DE3809816A1 - Optisches filterverfahren und filteranordnung zur durchfuehrung des verfahrens - Google Patents
Optisches filterverfahren und filteranordnung zur durchfuehrung des verfahrensInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein optisches Filterverfahren nach
dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 und eine Filteranordnung
zur Durchführung des Verfahrens nach dem Oberbegriff
des Anspruchs 30. Das Filterverfahren wird im Raumbereich
eingesetzt, d. h. es eignet sich für ein Autofokus-
System einer fotografischen Kamera.
Die Entwicklung von Bildverarbeitungsverfahren unter Verwendung
von Rechnern ist bekannt, und solche Verfahren werden
weitläufig eingesetzt. Bisher übliche Bildverarbeitungssysteme
werden dazu verwendet, gewünschte Informationen aus
einem sichtbaren Bild auszusondern, um einen ausgewählten
größeren Teil dieser Informationen hervorzuheben und um
nach der Vorbehandlung Merkmale auszufiltern.
Die bei solchen Bildverarbeitungssystemen durchgeführten
grundsätzlichen Schritte sind in Fig. 1 gezeigt. Dabei wird
das aus einer Abtastung erhaltene Bild- oder Videodatenfeld
von einer externen Eingabevorrichtung 10 einer Filteranordnung
12 zugeführt. Die Bilddatenanordnung wird in
der Filteranordnung 12 gefiltert, deren Ausgangsdaten einer
Nachverarbeitungseinrichtung 14 und dann einer gesteuerten
Antriebseinrichtung 16 zugeführt werden. Die Filteranordnung
12 und die Nachverarbeitungseinrichtung 14 werden jeweils
durch eine Steuereinheit 18 gesteuert. Bei dieser Art
der Bildverarbeitung spielt das in der Filteranordnung angewendete
Filterverfahren eine wichtige Rolle in der Vorbehandlungsstufe
des Verfahrens.
Bekanntlich werden die gegenwärtigen optischen Filterverfahren
allgemein in zwei Kategorien unterteilt, das "Raumfrequenzfiltern",
das in einem Raumfrequenzbereich erfolgt,
und das "Raumbereichsfiltern", das in einem Raumbereich erfolgt.
Das Raumfrequenzfiltern kann so durchgeführt werden, daß
die Fouriertransformation einer Folge von Bildinformationsdaten
durchgeführt wird, die im folgenden auch als "Bilddatenfolge"
oder "Bilddatenfeld" bezeichnet wird. Ein
solches Bilddatenfeld kann man beispielsweise durch die
fotografische Aufnahme eines Objekts erhalten. Es wird
dann in dem Raumfrequenzfilterverfahren zunächst die Fouriertransformation
des Bilddatenfeldes durchgeführt, um
fourier-transformierte Daten zu erhalten. Dann werden diese
transformierten Daten durch ein Raumfrequenzfilter vervielfacht
und danach ihre inverse Fouriertransformation
erstellt. Bei Anwendung dieses Verfahrens sind jedoch viele
arithmetische Operationen erforderlich, und es wird
eine große Speicherkapazität benötigt, so daß ein Mikroprozessor
dieses Verfahren nicht in Realzeit durchführen
kann. Deshalb sind Raumfrequenzfilterverfahren nicht mit
Einrichtungen durchführbar, die einen Speicher niedriger
Kapazität enthalten.
Andererseits kann das Raumbereichsfilterverfahren durch
Faltung zuvor gebildeter Operatoren, die manchmal auch als
"Fensteroperatoren" bezeichnet werden, mit einem Bilddatenfeld
durchgeführt werden. Deshalb ist ein Raumbereichsfilterverfahren
dieser Art leichter als ein Raumfrequenzfilterverfahren
durchzuführen.
Es wurde bereits versucht, Raumbereichsfilterverfahren auf
verschiedene Vorrichtungen anzuwenden, beispielsweise in
Verbindung mit der automatischen Fokussierung einer Kamera.
Bisherige Raumbereichsfilterverfahren zeigen jedoch verschiedene
Probleme, durch die ihr Einsatz nicht zufriedenstellend
war.
