DE19737523C2 - Verfahren zur Erkennung der Position eines Objektes mit rotationssymmetrischem Querschnitt - Google Patents

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.

Außerdem ist aus US 4,720,870 ein Verfahren zur Be­ stimmung des Mittelpunkts symmetrischer Objekte be­ kannt. Dabei wird ein solches Objekt, das in einem Bildausschnitt eines elektronischen Bilderfassungs­ systems enthalten ist, so ausgewertet, daß ein oder mehrere angenommene Punkte benutzt werden. Ausgehend von einem ersten solchen angenommenen Punkt werden um diesen iterativ konzentrisch mehrere Kreise mit grö­ ßer werdendem Durchmesser gelegt und überprüft, ob ein oder mehrere Kreispunkte den Rand des Objektes durchschneiden. Für den Fall, daß dies erfüllt ist, kann ein nachfolgender angenommener Punkt ausgewählt werden und das Verfahren sooft wiederholt werden, bis sämtliche Kreispunkte innerhalb des Randes des sym­ metrischen Objektes liegen, worauf geschlossen werden kann, daß dieser angenommene Punkt mit dem Mittel­ punkt des symmetrischen Objektes übereinstimmt.

In DE 195 06 328 C2 ist ein Verfahren zur Erkennung der Position und Lage eines Objektes, das auch eine Kreisform haben kann, im dreidimensionalen Raum be­ schrieben. Auch hier wird ein Bildverarbeitungsver­ fahren verwendet, jedoch so vorgegangen, daß neben dem Flächenbild des Objektes auch mindestens ein räumliches Abstandsbild ausgewertet werden kann.

Ein Algorithmus zur Bestimmung des Mittelpunkts von Objekten mit Bilderfassungssystemen unter Ausnutzung verschiedener Graustufen ist IBM Technical Disclosure Bulletin, Vol. 32, No. 11 April 1990, Seiten 255, 256 zu entnehmen. Dabei wird dort so vorgegangen, daß in abgestufter Form die verschiedenen Graustufen eines Bildes ausgewertet werden, wobei die jeweilige Lage und der Graustufenwert in einem kartesischen Diagramm dreidimensional ausgewertet werden und daraus auf den Mittelpunkt des Objektes geschlossen wird.

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 Rrand 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.

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, wobei der erfaßte Bildinhalt den vollständigen Quer­ schnitt des Objektes (2) beinhaltet, die digita­ lisierten Bildpunkte in binäre Signale, jeweils helle oder dunkle Bildpunkte definierend, umge­ wandelt und mindestens ein erster angenommener Mittelpunkt (X1) gewählt wird, dadurch gekennzeichnet, daß ausgehend vom ersten angenommenen Mittel­ punkt (x1) die Abstände zu den hellen oder dunk­ len Bildpunkten, den Randpunkten des Kreises entsprechend, ermittelt und die Häufigkeiten gleicher Abstände erfaßt werden; und die Häufig­ keitsverteilung(en) mit einem Steilheitskriteri­ um ausgewertet wird/werden, um den tatsächlichen Mittelpunkt des Kreises mit vorgebbarer Toleranz zu bestimmen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, 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 den 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.