DE68914727T2 - Verfahren und Vorrichtung zur Verarbeitung elektrischer Signale, die mittels der Abtastung einer Bildzeile erhalten sind. - Google Patents
Verfahren und Vorrichtung zur Verarbeitung elektrischer Signale, die mittels der Abtastung einer Bildzeile erhalten sind.Info
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Description
- Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Verarbeitung elektrischer Signale, die von der Analyse einer Zeile eines Bildes mittels linearer Detektoren stammen, z.B. einer Leiste von aneinanderstoßenden Photodetektoren, die eine Abtastung des Signals mit konstanter Schrittweite durchführen. Die Erfindung bezieht sich auch auf Vorrichtungen zur Anwendung dieses Verfahrens.
- Die Leisten von Photodetektoren, z.B. Fotodioden oder CCD-Zellen (charge coupled device) werden verwendet, um ein Bild Zeile für Zeile zu analysieren, wobei das Bild vor der Leiste vorbeiläuft. Ein solches Bild kann zum Beispiel von einem Gerät zur zerstörungsfreien Kontrolle der Gepäckstücke in Flughäfen mittels Röntgenstrahlen kommen.
- Die Detektoren integrieren in jedem Augenblick die auf die lichtempfindliche Oberfläche des Detektors auftreffende Lichtenergie. Das elektrische Ausgangssignal des Detektors wird einmal pro Zeile abgetastet und mit den Ausgangssignalen der anderen Detektoren multiplexiert, um das Signal einer Bildzeile zu bilden. Meist wird das Ausgangssignal der Detektoren quantifiziert, um eine spätere digitale Verarbeitung zu erlauben.
- Aufgrund der Integration des Lichtsignals auf der lichtempfindlichen Oberfläche des Detektars wird das elektrische Signal in Bezug auf das entsprechende Lichtsignal geglättet. Die Abtastung stellt außerdem Probleme der spektralen Faltung, wenn das Eingangs-Lichtsignal breitbandig ist. Das Glätten entspricht der Konvolution des Signals durch ein auf den Ursprung zentriertes Tor; das Spektrum des Signals wird multipliziert mit der Übertragungsfunktion dieses Filters, das ein kardinaler Sinus ist.
- Wenn das Lichtsignal breitbandig ist, begrenzt die Übertragungsfunktion des Filters die Breite des Spektrums des geglätteten Signals. Die Wirkung des Glättungsfilters ist es, die niedrigen Frequenzen zu bevorzugen. Man beobachtet also zwei Phänomene, die die Information im Nutzsignalband beeinträchtigen: Einerseits erfuhr das Signal eine Niederfrequenz- Filterung und andererseits stören die gefalteten Bereiche des Spektrums die niedrigen Frequenzen.
- Eine eventuelle Verringerung der Größe der lichtempfindlichen Oberfläche würde sicherlich die Auflösung erhöhen, aber dies ändert nichts am Problem des Faltens des Spektrums. Man könnte daran denken, das multiplexierte elektrische Signal durch ein Filter zu schicken, dessen Transferfunktion umgekehrt zu der entsprechend der Integration der Information auf der lichtempfindlichen Oberfläche des Detektors wäre. Aber diese Korrektur des Spektrums würde nicht die Signalanteile aufgrund des Faltens der hohen Frequenzen entfernen.
- Die Erfindung hat also zum Ziel, ein besseres Verfahren zur Verarbeitung von elektrischen Signalen, die von der Analyse einer Bildzeile mittels mindestens einer Leiste von aneinandergrenzenden Photodetektoren kommen, die eine Abtastung des Signals mit konstanter Schrittweite durchführen. Dieses Ziel wird im Rahmen des Verfahrens dadurch erreicht, daß man k Analysen der gleichen Zeile mit seitlichen Verschiebungen von 1/k der Schrittweite der Photodetektoren durchführt, daß man ein übergetastetes Signal erzeugt, indem man die k Tastproben multiplexiert und das übergetastete Signal einer zeitlichen Filterung umgekehrt zur Filterung unterzieht, die der räumlichen Glättung der Photodetektoren inhärent ist.
