinrichtung eine Verbindung zurück zum Antriebsmechanismus aufweist und auch einen oder mehrere Ausgänge an einen Anwender und/oder Anwenderapparat bereitstellt.
• Die Abtasteinrichtung des vorigen Absatzes ist gekennzeichnet durch eine große Anzahl von einzelnen Sensoren, die einheitlich in einer zweidimensionalen Matrix zusammengruppiert sind, so daß ein Sichtfenster festgelegt wird. Die Matrix hat einen ersten Referenzrahmen von Koordinaten und eine im wesentlichen ebene Stirnfläche. Die Abtasteinrichtung enthält weiterhin Einrichtungen (folgend einem Kontkkt der ebenen Stirnfiäche der Matrix mit einem ersten Abschnitt der Kurve) zum Erzeugen von Signalen einer ersten Erfassung für diese Sensoren der Matrix, die registerhaltig mit der Kurve sind, und zum Erzeugen von Signalen einer zweiten Erfassung für diese Sensoren der Matrix, die nicht registerhaltig mit der Kurve sind, und schließt Einrichtungen ein, einschließlich einer Ausgabeeinrichtung zum Erzeugen digitaler Ausgabesignale (manchmal nachfolgend "Bit-Signale") der ersten Erfassung für alle Sensorsignale der ersten Erfassung. Die vorgenannte Verarbeitungseinrichtung schließt weiterhin ein: eine Modelliereinrichtung, eine Koordinatentransformiereinrichtung, eine Datenstapeleinrichtung, eine Betriebsartensteuereinrichtung, eine Befehlserzeugungseinrichtung, eine Sensorsteuereinrichtung, eine Vektorisiereinrichtung und eine Speichereinrichtung.
• Meine Erfindung stellt einen Apparat bereit mit der vorgenannten Funktion, die nicht wirklich in bekannten Geräten verfügbar ist und stellt weiterhin einen solchen Apparat bereit mit einer sehr schnellen Antwortzeit, wodurch schnelles und effizientes Kurvenfolgen ermöglicht wird, wie in größerem Detail unten beschrieben ist. Mein Apparat ist sehr vielseitig darin, daß er geraden Linien folgen wird, kreisförmigen Bögen, Linien- und Bogenkombinationen, offenen oder geschlossenen Konturen (Splines), Bauzeichnungen, durchgehenden Linien oder Kurven und nichtdurchgehenden oder gestrichelten Kurven. Der Apparat ist weiterhin in der Lage, Linienkreuzungen zu behandeln durch Notierung des Kreuzungspunktes und Stapelung dieser Information zur weiteren Benutzung, wenn gewünscht.
• Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung in Verbindung mit der Zeichnung.
• In der Zeichnung zeigen:
• Fig. 1 ein Blockdiagramm der Erfindung;
• Fig. 2 eine halbbildliche Ansicht einiger der Schlüsselelemente meiner Erfindung;
• Fig. 3 ein Blockdiagramm meiner Erfindung, welches im beträchtlichen Detall die einzelnen Hardware- und/oder Software- und/oder Bedienerfunktionen zeigt;
• Fig. 4 eine Analyse einer Linie, die von dem Abtastgerät betrachtet wird, wobei sowohl das momentane Sichtfenster, als auch das nächste Sichtfenster gezeigt ist;
• Fig. 5 Beispiele von Kurven und Figuren, die gefolgt oder nachverfolgt werden können von meinem Apparat;
• Fig. 6 Beispiele von nichtdurchgehenden Linien, die von meinem Apparat nachverfolgt werden können;
• Fig. 7 Beispiel einer Umwandlung von einer handgezeichneten Kurve in eine maschinengezeichnete geometrische Form;
• Fig. 8 Abbild einer Konturzeichnung, die von dem Apparat meiner Erfindung gefolgt werden kann;
• Fig. 9 Abbild eines Paares kreuzender Linien oder Kurven;
• Fig. 10 eine schematische Skizze eines optischen RAM-Sensors, der als Abtasteinrichtung verwendet werden kann; und
• Fig. 11 schematische Darstellung eines Abschnitts der Abtasteinrichtung von Fig. 10, die eine große Anzahl von einzelnen Sensoren zeigt, die einheitlich in einer zweidimensionalen Matrix zueinander gruppiert sind.
• Bezugnehmend auf Figur 1 zeigt ein vereinfachtes Blockdiagramm der Erfindung einen Apparat zum automatischen Folgen einer Kurve 10, die im wesentlichen in einer Ebene 12 liegt und zum Erzeugen digitaler Ausgabesignale, die die mathematische Gestalt und/oder den Ort der Kurve anzeigen. Nach Fig.1 ist eine Abstasteinrichtung 20 bereitgestellt zum Abtasten inkrementeller Abschnitte der Kurve 10, wobei die Abtasteinrichtung eine große Anzahl von einzelnen Sensoren aufweist, die einheitlich in einer zweidimensionalen Matrix 22 zueinander gruppiert sind. Die Matrix weist eine im wesentlichen ebene Stirnfläche auf (siehe Figuren 10 und 11) und legt ein Sichtfenster fest. Ein Antriebsmechanismus 30 mit einer Halteeinrichtung 30' ist angepaßt, um gesteuert zu werden zum inkrementellen Bewegen der Halteeinrichtung