DE4447434A1 - CCD sensor for reading out image zones or lines - Google Patents

CCD sensor for reading out image zones or lines

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DE4447434A1
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Heinrich Bednarek
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LEONHARD, WERNER, 38302 WOLFENBUETTEL, DE
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GFR GES fur REGELUNGSTECHNIK
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    • G05D1/02Control of position or course in two dimensions
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    • G05D1/0246Control of position or course in two dimensions specially adapted to land vehicles using optical position detecting means using a video camera in combination with image processing means
    • GPHYSICS
    • G06COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06TIMAGE DATA PROCESSING OR GENERATION, IN GENERAL
    • G06T7/00Image analysis
    • G06T7/70Determining position or orientation of objects or cameras

Abstract

The system uses the anti-blooming electrode of a CCD image sensor to delete the CCD contents before they are read out. Thus, the system only reads out the required parts of the image, which can even be individual lines or parts of lines. The rest of the image is erased with the anti-blooming electrodes of the sensor.The anti-blooming electrode is thus used to prevent overcharging between the CCD chip potentials. The partial image is shifted into the storage zone of the CCD chip and is further shifted to the read out register. The anti-blooming drain of the chip is used to erase the remaining image still in the image zone. During shifting or reading out, a new image is formed in the image zone of the chip.

Description

An heutige CCD-Bilderfassungen für Robotersysteme werden immer höhere Anforderungen bezüglich ihrer Genauigkeit und Geschwindigkeit gestellt. Aufgaben, für die der Roboter sämtliche sechs räumlichen Freiheitsgrade beherrschen muß, treten immer häufiger auf. Eine Bahnsteuerung, die die abzufahrende Kontur allein aus den Datenbeständen einer CAD- Anlage oder aus nachträglich gelernten Stützwerten errechnet, kann den erhöhten Anforderungen an die Genauigkeit und Geschwindigkeit nicht mehr gerecht werden. Oft tritt das Problem auf, daß die zu bearbeitenden Teile prozeßbedingt unterschiedlich positioniert werden, so daß die Bahnkontur Streuungen unterworfen ist, oder die abzufahrende Kontur ist vorab überhaupt nicht bekannt. Spätestens dann ist eine sensorgestützte Bahnkorrektur bzw. eine sensorgeführte Bahnverfolgung erforderlich. Für diesen Zweck werden z. B. Laserabstandssensoren oder CCD-Zeilenkameras eingesetzt. Diese Sensoren haben die Nachteile, daß sie entweder nur wenige Freiheitsgrade gleichzeitig messen können oder eine für Echtzeitanforderungen zu geringe Meßrate erreichen. Um diese Defizite auszugleichen, werden manchmal Systeme mit mehreren gleichen oder unterschiedlichen Sensoren aufgebaut. Solche "Multi-Sensorsysteme" erreichen schnell eine kaum zu beherrschende Komplexität.Today's CCD image acquisition for robot systems is becoming more and more common higher requirements regarding their accuracy and Speed set. Tasks for which the robot master all six spatial degrees of freedom, occur more and more often. A path control that the contour to be traced solely from the data of a CAD System or calculated from subsequently learned base values, can meet the increased accuracy and accuracy requirements No longer do justice to speed. Often the problem occurs that the parts to be machined are process-related be positioned differently so that the path contour Is subject to scattering, or is the contour to be traversed not known at all in advance. Then at the latest sensor-assisted path correction or sensor-guided Track tracking required. For this purpose, e.g. B. Laser distance sensors or CCD line cameras are used. These Sensors have the disadvantages that they are either few Can measure degrees of freedom at the same time or one for Real-time requirements achieve too low a measurement rate. Around Compensating for deficits are sometimes systems with several the same or different sensors. Such "Multi-sensor systems" hardly ever reach one dominant complexity.

Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, die Geschwindigkeiten (oder: Abtastraten) von bekannten CCD-Bildsensoren zu verbessern, ohne den Meß- oder Auswertungsaufwand zu vergrößern und sooft als möglich an bestimmte Bildbereiche (Zeilen oder Teilbilder) zu gelangen, um für die Robotersteuerung schnell genaue Meßwerte zur Verfügung zu stellen.It is therefore an object of the invention to control speeds (or: sampling rates) from known CCD image sensors improve without increasing the measurement or evaluation effort and as often as possible to certain areas of the image (lines or Drawing files) to get to the robot controller quickly to provide accurate measurements.

Dazu schlägt die Erfindung den Fortfall der Speicherzone eines bekannten CCD-Chips vor (Anspruch 6). Um zu vermeiden, daß diejenigen Bildinhalte aus dem CCD-Ladungsbild-Bereich (Bildzone) zeitintensiv erst herausgelesen werden müssen, wird nur der benötigte Teilbereich ausgelesen, dies können auch einzelne Zeilen oder Teile von Zeilen sein; der Rest des Bildes wird mit der Anti-Blooming-Elektrode des CCD-Bildsensors noch in der Bildzone gelöscht (Anspruch 1). Die Anti-Blooming-Elektrode wird dabei entgegen ihrem eigentlichen Verwendungszweck - dem Verhindern von Ladungsüberlauf ("Blooming") zwischen Potentialtöpfen des CCD-Chips - eingesetzt.To this end, the invention proposes the elimination of the storage zone known CCD chips before (claim 6). To avoid that those image contents from the CCD charge image area (Image zone) time-consuming must first be read out only the required partial area can be read out, this can also be done  be single lines or parts of lines; the rest of the picture is still in with the anti-blooming electrode of the CCD image sensor the image zone deleted (claim 1). The anti-blooming electrode is used contrary to its actual purpose - the Preventing charge overflow ("blooming") between Potential wells of the CCD chip - used.

Verändert sich der für die Messung wesentliche Bildausschnitt, so kann er in seiner Größe und in seiner Position nachgeführt werden. Die dabei gebildeten "dynamisch veränderbaren Bildfenster" werden jeweils so ausgelesen, daß ein zeitintensives Auslesen und Verschieben aus der Bildzone in die Speicherzone so kurz als nur irgend möglich gehalten wird (Anspruch 4). Zur Beschleunigung kann auch die Änderung der Ausleserichtung des Ausleseregisters (Anspruch 5) dienen.If the image section essential for the measurement changes, so it can be adjusted in size and position become. The "dynamically changeable." Image windows "are read out so that a time-consuming reading and moving from the image zone into the Storage zone is kept as short as possible (Claim 4). To accelerate the change of Readout direction of the readout register (claim 5) serve.

Die Erfindung schlägt den schnellen Bildsensor besonders für die autonome Erfassung von Bahnkurven von Robotern vor; mit diesem Meßsystem können fünf Freiheitsgrade im Raum in Echtzeit gemessen werden bei einer Abtastzeit von ca. 1 msec.The invention proposes the fast image sensor especially for the autonomous acquisition of trajectories by robots; with this Measuring system can have five degrees of freedom in space in real time are measured with a sampling time of approx. 1 msec.

Schnellere Mustererkennung, Qualitätskontrolle und andere Aufgaben für CCD-Bildsensoren sind Anwendungsgebiete der Erfindung. Die hohe Geschwindigkeit und Flexibilität eröffnet zusätzlich neue Anwendungsgebiete für den Einsatz der CCD- Bildsensoren, teilweise auf Gebieten, die bisher nur den CCD- Zeilensensoren vorbehalten waren. Die große Kluft zwischen Bild- und Zeilensensoren kann damit fast vollständig beseitigt werden.Faster pattern recognition, quality control and others Tasks for CCD image sensors are areas of application of the Invention. The high speed and flexibility opens up additional new areas of application for the use of CCD Image sensors, partly in areas that were previously only used by CCD Line sensors were reserved. The great gap between picture and line sensors can be almost completely eliminated.

Die Verwendung eines Transputers als Mikrocontroller bietet mittels einer Link-Verbindung eine einfache und schnelle Schnittstelle zur Kopplung des Sensors an ein Transputernetzwerk oder an jedes andere Gerät, das über ein Link-Interface verfügt (z. B. ein PC mit Link-Adapter). The use of a transputer as a microcontroller offers simple and fast by means of a link connection Interface for coupling the sensor to a transputer network or to any other device that has a link interface (e.g. a PC with link adapter).  

Als Sensor kann eine Kamera Einsatz finden, die entsprechend den Vorschlägen der Erfindung modifiziert und adaptiert ist, ebenso kann auch eine bloße Optik mit dahinter angeordnetem CCD-Chip vorgesehen sein.A camera can be used as a sensor which corresponds to the Proposals of the invention are modified and adapted as well can also be a mere optics with a CCD chip behind it be provided.

Die Ansteuerelektronik läßt sich mit wenigen Änderungen auch für andere CCD-Sensoren verwenden, was in praktischen Versuchen mit dem TH 7864A (von Thomson) gezeigt werden konnte. Ein "Universal-Sequenzer" wird realisierbar, der die meisten gängigen CCD-Sensoren flexibel unterstützt. Hardwareänderungen ergäben sich dann lediglich bei der Realisierung unterschiedlicher Sensor-Interface-Komponenten.The control electronics can also be made with few changes other CCD sensors use what in practical trials with the TH 7864A (from Thomson). A "Universal sequencer" will be the most realizable common CCD sensors flexibly supported. Hardware changes would then only result in the implementation different sensor interface components.

Den Kern der erwähnten Kamera bildet ein CCD-Bildaufnehmer mit z. B. 768*576 Bildpunkten, eine für den CCD-Chip speziell entwickelte Ansteuerelektronik sowie eine darauf abgestimmte digitale Auswerteelektronik. Diese Komponenten ermöglichen das gezielte und zeitoptimale Auslesen der jeweils benötigten Bildausschnitte aus der Bildmatrix. Damit kann z. B. die erste Bildzeile bis zu 2500 mal pro Sekunde ausgelesen werden. Alle weiteren Bildzeilen werden dabei mit der Anti-Blooming-Elektrode bereits im Sensor gelöscht, um die sonst erforderliche Auslesezeit einzusparen (Anspruch 1). Eine, zwei oder drei wählbare, beliebig in der Bildzone angeordnete Bildzeilen können im Millisekundentakt ausgelesen und verarbeitet werden.The core of the camera mentioned is a CCD image sensor with z. B. 768 * 576 pixels, control electronics specially developed for the CCD chip, and digital evaluation electronics matched thereto. These components enable targeted and time-optimal reading of the required image sections from the image matrix. So z. B. the first image line can be read up to 2500 times per second. All other image lines are already deleted in the sensor with the anti-blooming electrode in order to save the otherwise required readout time (claim 1). One, two or three selectable image lines arranged in any way in the image zone can be read out and processed every millisecond.

Der Projektor projiziert z. B. sechs zu den Bildzeilen im wesentlichen senkrecht angeordnete (dünne) Meßlinien auf die Oberfläche des zu vermessenden Objekts. Ein Linienerkennungsalgorithmus ermittelt die hochaufgelösten Positionen der Meßlinienmittelpunkte. Aus den Schnittpunkten zwischen den auf dem Sensor abgebildeten Meßlinien und den ausgewerteten Bildzeilen lassen sich mit einem Triangulationsverfahren - ähnlich wie bei einem Laserabstandssensor - die Koordinaten von Punkten auf der Objektoberfläche berechnen. Das Meßsystem simuliert somit eine Matrix aus n*m Laserabstandssensoren, wobei n die Anzahl projizierter Meßlinien und m die Anzahl ausgewerteter Bildzeilen ist. Es kann auch die Position einer deutlich stärkeren, sich auf dem Objekt befindenden Linie (Bahnmarkierung oder Objektkontur) erkannt werden. Sind die Koordinaten mehrerer Objektpunkte in der Nähe dieser Linie gemessen worden, können durch Interpolation zwischen den entsprechenden Bildpunkten und dem Schnittpunkt der Linie mit einer Bildzeile auf dem Sensor die Koordinaten eines Linienpunktes auf dem Objekt mit hoher Genauigkeit ermittelt werden.The projector is projecting e.g. B. six to the image lines substantially perpendicular (thin) measuring lines on the surface of the object to be measured. A line detection algorithm determines the high-resolution positions of the measuring line centers. The coordinates of points on the object surface can be calculated from the intersections between the measurement lines depicted on the sensor and the evaluated image lines using a triangulation method, similar to a laser distance sensor. The measuring system thus simulates a matrix of n * m laser distance sensors, where n is the number of projected measuring lines and m is the number of evaluated image lines. The position of a significantly stronger line located on the object (path marking or object contour) can also be recognized. If the coordinates of several object points in the vicinity of this line have been measured, the coordinates of a line point on the object can be determined with high accuracy by interpolation between the corresponding image points and the intersection of the line with an image line on the sensor.