- In Bezug auf Vorrichtungen zur Durchführung dieses Verfahrens wird auf die entsprechenden Ansprüche verwiesen.
- Die Erfindung wird nachfolgend genauer anhand einiger Ausführungsbeispiele und der beiliegenden Zeichnungen beschrieben.
- Figur 1 zeigt sehr schematisch das Prinzip des erfindungsgemäßen Verfahrens.
- Figur 2 ist ein Blockschaltbild einer ersten Ausführungsform dieses Verfahrens, das eine einzige Leiste verwendet.
- Figur 3 ist eine Variante der Figur 2, die vier aneinandergrenzende Leisten zeigt.
- Figur 4 ist eine weitere Variante mit vier nicht an einandergrenzenden Leisten.
- Figur 1 bezieht auf einen Prüfling in Form eines Stahlblechs, das zwei künstliche Fehler in Form von Nuten verschiedener Breiten aufweist. Wenn man dieses Blech senkrecht zu den Nuten mit einem idealen Meßkopf abtastet, erhält man ein Signal 9, wie oben in Figur 1 dargestellt, wobei die beiden Nuten den Rechtecken 1 und 2 entsprechen. Wenn es sich um Risse handelt, die zum Beispiel von einer unkorrekten Schweißung eines Stahlblechs stammen, ist die Breite der Rechtecke immer gering im Verhältnis zu den Abmessungen eines Photodetektors. Es ist daher unmöglich, mit einem solchen Photodetektor ein Meßsignal zu erstellen, das ein treues Bild der Risse ist.
- Unter diesem idealen Signal zeigt die Figur 1 vier Leisten 3, 4, 5 und 6 von aneinanderstoßenden Photodetektoren wie 7 und 8. Es sei angenommen, daß die Photodetektoren aneinanderstoßen und daß sie mit konstanter Schrittweite p innerhalb jeder Leiste angeordnet sind. Die vier Leisten sind voneinander um einen Abstand p/4 entfernt und sie sollen gleichzeitig die gleiche Zeile des Bilds lesen.
- Figur 1 zeigt außerdem vier Signale, die von der Gesamtheit der Photodetektoren einer Leiste registriert werden, d.h. ein Signal S&sub3; betreffend die Leiste 3, ein Signal S&sub4; betreffend die Leiste 4 und so weiter für die Leisten 5 und 6.
- Die lichtempfindlichen Leisten wie die des Typs CCD (charge coupled device) werden mit einer Vorverarbeitungs- und Digitalwandler-Elektronik geliefert, so daß die Signale S&sub3; bis S&sub6; die Folge der von den Leisten 3 bis 6 gelieferten digitalen Werte symbolisieren. Vergleicht man das Signal 9 oben in der Figur 1 mit der Position der verschiedenen Photodetektoren der Leisten 3 bis 6, dann kann man leicht die Signale S&sub3; bis S&sub6; nachvollziehen. So beginnt das Signal S&sub3; mit zwei "Null"-Pegeln, die den beiden ersten Photodetektoren dieser Leiste entsprechen, die nicht von einer der Nuten 1 und 2 betroffen sind. Dann beobachtet man einen Wert 12 ungleich null entsprechend dem Photodetektor 8, der die Gesamtheit der Nut 1 überdeckt. Die beiden folgenden Detektoren zeigen von neuem den Wert null und so weiter.
- Die Amplitude 12 eines Werts ungleich null ist proportional zur Integration des Teils des Rechtecks wie 1, das vom Detektor betroffen ist. So führt der Detektor 8 der Leiste 3, der die Gesamtheit des Rechtecks 1 überdeckt, zu einer Amplitude 12, die höher ist als die von dem Photodetektor erzeugte, der das Rechteck 2 geringere Breite völlig überdeckt. Ebenfalls führt ein Detektor 7 der Leiste 6, der das Rechteck 1 nur teilweise überdeckt, zu einer Amplitude 13, die geringer ist als die Amplitude 12.