wahlweise entlang einer ersten oder X-Achse 12X und auch entlang einer dazu senkrechten zweiten Y-Achse 12Y, wobei die Achsen 12X und 12Y eine Ebene 12 festlegen. Geeignete Einrichtungen 35 sind vorgesehen zum Anbringen der Abtasteinrichtung 20 an die Halteeinrichtung 30' zur Bewegung damit entlang der X- und Y-Achse, wobei die ebene Stirnfläche der Matrix 22 (dessen Stirnfläche senkrecht zur Ebene des Papiers von Fig.1 ist) allgemein parallel zur Ebene 12 positioniert wird. Eine Verarbeitungseinrichtung 40 ist bereitgestellt zum Empfangen einer Ausgabe 24 der Abtasteinrichtung 20, zum Liefern von Justiersignalen an die Abtasteinrichtung 20 über eine Verbindung 25, zum Liefern einer steuernden Eingabe über 42 an den Antriebsmechanismus 30 und zum Aufweisen von einem oder mehreren Ausgängen 43, 44 und 45, wie genannt. Die Bezugszeichen 30" bzw 40" zeigen geeignete Stromverbindungen an den Antriebsmechanismus 30 und die Verarbeitungseinrichtung 40 an, wobei verstanden wird, daß die Abtasteinrichtung ihre benötigte Leistung wie gezeigt von der Verarbeitungseinrichtung 40 über die Verbindung 25 ableiten würde.
• In Fig. 2 ist das Blockdiagrammsystem von Fig. 1 in größerem Detail gezeigt, wobei der entsprechende Apparat die gieichen Bezugszeichen aufweist. In Fig. 2 ist die Halteeinrichtung 30', an die die Abtasteinrichtung 20 verbunden ist, angepaßt, um wahlweise und steuerbar durch einen X- und Y-Antriebsmechanismus 30 entlang X- bzw. Y-Achsen 12X und 12Y durch einen modifizierten Plotterapparat Modell 7585B der Hewlett Packard Co.. In Fig. 2 ist die Kurve oder sind die Kurven von Interesse 10', 10" und 10''' auf einem Blattmedium 12', das eine Ebene festlegt.
• In Fig. 3 ist die Kurve 10 in Blockdiagrammform gezeigt, die Beleuchtung von einer Lichtquelle 14 erhält. Die Abtasteinrichtung 20 weist eine Sensormatrix 120 auf, die in der bevorzugten Ausführungsform eine große Anzahl von Festkörper - Bildsensoren aufweist, wobei ein stellvertretendes Beispiel der IS 32 Optic RAM (Warenzeichen) ist, das von Micron Technology, Inc. of Boise, Idaho bereitgestellt wird, wobei dieses spezielle Produkt 65536 Elemente aufweist, die in dualen Matrizen angeordnet sind, wobei jede Matrix 128 x 265 Elemente aufweist, die in Reihen angeordnet sind. Damit stellt die Abtasteinrichtung eine große Anzahl von lichtempfindlichen Festkörper-Bildsensoren bereit (nachfolgend "Pixel"). Es wird vom Fachmann verstanden, daß solche Bauelemente bei geeigneter Anregung funktionieren, wobei jedes solche Pixel eine Charakteristik aufweist, die wenigstens teilweise ähnlich der eines Kondensators ist, d.h., die Fähigkeit elektrisch geladen und entladen zu werden, wobei die Pixel angepaßt werden, nachdem sie zunächst geladen werden, um sich nach einer Funktion der Intensität und Dauer des Lichts zu entladen, dem das Pixel ausgesetzt war. Fig. 11 ist ein schematisches Abbild der Sensormatrix, das eine große Anzahl von einzelnen Pixeln 121 zeigt, die in einer zweidimensionalen Weise angeordnet sind, wobei alle Pixel damit ein Sichtfenster festlegen, wie gezeigt in Fig. 11. Der Apparat nach Fig 10 ist eine allgemeine Darstellung des IS 32 Optic RAM, wobei duale Matrizen 120' und 120" gezeigt sind, und die Matrix 128 x 256 Elemente aufweist, d.h. insgesamt 32768 lichtempfindliche Elemente pro Matrix. Um den Betrieb der Abtasteinrichtung zu verstehen, kann angenommen werden, daß jedes der Pixel anfänglich auf eine vorgewählte Spannung aufgeladen worden ist, z. B. 5 Volt, und damit angepaßt ist, sich in Richtung 0 Volt zu entladen (wie ein Kondensator). Das Pixel/der Kondensator wird sich mit einer Rate entladen, die proportional sowohl zur Intensität und der Dauer des Lichts ist, dem es/er ausgesetzt ist.
• Wie oben genannt ist die Abtasteinrichtung durch die Halteeinrichtung des Antriebsmechanismus gehalten, so daß die ebene Stirnfläche der Abtasteinrichtung (die Ebene des Papiers von Fig. 10 und 11) parallel zur Ebene 12 positioniert wird, die die interessierende Kurve 10 enthält. Damit werden jene Pixel, die mit der Kurve 10 registerhaltig sind, weniger Licht erhalten (oder mehr Licht, je nach Fall) im Vergleich zu den Pixeln, die mit der Kurve 10 nicht registerhaltig sind.