Bei den üblichen Raumbereichsfilterverfahren wird ein Programm
zur Bildung oder Generierung von Operatoren angewendet/
erstellt, die eine sinnvolle Funktion haben. Bei diesen
Programmen werden übliche Operatoren benutzt, die in
einem Speicher gespeichert sind. Dabei werden keine neuen
Operatoren gebildet. Die Filterung wird bei diesen Verfahren
durch Faltung der durch das Programm gegebenen Operatoren
mit dem Bilddatenfeld erreicht. Bei solchen Verfahren,
in denen viele verschiedene spezielle Operatoren für
verschiedene Prozesse erforderlich sind, z. B. Differentiation,
Integration und Anhebung, müssen die Operatoren für
jede dieser Funktionen zuvor gebildet werden. Dadurch müssen
Programme erstellt werden, deren Zahl der Zahl der Faltungen
entspricht, so daß eine Programmeinrichtung großer
Kapazität, die ein Speichervolumen von mehreren Kilobyte
hat, und ein entsprechend großer Speicher zur Speicherung
einer großen Zahl Generierungsprogramme erforderlich sind.
Ferner werden bei den üblichen Raumbereichsfilterverfahren
Koeffizienten der Elementfunktionen (die noch beschrieben
werden) zur Bildung von Operatoren mit den Werten "0,44"
oder "0,14" verwendet, und dadurch werden die arithmetischen
Operationen beeinträchtigt, die der Rechner durchführen
muß. Es ergibt sich dann eine erhöhte Zahl arithmetischer
Operationen, die einen großen Speicher erfordert.
Damit entsteht ein weiteres Problem, nämlich die für die
arithmetischen Operationen und den Filterprozeß erforderliche
lange Zeit. Wird beispielsweise die Faltung eines
Operators mit einem großen Bilddatenfeld durchgeführt, so
wird die Zahl der arithmetischen Operationen für diese Faltung
extrem groß, so daß eine entsprechend lange Zeit für
den Prozeß anfällt.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Raumbereichsfilterverfahren
anzugeben, das mit nur wenig Speicherkapazität
durchgeführt werden kann. Ferner soll eine Filteranordnung
angegeben werden, die die dazu erforderlichen arithmetischen
Operationen mit hoher Geschwindigkeit durchführt.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1
bzw. des Patentanspruchs 30 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen
sind Gegenstand der Unteransprüche.
Zum besseren Verständnis der Erfindung werden zunächst die
Grundprinzipien der Erzeugung eines expandierten Operators
aus einem Grundoperator erläutert. Dabei werden zunächst
verschiedene Bezeichnungen definiert. Ein Grundoperator ist
ein Operator, der aus höchstens drei Elementfunktionen besteht.
Ein expandierter Operator ist ein Operator, der sich
durch eine Faltung mehrerer Grundoperatoren ergibt.
Eine Grundoperatorenfolge ist ein sequentieller Satz von
Grundoperatoren, bei dem die Koeffizientenanordnung der
Elementfunktionen, die die Grundoperatoren enthalten, übereinstimmt.
Wie beispielsweise in Fig. 3A bis 3D gezeigt,
ist die Koeffizientenanordnung der Elementfunktion 1/4,
1/2 und 1/4 für jeden Wert der variablen ganzen Zahl K,
wobei K=0, K=1, K=2 und K=3 ist. Bei dem in Fig. 4A bis 4D
gezeigten Beispiel ist die Koeffizientenanordnung der Elementfunktion
-1/2 und 1/2 für jeden Wert von K, wobei K=0,
K=1, K=2 und K=3 ist. Bei dem in Fig. 5A bis 5D dargestellten
Beispiel ist die Koeffizientenanordnung der Elementfunktion
-1/4, 1/2 und -1/4 für jeden Wert K, wobei K=0,
K=1, K=2 und K=3 ist. Bei jedem dieser Beispiele sind Werte
und Anordnung der Koeffizienten für alle Werte K gleich.
