DE102005053733B4

DE102005053733B4 - System zum Erfassen einer absoluten Position in zwei Dimensionen unter Verwendung eines Zielmusters

Info

Publication number: DE102005053733B4
Application number: DE102005053733.2A
Authority: DE
Inventors: David C. Chu; Evan R. Whitney
Original assignee: Keysight Technologies Inc
Current assignee: Keysight Technologies Inc
Priority date: 2005-04-22
Filing date: 2005-11-10
Publication date: 2015-08-20
Anticipated expiration: 2025-11-11
Also published as: DE102005053733A1; US7489409B2; NL1031621C2; US20070237413A1; JP2006300939A; JP4895662B2; NL1031621A1; CN1851399A; US7230727B2; US20060238776A1

Abstract

System (100) zum Erfassen einer absoluten zweidimensionalen Position eines Objekts, mit folgenden Merkmalen: einem Ziel, das ein zweidimensionales Zielmuster (106) aufweist, wobei das Zielmuster eine erste Mehrzahl paralleler Linien (302), die einen ersten Graupegel aufweisen, und eine zweite Mehrzahl paralleler Linien (304) aufweist, die einen zweiten Graupegel aufweisen, wobei die erste Mehrzahl von Linien parallel zu der zweiten Mehrzahl von Linien ist; wobei das Zielmuster eine dritte Mehrzahl paralleler Linien (306), die den ersten Graupegel aufweisen, und eine vierte Mehrzahl paralleler Linien (308) aufweist, die den zweiten Graupegel aufweisen, wobei die dritte Mehrzahl von Linien parallel zu der vierten Mehrzahl von Linien ist, und wobei die erste und die zweite Mehrzahl von Linien orthogonal zu der dritten und der vierten Mehrzahl von Linien sind; wobei die erste, zweite, dritte und vierte Mehrzahl von Linien über einen Hintergrund (310) gebildet sind, der einen dritten Graupegel aufweist; wobei eine Beabstandung zwischen parallelen Linien in dem Zielmuster variiert; einem Sensor (102) zum Erfassen eines Bilds (312) eines ersten Teilsatzes des Zielmusters; und einer Steuerung (101) zum Erzeugen eines ersten Bildvektors (314), der Summierungen von Zeilen von Pixelwerten von dem Bild darstellt, und eines zweiten Bildvektors (318), der Summierungen von Spalten von Pixelwerten von ...

