SE512426C2 - Förfarande och anordning för att bestämma centrumpunktskoordinaten för ett objekt - Google Patents

Description

15 20 25 30 512 426 2 en bildprocessor för att mottaga varje bildlinje och detektera förekomsten av en markör i varje bildlinje. Detta sker genom att jämföra varje pixelamplitud med ett tröskelvärde och indikerar när ett pixelamplitudsvärde överskrider tröskelvärdet. Sedan adderas ett offsetvärde representerande skillnaden mellan pixelarnplitudsvärdet och trö skelvärdet till en löpande summa av arnplitudvärden för den upptäckta markören. Offsetvärdet används för att beräkna det momentana värde för varje pixel i varje markör baserad på bildpunktsläget i avsökningslinjen. Det beräknade momentana linj evärdet adderas sedan till en löpande totalsumma av arnplitudvärden för den upptäckta markören.

Amplitud- och det momentana värdet summeras för varje serie av bildpunkter för varje markör i varje bildlinje och överföres till en si gnalprocessor, som gnrpperar arnplitud- och momentsurnrnoma för varje markör tillsammans och sedan används gruppemas värde för att beräkna ett centrumpunktsvärde för varje markör. Även om ovan upp ñnning avser att lösa problemen relaterade till snabb beräkning fattas precisionen för tillämpningar med hög upplösning. Problemen kan speciellt uppkomma när man använder markörer med små dimensioner.

Kortfattad beskrivning av uppfinningen Det är ett ändamål med föreliggande uppfinning att övervinna ovan problem och presentar ett nytt förfarande för att snabbare och på ett en ekonomiskt sätt beräkna en centrumpunkt av en markör, företrädesvis en väsentligen cirkulär markör i realtid och genom användning av resursema i en enkel kamera, som används för att samla information.

Dessa ändarnål uppnås genom att använda ett förfarande känneteclmat av att interpolera signalen och beräkna ett centrum för en längd av ett segrnent representerande en sektion av bilden, och använda det beräknade centrumet och längden för att bestämrna centrumpunktskoordinaten genom att summera alla produkterna av n potensen av längdema och centrum av varje segment delat med summan av n potensen av längden.

En andra parameter bestämd av ett förfarande som kännetecknas av stegen att: interpolera signalen och beräkna en längd för ett segment som representerar en sektion av bilden, och att använda den beräknade längden för att bestämma bildens area genom att använda summering av alla längder. 10 15 20 25 30 512 426 3 Uppfirmingen hänför sig även till en anordning för bestämning av åtminstone en dimensionsparameter för en kropp, omfattande: organ för att samla bilddata för kroppen, konverteringsenhet för att frarnställa en digitaliserad signal innehållande bildpunktsdata för den reproducerade bilden, komparatorenhet för att generera skillnaden mellan en bildpunktssignalnivå och ett tröskelvärde, beräkningsenhet för att beräkna en mittpunkt för varje segmentlängd representerande en sektion av bilden, för beräkning av en centrumpunktskoordinat och/eller en area och/eller en radie av bilden.

Andra fördelaktiga utfóringsexempel enligt uppfinningen kännetecknas i underkraven.

Kort beskrivning av ritningarna I det följande kommer uppfinningen att beskrivas med referens till de bifogat ritningarna, i vilka: Fig. 1 visar ett schematiskt diagram av ett enkelt rörelseanalyssystem, enligt uppfinningen.

Fig. 2 visar ett blockdiagram över de viktigaste funktionerna av kameran, enligt fig. l.

Fi g. 3 visar ett exempel på en markör som används i ett system, enligt föreliggande uppfinning, som har en väsentligen sfárisk forrn.

Fig. 4 visar ett diagram för en analog och en digital signal som bearbetas, enligt föreliggande uppñnning.

Fi g. 5 visar ett schematiskt snitt genom en di gitaliserad markörbild, enligt föreliggande uppfinning.

Fig. 6 visar ett schematiskt dataflödesschema för en föredragen kamera som används i en anordning enligt föreliggande uppñnning.

Fig. 7 visar en schematisk vy av en markörbild för rundhets kontroll.