- Die Analyse des Lichtsignals durch eine einzige Leiste von Photodetektoren gäbe also eines der Signale S&sub3; bis S&sub6;, die weit davon entfernt sind, signifikant für das Signal 9 am Kopf der Figur zu sein. Dies hat zwei Hauptgründe:
- a) Ein Photodetektor integriert das Signal auf seiner elementaren Oberfläche, was einen Verlust der Teile hohe Frequenz des Lichtsignals bewirkt, wobei diese Wirkung "Raumglättung" genannt werden kann.
- b) Das ideale Signal wird mit der Schrittweite p abgetastet. Da man erst nach der Abtastung Zugang zum Signal hat, beobachtet man eine spektrale Faltung, wenn das ideale Signal breitbandig ist. Eine Verringerung der Größe der Photodetektoren würde sicher die Auflösung erhöhen, aber dies würde am Problem der spektralen Faltung nichts ändern. Andererseits erlaubt eine inverse Filterung mit der Wirkung einer Raumglättung nicht, die Störung bei niederen Frequenzen durch die hohen Frequenzen aufgrund der spektralen Faltung zu beseitigen.
- Erfindungsgemäß sind die vier Signale S&sub3; bis S&sub6; verschachtelt oder multiplexiert, um das übergetastete Signal S zu ergeben, das eine Folge der vier Amplituden der Photodetektoren identischen Rangs in den vier Leisten enthält. So sind die Amplitude 12 des Signals S&sub3; und die Amplitude 13 des Signals S&sub6; auf dem übergetasteten Signal S an den ihnen zukommenden Stellen markiert.
- Das Signal S wird dann einer Dekonvolution in einem autoregressiven Filter unterzogen, das die inverse Filterung zu der durchführt, die der Integration des Signals auf die Oberfläche der Photodetektoren entspricht. Dieses dekonvolvierte Signal D stellt ein ziemlich treues Bild des Signals dar, das am Kopf dieser Figur gezeigt ist, da dieses Filter der speziellen Form der Filterfunktion bei der Integration des Signals durch die Photodetektoren angepaßt ist (Torfunktion).
- Das Verfahren, wie es oben anhand Figur 1 erklärt wurde, kann auf verschiedene Weise implementiert werden. Eine erste Ausführungsform, die in Figur 2 dargestellt ist, verwendet eine einzige Leiste CCD 20, die mechanisch mit einer Verschiebevorrichtung 21 verbunden ist. Diese Vorrichtung enthält einen Schrittschaltmotor, der nach jeder Abtastung die Leiste 20 in Zeilenrichtung (symbolisiert durch einen Pfeil 22) um eine Strecke von p/4 verschiebt. So nimmt die Leiste nacheinander die Positionen eine die den Leisten 3, 4, 5, 6 in Figur 1 entsprechen, Dann kommt die Leiste in die Ursprungsstellung zurück und ein neuer Zyklus von vier Abtastungen beginnt nach dem Vorschub des Blechs um einen Schritt senkrecht zum Pfeil 22.
- Eine handelsübliche Photodetektorleiste vom Typ CCD wird normalerweise zusammen mit einer Elektronik 23 zur Vor-Verarbeitung und Digitalwandlung geliefert, die an einem Ausgang 24 nacheinander die Werte liefert, die den verschiedenen Detektoren der Leiste entsprechen. Jeder Wert wird zum Beispiel auf acht Bits kodiert, die parallel zur Verfügung stehen. Diese Werte werden an einen sogenannten Übertastungs- Speicher 25 angelegt, dessen Kapazität der Anzahl von Werten entspricht, die von vier Abtastzyklen der Leiste kommen. Am Ausgang 26 dieses Speichers werden diese Werte so verschachtelt, daß man über eine Folge von vier Tastproben verfügt, die von dem gleichen Detektor kommen, und dann von Werten entsprechend den folgenden Detektoren usw. Am Ausgang 26 findet man also das Äquivalent des Signals S der Figur 1. Diese Folge von Werten wird schließlich an ein autoregressives Filter 27 angelegt, dessen Übertragungsfunktion umgekehrt zu der ist, die der Raumglättung der Photodetektoren der Leiste inhärent ist. Das Filter ist zum Beispiel vom Typ des rückgekoppelten Schieberegisters. Die spektrale Faltung verfälscht praktisch nicht mehr das Signal S, da die Faltungsachse in der Frequenz vier mal weiter entfernt ist als im Fall eines nicht übergetasteten Signals. Man erhält also am Ausgang 28 dieses Filters ein Signal D (siehe Figur 1), das ziemlich treu die Form des physischen Signals 9 am Kopf der Figur 1 zeigt.