Description

Bei zahlreichen Anwendungen besteht ein Bedarf, die Position eines Objekts genau zu messen. Viele Herstellungsverfahren erfordern z. B. ein genaues Positionieren eines sich bewegenden Tischs. Mehrere Techniken zum Bestimmen der Position eines sich bewegenden Objekts wurden entwickelt. Einige dieser Techniken sind unten erläutert.
Bei einigen optischen Mausvorrichtungen des Stands der Technik wird ein zufälliges zweidimensionales Muster, das aus der Oberflächenunregelmäßigkeit eines Mauspads besteht, fortwährend durch eine Digitalkamera in sequentielle N×N-Pixelarrays erfasst. Die Speichertiefe beträgt zumindest eins mehr als das gegenwärtige Array. Neun zweidimensionale Korrelationen (z. B. ein Schritt in jede Richtung: links, rechts, oben, unten, beide Richtungen von zwei Diagonalen, plus „keine Veränderung”) werden berechnet. Durch ein Beobachten des Maximums der neun Korrelationen kann die Richtung der Mausbewegung bestimmt werden. Durch eine Interpolation der Korrelationswerte kann die Länge einer Bewegung bis auf einen Bruchteil eines Sensorpixels bewertet werden. Dieses Verfahren zum Bestimmen eines Orts ist inkremental und nicht absolut und eine Bewegung zwischen Rahmen kann üblicherweise ein Pixel nicht überschreiten oder Fehler könnten auftreten.
Bei einigen anderen Anwendungen des Stands der Technik werden spezifische Ziele anstelle zufälliger Ziele verwendet. Einige eindimensionale Inkrementalcodierer z. B. verwenden zwei Gitter einer eindimensionalen Sinuskurve in Quadratur, um zwei kontinuierliche Bildgrauskalen zu erzeugen. Eine Kalibrierung des bekannten Intensitätsprofils der Skala erlaubt eine Interpolation zu weniger als einem Zyklus und ein Zählen der Zyklen in der geeigneten Bewegungsrichtung, möglich gemacht durch zwei Signale in Quadratur, erlaubt eine Bestimmung sowohl eines groben Orts als auch eines feinen Orts. Dieser Ansatz, der in der Industrie sehr häufig eingesetzt wird, ist auch eine Inkrementalmesstechnik, wie bei der Maus, und unterliegt den gleichen Einschränkungen. Die Verwendung einer eindimensionalen Codierertechnologie für zweidimensionale Anwendungen erfordert allgemein ein mühsames mechanisches Tisch- bzw. Stufenaufschichten.
Bei einigen anderen Anwendungen des Stands der Technik wurden, um den Bedarf nach der Aufstellung einer zweidimensionalen Korrelation für jedes N × N-Muster über das gesamte Ziel für eine zweidimensionale absolute Positionscodierung zu reduzieren, Positionsetikettierungscodes verwendet. Die Codes sind periodisch in einen zufälligen oder periodischen feinen Grauskalahintergrund verschachtelt. Der (noch unbekannte) Positionscode oder die Codes werden zuerst identifiziert und aus dem Bild extrahiert und ihr Inhalt wird dann entschlüsselt. Der Ort des Codes innerhalb des Bilds wird dann genauer gefunden und durch Schlussfolgerung wird der Bildort bestimmt.
Mehrere Verfahren des Stands der Technik interpolieren zwischen diskreten Korrelationen durch ein Betrachten der analogen Form der Korrelationsfunktionen. Eine Kreuzkorrelation des Zielmusters reduziert die Genauigkeit dieses Ansatzes und muss vorsichtig gesteuert werden.
Systeme des Stands der Technik zum Bestimmen einer Position, wie z. B. die oben beschriebenen, sind üblicherweise nicht sehr effizient, benötigen relativ große Speichermengen und die in einigen dieser Systeme verwendeten Ziele sind komplex in der Herstellung und Verwendung.
Die internationale Patentveröffentlichung WO 00/38103 A1 bezieht sich beispielsweise auf ein Eingabegerät für ein Computersystem und insbesondere auf ein Eingabegerät zum Bereitstellen von Positionsinformationen an das Computersystem basierend auf der Bewegung des Eingabegeräts. Ein Computereingabegerät erfasst Bilder auf einer Oberfläche. Das Computereingabegerät erzeugt Eingangsinformationen, die einen Änderungsvorgang anzeigen, wenn das Gerät zwischen dem Lesen eines vorbestimmten Musters und dem Lesen eines weiteren vorbestimmten Musters umschaltet.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein System, ein Verfahren oder ein Ziel mit verbesserten Charakteristika zu schaffen.
Diese Aufgabe wird durch ein System gemäß Anspruch 1, ein Verfahren gemäß Anspruch 10 und ein Zielmuster gemäß Anspruch 13 gelöst.
Eine Form der vorliegenden Erfindung schafft ein System zum Erfassen einer absoluten Position in zwei Dimensionen. Das System umfasst ein Ziel, das ein zweidimensionales Zielmuster aufweist. Ein Sensor erfasst ein Bild eines ersten Teilsatzes des Zielmusters. Eine Steuerung erzeugt einen ersten Bildvektor, der Summierungen von Zeilen von Pixelwerten aus dem Bild darstellt, und einen zweiten Bildvektor, der Summierungen von Spalten von Pixelwerten aus dem Bild darstellt. Die Steuerung ist konfiguriert, um eine absolute zweidimensionale Position des ersten Teilsatzes in Bezug auf einen Ursprung des Zielmusters basierend auf dem ersten und dem zweiten Bildvektor und einer Mehrzahl von Zielvektoren, die das Zielmuster darstellen, zu bestimmen.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1 ein vereinfachtes Diagramm, das ein System zum Finden der „Heim”-Position eines Tischs mit sechs Freiheitsgraden gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung darstellt;
2 ein vereinfachtes Diagramm, das einen Sensor gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung darstellt;
3 ein Diagramm, das ein 55×55-Pixel-3-Grauskala-(-Ternär-)Ziel gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung darstellt;
4A ein Diagramm, das ein 711×711-Pixel-3-Grauskalä-(-Ternär-)Ziel gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung darstellt;
4B ein Diagramm, das eine vergrößerte Ansicht des eingekreisten Abschnitts des Ziels, das in 4A gezeigt ist, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung darstellt;
5 ein Diagramm, das ein 55×55-Pixel-2-Grauskala-(-Binär-)Ziel gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung darstellt;
6 ein Blockdiagramm, das Hauptkomponenten des Positionsdatenerzeugers, der in 1 gezeigt ist, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung darstellt;
7 ein schematisches Diagramm, das Hauptkomponenten des Grob-Haupt-Lokalisierers für Ablenkung (Windage), der in Blockform in 6 gezeigt ist, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung darstellt;
8 ein schematisches Diagramm, das Hauptkomponenten des Grob-Semi-Lokalisierers für Ablenkung, der in Blockform in 6 gezeigt ist, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung darstellt;
9 ein schematisches Diagramm, das Hauptkomponenten des Grob-Haupt-Lokalisierers für Elevation, der in Blockform in 6 gezeigt ist, gemäß einem Ausführüngsbeispiel der vorliegenden Erfindung darstellt;
10 ein schematisches Diagramm, das Hauptkomponenten des Grob-Semi-Lokalisierers für Elevation, der in Blockform in 6 gezeigt ist, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung darstellt;
11 ein Diagramm, das einen Graphen von Grob-Auswählern für Elevation gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung darstellt;
12 ein Blockdiagramm, das einen Graphen von Grob-Auswählern für Ablenkung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung darstellt;
13 ein Blockdiagramm, das einen SUM- und NUM-Parametererzeuger gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung darstellt;
14 ein Flussdiagramm, das ein Verfahren zum Bestimmen eines Bruchteilspixelorts gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung darstellt; und
15 ein Diagram, das die Bestimmung eines Bruchteilspixelorts für einen exemplarischen Ablenkungsvektor unter Verwendung des in 14 zeigten Verfahrens gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung darstellt.
In der folgenden detaillierten Beschreibung wird Bezug auf die beigefügten Zeichnungen genommen, die einen Teil derselben bilden und in denen zur Darstellung spezifische Ausführungsbeispiele gezeigt sind, bei denen die Erfindung praktiziert werden könnte. Es wird darauf verwiesen, dass andere Ausführungsbeispiele eingesetzt werden könnten und Struktur- oder Logikveränderungen durchgeführt werden könnten, ohne von dem Schutzbereich der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Die folgende detaillierte Beschreibung soll deshalb in keinem einschränkenden Sinn aufgefasst werden und der Schutzbereich der vorliegenden Erfindung ist durch die beigefügten Ansprüche definiert.
Eine Form der vorliegenden Erfindung liefert ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Bestimmen eines absoluten zweidimensionalen Orts oder einer Position eines Objekts basierend auf einem digitalen Bild eines Binär- oder Ternärziels, das auf dem Objekt gebildet ist. Bei einem Ausführungsbeispiel erfasst ein Sensor ein Bild eines Abschnitts des Ziels und der Ort des Bilds innerhalb des Ziels wird in zwei Dimensionen bis zu einer Bruchteilspixelauflösung bestimmt. Bei einer Form der Erfindung wird die Positionsbestimmung unter Verwendung einer Blockregressionstechnik durchgeführt. Bei einem Ausführungsbeispiel wird ein erstes Verfahren durchgeführt, um eine Grobpositionsbestimmung durchzuführen (z. B. innerhalb eines Pixels), und dann wird ein zweites Verfahren durchgeführt, um eine Feinpositionsbestimmung durchzuführen (z. B. innerhalb eines Bruchteils eines Pixels). Bei einem Ausführungsbeispiel ist das zweite Verfahren ein Blockregressionsverfahren, das die absolute Positionsbestimmung herunter bis zu einem Bruchteil eines Pixels verfeinert, indem eine Lösung über einen Satz redundanter Daten und Gleichungen einer mathematischen Beste-Anpassung-Verarbeitung unterzogen wird.
I. System
1 ist ein vereinfachtes Diagramm, das ein System 100 zum Finden eines absoluten zweidimensionalen Orts oder einer Position eines Objekts 108 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung darstellt. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist das Objekt 108 ein bewegbarer Tisch in einem Herstellungsverfahren, der seine „Heim”-Position zu einem hohen Präzisionsmaß zu sechs Freiheitsgraden sucht. Das Objekt 108 wird hierin auch als Tisch 108 bezeichnet. Es ist für Fachleute auf dem Gebiet zu erkennen, dass Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung auf andere Typen von Systemen und Verfahren, in denen eine absolute zweidimensionale Positionserfassung erwünscht wird, anwendbar sind.
Das System 100 umfasst einen Positionsdatenerzeuger (auch als Steuerung bezeichnet) 101 und einen Sensor 102. Der Tisch 108 umfasst eine Zielebene oder Zieloberfläche 104, die sich an einer Ecke des Tischs 108 befindet. Der Bereich der Zielebene 104 ist zu dem Zweck einer Vereinfachung der Betrachtung der Zielebene 104 übertrieben. Die Zielebene 104 ist in zwei Dimensionen durch eine erste Achse V₀ (Elevation) und eine zweite Achse Wo (Ablenkung), die senkrecht zu der ersten Achse ist, definiert. Ein Zielmuster 106 ist auf der Zielebene 104 gebildet. Verschiedene Ausführungsbeispiele des Zielmusters 106 sind in den 3 bis 5 gezeigt und unten Bezug nehmend auf diese Figuren detaillierter beschrieben.
In Betrieb beleuchtet gemäß einem Ausführungsbeispiel der Sensor 102 Abschnitte des Ziels 106 und erfasst Bilder derselben. Bei einer Form der Erfindung werden die erfassten Bilder von dem Sensor 102 an den Positionsdatenerzeuger 101 ausgegeben. Der Positionsdatenerzeuger 101 verarbeitet die erfassten Bilder des Ziels 106 und erzeugt absolute zweidimensionale Zielpositionsdaten basierend auf den erfassten Bildern. Die Zielpositionsdaten stellen die absolute Position des abgebildeten Abschnitts des Ziels 106 in Bezug auf einen Ursprung des Ziels 106 in sowohl der Ablenkungs- als auch der Elevationsdimension dar. Bei einer Form der Erfindung bestimmt der Positionsdatenerzeuger 101 dann eine zweidimensionale absolute seitliche Position des Zielebenenbereichs basierend auf den zweidimensionalen Zielpositionsdaten.
Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel könnten zusätzliche Sensoren 102 und Ziele 106 verwendet werden, um zweidimensionale seitliche Positionen von drei Zieloberflächenpositionen zu messen, was drei Sätze von Ablenkungs- und Elevationsdaten für eine Gesamtzahl von sechs erzeugt. Eine lineare Verarbeitung der sechs Zahlen bestimmt die Position des Tischs 106 in sechs Freiheitsgraden (d. h. Verschiebung entlang drei senkrechter Achsen (X-Achse, Y-Achse und Z-Achse)) und Drehung um die drei senkrechten Achsen (Rollen, Stampfen und Gieren).
Bei wiederum einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist ein einzelnes Ziel 106 auf der unteren Oberfläche von z. B. dem Tisch 108 platziert und wird durch das System 100 verwendet, um eine zweidimensionale absolute Position des Tischs 100 zu identifizieren.
2 ist ein vereinfachtes Diagramm, das einen Sensor 102 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung darstellt. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel umfasst der Sensor 102 eine Lichtquelle 202, eine Bildsensorchip 204 und Optiken 206. Bei einem Ausführungsbeispiel ist die Lichtquelle 202 eine Leuchtdiode (LED). Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel umfasst der Sensor 102 keine Lichtquelle 202. Bei einer Form der Erfindung ist der Bildsensorchip 204 ein Komplementär-Metalloxid-Halbleiter-(CMOS-)Bildsensor. Bei einem Ausführungsbeispiel umfassen die Optiken 206 eine oder mehrere optische Linsen. Bei einer Form der Erfindung gibt die Lichtquelle 202 Licht 208 aus, das das Ziel 106 beleuchtet. Reflektiertes Licht 210 von dem Ziel 106 wird durch die Optiken 206 auf den Bildsensorchip 204 gerichtet. Basierend auf dem empfangenen Licht erzeugt der Bildsensorchip 204 ein digitales Bild, das einen Abschnitt des Ziels 106 darstellt, und liefert das digitale Bild an einen Positionsdatenerzeuger 101 zum Bestimmen der gegenwärtigen Position des Ziels 106 (und entsprechend des Tischs 108) in Bezug auf den Sensor 102 oder in Bezug auf einen anderen Referenzpunkt.
II. Ziel
3 ist ein Diagramm, das ein 55×55-Pixel-3-Grauskala-(-Ternär-)Ziel 106A gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung darstellt. Das Ziel 106A stellt ein erstes Ausführungsbeispiel des Ziels 106, das in 1 identifiziert ist, dar. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel weist das Ziel 106A nur drei Graupegel auf, die hierin als Weiß, Grau und Schwarz bezeichnet sind. Das zweidimensionale Ziel 106A umfasst eine Mehrzahl vertikaler weißer Linien 302, eine Mehrzahl vertikaler schwarzer Linien 304, eine Mehrzahl horizontaler weißer Linien 306 und eine Mehrzahl horizontaler schwarzer Linien 308. Die Linien 302, 304, 306 und 308 erstrecken sich über das gesamte Ziel 106A und sind auf einem grauen Hintergrund 310 gebildet (dargestellt durch Tüpfelungsschattierungen), der sich ebenso über das gesamte Ziel 106A erstreckt. Die Linien 302 und 304 sind bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel orthogonal zu den Linien 306 und 308. Um eine digitale Codierungsverarbeitung, die eine Interpolation umfasst, zu erleichtern, sind parallele schwarze und weiße Linien bei einer Form der Erfindung niemals unmittelbar benachbart. Bei einem Ausführungsbeispiel sind Pixel des Ziels 106A an Linienkreuzungen wie folgt spezifiziert: (1) ein Pixel an einer Schwarz-Grau-Kreuzung wird schwarz gemacht; (2) ein Pixel an einer Weiß-Grau-Kreuzung wird weiß gemacht; und (3) ein Pixel an einer Schwarz-Weiß-Kreuzung wird grau gemacht.
Das Ziel 106A ist in 3 auf einem Gitter mit einer Horizontalachse (W₀), die eine Ablenkung darstellt, oder einer horizontalen Richtung, und einer Vertikalachse (V₀), die eine Elevation darstellt, oder einer vertikalen Richtung, gezeigt. Die Achsen W₀ und V₀ beginnen an einem Ursprungspunkt in der oberen linken Ecke des Ziels 106A und erstrecken sich orthogonal nach außen. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist das Ziel 106A symmetrisch in sowohl der W₀- als auch in der V₀-Dimension um die Mitte des Ziels 106A und die Linienentwürfe in beiden Dimensionen sind identisch, was es erlaubt, dass ein gemeinsamer Codierungsalgorithmus für beide Dimensionen verwendet werden kann. Ein Entwurfsmuster orthogonaler gerader Linien, wie in 3 gezeigt ist, erlaubt eine separate und unabhängige eindimensionale Positionsverarbeitung für die beiden Dimensionen.
Bei einem Ausführungsbeispiel sind die Raumtrennungen der Linien mathematisch synthetisiert, derart, dass eine beliebige eindimensionale Sequenz über 13 aufeinanderfolgende Pixel nicht dupliziert wird. Als ein Ergebnis ist ein beliebiges 13×13-Pixel-(oder ein größeres)Bild des Ziels 106A eindeutig. Umgekehrt kann unter Angabe eines beliebigen 13×13-Pixel-(oder eines größeren)Bilds der Ort des Bildes innerhalb des Ziels 106A eindeutig aus dem Muster gerader Linien bestimmt werden. Ein exemplarisches 16 × 16-Bild 312, das durch einen Sensor 102 (1) erfasst wird, ist in 3 gezeigt. Da das Bild 312 größer als 13×13 Pixel ist, kann der Ort des Bilds 312 innerhalb des Ziels 106A aus dem Muster der Linien bestimmt werden. Die Pixel des Bilds 312 sind vertikal und horizontal mit den Pixeln des Ziels 106A ausgerichtet. Das obere linke Pixel des Bilds 312 befindet sich in der vierten Zeile und der 35. Spalte des Gitters. So ist die Position des Bilds 312 in Bezug auf den Ursprung des Ziels 106A gemäß einem Ausführungsbeispiel als (4,35) spezifiziert. Die Pixel des Bilds 312 könnten vertikal oder horizontal von den Pixeln des Ziels 106A versetzt sein, wie z. B. um einen Bruchteil eines Pixels nach links oder rechts oder einen Bruchteil eines Pixels nach oben oder unten aus der in 3 gezeigten Position verschoben sein. In derartigen Fällen umfasst die Spezifizierung der Position des Bilds 312 einen Bruchteilswert (z. B. 4,35, 35,60).
Die Mitte des Ziels 106A umfasst drei vertikale Spalten 316A, die auf dem Gitter „ccc” benannt sind. Die Spalten 316A sind nominell Grau-Schwarz-Grau, mit Ausnahme von Kreuzungen mit horizontalen weißen oder schwarzen Linien. Unmittelbar rechts der Spalten 316A befinden sich fünf Spalten 316B, die auf dem Gitter „22222” benannt sind. Die Spalten 316B sind nominell weiß-grau-schwarz-grau-grau, von der Mitte nach Außen zählend. Die Spalten 316B sind als eine „2-Periode” definiert und umfassen eine Präambel von Weiß-Grau-Schwarz-Spalten, gefolgt durch zwei graue Spalten. Die Anzahl grauer Spalten nach der Präambel nennt die Periode (d. h. zwei graue Spalten nach der Präambel bilden eine 2-Periode). Unmittelbar rechts der Spalten 316B befinden sich zwei Sätze von acht Spalten 316C und 316D, die beide auf dem Gitter „55555555” benannt sind. Die Spalten 316C und 316D sind beide nominell weiß-grau-schwarz-grau-grau-grau-grau-grau, von der Mitte nach Außen zählend. Die Spalten 316C und 316D sind beide als „5-Periode” definiert und umfassen eine Präambel von Weiß-Grau-Schwarz-Spalten, gefolgt durch fünf graue Spalten. Unmittelbar rechts der Spalten 316D befinden sich fünf Spalten 316E, die auf dem Gitter 22222 benannt sind. Die Spalten 316E sind nominell weiß-grau-schwarz-grau-grau, von der Mitte nach Außen zählend. Die Spalten 316E sind als eine „2-Periode” definiert und umfassen eine Präambel von Weiß-Grau-Schwarz-Spalten, gefolgt durch zwei graue Spalten.
So weist unter Verwendung der obigen Notierung das Ziel 106A eine Periodensequenz 2,5,5,2 auf. Da das Linienmuster um die Mitte des Ziels 106A symmetrisch ist und die beiden Dimensionen gemeinschaftlich das gleiche Muster verwenden, sind alle 55 Spalten und alle 55 Zeilen des Ziels 106A vollständig durch die Periodensequenz spezifiziert. So ist jedes Pixel in dem gesamten 55 × 55-Ziel 106A vollständig durch die exakte Notierung 2,5,5,2 spezifiziert.
Ebenso in 3 gezeigt sind ein Elevationsvektor (V) 314 und ein Ablenkungsvektor (W) 318, die beide dem Bild 312 entsprechen. Die Vektoren 314 und 318 werden bei der Bestimmung der Position des Bildes 312 verwendet, wie unten Bezug nehmend auf 6 detaillierter beschrieben ist.
4A ist ein Diagramm, das ein 711×711-Pixel-3-Grauskala-(-Ternär-)Ziel 106B gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung darstellt. Das Ziel 106B stellt ein zweites Ausführungsbeispiel des Ziels 106, das in 1 identifiziert ist, dar. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist das Ziel 106B eine erweiterte Version des Ziels 106A, das in 3 gezeigt ist, wobei der 55×55-Pixel-Mittelabschnitt des Ziels 106B identisch zu dem Ziel 106A ist. So stellt das Ziel 106A eine herangezoomte Anzeige des Mittelabschnitts des Ziels 106B dar. Aufgrund der höheren Auflösung des Ziels 106B und des eingeschränkten Raums zum Anzeigen dieses Ziels 106B auf der Seite ist das vollständige Muster horizontaler und vertikaler Linien für das Ziel in 4A nicht gezeigt. Vielmehr ist eine vergrößerte Ansicht des eingekreisten Abschnitts des Ziels 106B in 4B gezeigt und eine Beschreibung des vollständigen Musters von Linien ist unten beschrieben.
Wie das Ziel 106A weist das Ziel 106B bei einer Form der Erfindung auch nur drei Graupegel auf, die hierin als weiß, grau und schwarz bezeichnet sind. Das zweidimensionale Ziel 106B umfasst vertikale weiße Linien und schwarze Linien und horizontale weiße Linien und schwarze Linien. Die vertikalen und horizontalen Linien erstrecken sich über das gesamte Ziel 106B und sind auf einem grauen Hintergrund (in 48 mit Tüpfelungsschattierung gezeigt) gebildet, der sich ebenso über das gesamte Ziel 106B erstreckt.
Das Ziel 106B weist eine viel längere Periodensequenz auf als das Ziel 106A. In der präzisen Notierung, die oben in Bezug auf 3 beschrieben wurde, ist das Ziel 106B gemäß einem Ausführungsbeispiel vollständig durch die folgende Periodensequenz spezifiziert: 2,5,5,2,2, 5,4,3,2,5, 3,4,2,4,4, 4,2,3,5,4, 2,2,4,5,3, 2,3,4,5,2, 3,3,4,3,5, 2,4,3,4,4, 3,3,3,5,3, 3,2,2,2,3, 2,4,2,5,2, 5.
Es wird angemerkt, dass die Sequenz für das Ziel 106B mit 2,5,5,2 beginnt, was die Sequenz für das kleinere 55 × 55-Ziel 106A ist. Dies bestätigt, dass das kleinere Ziel 106A tatsächlich gleich dem Mittelabschnitt des größeren 711 × 711-Ziels 106B ist.
Um eine Eindeutigkeit sicherzustellen, werden 2-, 3-, 4- oder 5-Perioden ohne jegliche Wiederholung drei aufeinander folgender Perioden sequenziert. Anders ausgedrückt gibt es, obwohl es drei aufeinander folgende Zweien und drei aufeinander folgende Dreien in der Periodensequenz für das Ziel 106B gibt, nur eine Instanz der drei aufeinander folgenden Zweien und eine Instanz der drei aufeinander folgenden Dreien. Ähnlich treten alle anderen Sequenzen der drei aufeinander folgenden Zahlen in der Periodensequenz für das Ziel 106B nur einmal auf. Einige größere Sequenzen, wie z. B. 5,5,5 oder 5,5,4 oder 5,5,3, und ihre Permutationen sind aus der Periodensequenz für das Ziel 106B ausgeschlossen. Unterschiedliche Anfangswerte (anders als 2,5,5) und unterschiedliche Sortierungskriterien erzeugen andere gültige Sequenzen und erzeugen unterschiedliche Zielentwürfe. Viel längere Sequenzen (z. B. für viel größere Ziele 106) sind möglich, wenn 6-Perioden oder längere enthalten sind.
In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist jedes 23×23-Pixel-(oder größere)Bild des Ziels 106B eindeutig. Umgekehrt kann unter Angabe eines beliebigen 23×23-Pixel-(oder größeren)Bilds der Ort des Bilds innerhalb des Ziels 106B eindeutig aus dem Muster von Linien bestimmt werden. In der Praxis könnten Rauschperturbationen Unterschiede zwischen unterschiedlichen Sequenzen erodieren. Ein Mittel zum Erhöhen von Differenzen zwischen ähnlichen Sequenzen würde einen Fehlerspielraum verbreitern und eine Systemrobustheit erhöhen. Bei einem Ausführungsbeispiel werden Differenzen zwischen ähnlichen Sequenzen durch ein Austauschen (d. h. Umdrehen) der schwarzen und weißen Elemente innerhalb der Präambel für eine Mehrzahl von sinnvoll gewählten Perioden erhöht. Bei einem Ausführungsbeispiel wird ein Umdrehen in Paaren in einer symmetrischen Weise um die Mitte des Ziels durchgeführt, wodurch eine Gesamtsymmetrie des Ziels erhalten bleibt. Eine „3-Periode”-Sequenz weiß-grau-schwarz-grau-grau-grau z. B. wird nach einem Umdrehen schwarz-grau-weiß-grau-grau-grau. Das Ziel 106B mit 24 umgedrehten Perioden über das gesamte Ziel 106B gemäß einem Ausführungsbeispiel ist durch die folgende Periodensequenz spezifiziert (wobei umgedrehte Perioden fett und unterstrichen gezeigt sind): 2,5,5,2,2, 5,4,3,2,5, 3,4,2,4,4, 4,2,3,5,4, 2,2,4,5,3 2,3,4,5,2, 3,3,4,3,5, 2,4,3,4,4, 3,3,3,5,3, 3,2,2,2,3, 2,4,2,5,2, 5.
5 ist ein Diagramm, das ein 55×55-Pixel-2-Grauskala-(-Binär-)Ziel 106C gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung darstellt. Das Ziel 106C stellt ein drittes Ausführungsbeispiel des Ziels 106, das in 1 identifiziert ist, dar. Das Ziel 106C ist im Wesentlichen eine binäre Grauskalaversion des Ternär-Grauskalaziels 106A aus 3, wobei die grauen Hintergrundregionen 310 in 3 durch einen Schachbrettentwurf schwarzer und weißer Pixel mit einem 2-Pixel-Abstand ersetzt sind. An jedem Schnittpunkt einer weißen Linie und einer schwarzen Linie ist das Pixel an dem Schnittpunkt als Weiß definiert.
Die 3-Graupegel-Ziele 106A und 106B neigen dazu, eine bessere Leistung bereitzustellen als das 2-Graupegel-Ziel 106C. Eine Leistung des Ziels 106C kann verbessert werden, wenn der Schachbrettentwurf schwarzer und weißer Pixel mit einem Pixel anstelle von zwei Pixeln beabstandet ist.
Bei einem Ausführungsbeispiel sind die Ziele 106A bis 106C vollständig deterministisch. Eine Analyse und Simulation haben gezeigt, dass ein beliebiges 23 × 23-Bild innerhalb des 711 × 711-Ziels 106B z. B. absolut eindeutig ist. Deshalb werden bei einer Form der Erfindung eingebettete Positionscodes nicht in den Zielen 106A bis 106C zur Etikettierung von Orten verwendet. Ein Bild mit einem größeren als einem minimalen Bild (z. B. 32×32 Pixel) liefert redundante Daten für die Regressionsalgorithmen (unten beschrieben), um effektiv in einer „Beste-Anpassung”-Weise zu funktionieren.
Bei einer Form der Erfindung sind die Ziele 106A bis 106C durch ein Aufbringen von halbreflektierendem und starkreflektierendem Chrom auf ein Glassubstrat, um graue Pixel bzw. weiße Pixel zu bilden, aufgebaut. Eine Antireflexionsbeschichtung ist auf dem Glassubstrat gebildet, um schwarze Pixel zu bilden. Die drei reflektierenden Werte müssen nur nominell unterschiedlich und relativ einheitlich sein. Eine genaue quantitative Beziehung (z. B. Sinuskurvenprofil) wird bei einem Ausführungsbeispiel nicht verwendet. Für durchlässige Ziele zeigt sich ein digitales Drucken auf einem extrem feinkörnigen Film als bequem und wirtschaftlich für einige Anwendungen.
III. Positionsdatenerzeuger
6 ist ein Blockdiagramm, das Hauptkomponenten des Positionsdatenerzeugers 101, der in 1 gezeigt ist, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung darstellt. Der Positionsdatenerzeuger 101 umfasst einen Grob-Haupt-Lokalisierer für Ablenkung 602, einen Grob-Semi-Lokalisierer für Ablenkung 604, einen Grob-Haupt-Lokalisierer für Elevation 606, einen Grob-Semi-Lokalisierer für Elevation 608, einen Grob-Positionsdatenerzeuger 610, einen Fein-Positionsdatenerzeuger 612, einen Ablenkungs- und Elevationsvektorerzeuger 614, einen Speicher 616, ein Schieberegister 618 und einen Zähler 620. Bei einer Form der Erfindung bestimmt der Positionsdatenerzeuger 101 zuerst einen groben Ort eines durch den Sensor 102 erfassten Bilds unter Verwendung zweier unabhängiger eindimensionaler Regressionsvorgänge und führt dann einen zweiten Regressionsvorgang durch, um einen feinen Ort des erfassten Bilds zu bestimmen.
In der folgenden Beschreibung wird angenommen, dass der Sensor 102 gerade Bilder des 55×55-Pixel-Ziels 106A (3) erfasst, wie z. B. das Bild 312, das in 3 gezeigt ist. Die Pixel des Bilds 312 sind perfekt ausgerichtet mit den Pixeln des Ziels 106A gezeigt. In der Praxis sind die Pixel des Bilds 312 üblicherweise von einer perfekten Ausrichtung in beiden Dimensionen versetzt. Die Menge an Versatz kann genau durch den Fein-Positionsdatenerzeuger 612 bestimmt werden, wie unten Bezug nehmend auf die 13 bis 15 beschrieben ist.
A. Grobe Position
Ein Ziel des groben Ortes des Bilds 312 besteht darin, die Koordinaten des Ziels 106A auf innerhalb eines Pixels bei sowohl Ablenkung (L_W) als auch Elevation (L_V) zu identifizieren. Zu Zwecken einer Erläuterung des Grobortsvorgangs wird angenommen, dass die Pixel des Ziels 106A die folgenden Intensitäten aufweisen: schwarze Pixel weisen eine Lichtintensität von 0 auf; graue Pixel weisen eine Lichtintensität von 0,5 auf; und weiße Pixel weisen eine Lichtintensität von 1 auf. In der Praxis könnten Lichtintensitäten von einem Pixel zu einem anderen variieren, sogar innerhalb des gleichen Typs von dem gleichen Ziel, und eine Grauintensität ist selten exakt in der Mitte dazwischen. Eine Redundanz in dem Regressionsalgorithmus jedoch minimiert die Wirkung von Inter-Pixel-Variationen und Grauvorspannung. Zur Klarheit einer Darstellung jedoch sind die Intensitäten idealisiert als 0, 0,5 und 1.
Während des Grobortsvorgangs empfängt der Vektorerzeuger 614 ein Bild 312 und erzeugt einen Null-Mittel-Ablenkungsvektor 601A (W_Z) und einen Null-Mittel-Elevationvektor 601F (V_Z), die beide dem Bild 312 entsprechen. Die Erzeugung dieser Null-Mittel-Vektoren 601A und 601F gemäß einem Ausführungsbeispiel wird nun detaillierter beschrieben.
Ein Vektorerzeuger 614 summiert alle 16 Spalten des Bilds 312, um einen 16-Element-Ablenkungsvektor 318 (W) zu bilden, der in 3 gezeigt ist. Wie in 3 gezeigt ist, umfasst die erste Spalte des Bilds 312 14 weiße Pixel und zwei graue Pixel. So ist das erste Element in dem Ablenkungsvektor 318 (W) „15” (d. h. 14 × 1 + 2 × 0,5 = 15). Der Vektorerzeuger 614 führt diese Summe für jede der 16 Spalten durch, was zu dem 16-Element-Ablenkungsvektor 318 (W) führt, der durch die folgende Gleichung I gegeben ist.
Gleichung I

