DE19737523A1 - Verfahren zur Erkennung der Position eines Objektes mit rotationssymmetrischem Querschnitt - Google Patents
Verfahren zur Erkennung der Position eines Objektes mit rotationssymmetrischem QuerschnittInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erkennung
der Position eines Objektes mit einem rotationssym
metrischen Querschnitt in bezug zu einer Kamera, de
ren Bild von oben in bzw. auf den freien Querschnitt
des Objektes aufgenommen und mit Mitteln der elektro
nischen Bildverarbeitung ausgewertet wird. Dabei eig
net sich dieses Verfahren insbesondere in Verbindung
mit Pipetierautomaten, mit denen eine große Anzahl
von Gefäßen, z. B. in Form von bekannten Mikroti
terplatten, mit Probenvolumen befüllt werden.
Dabei ist es aus dem Stand der Technik durch
DE 196 05 006 C1 bekannt, daß tatsächlich in das je
weilige Gefäß eingefüllte Probenvolumen unter Verwen
dung einer Kamera, unter Nutzung bekannter Verfahren
der elektronischen Bildverarbeitung zu bestimmen, da
die Kenntnis des tatsächlich eingefüllten Volumens
für nachfolgende Analysen erforderlich ist.
Nach der dort beschriebenen Lehre wird zur Verbesse
rung der Auswertegenauigkeit ein strukturierter Hin
tergrund verwendet, der ein bekanntes Raster vorgibt.
Bei der Befüllung der verschiedenen Kavitäten mit dem
Pipetierautomaten und der anschließenden Auswertung
wirken sich jedoch Positionierungsfehler der ver
schiedenen Gefäße in bezug auf die eigentliche Be
fülleinrichtung und die Kamera nachteilig aus, daraus
folgt, daß es erforderlich ist, die tatsächliche Po
sition des jeweiligen Gefäßes in bezug zur Kamera zu
bestimmen, so daß der tatsächlich aufgetretene Ver
satz kompensiert bzw. berücksichtigt werden kann.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren zur
Erkennung der Position eines Objektes mit Mitteln der
elektronischen Bildverarbeitung vorzugeben, mit der
es einfach und relativ schnell möglich ist, die tat
sächliche Position eines Objektes mit einem rota
tionssymmetrischen Querschnitt in bezug zu einem mit
einer Kamera aufgenommenen Bild zu erfassen und bei
der weiteren Auswertung der Bildinformationen zu be
rücksichtigen.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit den Merkmalen
des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestal
tungsformen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben
sich bei Anwendung der in den untergeordneten An
sprüchen enthaltenen Merkmale.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird dabei so
gearbeitet, daß der mit einer Kamera erfaßte Bildin
halt in digitalisierter Form in binäre Signale, die
jeweils lokal zugeordnet helle oder dunkle Bildpunkte
definieren, umgewandelt wird. Dabei ist es wichtig,
daß der gesamte erfaßte Bildinhalt den vollständigen
Querschnitt des Objektes beinhaltet. Dabei stellt je
der einzelne Bildpunkt ein Byte dar, so daß das ge
samte Bild nur mit den Werten 0 oder 255 charakteri
siert wird. Diese binären Daten können mit bekannten
Verfahren der elektronischen Bildverarbeitung erhal
ten werden.
Bei der elektronischen Bildverarbeitung kann dabei so
vorgegangen werden, daß das gesamte Bild um einen
bestimmten Faktor, z. B. 4 verkleinert wird. Die Ver
kleinerung kann dabei beispielsweise durch einfaches
Weglassen von Bildpunkten und Bildzeilen erfolgen, so
daß beispielsweise nur jede vierte Bildzeile und je
der vierte Bildpunkt für die Auswertung berücksich
tigt wird.
Nachfolgend kann mit verschiedenen Filterfunktionen,
insbesondere die aus dem Stand der Technik
DE 196 05 006 C1 bekannte Rasterstruktur ausgeblendet
werden und die bereits erwähnte Trennung in die hel
len und dunklen Bildpunkte erhalten werden.