- Wenn aus Gründen der Geschwindigkeit und der mechanischen Stabilität der Vorrichtung eine Verschiebung einer Leiste wie 20 Schritt für Schritt nicht durchführbar ist, verwendet man vier Leisten 30, 31, 32, 33, die so angeordnet sind, daß diese Photodetektoren gleichzeitig Licht empfangen, das von der gleichen zu analysierenden Zeile kommt. Jede Leiste ist mit ihrer eigenen Vorverarbeitungs-Elektronik wie 23 ausgestattet (Figur 2) und liefert an einem Ausgang 34' (für die Leiste 30) oder 34" (für die Leiste 31) usw. die Folge der digitalen Werte, die den verschiedenen Detektoren entsprechen, und zwar an einen Multiplexer 35, der die gleiche Funktion, abgesehen von der Speicherung, wie der Übertastungsspeicher 25 der Figur 2 hat, und er liefert an seinem Ausgang 36 die übergetastete Folge entsprechend dem Signal S der Figur 1. Das autoregressive Filter 27 ist das gleiche wie vorher.
- Schließlich zeigt Figur 4 eine weitere Variante, die sich von der gemäß Figur 3 durch einen gewissen Abstand d zwischen den vier Leisten 40, 41, 42, 43 senkrecht zur Abtastrichtung unterscheidet. Zu einem gegebenen Zeitpunkt "lesen" die vier Leisten also verschiedene Zeilen des zu analysierenden Bilds. Die Übertastung muß also dem Vorbeilaufen des Bilds senkrecht zur Richtung der Zeile Rechnung tragen. Wie vorher ist jede Leiste ihrer Vorverarbeitungselektronik zugeordnet und liefert an einem einzigen Ausgang wie 44' für die Leiste 40 und 44" für die Leiste 41 die Folge von Werten der durch die jeweilige Leiste zu einem bestimmten Zeitpunkt analysierten Zeile. Ein Synchronisier- und Übertastspeicher 45 gruppiert neu die von den verschiedenen Leisten kommenden und zur gleichen Zeile gehörenden Werte in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit des Vorbeilaufens senkrecht zur Richtung dieser Zeile. Dieser Speicher muß also eine größere Kapazität als der Speicher 25 der Figur 1 haben, da er einen Teil des Bilds entsprechend der von den vier Leisten überdeckten Oberfläche und seinen Zwischenräumen d speichern muß. Am Ausgang 46 dieses Speichers findet man die gleichen Werte wieder wie am Ausgang 36 und 26 der vorhergehenden Figuren, die dann einer Filterung in einem Filter 27 wie vorher unterzogen werden.
- Natürlich ist die Erfindung nicht auf die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele begrenzt. Man kann insbesondere eine andere Übertastungsrate k als vier wählen. Außerdem kann man, außer der Analyse der Risse in Stahlblechen mit Hilfe von Röntgenstrahlen ein Foto analysieren oder eine zerstörungsfreie Materialprüfung durch eine passende Strahlung wie sichtbares, infrarotes oder ultraviolettes Licht durchführen. Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht die Verbesserung der beiden begrenzenden Faktoren, die mit der Natur cier Leisten der Photodetektoren verbunden sind, d.h. das Glätten und die spektrale Faltung. Aufgrund der Übertastung verringert man den Faltungseffekt des Spektrums. Man kann dann das Signal auf eine größere spektrale Breite dekonvolvieren. Sicher erhält man immer eine tiefpaßgefilterte Version des idealen Signals, aber man erhält über korrekte Informationen über einen größeren Frequenzbereich und man hat den Glättungseffekt der Photodetektoren verringert.
