DE69028398T2

DE69028398T2 - Verfahren zur Musterdatenverarbeitung auf der Grundlage geordneter Amplitudenwerte, Gerät zum Durchführen des Verfahrens

Info

Publication number: DE69028398T2
Application number: DE69028398T
Authority: DE
Inventors: Johannes Arnoldus Corn Bernsen; Geert Nijholt; Eric Hendrik Jozef Persoon
Original assignee: Philips Electronics NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1990-06-29
Filing date: 1990-06-29
Publication date: 1997-03-20
Anticipated expiration: 2010-06-30
Also published as: JP3067846B2; DE69028398D1; EP0463242B1; JPH0620054A; EP0463242A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und ein entsprechendes Gerät zum Untersuchen von Mustern, die von einem Feld mehrwertiger Amplituden repräsentiert werden, wobei das Verfahren enthält:
- Selektieren einer Vielzahl von jeweiligen Amplitudenmengen, jede Menge aus einem jeweiligen Teil innerhalb des Feldes, wobei die Teile zueinander ungleich sind,
- Generieren zumindest einer jeweiligen Kenngröße für jede der jeweiligen Mengen, wobei diese Kenngrößen jeweils einen Amplitudenwert repräsentieren, der nach Größe geordnet einen vorgegebenen Stellungswert in der entsprechenden Menge hat.
Die Erfindung betrifft auch ein Gerät zum Ausführen des Verfahrens.
Ein Verfahren dieser Art ist aus der europäischen Patentanmeldung EP-A- 9 359 301 der gleichen Anmelderin bekannt. Das bekannte Verfahren hat als Aufgabe, Muster zu erkennen, indem eine Übereinstimmung zwischen einerseits einer ersten und einer zweiten Schablone und andererseits den Teilen des Feldes, denen die Schablone zugeordnet ist, detektiert werden. Hierin stellt die erste Schablone die Teile des gesuchten Musters dar, die einem hohen Logikwert entsprechen, während die zweite Schablone die Teile des gesuchten Musters darstellt, die einem niedrigen Logikwert entsprechen. In dem Feld liegend wird ein in der ersten Schablone auftretender niedrigster Amplitudenwert und ein in der zweiten Schablone auftretender höchster Amplitudenwert bestimmt. Schwellentransformation des zu der positionierten ersten Schablone gehörenden Feldes mit einer Schwelle gleich oder niedriger als die kleinste Amplitude bildet die relevanten Teile davon korrekt auf den hohen Logikwert ab, und Schwellentransformation des zu der zweiten Schablone gehörenden Feldes mit einer Schwelle gleich oder höher als die größte Amplitude bildet die übrigen relevanten Teile korrekt auf den niedrigen Logikwert ab. Daher gibt es bei Überlappen der Schwellenbereiche Schwellen, die für beide Schablonen eine korrekte Abbildung verschaffen, und folglich wird vom Auftreten von Übereinstimmung gesprochen.
Das dieses Verfahren ausführende bekannte Gerät benutzt ein Stellungswert-Filter als Mittel zur Identifizierung des niedrigsten und des höchsten Amplitudenwertes. Ein solches Stellungswert-Filter erzeugt an seinem Ausgang den Wert der Amplitude bei einem zuvor bestimmten Stellungswert in einer Folge geordneter Amplitudenwerte, zu denen die betreffende Schablone gehört. Die zu beiden Schablonen gehörenden Filterausgangssignale werden einem Komparator zugeführt, von dem ein Komparatorausgang zur Diskriminierung zwischen einer kleinen und einer großen Überlappung der Schwellenwertbereiche mit einer Schwellentransformationseinrichtung verbunden sein kann.
Aus dem US-Patent Nr.4.597.009 ist ein Gerät zur Identifizierung mittlerer, maximaler und minimaler geordneter Amplitudenwerte bekannt. Dieses Gerät sammelt Amplituden aus jeweils einer Anzahl gleich großer Spaltenanteile in dem Feld und ordnet die Amplituden jeder Spalte nach ihrer Größe. Die Amplituden bei bestimmten Stellungswerten werden dann weiterhin verglichen, um die mittlere Amplitude in einem quadratischen Fenster zu bestimmen.