• Nach einer vorher gewählten Belichtungszeit wird der Status jedes Pixels oder Elements in der Matrix durch einen Sensorregler 130 geprüft; die Spannung jedes Pixels/Kondensators wird mit einer vorher gewählten Schwellenspannung verglichen, zum Beispiel 2,5 Volt. Wenn bei einem solchen Vergleich die Spannung größer als die Schwellenspannung ist, dann wird das entsprechende Bit auf "1" gesetzt, d.h. eine schwarze Linie auf einem weißen Hintergrund darstellend. Wenn andererseits während des Vergleichs die Spannung geringer als der vorher gewählte Schwellenwert ist (höhere Entladung aufgrund einer weißen reflektierenden Oberfläche darstellend), dann ist das Bit "0".
• Der Ausgang der Sensormatrix 120 ist über eine Verbindung 122 an dem Sensorregler 130 angelegt; eine weitere Verbindung 123 ist vorgesehen zwischen dem Regler 130 und der Sensormatrix 120. Es ist die Funktion der Verbindung 123, eine Initialisierroutine zu ermöglichen, um richtige Beleuchtung, Belichtungszeit und Schärfe einzustellen, wie dies durch einen Initialisierer 125 gesetzt ist, der über 126 an einem Befehlsgenerator 127 verbunden ist, der seinerseits über 128 mit dem Sensorregler 130 verbunden ist, und damit über 123 mit der Sensormatrix. Der Initialisierer 125 empfängt seinerseits eine Eingabe von einem Bediener 215 über eine Verbindung 216, wobei eine Rückverbindung 217 vom Initialisierer 125 an den Bediener 215 einen Sensorstatus signalisiert und damit dem Bediener 215 ermöglicht, mit dem System zusammenzuwirken, um eine gewünschte Belichtungszeit festzulegen. Ein weiterer Eingang an den Initialisierer 125 ist das Sensormatrix-Spezifikationsmodul 200, dessen einer Ausgang 202 an den Initialisierer angelegt wird.
• Der Ausgang des Sensorreglers 130 wird über 131 an einen Matrixpuffer 135 angelegt, dessen Ausgang über 137 an einen topologischen Auswerter 140 angelegt wird, der einen ersten Ausgang 141 aufweist, der an den Initialisierer 125 angelegt wird und der einen zweiten Ausgang 142 aufweist, der an einem mathematischen Modellierer oder eine Modelliereinrichtung 150 angelegt wird, die Ausgabeeinrichtungen 151 und eine Vielzahl von Eingängen 152, 153, 154, 155 und 156 aufweist. Der Ausgang 151 wird an eine Koordinatentransformationseinrichtung 160 angelegt. Eingang 152 ist von der Koordinatentransformationseinrichtung 160 angelegt. Eingang 153 ist von einer Randbedingungseinrichtung 205 angelegt. Eingang 154 ist von einer Anwendungsspezifiziereinrichtung 210 angelegt. Eingang 155 ist von einem Anwendermodul 225 angelegt und Eingang 156 ist von der Sensormatrix-Spezifikationseinrichtung 200 angelegt. Die Sensormatrix-Spezifikationseinrichtung 200 weist auch einen Ausgang 201 auf, der an den topologischen Auswerter 140 angelegt wird.
• Zusätzliche Eingänge an die Koordinatentransformationseinrichtungen 160 sind Eingang 161 vom Initialisierer 125, Eingang 162 von der Randbedingungseinrichtung 205, Eingang 163 vom Anwendungsspezifizierer 210 und Eingang 164 von einer Stapeleinrichtung 170. Die Koordinatentransformationseinrichtung 160 weist drei Ausgangseinrichtungen dargestellt in Fig. 3 auf, nämlich einen Ausgang 165, der an die Stapeleinrichtung 170 angelegt ist, einen Ausgang 166, der an einen Vektorisierer 180 angelegt ist, und einen Ausgang 167, der an eine Betriebsartensteuereinrichtung 175 angelegt ist.
• Die Vektorisiereinrichtung 180 weist zusätzlich zum Eingang 166 drei zusätzliche Eingänge auf, nämlich Ausgang 181 vom Anwendungsspezifizierer 210, Eingang 182 vom Anwendermodul 225 und Ausgang 171 von der Stapeleinrichtung 170. Der Vektorisierer 180 weist zwei Ausgänge gezeigt in Fig. 3 auf. Der erste ist ein Ausgang 183, der an eine Speicherungsabbildungseinrichtung 188 angelegt wird, deren Ausgang 189 an eine Speichervorrichtung 192 angelegt wird. Der andere Ausgang der Vektorisiereinrichtung 180 ist Ausgang 184, der an einen Anwenderapparat 230 angelegt wird, der zum Beispiel Anwendungssoftware sein kann, wie zum Beispiel CADD/CAM. Der Anwenderapparat 230 empfängt auch einen Eingang vom Anwendermodul 225 über eine Verbindung 226 und eine Rückverbindung dazu ist durch die Einrichtung 231 bezeichnet.
• Anwendungsspezifizierer 210 weist einen weiteren Eingang 227 auf, der der Ausgang vom Anwendermodul 225 ist; er weist auch einen Ausgang 211 auf, der an die Randbedingungseinrichtung 205 angelegt ist.
• Ein automatisches Suchmodul 178 ist mit drei Eingängen bereitgestellt, wobei der erste der Ausgang 172 von der Stapeleinrichtung 170 ist, der zweite der Ende- oder Null- Ausgang 177 der Betriebsartensteuerung 125 ist und der dritte ein Ausgang 193 der Speichervorrichtung 192 ist; ein weiterer Ausgang 194 der Speichereinrichtung 192 ist an den Anwenderapparat 230 angelegt.