Ein Original-Grundoperator ist eine allgemeine Formel, die
jeden beliebigen Grundoperator der Grundoperatorenfolge beschreibt.
Allgemein ergibt sich ein Ausgangsdatensatz o(t) durch die
Faltung eines eindimensionalen Eingangsdatensatzes i(t)
und eines Grundoperators f₁(t) und wird folgendermaßen ausgedrückt:
Wenn die Beziehungen
o(t)=[o(t)]F₁(s)=[f₁(t) und
I(s)=[i(t)]
bestehen, wobei die Laplace-Transformation ist, so kann
die Gleichung (1) folgendermaßen umgeschrieben werden:
o(s) = F₁(s) · I(s) (2)
Die Faltung des so erhaltenen Ausgangsdatensatzes o(t) mit
einem zweiten Grundoperator f₂(t) entspricht der Multiplikation
beider Seiten der Gleichung (2) mit
F₂(s) = [f₂(t)],
so daß dasselbe Ergebnis durch Multiplikation von I(s) mit
F(s) = F₁(s) · F₂(s)
erhalten wird.
Somit ist zu erkennen, daß das durch die Faltung eines Ausgangsdatensatzes
mit den Grundoperatoren f₁(t) und f₂(t)
erhaltene Ergebnis äquivalent dem Ergebnis ist, das durch
die Faltung des Bilddatenfeldes mit einem expandierten Operator
erhalten wird, der sich durch die vorherige Faltung
der Grundoperatoren f₁(t) und f₂(t) ergibt.
Es folgt daraus, daß bei Grundoperatoren mit n Schritten
eine Folge von Faltungen beginnend mit der Faltung eines
Eingangsbilddatenfeldes mit dem Grundoperator f₁(t) zur
Erzeugung eines Ausgangsdatensatzes, der dann mit dem Grundoperator
f₂(t) gefaltet (d. h. zusammengerollt) wird, um
einen zweiten Ausgangsdatensatz zu erzeugen, der dann mit
dem Grundoperator f₃(t) zur Erzeugung eines dritten Ausgangssatzes
usw. gefaltet wird, bis sich die Faltung des
n-ten Schrittes durch Faltung des Ausgangsdatensatzes der
vorherigen Faltung mit dem Grundoperator f n (t) ergibt, äquivalent
dem Ergebnis ist, das sich durch die Faltung eines
anfänglichen Eingangsbilddatenfeldes mit einem expandierten
Operator f(t) ergibt, der zuvor erhalten wurde durch
Faltung des Grundoperators f₁(t) bis zum Grundoperator
f n (t), d. h. f(t) wird mit f₂(t) gefaltet, das Ergebnis wird
mit f₃(t) gefaltet usw. bis f n (t).
Der Erfindung liegt diese Erkenntnis zugrunde. Das Filterverfahren
für einen Raumbereich von Bilddaten, die eine
externe Eingabevorrichtung für visuelle Bilddaten liefert,
umfaßt die Schritte des Speicherns geeigneter Daten in
Speicherbereichen, der Aufnahme eines Anfangs-Bilddatenfeldes
aus der Eingabevorrichtung und der Erzeugung von
Signalen zum wahlweisen Aktivieren von Operationsprogrammen,
die in dem Speicherbereich vorhanden sind. Grundoperatoren
werden innerhalb einer Grundoperatorenfolge erzeugt,
und ein Bilddatenfeld wird durch die Faltung mit
einem Grundoperator verarbeitet. Dadurch ergeben sich Daten
einschließlich Spitzendateninformationen, die einer Entscheidung
unterzogen werden, bei der die Spitzendaten mit
vorbestimmten Referenzdaten verglichen werden. Abhängig von
dem Vergleichsergebnis werden die vorherigen Schritte mit
der Erzeugung eines Grundoperators und der Verarbeitung
eines Bilddatenfeldes abhängig von vorbestimmten Signalen
wiederholt, so daß sich eine Folge von Faltungen ergibt,
nach deren jeder Spitzendaten wie zuvor festgestellt werden
und ein Vergleich zwischen den Spitzendaten und den vorbestimmten
Referenzdaten erfolgt. Die Ausgangsdaten werden
einer Steuereinrichtung zugeführt, wenn sie bestimmte Kriterien
erfüllen, die sich aus den Referenzdaten ergeben.