Die meßbaren Freiheitsgrade sind:The measurable degrees of freedom are:

  • - die seitliche Abweichung der Roboterhand von der Bahnmarkierung (y-Komponente)- the lateral deviation of the robot hand from the Lane marking (y component)
  • - die Entfernung der Roboterhand zur Objektoberfläche (z- Komponente)- the distance from the robot hand to the object surface (z- Component)
  • - die vollständige Orientierung der Roboterhand bezüglich einer sich auf dem Objekt befindenden Bahnlinie (Winkel α, β und || entsprechend den Drehungen um die Koordinatenachsen xh, yh und zh des handspezifischen Koordinatensystems).- The complete orientation of the robot hand with respect to a path line on the object (angle α, β and || corresponding to the rotations around the coordinate axes x h , y h and z h of the hand-specific coordinate system).

Der verbleibende sechste Freiheitsgrad - die Vorschubrichtung v längs der Bahnmarkierung B - wird nicht geregelt. Eine Vorschubgeschwindigkeit v wird von der Bahnsteuerung explizit vorgegeben. Die Orientierung der Roboterhand 1 kann z. B. so geregelt werden, daß ein Werkzeug stets senkrecht zur Objektoberfläche ausgerichtet ist und die x-Achse des handspezifischen Koordinatensystems genau in Bewegungsrichtung längs der Bahn B zeigt.The remaining sixth degree of freedom - the feed direction v along the path marking B - is not regulated. A feed rate v is explicitly specified by the path control. The orientation of the robot hand 1 can e.g. B. be regulated so that a tool is always aligned perpendicular to the object surface and the x-axis of the hand-specific coordinate system shows exactly in the direction of movement along the path B.

Zur Messung der fünf Freiheitsgrade genügt die Auswertung von nur zwei Bildzeilen. Mit der ersten Bildzeile wird die Ist- Position der Roboterhand 1 relativ zu der Bahnmarkierung B erfaßt. Aus der zweiten, vorauseilenden Bildzeile kann die Position eines weiter vorn liegenden Punktes der Bahn B bestimmt werden (Der Punkt bildet sich durch den Schnitt von Abtastzeile und Bahnkurve). Diese Daten können für Bahnplanungs- und Vorsteuerungskonzepte genutzt werden. Durch Auswertung einer dritten, nachlaufenden Zeile kann die Güte der Vorsteuerung erhöht werden. To measure the five degrees of freedom, the evaluation of only two image lines is sufficient. The actual position of the robot hand 1 relative to the path marking B is detected with the first image line. The position of a point of path B lying further ahead can be determined from the second, leading image line (the point is formed by the intersection of the scanning line and the path curve). This data can be used for path planning and pilot control concepts. The quality of the feedforward control can be increased by evaluating a third, trailing line.

Die mit dem Meßsystem erzielte Meßfrequenz von 1 kHz entspricht dem Interpolationstakt (F1 ms) einer Experimental-Robotersteuerung auf Transputerbasis. The measuring frequency of 1 kHz achieved with the measuring system corresponds the interpolation cycle (F1 ms) of an experimental robot controller on a transputer basis.  

Nachfolgende Beispiele sollen das Verständnis der Erfindung vertiefen:The following examples are intended to help understand the invention deepen:

Fig. 1.1 zeigt schematisch die Blickwinkel von Projektor für die Meßlinien und Kamera mit dem CCD-Sensor. Die Blickwinkel von Kamera und Projektor liegen in einem fest definierten Winkel und betrachten auf dem Objekt die Bahnverfolgungs-Linie, die es zu erkennen und nachzuführen gilt, mit einem im wesentlichen gleichen Ausschnitt. Der dunkel gezeichnete Bereich in Fig. 1.1 projiziert Meßlinien oder andere symmetrische Strukturen auf die Oberfläche des Meßobjektes. Die Kamera erfaßt diese Meßlinien zusammen mit der zwischen zwei der Meßlinien verlaufenden Bahnkurve (vgl. auch Fig. 2.2). Senkrecht zur Meßlinienrichtung und in etwa senkrecht zur Bahnlinienrichtung B verläuft die Abtastrichtung a des zeilenorientierten CCD-Chips. Der Blickwinkel der Optik der Kamera ist hellgrau in Fig. 1.1 dargestellt. Fig. 1.1 shows schematically the viewing angles of the projector for the measuring lines and the camera with the CCD sensor. The viewing angles of the camera and projector are at a fixed angle and look at the object along the path tracking line, which is to be recognized and tracked, with an essentially identical section. The dark area in Fig. 1.1 projects measurement lines or other symmetrical structures on the surface of the measurement object. The camera detects these measurement lines together with the path curve running between two of the measurement lines (cf. also FIG. 2.2). The scanning direction a of the line-oriented CCD chip runs perpendicular to the measuring line direction and approximately perpendicular to the path line direction B. The viewing angle of the optics of the camera is shown in light gray in Fig. 1.1.

Fig. 1.2 verdeutlicht die Bewegung des Objektes mit seiner Oberfläche und die dabei entstehende Überlappung der Blickwinkel von Projektor und Kamera. Fig. 1.2 illustrates the movement of the object with its surface and the resulting overlap of the viewing angles of the projector and camera.

Fig. 2.1 ist eine Vergrößerung in schematischer Darstellung des vorderen Endes einer Roboter-Hand 1. An ihr ist die in den zuvor erwähnten Figuren skizzierte Kamera 4 mit CCD-Bildsensor 5 und Objektiv 6 angeordnet, während im Winkel zur Mittelachse der Kamera 4 das Meßlinien-Projektorgehäuse 8 angeordnet ist mit seiner Kondensorlinse 9, dem die Linien-Struktur definierenden Meßdia 10 und der Abbildungslinse 11. Hinter der Kondensorlinse 8 ist ein Feld mit einer Vielzahl von leuchtstarken LED-Dioden 7 angeordnet, die stroboskopartig die Meßlinien des Dias 10 auf die Objektoberfläche projizieren. Mit der stroboskopartigen Beleuchtung der Oberfläche ist die Auslesung der Bildzone des CCD-Chips 5 synchronisiert, so daß Fremdlichteinfluß unterdrückt werden kann. Fig. 2.1 is an enlargement in schematic representation of the front end of a robot hand. 1 The camera 4 with the CCD image sensor 5 and the lens 6 sketched in the aforementioned figures is arranged on it, while the measuring line projector housing 8 with its condenser lens 9 , the measuring slide 10 defining the line structure, is arranged at an angle to the central axis of the camera 4 and the imaging lens 11 . Arranged behind the condenser lens 8 is a field with a large number of luminous LED diodes 7 , which stroboscopic project the measurement lines of the slide 10 onto the object surface. The reading of the image zone of the CCD chip 5 is synchronized with the stroboscopic illumination of the surface, so that the influence of extraneous light can be suppressed.

Bewegt sich die Roboterhand 1, so bewegt sich die Meßeinrichtung 4 und 8 gemeinsam mit ihr, da Projektor und Kamera in einem gemeinsamen Gehäuse 3 oder an einer gemeinsamen Befestigungsplatte dieses Gehäuses 3 angeordnet sind. Die Befestigungsplatte 3 ist über einen Flansch 2 an der Roboterhand unbeweglich fixiert.If the robot hand 1 moves, the measuring device 4 and 8 moves together with it, since the projector and camera are arranged in a common housing 3 or on a common mounting plate of this housing 3 . The mounting plate 3 is immovably fixed to the robot hand via a flange 2 .

Der Blick auf die Meßoberfläche ist in Fig. 2.2 erläutert, die Meßlinien l₁ bis l₆ können dunkle Linien sein, während das Restfeld hell ausgeleuchtet ist. Die Kontur der Bahnkurve B verläuft dabei innerhalb von zwei Meßlinien, dargestellt ist der Verlauf zwischen den Meßlinien l₃ und l₄. Die Länge der Meßlinien in Bewegungsrichtung v der Roboterhand 1 kann abhängig davon gemacht werden, wie stark gekrümmt die Bahnkurve B ist.The view of the measuring surface is explained in Fig. 2.2, the measuring lines l₁ to l₆ can be dark lines, while the rest of the field is brightly illuminated. The contour of the trajectory B runs within two measuring lines, the course between the measuring lines l₃ and l₄ is shown. The length of the measuring lines in the direction of movement v of the robot hand 1 can be made dependent on how strongly curved the trajectory B is.

Bei der Verwendung eines CCD-Zeilensensors für eine autonome Linienverfolgung stellt sich die Frage nach der Anbringung des Sensors - mit oder ohne Vorlauf, optimale Vorlaufdistanz. Die Art der Anbringung beeinflußt die Eigenschaften des Systems, wobei sie unter den Gesichtspunkten erzielbare Genauigkeit, maximale Verfahrgeschwindigkeit sowie Möglichkeiten für eine Bahnplanung und Vorsteuerung optimiert werden sollte. Eine dynamische Variation des Zeilenvorlaufs ist wünschenswert, technisch jedoch schwierig realisierbar.When using a CCD line sensor for an autonomous Line tracking raises the question of how to attach the Sensors - with or without lead, optimal lead distance. The The type of attachment affects the properties of the system, being accurate from the point of view, maximum travel speed and options for one Path planning and feedforward control should be optimized. A dynamic variation of the line feed is desirable technically difficult to achieve.

Durch Auswertung von zwei Zeilen des CCD-Bildsensors können alle erforderlichen Informationen gewonnen werden, um die Lage und Orientierung der Roboterhand 1 bezüglich der Bahn B vollständig zu bestimmen. Die Nachteile der höheren Auslesezeit eines CCD- Bildsensors und seine vorgegebene starre (übliche) Ausleseprozedur zur Einhaltung der CCIR-TV-Norm des Ausgangssignalverlaufs würde die maximale erzielbare Bildfolge auf 25 Vollbilder bzw. 50 Halbbilder pro Sekunde reduzieren, wenn nicht mit der Erfindung die Geschwindigkeit beträchtlich erhöht würde. Auch die bei Bildsensoren anfallende große Datenmenge, die verarbeitet oder zumindest erfaßt werden muß, "handhabt" die Erfindung problemlos. By evaluating two lines of the CCD image sensor, all necessary information can be obtained in order to completely determine the position and orientation of the robot hand 1 with respect to the path B. The disadvantages of the higher readout time of a CCD image sensor and its predetermined rigid (usual) readout procedure to comply with the CCIR-TV standard of the output signal curve would reduce the maximum achievable image sequence to 25 frames or 50 fields per second if not the speed with the invention would be increased considerably. The invention also "handles" the large amount of data which is produced by image sensors and which has to be processed or at least recorded.

Nachfolgend werden die beschleunigenden Vorschläge beispielhaft vorgestellt, um ein zeitoptimales Auslesen nur wenigen benötigten Bildzeilen aus einem CCD-Bildsensor zu ermöglichen. Die Verfahren sind z. B. mit dem THX 7868A oder TH 7864A von Thomson besonders effizient.The accelerating suggestions are given below as examples presented to ensure optimal read-out for just a few to enable required image lines from a CCD image sensor. The procedures are e.g. B. with the THX 7868A or TH 7864A from Thomson particularly efficient.