W = (15,8,1,8,8,8,8,8,15,8,1,8,8,8,8,8)

wobei:

W: = Ablenkungsvektor 318.

Der Vektorerzeuger 614 summiert außerdem alle 16 Zeilen des Bilds 312, um einen 16-Element-Elevationsvektor 314 (V) zu bilden, der in 3 gezeigt ist. Wie in 3 gezeigt ist, umfasst die erste Zeile des Bilds 312 zwei weiße Pixel, zwölf graue Pixel und zwei schwarze Pixel. So ist das erste Element in dem Elevationsvektor 314 (V) „8” (d. h. 2 × 1 + 12 × 0,5 + 2 × 0 = 8). Der Vektorerzeuger 614 führt diese Summe für jede der 16 Zeilen durch, was zu dem 16-Element-Elevationsvektor 314 (V) führt, der durch die folgende Gleichung II gegeben ist:
Gleichung II

V = (8,15,8,8,8,8,8,1,8,15,8,8,8,8,8,1)

wobei:

V: = Elevationsvektor 314.

Der Vektorerzeuger 614 summiert alle 16 Elemente des Ablenkungsvektors 318 (W) (oder äquivalent V) und dividiert die Summe durch 16, um einen Gesamtvektordurchschnitt (V_avg) zu bilden, die durch die folgende Gleichung III gezeigt ist (es wird angemerkt, dass ein Dividieren-durch-16 nur eine 4-Bit-Verschiebung in einer Binärschreibweise ist).
Gleichung III

V_avg = (15 + 8 + 1 + 8 + 8 + 8 + 8 + 8 + 15 + 8 + 1 + 8 + 8 + 8 + 8 + 8)/16 = 8

Der Vektorerzeuger 614 subtrahiert den Vektordurchschnitt (V_avg) von allen Elementen von W und V, um Null-Mittel-Vektoren 601A und 601F (W_Z und V_Z) zu bilden, wie in den folgenden Gleichungen IV bzw. V gezeigt ist:
Gleichung IV

W_Z = (7,0,–7,0,0,0,0,0,7,0,–7,0,0,0,0,0)

wobei:

W_Z: = Null-Mittel-Ablenkungsvektor 601A.

Gleichung V

V_Z = (0,7,0,0,0,0,0,–7,0,7,0,0,0,0,0,–7)

wobei:

V_Z: = Null-Mittel-Elevationsvektor 601F.

Die Null-Mittel-Vektoren 601A und 601F (W_Z und V_Z) stellen eine sich durch eine Regression herauskristallisierende Version des ursprünglichen 16×16-Pixel-Bilds 312 dar und werden verwendet, um die beiden Zielbildkoordinaten L_W und L_V zu lokalisieren. Bei einem Ausführungsbeispiel weisen die ursprünglichen Bildelemente des Bilds 312 eine 8-Bit-Präzision auf und die oben beschriebene Summierung fügt zwei Bits Präzision hinzu. Der Null-Mittel-Ablenkungsvektor 601A (W_Z) wird durch den Vektorerzeuger 614 an den Grob-Haupt-Lokalisierer für Ablenkung 602 und den Grob-Semi-Lokalisierer für Ablenkung 604 ausgegeben. Der Null-Mittel-Elevationsvektor 601F (V_Z) wird durch den Vektorerzeuger 614 an den Grob-Haupt-Lokalisierer für Elevation 606 und den Grob-Semi-Lokalisierer für Elevation 608 ausgegeben. Der Ablenkungsvektor 318 (W) und der Elevationsvektor 314 (V) werden durch den Vektorerzeuger 614 an den Feinpositionsdatenerzeuger 612 ausgegeben. Die Verbindungen zwischen einigen Elementen in 6 sind nicht gezeigt, um die Darstellung des Positionsdatenerzeugers 101 zu vereinfachen.
Bei einer Form der Erfindung wird eine Mehrzahl von Sequenzen oder Vektoren basierend auf den Charakteristika des Ziels 106A bestimmt und in dem Speicher 616 gespeichert. Bei einem Ausführungsbeispiel umfassen diese Sequenzen eine erste Haupt-Sequenz 601B (M1), eine zweite Haupt-Sequenz 601C (M2), eine erste Semi-Sequenz 601D (demi1) und eine zweite Semi-Sequenz 601E (demi2). Bei einer Form der Erfindung könnten die Null-Mittel-Vektoren 601A und 601F (W_Z und V_Z) von Bild 312 zu Bild 312 variieren, abhängig von dem Ort des Bilds 312 innerhalb des Zie1s 106A, während die Sequenzen 601B, 601C, 601D und 601E zuvor berechnete konstante Sequenzen oder Vektoren sind, die in dem Speicher 616 gespeichert sind und nicht von Bild 312 zu Bild 312 variieren. Wie in 6 gezeigt ist, werden die Sequenzen 601B, 601C, 601D und 601E aus dem Speicher 616 in das Schieberegister 618 ausgegeben. Das Schieberegister 618, das durch den Zähler 620 adressiert wird, verschiebt synchron die vier Sequenzen 601B, 601C, 601D und 601E in geeignete der Lokalisierer 602, 604, 606 und 608. Die Haupt-Sequenzen 601B und 601C (M1 und M2) werden in den Grob-Haupt-Lokalisierer für Ablenkung 602 und den Grob-Haupt-Lokalisierer für Elevation 606 verschoben und die Semi-Sequenzen 501D und 601E (demi1 und demi2) werden in den Grob-Semi-Lokalisierer für Ablenkung 604 und den Grob-Semi-Lokalisierer für Elevation 608 verschoben. Die Bestimmung der Werte für die Sequenzen 601B, 601C, 601D und 601E ist unten detaillierter beschrieben.
Wie oben in Bezug auf 3 beschrieben wurde, weist das Ziel 106A eine 2,5,5,2-Peridoensequenz auf. Eine 2,5,5,2-Periodensequenz erscheint, wenn sie symbolisch vollständig ausgeschrieben ist, als eine 55-Element-Ternärsequenz M3, wie in der folgenden Gleichung VI gezeigt ist (wobei Leerstellen zur Erleichterung der Lesbarkeit hinzugefügt sind):
Gleichung VI

M3 = (0,0,-1,0,1, 0,0,0,0,0,–1,0,1, 0,0,0,0,0,–1,0,1, 0,0,–1,0,1,0,–1,0, 1,0,–1,0,0, 1,0,–1,1,0,–1,0,0,0,0,0, 1,0,–1,0,0,0,0,0, 1,0,–1,0,0)

Eine Sequenz demi3 wird durch ein (algebraisches) Addieren zweier aufeinander folgender Elemente von M3 erzeugt, wie durch die folgende Gleichung VII gezeigt ist:
Gleichung VII

demi3(i) = M3(i) + M3(i + 1) für i von –27 ≤ i ≤ +26 demi3(27) ist definiert als 1.