• Die Betriebsartensteuerungseinrichtung 175 weist eine erste Ausgangsbetriebsart auf, nämlich "Weitermachen", wobei dieser Ausgang in Fig. 3 durch das Bezugszeichen 176 bezeichnet ist und als einer der zwei Eingänge an eine Antriebseinrichtung 220 angelegt ist und der andere Eingang zur Antriebseinrichtung der Ausgang 179 der automatischen Sucheinrichtung 178 ist. Ein erster Ausgang 221 des Antriebs 220 wird an den Antriebsmechanismus 30 angelegt, um die Sensormatrix wählbar und steuerbar entlang der X- und Y-Achse zu bewegen. Der andere Ausgang 222 des Antriebs 220 ist mit dem Befehlsgenerator 127 verbunden.
• Wie gezeigt ist es vor Beginn des eigentlichen Nachverfolgungs- oder Kurvenfolge-Vorgangs wünschenswert, die Initialisierungsroutine durchzuführen, um richtige Beleuchtung, Belichtungszeit und Schärfe festzulegen. Der Initialisierer 125 wird mit der Unterstützung des Eingangs vom topologischen Auswerter 140 über Ausgang 141 die am Ausgang 137 des Matrixpuffers 135 empfangene Matrix auf geeignete Pixel auf dem optionalen Computermonitor abbilden nach Fig. 2. Der Bediener (an Modul 215) kann dann die Positionierung, die Beleuchtung, die zeitliche Ab-Stimmung und die Scharfstellung justieren, bis ein klares Abbild angezeigt wird. Der Fachmann kann für einige Anwendung einen Algorithmus wählen, der so gedacht ist, daß diese anfänglichen Justierungen automatisch eingestellt werden können und fortwährend justiert werden können in dem erforderlichen Ausmaß für beste Ergebnisse während des Betriebs des Apparats. Zusätzlich legt der Initialisierer 125 Maßstab und Orientierung der Zeichnung fest. Ein Verfahren zum Festlegen des Maßstabs und der Orientierung besteht darin, den Bediener 215 zu veranlassen, die Koordinaten von zwei bekannten Punkten einzugeben.
• Es ist die Funktion des topologischen Auswerters 140, den eingehenden Bitstrom in den Matrixpuffer 135 in eine normalisierte rechteckige Matrix abzubilden, die den relativen physikalischen Ort jedes Bits bezüglich der Gesamtmatrix/dem Sichtfenster darstellt. Der Normalisierungsvorgang hängt von der kombinierten Charakteristik, der Sensormatrix und irgendeinem Sichtmechanismus ab. Dieser Vorgang schließt Betrachtungen ein, wie Linsencharakteristiken und Linsenvergrößerungs- oder verkleinerungsfaktoren, sowie den physikalischen (gemessenen) Ort der einzelnen Sensoren, sowohl bezüglich der Sichtfeldmitte, als auch bezüglich der Linsencharakteristiken, zum Beispiel invertiertes Bild, etc.. Daher werden Entfernungen entlang der Kurve in tatsächlichen Messungen (auf dem Papier) und bzgl. der Sichtfeldmitte bestimmt, deren Koordinaten während des ganzen Vorgangs bekannt sind. Eine der Funktionen des topologischen Auswerters ist, irgend eine Bildschiefe zu korrigieren, die durch die Anordnung der Pixel in der Sensormatrix hervorgerufen sein könnte.
• Sobald die Initialisierung abgeschlossen ist, wird das ausgewertete Bild an 142 als ein Eingang zum mathematischen Modellierer 150 angelegt, der das Bitmuster analysiert und ein paar Koordinatenwerte relativ zum ersten Koordinaten-Referenzrahmen an jedes solche Bitsignal zuordnet, wobei auf die Koordinatenwerte im weiteren manchmal als "Datenpunkte" Bezug genommen wird. Damit hat die Matrix von der Abtasteinrichtung einen ersten Koordinaten-Referenzrahmen und, wie oben erwähnt analysiert die Modelliereinrichtung jedes solche Bitsignal und weist ein Paar Datenpunkte an jedes solche Bitsignal zu. Die Modelliereinrichtung stellt weiterhin die Funktion der Berechnung von Kundencharakteristiken, die am besten allen solchen Datenpunkten passen, bereit, und zwar wird dies erreicht durch geeignete Software und Steuereinrichtungen, die dem Fachmann bekannt sind. Die Modelliereinrichtung weist weiterhin eine Ausgabeeinrichtung auf zum Bereitstellen eines Ausgabesignals, das die Vektorkomponenten der Computerkurve anzeigt, wobei diese Ausgabe in Fig. 3 durch das Bezugszeichen 151 identifiziert wird.
• Der Ausgang 151 der Modelliereinrichtung ist als einer von mehreren Eingängen an die Koordinatentransformationseinrichtung 160 angelegt, deren Funktion es ist, das Modellierausgangssignal vom ersten Koordinaten-Referenzrahmen in einen zweiten vorgewählten Koordinaten-Referenzrahmen zu transformieren. Ein Beispiel eines zweiten vorgewählten Koordinaten-Referenzrahmens wäre geodätische Breite und Lange. Ein weiteres Beispiel wären Koordinaten in einem Referenzrahmen mit seinem Ursprung an einer bestimmten Ecke eines Gebäudes.