Bildsensoren sind im allgemeinen an die Darstellungsdauer eines Fernsehbildes angepaßt. Das Bild wird in zwei aufeinanderfolgenden Halbbildern (Zwischenzeilenverfahren) ausgelesen, wobei die Auslesedauer für jedes Halbbild 20 ms beträgt. Für ein komplettes Bild werden somit 40 ms benötigt. Dieser Faktor allein beschränkt die Meßrate bereits auf maximal 25 Messungen pro Sekunde - theoretisch. Hinzu kommt die Verarbeitungszeit für die anfallenden Daten(un)mengen. Die Verarbeitung der Daten dauert meist ein Vielfaches der Auslesezeit. Für eine qualitativ hochwertige Robotersteuerung mit einem Interpolationstakt von wenigen Millisekunden waren diese Meßraten bislang nicht geeignet. Nötig wären Meßraten, die idealerweise dem Interpolationstakt entsprechen oder zumindest weniger als eine Größenordnung darunter liegen.Image sensors are generally related to the duration of a display Adapted television picture. The picture is in two successive fields (interline method) read out, the readout time for each field 20 ms is. 40 ms are therefore required for a complete image. This factor alone limits the measuring rate to a maximum 25 measurements per second - theoretically. Add to that the Processing time for the data (in) quantities. The Processing the data usually takes a multiple of that Selection time. For high quality robot control with an interpolation cycle of a few milliseconds these measuring rates have so far not been suitable. Measurement rates would be necessary ideally correspond to the interpolation cycle or at least are less than an order of magnitude lower.

Durch eine flexible Ansteuerung eines geeigneten CCD- Bildsensors, d. h. durch Aufgabe der starren Ansteuerung gemäß dem CCIR-TV-Standard, läßt sich eine derart hohe Meßrate mit einem vertretbaren Aufwand erzielen. Dabei werden sämtliche nicht benötigten Bildinformationen bereits im Sensor gelöscht, um die Auslese- und Verarbeitungszeit einzusparen. Dadurch kann der Zugriff (nur) auf die benötigten Daten zeitoptimal erfolgen.Through flexible control of a suitable CCD Image sensor, d. H. by abandoning the rigid control according to the CCIR-TV standard, such a high measuring rate can be used achieve a reasonable effort. All of them image information that is not required is already deleted in the sensor save the reading and processing time. This allows the Access (only) to the required data is time-optimized.

Mit einem sechsachsigen Gelenkarmroboter wurden die Vorschläge der Erfindungen erprobt. Für die Erfassung von fünf räumlichen Freiheitsgraden werden die Bildinformationen aus zwei bis drei (vorzugsweise beliebig wählbaren) Bildzeilen benötigt. Bei Vorschubgeschwindigkeiten von bis zu 1 m/sec (36 km/h) wird die Bahn-Kontur B bzw. Meßlinie noch hinreichend genau aufgelöst (1 Meßpunkt/mm). Daraus ergibt sich eine Meßrate von 1000 Messungen pro Sekunde. Diese Meßrate entspricht dem Interpolations-Takt der erwähnten Steuerung auf Transputerbasis. The suggestions were made using a six-axis articulated arm robot of inventions tested. For the detection of five spatial Degrees of freedom are the image information from two to three (preferably arbitrarily selectable) picture lines needed. At The feed speed is up to 1 m / sec (36 km / h) Path contour B or measuring line still resolved with sufficient accuracy (1 measuring point / mm). This results in a measuring rate of 1000 Measurements per second. This measuring rate corresponds to that Interpolation cycle of the mentioned control on a transputer basis.  

Zum Hintergrund der CCD-Bildsensoren, die in drei Gruppen eingeteilt werden:The background of the CCD image sensors, which are divided into three groups to be grouped:

  • - Interline-Transfer-Sensoren- Interline transfer sensors
  • - Frame-Transfer-Sensoren- Frame transfer sensors
  • - Frame-Interline-Transfer-Sensoren- Frame interline transfer sensors

Ein typischer Frame-Transfer-Bildsensor ist in Fig. 3.1 vereinfacht dargestellt. Er besteht aus folgenden Funktionseinheiten:A typical frame transfer image sensor is shown in simplified form in FIG. 3.1. It consists of the following functional units:

  • - einer Bildzone, die aus einer zweidimensionalen Matrix einzelner Bildelemente (Pixel) gebildet wird;- an image zone consisting of a two-dimensional matrix individual picture elements (pixels) is formed;
  • - einer gleichgroßen Speicherzone;- an equally large storage zone;
  • - dem unmittelbar an die Speicherzone angrenzenden Ausleseregister, dessen Länge der Pixelzahl einer Pixelzeile der Bild- und Speicherzone entspricht;- The one immediately adjacent to the storage zone Readout register, the length of which is the number of pixels in a pixel line corresponds to the image and storage zone;
  • - der an das erste Pixelelement des Ausleseregisters angeschlossenen Ausgangsstufe.- The to the first pixel element of the readout register connected output stage.

Die Bild- und die Speicherzone sind weitgehend identisch aufgebaut. Die Speicherzone ist jedoch durch eine lichtundurchlässige Schicht abgedeckt, so daß einfallendes Licht dort keine Wirkung zeigt. Ferner fehlen in der Speicherzone sämtliche Vorrichtungen für eine Belichtungssteuerung, da sie dort nicht benötigt werden.The image and storage zones are largely identical built up. However, the storage zone is marked by a opaque layer covered so that incident light has no effect there. Also missing in the storage zone all devices for exposure control, since they not needed there.

Die in der Bildzone durch Lichteinwirkung generierten Ladungen (Ladungsbild) lassen sich innerhalb der beiden Zonen mit Hilfe von (zumeist vier um 90° phasenverschobenen) Taktsignalen nach dem Eimerkettenprinzip vertikal verschieben. Für Bild- und Speicherzone stehen jeweils getrennte Taktsignale (P-Takte und M-Takte) zur Verfügung, damit sich die Ladungen in der Speicherzone auch separat verschieben lassen ohne die Ladungen in der Bildzone zu beeinflussen.The charges generated in the image zone by exposure to light (Charge image) can be within the two zones with the help of (usually four clock signals out of phase by 90 °) move the bucket chain principle vertically. For picture and Memory zone there are separate clock signals (P clocks and M clocks) are available so that the charges in the Have the storage zone moved separately without the loads in the image zone.

Die Ladungen aus der Zeile, die sich unmittelbar an das Ausleseregister anschließt, können in einem einzigen Schritt in das Ausleseregister hineingeschoben werden. Im Ausleseregister können sie dann mittels weiterer Taktsignale (L-Takte) horizontal zu einer Ausgangsstufe transportiert werden. Die Ausgangsstufe wandelt die Ladungspakete in eine der Ladungsmenge proportionale Spannung um, die am Videoausgang des Sensors abgegriffen werden kann.The charges from the row that are immediately attached to the Readout registers can be connected in a single step the readout register can be inserted. In the readout register you can then use additional clock signals (L clocks)  be transported horizontally to an output stage. The The output stage converts the charge packets into one of the charge quantities proportional voltage around that at the video output of the sensor can be tapped.

Fig. 3.2 zeigt den zeitlichen Ablauf einer Bildaufnahme und des sich anschließenden Auslesevorgangs. Fig. 3.2 shows the timing of image acquisition and of the subsequent read-out operation.

Ausgehend von der Anfangssituation (a), in der sowohl die Bild­ als auch die Speicherzone ladungsträgerfrei sind, wird der Sensor erstmalig belichtet. In der Bildzone werden während der Belichtungszeit die durch Lichteinwirkung generierten Ladungsträger in sog. Potentialtöpfen auf integriert (b bis d). Die Integrationsdauer beträgt nach CCIR-TV-Standard knappe 20 ms. Sie läßt sich jedoch bei vielen modernen Sensoren durch eine geeignete Taktsteuerung beliebig verkleinern (electronic shutter).Starting from the initial situation (a), in which both the picture and the storage zone are free of charge carriers Sensor exposed for the first time. During the Exposure time generated by exposure to light Charge carriers integrated in so-called potential pots (b to d). The integration time is almost 20 ms according to the CCIR TV standard. However, in many modern sensors it can be Reduce suitable clock control as desired (electronic shutter).

Nach Ablauf der Belichtungszeit erfolgt ein Vertikaltransfer der Ladungen aus der Bildzone in die Speicherzone (e und f). Der Transfer dauert typisch ca. 350 µs. Während des Vertikaltransfers werden weiterhin Ladungen durch Lichteinwirkung erzeugt, die ebenfalls auf integriert werden und das Bild leicht verschmieren (smearing effect). Die Verschmutzung macht sich in der ersten Zeile natürlich nicht bemerkbar und ist in der letzten Bildzeile am stärksten. Sie ist idR. gering, weil das Verhältnis Transferzeit/Integrationszeit sehr klein ist (350/20 000=0,0175). Der Einfluß des Verschmiereffekts erlangt jedoch zunehmende Bedeutung, je weiter die Belichtungszeit mit Hilfe des Electronic Shutter reduziert wird. Extrem helle Bildpunkte können ebenfalls einen deutlich sichtbaren Schweif (Zieheffekt) verursachen.A vertical transfer takes place after the exposure time has expired Charges from the image zone to the storage zone (e and f). Of the Transfer typically takes about 350 µs. During vertical transfer charges continue to be generated by exposure to light also be integrated and slightly smear the image (smearing effect). The pollution starts in the first Line of course not noticeable and is in the last image line the strongest. It is usually. low because of the ratio Transfer time / integration time is very short (350/20 000 = 0.0175). However, the influence of the smear effect is increasing Meaning, the further the exposure time using the Electronic shutter is reduced. Extremely bright pixels can also have a clearly visible tail (pulling effect) cause.

Nach Abschluß des Vertikaltransfers befindet sich das Bild vollständig in der Speicherzone, wobei die erste Bildzeile unmittelbar am Ausleseregister zu liegen kommt. Es folgt das zeilenweise Auslesen des Bildes aus der Speicherzone über das Ausleseregister zur Ausgangsstufe. In der dafür benötigten Zeit - also parallel dazu - wird das nächste Bild in der Bildzone auf integriert (g bis i). Nach Beendigung des Ausleseprozesses ist wieder der in (d) dargestellte Zustand erreicht und der zyklische Ablauf beginnt von neuem.After the vertical transfer is complete, the image is located completely in the memory zone, being the first image line comes to rest directly on the readout register. It follows Read the image line by line from the memory zone using the Read register for the output stage. In the time required for this  - in other words, the next image in the image zone on integrated (g to i). After the selection process has ended the state shown in (d) is reached again and the cyclical process begins again.

Sind also in der Bildzone des Sensors durch Lichteinfall erst einmal Ladungen generiert worden, so können sie nur durch das zeitaufwendige, sequentielle Herausschieben aller Bildzeilen über das Ausleseregister in die Ausgangsstufe beseitigt werden.So are only in the image zone of the sensor due to light once charges have been generated, they can only be time-consuming, sequential pushing out of all image lines be eliminated via the readout register in the output stage.

Fig. 3.3 veranschaulicht die Ergebnisse wenn das gesamte mittlere Drittel des Bildes im Ausleseregister zusammengeschoben wird, um schneller an die Bildinhalte im letzten Drittel des Bildes heranzukommen. Die schwarz dargestellte Fläche im Bild stellt den zusammengeschobenen Bereich dar. Obwohl das Bild insgesamt recht dunkel ist, wird ein großer Teil des letzten Bildabschnitts von Ladungen "überflutet". Fig. 3.3 illustrates the results when the entire middle third of the image is pushed together in the readout register in order to access the image contents in the last third of the image more quickly. The area shown in black in the picture represents the collapsed area. Although the picture as a whole is quite dark, a large part of the last section of the picture is "flooded" with charges.