Im Anschluß daran kann ein binärer Randfilter Kanten,
der sich noch zum Teil flächenhaft darstellenden
kreisförmigen Gefäßrandgebilde, extrahieren.
Nachfolgend wird die Position des Objektes durch Be
stimmung des Kreismittelpunktes des kreisförmigen
Objektes bevorzugt bei bekanntem Durchmesser be
stimmt.
Für die Bestimmung des Mittelpunktes des Kreises wird
die Tatsache ausgenutzt, daß alle Kreisrandpunkte den
gleichen Abstand vom Kreismittelpunkt haben.
Dabei wird erfindungsgemäß so vorgegangen, daß ausge
hend von mindestens einem angenommenen Mittelpunkt
die Abstände zu den Randpunkten des Kreises, der
durch den ebenfalls kreisförmigen Rand des jeweili
gen Objektes vorgegeben ist, und die Häufigkeiten
gleicher Abstände ermittelt werden. Die erfaßten Häu
figkeitsverteilungen werden dann mit einem Steil
heitskriterium ausgewertet, auf das nachfolgend noch
zurückzukommen sein wird. Dabei werden, je nachdem
die Abstände aller hellen oder dunklen in digitali
sierter Form vorliegenden Bildpunkte entsprechend
denen der Ränder des Objektes, inklusive der Fehler
berücksichtigt.
Im Idealfall, d. h. der erste angenommene Kreismittel
punkt stimmt mit dem tatsächlichen Kreismittelpunkt
überein, würde die Häufigkeitsverteilung so aussehen,
daß alle Abstände gleich groß sind und keine Streuung
anderer Abstände um diesen Wert erfaßt werden können.
In diesem Fall kann das Verfahren abgebrochen werden.
Da in der Regel der erste angenommene Kreismittel
punkt mit dem tatsächlichen Kreismittelpunkt auch
innerhalb einer Toleranz nicht übereinstimmt, werden
Häufigkeitsverteilungen erfaßt, die je nach Entfer
nung des angenommenen Mittelpunktes vom tatsächlichen
Mittelpunkt verschieden sind.
Um näher an den tatsächlichen Mittelpunkt zu gelan
gen, werden für weitere Punkte in der Umgebung dieses
angenommenen Mittelpunktes, ausgehend von diesem mit
vorgebbaren Schrittweiten und Richtungen weitere Häu
figkeitsverteilungen erfaßt und entsprechend ausge
wertet. Dabei sollen mindestens vier, bevorzugt je
doch acht weitere Punkte um den ersten angenommenen
Mittelpunkt berücksichtigt werden. Diese Punkte wer
den so ausgewählt, daß sie ein Quadrat um den im Zen
trum liegenden ersten angenommenen Mittelpunkt aus
bilden. Werden nur vier Punkte in der Umgebung des
ersten angenommenen Mittelpunktes ausgenutzt, bilden
diese Punkte die Eckpunkte dieses Quadrates. Bei Aus
wertung weiterer Punkte sind diese so ausgewählt, daß
sie zwischen den jeweiligen Eckpunkten angeordnet
sind.
Erfüllt keine der ermittelten Häufigkeitsverteilungen
das Steilheitskriterium, wird durch Bestimmung des
Schwerpunktes der ermittelten Steilheitswerte S in
der Umgebung des ersten angenommenen Mittelpunktes
ein zweiter angenommener Mittelpunkt vektoriell be
rechnet und ausgehend von diesem neuen angenommenen
Mittelpunkt das bereits beschriebene Vorgehen wieder
holt.
Dabei kann zur Verkürzung der erforderlichen Zeit die
Schrittweite bei nachfolgenden Auswertezyklen für
weitere angenommene Mittelpunkte verkleinert werden.
Werden viele Objekte, z. B. eine Mikrotiterplatte be
trachtet, kann der erste angenommene Mittelpunkt un
ter Berücksichtigung des vorab ermittelten systemati
schen Fehlers bestimmt werden und so die Anzahl der
erforderlichen Zyklen bei gleichzeitiger Zeitverkür
zung verringert werden, da der erste angenommene Mit
telpunkt so näher am tatsächlichen Mittelpunkt ausge
wählt wird.