• Die Koordinatentransformationseinrichtung 160 hat zwei Ausgänge. Der erste 166 ist an dem Vektorisierer 180 angelegt, der zweite 165 ist an die Stapeleinrichtung 170 angelegt. In beiden Fällen ist das Ausgangssignal, d.h bei 165 und 166, ein Ausgangssignal, das das Ausgangssignal der Modelliereinrichtung anzeigt, nachdem es in den zweiten vorher gewahlten Koordinaten-Referenzrahmen transformiert wurde.
• Die Randbedingungseinrichtung 205 und der Anwendungsspezifizierer 210 werden durch Steueraktionen am Anwendermodul 225 eingerichtet; diese Bedingungen und Spezifikationen werden von der Modelliereinrichtung 150 berücksichtigt, um eine geeignete Aktion festzulegen unter jedem Umstand, der während des Folgens der Kurve angetroffen wird. Beispiele solcher Umstände sind: Start, Ende oder Weitermachen. Beispiele von Anwenderanforderungen sind: nur gerade Linien und kreisförmige Bögen sollen verwendet werden, um die Kurve darzustellen (für Vermessungen und untergeordnete geometrische Karten), Kurvenanfang oder -ende an den Rändern, Fortsetzung immer bei einer Berührung, Kurven sollen Splines sein, Kurvenschließen muß bei einer Berührung sein, erkannte Kreuzungen zeigen Anfangs- oder Endpunkte von Kurven an, etc.. In Fallkonflikten, wenn die Modelliereinrichtung 150 keine konkrete Entscheidung treffen kann, dann ist dem Anwender 225 ermöglicht, mit dem System zusammenzuwirken, um den Konflikt aufzulösen.
• Nachdem erkannte Punkte innerhalb des Sichtfensters modelliert worden sind, wird die Information von der Modelliereinrichtung 150 an die Koordinatentransformationseinrichtung 160 übergeben, die die Koordinatendaten (Vektoren) der Kurve in echte oder Systemkoordinatenwerte transformiert. Zeitweise kann ein Iterationsvorgang notwendig sein zwischen der Transformationseinrichtung 160 und der Modelliereinrichtung 150, um die beste Lösung zu finden; die Verbindungen 151 und 152 erleichtern diesen Iterationsvorgang. Ein Beispiel, wo ein solcher Iterationsvorgang vielleicht nötig wäre, wäre im Fall von sich kreuzenden Linien, die von dem Abtastmechanismus erfaßt wurden.
• Sobald die Transformation abgeschlossen ist, werden alle Referenzpunnte, die für künftige Referenz benötigt werden könnten, in einer Stapeleinrichtung 170 gespeichert. Beispiele solcher Ptunkte wären Kreuzungspunkte, wie zum Beispiel Punkt A'C' gezeigt an der Verbindung zweier sich schneidender Linien in Fig. 9. Die Bedeutung des Kreuzungspunktes ist, daß es wünschenswert sein kann, solch einen Punkt als den Anfangspunkt der nächsten Kurven-Nachverfolgungsoperation zu verwenden. Ein weiteres Beispiel für Referenzpunkte, die für künftige Referenzen gebraucht werden könnten, sind mehrere Punkte, die als "Anfangspunkte" für die Höhenlinienkarte in Fig. 8 bezeichnet sind. Solche vorher eingerichteten mehrfachen Anfangspunkte können durch verschiedene Einrichtungen nach Vorzug des Benutzer 225 bereitgestellt sein, als Teil der Anwendungsspezifiziereinrichtung 210 über 227 angelegt sein, sowie über 211 an die Randbedingungseinrichtung 205 und in der Stapeleinrichtung 170 jeweils über 162, 160 und 165 gespeichert werden. Der Benutzer kann solche Abdrucke festlegen, entweder durch Angeben der spezifischen X-, YKoordinatenwerte (von einer Computertastatur oder einem Digitalisierbrett, etc.) und die Rangfolge, in welcher sie aufgenommen werden sollen. Oder durch manuelles Manipulieren des Antriebsmechanismus (nach Initialisierung) und Plazieren der Mitte der Sensormatrix auf den interessierenden Punkt, dann könnte auch Auslösen eines Signals, das das System veranlassen würde die Koordinaten solcher Punkte anzunehmen, als Ergebnis eines weiteren Anwenderprogrammes vorgesehen sein und zur Wiedergewinnung und Verwendung durch dieses System gespeichert sein.