Um an die Informationen aus lediglich zwei beliebigen "Nutzzeilen" - den Bildausschnitt - schnellstmöglich heranzukommen ohne die Inhalte der Nutzzeilen zu zerstören oder zu beeinträchtigen werden ausgeführt:To get the information from just any two "Useful lines" - the image section - as quickly as possible to get there without destroying the contents of the useful lines or are affected:

  • 1. Vertikaltransfer des Bildes aus der Bildzone in die Speicherzone.1. Vertical transfer of the image from the image zone to the Storage zone.
  • 2. Zusammenschieben der nicht benötigten Zeilen bis auf ca. acht Zeilen vor der ersten Nutzzeile. Währenddessen läuft ein schneller Horizontaltransfer ab.2. Push the lines that are not required down to approx. eight lines before the first useful line. Meanwhile running a quick horizontal transfer.
  • 3. Auslesen von sieben Zeilen mit schnellem Horizontaltransfer.3. Reading out seven lines with fast horizontal transfer.
  • 4. Auslesen der letzten Zeile vor der eigentlichen Nutzzeile mit normaler, qualitätsbewahrender Schiebefrequenz.4. Reading out the last line before the actual useful line with normal, quality-preserving shift frequency.
  • 5. Auslesen der ersten Nutzzeile mit normaler Schiebefrequenz.5. Reading out the first useful line with normal shift frequency.
  • 6. Wiederholung der Schritte 2. bis 5. für die zweite Nutzzeile.6. Repeat steps 2 to 5 for the second Usable line.
  • 7. Löschen sämtlicher evtl. noch folgender Bildzeilen auf irgendeine Weise.7. Delete all of the following image lines any way.

Der letzte Schritt kann auch entfallen. The last step can also be omitted.  

In der Bild- und in der Speicherzone werden horizontal benachbarte Pixel durch vertikal verlaufende ortsfeste Potentialbarrieren getrennt, die mittels eines Gatters erzeugt werden. Über das am Gatter anliegende Potential läßt sich die Höhe des Potentialwalls einstellen. Selbst wenn die Höhe des Potentialwalls groß eingestellt wird, kann es vorkommen, daß durch Überbelichtung des Sensors die Potentialtöpfe überquellen und Ladungen in benachbarte, weniger stark belichtete Bildelemente abfließen. Die damit zusammenhängenden störenden Beeinträchtigungen des Bildes werden als "Blooming" bezeichnet. In modernen CCD-Sensoren ist daher meistens eine sog. Anti- Blooming-Einheit zur Verhinderung dieses Effekts integriert. Das Gatter zwischen zwei benachbarten Pixelspalten ist hierzu in zwei Einzelelektroden unterteilt, wobei im Zwischenraum ein sog. Anti-Blooming-Drain eingefügt ist. Das Anti-Blooming-Drain nimmt die Überschußelektronen aus den überfüllten Potentialtöpfen auf, die sonst in die benachbarten Potentialtöpfe hineinfließen würden.In the image and in the storage zone become horizontal neighboring pixels by vertically running fixed Separate potential barriers generated by means of a gate become. The potential at the gate can be used Set the height of the potential wall. Even if the amount of Potentialwalls is set large, it can happen that overexpose the potential wells by overexposing the sensor and charges into neighboring, less exposed Drain off picture elements. The related disruptive Impairment of the image is called "blooming". In modern CCD sensors, a so-called anti- Blooming unit integrated to prevent this effect. The Gate between two neighboring pixel columns is shown in divided two individual electrodes, with a so-called. Anti-blooming drain is inserted. The anti-blooming drain takes off the excess electrons from the overfilled potential wells, that otherwise flow into the neighboring potential wells would.

Mittels der das Drain steuernden Anti-Blooming-Einheit läßt sich ein Electronic Shutter zur Einstellung der Belichtungszeit realisieren. Durch die Anhebung der Potentialtopfböden auf das Niveau des Potentialwalls - die Potentialtöpfe verschwinden dann völlig - fließen sämtliche durch Lichteinwirkung generierten Ladungen sofort in das Anti-Blooming-Drain ab. Die Anhebung der Potentialtopfböden wird erreicht, indem alle vier P-Takte auf das gleiche, passend gewählte Potential gelegt werden. Erst wenn die Potentialtopfböden wieder abgesenkt werden, beginnt die Integration der optisch generierten Ladungen. Mit dem Electronic Shutter lassen sich extrem kurze Belichtungszeiten von einigen wenigen Mikrosekunden realisieren.By means of the anti-blooming unit controlling the drain an electronic shutter for setting the exposure time realize. By raising the potential well bottoms to the Level of the potential wall - the potential pots then disappear completely - flow all generated by exposure to light Loads immediately into the anti-blooming drain. Raising the Potential well bottoms are achieved by opening all four P-cycles the same, appropriately chosen potential. Only when the bottoms of the potential are lowered again, the begins Integration of the optically generated charges. With the electronic Shutter can be extremely short exposure times of some a few microseconds.

Das Aktivieren der Electronic-Shutter-Funktion unmittelbar vor dem Vertikaltransfer des Bildes aus der Bild- in die Speicherzone liefert ein absolut schwarzes Bild. Dies konnte anhand von Untersuchungen an den Sensoren TH 7864A und THX 7868A nachgewiesen werden. Damit eröffnet sich die Möglichkeit, während des Vertikaltransfers, unmittelbar nach der Übernahme einer bestimmten, frei wählbaren Zeile aus der Bildzone in die Speicherzone die Shutter-Funktion zu aktivieren, was das Löschen des sich noch in der Bildzone befindenden Restbildes zur Folge hat. Der sich bereits in der Speicherzone befindende Teil des Bildes wird dabei in keiner Weise beeinträchtigt. Die Shutter- Funktion läßt sich damit zur Einstellung der Anzahl m auszulesender Zeilen benutzen (0m292 beim TH 786A).Activation of the electronic shutter function immediately before the vertical transfer of the image from the image into the Storage zone provides an absolutely black picture. This could based on tests on the sensors TH 7864A and THX 7868A be detected. This opens up the possibility during the vertical transfer, immediately after the takeover  a specific, freely selectable line from the image zone into the Storage zone to activate the shutter function, which is the deletion of the residual image still in the image zone Has. The part of the Image is not affected in any way. The shutter Function can be used to set the number m Use the lines to be read (0m292 for TH 786A).

Da die Ladung der (292-m) restlichen Bildzeilen vollständig beseitigt werden kann, müssen auch nur die Ladungen der ersten m Zeilen aus der Speicherzone über das Ausleseregister herausgeschoben werden. Der Zeitaufwand zum Verarbeiten der letzten (292-m) nichtrelevanten Zeilen entfällt also gänzlich. Wird insbesondere nur die erste Bildzeile benötigt, d. h. der Bildsensor wird als Zeilensensor genutzt, sind auf diese Weise Bildfolgen von bis zu 2500 Bildern pro Sekunde erreichbar. Der "Mißbrauch" der Anti-Blooming-Elektrode zum Löschen der Bildzone ist vom Hersteller nicht vorgesehen.Since the charge of the (292-m) remaining image lines completely can be eliminated, only the charges of the first m Lines from the memory zone via the readout register be pushed out. The time spent processing the last (292-m) irrelevant lines are therefore completely eliminated. If in particular only the first image line is required, i. H. of the Image sensor is used as a line sensor, are in this way Image sequences of up to 2500 images per second can be achieved. Of the "Abuse" of the anti-blooming electrode to erase the image zone is not intended by the manufacturer.

Fig. 3.4 veranschaulicht den beschriebenen Auslesezyklus, bei dem beispielsweise nur die erste Hälfte des Bildes ausgelesen wird. Ausgehend von einem fertig belichteten Bild in der Bildzone (a) wird zunächst ein Vertikaltransfer der ersten 146 Zeilen in die Speicherzone durchgeführt (b). Sobald sich die letzte auszulesende Zeile in der Speicherzone befindet, werden die P-Takte angehalten und das restliche Teilbild in der Bildzone mit der Anti-Blooming-Einheit gelöscht (c). Während des nur wenige Mikrosekunden dauernden Löschvorgangs wird das auszulesende Teilbild weiter in Richtung Ausleseregister verschoben (d). Das Löschen trägt effektiv keinen Beitrag zur Gesamt-Auslesedauer bei. Fig. 3.4 illustrates the read cycle described in the example, only the first half of the image is read out. Starting from a completely exposed image in the image zone (a), a vertical transfer of the first 146 lines into the storage zone is first carried out (b). As soon as the last line to be read is in the memory zone, the P clock pulses are stopped and the remaining partial image in the image zone is deleted with the anti-blooming unit (c). During the deletion process, which lasts only a few microseconds, the partial image to be read out is shifted further in the direction of the readout register (d). Deleting effectively does not contribute to the total readout time.

Nach erfolgtem Löschvorgang beginnt in der Bildzone bereits die Integration des nächsten Bildes. Dieser Vorgang läuft wiederum zeitgleich mit dem Auslesen der ersten Bildhälfte aus der Speicherzone (e, f). After the deletion process, the image begins in the image zone Integration of the next picture. This process is running again at the same time as reading out the first half of the image from the Storage zone (e, f).  

Mit den bisher diskutierten Maßnahmen wäre das Auslegen von zwei beliebigen Bildzeilen auch mit dem TH 7864A in nur etwa drei bis sechs Millisekunden denkbar.With the measures discussed so far, two would be designed any picture lines with the TH 7864A in only about three to six milliseconds possible.

Der CCD-Bildsensor THX 7868A bietet als besonderes Merkmal eine sog. Windowing-Einheit (windowing device), mit der beliebige Bildzeilen einzeln und in nur typisch 2 µs restlos gelöscht werden können. Das Auslesen einer Zeile dauert demgegenüber ca. 64 µs.The THX 7868A CCD image sensor offers a special feature So-called. Windowing device (windowing device), with which any Image lines individually and in only typically 2 µs completely deleted can be. In contrast, reading a line takes time approx. 64 µs.

Die Windowing-Einheit ist eine parallel zum Ausleseregister angeordnete Löschvorrichtung. Sie besteht im wesentlichen aus dem Windowing-Drain, das durch das Windowing-Gate vom Ausleseregister getrennt ist. Während des normalen Betriebs wird an das Windowing-Gate ein Potential angelegt, das eine für die im Ausleseregister enthaltenen Ladungen unüberwindbare Potentialbarriere erzeugt. Bei Absenkung der Potentialbarriere durch eine geeignete Spannungsansteuerung des Windowing-Gate strömen die Ladungen aus dem Ausleseregister in das Windowing- Drain ab, was einem Löschen der Zeileninformation gleichzusetzen ist. Eine gezielte Ansteuerung des Windowing-Gate erlaubt folglich das schnelle Löschen einzelner Bildzeilen und Bereiche, wodurch der hohe Zeitaufwand zum seriellen Auslesen der betreffenden Bildzeilen eingespart werden kann.The windowing unit is parallel to the readout register arranged extinguishing device. It essentially consists of the windowing drain through the windowing gate Readout register is separated. During normal operation a potential is applied to the windowing gate, one for the Insurmountable charges contained in the readout register Potential barrier created. When the potential barrier is lowered through a suitable voltage control of the windowing gate the charges flow from the readout register into the windowing Drain off, which equates to deleting the line information is. A targeted control of the windowing gate allows consequently the quick deletion of individual image lines and areas, whereby the high expenditure of time for the serial readout of the relevant picture lines can be saved.

In Experimenten hat sich herausgestellt, daß mit der Windowing- Einheit das Löschen von Teilen einer Zeile sauber bewerkstelligt werden kann. Es ergibt sich somit die Möglichkeit, nur die ersten n Pixel (0n845) einer Zeile auszulesen, die relevante Informationen enthalten. Der nicht benötigte Teil der Zeile (die 845-n letzten Pixel) kann gelöscht werden, um eine weitere Zeitersparnis zu realisieren.Experiments have shown that windowing Unit managed to delete parts of a line cleanly can be. So there is the possibility, only that the first n pixels (0n845) of a line, the relevant one Contain information. The unneeded part of the line (the 845-n last pixel) can be deleted to add another Realize time savings.