Das Verfahren zur Bestimmung der Position des Objek
tes wird in dem Moment abgebrochen, wenn der letzte
angenommene Mittelpunkt oder ein Punkt in seiner Um
gebung das bereits erwähnte Steilheitskriterium er
füllt, also innerhalb der vorgegebenen Toleranz
liegt.
Das Steilheitskriterium wird wie folgt bei der Be
stimmung des Mittelpunktes berücksichtigt.
Das Steilheitskriterium S ergibt sich nach:
mit n - Häufigkeit und
x - Abstand.
x - Abstand.
Bei m Punkten kann der Punkt mit dem größten Steil
heitswert S ausgewählt werden und als Ausgangspunkt
für weitere Rechenschritte verwendet.
Die Auswertung der angenommenen Punkte wird als Re
chenzyklus definiert. Nach dem Steilheitskriterium
wird der Rechenzyklus so lange wiederholt bis die
Änderung von S einen vorgegebenen Wert nicht mehr
überschreitet oder eine empirisch ermittelte Zahl von
Rechenzyklen erreicht ist, die sichert, daß der be
stimmte Mittelpunkt des Kreises sich innerhalb einer
Toleranz um den tatsächlichen Mittelpunkt liegt.
Da es bei vielen Anwendungen darauf ankommt, die er
forderliche Zeit für Auswertungen so klein als mög
lich zu halten, kann das erfindungsgemäße Verfahren
vorteilhaft hierzu eingesetzt werden. Dieser Faktor
ist besonders bei den bereits erwähnten Pipetierauto
maten oder automatischen Analysesystemen von großer
Bedeutung. Bei Nutzung des erfindungsgemäßen Verfah
rens ist es nämlich möglich, nach der Bestimmung der
tatsächlichen Position des Objektes den übrigen Bild
anteil, also alles was außerhalb des eigentlichen
Objektes liegt, auszublenden und nur den Bildinhalt
des eigentlichen Gefäßes für weitere nachfolgende
Bildauswertungen, wie dies z. B. die Bestimmung des
Volumens eines eingefüllten Tropfens ist, zu berück
sichtigen.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann weiter dazu ver
wendet werden, um die Steuerung eines Automaten zu
beeinflussen und dadurch Positionierfehler zu vermei
den.
Nachfolgend soll die Erfindung beispielhaft beschrie
ben werden.
Dabei zeigen:
Fig. 1 schematisch einen Bildausschnitt mit der
durch ein Gefäß vorgegebenen Kreisform mit
mehreren angenommenen Mittelpunkten, der
mit dem tatsächlichen Mittelpunkt nicht
übereinstimmen;
Fig. 2 Beispiele für Häufigkeitsverteilungen glei
cher Abstände von angenommenen Kreismittel
punkten und
Fig. 3 schematisch die Bestimmung eines nachfol
genden neuen angenommenen Kreismittelpunk
tes durch Schwerpunktberechnung.
In der Fig. 1 ist schematisch dargestellt, wie ein
Objekt 2 mit einem rotationssymmetrischen Quer
schnitt, wie z. B. ein nach oben offenes Gefäß, in
einem von einer Kamera aufgenommenen Bild 1 angeord
net sein kann. Dabei kann das Bild 1, wie darge
stellt, einen quadratischen Querschnitt aufweisen, es
kann aber auch eine rechteckige Form haben.
Die Fig. 1 zeigt weiter verschiedene Punkte X1 bis
X4. Dabei ist bei diesem Beispiel der Punkt X1 der
Mittelpunkt des Bildes und der Punkt X3 der tatsäch
liche Kreismittelpunkt des Objektes 2 und die Punkte
X2 und X4 können beliebige Punkte, also auch mögliche
angenommene Mittelpunkte sein. Dabei ist die chrono
logische Benennung der verschiedenen Punkte in dieser
Darstellung willkürlich gewählt. Es könnte aber je
doch so verfahren worden sein, daß beispielsweise der
Punkt X1 der erste angenommene Mittelpunkt und der
Punkt X2 der zweite angenommene Kreismittelpunkt und
X3 der Mittelpunkt ist, an dem das Verfahren abgebro
chen worden ist, da der so bestimmte Mittelpunkt mit
Sicherheit innerhalb der vorgebbaren Toleranz liegt.