Grundläggande teori Ett analogt system använder huvudsakligen en konventionell videosignal från en karnera som en insignal. Medelst sagda signal beräknas X- och Y-koorclinaterna för markören, som skiljer sig från omgivningarna genom ljusintensitet. Målet är att mäta en markörrörelse så noggrant som möjligt, d.v.s. onoggrannheten, som är ett resultat av videosignalen bestående av en uppsättning ändliga antal punkter minimeras. 10 l5 20 512 426 4 Videosignalen består av ett antal linjer, vilka avsökes i kronologisk ordning. En markör genererar en bild, som sträcker sig över en eller flera linjer. Medelst en komparator kan början och slutet av en markörsektion på en linje bestämmas. Markörens bild på en linje kallas ett segment. Tiden uppmättes delvis från början av linjen till början av segmentet (XS) och delvis från början av linjen till slutet av segrnentet (XC). Medelvärdet av dessa två perioder är ett mått för positionen av ett segment i utrymmet, i horisontell riktning (om linjema är horisontella) medan serienumret (S) för linjen är ett mått lör läget av segrnentet i den vertikala riktningen. Längden I av segmenten är då X,- XS.

X- och Y-koordinaterna för markören, Xm respektive Ym, erhålles genom formlema 1 och 2: E (Xe-Xs) . (Xfxs) X = 2 1 m E (X e _Xs) ( ) z 2 (çxg-XS) - S) (2) m 2 (X e _Xs) Tecknet 2 indikerar att summer-ingen utföres över alla segçmenten som är en del av markörbilden.

Ovanstående är lärnplig för en analog signal. Liknande beräkningar kan utföras om bildpunkter från en digital detektor överförs till en annan ordning än linj Där beräknas mittpunkterna för alla bildelement som är en del av samma markör. Först kan bildelementet översättas till linjer och sedan kan beräkning utföras, enligt det analoga fallet.

Tidpunktema XS och X, kan mätas med en elektronisk räknaranordrring ansluten till en oscillator.

Räknaren startar i början av linjen och avläses när början och slutet av ett segment nås. Ett problem är att oscillatorfiekvensen, på grund tekniska eller ekonomiska orsaker begränsad. I det digitaliserade fallet kan problemet vara att bildelementet inte kan vara så små som erfordras. 10 15 20 25 512 426 5 För att övervinna detta problem i det analoga fallet är en komparator anordnad, vilken starter en integrator, vilken genererar en linjär potentialramp, som starter från en potential V, till V, vid tiden XS. Rarnpen samplas sedan och mäts när räknaren slår om mellan två värden. Punkten när rampen passerar ett förutbestärnt tröskelvärde används för att definiera tiden Xss. Skillnaden mellan XS och XS, är en konstant och den bestäms av integratorn och fördröjningarria i komparatom. Tiden XS, beräknas med lätthet från de uppmätta punktema på potentialrampen vid tiden för omslag av rälcriaren förutsatt att åtminstone två punkter på rampen är uppmätta. Om till exempel två värden uppmäts, V, vid t, och V, vid t, och V0 är mellan V, och V2, interpoleras XS, via formel 3: ' _ t + (f2-f1)-(V0'V1) X 3 VTVI t> ss'l Tiden X, uppmäts på samma sätt. I detta utförande används en linjär ramp, eftersom beräkningarna blir enklare, emellertid kan andra kurvor användas.

Detaljerad beskrivning av ett utfóringsexempel Ett enkelt schematiskt system, enligt föreliggande uppfinning, visas i fig. 1. Systemet omfattar åtminstone en kamera 10 riktad mot ett föremål, i detta fall en människolcropp 12, som ska analyseras och åtminstone en markör ll fäst vid föremålet 12.

Kameran 10 kan vara ansluten till en dator 13 för ytterligare bearbetning av mottagna signaler från kameran lO.

I det fiálj ande sker hänvisningar till ett utförande av ett system som opererar inom IR regionen, d.v.s. karneran “ser” kroppar som utsänder infraröd strålning. Ett exempel på en väsentligen sfärisk markör 25 visas i fig. 3 försedd med en reflekterande yta. Karneran 10 kan förses med medel för att utsända lfR-ljus, vilket reflekteras sedan av markören 25. Den speciella formen av markören möjliggör för kameroma att fi'ån olika vinklar erhålla en cirkulär form för en korrekt positionering. 10 15 20 25 30 512 426 6 1 detta utförande är kameran 10 utrustad med en CCD-enhet, som huvudsakligen opererar på samma sätt som beskrevs ovan. Blockschemati fig. 2 visar schematiskt några viktiga delar av kameran 10 avsedd för att utföra förfarandet enligt uppfinningen.