Das bekannte Verfahren und das bekannte Gerät zur Untersuchung von Mustern leisten genügend, wenn auch in einer ziemlich begrenzten Mustererkenunnungsanwendung, die auf der Bestimmung eines Überlappungsumfangs der wie oben beschriebenen, berechneten Bereiche beruht. Der Erfindung liegt daher als Aufgabe zugrunde, die Möglichkeiten eines solchen Verfahrens und solchen Gerätes wesentlich zu erweitern, wodurch ein differenzierterer Ansatz zur Mustererkennung möglich wird.
Hierzu ist ein erfindungsgemäßes Verfahren dadurch gekennzeichnet, daß zumindest drei Mengen selektiert werden und daß das Verfahren weiterhin enthält:
- Erzeugen zumindest zweier Vergleichsergebnisse durch Vergleichen der Kenngrößen entweder miteinander oder bezüglich jeweiliger zuvor bestimmter Schwellen oder beides;
- Ausführen einer Logikoperation an den Vergleichsergebnissen, um daraufhin ein für die Mengen repräsentatives Mustererkennungssignal zu erzeugen. Infolge der Verwendung von mindestens drei Kenngrößen kann eine größere Anzahl diese Kenngrößen enthaltende Beziehungen untersucht werden als möglich wäre, wenn nur zwei Kenngrößen verwendet würden. beispielsweise können mehr Beschränkungen eingeführt werden als nur eine vorher bestimmte Überlappung zur Bestimmung, ob eine Erkennung stattfindet oder nicht. Auch können im Gegensatz zu dem Stand der Technik mehr als zwei Amplitudenbereiche erzeugt werden, beispielsweise bezüglich Grauwertbildern, zur Differenzierung zwischen verschiedenen Grauwertbereichen. Eine Kante in einem Grauwertbild kann beispielsweise auf Basis von in einer Aufeinanderfolge dreier Amplitudenbereiche auftretender benachbarter Übergänge detektiert werden. Außerdem können kompliziertere Legikfunktionen verwendet werden als Vergleichen und Bestimmung des Vorzeichens der Differenz. Auch können verschiedene Teile des Feldes zueinander unterschiedliche Operationen erfahren, wodurch örtlich eine Verarbeitungsabhängigkeit eingeführt wird.
Kantendetektion in einem Grauwertvideobild kann beispielsweise durch Positionierung dreier Schablonen in einem Feld in vorher bestimmter Konfiguration erreicht werden. Daraufhin erfolgt eine Selektion der zu betrachtenden Amplitudenmenge durch Zuordnen des Feldes zu den positionierten Schablonen. Jede Schablone führt zur Auswertung eines Teilmengenfensters von Amplituden, die aus der Amplitudenmenge in ihrem Fenster gewählt worden sind. Falls die zur ersten Schablone gehörende Kenngröße einen Bereich niedriger Amplituden angibt und die zur zweiten Schablone gehörende einen Bereich hoher Amplituden und zudem die zur dritten gehörende einen Bereich mittlerer Amplituden angibt, kann eine Kante als erkannt bezeichnet werden.
Ein Gerät zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens umfaßt vorzugsweise eine Vielzahl von Stellungswert-Filtern, die mit einer Vielzahl Eingänge eines Datenverarbeitungsmittels gekoppelt sind. Das Datenverarbeitungsmittel kann untersuchen, ob die Kenngrößen einige zuvor bestimmte Beziehungen erfüllen oder nicht, um daraufhin ein Signal auszugeben, das das Vorhandensein oder Nichtvorhandensein zuvor aufgestellter Beziehungen bestätigt.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:
Figur 1 ein erstes Beispiel für erfindungsgemäße Mustererkennung,
Figur 2 ein zweites Beispiel für erfindungsgemäße Mustererkennung, und
Figur 3 ein erstes erfindungsgemäßes Beispielsgerät,
Figuren 4A-4C ein zweites erfindungsgemäßes Beispielsgerät, und
Figuren 5A-5C ein drittes erfindungsgemäßes Beispielsgerät.

