JP3662059B2 - エッジ位置決定のための方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＣＣＤ列または類似のセンサを用いて明／暗構造のエッジ位置を決定する方法に関する。これは、とりわけデジタル・レベリング処理によるレベリングの際に行われるような、ＣＣＤ列へのコード化した目盛の結像の際に利用できる。
【０００２】
【従来の技術】
ＣＣＤセンサまたは類似の離散的に走査する光電センサによるデジタル測定プロセスでは、結像される構造のエッジまたは明／暗移行部の位置を認識し、高精度で決定することが必要なことがよくある。
【０００３】
Wiss. Zeitschrift der TU Dresden、２５（１９７６）、４、ｐ．９５１〜９５３から、相互相関関数（ＫＫＦ）を用いてエッジと構造の探索を行うことが知られる。その際、ＫＫＦは、幾つかのピクセルの輝度関数Ｙｉなど、画像内容の一部、及び理想参照エッジから形成される。ＫＫＦが極値を持つところでは、エッジが決定できる。しかしながら、比較関数の形態は重要でないことが示されている。したがって、相関関数として、例えば理想エッジＹ’ｉ＝（１、１、−１、−１）を採用することができ、それにより、例えば４つのピクセルを使用する場合、ＫＫＦは
ＫＫＦ＝Ｙi＋Ｙi+1−Ｙi+2−Ｙi+3
によって得られる。
【０００４】
すなわち、この関数の極値においては、エッジは、ピクセルｉ＋１及びｉ＋２の領域内にあることになる。Jenaer Rundschau（１９７９）２、ｐ．８４〜８８において、ピクセル間で対応する極値の正確な位置を発見するために、ピクセルごとに形成されるＫＫＦを放物線（二次曲線）的に補償することが提案されている。その際、高い計算コストは不都合である。さらに、先鋭に結像した黒／白移行部では極値がきわめて先鋭であるので、特に、例えば測地におけるレベリングの際に発生するような交互の結像基準の際に、放物線補償が最適結果をもたらすかどうか疑問である。
【０００５】
ドイツ特許第３４２４８０６号のレベリングシステム及び方法では、比較関数としてバーコード全体を使用しており、そこから幾つかの不都合が発生する。計算コストは高いが、比較関数が合焦機構に設置されるセンサによって指定される距離に対応して予めスカラー化され、距離及び高さ領域ですなわち二つの自由度で、ＫＫＦ極値を探し出す必要があるからである。そのために、個別の各ステップで比較関数を距離に従ってスカラー化し、対応する極値が見つかるまで高さに従って移動しなければならない。特に距離が大きいとき、コードパターンのすべての線がもはや認識できないので、いわば実際の比較関数を得るために、比較関数を追加的に検出器感度曲線により折り返さなければならない。距離の増加とともにますます広がる線がもはや離散的には認識できないので、コードパターンのますます拡大する部分を測定に用いることによってこの情報不足を補償しなければならない。レベリングの応用分野では、これは測定値をバー分割の大きな部分から得なければならず、それにより底部近辺の屈折に伴う問題が生じることを意味する。
【０００６】
東独特許第２０１５００号からは、エッジの光度による位置決定に必要な積分を多数のピクセルの個々のオンオフの合計によって求める、エッジ位置を決定する方法が知られる。この方法は、欠点がないわけではない。先鋭な結像の場合、エッジは事実上ピクセル上にあり、使用される光学系の回折、空気のゆれ、及び変調伝送関数に関してのみ不鮮明になる。このことは、過大な拡大または焦点ずれによって多数のピクセルにわたってエッジが不鮮明にならざるを得ず、しかしその際、情報が失われることを意味する。二つのピクセル幅のみである構造は分解できず、従って補間もできない。測地子でのレベリングでは、このことは測定システムの適用範囲の劇的低下を意味する。
【０００７】
東独特許第１４９１４３号において、得られる信号が基本ステップごとに何度も走査される、無線テレタイプ信号の妨害の少ない認識のための方法が記載されている。その際、まず４つの走査値によりＫＫＦの極値が求められる。しかし、この印刷物に記載される方法は、固定基本周波数に束縛されており、レベリングの場合のように、可変の結像基準で動作しなければならない応用分野には必ずしも容易に転用できない。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
従ってこの発明は、現行技術水準に内在する欠点を除去し、明／暗構造におけるエッジ位置を決定する方法を創出し、これにより受光素子配列の最小数の受光素子を用いて、結像光学系の可変結像基準の広い領域にわたる場合でもピクセルまたは受光要素よりも微小な精度でエッジ位置の自動決定が達成できる。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、この課題は、請求項１の特徴記載部分に記載の手段により達成される。本発明の詳細はその他の請求項に示されている。
【００１０】
したがって、この真中に求めるべきエッジが存在する、それぞれ４つの隣接する受光素子の領域は、相互相関関数
【００１１】
【数２】