Bei Verwendung üblicher Raumbereichsfilter müssen Operatoren,
die den "expandierten" Operatoren nach der Erfindung
entsprechen, zuvor erzeugt werden, so daß die Faltung solcher
Operatoren mit einem Bilddatenfeld möglich ist. Mit
einer noch zu beschreibenden, gemäß der Erfindung vorgesehenen
Filteranordnung werden im Gegensatz dazu in einer
Folge gewünschte Grundoperatoren jeweils so erzeugt, daß
ein Grundoperator mit einem Bilddatenfeld gefaltet wird,
und das durch diese Faltung erzielte Ausgangs-Bilddatenfeld
wird als neues Eingangs-Bilddatenfeld verwendet, das
dann mit einem zweiten Grundoperator gefaltet wird, usw.
Dieses Verfahren führt zu Ergebnissen, die äquivalent denen
sind, welche in bisher üblicher Weise durch Faltung eines
Operators mit ein und demselben Eingangs-Bilddatenfeld erzielt
wurden.
Das Verfahren nach der Erfindung erfordert eine nur minimale
Anzahl von Original-Grundoperatoren für die Faltung,
und diese werden in geeigneter Weise (aus dem Speicher)
ausgewählt, so daß die bei der jeweils vorherigen Faltung
erzielten Ausgangsdaten mit dem nächsten geeigneten Operator
gefaltet werden. Im Ergebnis wird die Anzahl von Programmen
zur Operatorenbildung deutlich verringert, und die
arithmetische Rechenzeit wird wesentlich verkürzt. Wenn
mehrere verschiedene Grundoperatoren in derselben Grundoperatorenfolge
abhängig von der Anzahl einer Variablen k
gewählt werden, so wird zusätzlich die erforderliche Speicherkapazität
zusammen mit der nötigen Rechenzeit noch
weiter verringert.
Eine Filteranordnung nach der Erfindung, mit der das Filterverfahren
in einem Raumbereich von Bilddaten durchgeführt
wird, die sich durch Eingabe eines externen visuellen
Bildes ergeben, liefert Steuerinformationen an eine gesteuerte
Antriebseinrichtung. Die Filteranordnung enthält
einen Generator zur Bildung von Grundoperatoren innerhalb
ein und derselben Grundoperatorfolge und einen Filterprozessor
zum Falten der Grundoperatoren mit einem Bilddatenfeld.
Die Filteranordnung enthält ferner eine sequentiell
arbeitende Faltungseinrichtung, die den Generator
und den Filterprozessor enthält, so daß die aus der letzten
Faltung einer Reihe von Faltungen erzielten Ausgangsdaten,
die sich auf ein Eingangs-Bilddatenfeld beziehen, als neues
Eingangs-Bilddatenfeld verwendet werden und dieses neue
Bilddatenfeld mit einem neu erzeugten Grundoperator gefaltet
wird. Dadurch erhält die Folge von Faltungen denselben
Effekt, wie er sich bei der direkten Faltung des anfänglichen
Bilddatenfeldes mit einem expandierten Operator ergibt.
Der Generator für die Grundoperatoren und der Filterprozessor
können in einem codierten Speicher vorgesehen sein,
und ferner können die Bildung der Grundoperatoren und das
Filtern entsprechend einer Subroutine in ein und derselben
Folge ablaufen.
Gemäß einer anderen Weiterbildung enthält der Generator für
die Grundoperatoren eine Elementfunktion oder eine Kombination
von zwei oder mehr Elementfunktionen, die folgendermaßen
definiert ist:
Dabei ist x=n+K(k); ferner ist K(k) Null oder
eine Funktion einer Variablen k; ferner ist n die
Position der der Filterung unterzogenen Bilddaten.
Die Elementfunktion dient zur Generierung eines Original-
Grundoperators, von dem ausgehend die Grundoperatoren in
derselben Grundoperatorenfolge gebildet werden.