Als weitere Besonderheit verfügt der THX 7868A über eine zweite Ausgangsstufe, die analog zur ersten Stufe aufgebaut ist, jedoch mit dem Unterschied, daß sie mit dem letzten anstatt mit dem ersten Bildelement des Ausleseregisters verbunden ist. Durch geeignete Ansteuerung der Schiebetakte am Ausleseregister läßt sich die horizontale Transferrichtung beeinflussen. Durch Umkehr der normalen Schieberichtung gelangen die Zeileninformationen in umgekehrter Reihenfolge an die zweite Ausgangsstufe. Ein über diesen Ausgang ausgelesenes Bild erscheint horizontal gespiegelt. Befinden sich die gewünschten Bildinhalte mehr in der linken Hälfte des Bildes, so werden die Zeilen normal ausgelesen. Sind die Informationen jedoch überwiegend rechts im Bild, werden die Zeilen gespiegelt ausgelesen.As a further special feature, the THX 7868A has a second one Output stage, which is constructed analogously to the first stage, however with the difference that it is with the last instead of the first picture element of the readout register is connected. By suitable control of the shift clocks on the readout register  influence the horizontal transfer direction. By repentance In the normal shift direction, the line information gets into reverse order to the second output stage. An over Image read out this output appears horizontally mirrored. Are the desired image contents more in the left half of the picture, the lines become normal read out. However, if the information is predominantly on the right in Image, the lines are read out mirrored.

In Kombination mit der Option zum Löschen von Teilen einer Zeile kann die Spiegelungsfunktion dazu benutzt werden, noch schneller an die gewünschten Informationen eines Bildes heranzukommen.In combination with the option to delete parts of a line the mirroring function can be used even faster to get the desired information of an image.

Da für eine schnelle Konturverfolgung nur wenige, jedoch weit auseinanderliegende Zeilen in sehr kurzer Zeit ausgelesen werden müssen, ist die Windowing-Funktion des Sensors für die vorgesehene Anwendung vorteilhaft.Since only a few for fast contour tracking, but far apart lines can be read in a very short time is the windowing function of the sensor for that intended application advantageous.

Als Beispiel sei hier die sog. Tracking-Funktion genannt. Mit der Tracking-Funktion kann ein z. B. besonders heller Punkt aufgrund der schnellen erzielbaren Bildfolge mit einer hohen zeitlichen und räumlichen Auflösung verfolgt werden. Der Bildausschnitt kann - der Position des Punktes folgend - in Echtzeit nachgeführt werden, wobei die erforderliche Fenstergröße und Position in Abhängigkeit von der aktuellen Geschwindigkeit und Bewegungsrichtung gewählt werden können (Fig. 3.6). Hierfür sind interessante Einsatzgebiete denkbar, beispielsweise die Motographie.The so-called tracking function may be mentioned here as an example. With the tracking function a z. B. particularly bright point can be tracked due to the fast achievable image sequence with a high temporal and spatial resolution. The image section can be tracked in real time - following the position of the point - the required window size and position can be selected depending on the current speed and direction of movement ( Fig. 3.6). Interesting areas of application are conceivable for this, for example motography.

Da bei der geplanten Anwendung der Kamera aufgrund des selektiven Auslesens von Teilbildern nicht mehr die gesamte normalerweise zur Verfügung stehende Belichtungszeit für das jeweils nächste Bild verfügbar ist, kann eine stroboskopische Beleuchtung mit intensiven Lichtblitzen vorgesehen werden, um die Empfindlichkeit zu erhöhen.Since in the planned application of the camera due to the selective reading of partial images no longer the entire normally available exposure time for the each next picture is available, a stroboscopic Illumination with intense flashes of light may be provided to to increase sensitivity.

Wird nur stroboskopartig beleuchtet kann die Speicherzone entfallen. The storage zone can only be illuminated in the manner of a stroboscope omitted.  

Eine Übersicht über die Schaltungskomponenten einer alle features kombinierenden Kameraelektronik ist im Blockschaltbild Fig. 4.1 gegeben. Zur technischen Realisierung des Kamera- Sequenzers sei angemerkt, daß die Ablaufsteuerwerke als einfache Mealy-Automaten entworfen wurden, die in insgesamt fünf PLD- Bausteinen vom Typ MACH210-15 der AMD untergebracht sind.An overview of the circuit components of all camera electronics combining all features is given in the block diagram in FIG. 4.1. Regarding the technical implementation of the camera sequencer, it should be noted that the sequence control units were designed as simple Mealy automatons, which are accommodated in a total of five PLD modules of the type MACH210-15 from AMD.

Die Kameraelektronik beinhaltet einen eigenen Mikrorechner auf Transputerbasis. Der IMS T222 ist über die Systemlogik in die hierarchische Struktur eines übergeordneten Transputerknotens (Up-System) als untergeordneter Knoten (Down-System) eingebettet. Der Transputer empfängt über Link 0 Steuerkommandos von einem kontrollierenden Transputer. Das ist im allgemeinen der Transputer der Frame-Grabber-Baugruppe. Die Kamera kann aber auch von beliebigen anderen Transputerbaugruppen oder von einem PC mit Link-Adapter kontrolliert werden. Einzige Voraussetzung dazu ist, daß die Link-Verbindung differentiell ausgeführt sein muß, da die Link-Treiber gemäß der RS422-Norm spezifiziert sind. Die differentielle Übertragung wurde gewählt, da sie besonders robust gegenüber elektromagnetischen Störeinflüssen ist. Sie gewährleistet einen störungsfreien Betrieb in der stark gestörten Umgebung.The camera electronics contain their own microcomputer Transputer base. The IMS T222 is integrated into the system logic hierarchical structure of a superordinate transputer node (Up system) as subordinate node (down system) embedded. The transputer receives control commands via link 0 from a controlling transputer. That is in general the transputer of the frame grabber assembly. But the camera can also from any other transputer assemblies or from one PC with link adapter can be checked. The only requirement to this is that the link connection be made differentially must, since the link drivers are specified in accordance with the RS422 standard. The differential transmission was chosen because it is special is robust against electromagnetic interference. she ensures trouble-free operation in the strong disturbed environment.

Über den 2048·16 Bit (4 kByte) großen Zweitorspeicher und die vier 16-Bit-Register kann der Kamerasequenzer vom Transputer programmiert und kontrolliert werden. Für den praktischen Einsatz der Kamera bedeutet dies, daß das Auslesen eines jeden Bildes aus dem CCD-Sensor individuell programmiert werden kann. Die angesprochene Tracking-Funktion wird somit vom Sequenz er direkt unterstützt.Via the 2048 x 16 bit (4 kByte) large two-port memory and the The camera sequencer has four 16-bit registers from the transputer be programmed and controlled. For the practical Using the camera means that reading everyone Image from the CCD sensor can be programmed individually. The mentioned tracking function is thus from the sequence directly supported.

Die vom Sequenz er generierten digitalen Taktsignale für den CCD- Sensor werden über Koaxialkabel zur Kamera übertragen. Dort werden sie von dem Sensor-Interface auf die Spannungspegel umgesetzt, wie sie für die Sensoransteuerung im Datenblatt spezifiziert sind. Das Sensor-Interface sorgt insbesondere auch für die Einhaltung der geforderten Flankensteilheiten. Zur Generierung sämtlicher Taktsequenzen wurde ein Kamera-Sequenzer aufgebaut, der in drei Zeitebenen jeweils mehrere einfache Grundfunktionen ausführen kann, wobei deren Ablauf durch Programmierung modifiziert werden kann. Die drei Zeitebenen werden wie folgt begründet:The digital clock signals generated by the sequence for the CCD Sensors are transmitted to the camera via coaxial cables. There they are from the sensor interface to the voltage level implemented as for the sensor control in the data sheet are specified. The sensor interface also ensures in particular for compliance with the required steepness. For Generation of all clock sequences was a camera sequencer  built up, each in three time levels several simple Can perform basic functions, the flow of which by Programming can be modified. The three time levels are justified as follows:

  • - Zyklen zum Verarbeiten einzelner Pixel (ca. 67 ns)- Cycles for processing individual pixels (approx. 67 ns)
  • - Zyklen zum Verarbeiten einzelner Bildzeilen (bis ca. 61 µs)- Cycles for processing individual image lines (up to approx. 61 µs)
  • - Zyklen zum Verarbeiten von Halbbildern (bis ca. 20 ms)- Cycles for processing fields (up to approx. 20 ms)

Fig. 4.4 gibt eine Übersicht über die Funktionsblöcke des Kamera-Sequenzers. Der Sequenzer ist aus zwei Steuerwerken gebildet, die hierarchisch angeordnet sind, ansonsten aber weitgehend unabhängig voneinander arbeiten. Er generiert 16 verschiedene digitale Ansteuertakte zum zeitoptimalen Auslesen der relevanten Bildausschnitte und zum Löschen aller nicht benötigten Bildbereiche. Unterschiedliche Teilfunktionen der Steuerwerke werden in Abhängigkeit von programmierbaren Eingangsparametern und Eingangs-Flip-Flops generiert. Fig. 4.4 gives an overview of the function blocks of the camera sequencer. The sequencer is made up of two control units, which are arranged hierarchically, but otherwise work largely independently of one another. It generates 16 different digital control clocks for time-optimized reading of the relevant image sections and for deleting all unnecessary image areas. Different sub-functions of the control units are generated depending on programmable input parameters and input flip-flops.

Die Shutter-RegisterThe shutter register

Die beiden Shutter-Register werden für eine elektronische Belichtungszeitsteuerung benutzt. Zu Beginn eines Bildzyklus wird der Belichtungszähler mit dem Inhalt eines Shutter- Registers geladen. Anschließend wird der Belichtungszähler mit einem Taktzyklus von ca. 533 ns auf Null heruntergezählt. Solange der Zählerinhalt nicht Null ist, wird durch geeignete Ansteuerung der P-Takte die Ausbildung von Potentialtöpfen unterbunden, so daß alle generierten Ladungen in das Anti- Blooming-Drain abfließen und die Integration eines Bildes unterbunden wird (electronic shutter). Sobald der Wert Null erreicht ist, wird die Integration des Bildes freigegeben. Die Belichtungsfreigabe wird ferner als externes Signal zur Ansteuerung einer stroboskopischen Lichtquelle 7 genutzt, so daß das Blitzlicht exakt im richtigen Zeitpunkt - zu Beginn der Belichtung - gezündet werden kann.The two shutter registers are used for electronic exposure time control. At the beginning of an image cycle, the exposure counter is loaded with the content of a shutter register. The exposure counter is then counted down to zero with a clock cycle of approximately 533 ns. As long as the counter content is not zero, the formation of potential pots is prevented by suitable control of the P clocks, so that all generated charges flow into the anti-blooming drain and the integration of an image is prevented (electronic shutter). As soon as the value zero is reached, the integration of the image is released. The exposure release is also used as an external signal to control a stroboscopic light source 7 , so that the flash light can be fired at exactly the right time - at the beginning of the exposure.

Die beiden Shutter-Register können unabhängig voneinander auf unterschiedlich lange Verzögerungszeiten programmiert werden. So ist es beispielsweise denkbar, eine Szene in jeweils zwei aufeinanderfolgenden Halbbildern unter anderen Lichtverhältnissen aufzunehmen. Wird z. B. ein Shutter-Register mit dem Wert Null initialisiert und das andere mit einem Wert, der zu einer Belichtungszeit von nur 100 µs führt, so wird die Bildszene in dem einen Bild bei Tages- oder Umgebungslicht aufgenommen, während die Szene im darauffolgenden Bild mit - eventuell strukturiertem - Blitzlicht aufgenommen wird. Der Einfluß des Tages- und Umgebungslichts ist bei der Blitzlichtaufnahme aufgrund der kurzen Belichtungszeit praktisch vollständig unterdrückt.The two shutter registers can be used independently delay times of different lengths can be programmed. So  it is conceivable, for example, to have one scene in two successive fields among others To record lighting conditions. Is z. B. a shutter register initialized with the value zero and the other with a value, which leads to an exposure time of only 100 µs, so the Image scene in one image in daylight or ambient light recorded while using the scene in the following image - possibly structured - flash light is recorded. Of the The influence of daylight and ambient light is on the Flash photography is practical due to the short exposure time completely suppressed.