Kameran 10 innefattar optiska element 14 såsom linser och annat fokuseringsorgan (inte visade) för att projicera bilden 16 av en marköranordning 1 1 på en CCD-enhet 15. Ytan av CCD-enheten avsöks sedan och bildsignalema omfattande pixelinforrnation omvandlas till en lämplig videosignal medelst en omvandlingsenhet 17, vilken kan vara integrerad i CCD-enheten. Videosignalen som representerar bildlinjema sändes sedan seriella eller parallella till en bearbetningsenhet 18.

Bearbetningsenheten digitaliserar den mottagna videosignalen, till exempel används en A/D-omvandlare 19. Denna signal kan även digitaliseras i enhet 17. Bearbetningsenheten kan kommunicera med en minnesenhet, inte visad, innehållande en uppsättning av instruktioner för att kontrollera bearbetningsenheten.

Med hänsyn till “Grundläggande Teori”, härovan, kan bildelementen anordnas i linjer medelst ett lågpassfilter för att leverera en delvis kontinuerlig signal, vilken kan bearbetas som den analoga signalen. Emellertid mätes i det föredragna utiöringsexemplet varje bildelement individuellt och från det uppmätta värdet interpoleras ett värde, som bestämmer när en tröskel T passeras, i analo gi med den Grundläggande Teorin. I detta fall är integratom och komparatorn eliminerade.

Grafer, betecknade med D respektive A, representerande den digitala signalen och videosignalen visas i ñg. 4 . Axlarna representerar spänningsnivå och pixelnumret i en video- eller digital signal.

Tillbaka till fig. 2, överföres den digitaliserade signalen över till en komparatorenhet 20, som interpolerar individuellt samplade värden omkring det förutbestämda tröskelvärdet, även kallat videonivån, vilken kan erhållas från en minnesenhet 21. Som beskrevs ovan, är ändamålet att bestämma när arnplituden för signalen passerar tröskelvärdet T. Varje passage representerar en start- och stopp-koordinat av varje segment med en hög upplösning, vilken kan vara omkring 30 x antal bildpunkter på en rad. I en beräkningsenhet 22 utföres följande beräkning: 512 426 T-Vl V2 - V1 Xhögllppläsning = + (4) Där V, och V, är signalnivåema för föregående respektive efterföljande bildpunkter, mottagna från komparatorenheten 20.

Här kan formel 4 betraktats som ett specialfall av forrnel 3.

Bildpunlctsnurnret kan erhållas från en räknare (inte visad). Beroende av komponenterna som används, kan nivåerna V, och V, mätas med en upplösning av 10 bitar, bildpuriktsnurnret (MSB) 9 bitar och (T-V,)/(V2-V,) 7 bitar. Sedan kan mittpunkten x' av markören beräknas i en beräkningsenhet 22 medelst föregående värde lagrat i en minnesenhet 23, genom användning av 10 formel (5): x=_í'-. (s) ZUVS) yU-kí (o n 21,, där Ik är längden av segmentet k (d.v.s., Xck-Xsk), enligt fig. 5, S är serienumret av bildelementet, och ik är mittpunkten av segmentet k. 15 I det digitala fallet är formlerna (1) och (2) ersatta med fonnlema (5) respektive (6). Emellertid bidrar inte forrnlema ( 1) och (2) ensamma till erhållande av ett noggrant värde som önskas. För att l =lii ll Il 10 15 20 25 512 426 8 erhålla en exaktare, stabil x' med och hög resolution, berälmas n potensen av Ik. I det föredragna utföringsexemplet beräknas roten ur lk, d.v.s. n=2.

Fig. 5 visar schematiskt den digitaliserade tvådimensionella bilden 26 av markören enligt fig. 3.

Skälet för beräkning av roten ur Ik är att erhålla en precisare värde, speciellt i cirkulära bilder, eftersom längdema av segmenten, d.v.s. IH, lk och lm, ändras mycket snabbt ju fjärran segmenten är fiån mittenpunkten av den cirkulära bilden.

Med bättre stabilitet menas att små fel vid mätning av X, och XS, och möjlig avrundningsfel har mindre verkan på resultatet. Konstantcn n behöver inte vara ett heltal. Precisionsförbättringen i vertikal riktning (y') blir imponerande för en videosignal, eftersom antalet linjesegmenten i en markör är få.