Die Grundoperatorenfolge kann aus einer Kombination solcher
Elementfunktionen bestehen, von denen jede einen Koeffizienten
hat, der ein Mehrfaches von Zwei ist.
Die Grundoperatorenfolge enthält einen oder mehrere Integrationsoperatoren
I(n, k), Differentialoperatoren der ersten
Ordnung D (+) (n, k) und Differentialoperatoren der zweiten
Ordnung D′′(n, k), deren jeder folgendermaßen definiert
ist:
I(n, k) = (U(n)/2) + (1/4)[U(n+2 k ) + U(n-2 k )],
D (+) (n, k) = (1/2)[U(n-2 k ) - U(n+2 k )] und
D′′(n, k) = (U(n)/2) - (1/4[U(n+2 k ) + U(n-2 k )],
D (+) (n, k) = (1/2)[U(n-2 k ) - U(n+2 k )] und
D′′(n, k) = (U(n)/2) - (1/4[U(n+2 k ) + U(n-2 k )],
wobei k=0, 1, 2, 3 usw. ist.
Gemäß einer Weiterbildung erfolgt die Bildverarbeitung in
der Filteranordnung durch eine sequentielle Faltung der
Grundoperatoren mit einem Bilddatenfeld, das sich aus jeweils
einer der Faltungen mit einem Grundoperator ergibt.
Es ergibt sich dann ein expandierter Operator, der die
hochfrequenten Komponenten des Bilddatenfeldes beeinflußt,
also als Tiefpaßfilter wirkt. Die nachfolgenden Faltungen
der Grundoperatoren bilden expandierte Operatoren, die
wiederum die niederfrequente Komponente des Bilddatenfeldes
beeinflussen, also als Hochpaßfilter wirken. Die Erzeugung
der Grundoperatoren in ein und derselben Grundoperatorenfolge
wird durch Bestimmung einer Variablen k des
Original-Grundoperators als Argument, d. h. als variable
ganze Zahl, möglich.
Die Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf die
Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:
Fig. 1 eine Blockdarstellung eines Bildverarbeitungssystems
mit einer Filteranordnung,
in der entweder eine Filtervorrichtung
bisherige Art oder
eine Filtervorrichtung nach der Erfindung
verwendbar ist,
Fig. 2 eine Blockdarstellung eines Ausführungsbeispiels
einer Filteranordnung
der Erfindung,
Fig. 3A bis 3D, 4A bis 4D und 5A bis 5D mehrere Darstellungen zur Erläuterung
von Grundoperatoren, die in
einer Filteranordnung nach der Erfindung
verwendet werden,
Fig. 6 ein Flußdiagramm zur Erläuterung der
Arbeitsweise der Filteranordnung nach
der Erfindung,
Fig. 7A bis 7C, 8A und 8B sowie 9B Darstellungen zur Erläuterung eines
Verfahrens zur Erzeugung expandierter
Operatoren,
Fig. 10 eine Darstellung zur Erläuterung der
Effekte, die durch die Erfindung erzielt
werden,
Fig. 11 eine schematische Darstellung einer
automatischen Fokussiereinrichtung
einer fotografischen Kamera mit einer
Filteranordnung nach der Erfindung,
Fig. 12 eine Blockdarstellung der Funktionen
der Filteranordnung nach der Erfindung
in einer Verwendung gemäß Fig. 11
und
Fig. 13 ein Flußdiagramm zur Erläuterung der
Arbeitsweise der in Fig. 11 gezeigten
Kamera.
Fig. 2 zeigt eine Blockdarstellung einer Filteranordnung 12.
Diese ist als Gesamtblock gestrichelt dargestellt und enthält
einen Grundoperatorengenerator 20, der zur Bildung mehrerer
Grundoperatoren innerhalb ein und derselben Grundoperatorenfolge
dient.
Ein Original-Grundoperator wird zur Bildung der Grundoperatoren
benutzt, die in derselben Grundoperatorenfolge auftreten.
