DE3711918A1

DE3711918A1 - Schaltungsanordnung zur automatischen verfolgung von sich ueber ein bild bewegenden teilchen

Info

Publication number: DE3711918A1
Application number: DE19873711918
Authority: DE
Inventors: Karl-Heinz Schmidt; Wilhelm Prof Waidelich
Original assignee: STRAHLEN UMWELTFORSCH GmbH
Current assignee: Helmholtz Zentrum Muenchen Deutsches Forschungszentrum fuer Gesundheit und Umwelt GmbH
Priority date: 1987-04-08
Filing date: 1987-04-08
Publication date: 1988-10-20
Anticipated expiration: 2007-04-09
Also published as: GB2204681A; FR2616225A1; US4928176A; FR2616225B1; GB8807986D0; GB2204681B; DE3711918C2

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.

Funktionsablauf gemäß Fig. 1:

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.

Beschreibung der Schaltungsanordnung gemäß Fig. 1:

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

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.