• Der Ausgang der Transformationseinrichtung 160 wird auch an die Betriebsartensteuerung 175 angelegt, um die Betriebsart festzulegen. Wenn sich das System in einer Betriebsart des fortwährenden Nachverfolgens befindet, dann wird die Information über 176 an den Antrieb 220 übergeben, der seinerseits richtige Bewegungsanweisungen an den Antriebsmechanismus 30 erzeugt, um die Abtasteinrichtung entlang der X - und Y-Achse um einen gesteuerten Betrag in eine neue Sichtposition zu bewegen. Nachdem der Antrieb sich in einer solchen neuen Position stabilisiert hat, dann wird der Antrieb 220 den Befehlsgenerator 127 auslösen, um Belichtungs- und Bitübertragungsanweisungen an den Regler 130 zu senden. Der Vorgang wird sich so lange wie nötig wiederholen. Wenn das System das Ende einer Linie erreicht hat gemäß den Randbedingungen 205 und dem Anwendungsspeziflzierer 210 oder wenn keine erkennbare Linie erfaßt wurde, d.h. ein leeres Fenster; dann ändert die Betriebsartensteuerung 175 von der "Fortsetzen"-Betriebsart am Ausgang 176 zur "Ende"- oder "Null"-betriebsart am Ausgang 177 der mit der automatischen Sucheinrichtung 178 verbunden ist.
• Die automatische Sucheinrichtung 178 verwendet vorher gewählte Suchalgorithmen und Information von der Stapeleinrichtung 170, um die Richtung und Entfernung der Bewegung festzulegen, die zur Entdeckung der nächsten nachzuverfolgenden Linie führen kann. Die automatische Sucheinrichtung 178 überträgt dann solche Richtungs- und Abstandsinformationen an die Antriebseinrichtung 220, um den Antriebsmechanismus 30 bzw. den Befehlsgenerator 127 wie oben beschrieben zu steuern. Dieser Vorgang wiederholt sich bis eine Linie entdeckt wird oder bis das System feststellt, daß eine andere Linie nicht gefunden werden kann. Die automatische Sucheinrichtung 178 verwendet auch Informationen von der Stapeleinrichtung 170, um schnell einen bestimmten Punkt festzulegen um sich dorthin zu bewegen; ein Beispiel davon wäre, wenn mit einer Höhenlinienkarte wie jener gezeigt in Fig. 8 gearbeitet wird. Angenommen der Kurvenfolgeapparat hätte an einem Anfangspunkt 240' der Kurve 240 in Fig. 8 angefangen und ein Folgen der sechzehnten ganzen Kurve abgeschlossen. Dann würde die Information von der Stapeleinrichtung 170, wie über 172 an die automatische Sucheinrichtung 178 angelegt, dem Antrieb 220 befehlen, den Antriebsmechanismus so zu bewegen, daß das Sichtfenster über einem Anfangspunkt 230' der nächst kleineren Höhenlinie 230 schweben würde.
• Die Koordinatentransformationseinrichtung 160 übergibt Informationen über Ausgang 166 auch an den Vektorisierer 180, der die empfangenen Informationen verwendet in Verbindung mit Kurveninformation von vorigen Fenstern und auch in Übereinstimmung mit Anweisungen, die vom Anwendungsspezifizierer 210 über die Verbindung 181, die Randbedingungseinrichtung 205 und Referenzpunkte der Stapeleinrichtung 170 empfangen wurden, um die kleinen Kurvensegmente und Punktinformationen in geometrisch festgelegter Vektorform umzuwandeln. Zum Beispiel werden kleine benachbarte Liniensegmente mit der gleichen Steigung in eine einzige Linie kombiniert mit der selben Gleichung, so daß nur zwei Koordinatenpunkte gespeichert werden müssen, d.h. ein Koordinatenpaar an jedem Ende der resultierenden zusammengesetzten Linie. In einer ähnlichen Weise, wenn kleine benachbarte Kurvensegmente zufällig auf dem Umfang eines kreisförmigen Bogens liegen, dann können sie gemeinsam durch einen kreisförmigen Bogen dargestellt werden, der immer reproduziert werden kann, wenn drei charakteristische Punkte (entweder drei Punkte auf dem Bogen oder zwei Endpunkte und der Mittelpunkt) bekannt sind, und damit nur drei Punkte gespeichert für die Ansammlung der Segmente werden müssen und nicht die Daten für jedes einzelne Segment gespeichert werden müssen. Dies ist ein sehr wichtiges Merkmal meiner Erfindung, weil es erheblich die Datenspeicheranforderungen des Systems reduziert. Im Fall von mehrdeutigen Situationen ist es dem Anwendermodul 225 möglich, mit dem System zusammenzuwirken, um den Konflikt aufzulösen.
• Vektorisierte Information vom Vektorisierer 180 kann direkt über 184 einer Anwendersoftware verfügbar gemacht werden, wie schematisch gezeigt in Fig. 3 als Block 230. Alternativ kann die vektorisierte Information vom Vektorisierer 180 über 183 an den Speicherungsabbilder 188 geleitet werden (um sie in das richtige Format und Dateiorganisation zu bringen und Zeichnungsanweisungen in Übereinstimmung mit den Anforderungen der Software einzuschließen, die die Information wieder gewinnen würde) und kann schließlich an die Speichervorrichtung 192 über die Verbindung 189 geleitet werden. Auf Anfrage kann die Information, die in der Speichervorrichtung 192 gespeichert ist, über 194 an die Anwendersoftware 230 übertragen werden.