の局所極値によって得られ、その際ＫＫＦは有利には、ＣＣＤ配列内のＣＣＤ要素とすることができるいくつかの受光素子の輝度情報と、理想比較エッジとから形成される。受光素子の数は、原理的に自由に選択できる。４つの受光素子が、本発明による方法のエッジ位置の決定のために有利であることが判明した。
【００１２】
この方法によれば、ＫＫＦの局所極大に比較エッジと同じ種類のエッジが、ＫＫＦの局所極小に比較エッジと反対の種類のエッジが割り当てられる。ＣＣＤ要素（ピクセル）の輝度から形成され、極値を示す大きさＭｉとＭａは、エッジの種類に応じて極大または極小である。すなわち、例えば、光度的に負の画像内容にＫＫＦ＝Ｙ i ＋Ｙ i+1 −Ｙ i+2 −Ｙ i+3を使用する場合、黒／白移行部に極大が、白／黒移行部に極小が割り当てられる。光度的に正の画像内容では、白／黒移行部に極大が、黒／白移行部に極小が割り当てられる。
【００１３】
したがって、本発明の方法の利点は、走査されるエッジ上に実際にあるのと同数のピクセルのみが補間に使用されることにある。従って３ピクセルの場合でも、一つの誤りのない補間が可能である。２ピクセルの場合でさえ、エッジは、なお認識できる。この場合、その位置は二つのピクセルの間にある。従って、ピクセルの２倍の大きさの最小構造幅で結像されるコードパターンまたは測定バーの分割を、高い精度で走査ないし認識し、補間により、ＣＣＤ列に対するパターンの位置について、他の追加情報を得ることができる。
【００１４】
次に本発明を、実施例により詳細に説明する。
【００１５】
【発明の実施の形態】
ＣＣＤ要素を含むＣＣＤ素子の光度的に負の画像内容の例によって、エッジ位置の探究と、ピクセル間にある位置の補間を説明する。この場合、ＣＣＤ要素はセル内に配置されている。このとき各ＣＣＤ要素（ピクセル）は、次のように定義される輝度値Ｙiを送出する。すなわち、Ｙi＝０は「白」に、Ｙi＝２５５は「黒」に対応し、これはＡ−Ｄコンバータにおける８ビット分解能の２５６階調グレースケールに対応する。
【００１６】
エッジ位置の決定ないし補間は、幾つかのステップで行われる。まずそれ自体周知の方法で、画像内容の一部分から、たとえばいくつかの受光要素またはＣＣＤ要素の輝度情報から形成されるＫＫＦの極値（極大または極小）をピクセルごとに求める。その際例えば、ピクセルｉ；ｉ＋１；ｉ＋２及びｉ＋３に関する極値、すなわちＫＫＦ（ｉ）＝＋Ｙi＋Ｙi+1−Ｙi+2−Ｙi+3＝極大または極小が見つかったとする。すべての正の極大は極性フラグ「０」（黒／白移行部を表す）で、またすべての負の極大（極小）は極性フラグ「１」（白／黒移行部を表す）でマークされる。このマークは、光度的に正の画像内容では逆になる。
【００１７】
次のステップで、対応する極値（極大または極小）が決定された当該のＣＣＤ要素（ピクセル）の４つの輝度値から次の大きさが決定される。
黒／白移行部について： Ｍｉ＝Ｍａｘ｛Ｙi；Ｙi+1｝
Ｍａ＝Ｍｉｎ｛Ｙi+2；Ｙi+3｝
白／黒移行部について： Ｍｉ＝Ｍｉｎ｛Ｙi；Ｙi+1｝
Ｍａ＝Ｍａｘ｛Ｙi+2；Ｙi+3｝
次のステップで、二つの受光素子ｉ＋１；ｉ＋２の分離エッジに対する決定すべき位置Ｘが、受光素子またはピクセルの大きさの単位で、関係式
【００１８】
【数１】