Die Bildparameter-RegisterThe image parameter register

Über die beiden 16 Bit breiten Bildparameter-Register lassen sich - abgesehen von der Belichtungsverzögerung - sämtliche Bildparameter programmieren. Fig. 4.5 zeigt die Belegung der einzelnen Bits eines Bildparameter-Registers.Apart from the exposure delay, all image parameters can be programmed via the two 16-bit image parameter registers. Fig. 4.5 shows the assignment of the individual bits of an image parameter register.

Startbegin

Die Initialisierung des Sequenzers durch Setzen dieses Bits nach dem Einschalten der Kamera oder nach einem Reset gewährleistet einen definierten Start der Steuerwerke und dient zur Synchronisation mit dem Transputer.The sequencer is initialized by setting this bit after guaranteed after switching on the camera or after a reset a defined start of the control units and is used for Synchronization with the transputer.

ResetReset

Rücksetzen des Sequenzers. Das Ablaufsteuerwerk, das Taktsteuerwerk und sämtliche Zähler werden in den Grundzustand versetzt. Dabei werden alle Takte und andere Ausgangssignale auf ein definiertes, unkritisches Ruhepotential gesetzt. Nach dem Reset muß für einen definierten Start des Sequenzers das Start- Bit gesetzt werden.Reset the sequencer. The sequencer that Clock control unit and all counters are in the basic state transferred. All clocks and other output signals are on a defined, uncritical rest potential. After this Reset must start for a defined start of the sequencer Bit can be set.

Fig. 4.5 zeigt die Belegung der Bits eines einzelnen Zeilenparameter-Registers. Fig. 4.5 shows the assignment of the bits of a single line parameter register.

Anzahl Pixel aus der Zeile (10 Bit)Number of pixels from the line (10 bits)

Mit den niederwertigsten 10 Bit wird der Pixelzähler geladen, der über die Anzahl der Pixel-Ausgabezyklen für die aktuelle Zeile entscheidet. Nach der Ausgabe der programmierten Pixelzahl wird die Windowing-Einheit aktiviert und der Rest der Zeile gelöscht.The pixel counter is loaded with the least significant 10 bits, the number of pixel output cycles for the current  Line decides. After output of the programmed number of pixels the windowing unit is activated and the rest of the line deleted.

Links ShiftLeft shift

Jede Zeile kann wahlweise zum linken oder rechten Sensorausgang ausgegeben werden. Das Bit gibt dem Steuerwerk die gewünschte Schieberichtung bekannt. Ist das Bit gesetzt, wird die Zeile in normaler Richtung über VOS1 ausgelesen. Ist das Bit gelöscht, wird die Zeile in umgekehrter Richtung über VOS2 ausgelesen. Das Steuerwerk berücksichtigt automatisch die unterschiedliche Anzahl nichtrelevanter Pixel am Zeilenanfang und -ende. Eine Bildzeile setzt sich nämlich aus 845 Pixeln zusammen, wobei nur 768 Pixel Bildinformationen enthalten. Die restlichen Pixel werden als sog. Pre-Scan-, Post-Scan- und Dunkelreferenzpixel verwendet. In Abhängigkeit von der Schieberichtung erscheinen sie in einer anderen Reihenfolge am Sensorausgang:Each line can either go to the left or right sensor output be issued. The bit gives the control unit the desired one Sliding direction known. If the bit is set, the line is in read out in normal direction via VOS1. If the bit is cleared the line is read out in the opposite direction via VOS2. The Control unit automatically takes into account the different Number of irrelevant pixels at the beginning and end of the line. A Image line is made up of 845 pixels, although only 768 pixels contain image information. The remaining pixels are called pre-scan, post-scan and dark reference pixels used. Depending on the sliding direction appear in a different order at the sensor output:

Ausgang VOS1Output VOS1

  • - 14 Post-Scan-Pixel- 14 post-scan pixels
  • - 50 Dunkelreferenzpixel- 50 dark reference pixels
  • - 768 Bildpixel- 768 image pixels
  • - 13 Pre-Scan-Pixel- 13 pre-scan pixels

Ausgang VOS2VOS2 output

  • - 13 Pre-Scan-Pixel- 13 pre-scan pixels
  • - 768 Bildpixel- 768 image pixels
  • - 50 Dunkelreferenzpixel- 50 dark reference pixels
  • - 14 Post-Scan-Pixel- 14 post-scan pixels

Über die Schnittstelle zum "Frame-Grabber" (Teilbild-Erfasser) signalisiert der Sequenz er nur die Ausgabe der relevanten Bildpixel. Die nichtrelevanten Pixel werden vom Frame-Grabber daher überhaupt nicht verarbeitet.Via the interface to the "frame grabber" (capture device) the sequence only signals the output of the relevant ones Image pixels. The non-relevant pixels are from the frame grabber therefore not processed at all.

Letzte ZeileLast line

Das Bit muß in der letzten zu verarbeitenden Zeile gesetzt sein, da es den Sequenzer anweist, den Bildzyklus zu beenden und mit dem nächsten Bildzyklus zu beginnen.The bit must be set in the last line to be processed, because it tells the sequencer to end the frame cycle and use  to start the next image cycle.

AuslesenRead out

Das Bit signalisiert dem Sequenzer, ob die Zeile ausgelesen oder gelöscht werden soll. Ist das Bit gesetzt, so wird die Bildzeile bis zu der programmierten Pixelzahl ausgelesen. Ansonsten wird die Zeile anstelle des Horizontaltransfers-augenblicklich durch Aktivieren der Windowing-Einheit gelöscht. Anschließend wird die nächste Zeile abgearbeitet.The bit signals the sequencer whether the line has been read out or to be deleted. If the bit is set, the picture line becomes read out up to the programmed number of pixels. Otherwise it will the line immediately instead of the horizontal transfer Activation of the windowing unit deleted. Then the next line processed.

Das Bild wird vom Steuerwerk auf folgende Weise zeitoptimal aus dem CCD-Sensor ausgelesen:The picture is optimized by the control unit in the following way read from the CCD sensor:

  • - Ausschieben der Zeilen 1 bis 50 aus der Bildzone in die Speicherzone.- Extend lines 1 to 50 from the image zone into the Storage zone.
  • - Löschen der verbleibenden Zeilen in der Bildzone. Ab jetzt kann bereits parallel zu allen folgenden Ausleseoperationen die Belichtung des nächsten Bildes durchgeführt werden.- Delete the remaining lines in the image zone. From now can already run in parallel to all subsequent read operations the exposure of the next image can be done.
  • - Verschieben der 50 Zeilen in der Speicherzone bis zum Ausgaberegister.- Move the 50 lines in the memory zone to Output register.
  • - Auslesen der Zeile 1.- Read out line 1.
  • - Löschen der Zeilen 2 bis 49 mit Hilfe der Windowing-Einheit.- Delete lines 2 to 49 using the windowing unit.
  • - Auslesen der Zeile 50.- Read out line 50.

Nach dem letzten Schritt ist die Speicherzone vollständig leergeräumt. In der Bildzone wurde zwischenzeitlich bereits das nächste Bild belichtet und kann ausgelesen werden.After the last step, the storage zone is complete cleared. In the meantime, that was already happening in the image zone next picture is exposed and can be read out.

Nach der Programmierung des Sequenzers läuft der geschilderte Auslesevorgang periodisch ab. Der externe Synchronisationsmechanismus zum Antriggern des Auslesevorgangs (Signal Start Bildzyklus in Fig. 4.1) und das Signal zur synchronen Ansteuerung einer stroboskopischen Beleuchtung können dafür genutzt werden, einen zum Abtast- und Regel-Takt der Robotersteuerung synchronisierten Betrieb zu realisieren. After programming the sequencer, the readout process described runs periodically. The external synchronization mechanism for triggering the readout process (signal start image cycle in Fig. 4.1) and the signal for synchronously controlling a stroboscopic lighting can be used to implement an operation synchronized with the scanning and control cycle of the robot controller.

Die beschriebenen Funktionen der flexiblen Kamera sind mit einem passend zugeschnittenen "Universal-Frame-Grabber" zur Digitalisierung der Bilddaten besonders wirksam. Ein derartiger Frame-Grabber muß in der Lage sein, abweichend vom "Grabben" eines Vollbildes auch die von der Kamera gelieferten und teilweise nicht zusammenhängenden Bildsegmente richtig zu verarbeiten. Um dieses Ziel zu erreichen wird eine geeignete Schnittstelle zwischen Kamera und Grabber ausgearbeitet. Die Schnittstelle zwischen Kamera und Grabber besteht aus sieben Signalleitungen (Fig. 5.2). Neben dem eigentlichen Video-Signal werden fünf weitere Steuersignale von der Kamera zum Grabber übertragen, damit das Ablauf-Steuerwerk des Grabbers die Bildausgabe der Kamera bei allen möglichen Betriebsarten nachvollziehen kann. Die fünf Steuerleitungen haben folgende Funktionen:The functions of the flexible camera described are particularly effective with a suitably tailored "universal frame grabber" for digitizing the image data. Such a frame grabber must be able, in deviation from the "grabbing" of a full image, also to correctly process the image segments supplied by the camera and in some cases not connected. In order to achieve this goal, a suitable interface between camera and grabber is being worked out. The interface between the camera and grabber consists of seven signal lines (Fig. 5.2). In addition to the actual video signal, five other control signals are transmitted from the camera to the grabber so that the sequence control unit of the grabber can understand the image output from the camera in all possible operating modes. The five control lines have the following functions:

(a) Neues Bild (Bild-Synchronsignal)(a) New image (image synchronizing signal)

Zu Beginn eines jeden Bildzyklus (für ein Halbbild) wird ein Bild-Synchronsignal übertragen. Das Signal veranlaßt das Steuerwerk, mit dem "Grabben" eines neuen Bildes zu beginnen. Der Zeilenzähler des Steuerwerks wird zurückgesetzt.At the beginning of each frame cycle (for one field) a Image synchronous signal transmitted. The signal does that Control unit to start "grabbing" a new picture. The line counter of the control unit is reset.

(b) Halbbild 1(b) Field 1

Das Signal wird benötigt, um zwischen den beiden aufeinanderfolgenden Halbbildern (mit geraden und ungeraden Bildzeilen im CCIR-TV-Modus) unterscheiden zu können. Ist Halbbild 1 aktiv, werden die digitalisierten Bilddaten in ungerade Zeilenpositionen des Bildspeichers geschrieben, ansonsten werden die geraden Zeilenpositionen beschrieben.The signal is required to be able to distinguish between the two successive fields (with even and odd picture lines in CCIR TV mode). If field 1 is active, the digitized image data are written in odd line positions in the image memory, otherwise the even line positions are written.

(c) Neue Zeile (Zeilen-Synchronsignal)(c) New line (line synchronizing signal)

Zu Beginn eines jeden Zeilenzyklus wird ein Zeilen- Synchronsignal übertragen. Das Signal veranlaßt den Grabber, den Zeilenzähler zu inkrementieren und den Pixelzähler zurückzusetzen. Die nachfolgenden digitalisierten Bildpunkte werden somit in die nächste "Zeile" im Bildspeicher des Grabbers eingetragen. At the beginning of each line cycle, a line Transmit synchronous signal. The signal causes the grabber to To increment the line counter and the pixel counter reset. The following digitized pixels are thus in the next "line" in the image memory of the grabber registered.  