ERSTES BEISPIELSVERFAHREN

In Figur 1 wird ein Beispiel für eine erfindungsgemäße Musteruntersuchung gegeben. In diesem Beispiel werden drei Schablonen verwendet, jede zur Auswertung eines anderen Teils des mit 100 bezeichneten mehrwertigen Amplitudenfeldes. Die Zahl in jeder Maske des Feldes 100 stellt den zu dieser Maske gehörenden Amplitudenwert dar.
Im Zusammenhang beispielsweise mit Mustererkennung in Videobildern repräsentieren diese Zahlen die Grauwerte der Pixel. Bei Telemetrie-Anwendungen repräsentieren die Zahlen beispielsweise Werte für eine Meßgröße, beispielsweise eine Temperatur oder ein Abstand von einem Bezugspunkt, wobei nach einem zuvor bestimmten Zusammenhang zwischen den Meßwerten und ihrer Orientierung zueinander gestrebt wird.
Es sei bemerkt, daß die Anwendung eines erfindungsgemäßen Verfahrens oder Geräts sich nicht auf die zweidimensionalen Felder, wie in dem in Figur 1 gezeigten Beispiel beschränkt. Die Anwendung eines erfindungsgemäßen Verfahren mit eindimensionalen Feldern besteht beispielsweise in der Suche nach einem zuvor bestimtnten Muster in einem (verzerrten) digitalen Signal. Eine Anwendung eines erfindungsgernäßen Verfahrens mit dreidimensionalen Feldern besteht beispielsweise in der Suche nach einem zuvor bestimmten Muster in einem mittels computertomographischer Untersuchung eines Objekts erhaltenen Datenfeld. Es sei auch bemerkt, daß das zu untersuchende Feld mit mehrwertigen Amplituden nicht in (ähnliche) Elemente unterteilt zu werden braucht, wie als Beispiel in Figur 1 gezeigt. Ein stetiges Feld kann auch auf ein vor gegebenes Muster untersucht werden, vorausgesetzt, daß repräsentativen Teilen des betrachteten Feldes bei Zuordnung zu den Teilmasken diskrete Werte zugewiesen werden.
Die gesuchte Musterinformation wird unter Bezugszeichen 102 veranschaulicht. Dieses spezielle Muster wird in einen Teil 104 unterteilt, der das benötigte Segment mit relativ großer Amplitude angibt, einen Teil 106, der das benötigte Segment einer Zwischenamplitude angibt und einen Teil 108, der das benötigte Segment mit relativ kleiner Amplitude angibt. Die Kreuze im Muster 102 bezeichnen die irrelevanten Teile ("Dont cares"). Drei Schablonen 110, 112 und 114 repräsentieren kombiniert das Muster 102, das heißt, Schablone 110 bezieht sich auf den Beitrag von Teil 104, Schablone 112 bezieht sich auf den Beitrag von Teil 106, und Schablone 114 bezieht sich auf den Beitrag von Teil 108.
Zuordnen dieser Schablonen zu Feld 100 erzeugt den Satz Amplituden 116, 118 bzw. 120, die die Feldwerte in den jeweiligen Fenstern der Schablone widerspiegeln. Für jeden Satz werden die detektierten Amplitudenwerte in einer geordneten Folge angeordnet, wie durch 122,124 und 126 für die jeweiligen Sätze angegeben wird.
Zur Erkennung wird beispielsweise für die so erhaltenen Amplitudenwerte gefordert, daß die untere Grenze des zur Folge 122 gehörenden hohen Amplitudenbereichs größer als die obere Grenze des zur Folge 124 gehörenden Zwischenamplitudenbereichs und daß die obere Grenze des zur Folge 126 gehörenden niedrigen Amplitudenbereichs kleiner ist als die untere Grenze des zur Folge 124 gehörenden Zwi schenamplitudenbereichs. In dem obigen Beispiel gibt es die Übereinstimmung zwischen den Schablonen 110, 112 und 114 und dem Feld, da die jeweiligen Grenzen die genannten Bedingungen erfüllen. Um eine Übereinstimmung erkennen, können auch andere Kriterien formuliert werden. Beispielsweise können die betreffenden Unterschiede zwischen den Paaren von Grenzen vorgeschrieben werden, um die Mustererkennung in Abhängigkeit vom Vorhandensein mehr oder weniger ausgeprägter Merkmale zu steuern. Auch brauchen die Kenngrößen nicht alle gleich einer niedrigeren oder einer oberen Grenze zu sein. Mittlere Amplitudenwerte können gewählt werden, beispielsweise um in dem obigen Beispiel den Zwischenamplitudenbereich darzustellen. Gleichermaßen können Amplitudenwerte, die bei anderen Stellungswerten in den geordneten Folgen wie 122, 124 und 126 auftreten, als Repräsentanten für die Kenngrößen gewählt werden.