Es wird angemerkt, dass die resultierende Sequenz demi3 ebenso ternär ist. Die resultierende demi3-Sequenz ist durch die folgende Gleichung VIII gegeben:
Gleichung VIII

demi3 = (0,-1,-1,1,1, 0,0,0,0,-1,-1,1,1 0,0,0,0,–1,–1,1,1, 0,–1,–1,1,1, –1,–1,1, 1,–1,–1,0,1, 1,–1,–1,0,0,0,0,1, 1,–1,–1,0,0,0,0,1, 1,–1,–1,0,1)

Eine Ternärlogik ist in der Industrie nicht häufig. Eine Umwandlung in die häufigere Binärlogik erleichtert eine Implementierung mit ohne Weiteres verfügbaren digitalen Binärlogikschaltungen. Die Logikgleichungen zur Umwandlung sind unten in der folgenden Tabelle I gegeben: Tabelle I

Ternär M3 Binär M2 M1

–1 1 1

0 0 0

1 0 1

bedeutungslos 1 0
Unter Verwendung der in Tabelle I gegebenen Umwandlungen kann die in der Gleichung VI definierte Ternärsequenz M3 in zwei Binärsequenzen 601B und 601C (M1 und M2) umgewandelt werden, wie durch die folgenden Gleichungen IX bzw. X gezeigt ist:
Gleichung IX

M1 = (0,0,1,0,1, 0,0,0,0,0,1,0,1, 0,0,0,0,0,1,0,1, 0,0,1,0,1,0,1,0, 1,0,1,0,0, 1,0,1,0,0,0,0,0, 1,0,1,0,0,0,0,0, 1,0,1,0,0)

Gleichung X

M2 = (0,0,1,0,0, 0,0,0,0,0,1,0,0, 0,0,0,0,0,1,0,0, 0,0,1,0,0,0,1,0, 0,0,1,0,0, 0,0,1,0,0,0,0,0, 0,0,1,0,0,0,0,0, 0,0,1,0,0)

Die Ternärsequenz demi3, die in der Gleichung VIII definiert ist, kann auf die gleiche Weise in zwei Binärsequenzen 601D und 601E (demi1 und demi2) umgewandelt werden, wie durch die folgenden Gleichungen XI bzw. XII gezeigt ist:
Gleichung XI

demi1 = (0,1,1,1,1, 0,0,0,0,1,1,1,1, 0,0,0,0,1,1,1,1, 0,1,1,1,1, 1,1,1, 1,1,1,0,1, 1,1,1,0,0,0,0,1, 1,1,1,0,0,0,0,1, 1,1,1,0,1)

Gleichung XII

demi2 = (0,1,1,0,0, 0,0,0,0,1,1,0,0, 0,0,0,0,1,1,0,0, 0,1,1,0,0, 1,1,0, 0,1,1,0,0, 0,1,1,0,0,0,0,0, 0,1,1,0,0,0,0,0, 0,1,1,0,0)

