DE3711918A1 - Schaltungsanordnung zur automatischen verfolgung von sich ueber ein bild bewegenden teilchen - Google Patents
Schaltungsanordnung zur automatischen verfolgung von sich ueber ein bild bewegenden teilchenInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur automati
schen Verfolgung von Teilchen, die sich als von einer
Aufnahmeeinrichtung erfaßte Signalpunkte über ein Bild bewegen
und deren Geschwindigkeiten bzw. Geschwindigkeitsverteilung zu
bestimmen ist, wobei die Aufnahmeeinrichtung auf dem Bild die
Teilchen darstellt und die Bildinformationen verarbeitet und
einem Terminal zugeführt werden, sowie deren Verwendung.
Eine Schaltungsanordnung ähnlicher Art ist in der DE-
PS 29 05 118 beschrieben. Sie ist jedoch sehr kompliziert auf
gebaut. Zur Ausmessung von Teilchengemengen mit inhomogener
Geschwindigkeitsverteilung ist sie ungeeignet. Eine Punktver
folgung erweist sich ebenfalls als nicht durchführbar.
Die der Erfindung gestellte Aufgabe besteht darin, die e.g.
Schaltungsanordnung derart zu gestalten, daß mit ihr Einzel
teilchen auf einem Bild verfolgbar und ihre Geschwindigkeiten
bzw. deren Geschwindigkeitsverteilung, insbesondere von Parti
keln in Sedimentationszellen, bestimmbar sind.
Die Lösung ist in den kennzeichenden Merkmalen des Anspruches
1 beschrieben.
Die übrigen Ansprüche geben vorteilhafte Weiterbildungen und
Ausführungsformen der Erfindung an.
Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung besteht demnach aus
einer CCD-Kamera, mit der ein Fernsehbild z.B. aus einer Sedi
mentationszelle aufgenommen wird, einem Hardwaremodul, in dem
die Bilder verarbeitet werden und einem Terminal, an dem die
Geschwindigkeit der Teilchen angezeigt wird. Das Hardwaremodul
wählt ein Partikel aus, bestimmt dessen Geschwindigkeit und
gibt den Wert auf den Bildschirm des Terminals aus, wenn der
minimale Verfolgungsweg überschritten ist.
Um auch Teilchen zu verfolgen, die nur teilweise registrierbar
sind, weil sie z.B. aus der Schärfeebene laufen, kann die Ge
schwindigkeit der Teilchen aus den vorhandenen Daten bestimmt
und bei Verschwinden des Teilchens das Bildfenster mit der er
rechneten Geschwindigkeit nachgeführt werden.
Damit Teilchen auch bei verschiedenen Geschwindigkeiten sicher
registriert werden können, wird der Bildfensterrand in Bewe
gungsrichtung soweit verschoben, daß das Teilchen im nächsten
Bildfeld noch reintrifft. Driftgeschwindigkeiten von z.B.
Ionen in Elektrophoreseapparaturen sind meßbar.
Zur Bestimmung der Geschwindigkeitsverteilung eines Teilchens
wird zu jedem Halbbild die Position des Teilchens gespeichert
und dann daraus die Verteilung bestimmt.
Die gesamte Elektronik ist auf einer einzigen Europakarte
unterzubringen und kann daher leicht in einem etwas vergrößer
ten Gehäuse der Sedimentationszelle untergebracht werden.
Durch Mitführen einer Maske wird demnach nur das Teilchen aus
gewählt, das über das Bildfeld zu verfolgen ist. Die Maske
wird aus den jeweils letzten Koordinaten des Bildpunktes unter
Berücksichtigung der aktuellen Geschwindigkeit berechnet. Die
Maske wird teils mit Hardware teils durch Software erzeugt.
Die Funktionsweise und der Aufbau der erfindungsgemäßen Schal
tungsanordnung wird mittels zweier Ausführungsbeispiele anhand
der Fig. 1 und 2 näher erläutert, wobei die Schaltungsan
ordnung gemäß Fig. 2 lediglich eine Variation derjenigen ge
mäß Fig. 1 darstellt.
Als Startbildfenster 70 wird ein breites Rechteck quer zur Be
wegungsrichtung gewählt, um alle Teilchen 0 zu detektieren.
Ist ein Teilchen 0 erkannt, dann wird das Bildfenster 70 so
klein wie möglich gehalten, um eine Beeinflussung von weiteren
Teilchen 0 zu vermeiden.