In der Fig. 2 sind dann die Häufigkeiten mit der
gleiche Abstände für die verschiedenen angenommenen
Mittelpunkte zum Rand des Kreises in Form von Häufig
keitsverteilungen für die Punkte X1 bis X4 aus Fig.
1 dargestellt.
Wie bereits im allgemeinen Teil der Beschreibung er
wähnt, werden die ermittelten Häufigkeitsverteilungen
jeweils mit einem Steilheitskriterium ausgewertet und
überprüft, ob dieses eine Aussage liefern kann, ob
der betrachtete angenommene Mittelpunkt innerhalb der
vorgegebenen Toleranz um den tatsächlichen Mittel
punkt liegt und das Verfahren beendet werden kann.
In der Fig. 3 soll schematisch verdeutlicht werden,
wie das Verfahren gemäß den untergeordneten Ansprü
chen weiter gebildet werden kann. Dabei werden ausge
hend vom ersten angenommenen Mittelpunkt X1 für wei
tere Punkte 1 bis 8, ausgehend vom ersten angenomme
nen Mittelpunkt X1 mit vorgegebener Richtung und
Schrittweite Häufigkeitsverteilungen ermittelt, wobei
der erste angenommene Mittelpunkt X1 im Zentrum eines
Quadrates liegt, das von den weiteren Punkten 1 bis 8
gebildet wird. Dabei sind die mit geraden Zahlen be
zeichneten Punkte jeweils die Eckpunkte des Quadra
tes.
Für die so betrachteten und ausgewerteten Punkte wird
der Schwerpunkt S1 der ermittelten Steilheitswerte
bestimmt und vektoriell, wie dies mit der gestrichel
ten Linie und dem Pfeil deutlich gemacht wird, ein
neuer angenommener Mittelpunkt X2 berechnet und für
diesen und wiederum weitere Punkte 1 bis 8 um diesen
die Häufigkeiten gleicher Abstände zu den Randpunkten
ermittelt und die Auswertung der so erhaltenen Häu
figkeitsverteilungen in der Form durchgeführt, wie
dies bereits bei der Beschreibung für den ersten an
genommenen Mittelpunkt X1 der Fall war. Dadurch kann
der zweite Schwerpunkt S2 berechnet werden und das
Verfahren solange weitergeführt werden, bis der dann
ermittelte angenommene Mittelpunkt Xi innerhalb einer
ausreichend kleinen Toleranz um den tatsächlichen
Mittelpunkt des Objektes 2, also in unmittelbarer
Nähe des Kreismittelpunktes liegt.
Es besteht aber auch, wie bereits weiter oben er
wähnt, die Möglichkeit, das Verfahren für eine vor
gegebene Anzahl angenommener Mittelpunkte Xi durch
zuführen und nach Erreichen dieser Anzahl das Verfah
ren abzubrechen, da vorab empirisch ermittelt worden
ist, daß die Anzahl ausreichend ist, um genaue Aus
sagen über die Mittelpunktlage des Kreises zu liefern
und der letzte angenommene Mittelpunktwert mit
Sicherheit innerhalb der vorgegebenen Toleranz liegt.
Claims (9)
1. Verfahren zur Erkennung der Position eines Ob
jektes mit einem rotationssymmetrischen Quer
schnitt in einem mit einer Kamera aufgenommenen
Bild, das mit Mitteln der elektronischen Bild
verarbeitung ausgewertet wird,
dadurch gekennzeichnet,
daß der erfaßte Bildinhalt den vollständigen
Querschnitt des Objektes (2) beinhaltet, die
digitalisierten Bildpunkte in binäre Signale,
jeweils helle oder dunkle Bildpunkte definie
rend, umgewandelt und von mindestens einem er
sten angenommenen Mittelpunkt (X1) ausgehend,
die Abstände zu den hellen oder dunklen Bild
punkten, den Randpunkten des Kreises entspre
chend, ermittelt und die Häufigkeiten gleicher
Abstände erfaßt werden; und die Häufigkeitsver
teilung(en) mit einem Steilheitskriterium ausge
wertet wird/werden, um den tatsächlichen Mittel
punkt des Kreises mit vorgebbarer Toleranz zu
bestimmen.