Die vier festen Sequenzen 601B (M1), 601C (M2), 601D (demi1) und 601E (demi2) werden gemeinsam mit den Vektoren 601A (W_Z) und 601F (V_Z) bei einem Ausführungsbeispiel verwendet, um ein Bild 312 bei sowohl Ablenkung (horizontal) als auch Elevation (vertikal) grob zu lokalisieren (z. B. innerhalb eines Pixels). Da das Zielmuster bei einem Ausführungsbeispiel in beiden Dimensionen gleich ist, könnte ein gemeinsamer Algorithmus für beide Dimensionen verwendet werden. Hardwareanforderungen sind bei einer Form der Erfindung moderat und die vier unten Bezug nehmend auf die 7 bis 10 beschriebenen Operationen können parallel durchgeführt werden.
Die demi-Sequenzen 601D und 601E sind beim Lokalisieren der Bilder 312, die nahe der halben Strecke zwischen zwei benachbarten Zielpixel liegen, am besten. Die demi-Sequenzen 601D und 601E unterstützen außerdem in jeder Dimension die Bestimmung der korrekten beiden aufeinander folgenden 16-Element-Teilsätze der Haupt-Vektoren 601E und 601C, die das Bild 312 einklammern, und nicht nur des einen Teilsatzes des Haupt-Vektors, der am nächsten ist.
Wie in 6 gezeigt ist, erzeugt der Grob-Haupt-Lokalisierer für Ablenkung 602 eine Mehrzahl von Haupt-Ablenkungsauswählerwerten 603A (S_MW(j)), wobei „j” ein Index zum Identifizieren einzelner Auswählerwerte ist, und gibt die Auswählerwerte 603A an den Grob-Positionsdatenerzeuger 610 aus. Der Grob-Semi-Lokalisierer für Ablenkung 604 erzeugt eine Mehrzahl von Semi-Ablenkungsauswählerwerten 603B (S_DW(j)) und gibt die Auswählerwerte 603B an den Grob-Positionsdatenerzeuger 610 aus. Der Grob-Haupt-Lokalisierer für Elevation 606 erzeugt eine Mehrzahl von Haupt-Elevationsauswählerwerten 603C (S_MV(j)) und gibt die Auswählerwerte 603C an den Grob-Positionsdatenerzeuger 610 aus. Der Grob-Semi-Lokalisierer für Elevation 608 erzeugt eine Mehrzahl von Semi-Elevationsauswählerwerten 603D (S_DV(j)) und gibt die Auswählerwerte 603D an den Grob-Positionsdatenerzeuger 610 aus. Die Erzeugung der Auswählerwerte 603A, 603B, 603C und 603D durch die Lokalisierer 602, 604, 606 bzw. 608 wird nun Bezug nehmend auf die 7 bis 10 detaillierter beschrieben.
7 ist ein schematisches Diagramm, das Hauptkomponenten des Grob-Haupt-Lokalisierers für Ablenkung 602, der in Blockform in 6 gezeigt ist, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung darstellt. Der Grob-Haupt-Lokalisierer für Ablenkung 602 lokalisiert effektiv Bilder, die nicht wesentlich horizontal von dem horizontalen Zielgitter versetzt sind. Wie in 7 gezeigt ist, umfasst der Grob-Haupt-Lokalisierer für Ablenkung 602 einen Addierer 702, eine Zeile von Addierern 704, eine Zeile von Addierern 706, eine Zeile von ODER-Gattern 708, eine Zeile von UND-Gattern 710, eine Zeile von Verzögerungs-(D-)Elementen 712, eine Zeile von XNOR-Gattern 714 und eine Zeile von Verzögerungselementen 716.
Die 16 Elemente des Null-Mittel-Ablenkungsvektors 601A (W_Z) sind in 7 als W_Z(16), W_Z(15), ..., W_Z(1) gezeigt. Bei einem Ausführungsbeispiel ist jedes Element des Vektors 601A mit vier niedrigstwertigen Bits aufgefüllt, die gleich seinem höchstwertigen Bit sind. Die anfänglichen 16 Bits der Sequenzen 601B und 601C (M1 und M2) werden gleichzeitig in den Lokalisierer 602 verschoben, was bewirkt, dass der Lokalisierer 602 einen ersten Haupt-Ablenkungsauswähler 603A (S_MW(1)) erzeugt. Die Sequenzen 601B und 601C (M1 und M2) fahren mit einem Verschieben durch die pipelinemäßig aufgereihten Verzögerungselemente 712 bzw. 716 für alle 39 (d. h. 55 – 16) Nacheilungen fort.
Durch die Verwendung der Zeile von UND-Gattern 710 aktiviert die Sequenz 601B (M1) nur die geeigneten Elemente des Vektors 601A (W_Z) zum Ansammeln. Durch die Zeile von XNOR-Gattern 714 bestimmt die Sequenz 601C (M2) die Ansammlungspolarität. Es wird erkannt, dass ein bloßes Komplementieren aller Bits eines Elements des Vektors 601A (W_Z) das Vorzeichen einer Zweierkomplementzahl nicht verändert, der bei dem niedrigstwertigen Bit eines fehlt. Ein Auffüllen dieser Elemente mit einigen niedrigstwertigen Bits jedoch, wie oben erwähnt wurde, minimiert diesen Fehler.
Es wird angemerkt, dass es in der Sequenz 601B (M1) keine benachbarten „Einsen” gibt (siehe Gleichung IX). So wird der erste Pegel einer Summierung bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel mit einer einfachen ODER-Funktion erzielt, wie durch die Zeile von ODER-Gattern 708 gezeigt ist. Eine Kaskade von vier Pegeln einer Summierung (dargestellt durch die Zeile von ODER-Gattern 708 und die drei Zeilen von Addierern 706, 704 und 702) gipfelt in der Erzeugung von 39 Werten des Haupt-Ablenkungsauswählers 603A (S_MW(j)), nämlich einem für jede Nacheilung j.
Die Haupt-Ablenkungsauswählerwerte 603A (S_MW(j)) werden durch den Grob-Haupt-Lokalisierer für Ablenkung 602 an den Grob-Positionsdatenerzeuger 610 (6) ausgegeben. Ein laufendes Maximum der Haupt-Ablenkungsauswählerwerte 603A (S_MW(j_MW)) wird verfolgt und durch den Grob-Positionsdatenerzeuger 610 aufgezeichnet, gemeinsam mit dem Wert j_MW, wenn das Maximum auftritt.
8 ist ein schematisches Diagramm, das Hauptkomponenten des Grob-Semi-Lokalisierers für Ablenkung 604, der in Blockform in 6 gezeigt ist, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung darstellt. Der Grob-Semi-Lokalisierer für Ablenkung 604 lokalisiert wirksam Bilder, die nahezu auf halber Strecke zwischen den horizontalen Zielgittern sind. Wie in 8 gezeigt ist, umfasst der Grob-Semi-Lokalisierer für Ablenkung 604 einen Addierer 802, eine Zeile von Addierern 804, eine Zeile von Addierern 806, eine Zeile von Addierern 808, eine Zeile von UND-Gattern 810, eine Zeile von Verzögerungs-(D-)Elementen 812, eine Zeile von XNOR-Gattern 814 und eine Zeile von Verzögerungselementen 816.
Der Grob-Semi-Lokalisierer für Ablenkung 604 funktioniert auf die gleiche Weise wie der Grob-Haupt-Lokalisierer für Ablenkung 602, der oben Bezug nehmend auf 7 beschrieben wurde, anstatt einer Verwendung der Haupt-Sequenzen 601E und 601C (M1 und M2) als Lokalisierer 602 jedoch verwendet der Lokalisierer 604 die beiden Semi-Sequenzen 601D und 601E (demi1 und demi2), um die korrekten Elemente des Null-Mittel-Ablenkungsvektors 601A (W_Z) zur Summierung zu ermöglichen und die Summierungsvorzeichen zu steuern. Im Gegensatz zu der ersten Haupt-Sequenz 601B (M1) könnten zwei benachbarte Werte der ersten Semi-Sequenz 601D (demi1) beide ungleich Null sein (siehe Gleichung XI). Deshalb ist der erste Summierungspegel als eine Zeile von Addierern 808 gezeigt und nicht als die Zeile von ODER-Gattern 708, die in 7 gezeigt ist.
Auf die gleiche Weise, die oben Bezug nehmend auf 7 beschrieben wurde, wird ein neuer Semi-Ablenkungsauswählerwert 603B (S_DW(j)) mit jeder Nacheilungsverschiebung erzeugt, was insgesamt 39 Werte des Semi-Ablenkungsauswählers 603B (S_DW(j)) erzeugt, nämlich einen für jede Nacheilung j. Die Semi-Ablenkungsauswählerwerte 603B (S_DW(j)) werden durch den Grob-Semi-Lokalisierer für Ablenkung 604 an den Grob-Positionsdatenerzeuger 610 ausgegeben (6). Ein laufendes Maximum der Semi-Ablenkungsauswählerwerte 603B (S_DW(j_DW)) wird verfolgt und durch den Grob-Positionsdatenerzeuger 610 aufgezeichnet, gemeinsam mit dem Wert j_DW, wenn das Maximum auftritt.
9 ist ein schematisches Diagramm, das Hauptkomponenten des Grob-Haupt-Lokalisierers für Elevation 606, der in Blockform in 6 gezeigt ist, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung darstellt. Der Grob-Haupt-Lokalisierer für Elevation 606 lokalisiert effektiv Bilder, die nicht wesentlich vertikal von dem vertikalen Zielgitter versetzt sind. Wie in 9 gezeigt ist, umfasst der Grob-Haupt-Lokalisierer für Elevation 606 einen Addierer 902, eine Zeile von Addierern 904, eine Zeile von Addierern 906, eine Zeile von ODER-Gattern 908, eine Zeile von UND-Gattern 910, eine Zeile von Verzögerungs-(D-)Elementen 912, eine Zeile von XNOR-Gattern 914 und eine Zeile von Verzögerungselementen 916.
Der Grob-Haupt-Lokalisierer für Elevation 606 ist auf die gleiche Weise wie der Grob-Haupt-Lokalisierer für Ablenkung 602, der in 7 gezeigt ist, konfiguriert, der Grob-Haupt-Lokalisierer für Elevation 606 jedoch arbeitet an dem Null-Mittel-Elevationsvektor 601F (V_Z), im Gegensatz zu dem Null-Mittel-Ablenkungsvektor 601A (W_Z), an dem der Grob-Haupt-Lokalisierer für Ablenkung 602 arbeitet.
Ein neuer Haupt-Elevationsauswählerwert 603C (S_MV(j)) wird mit jeder Nacheilungsverschiebung erzeugt, was insgesamt 39 Werte des Haupt-Elevationsauswählers 603C (S_MV(j)) ergibt, nämlich einen für jede Nacheilung j. Die Haupt-Elevationsauswählerwerte 603C (S_MV(j)) werden durch den Grob-Haupt-Lokalisierer für Elevation 606 an den Grob-Positionsdatenerzeuger 610 (6) ausgegeben. Ein laufendes Maximum der Haupt-Elevationsauswählerwerte 603C (S_MV(j_MV)) wird verfolgt und durch den Grob-Positionsdatenerzeuger 610 aufgezeichnet, gemeinsam mit dem Wert j_MV, wenn das Maximum auftritt.
10 ist ein schematisches Diagramm, das Hauptkomponenten des Grob-Semi-Lokalisierers für Elevation 608, der in Blockform in 6 gezeigt ist, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung darstellt. Der Grob-Semi-Lokalisierer für Elevation 608 lokalisiert wirksam Bilder, die nahezu auf halber Strecke zwischen vertikalen Zielgittern sind. Wie in 10 gezeigt ist, umfasst der Grob-Semi-Lokalisierer für Elevation 608 einen Addierer 1002, eine Zeile von Addierern 1004, eine Zeile von Addierern 1006, eine Zeile von Addierern 1008, eine Zeile von UND-Gattern 1010, eine Zeile von Verzögerungs-(D-)Elementen 1012, eine Zeile von XNOR-Gattern 1014 und eine Zeile von Verzögerungselementen 1016.
Der Grob-Semi-Lokalisierer für Elevation 608 ist in der gleichen Weise wie der Grob-Semi-Lokalisierer für Ablenkung 604, der in 8 gezeigt ist, konfiguriert, der Grob-Semi-Lokalisierer für Elevation 608 jedoch arbeitet an dem Null-Mittel-Elevationsvektor 601F (V_Z), im Gegensatz zu dem Null-Mittel-Ablenkungsvektor 601A (W_Z), an dem der Grob-Semi-Lokalisierer für Ablenkung 604 arbeitet.
Ein neuer Semi-Elevationsauswählerwert 603D (S_DV(j)) wird mit jeder Nacheilungsverschiebung erzeugt, was insgesamt 39 Werte des Semi-Elevationsauswählers 603D (S_DV(j)) erzeugt, nämlich einen für jede Nacheilung j. Die Semi-Elevationsauswählerwerte 603D (S_DV(j)) werden durch den Grob-Semi-Lokalisierer für Elevation 608 an den Grob-Positionsdatenerzeuger 610 (6) ausgegeben. Ein laufendes Maximum der Semi-Elevationsauswählerwerte 603D (S_DV(j_DV)) wird verfolgt und durch den Grobpositionsdatenerzeuger 610 aufgezeichnet, gemeinsam mit dem Wert j_DV, wenn das Maximum auftritt.
Eine Grobortsverarbeitung wird bei einem Ausführungsbeispiel unter Verwendung von Nicht-Null-Mittel-Ablenkungs- und -Elevationsvektoren erzielt. Bei diesem Vorgang wird ein Term, der gleich dem Produkt des jeweiligen Vektorgesamtdurchschnitts V_avg (Gleichung III) und der Summe des Teilsatzcodes bei jeder Nacheilung ist, von dem Auswahlwert subtrahiert. Das Produkt wird durch Sammler erzeugt, die dynamisch durch die Vektoren M1 und M2 (oder demi1 und demi2) gesteuert werden, wenn dieselben durch alle Nacheilungen verschieben, was die Werte der Ablenkung (oder Elevation) V_avg ansammelt.
Bei einem Ausführungsbeispiel arbeiten die vier Lokalisierer 602, 604, 606 und 608, die in den 7 bis 10 gezeigt sind, gleichzeitig, um die Auswählerwerte 603A, 603B, 603C und 603D zu erzeugen. Nachdem alle Auswählerwerte 603A, 603B, 603C und 603D durch die Lokalisierer 602, 604, 606 bzw. 608 erzeugt wurden, wird der Grob-Positionserzeuger 610 einen größten Auswählerwert 603A (S_MW(j_MW)), einen größten Auswählerwert 603B (S_DW(j_DW)), einen größten Auswählerwert 603C (S_MV(j_MV)) und einen größten Auswählerwert 603D (S_DV(j_DV)) identifiziert haben. Bei einer Form der Erfindung bestimmt der Grob-Positionsdatenerzeuger 610 einen Grob-Ablenkungsort basierend auf einem Vergleich des größten Auswählerwerts 603A (S_MV(j_MW)) und des größten Auswählerwerts 603B (S_DW(j_DW)) × 0,7071 und bestimmt einen Grob-Elevationsort basierend auf einem Vergleich des größten Auswählerwerts 603C (S_MV(j_MV)) und des größten Auswählerwerts 603D (S_DV(j_DV)) × 0,7071.
Zusätzlich zu den maximalen Ablenkungsauswählerwerten 603A (S_MW(j_MW)) und 603B (S_DW(j_DW)) gibt es ein weiteres Bit Informationen, Q_W, das beim Fertigstellen der Grob-Ablenkungsortsbestimmung verwendet wird. Bei einem Ausführungsbeispiel vergleicht der Grob-Positionsdatenerzeuger 610 den maximalen Ablenkungsauswählerwert 603B (S_DW(j_MW)) mit dem Ablenkungsauswählerwert 603B, der dem maximalen Wert unmittelbar vorhergeht (d. h. S_DW(j_MW – 1)). Wenn S_DW(j_MW) größer ist als S_DW(j_MW – 1), weist der Grob-Positionsdatenerzeuger 610 der Variablen Q_W einen Wert „Null” zu. Wenn S_DW(j_MW) kleiner ist als S_DW(j_MW – 1), weist der Grob-Positionsdatenerzeuger 610 der Variablen Q_W einen Wert „–1” zu.
Der letztendliche Grob-Ablenkungsort L_W wird durch den Grob-Positionsdatenerzeuger 610 wie folgt eingerichtet: (1) wenn das maximale S_DW(j_DW)/√2 größer ist als das maximale S_MV(j_MW), dann ist j_DW < L_W < j_DW + 1; (2) wenn das maximale S_MW(j_MW) größer ist als das maximale S_DW(j_DW)/√2 , dann gilt j_MW + Q_W < L_W < j_MW + Q_W + 1.
Zusätzlich zu den maximalen Elevationsauswählerwerten 603C (S_MV(j_MV)) und 603D (S_DV(j_DV)) gibt es ein weiteres Bit Informationen, (Q_V), das beim Fertigstellen der verwendet wird. Bei einem Ausführungsbeispiel vergleicht der Grob-Positionsdatenerzeuger 610 den maximalen Elevationsauswählerwert 603D (S_DV(j_MV)) mit dem Ablenkungsauswählerwert 603D, der dem maximalen Wert unmittelbar vorhergeht (d. h. S_DV(j_MV – 1)). Wenn S_DV(j_MV) größer ist als S_DV(j_MV – 1), teilt der Grob-Positionsdatenerzeuger 610 der Variablen Q_V einen Wert „0” zu. Wenn S_DV(j_MV) kleiner ist als S_DV(j_MV – 1), teilt der Grob-Positionsdatenerzeuger 610 der Variablen Q_V einen Wert „–1” zu.
Der letztendliche Grob-Elevationsort L_V wird durch den Grob-Positionsdatenerzeuger 610 wie folgt eingerichtet: (1) wenn das maximale S_DV(j_DV)/√2 größer ist als das maximale S_MV(j_MV), dann gilt j_DV < L_V < j_DV + 1; (2) wenn das maximale S_MV(j_MV) größer ist als das maximale S_DV(j_DV)/√2 , dann gilt j_MV + Q_V < L_V < j_MV + Q_V + 1.
Es wird angemerkt, dass die Semi-Auswähler S_DW(j_DW) und S_DV(j_DV) mit dem Faktor „1/√2” multipliziert werden, bevor sie mit den Haupt-Auswählern S_MW(j_MW) bzw. S_MV(j_MV) verglichen werden. Ein Grund hierfür besteht darin, dass die Semi-Auswähler die Addition von zwei orthogonalen Vektoren darstellen, so dass die Semi-Auswähler um die Quadratwurzel von Zwei großer sind als die Haupt-Auswähler.
Unter Verwendung des oben definierten Grobortsvorgangs werden die grobe Ablenkung L_W und die grobe Elevation L_V beide durch den Grob-Positionsdatenerzeuger 610 auf innerhalb eines Pixels lokalisiert. Die Koordinaten L_W und L_V liefern die unteren Grenzen, auf innerhalb eines Pixels, des absoluten groben Orts des abgebildeten Abschnitts des Ziels 106A in Bezug auf den Ursprung des Ziels 106A. Bei einer Form der Erfindung schmälert der Fein-Positionsdatenerzeuger 612 ferner den Ort nach unten zu einer Bruchteilspixelpräzision. Die Bruchteilspixel, bezeichnet als λ_W und λ_V, wie durch den Erzeuger 612 bestimmt, werden zu L_W bzw. L_V addiert, um den feinen absoluten Ort in zwei Dimensionen zu erzeugen.
Der Grobortsvorgang für das Abtastbild 312, das in 1 gezeigt ist, ist in den 11 und 12 dargestellt. 11 ist ein Diagramm, das einen Graphen von Grobauswählern für die Elevation 603C und 603D (S_MV(j) und S_DV(j)) für das Bild 312 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung darstellt. Die vertikale Achse in 11 stellt den Wert der Auswähler dar und die horizontale Achse stellt die Nacheilungsnummer j dar. Ein Graph 1102 ist ein Graph der Haupt-Elevationsauswählerwerte 603C (S_MV(j)) für alle 40 Nacheilungen j. Ein Graph 1104 ist ein Graph der Semi-Elevationsauswählerwerte 603D (S_DV(j)), dividiert durch die Quadratwurzel von zwei für alle 40 Nacheilungen j. Der maximale Wert, der in dem in 11 gezeigten Graphen erscheint, ist die vierte Nacheilung des Haupt-Elevationsauswählers S_MV(4), die durch das Bezugszeichen 1106 identifiziert ist. Da das Bild 312 überhaupt nicht von dem Zielgitter versetzt ist, sondern vielmehr mit dem Zielgitter ausgerichtet ist, leisten die Semi-Elevationsauswählerwerte 603D (S_DV(j)) keinen Beitrag zu der Positionsbestimmung und die Grobelevation L_V ist gleich „4”.
12 ist ein Diagramm, das einen Graphen von Grobauswählern für Ablenkung 603A und 603B (S_MW(j) und S_DW(j)) gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung darstellt. Die vertikale Achse in 12 stellt den Wert der Auswähler dar und die horizontale Achse stellt die Nacheilungsnummer j dar. Ein Graph 1202 ist ein Graph der Haupt-Ablenkungssauswählerwerte 603A (S_MW(j)) für alle 40 Nacheilungen j. Ein Graph 1204 ist ein Graph der Semi-Ablenkungsauswählerwerte 603B (S_DW(j)), dividiert durch die Quadratwurzel von zwei für alle 40 Nacheilungen j.
Der maximale Wert, der in dem in 12 gezeigten Graphen erscheint, ist die 35ste Nacheilung des Haupt-Ablenkungsauswählers S_MW(35), die durch das Bezugszeichen 1206 identifiziert ist. Da das Bild 312 überhaupt nicht von dem Zielgitter versetzt ist, sondern vielmehr mit dem Zielgitter ausgerichtet ist, leisten die Semi-Ablenkungsauswählerwerte 306B (S_DW(j)) keinen Beitrag zu der Positionsbestimmung und die Grobablenkung L_W ist gleich „35”. So wird das Bild 312 an einer absoluten Position (4,35) lokalisiert.
B. Feinposition
Es folgt eine Beschreibung eines Feinpositionsbestimmungsvorgangs, der durch den Feinpositionsdatenerzeuger 612 (6) gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung durchgeführt wird. Da der gleiche Vorgang bei einem Ausführungsbeispiel für sowohl Ablenkung als auch Elevation verwendet wird, wird nur die Feinablenkungsbestimmung beschrieben. Nach der oben beschriebenen Grobpositionsbestimmung wird der Bildort zwischen zwei aufeinander folgenden überlappenden 16-Element-Vektoren von M3 (Gleichung VI) eingeklammert, was insgesamt 17(Ternär-)Elemente ergibt. Diese 17 ausgewählten Elemente von M3 entsprechen zwei 17-Element-Binärvektoren innerhalb M1 (Gleichung IX) und M2 (Gleichung X). Diese ausgewählten Teilsätze von M1 und M2 sind MS1 bzw. MS2 bezeichnet, wobei „S” für „ausgewählt” steht. Die ausgewählten Teilsätze für Ablenkung sind MS1_W und MS2_W und die ausgewählten Teilsätze für Elevation sind MS1_V und MS2_V. Bei einer Form der Erfindung bestimmt der Grobpositionsdatenerzeuger 610 MS1_W 611 (6); MS2_W 611B, MS1_V 611C, MS2_V 611D und gibt diese vier Vektoren an den Feinpositionsdatenerzeuger 612 aus. Wie in 6 gezeigt ist, empfängt der Feinpositionsdatenerzeuger 612 auch den Ablenkungsvektor 318 (W) und den Elevationsvektor 314 (V).
Im Allgemeinen liegt ein erfasstes Bild 312 üblicherweise nicht exakt entlang Zielpixellinien, wie in 3 gezeigt ist. In derartigen Fällen kann der Ort des Bilds 312 in der Ablenkungsdimension weiter auf einen Bruchteil 613A (λ_W) eines Zielpixels (d. h. 0 ≤ λ_W < 1) und auf einen Bruchteil 613B (λ_V) eines Zielpixels in der Elevationsdimension verfeinert werden. Es wird angenommen, dass aus dem Grobpositionsvorgang bestimmt wurde, dass die Ablenkungsposition zwischen der 35sten und der 36sten Nacheilung angeordnet ist (d. h. das Bild 312 ist nach rechts um einen Bruchteil eines Pixels von dem Ort, der in 3 gezeigt ist, versetzt). Der Bruchteil λ_W kann durch Linearregression unter Verwendung der bekannten ausgewählten Vektoren MS1_W und MS2_W, die der 35sten bzw. 36sten Nacheilung entsprechen, bewertet werden.
Bei einem Ausführungsbeispiel ist der Vorgang zum Bestimmen des feinen Orts in der Ablenkungs- und Elevationsdimension der gleiche. So werden in der folgenden Beschreibung die Tiefstellung W und die Tiefstellung V nicht mit den ausgewählten Vektoren MS1 und MS2 und der Bruchteilspixelposition λ verwendet. Es wird darauf verwiesen, dass die folgende Beschreibung und die Gleichungen auf sowohl die Ablenkungs- als auch die Elevationsdimension anwendbar sind.
Eine Beziehung zwischen dem berechneten Ablenkungsvektor (W) und den unbekannten Sensoraufzeichnungen für weiße, graue und schwarze Pixel ist durch die folgende Gleichung XIII gegeben:
Gleichung XIII
[w2, w3, w4, w5, w6, w7, w8, w9, w10, w11, w12, w13, w14, w15, w16] = (1 – λ)·[w, g, b, g, g, g, g, g, w, g, b, g, g, g, g, g] + λ·[g, b, g, g, g, g, g, w, g, b, g, g, g, g, g, w]
wobei:

w1, w2, ..., w16: = berechnete Werte des Ablenkungsvektors (W);
λ: = Bruchteilspixelort;
w: = unbekannte Sensoraufzeichnung für ein weißes Pixel;
g: = unbekannte Sensoraufzeichnung für ein graues Pixel; und
b: = unbekannte Sensoraufzeichnung für ein schwarzes Pixel.

Bei einem Ausführungsbeispiel wird der Null-Mittel-Ablenkungsvektor W_Z in der Gleichung XIII anstelle des Ablenkungsvektors W verwendet. Der Feinortsregressionsvorgang ist immun gegenüber Mittelwerten.
Die in der Gleichung XIII definierte Beziehung kann in 16 Gleichungen mit vier Unbekannten erweitert werden. Bei einer Form der Erfindung wird eine Beste-Anpassung-Lösung durch eine Linearregression bereitgestellt. Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung verwendet eine spezielle Form der Linearregression, Blockregression genannt, die sehr wenige Berechnungen verwendet, und das Volumen der Berechnungen kann mit hochgeschwindigkeitsmäßigen digitalen Hardwaresammlern und -zählern implementiert werden.
Bei einer Form des Blockregressionsvorgangs werden die 16 Gleichungen zuerst auf fünf Gleichungen reduziert, indem Gleichungen des gleichen Typs summiert werden. Das Summieren von Gleichungen auf diese Weise reduziert eine Komplexität und mittelt ein Datenrauschen in dem Vorgang aus. So kann durch ein Summieren von Gleichungen des gleichen Typs die Gleichung XIII in der Form neu geschrieben werden, die durch die folgende Gleichung XIV gegeben ist:
Gleichung XIV

[w8 + w16, w1 + w9, w2 + w10, w3 + w11, w4 + w5 + w6 + w7 + w12 + w13 + w14 + w15] = (1 – λ)·[2g, 2w, 2g, 2b, 8g] + λ·[2w, 2g, 2b, 2g, 8g]

wobei:

w1, w2, ..., w16: = berechnete Werte des Ablenkungsvektors (10);
λ: = Bruchteilspixelort;
w: = unbekannte Sensoraufzeichnung für ein weißes Pixel;
g: = unbekannte Sensoraufzeichnung für ein graues Pixel; und
b: = unbekannte Sensoraufzeichnung für ein schwarzes Pixel.

Bei einer Form der Erfindung wird ein Summieren von Gleichungen automatisch durch die in 13 gezeigte Schaltung erzielt. 13 ist ein Blockdiagramm, das einen SUM- und NUM-Parametererzeuger 1300 gemäß eine Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung darstellt. Bei einem Ausführungsbeispiel ist der Parametererzeuger 1300 Teil des Feinpositionsdatenerzeugers 612 (6). Der Parametererzeuger 1300 umfasst fünf Sammler 1314, 1316, 1318, 1350 und 1352; fünf Zähler 1320, 1322, 1324, 1354 und 1356; drei UND-Gatter 1328, 1330 und 1332; vier Inverter 1334, 1336, 1338 und 1340 an Eingängen der UND-Gatter; und zwei Verzögerungs-(D-)Elemente 1344 und 1348.
Die Eingaben in den Parametererzeuger 1300 umfassen den Nicht-Null-Mittel-Ablenkungsvektor 1326 (W) und die beiden ausgewählten 17-Bit-Binär-Zielvektoren 1342 und 1346 (MS1 und MS2). Die Ausgaben des Parametererzeugers 1300 umfassen fünf Summen 1302, 1304, 1306, 1358 und 1360 (hierin auch als SUMI, SUMV, SUMII, SUMIII bzw. SUMIV bezeichnet) und fünf Zahlen oder „NUMs” 1308, 1310, 1312, 1362 und 1364 (hierin auch als NUMII, NUMV, NUMI, NUMIV bzw. NUMIII bezeichnet).
Der Ablenkungsvektor 1326 (W) wird in jeden der fünf Sammler 1314, 1316, 1318, 1350 und 1352 verschoben. Die 17 Bits jedes der ausgewählten Binär-Zielvektoren 1342 und 1346 (MS1 und MS2) werden gleichzeitig in den Parametererzeuger 1300 verschoben. Zwei nachfolgende Elemente jedes Vektors 1342 und 1346 zu einer bestimmte Zeit werden durch Verzögerungselemente 1344 bzw. 1348 getrennt. Während jedes Taktzyklus gibt es vier Bits von Vektoren 1342 und 1346 (MS1 und MS2) in Sicht: MS1(j), MS1(j – 1), MS2(j), MS2(j – 1); wobei j ein Index zum Identifizieren eines Bits der ausgewählten Binär-Zielvektoren 1342 und 1346 (MS1 und MS2) ist. Der Index j läuft über eine Länge von 16 Takten, beginnend mit einem Wert, der durch den Grobpositionsdatenerzeuger 610 bestimmt wird. Logikkombinationen der vier Bits in Sicht identifizieren einen Übergangstyp (z. B. grau zu weiß, weiß zu grau, grau zu schwarz, schwarz zu grau oder grau zu grau) und aktivieren und deaktivieren selektiv Takte der fünf Sammler 1314, 1316, 1318, 1350 und 1352 und fünf Zähler 1320, 1322, 1324, 1354 und 1356, um insgesamt zehn Werte 1302, 1304, 1306, 1358, 1360, 1308, 1310, 1312, 1362 und 1364 zu erzeugen.
Das UND-Gatter 1328 empfängt MS1(j) und Invertiert-MS2(j) und aktiviert den Sammler 1314 und den Zähler 1324, wenn die Ausgabe des UND-Gatters 1328 hoch ist (entsprechend einem ersten Übergangstyp). Das UND-Gatter 1330 empfängt Invertiert-MS1(j) und Invertiert-MS1(j – 1) und aktiviert den Sammler 1316 und den Zähler 1322, wenn die Ausgabe des UND-Gatters 1330 hoch ist (entsprechend einem fünften Übergangstyp). Das UND-Gatter 1332 empfängt MS1(j – 1) und Invertiert-MS2(j – 1) und aktiviert den Sammler 1318 und den Zähler 1320, wenn die Ausgabe des UND-Gatters 1332 hoch ist (entsprechend einem zweiten Übergangstyp). Der Sammler 1352 und der Zähler 1354 werden aktiviert, wenn MS2(j – 1)) hoch ist (entsprechend einem vierten Übergangstyp). Der Sammler 1350 und der Zähler 1356 werden aktiviert, wenn MS2(j) hoch ist (entsprechend einem dritten Übergangstyp).

Die folgende Tabelle II stellt die fünf möglichen Typen von Links-nach-Rechts-Pixelübergängen I bis V und die entsprechenden Logikaktivierungsgleichungen für die Übergänge dar: Tabelle II

Typ	Übergang	Logikaktivierungsgleichung
I	g zu w	Typ I Aktivierung = MS1(j) UND NICHT MS2(j)
II	w zu g	Typ II Aktivierung = MS1(j – 1) UND NICHT MS2 (j –1)
III	g zu b	Typ III Aktivierung = MS2(j)
IV	b zu g	Typ IV Aktivierung = MS2(j – 1)
V	g zu g	Typ V Aktivierung = NICHT MS1(j) UND NICHT MS1 (j –1)

Die fünf Typen von Übergängen, die in Tabelle II gezeigt sind, aktivieren die Takte der fünf Zähler 1320, 1322, 1324, 1354 und 1356, um fünf Zahlen 1308, 1310, 1312, 1362 bzw. 1364 zu erzeugen. Die gleichen Übergänge aktivieren die Takte der fünf Sammler 1314, 1316, 1318, 1350 und 1352, um Elemente des Ablenkungsvektors 1326 (W) zu sammeln und dadurch fünf Summen 1302, 1304, 1306, 1358 bzw. 1360 zu erzeugen.
Der Null-Mittel-Ablenkungsvektor (W_Z) könnte auch in dem Erzeuger 1300 anstelle des Ablenkungsvektors (W) verwendet werden. Zur Erzeugung der NUN- und SUM-Parameter 1308, 1310, 1312, 1362, 1364, 1302, 1304, 1306, 1358 und 1360 für Elevation wird der Ablenkungsvektor 1326 (W) durch den Elevationsvektor (V) oder den Null-Mittel-Elevationsvektor (V_Z) ersetzt. Die obige Beschreibung nimmt an, dass das 55×55-Pixel-Ziel 106A (3) gerade verwendet wird. Für das 711×711-Pixel-Ziel 106b (4A) könnte die gleiche Schaltung 1300 verwendet werden, mit der Ausnahme, dass der Laufindex j 32 Werte überspannt, was die 32 Elemente des Ablenkungsvektors 1326 (W) erschöpft. Die Funktionsweise des Parametererzeugers 1300 bei der Erzeugung der fünf SUM-Parameter 1302, 1304, 1306, 1358 und 1360 und der fünf NUM-Parameter 1308, 1310, 1312, 1362 und 1364 gemäß einer Form der Erfindung ist in einem Computer-Pseudocode durch das folgende Pseudocodebeispiel I dargestellt:
Pseudocodebeispiel I
Für i = 1 bis 32

if Type(i) = I, SumI = SumI + W(i)
NumI = NumI + 1

if Type(i) = II, SumII = SumII + W(i)
NumII = NUMII + 1

if Type(i) = III, SumIII = SumIII + W(i)
NumIII = NUMIII + 1

if Type(i) = IV, SumIV = SumIV + W(i)
NumIV = NumIV + 1

if Type(i) = V, SumV = SumV + W(i)
NumV = NUMV + 1

End loop i
Bei einer Form der Erfindung bestimmt der Feinpositionsdatenerzeuger 612 den Bruchteilspixelort λ aus den fünf NUM- und den fünf SUM-Parametern 1308, 1310, 1312, 1362, 1364, 1302, 1304, 1306, 1358 und 1360, die durch den Parametererzeuger 1300 erzeugt werden. 14 ist ein Flussdiagramm, das ein Verfahren 1400 zum Bestimmen eines Bruchteilspixelorts λ gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung darstellt. Bei einem Ausführungsbeispiel ist der Feinpositionsdatenerzeuger 612 konfiguriert, um das Verfahren 1400 durchzuführen.
Bei 1401 in dem Verfahren 1400 werden die 16 Gleichungen, die oben durch die Gleichung XIII definiert sind, auf fünf Gleichungen (Gleichung XIV) reduziert, indem Gleichungen des gleichen Typs summiert werden. Bei einer Form der Erfindung wird die Reduzierung von Gleichungen bei 1401 durch die Parametererzeugerschaltung 1300, die in 13 gezeigt ist, durchgeführt (d. h. die Gleichungen werden bei einem Ausführungsbeispiel durch eine Hardware- „Typisierung” reduziert).
Bei 1402 in dem Verfahren 1400, der auch als ein „Grau”-Schritt bezeichnet wird, bestimmt der Feinpositionsdatenerzeuger 612 den unbekannten Graupegel g in der Gleichung XIV. Bei einem Ausführungsbeispiel richtet der Erzeuger 612 den unbekannten Graupegel g basierend auf der folgenden Gleichung XV ein:
Gleichung XV

g = SUMV/NUMV

Der Divisor in Gleichung XV gemäß einem Ausführungsbeispiel ist 2, 3, 4, 5, 6, 7 oder 8.
Bei 1404, der als ein „Ausgleichs”-Schritt bezeichnet wird, reduziert der Feinpositionsdatenerzeuger 612 unter Verwendung des Werts für den Graupegel g, der bei 1402 bestimmt wird, die. fünf Gleichungen, die oben in der Gleichung XIV definiert sind, auf vier Gleichungen. Bei einem Ausführungsbeispiel sind die vier Gleichungen durch die folgenden Gleichungen XVI bis XIX gegeben:
Gleichung XVI