(d) PHI (Pixel-Schiebetakt)(d) PHI (pixel shift clock)

Um einen definierten Abtastzeitpunkt mit einem möglichst geringen Abtast-Jitter zu erhalten, wurde der Pixel-Schiebetakt PHI aus dem Signal F2L, das von der Kamera-Ansteuerelektronik generiert wird, abgeleitet. Dieses Synchronisationssignal wird direkt auf den Takteingang des A/D-Wandlers des Grabbers gelegt. Das Signal läßt sich in der Phasenlage variieren, um Laufzeiteffekte in der Übertragungsleitung von der Kamera zum Grabber zu kompensieren. Damit wird stets eine exakte pixelsynchrone Abtastung des Video-Signals gewährleistet.At a defined sampling time with one if possible To obtain low sample jitter, the pixel shift clock became PHI from the signal F2L by the camera control electronics is generated, derived. This synchronization signal will placed directly on the clock input of the A / D converter of the grabber. The signal can be varied in phase Runtime effects in the transmission line from the camera to the Compensate for grabber. This is always an exact Pixel-synchronous sampling of the video signal guaranteed.

(e) Pixel gültig(e) Pixel valid

Das Signal wird zur Unterscheidung zwischen gültigen Bildpunkten und Pre-, Post- bzw. Dunkelreferenz-Pixeln benötigt. Nur wenn dieses Signal aktiv ist, handelt es sich bei den ankommenden Pixeln um relevante Bildpunkte. Während der Ausgabe der Pre-, Post- und Dunkelreferenz-Pixel einer Zeile wird das Signal deaktiviert, so daß diese Pixel vom Grabber nicht digitalisiert bzw. in den Bildspeicher übertragen werden.The signal is used to distinguish between valid pixels and pre, post and dark reference pixels, respectively. Only if this signal is active, it concerns the incoming Pixels around relevant pixels. While issuing the pre, Post and dark reference pixels of a line become the signal deactivated so that these pixels are not digitized by the grabber or transferred to the image memory.

Ein weiteres Steuersignal wird vom Grabber zur Kamera übertragen: Kamera StartAnother control signal is sent from the grabber to the camera broadcast: camera start

Ist das Signal aktiv, kann der Kamera-Sequenzer den CCD- Bildsensor zyklisch auslesen. Wird das Signal inaktiv geschaltet, bleibt der Kamera-Sequenzer nach der Abarbeitung des momentan laufenden Bildzyklus stehen. Mit einem kurzen Impuls auf dieser Signalleitung läßt sich ein einzelner Bildzyklus der Kamera vom Grabber aus antriggern. Damit kann die Bildfrequenz der Kamera beliebig eingestellt werden, sofern die Periodendauer nicht kleiner gewählt wird als die vom Kamera-Sequenz er benötigte Zeit für die Ausgabe aller gewünschten Bildteile.If the signal is active, the camera sequencer can Read out image sensor cyclically. The signal becomes inactive switched on, the camera sequencer remains after processing the currently running picture cycle. With a short impulse a single image cycle of the Trigger the camera from the grabber. So that the frame rate the camera can be set as long as the period lasts is not chosen smaller than that of the camera sequence required time for the output of all desired parts of the picture.

Die Bildfolge läßt sich über diese Signalleitung z. B. mit dem Abtast und Regeltakt der Robotersteuerung synchronisieren, oder es kann eine extrem kurze Bildfolge realisiert werden, z. B. für Zeitraffer-Aufnahmen. The image sequence can be z. B. with the Synchronize the sampling and control cycle of the robot controller, or an extremely short sequence of images can be realized, e.g. B. for Time-lapse recordings.  

Der Frame-Grabber beinhaltet ein programmierbares, autonom arbeitendes Ablaufsteuerwerk zum zyklischen Erfassen der vom Sensor gelieferten Bildinformationen. Das Videosignal wird hierbei in 256 Graustufen digitalisiert. Der Frame-Grabber bildet die physikalische Pixel-Matrix des CCD-Sensors als virtuelle Pixel-Matrix in einem 1 MByte großen Zweitorspeicher ab. Zu jedem Bildpunkt der Pixel-Matrix im CCD-Sensor korrespondiert somit ein Byte im Speicher des Frame-Grabbers. Der Grabber ist ferner ebenfalls mit einem Transputer (IMS T805) sowie 4 MByte Arbeitsspeicher ausgestattet, so daß er per Link die Kamerafunktionen programmieren und überwachen kann. Der Transputer hat über den Zweitorspeicher unmittelbaren Zugriff auf die digitalisierten Bilddaten. Er kann sie über mehrere Link-Verbindungen mit einer beachtlichen Übertragungsbandbreite in ein weiteres Transputer-Netz zur Echtzeit-Datenverarbeitung transferieren (Transputer 1, 2, n).The frame grabber includes a programmable, autonomous Working sequential control unit for the cyclical recording of the Sensor supplied image information. The video signal will digitized in 256 shades of gray. The frame grabber forms the physical pixel matrix of the CCD sensor as virtual pixel matrix in a 1 Mbyte two-port memory from. For every pixel of the pixel matrix in the CCD sensor thus corresponds to one byte in the memory of the frame grabber. The grabber is also equipped with a transputer (IMS T805) and 4 MB of RAM, so that it can be linked can program and monitor the camera functions. Of the Transputer has direct access via the two-port memory on the digitized image data. He can do it over several Link connections with a considerable transmission bandwidth into another transputer network for real-time data processing transfer (transputer 1, 2, n).

Das vollständige Einlesen eines Bildes wird dem Transputer mittels eines vom Ablaufsteuerwerk generierten Bild-Interrupts bekanntgegeben, um geringe Laufzeiten und somit kurze Antwortzeiten der Regelung zu erreichen.The complete reading of an image is the transputer by means of a picture interrupt generated by the sequencer announced to short terms and thus short Achieve response times of the scheme.

Das Einlesen der Bilddaten in den Speicher des Frame-Grabbers ist mit dem Beschreiben einer Papierseite mit einem Drucker (z. B. Typenraddrucker) vergleichbar:Reading the image data into the memory of the frame grabber is with writing a page of paper with a printer (e.g. type wheel printer) comparable:

  • - Der Grabber positioniert nach Empfang des Bild- Synchronsignals Neues Bild den Schreibzeiger auf die erste Pixel-Position in der ersten Zeile der virtuellen Pixel- Matrix - und zwar abhängig von dem Signal Halbbild auf die erste ungerade oder auf die erste gerade Zeile. Dieser Schritt ist mit dem Papiereinzug in den Drucker sowie dem Ausrichten des Druckkopfes auf die erste Schreibposition vergleichbar.- The grabber positions after receiving the image Synchronous signal New image the write pointer to the first Pixel position in the first line of the virtual pixel Matrix - depending on the signal field on the first odd or on the first even line. This Step is with the paper feeding into the printer as well as the Align the printhead to the first writing position comparable.
  • - Digitalisierte Bildpunkte werden so lange sequentiell in aufeinanderfolgende Byte-Positionen geschrieben, bis ein Zeilen-Synchronsignal Neue Zeile (entsprechend einem Zeilenrücklauf beim Drucker) empfangen wird. Es muß also keinesfalls stets eine komplette Bildzeile übertragen werden. Vielmehr darf die ausgelesene Anzahl Pixel in jeder Bildzeile beliebig variieren.- Digitized pixels are sequentially in as long consecutive byte positions written until a Line sync signal New line (corresponding to a Line return at the printer) is received. So it has to  under no circumstances always transfer a complete image line become. Rather, the number of pixels read out in each Vary image line arbitrarily.
  • - Treffen mehrere Zeilen-Synchronsignale unmittelbar nacheinander ein, werden die entsprechenden Bildzeilen im Zweitorspeicher des Grabbers übersprungen. Dabei wird lediglich der Zeilenzähler inkrementiert (entsprechend dem Einfügen von Leerzeilen bei einem Druckvorgang).- Hit multiple line sync signals immediately one after the other, the corresponding picture lines in the Grabber's two-port memory skipped. Doing so only the line counter increments (according to the Insert blank lines when printing).

Im Gegensatz zu herkömmlichen Frame-Grabbern ist der hier vorgestellte "Universal-Frame-Grabber" in der Lage, beliebige Bildformate von einer 1*1-Bildmatrix bis zu einer 10241024- Bildmatrix ohne Umprogrammierung des Steuerwerks korrekt einzulesen. Er unterstützt damit direkt unterschiedliche CCD- Sensoren, speziell also auch den THX 7868A mit 768*576 Bildpunkten. Aufeinanderfolgende Zeilen dürfen in der Länge beliebig variieren.In contrast to conventional frame grabbers, the "Universal Frame Grabber" presented here is able to correctly read any image format from a 1 * 1 image matrix to a 10241024 image matrix without reprogramming the control unit. It directly supports different CCD sensors, especially the THX 7868A with 768 * 576 pixels. Successive lines may vary in length as desired.

Die Bildinformationen werden vom Steuerwerk automatisch genau an die Positionen im Zweitorspeicher geschrieben, die den physikalischen Bildpunktpositionen im CCD-Bildaufnehmer entsprechen.The control unit automatically updates the image information the positions written in the two-port memory that the physical pixel positions in the CCD image sensor correspond.

Grabber und Kamera bilden in Verbindung mit der Schnittstelle eine besonders leistungsfähige Einheit für eine fortschrittliche Echtzeit-Bilddatenerfassung und -Bildverarbeitung.Grabber and camera form in connection with the interface a particularly powerful unit for an advanced Real-time image data acquisition and image processing.

Aus dem Testbild in Fig. 6.1 geht hervor, daß jede Zeile individuell auf ungespiegeltes Auslesen über VOS1 oder gespiegeltes Auslesen über VOS2 programmiert werden kann. Im obersten Bildabschnitt wurden alle Zeilen normal ausgelesen, im zweiten Fünftel des Bildes wurde jede gerade Zeile gespiegelt ausgelesen. In der Bildmitte wurden alle Zeilen, im darauffolgenden Bildteil nur die ungeraden Zeilen spiegelverkehrt ausgelesen. Der unterste Abschnitt enthält schließlich wieder nur ungespiegelte Bildzeilen. Die Spiegelungsfunktion ist z. B. für die optimale Umsetzung der Tracking-Funktion von Interesse (vgl. Fig. 3.6). From the test image in FIG. 6.1 shows that each row can be individually programmed to unmirrored readout via VOS1 or mirrored read via VOS2. In the top section of the picture all lines were read out normally, in the second fifth of the picture each straight line was read out mirrored. In the middle of the picture all lines were read, in the following part of the picture only the odd lines were read in mirror image. The bottom section contains only non-mirrored picture lines. The mirroring function is e.g. B. for the optimal implementation of the tracking function of interest (see. Fig. 3.6).

In Fig. 6.2 ist die Funktion der Windowing-Einheit veranschaulicht. Die Ausschnittsvergrößerung eines Bildes zeigt den Übergangsbereich zwischen der komplett gelöschten Hälfte eines Kamerabildes und der sich daran anschließenden zweiten Bildhälfte, die ausgelesen wurde. Die erste ausgelesene Zeile ist nicht heller als die folgenden Zeilen, was darauf schließen läßt, daß sämtliche Ladungen aus den gelöschten Zeilen tatsächlich komplett gelöscht worden sind (vgl. Fig. 3.3; Probleme mit dem TH 7864 ohne Windowing-Einheit). Die erste ausgelesene Zeile ist aber auch nicht dunkler als die folgenden Zeilen, was belegt, daß die Windowing-Funktion rechtzeitig zwischen Löschen und Auslesen umschaltet, so daß die Information in der ersten Nutzzeile durch das Löschen der vorangehenden Zeile nicht in Mitleidenschaft gezogen bzw. nicht teilweise mit gelöscht wird.The function of the windowing unit is illustrated in FIG. 6.2. The enlargement of an image shows the transition area between the completely deleted half of a camera image and the adjoining second half of the image that was read out. The first line read is not lighter than the following lines, which suggests that all charges from the deleted lines have actually been completely deleted (see Fig. 3.3; problems with the TH 7864 without a windowing unit). However, the first line read is also not darker than the following lines, which proves that the windowing function switches between deleting and reading out in good time, so that the information in the first useful line is not or is not affected by the deletion of the previous line partially deleted with.