2. Verfahren nach Anspruch l,
dadurch gekennzeichnet, daß in der Umgebung des
ersten angenommenen Mittelpunktes (X1) für wei
tere Punkte, ausgehend von diesem mit vorgebba
rer Schrittweite und Richtung weitere Häufig
keitsverteilungen erfaßt und ausgewertet werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, daß mindestens für vier
Punkte Häufigkeitsverteilungen um den ersten
angenommenen Mittelpunkt (X1) erfaßt und ausge
wertet werden.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, daß die Richtung für die
Punkte so vorgegeben wird, daß sie zumindest
Eckpunkte eines Quadrates um den angenommenen
Mittelpunkt (Xi) sind.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, daß der Schwerpunkt (Si)
der ermittelten Steilheitswerte für die Punkte
bestimmt und vektoriell daraus ein neuer ange
nommener Mittelpunkt (Xi) berechnet wird, an dem
die Häufigkeitsverteilung der jeweils gleichen
Abstände erneut ermittelt und bewertet wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, daß in der Umgebung des
neuen angenommenen Mittelpunktes (Xi) mit vor
gebbarer Schrittweite und Richtung weitere Häu
figkeitsverteilungen ermittelt und bewertet wer
den.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet, daß die Schrittweite in
der Häufigkeitsverteilungen für Punkte in der
Umgebung nachfolgend angenommener weiterer Mit
telpunkte (Xi) erfaßt und ausgewertet werden,
schrittweise verkleinert wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
dadurch gekennzeichnet, daß bei nachfolgenden
Bestimmungen weiterer Objekte (2), der erste
angenommene Mittelpunkt (X1) unter Berücksichti
gung des vorab ermittelten systematischen Feh
lers, bestimmt wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
dadurch gekennzeichnet, daß die Position eines
Gefäßes mit kreisrunder Öffnung bestimmt wird.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19737523A DE19737523C2 (de) | 1997-08-28 | 1997-08-28 | Verfahren zur Erkennung der Position eines Objektes mit rotationssymmetrischem Querschnitt |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19737523A DE19737523C2 (de) | 1997-08-28 | 1997-08-28 | Verfahren zur Erkennung der Position eines Objektes mit rotationssymmetrischem Querschnitt |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE19737523A1 true DE19737523A1 (de) | 1999-03-04 |
DE19737523C2 DE19737523C2 (de) | 2000-02-03 |
Family
ID=7840456
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE19737523A Expired - Fee Related DE19737523C2 (de) | 1997-08-28 | 1997-08-28 | Verfahren zur Erkennung der Position eines Objektes mit rotationssymmetrischem Querschnitt |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE19737523C2 (de) |
Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US4720870A (en) * | 1985-06-18 | 1988-01-19 | Billiotte Jean Marie | Method of automatically and electronically analyzing patterns in order to distinguish symmetrical perceptible areas in a scene together with their centers of symmetry |
DE19506328C2 (de) * | 1994-12-20 | 1997-06-12 | Matsushita Electric Works Ltd | Verfahren zur Erkennung der Position und Lage eines Objekts im dreidimensionalen Raum |
DE19605006C1 (de) * | 1996-01-30 | 1997-08-21 | Foerderung Angewandter Informa | Verfahren und Vorrichtung zur Detektion und Bestimmung des Volumens von in Gefäßen eingebrachten Flüssigkeiten |
-
1997
- 1997-08-28 DE DE19737523A patent/DE19737523C2/de not_active Expired - Fee Related
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Non-Patent Citations (2)
Title |
---|
# * |
IBM Technical Disclosure Bulletin, Vol. 32, No. 11, April 1990, S. 255/256 * |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
DE19737523C2 (de) | 2000-02-03 |
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