SUMI = SUMI – g·NUMI

Gleichung XVII

SUMII = SUMII – g·NUMII

Gleichung XVIII

SUMIII = SUMIII – g·NUMIII

Gleichung XIX

SUMIV = SUMII – g·NUMIV

Bei 1406, der als ein „Anpassungs”-Schritt bezeichnet wird, macht der Feinpositionsdatenerzeuger 612 NUMI gleich NUMII und NUMIII gleich NUMIV, wie in dem folgenden Pseudocodebeispiel II gezeigt ist:
Pseudocodebeispiel II
Bei 1408, der als ein „Trenn”-Schritt bezeichnet wird, löscht der Feinpositionsdatenerzeuger 612 ungewollte Koeffizienten in der Matrix entsprechend der Gleichung XIV basierend auf den folgenden Gleichungen XX und XXI:
Gleichung XX

SUMII = SUMI + SUMII

Gleichung XXI

SUMIV = SUMIII + SUMIV

Bei 1410, der als ein „Lambda”-Schritt bezeichnet wird, berechnet der Feinpositionsdatenerzeuger 612 die Bruchteilspixelposition λ, wie in der folgenden Gleichung XXII gezeigt ist:
Gleichung XXII

λ = (SUMI – SUMIII)/(SUMII – SUMIV)

Bei 1412, der auch als ein „Lichtintensitäten”-Schritt bezeichnet wird, berechnet der Feinpositionsdatenerzeuger 612 die verbleibenden unbekannten Lichtpegel w und b in der Gleichung XIV. Die Bestimmung dieser Lichtpegel ist für eine Ortsinterpolation nicht nötig, kann jedoch unter Verwendung der nicht bekannten Bruchteilspixelposition λ (bestimmt aus der Gleichung XXII) und den zuletzt aktualisierten Zahlen erzielt werden, wie in den folgenden Gleichungen XXIII und XXIV gezeigt ist:
Gleichung XXIII

w = g + SumI + SumII / (1 + λ)·NumI

Gleichung XXIV

b = g + SumIII + SumIV / (1 + λ) NumIII

Zusammenfassend kann bei einer Form der Erfindung jedes erfasste Bild 312 auf die Form reduziert werden, die in der folgenden Gleichung XXV gegeben ist (mit zehn bekannten Zahlen SUMI–SUMV und NUMI–NUMV) sowie vier Unbekannten (λ, g, w und b):
Gleichung XXV

[SUMI, SUMII, SUMIII, SUMIV, SUMV] = (1 – λ)·[NUMI·g, NUMII·w, NUMIII·g, NUMIV·b, NUMV·g] + λ·[NUMI·w, NUMII·g, NUMIII·b, NUMIV·g, NUMV·g]

wobei:

SUMI: = Wert des Parameters 1302, der durch den Parametererzeuger 1300 erzeugt wird;
SUMII: = Wert des Parameters 1306, der durch den Parametererzeuger 1300 erzeugt wird;
SUMIII: = Wert des Parameters 1358, der durch den Parametererzeuger 1300 erzeugt wird;
SUMIV: = Wert des Parameters 1360, der durch den Parametererzeuger 1300 erzeugt wird;
SUMV: = Wert des Parameters 1304, der durch den Parametererzeuger 1300 erzeugt wird;
NUMI: = Wert des Parameters 1312, der durch den Parametererzeuger 1300 erzeugt wird;
NUMII: = Wert des Parameters 1308, der durch den Parametererzeuger 1300 erzeugt wird;
NUMIII: = Wert des Parameters 1364, der durch den Parametererzeuger 1300 erzeugt wird;
NUMIV: = Wert des Parameters 1362, der durch den Parametererzeuger 1300 erzeugt wird;
NUMV: = Wert des Parameters 1310, der durch den Parametererzeuger 1300 erzeugt wird;
λ: = Bruchteilspixelort;
w: = unbekannte Sensoraufzeichnung für ein weißes Pixel;
g: = unbekannte Sensoraufzeichnung für ein graues Pixel; und
b: = unbekannte Sensoraufzeichnung für ein schwarzes Pixel.

Die Gleichung XXV ist auf entweder die Ablenkungsdimension oder die Elevationsdimension anwendbar. In einer Matrixnotierung ist der Gleichungssatz, der der Gleichung XXV entspricht, in der folgenden Gleichung XXVI gegeben:
Gleichung XXVI
Bei einem Ausführungsbeispiel führt der Feinpositionsdatenerzeuger 612 das Verfahren 1400 durch, um alle vier Unbekannte aus dem Satz von fünf Gleichungen, die in der Gleichung XXVI definiert sind, zu lösen.
15 ist ein Diagramm, das die Bestimmung eines Bruchteilspixelorts λ für einen exemplarischen Ablenkungsvektor (W) unter Verwendung des Verfahrens 1400, das in 14 gezeigt ist, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung darstellt. Es wird angenommen, dass der exemplarische Ablenkungsvektor (W) an dem ersten weißen Pixel nach Rechts von dem Mittelabschnitt 316A (ccc) des Ziels 106A beginnt, mit einem kleinen Versatz von 0,05. Ein Rauschterm von 0,25 RMS wird ebenso zu dem exemplarischen Ablenkungsvektor (W) addiert. Der Ablenkungsvektor (W) ist durch die folgende Gleichung XXVII gegeben:
Gleichung XXVII

W = 0,95·[15,8,1,8,8,15,8,1,8,8,8,8,8,15,8,1] + 0,05·[8,1,8,8,15,8,1,8,8,8,8,8,15,8,1,8] + Rauschen

Basierend auf dem Ablenkungsvektor (W), der in der Gleichung XXVII oben gegeben ist, erzeugt der Parametererzeuger 1300 die fünf SUM-Werte und die fünf NUM-Werte, die in den ersten beiden Spalten der Tabelle 1502A in 15 gegeben sind. Die dritte bis achte Spalte der Tabelle 1502A entsprechen der oben in der Gleichung XXVI gegebenen Matrix. So werden unter Verwendung der NUM-Werte in der zweiten Spalte der Tabelle 1502A die dritte bis achte Spalte der Tabelle 1502A als durch die Matrix in der Gleichung XXVI definiert fertiggestellt. Das Wort „nicht zusammengepasst” erscheint auf der rechten Seite der Tabelle 1502A in den Zeilen I und II, was anzeigt, dass NUMI nicht mit NUMII zusammenpasst (d. h. nicht gleich demselben ist). Das Wort „zusammengepasst” erscheint auf der rechten Seite der Tabelle 1502A in den Zeilen III und IV, was anzeigt, dass NUMIII mit NUMIV zusammenpasst. Bei einem Ausführungsbeispiel werden nicht zusammenpassende NUM-Werte modifiziert, um zusammenpassende NUM-Werte zu werden, wie unten detaillierter beschrieben ist.
Während der Durchführung des Verfahrens 1400 verändern sich einige Werte in der Tabelle 1502A und andere Werte in der Tabelle 1502A bleiben gleich. Die Veränderungen an der Tabelle 1502A sind durch Tabellen 1502B, 1502C und 1502D gezeigt (Tabellen 1502A bis 1502D werden hierin kollektiv als Tabellen 1502 bezeichnet). Wie in 15 gezeigt ist, sind Werte, die sich von einer Tabelle 1502 zu der nächsten verändern, eingekreist, und Werte, die sich von den Werten in der vorherigen Tabelle 1502 nicht verändern, sind dies nicht.
Bei 1402 in dem Verfahren 1400 bestimmt der Feinpositionsdatenerzeuger 612 den unbekannten Graupegel g in der Gleichung XIV. Unter Verwendung der obigen Gleichung XV wird der Graupegel g als „8,01” bestimmt, wie bei 1504 in 15 angezeigt ist.
Bei 1404 in dem Verfahren 1400, der auch als ein „Ausgleichs”-Schritt bezeichnet wird, reduziert der Feinpositionsdatenerzeuger 612 unter Verwendung des Werts für den Graupegel g, der bei 1402 bestimmt wird, die fünf Gleichungen, die oben in Gleichung XIV definiert sind, auf vier Gleichungen. Die vier Gleichungen sind durch die obigen Gleichungen XVI bis XIX gegeben. Basierend auf den Gleichungen XVI bis XIX werden die SUM-Werte auf die Werte modifiziert, die in der ersten Spalte der Tabelle 1502B gezeigt sind, und die fünfte Zeile der Tabelle wird entfernt. Die Werte, die in der vierten Spalte der Tabelle 15023 erscheinen, werden auch von den Werten verändert, die in der vorherigen Tabelle 1502A erscheinen. Das Wort „ausgeglichen” erscheint an der rechten Seite der Tabelle 1502B in den Zeilen I bis IV, was anzeigt, dass der „Ausgleichs”-Schritt 1404 durchgeführt wurde.
Bei 1406 in dem Verfahren 1400, der auch als ein „Zusammenpassen”-Schritt bezeichnet wird, stellt der Feinpositionsdatenerzeuger 612 sicher, dass NUMI gleich NUMII ist und NUMIII gleich NUMIV, wie in dem obigen Pseudocodebeispiel II gezeigt ist. Nach dem Zusammenpassungsschritt sind die Werte für SUMI und NUMI verändert, wie in Tabelle 1502C gezeigt ist, und die Werte in der sechsten und siebten Spalte der ersten Zeile sind ebenso verändert. Das Wort „zusammengepasst” an der rechten Seite der Tabelle 1502C in Zeile I zeigt an, dass NUMI nun mit NUMII zusammenpasst.
Bei 1408 in dem Verfahren 1400, der auch als ein „Trenn”-Schritt bezeichnet wird, löscht der Feinpositionsdatenerzeuger 612 ungewollte Koeffizienten in der Matrix, die in der Gleichung XXVI gegeben ist, basierend auf den obigen Gleichungen XX und XXI. Nach dem Trennschritt sind die Werte für SUMII und SUMIV verändert, wie in der Tabelle 1502D angezeigt ist. Die Werte in der sechsten und siebten Spalte der zweiten Zeile und die Werte in der siebten und achten Spalte der vierten Zeile sind ebenso verändert. Das Wort „getrennt” an der rechten Seite der Tabelle 1502D in den Zeilen II und IV zeigt an, dass diese beiden Zeilen getrennt wurden und unerwünschte Koeffizienten aus diesen beiden Zeilen gelöscht sind.
Bei 1410 in dem Verfahren 1400, der auch als ein „Lambda”-Schritt bezeichnet wird, berechnet der Feinpositionsdatenerzeuger 612 die Bruchteilspixelposition λ unter Verwendung der obigen Gleichung XXII. Unter Verwendung der Gleichung XXII oben wird die Bruchteilspixelposition λ als „0,054” bestimmt, wie bei 1506 in 15 angezeigt ist. Die Bruchteilspixelposition λ wird zu dem groben Ort L_W addiert, um die letztendliche Ablenkungsposition zu bilden.
Bei 1412 in dem Verfahren 1400, der auch als ein „Lichtpegel”-Schritt bezeichnet wird, berechnet der Feinpositionsdatenerzeuger 61 die verbleibenden unbekannten Lichtpegel w und b unter Verwendung der obigen Gleichungen XXIII und XXIV. Unter Verwendung der obigen Gleichungen XXIII und XXIV werden die unbekannten Lichtpegel w und b als „15,07” bzw. „1,22” bestimmt, wie bei 1508 in 15 angezeigt ist. Wenn ein Null-Mittel-Vektor W_Z verwendet wird, wird λ nicht beeinflusst, die Lichtwerte jedoch werden so, dass g sehr nahe bei Null ist und b negativ ist, wiedergespiegelt.
So löst der Feinpositionsdatenerzeuger basierend auf dem oben beschriebene Blockregressionsvorgang die vier Unbekannten (λ, g, w und b) in der Gleichung XXVI. Der berechnete Wert (0,054) für die Bruchteilspixelposition λ ist sehr nahe an einem Wert des angenommenen Versatzes (0,05), aufgrund des addierten Rauschens jedoch sind die Werte nicht identisch.
Im Gegensatz zu einigen Techniken des Stands der Technik, die eingebettete Positionscodes verwenden, um die Position eines erfassten Bilds zu identifizieren, ist bei einer Form der vorliegenden Erfindung jedes N×N-Bild (z. B. N > 22 für ein 711×711-Pixel-Ziel) über das gesamte Ziel durch einen Entwurf eindeutig, so dass kein Bedarf nach derartigen eingebetteten Positionscodes und deshalb kein Bedarf, nach denselben in dem Bild zu suchen und dieselben zu entschlüsseln, besteht.
Die Blockregressionsverarbeitung, die bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung durchgeführt wird, kristallisiert eine Beste-Anpassung-Lösung über reichlich redundanten Daten heraus, was wirksam einen restlichen Kreuzkorrelationseffekt neutralisiert. Die Dreipegel-(z. B. –1, 0, 1)Ziel-Grauskala in einer Zwei-Bit-Binärform ermöglicht gemäß einem Ausführungsbeispiel eine hochgeschwindigkeitsmäßige Grob- und einen Großteil einer Feinpositionsbestimmung unter Verwendung üblicher Digitallogikgatter, Zähler und Sammler. Die moderaten Hardwareanforderungen von Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung erlauben eine wirtschaftliche parallele eindimensionale Funktionsweise für einen hohen Durchsatz. Bei einer Form der Erfindung werden zweidimensionale Absolutpositionsbestimmungen ohne die Durchführung jeglicher zweidimensionaler Korrelationen durchgeführt.
Bei einer Form der Erfindung ist ein Positionscodieren in jedem Rahmen selbst enthalten. Als ein Nebenprodukt jedoch misst der Regressionsvorgang die mittleren Grau-Weiß-Schwarz-Intensitäten. Diese Werte könnten von einem Rahmen zu einem weiteren für eine noch einfachere und schnellere Codierung verwendet werden. Die bei Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung durchgeführte Regressionsverarbeitung verbreitert intelligent Fehlerspielräume und verbessert eine Präzision der Ergebnisse und tut dies mit sehr wenigen langsameren prozessorintervenierenden mathematischen Operationen.
Obwohl spezifische Ausführungsbeispiele hierin dargestellt und beschrieben wurden, ist für Fachleute auf diesem Gebiet zu erkennen, dass eine Vielzahl alternativer und/oder äquivalenter Implementierungen anstelle der gezeigten und beschriebenen spezifischen Ausführungsbeispiele eingesetzt werden könnte, ohne von dem Schutzbereich der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Diese Anmeldung soll alle Anpassungen oder Variationen der hierin erläuterten spezifischen Ausführungsbeispiele abdecken. Deshalb ist es beabsichtigt, dass diese Erfindung nur durch die Ansprüche und die Äquivalente derselben eingeschränkt sein soll.