により求められる。
【００１９】
図１において黒／白エッジは、４つのＣＣＤ要素の１フィールドで表される。その際、４つの関与ピクセルに関するＫＫＦは極大を持ち、それにより極性フラグ「０」、すなわち黒／白移行部が認識される。すなわち、Ｍｉ＝ＹiとＭａ＝Ｙi+3が成立する。
【００２０】
図２に示した状況は、次のように扱われる。ＫＫＦは、４つのピクセルに関する極小（負の極大）を持つ。従って極性フラッグ「１」、すなわち白／黒移行部が認識される。すなわち、上記に指定される関係式Ｍｉ＝ＹiとＭａ＝Ｙi+2が成立する。したがって、すでに次のエッジを含むピクセルｉ＋３は、ピクセルｉ＋１に対するエッジの計算では除外される。ピクセルｉ＋３に対するエッジの決定は、ＫＫＦ極値の位置に応じてピクセルｉ＋１、ｉ＋２、ｉ＋３、ｉ＋４ないしｉ＋２、ｉ＋３、ｉ＋４、ｉ＋５の情報を含む次のステップで、アナログ的に実施されることになる。
【００２１】
図３に示した状況は、ＫＫＦ極大をもたらす。極性フラグは「０」となり、黒／白移行部が求められる。すなわちＭｉ＝Ｙi+1及びＭａ＝Ｙi+2が成立する。この場合は、補間により、エッジがピクセルｉ＋１及びｉ＋２の真中に置かれることになる。
【００２２】
この方法により、光学システムの焦点距離２７０ｍｍ、及び使用されるピクセルの大きさ１４μｍの場合、間隔１ｃｍ、または１ｃｍと２ｃｍの交互の明と暗の線から成る分割が、任意の順序で距離１００ｍの距離で、事実上すべての可視条件の下で確実に分解され、補間できた。
【００２３】
提案の方法は、測定分割の応用分野に限定されるものと見るべきでない。これは、二つの極性状態（黒／白；０／１；または同様の状態）を有するすべての構造に実際に応用可能であり、その際、構造幅は、走査ステップ（ピクセルまたはＣＣＤ要素または受光要素の大きさ）の２倍となろう。
【図面の簡単な説明】
【図１】４ピクセルの領域のエッジを示す図である。
【図２】３ピクセルの領域のエッジを示す図である。
【図３】２ピクセルの領域のエッジを示す図である。

Claims (6)

1. 少なくとも一つの明／暗構造の走査の際に受光素子列によって得られるデジタル化電気信号の評価によりエッジ位置を決定する方法であって、
   − まず受光素子の輝度値Ｙiから、真中に決定すべきエッジがあるＣＣＤ列のうちの４つの隣接して連続する受光素子列（ｉ；ｉ＋１；ｉ＋２；ｉ＋３）の領域が決定され、
   − 次いで、輝度値Ｙiから、明／暗または暗／明エッジ、あるいは白／黒または黒／白移行部のエッジの種類が決定され、
   − さらに、連続する前記受光素子列の最初の二つの受光素子（ｉ；ｉ＋１）の輝度値から、Ｙi及びＹi+1対して期待される極値（極大または極小）のエッジの種類がそれぞれ決定されるように、極値の大きさＭｉが形成され、
   − 連続する前記受光素子列のその他の二つの受光素子（ｉ＋２；ｉ＋３）の輝度値から、Ｙｉ+２及びＹｉ+３に対して期待される極値のエッジの種類が決定されるように、極値の大きさＭａが形成され、
   − その後、二つの受光素子ｉ＋１、ｉ＋２の分離エッジに対する決定すべきエッジの位置ｘが、受光素子の大きさを単位として、関係式
   

   

   に従って求められることを特徴とする方法。
2. 真中にエッジがあるそれぞれ４つの隣接する受光素子の領域が、受光素子数及び理想比較エッジの輝度情報から形成される相互相関関数（ＫＫＦ）
   

   
3. ＫＫＦの局所極大に比較エッジと同じ種類のエッジが割り当てられ、ＫＫＦの局所極小に比較エッジと反対の種類のエッジが割り当てられることを特徴とする、請求項１または２に記載の方法。
4. 光度的に負の画像内容及びＫＫＦ＝Ｙi＋Ｙi+1−Ｙi+2−Ｙi+3では、黒／白移行部に極大が割り当てられ、白／黒移行部に極小が割り当てられることを特徴とする請求項３に記載の方法。
5. 光度的に正の画像内容及びＫＫＦ＝Ｙi＋Ｙi+1−Ｙi+2−Ｙi+3では、白／黒移行部に極大が割り当てられ、黒／白移行部に極小が割り当てられることを特徴とする請求項３に記載の方法。
6. 受光素子（ｉ；ｉ＋１；ｉ＋２；ｉ＋３）がＣＣＤ要素であることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか一項に記載の方法。

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