• Im Fall topographischer Höhenlinien, wie gezeigt in Fig. 8, kann vektorisierte Information in Gitter- oder Konturform gespeichert werden, so daß sie von Graphiktoutinen aufgerufen werden kann zum erneuten Plotten der Konturen bei verschiedenen Maßstäben oder zum Erzeugen dreidimensionaler Darstellungen oder aufgerufen werden kann von Rechenprogrannnen für Erdbauberechnungen, etc..
• Fig. 4 zeigt (innerhalb eines "momentanen" Sichtfenster W) eine berechnete Linie, die von der Bitinformation abgeleitet wurde, wobei Punkt A das Ende der Linie, wie berechnet darstellt und wobei Rechenmethoden verwendet werden können, um die Ausdehnung der Linie zu einem Punkt B an der Kante des Sichtfensters W zu erfassen. Punkt B wird daher die Mitte oder das Zentrum des nächsten Fensters W'. Mit anderen Worten werden Koordination von Punkt B von der Betriebsartensteuerung 175 über 176 an den Antrieb 220 angelegt und damit an den Antriebsmechanismus 30, um die Abtasteinrichtung zu einer Position entsprechend Punkt B zu bewegen, der im Mittelpunkt des nächsten Fensters W ist. An diesem Punkt werden diese zusätzlichen Daten von der Abtasteinrichtung erhalten, um die tatsächliche Position oder die Ausdehnung der Linie zu erfassen. Mit dieser Methode gibt es keine Möglichkeit, sich von der Linie wegzubewegen.
• Während der oben erwähnte Festkörpersensor vom optischen RAM-Typ für die bevorzugte Ausfährungsform der Erfindung vorgesehen worden ist, kann ein Fachmann erkennen, daß andere Erfassungsmethoden innerhalb des Schutzbereichs meiner Erfindung verwenden werden können. Die einzig kritische Begrenzung für die Abtasteinrichtung ist, daß die Abtasteinrichtung eine "große Anzahl" von einzelnen Sensoren aufweist, die einheitlich in einer zweidimensionalen Matrix zueinander gruppiert sind, um ein Sichtfenster festzulegen. In dem Fall des IS 32 Optic RAM ist die "große Anzahl" von einzelnen Sensoren in der Tat sehr groß, d.h. 65536 Elemente. Es soll verstanden werden, daß die "große Anzahl" eine viel kleinere Anzahl sein kann im Vergleich mit dem IS 32 Optic RAM. In meiner Erfindung wäre die kleinste Anzahl von Sensoren, die der Begrenzung "große Anzahl" genügen würde, die Matrix drei Sensoren breit und drei Sensoren lang zu haben, d.h. eine minimale Anzahl von neun einzelnen Sensoren, die in einer zweidimensionalen Matrix zueinander gruppiert sind, um ein Sichtfenster festzulegen. Beispiele von Erfassungsmethoden, die ein Fachmann beim Ausführen meiner Erfindung verwenden kann, schließen ein, aber sind nicht notwendigerweise darauf begrenzt elektromagnetische, pneumatische, Strahlung, mechanische, kapazitive und/oder elektrostatische; in jedem Falle würde die Erfassungseinrichtung Einrichtungen einschließen (nach einem Kontakt der Matrix mit einem ersten Abschnitt der Kurve) zum Erzeugen von Signalen einer ersten Erfassung für diese Sensoren dieser Matrix, die mit der Kurve registerhaltig sind, und zum Erzeugen von Signalen einer zweiten Erfassung für jene Sensoren der Matrix, die mit der Kurve nicht registerhaltig sind, kombiniert mit Einrichtungen einschließlich Ausgabeeinrichtungen zum Erzeugen digitaler Ausgabesignale der gleichen Bedeutung für jedes der Sensorsignale der ersten Bedeutung. Der Antriebsmechanismus ist beschrieben worden als Antrieb der Abtasteinrichtung entlang der X- und Y-Achse. Die fundamentale Funktion des Antriebsmechanismus ist es, eine relative Bewegung entlang der X- und Y-Achse zwischen der Kurve und der Abtasteinrichtung bereitzustellen. Zum Beispiel könnte man die gut bekannte Anordnung benutzen, wo ein Plotter (i) die Abtasteinrichtung bewegen würde (gegenüber dem Papier einschließlich der interessierenden Kurve) entlang der X-Achse und (ii) das Papier bewegen würde (gegenüber der Abtasteinrichtung) entlang der Y-Achse.
• Es wird auch von einem Fachmann verstanden, daß die Gestalt des Sichtfensters nicht auf eine quadratische oder rechteckige Gestalt begrenzt ist. Andere Gestalten, wie zum Beispiel oval, rund können verwendet werden. Während meine Erfindung oben in Verbindung mit der bevorzugten Ausführungsform beschrieben worden ist, wird verstanden werden, daß sie in der Tat zu weiteren Modifikationen fähig ist. Daher ist es beabsichtigt, jegliche und alle Variationen, Verwendungen und Anpassungen abzudecken, die in den Schutzbereich der Erfindung fallen gemäß den angehängten Ansprüchen.