Claims

System (100) zum Erfassen einer absoluten zweidimensionalen Position eines Objekts, mit folgenden Merkmalen: einem Ziel, das ein zweidimensionales Zielmuster (106) aufweist, wobei das Zielmuster eine erste Mehrzahl paralleler Linien (302), die einen ersten Graupegel aufweisen, und eine zweite Mehrzahl paralleler Linien (304) aufweist, die einen zweiten Graupegel aufweisen, wobei die erste Mehrzahl von Linien parallel zu der zweiten Mehrzahl von Linien ist; wobei das Zielmuster eine dritte Mehrzahl paralleler Linien (306), die den ersten Graupegel aufweisen, und eine vierte Mehrzahl paralleler Linien (308) aufweist, die den zweiten Graupegel aufweisen, wobei die dritte Mehrzahl von Linien parallel zu der vierten Mehrzahl von Linien ist, und wobei die erste und die zweite Mehrzahl von Linien orthogonal zu der dritten und der vierten Mehrzahl von Linien sind; wobei die erste, zweite, dritte und vierte Mehrzahl von Linien über einen Hintergrund (310) gebildet sind, der einen dritten Graupegel aufweist; wobei eine Beabstandung zwischen parallelen Linien in dem Zielmuster variiert; einem Sensor (102) zum Erfassen eines Bilds (312) eines ersten Teilsatzes des Zielmusters; und einer Steuerung (101) zum Erzeugen eines ersten Bildvektors (314), der Summierungen von Zeilen von Pixelwerten von dem Bild darstellt, und eines zweiten Bildvektors (318), der Summierungen von Spalten von Pixelwerten von dem Bild darstellt, wobei die Steuerung konfiguriert ist, um eine absolute zweidimensionale Position (611E, 611F, 613A und 613B) des ersten Satzes von Positionsdaten in Bezug auf einen Ursprung des Zielmusters basierend auf dem ersten und dem zweiten Bildvektor und einer Mehrzahl von Zielsequenzen (601B, 601C, 601D und 601E), die das Zielmuster darstellen, zu bestimmen, wobei die Mehrzahl von Zielsequenzen eine erste, zweite, dritte und vierte binäre Zielsequenz umfasst, wobei die Steuerung konfiguriert ist, um eine erste Mehrzahl von Werten basierend auf dem ersten Bildvektor und der ersten und der zweiten binären Zielsequenz, eine zweite Mehrzahl von Werten basierend auf dem ersten Bildvektor und der dritten und der vierten binären Zielsequenz, eine dritte Mehrzahl von Werten basierend auf dem zweiten Bildvektor und der ersten und der zweiten binären Zielsequenz, und eine vierte Mehrzahl von Werten basierend auf dem zweiten Bildvektor und der dritten und der vierten binären Zielsequenz zu erzeugen, und um eine grobe absolute Position des ersten Teilsatzes in einer ersten Dimension basierend auf einem Vergleich der ersten und der zweiten Mehrzahl von Werten, und eine grobe absolute Position des ersten Teilsatzes in einer zweiten Dimension basierend auf einem Vergleich der dritten und der vierten Mehrzahl von Werten zu bestimmen, und wobei die Steuerung ferner konfiguriert ist, um einen zweiten Satz von Positionsdaten, die eine feine absolute zweidimensionale Position des Objekts darstellen, basierend auf dem ersten Satz von Positionsdaten zu bestimmen.
System gemäß Anspruch 1, bei dem der erste Graupegel schwarz ist und der zweite Graupegel weiß ist.
System gemäß einem der Ansprüche 1 oder 2, bei dem das Zielmuster in zwei Dimensionen um eine Mitte des Zielmusters symmetrisch ist.
System gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem der erste Teilsatz eindeutig innerhalb des Zielmusters ist, derart, dass kein anderer Teilsatz des Zielmusters mit einer gleichen Größe wie der erste Teilsatz identisch zu dem ersten Teilsatz ist.
System gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem die Steuerung (101) eine Binärlogik zum Verarbeiten der Bildvektoren und der Zielsequenzen umfasst.
System gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem die Steuerung eine Mehrzahl von Sammlern (1314, 1316, 1318, 1350 und 1352) zum selektiven Sammeln von Elementen des ersten Bildvektors und des zweiten Bildvektors, wodurch eine Mehrzahl von Summen (1302, 1304, 1306, 1358 und 1360) erzeugt wird, und eine Mehrzahl von Zählern (1320, 1322, 1324, 1354 und 1356) zum Erzeugen einer Mehrzahl von Zahlen (1308, 1310, 1312, 1362 und 1364) umfasst.
System gemäß Anspruch 6, bei dem die Sammler und die Zähler durch ausgewählte Abschnitte der Zielsequenzen gesteuert werden, wobei die ausgewählten Abschnitte einer groben absoluten zweidimensionalen Position (611E und 611F) des ersten Teilsatzes in Bezug auf den Ursprung entsprechen.
System gemäß Anspruch 7, bei dem die Steuerung konfiguriert ist, um eine feine absolute zweidimensionale Position (613A und 613B) des ersten Teilsatzes in Bezug auf den Ursprung basierend auf der Mehrzahl von Summen und der Mehrzahl von Zahlen zu bestimmen.
System gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, bei dem die Steuerung konfiguriert ist, um die absolute zweidimensionale Position des ersten Teilsatzes basierend auf zwei unabhängigen eindimensionalen Vorgängen zu bestimmen.
Verfahren zum Bestimmen einer absoluten zweidimensionalen Position eines Objekts (108), wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist; Bereitstellen eines zweidimensionalen Zielmusters (106) auf dem Objekt, wobei das zweidimensionale Zielmuster (106) eine erste Mehrzahl paralleler Linien (302), die einen ersten Graupegel aufweisen, und eine zweite Mehrzahl paralleler Linien (304) aufweist, die einen zweiten Graupegel aufweisen, wobei die erste Mehrzahl von Linien parallel zu der zweiten Mehrzahl von Linien ist; wobei das Zielmuster eine dritte Mehrzahl paralleler Linien (306), die den ersten Graupegel aufweisen, und eine vierte Mehrzahl paralleler Linien (308) aufweist, die den zweiten Graupegel aufweisen, wobei die dritte Mehrzahl von Linien parallel zu der vierten Mehrzahl von Linien ist, und wobei die erste und die zweite Mehrzahl von Linien orthogonal zu der dritten und der vierten Mehrzahl von Linien sind; wobei die erste, zweite, dritte und vierte Mehrzahl von Linien über einen Hintergrund (310) gebildet sind, der einen dritten Graupegel aufweist; und wobei eine Beabstandung zwischen parallelen Linien in dem Zielmuster variiert; Erfassen eines Bilds (312) eines ersten Teilsatzes des Zielmusters, Erzeugen eines ersten Bildvektors (314), der Summierungen von Zeilen von Pixelwerten von dem Bild darstellt; Erzeugen eines zweiten Bildvektors (318), der Summierungen von Spalten von Pixelwerten von dem Bild darstellt; Erzeugen eines ersten Satzes von Positionsdaten (611E, 611F, 613A und 613B), die eine absolute zweidimensionale Position (611E, 611F, 613A und 613B) des ersten Teilsatzes darstellen, wobei der erste Satz von Positionsdaten in Bezug auf einen Ursprung des Zielmusters basierend auf dem ersten und dem zweiten Bildvektor und einer Mehrzahl von Zielsequenzen (601B, 601C, 601D und 601E) erzeugt wird, die das Zielmuster darstellen, und wobei die Mehrzahl von Zielsequenzen eine erste, zweite, dritte und vierte binäre Zielsequenz umfasst, Erzeugen einer ersten Mehrzahl von Werten basierend auf dem ersten Bildvektor und der ersten und der zweiten binären Zielsequenz; Erzeugen einer zweiten Mehrzahl von Werten basierend auf dem ersten Bildvektor und der dritten und der vierten binären Zielsequenz; Erzeugen einer dritten Mehrzahl von Werten basierend auf dem zweiten Bildvektor und der ersten und der zweiten binären Zielsequenz; Erzeugen einer vierten Mehrzahl von Werten basierend auf dem zweiten Bildvektor und der dritten und der vierten binären Zielsequenz; Bestimmen einer groben absoluten Position des ersten Teilsatzes in einer ersten Dimension basierend auf einem Vergleich der ersten und der zweiten Mehrzahl von Werten; Bestimmen einer groben absoluten Position des ersten Teilsatzes in einer zweiten Dimension basierend auf einem Vergleich der dritten und der vierten Mehrzahl von Werten; und Erzeugen eines zweiten Satzes von Positionsdaten, die eine feine absolute zweidimensionale Position des Objekts darstellen, wobei der zweite Satz von Positionsdaten basierend auf dem ersten Satz von Positionsdaten erzeugt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 10, das ferner folgende Schritte aufweist: selektives Sammeln von Elementen des ersten Bildvektors (314) und des zweiten Bildvektors (318) basierend auf ausgewählten Teilsätzen der Zielsequenzen, wodurch eine Mehrzahl von Summen erzeugt wird; und Erzeugen einer Mehrzahl von Zahlen durch ein selektives Aktivieren und Deaktivieren von Zählern basierend auf ausgewählten Teilsätzen der Zielsequenzen.
Verfahren gemäß Anspruch 11, bei dem die ausgewählten Teilsätze der Zielsequenzen einer groben absoluten zweidimensionalen Position des ersten Teilsatzes entsprechen, wobei das Verfahren ferner folgenden Schritt aufweist: Bestimmen einer feinen absoluten zweidimensionalen Position des ersten Teilsatzes basierend auf der Mehrzahl von Summen und der Mehrzahl von Zahlen.
Zweidimensionales Zielmuster (106) zur Verwendung bei dem System gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei das zweidimensionale Zielmuster (106) bei dem Bestimmen einer absoluten zweidimensionalen Position eines Objekts (108) in Bezug auf das Ziel an einer Basisoberfläche des Ziels angeordnet ist, wobei das zweidimensionale Zielmuster (106) einen Hintergrund, der einen dritten Graupegel aufweist, und eine erste Mehrzahl paralleler Linien (302), die einen ersten Graupegel aufweisen, und eine zweite Mehrzahl paralleler Linien (304) aufweist, die einen zweiten Graupegel aufweisen, wobei die erste Mehrzahl von Linien parallel zu der zweiten Mehrzahl von Linien ist, und wobei das Zielmuster eine dritte Mehrzahl paralleler Linien (306), die den ersten Graupegel aufweisen, und eine vierte Mehrzahl paralleler Linien (308) aufweist, die den zweiten Graupegel aufweisen, wobei die dritte Mehrzahl von Linien parallel zu der vierten Mehrzahl von Linien ist, und wobei die erste und die zweite Mehrzahl von Linien orthogonal zu der dritten und der vierten Mehrzahl von Linien sind; und wobei eine Beabstandung zwischen parallelen Linien in dem Zielmuster variiert; wobei das zweidimensionale Zielmuster in eine Vielzahl von eindeutigen Teilsätzen unterteilbar ist, dass eine absolute zweidimensionale Position eines Objekts (108) basierend auf einem erfassten Bild (312) eines der Teilsätze des Zielmusters bestimmt werden kann.
Zweidimensionales Zielmuster gemäß Anspruch 13, bei dem der erste Graupegel schwarz ist und der zweite Graupegel weiß ist.
Zweidimensionales Zielmuster gemäß Anspruch 13 oder 14, bei dem das Zielmuster (106) in zwei Dimensionen um eine Mitte des Zielmusters symmetrisch ist.