Das Bild wird mit einer Fernsehkamera 17 aufgenommen und dort
in ein serielles Signal 72 umgewandelt. In der Elektronik
läuft synchron zum Lesestrahl in der Kamera 17 ein Zähler 2,
12 mit, so daß jedem Bildpunkt ein Zählerwert 51, 59 zugeord
net wird. Übersteigt das Videosignal einen bestimmten Wert,
ist also ein helles Objekt 0 vorhanden, dann wird der Zähler
stand 51, 59 der der Position des Teilchens 0 entspricht, ab
gespeichert. Der Zählerstand 51, 59 unterteilt sich in Hori
zontal- 51 und Vertikalkomponente 59. Von dem gespeicherten
Horizontalwert 75 wird ein bestimmter Betrag a abgezogen und
in dem Register 3 gespeichert, dann wird ein Wert b dazuge
zählt und in dem Register 5 gespeichert. Die Ausgänge dieser
Register 54, 55 sind je mit einem Vergleichbaustein 4, 6 ver
bunden, der dann ein Signal 66, 67 abgibt, wenn Zählerstand 51
und Registrierwert 54, 55 übereinstimmen. Mit diesen beiden
Signalen 66, 67 schaltet man das Flipflop 11 ein und aus, so
daß aus dem Bildfeld ein Bildstreifen 68 ausgewählt wird. Auf
dieselbe Art wird mit der Vertikalkomponente verfahren. Beide
Streifen 68, 69 werden AND verknüpft, so daß im Bildfeld ein
Bildfenster 70 entsteht. Das schwellwertgefilterte
Eingangssignal 71 wird mit dem Bildfenster so AND verknüpft,
daß nur noch Objekte 0 registriert werden, die im Bildfenster
70 liegen. Macht man nun das Bildfenster 70 und die Dichte der
Teilchen 0 so klein, daß nur noch ein Teilchen 0 registriert
wird, dann kann man ein Teilchen 0 auswählen und es verfolgen.
Die Bildfensterkoordinaten 54, 55, 60, 62 werden nach jedem
Bildfeld durch den oben angegebenen Vorgang an die jeweilige
Postition 51, 59 des Teilchens 0 angepaßt. Die maximale Ge
schwindigkeit ergibt sich daraus, daß das Teilchen 0 in dem
auf dem positionsbestimmenden Vorgang folgenden Bildfeld sich
noch im Bildfeld 70 befinden muß.
Nimmt man an, daß sich die Teilchen gradlinig in vertikaler
Richtung bewegen, dann kann man durch Zählen der Zeilen den
Weg und durch Zählen der Halbbilder die Zeit und aus den bei
den Werten die Geschwindigkeit des Teilchens gewinnen.
Der 10 MHz Taktgenerator 1 triggert mit dem Ausgangssignal 50
den Zähler 2, der beim Zeilenrücklauf der Kamera 17 durch das
Zeilensynchronsignal 58 zurückgesetzt wird. Der Zählerstand 51
ist dann synchron zur horizontalen Bewegung des Lesestrahls in
der Kamera 17. Der Vergleicher 4 vergleicht das horizontale
Zählsignal 51 mit einem Startwert 54, der im Register 3 abge
speichert ist. Ist das Signal 51 gleich dem Signal 54, dann
erzeugt der Vergleicher 4 ein Ausgangssignal 67, das das
Flipflop 11 einschaltet. Im Register 5 ist der horizontale
Stopwert 55 gespeichert, der im Vergleicher 6 mit dem
Horizontalzählsignal 51 verglichen wird. Wenn der Zählerwert
51 gleich dem Stopwert 55 ist, erzeugt der Vergleicher 6 ein
Signal 66, das das Flipflop zurücksetzt. Am Ausgang des
Flipflops 11 steht jetzt ein horizontales Ausgangssignal 68,
das mit dem vertikalen Austastsignal 69 im AND-Gatter 14 ver
knüpft wird. Das vertikale Austastsignal 69 entsteht wie
folgt:
Das Horizontalsynchronsignal 58 der Kamera 17 triggert den
Zeilenzähler 12, der am Ende eines Halbbildlaufes der Kamera
17 durch das Vertikalsynchronsignal 80 zurückgesetzt wird. Der
Zählerstand 59 ist dann synchron zur vertikalen Bewegung des
Lesestrahls in der Kamera 17. Der Vergleicher 8 vergleicht das
vertikale Zählsignal 59 mit einem Startwert 60, der im Re
gister 7 abgespeichert ist. Ist das Signal 59 gleich dem Sig
nal 60, dann erzeugt der Vergleicher 8 ein Ausgangssignal 64,
das das Flipflop 13 einschaltet. Im Register 9 ist der hori
zontale Stopwert 62 gespeichert, der im Vergleicher 10 mit dem
Vertikalsignal 59 verglichen wird. Wenn der Zählwert 59 gleich
dem Stopwert 62 ist, erzeugt der Vergleicher 10 ein Signal 65,
das das Flipflop 13 zurücksetzt. Am Ausgang des Flipflops 13
steht jetzt ein horizontales Ausgangssignal 69.