Sedan kan lkzerna lagras i minnesenheten 23 för att underlätta berälmingar. För en cirkulär markör, beräknas arean A av avbildningen genom att använda formeln A = Elk. Det är även möjligt att beräkna radien genom att använda A= r2.1r, vilken' ger formel (7): I 2 Ik f = (7), 11: som kan beräknas i beräkningsenheten 22.

Resultatet kan sedan transformeras till en gränssnittsenhet för vidare överföring till datorenheten 13, i vilken de beräknade värdena, x' och r, kan användas för att visa positionen av markören på en skärm för simulering, positionering och andra tillämpningar.

Dataflödet i ett föredraget utförande av en karnera 10 illustreras i fig. 6, i vilken delar med samma funktion som ovan är betecknade med samma beteckningssiffior. Kameran 10 är anordnad med ljuskällan 27, såsom en IR-blixt, som omger linsöppningen på kamerahuset. CCD-detektom 15 är anordnad i kommunikation med linsen 14. Signalen fiån CCD överföres till en videobearbetningsenhet 28, vilken efter bearbetning av videosignalen från CCD-detektorn 15 10 15 20 25 5l2 426 9 överförs den bearbetade signalen till en analog/digital-omvandlare 19. För att erhålla en synkroniserad tidsanpassning, synkronisera CCD-detektom 15, videobearbemingsenheten 28 och A/D-omvandlaren medelst en gemensam tidsanpassningssignal från en tidkontrollanordning 29, t.ex. omfattande en oscillator och en räknare. Resultatet från A/D-omvandlaren levereras till en minnesenhet 30, företrädesvis ett FIFO-minne (F irts-In-First- OUT). Ett register 31 är anordnat för att leverera en föregående data. Medelst en komparator 20, som genererar en skrivsignal, lagras företrädesvis två pixelvärden per överföring i minnesenheten 30. Dessutom anordnas pixel- och linjenumret av bildlinjen levereras av räknaren av tidkontrollanordningen 29. Data lagrad i minnesenheten 30 används sedan av en bearbetníngsenhet 32, till exempel för centrumpunldberäkning som beskrevs ovan. Dessutom är ett instruktionsminne 33 anordnat för att lagra styrinstrulctioner, en dataminnesenhet 34 för att lagra bearbetad data och en kommunikationsenhet 35 är anordnad för att överföra den bearbetade datan, till exempel till en dator.

Om väsentligen sfäriska eller cirkulära markörer används, måste systemet för korrekt beräkning genomföra en “rundhetstest”, så att endast bilder som passerar testen kan analyseras.

Med hänvisning till fig. 7, som visar några segment av bilden i ett första steg, prövas symmetrin av den digitaliserade bilden av markören för att kontrollera om en rektangel, som helt omsluter alla segment är en kvadrat d.v.s. -íxmax-Xminfloia Ymax"Ymin , där A är en acceptabel differens.

I ett andra steg kontrolleras kvoten av kvadratens area och arean av alla segment, vilket antas ge ett idealvärde, 4/1t, om segmenten bildar en cirkel, d.v.s.

Xmax _ Xminxymax ' Ymin) 4 : i i A 2 alla segment 11: Wil' .sin 10 15 512 426 10 Sedan testas segmentsyrrirnetrin, där cenuurnet av markören beräknas Xm, Ym, och en kontroll utföres för att se att mittpunkten av varje segment, t.ex. i x-riktningen inte avviker från Xm, d.v.s. alla segment är symrnetriskt placerade omkring Xm. Alla möjliga avvikelser regleras sedan företrädesvis till markör storleken, t.ex. i x-riktningen. Således måste alla segment uppfylla följ ande: Xmitten av segmentet " Xml 0,0 i A (Xmax ' Xmín) Även om vi har beskrivit och visat ett föredraget utförande, så är uppfinningen på intet sätt begränsad till detta utförande och variationer och modifieringar kan förekomma inom ramen för efterföljande patentkraven. Bearbetningsenheten 18 kan integreras i karneran 10 elleri en periferisk enhet. Antalet enheter och deras funktioner i bearbetningsenheten 18 kan också variera.

Dessutom är systemet inte begränsat till en kamera, som använder CCD-detektorer. Videosignaler från en kamera kan användas i en avsökningsapparat för att spåra och bestämma läget av en markör för centrurnpunktberälmingar.