Claims (4)

1.Apparat zum Folgen einer ausgewählten Kurve und zum Erzeugen von die ausgewählte Kurve anzeigenden digitalen Ausgabesignalen, wobei der Apparat aufweist:

(A) Abtasteinrichtungen zum Abtasten inkrementeller Abschnitte der Kurve

- wobei die Abtasteinrichtungen eine Anzahl individueller Sensoren haben, welche einheitlich zu einer zweidimensionalen Matrix zusammengruppiert sind, um ein Sichtfenster zu definieren,

- wobei die Abtasteinrichtungen weiterhin Einrichtungen aufweist, und zwar nach einer Registrierung des Sichtfensters mit einem ersten Abschnitt der ausgewählten Kurve, zum Erzeugen von Signalen eines ersten Sinns für diejenigen Sensoren der Matrix, welche mit der ausgewählten Kurve registriert sind, und zum Erzeugen von Signalen eines zweiten Sinns für diejenigen Sensoren der Matrix, welche mit der ausgewählten Kurve nicht registriert sind, und Einrichtungen, welche beinhalten

- Ausgabeeinrichtungen, welche digitale Ausgabesignale des gleichen Sinns für alle der Sensorsignale des ersten Sinns erzeugen; und

(B) Verarbeitungseinrichtungen, welche angeschlossen sind, um die digitalen Ausgabesignale von den Ausgabe einrichtungen der Abtasteinrichtungen zu empfangen,

wobei die Verarbeitungseinrichtungen Modelliereinrichtungen aufweisen mit

- (i) Einrichtungen zum Analysieren jedes der digitalen Ausgabesignale und Zuordnen eines Paars von Koordinatenwerten bezüglich eines ersten Koordinatenbezugsrahmens jedem der digitalen Ausgabesignale,

- (ii) Recheneinrichtungen, welche angelegt sind, um nichtlineare Kurven als eine Funktion angelegter Eingabedaten zu berechnen, wobei die Recheneinrichtungen angeschlossen sind, um Eingabedaten zu empfangen, welche das Paar von Koordinatenwerten kennzeichnen, und eine Ausgabe haben, welche eine berechnete Kurve kennzeichnet, welche den Eingabedaten am besten angepaßt ist, die das Paar von Koordinatenwerten kennzeichnet,

- (iii) Ausgabeeinrichtungen zum Bereitstellen eines Ausgabesignals, welches Vektorkomponenten der berechneten Kurve kennzeichnet, und

- (iv) Extrapolationseinrichtungen, welche angeschlossen sind, um die Ausgabesignale der Ausgabeeinrichtungen von den Modelliereinrichtungen zu empfangen und das Sichtfenster in eine neue mit einem Abschnitt der berechneten Kurve registrierte Stellung zu bringen.

2. Apparat nach Anspruch 1, welcher weiterhin einen Antriebsmechaaismus beinhaltet mit

- einer Haiteeinrichtung und

- steuerbaren Einrichtungen, um die Halteeinrichtung inkrementell und selektiv entlang einer ersten Achse und auch entlang einer zweiten Achse zu bewegen, die dazu einen Winkel bildet,

wobei der Antriebsmechanismus in die Nähe der ausgewählten Kurve gebracht werden kann, und

- Einrichtungen, welche die Abtasteinrichtungen an den Halteeinrichtungen befestigen, wobei das Sichtfenster neben der ausgewählten Kurve positioniert ist.

3. Apparat nach Anspruch 1, welcher weiterhin angelegt ist, um die neue Stellung des Sichtfensters auszuwählen, so daß das Zentrum des Sichtfensters im wesentlichen über einem der Enden der berechneten Kurve zentriert ist.

4. Apparat nach Anspruch 1, welcher weiterhin angelegt ist, um die neue Stellung des Sichtfensters auszuwählen, so daß das Zentrum des Sichtfensters in der neuen Stellung mit einem Schnittpunkt der berechneten Kurve und einem Rand des Sichtfensters registriert ist, wenn es so positioniert ist, daß es mit dem ersten Abschnitt der ausgewählten Kurve registriert ist.