Fig. 6.4 veranschaulicht, daß sich die auszulesende Pixel- Anzahl für jede Zeile individuell einstellen läßt. Die schwarzen Bereiche kennzeichnen Bildteile, die nicht aus dem CCD-Sensor ausgelesen sondern bereits im Sensor gelöscht wurden. Die eingesparten Auslesezeiten für jede unvollständig ausgelesene Zeile summieren sich auf, so daß die Auslesezeit um so kleiner ist, je größer die schwarzen Bereiche sind. Die interessierenden Bereiche eines Bildes können damit stets zeitoptimal ausgelesen werden. Insbesondere läßt sich die effektive Pixel-Matrix des Sensors je nach Aufgabe und Echtzeit-Anforderung beliebig zwischen 1*1 und 768*576 Bildpunkten programmieren. Fig. 6.4 illustrates that the number of pixels to be read out can be set individually for each line. The black areas indicate parts of the image that have not been read from the CCD sensor but have already been deleted in the sensor. The readout times saved for each incompletely read line add up, so that the readout time is shorter, the larger the black areas. The areas of interest in an image can thus always be read out at optimal times. In particular, the effective pixel matrix of the sensor can be programmed between 1 * 1 and 768 * 576 pixels depending on the task and real-time requirement.

Im Extremfall kann die Anzahl ausgelesener Zeilen Null betragen, was natürlich keinen Sinn ergibt. Das "Scannen" mit einer beliebigen Zeile - oder sogar nur mit einem Teil einer Zeile - ist hingegen eine sehr interessante Anwendung. Die Fig. 6.5 entstand durch das Scannen mit (nur) der Zeile 147. Die Bildfolge wurde dabei durch Synchronisation mit einer Robotersteuerung auf 1000 Bildzyklen pro Sekunde - das entspricht dem Interpolationstakt der Robotersteuerung - eingestellt. Vor der Kamera wurde die Spielkarte zügig von oben nach unten durchgezogen. Als der Kartenrand die "sensitive" Zeile 147 erreichte, wurde der Helligkeitsreflex vom Grabber registriert und damit die Auswertung von 1024 aufeinanderfolgenden Bildzeilen im Millisekundentakt getriggert. Der Frame-Grabber digitalisierte die eintreffenden Bildzeilen und kopierte sie aus dem Bildspeicher in aufeinanderfolgende Zeilenpositionen im Arbeitsspeicher. Die Aneinanderreihung der 1024 Bildzeilen ergab das dargestellte Scan-Bild mit 1024768 Bildpunkten.In extreme cases, the number of rows read out can be zero, which of course makes no sense. "Scanning" with any line - or even with only part of a line - is a very interesting application. Fig. 6.5 was created by scanning with (only) line 147. The image sequence was set by synchronization with a robot controller to 1000 image cycles per second - this corresponds to the interpolation cycle of the robot controller. In front of the camera, the playing card was swiftly swiped from top to bottom. When the edge of the card reached the "sensitive" line 147, the brightness reflex was registered by the grabber and the evaluation of 1024 successive image lines was triggered every millisecond. The frame grabber digitized the incoming image lines and copied them from the image memory into successive line positions in the main memory. The sequence of 1024 image lines resulted in the displayed scan image with 1024768 pixels.

Daß es sich tatsächlich um ein Scan-Bild handelt, ist daran zu erkennen, daß aufgrund der nicht konstanten Geschwindigkeit, mit der die Karte beim Scannen vor der sensitiven Bildzeile bewegt wurde, die obere Hälfte des Bildes gestaucht und die untere Hälfte gestreckt erscheint. Beim Scannen mit der ersten Bildzeile kann eine Scan-Frequenz von 2500 Hz erreicht werden, was in der Größenordnung gängiger CCD-Zeilensensoren liegt.It is due to the fact that it is actually a scan image recognize that due to the non-constant speed, with which moves the card in front of the sensitive image line when scanning the upper half of the image was squashed and the lower half Half stretched appears. When scanning with the first one Image line, a scan frequency of 2500 Hz can be achieved which is in the order of magnitude of common CCD line sensors.

In Fig. 6.6 ist der Zeitbedarf zum Auslesen von 1 bis 3 Bildzeilen dargestellt, und zwar in Abhängigkeit von der Nummer der letzten ausgelesenen Bildzeile. In Fig. 6.7 ist schließlich der Zeitbedarf zum zeitoptimalen Auslesen von n beliebigen sowie der n ersten Zeilen dargestellt. Fig. 6.6 shows the time required to read 1 to 3 image lines, depending on the number of the last image line read out. In Fig. 6.7, the time required for time optimal reading of any n and the n first lines finally is shown.

Das auf der Kamera basierende Meßsystem nutzt im Beispiel nur drei frei wählbare Bildzeilen des CCD-Bildsensors für die Messung von fünf räumlichen Freiheitsgraden mit einer Meßrate von 1000 Messungen pro Sekunde (Abtastfrequenz von 1 kHz).The measuring system based on the camera only uses in the example three freely selectable image lines of the CCD image sensor for the Measurement of five spatial degrees of freedom with one measuring rate of 1000 measurements per second (sampling frequency of 1 kHz).

  • (A) Aus einer vor laufenden Bildzeile werden Daten für eine effiziente Bahnplanung und eine kartesische Vorsteuerung gewonnen werden.(A) From a picture line running before, data for a efficient path planning and Cartesian pre-control be won.
  • (B) Die mittlere Zeile erfaßt die Ist-Position des Werkzeugbezugspunktes des Roboters, dessen Position relativ zu der Bahnlinie geregelt wird.(B) The middle line records the actual position of the Tool reference point of the robot, its position relative to the railway line.
  • (C) Eine nachlaufende Zeile unterstützt schließlich die Messung einiger Parameter, wodurch die Meßgenauigkeit gesteigert werden kann.(C) A trailing line finally supports the measurement some parameters, which increases the measuring accuracy can be.

Die Wahl der Vor- und der Nachlaufzeile kann dynamisch an den Bahnverlauf und an die momentane Bahngeschwindigkeit angepaßt werden.The choice of the leading and trailing line can be made dynamically to the Path course and adapted to the current path speed become.

Anhand der Fig. 2.2 ist das Prinzip erläutert worden, wie ein Linienerkennungs-Algorithmus mit hoher Abtastfrequenz die Position der Bahnkurve B zwischen zwei Meßlinien 13 und 14 bestimmen kann obwohl nur eine einzige querverlaufende Scan- Zeile aus dem CCD ausgelesen und verarbeitet wird.The principle of how a line detection algorithm with a high sampling frequency can determine the position of the trajectory B between two measuring lines 13 and 14 has been explained with reference to FIG. 2.2, although only a single transverse scan line is read from the CCD and processed.

Dieses Leistungsergebnis wird potenziert durch eine
Interpolation. Mit ihr wird der Abstand des in der Abtastzeile a liegenden Punktes Z der Bahnkurve B zwischen verschiedenen der anderen Meßlinien li → lj gemessen und verarbeitet. Im Beispiel der Fig. 2.2 bieten sich dazu gar 18 Möglichkeiten die Position von Z zu berechnen (von l₁ nach l₄, von l₂ nach l₄, von l₃ nach l₄; von l₁ nach l₅, von l₂ nach l₅, von l₃ nach l₅; usw.). Bildet man aus dieser Vielzahl von Meßwerten einen Mittelwert - interpoliert man - so kann die Position von Z sogar anhand des Mittelpunktes der Breite der Bahnkurve B angegeben werde. Selbst breite, sogar unregelmäßige Bahnlinien werden dadurch kompensiert. Einer (von vielen) Algorithmen zu Interpolation ist in Fig. 1.1 angegeben.
This performance result is potentiated by a
Interpolation. It is used to measure and process the distance between the point Z of the trajectory B lying in the scanning line a between various of the other measuring lines l i → l j . In the example of Fig. 2.2 there are even 18 ways to calculate the position of Z (from l₁ to l₄, from l₂ to l₄, from l₃ to l₄; from l₁ to l₅, from l₂ to l₅, from l₃ to l₅; etc .). If an average is formed from this multitude of measured values - one interpolates - the position of Z can even be given on the basis of the center point of the width of the trajectory B. Even wide, even irregular train lines are compensated. One (among many) algorithms for interpolation is given in Fig. 1.1.

Aufgrund ihrer enormen Flexibilität kann der Framegrabber auch für unterschiedlichste andere Aufgaben eingesetzt werden, vor allem für Aufgaben, bei denen es auf eine schnelle Bereitstellung der Daten aus selektierten Bildbereichen oder aus wenigen frei wählbaren Zeilen ankommt. Besonders für den Aufbau schneller und hochgenauer optischer Meßsysteme hat die Kamera aufgrund ihrer hohen Flexibilität entscheidende Vorteile gegenüber herkömmlichen CCD-Vollbild- und Zeilen-Kameras haben.Because of its enormous flexibility, the frame grabber can also used for various other tasks especially for tasks where it is quick Provision of data from selected image areas or from arrives a few freely selectable lines. Especially for the construction The camera has faster and more precise optical measuring systems decisive advantages due to its high flexibility compared to conventional CCD full-frame and line cameras.

Claims (7)

1. Verwendung der Anti-Blooming-Elektrode eines CCD-Bildsensors zum Löschen des CCD-Inhaltes (der darauf befindlichen Ladung), bevor der CCD-Inhalt (ganz) ausgelesen wurde.1. Using the anti-blooming electrode of a CCD image sensor to delete the CCD content (the ones on it) Charge) before the CCD content has been (completely) read out. 2. Verwendung nach Anspruch 1, wobei das Ladungsbild mit der Anti-Blooming-Elektrode nach Auslesen einiger Zeilen gelöscht wird.2. Use according to claim 1, wherein the charge image with the Anti-blooming electrode after reading out a few lines is deleted. 3. Verwendung nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Ladungsbild des Sensors gelöscht wird, nachdem (nur) eine Zeile ausgelesen wurde.3. Use according to claim 1 or 2, wherein the charge pattern of the Sensor is deleted after (only) one line has been read out has been. 4. Verwendung nach einem der erwähnten Ansprüche, bei dem das Auslesen und das Auf integrieren der in dem CCD-Chip gespeicherten Ladung verschachtelt ist, wobei
  • (a) das in die Speicherzone des CCD-Chips verschobene Teilbild (weiter) zum Ausleseregister verschoben wird;
  • (b) das Anti-Blooming-Drain des CCD-Chips zum Löschen des (noch) in der Bildzone des CCD-Chips befindlichen Rest- Ladungsbildes verwendet wird;
  • (c) (schon) während des Verschiebens oder Auslesens gemäß
  • (a) ein neues Ladungsbild in der Bildzone des CCD-Chips belichtet oder aufgebaut wird.
4. Use according to one of the mentioned claims, in which the readout and the integration of the charge stored in the CCD chip is nested, wherein
  • (a) the sub-image shifted into the memory zone of the CCD chip is (further) shifted to the read-out register;
  • (b) the anti-blooming drain of the CCD chip is used to erase the residual charge image (still) in the image zone of the CCD chip;
  • (c) according to (already) during the moving or reading out
  • (a) a new charge image is exposed or built up in the image zone of the CCD chip.
5. Verwendung nach einem der erwähnten Ansprüche, bei dem das/ein Ausleseregister abhängig von der Lage des Teilbildes nach der einen oder anderen Seite ausgelesen wird (Bild 3.6).5. Use according to one of the claims mentioned, in which the / a read-out register is read out on one side or the other depending on the position of the partial image ( Figure 3.6). 6. CCD-Bildsensor mit Bildzone aber ohne Speicherzone, wobei das Seriell-Ausleseregister direkt an der (Ladungs-) Bildzone angeordnet ist.6. CCD image sensor with image zone but without memory zone, whereby the serial readout register directly at the (charge) Image zone is arranged. 7. CCD-Bildsensor nach Anspruch 6, bei dem eine Fenster- Ausblendeinheit vorgesehen ist.7. CCD image sensor according to claim 6, wherein a window Masking unit is provided.
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