Dessutom kan formen av markören variera beroende på applikationsorrrrådet. I ett robotsystem kan till exempel en trapetsoid fonnad markör användas. 10 15 20 25 512 426 11 HÄNVISNINGSBETECIGVINGAR 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23' 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 Kameracnhet Markör Föremål Dator Lins CCD-enhet Bild Konverteringsenhet Bearbetningsenhet A/D-omvandlare Komparator Minnesenhet Beräkningsenhet Mínnesenhet Gränssnittsenhet Markör Markörbild Ljuskälla Videobearbetningsenhet Tidskontrollenhet FIPO minnesenhet Register Bearbetningsenhet Programminne Dataminne Kommunikationsenhet

Claims (10)

.raíüzïâi i t. 10 15 30 512 426 1 l PATENTKRAV

1. Förfarande för bestämning av åtminstone en dimensionspararneter för ett objekt (11), särskilt en parameter för en centrumpunktskoordinat av en bild av objektet reproducerad på en detektor (15), vilken genererar en signal innehållande bildpunktsdata för den reproducerade bilden (16), kännetecknat av, att interpolera signalen och beräkna en mittpunkt (ik) för en längd (Ik) av ett segment k representerande en sektion av bilden, och att använda den beräknade mittpunkten (ik) och längden (h) för att bestämma centrumpunktskoordinaten (x'), genom att för vaije segment k framställa en produkt av n potensen av dess längd (Ik) och dess mittpunkt (ik), summera dessa produkter till en första summa, framställa en andra summa av n potensen av varje segments längd (lk) och framställa en kvot för den första och andra summan, vilken kvot utgör centrumpunktskoordinaten (x').

2. Förfarande enligt patentkrav l, kännetecknat av, attnär2.

3. Förfarande enligt patentkrav l eller 2, kännetecknat av, att slut- eller startpunkten (i) av ett segment beräknas genom följande formel: där T är ett förutbestämt tröskelvärde, Vi respektive V2 är si gnalnivåer för en föregående och efierfölj ande bildpunkt, och p är bildpunkt nummer m.

4. Förfarande för bestämning av åtminstone en dimensionsparameter för ett objekt (11), speciellt arean av en bild av objektet reproducerad på en detektor (15), som genererar en signal innehållande bildpunktsdata för den reproducerade bilden (16), kännetecknat av, 10 15 20 25 30 512 426 73 att interpolera signalen och beräkna en längd (lk) av ett segment representerande en sektion av bilden, och använda den beräknade längden (Ik) för att bestämma arena (A) av bilden genom summering av alla längder (lk).

5. Förfarande enligt patentkrav 4, kännetecknat av, att en radie (r) av bilden beräknas genom att använda följande formel:

6. Förfarande enligt något av patentkraven 1-5, kännetecknat av, att det innefattar en rundhetstest av bilden.

7. Förfarande enligt patentkrav 6, kännetecknat av, att rundhetstesten innefattar stegen: att prova en bilden för att detektera om en rektangel, som helt täcker alla segment, är en kvadrat, och/eller att beräkna en kvoten lör arean av kvadraten och arean for alla segment, vilken är lika med ett idealvärde om segmenten bildar en cirkel, och/eller att testa en segmentsymrnetri, genom att beräkna mittpunkten (Xm, Ym) for bilden, och kontrollera att mitten av varje segment inte avviker från mittpunkten, d.v.s. alla segment är symmetriskt placerade kring mittpunkten.

8. Anordning for bestämning av åtminstone en dimensionsparameter för ett objekt (11), kännetecknad av att anordningen omfattar: organ (15) för att samla bilddata för objektet, konverteringsenhet (19) for att framställa en digitaliserad signal innehållande bildpunktsdata for sagda reproducerade bild (16), komparatorenhet (20) för att generera en tidpunkt for passering av ett tröskelvärde (T), I' 'llllllllllllllf 1:1' :L .Jia 10 512 426 'IL - beräkrtingsenhet (22) for att beräkna en mittpunkt (ik) for en längd (Ik) av varje segment representerande en sektion av bilden, för beräkning av en centrumpunktskoordinat (x') och/eller en area och/eller en radie av bilden.

9. Anordning enligt patentkrav 8, kännetecknad av, att organet för samling av bilddata, konverteringsenheten (19), komparatorenheten (20) och beräkningsenheten (22) är anordnade i en kameraenhet (10).

10. Anordning enligt något av patentkraven 8 eller 9, kännetecknad av, att en tidsanpassningsenhet (39) är anordnad för synkronisering av videosignalen och beräkning av antalet bildlinj er och/eller bildpunkter.