ZWEITES BEISPIELSVERFAHREN

In Figur 2 wird ein anderes Beispiel für eine erfindungsgemäße Musteruntersuchung gegeben. Das jetzt zu erkennende Muster 202 bezieht sich auf eine dunkle Linie 204 gegen einen hellen Hintergrund 206. Wieder geben die Kreuze "Dont cares" an. Drei Schablonen werden zur Darstellung der obigen Struktur verwendet, eine linksseitige Schablone 210, die dem linken Hintergrundteil entspricht, die der dunklen Linie entsprechende mittlere Schablone 212 und die rechtsseitige Schablone 214, die dem rechten Hintergrundteil entspricht. Durch Zuweisung gesonderter Schablonen an die verschiedenen das Muster bildenden Teile wird für jeden Teil ein kohärenter Satz von Amplituden erzeugt, wodurch es möglich ist, jeden Satz in geeigneter Weise zu verarbeiten. Jeder Satz kann beispielsweise unter ortsabhängigen Bedingungen untersucht werden. Das heißt, der linksseitige Hintergrund kann anders als der rechtsseitige Hintergrund behandelt werden. Abweichungen von dem Hintergrund mit großer Amplitude können für die Erkennung akzeptiert werden, wobei die Abweichungen sich für die rechte Seite und die linke Seite voneinander unterscheiden können. Beispielsweise kann durch Zuordnen der Schablone 210 zum mehrwertigen Amplitudenfeld (nicht abgebildet) für die linke Seit Erkennung hergestellt werden, obwohl der betreffende Abschnitt des Feldes mit dunkleren Flecken verunreinigt ist. Das heißt, daß die Reihenfolge der Amplitudenwerte Werte umfaßt, die auch in dem Teil des dem betreffenden Teil der Schablone 212 zugeordneten Feldes auftreten. Um diese Abweichungen zu berücksichtigen, braucht der Stellungswert in der entsprechenden geordneten Folge des die Kenngröße repräsentierenden Wertes nicht mit der oberen oder unteren Grenze des zugehörigen Amplitudenbereichs zusammenhängen. Zur weiteren Erläuterung sei auf den oben genannten Stand der Technik verwiesen.

ERSTES BEISPIELGERÄT

Figur 3 zeigt ein Beispiel für ein erfindungsgemäßes Gerät 300. Das Gerät 300 enthält eine Datenverarbeitungseinheit 302, von der eine Vielzahl Eingänge 304a... 304n mit einer Vielzahl Stellungswert-Filtern 306a ... 306n gekoppelt ist. Die Stellungswert-Filter 306a ... 306n übertragen jeweils eine aus dem jeweiligen Satz geordneter Amplituden abgeleiteter Kenngröße, die das Feld in dem Fenster der zugehörigen Schablone (nicht abgebildet) repräsentieren, das mit einem bestimmten Stellungswert-Filter gekoppelt ist. Bei Empfang der Kenngrößen, die jeweils ein Amplitudenwert bei einer zuvor bestimmten Stelle in dem jeweiligen Satz geordneter Amplituden sind, kann die Datenverarbeitungseinheit 302 einen paarweisen Vergleich ausführen, wobei sie das Vergleichsergebnis anzeigende Logikwerte erzeugt. Diese Logikwerte können dann entsprechend einer Logikfunktion zur Erzeugung einer Ausgangsgröße am Ausgang 308, die das Vorhandensein oder Nichtvorhandensein zuvor bestimmter Korrelationen anzeigt, miteinander zusammenhängen.

ZWEITES BEISPIELGERÄT

In Figur 4A-4C wird ein zweites erfindungsgemäßes Beispielsgerät 400 gezeigt zur Veranschaulichung der Untersuchung der Beziehung zwischen den verschiedenen Kenngrößen. Das Gerät 400 enthält eine Datenverarbeitungseinheit 402, von der Eingänge 404a, 404b und 404c mit den Stellungswert-Filtern 406a, 406b bzw. 406a gekoppelt sind. Der Teil des von jedem einzelnen Filter untersuchten Feldes wird in den Filtern 406a, 406b bzw. 406c durch die Buchstaben P, Q und R angegeben. Filter 406a ist für das Erzeugen einer Größe A programmiert, die einen minimalen Amplitudenwert anzeigt, der in dem von diesem Filter untersuchten Teil P des Feldes auftritt. Filter 406b ist für das Erzeugen einer Größe B programmiert, die einen mittleren Amplitudenwert anzeigt, der in dem zugeordneten Teil Q des Feldes auftritt. Filter 406c ist für das Erzeugen einer Größe C programmiert, die einen maximalen Amplitudenwert anzeigt, der in dem Teil R des Feldes auftritt. Falls diese Kenngrößen die Logikbeziehung erfüllen, wie sie in Figur 4B gezeigt wird, das heißt, daß der maximale Wert A größer ist als der minimale Wert C, während der mittlere Wert B dazwischen liegt (dies ist auch in Figur 4C veranschaulicht worden), dann gibt die Datenverarbeitungseinheit 402 ein Bestätigungsausgangssignal E aus.