Claims (5)
1. Verfahren zur Verarbeitung elektrischer Signale, die von
der Analyse einer Zeile eines Bildes mittels linearer
Detektoren stammen, z.B. einer Leiste aneinanderstoßender
Photodetektoren, die eine Abtastung des Signals mit konstanter
Schrittweite durchführen, wobei k Analysen der gleichen Zeile mit
jeweiligen seitlichen Verschiebungen von 1/k der Schrittweite
der Photodetektoren erfolgen, dann ein übergetastetes Signal
durch Multiplexierung der k Tastproben erzeugt wird und das
übergetastete Signal einer Zeitfilterung unterworfen wird, die
zur der Raumglättung der Photodetektoren inhärenten
Filterwirkung invers ist.
2. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch
1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Leiste (20) von
Photodetektoren in Richtung der zu analysierenden Zeile beweglich
angeordnet ist, um das aufeinanderfolgende Lesen von k
Tastproben jedes Detektors (wie 7, 8) zu erlauben, daß die Folge
der der Abtastung einer Zeile entsprechenden Signale an einen
Übertastspeicher (25) angelegt wird, dessen Ausgang (26 das
übergetastete Signal (S) liefert, und daß dieses letztere
Signal an ein Zeitfilter (27) gelangt dessen
Übertragungsfunktion zur der Raumglättung aufgrund der Größe der
Photodetektoren inhärenten Übertragungsfunktion invers ist.
3. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch
1, dadurch gekennzeichnet, daß k aneinandergrenzende Leisten
(30 bis 33) von Photodetektoren parallel angeordnet sind, um
gleichzeitig k mal die gleiche Zeile des Bilds zu analysieren,
wobei jede Leiste seitlich in Bezug auf die benachbarte Leiste
um einen Abstand verschoben ist, der 1/k der Schrittweite (p)
der Photodetektoren entspricht, daß die k Leisten über ihre
Serienausgänge (34', 34"), die nacheinander Signale (S&sub3; bis
S&sub6;), die der Abtastung der verschiedenen Punkte dieser Zeile
entsprechen, an einen gemeinsamen Multiplexer (35)
angeschlossen sind, der das übergetastete Signal (S) an ein Zeitfilter
(27) liefert, dessen Übertragungsfunktion zu der der
Raumglättung der Photodetektoren inhärenten Übertragungsfunktion
invers ist.
4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch
1, dadurch gekennzeichnet, daß k Leisten von Photodetektoren
parallel angeordnet sind, um nacheinander k mal die gleiche
Zeile des Bilds zu analysieren, wobei jede Leiste seitlich in
Bezug auf die benachbarte Leiste um einen Abstand verschoben
ist, der 1/k der Schrittweite der Photodetektoren entspricht,
daß die k Leisten über ihre Serienausgänge (44', 44") mit
einem gemeinsamen Übertastungsspeicher (45) verbunden sind,
dessen Ausgang (46) das übergetastete Signal (S) liefert, und
daß dieses letztere Signal an ein Zeitfilter (27) angelegt
wird, dessen Übertragungsfunktion zur der Raumglättung der
Photodetektoren inhärenten Übertragungsfunktion invers ist.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch
gekennzeichnet, daß für den Fall, daß die Leisten einem
Vorverarbeitungskreis (23) zugeordnet sind, der eine Umwandlung der
Signale in digitale Signale einschließt, das Filter (27) aus
einem digitalen autoregressiven Filter nach eines
rückgekoppelten Schieberegisters besteht.
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