Das horizontale Bildfenstersignal 68 und das vertikale Bild
fenstersignal 69 werden im AND-Gatter 14 verknüpft. Das
Ausgangssignal 70 ist ein Bildfenstersignal, das nur dann 1
ist, wenn sich der Schreibstrahl der Kamera 17 innerhalb des
Bildfensters 70 befindet, das durch die Werte 54, 55, 60 und
62 der Register 3, 5, 7 und 9 bestimmt wird. Das Videosignal
72 wird im Schwellwertdiskriminator 16 so schwellwertdiskrimi
niert, daß das Ausgangssignal 71 nur bei den zu beobachtenden
Punkten 1 ist. Das Signal 71 wird dann dem Bildfenster 70 in
15 AND-verknüpft. Befindet sich ein Teilchen im Bildfeld 70,
dann werden die Zählerstände 51 und 59 in den Registern 18 und
19 abgespeichert. Die Position des Teilchens 0 ist also dann
in den Registern 18 und 19 abgespeichert. Aus diesen Werten 75
und 74 werden dann durch Addition in den Addierern 20 und 22
mit den Konstanten b und d die horizontalen und vertikalen
Stopwerte 63 und 56 berechnet. Die Startwerte 57 und 61 werden
erhalten, indem man von den Registerwerten 74 und 75 die Kon
stanten a und c in den Subtrahierern 21 und 23 subtrahiert und
so die Startwerte 57 und 61 erhält. Ist der Bildaufbau der Ka
mera 17 beendet, speichert das Vertikalsynchronsignal 80 die
Werte 57, 56, 61 und 63 in die Start- und Stopregister 3, 5, 7
und 9 ab, die dann beim neuerlichen Bildaufbau der Kamera 17
das Bildfenster 70 neu bestimmen.
Das Bildfenster 70 wird also durch die Position des Teilchens
0 bestimmt. Um bei höheren Geschwindigkeiten des Teilchens 0
zu gewährleisten, daß das Teilchen 0 im nächsten Halbbild der
Kamera 17 wieder in das Bildfeld 70 trifft, paßt man die Kon
stanten a, b, c und d entsprechend an.
Der Computer 81 liest interruptgesteuert am Ende eines Bild
aufbaus der Kamera 17 die Teilchenpositionen 74, 75 aus und
errechnet daraus die Teilchengeschwindigkeit, die dann zu ei
nem Ausgabegerät 83 geleitet wird.
Wenn eine Messung eines Teilchens 0 beendet ist, wird das
Bildfenster 70 durch Setzen der Werte 74, 75 durch den Computer
81 neu gesetzt.
Fig. 2 zeigt eine Alternative zur Schaltungsanordnung gemäß
Fig. 1.
Der Funktionsablauf ist wie e.g. mit dem Unterschied, daß die
Komponenten 23, 22, 80, 21, 20, 7, 9, 8, 10, 13, 18 durch den
Mikroprozessor 81, der durch das Programm im Speicher 101 ge
steuert wird, ersetzt werden.
Claims (6)
1. Schaltungsanordnung zur automatischen Verfolgung von Teil
chen, die sich als von einer Aufnahmeeinrichtung erfaßte
Signalpunkte über ein Bild bewegen und deren Geschwindig
keiten bzw. Geschwindigkeitsverteilung zu bestimmen ist,
wobei die Aufnahmeeinrichtung auf dem Bild die Teilchen
darstellt und die Bildinformationen verarbeitet und einem
Terminal zugeführt werden, dadurch gekennzeichnet, daß
- a) das Bild in ein serielles Signal (72) umgewandelt wird,
- b) synchron zum Lesestrahl in der Aufnahmeeinrichtung (17) jedem Bildpunkt ein Zählerwert (51, 59) zugeordnet wird,
- c) und jeweils mit zwei Horizontal- und Vertikalsignalen aus dem Bildfeld zwei Bildstreifen (68, 69) ausgewählt werden, die ein Bildfenster (70) ergeben,
- d) das Bildfenster (70) derart ausgelegt wird, daß nur ein Einzelteilchen (0) erfaßt wird, und
- e) mit dem Bildfenster (70) dieses Einzelteilchen (0) ver folgt wird.
2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich
net, daß das Bildfenster (70) in Bewegungsrichtung des
Einzelteilchens (0) derart verschiebbar ist, daß das
Einzelteilchen (0) im nächsten Bildfenster erfaßbar ist.
3. Schaltungsanordnung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch
gekennzeichnet, daß zur Bestimmung der Geschwindigkeitsver
teilung zu jedem Halbbild die Postition des Einzelteilchens
(0) gespeichert und dann daraus die Verteilung bestimmbar
ist.
4. Schaltungsanordnung nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch
gekennzeichnet, daß die Bildfensterkoordinaten (56, 57, 61,
63) nach jedem Bildfeld an die jeweilige Position (51, 59)
des Einzelteilchens (0) anpaßbar sind.
5. Schaltungsanordnung nach den Ansprüchen 1 bis 4, gekenn
zeichnet durch seine Verwendung als Meßeinrichtung zur Be
stimmung der Partikelgeschwindigkeit in Sedimentationszel
len.
6. Verwendung der Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 bis 5
als Meßeinrichtung zur Bestimmung der Driftgeschwindigkeit
der Ionen in Elektrophoreseapparaturen.
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