DRITTES BEISPIELGERÄT

In Figur 5A-5C wird zur Veranschaulichung der Untersuchung einer weiteren gegenseitigen Beziehung ein drittes erfindungsgemäßes Beispielsgerät 500 gezeigt. Das Gerät 500 umfaßt eine Datenverarbeitungseinheit 502 mit Dateneingängen 504a, 504b, 504c und 504d, die mit Stellungswert-Filtern 505a, 505b, 505c bzw. 505d gekoppelt sind. Die jeweiligen Teile des Feldes werden P, Q und R genannt und werden von den jeweiligen Stellungswert-Filtern untersucht. Filter 505a ist für die Untersuchung von Teil P programmiert, um eine Größe A zu erzeugen, die den in diesem Teil auftretenden maximalen Amplitudenwert anzeigt. Filter 505b ist für die Untersuchung von Teil Q programmiert, um eine Kenngröße B zu erzeugen, die den in Teil Q auftretenden minimalen Amplitudenwert anzeigt. Die Filter 505c und 505d untersuchen beide einen Teil R des Feldes, wobei das Filter 505c eine Größe C erzeugt, die einen maximalen Wert in Teil R anzeigt, und Filter 505d eine Größe D erzeugt, die einen minimalen Wert in Teil R anzeigt. Falls das Minimum D größer als das Maximum A ist, wobei C und B dazwischen liegen, gibt die Datenverarbeitungseinheit 502 ein Bestätigungsausgangssignal E entsprechend der Beziehung von Figur 5B aus. Zusätzlich wird die gegenseitige Beziehung in Figur 5C veranschaulicht.

Claims

1. Verfahren zum Untersuchen von Mustern, die von einem Feld mehrwertiger Amplituden repräsentiert werden, wobei das Verfahren enthält:

- Selektieren einer Vielzahl von jeweiligen Amplitudenmengen, jede Menge aus einem jeweiligen Teil innerhalb des Feldes, wobei die Teile zueinander ungleich sind,

- Generieren zumindest einer jeweiligen Kenngröße für jede der jeweiligen Mengen, wobei diese Kenngrößen jeweils einen Amplitudenwert repräsentieren, der nach Größe geordnet einen vorgegebenen Stellungswert in der entsprechenden Menge hat, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest drei Mengen selektiert werden und daß das Verfahren weiterhin enthält:

- Erzeugen zumindest zweier Vergleichsergebnisse durch Vergleichen der Kenngrößen entweder miteinander oder bezüglich jeweiliger zuvor bestimmter Schwellen oder beides;

- Ausführen einer Legikoperation an den Vergleichsergebnissen, um daraufhin ein für die Mengen repräsentatives Mustererkennungssignal zu erzeugen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß alle genannten Kenngrößen jeweils einen jeweilige Amplitudenwert bei einem jeweiligen Stellungswert repräsentieren, in der Reihenfolge der Größe in der entsprechenden Menge.

3. Gerät zum Untersuchen von Mustern, die von einem Feld mehrwertiger Amplituden repräsentiert werden, wobei das Gerät enthält:

- Selektionsmittel zum Selektieren einer Vielzahl von jeweiligen Amplitudenmengen, jede Menge aus einem jeweiligen Teil innerhalb des Feldes, wobei die Teile zuemander ungleich sind,

- einen Generator für Kenngrößen zum Generieren zumindest einer jeweiligen Kenngröße für jede der jeweiligen Mengen, wobei diese Kenngrößen jeweils einen Amplitudenwert repräsentieren, der nach Größe geordnet einen vorgegebenen Stellungswert in der entsprechenden Menge hat,

dadurch gekennzeichnet, daß das Selektionsmittel zum Selektieren von zumindest drei Mengen eingerichtet ist und daß das Gerät weiterhin enthält:

- Vergleichsmittel zum Erzeugen zumindest zweier Vergleichsergebnisse durch Vergleichen der Kenngrößen entweder miteinander oder bezüglich jeweiliger zuvor bestimmter Schwellen oder beides;

- Datenverarbeitungsmittel zum Ausführen einer Legikoperation an den Vergleichsergebnissen, um daraufhin ein für die Menge repräsentatives Mustererkennungssignal zu erzeugen.

4. Gerät nach Anspruch 3, in dem das Stellungswert-Filter ein programmierbares Mittel ist.

5. Gerät nach Anspruch 4, in dem der Generator für die Kenngröße eine Vielzahl von Stellungswert-Filtern enthält, die mit den Datenverarbeitungsmitteln gekoppelt sind.