Eine variable ganze Zahl k wird in der Original-
Grundoperatorgleichung verwendet, so daß die Grundoperatoren
innerhalb der Folge die k-te Ordnung haben.
Zunächst wird die Elementfunktion entsprechend folgender
Funktion definiert:
Dabei ist x=n+K(k), ferner K(k) eine Funktion,
die durch Null oder eine Variable k bestimmt ist,
ferner n die Position der Bilddaten, die der Filterung
unterzogen werden.
Die Grundoperatoren in der Folge werden dann aus dem Original-
Grundoperator erhalten, indem der Variablen k in der
Original-Grundoperatorgleichung ein geeigneter Wert gegeben
wird, wobei die Variable k den Abstand zwischen den
Datenbits des Grundoperators angibt, der auf ein Bilddatenfeld
einwirkt. Beispielsweise kennzeichnet k=0, daß der
Grundoperator auf das Bilddatenfeld mit einem Abstand von
1 Bit einwirkt; k=1 kennzeichnet, daß der Grundoperator
auf das Bilddatenfeld mit einem Abstand von 2 Datenbits
einwirkt; k=2 kennzeichnet, daß der Grundoperator auf das
Bilddatenfeld mit einem Abstand von 3 Datenbits einwirkt;
k=3 kennzeichnet, daß der Grundoperator auf das Bilddatenfeld
mit einem Abstand von 4 Bits einwirkt usw.
In einer Filteranordnung nach der Erfindung werden die Original-
Grundoperatoren, die untereinander verschieden sind,
durch eine oder mehrer Kombinationen der Elementfunktionen
repräsentiert, und sie repräsentieren die Funktionen der
Variablen k. Beispielsweise können drei untereinander verschiedene
Grundoperatoren definiert werden durch (a) den
Integrationsoperator I(n, k), (b) den Differentialoperator
der ersten Ordnung D (+) (n, k) und (c) den Differentialoperator
der zweiten Ordnung D′′(n, k), von denen jeder wiederum
folgendermaßen definiert ist:
- (1) Der Integrationsoperator I(n, k) der k-ten Ordnung ist folgendermaßen definiert:
I(n, k) = AU(n) + B[U(n+K(k)) + U(n-K(k))] (4)
Dabei sind A und B willkürliche Koeffizienten.
Bei der in Fig. 2 gezeigten Anordnung wird dieser Integrationsoperator
I(n, k), bei dem k eine variable ganze Zahl
ist, in einem Subroutine-Codespeicherbereich 24 des Generators
20 gespeichert. Die variable ganze Zahl k ist in
einem Hauptprogrammspeicher 30 der Filteranordnung 12 gespeichert.
Wenn sie verschiedene Werte hat, so kann jeder
Integrations-Grundoperator in der Integrationsoperatorenfolge
des Integrationsoperators I(n, k) aus einem Generierungsprogramm
gebildet werden, d. h. von einem gemeinsamen
Integrationsoperator I(n, k). Wenn beispielsweise k=1, 2,
3 usw. ist, so wird das Integrationsergebnis als "1" angesehen.
In diesem Falle ergibt sich der Integrationsoperator
I(n, k) folgendermaßen:
I(n, k) = (U(n)/2) + (1/4)[U(n+2 k ) + U(n-2 k )] (5)
Dabei ist k=0, 1, 2, 3 usw. (eine variable ganze Zahl).
Eine Integrationsoperatorenfolge wird aus der vorstehenden
Gleichung mit vorgegebenen Werten k=0, k=1, k=2, k=3 usw.
in dem Integrationsoperator I(n, k) erhalten. Jeder Integrations-
Grundoperator innerhalb einer solchen Folge erscheint
dann wie in Fig. 3A bis 3D gezeigt, wobei die Abszisse
einer jeden Fig. 3 eine Position oder Adresse n abgibt,
bei der die Faltung eines Bilddatenfeldes und eines
Grundoperators erhalten wird. Die Ordinate in Fig. 3A bis
3D gibt die relative Größe an.
- (2) Ähnlich ist der Differentialoperator der ersten Ordnung D (+) (n, k) an einer k-ten Position folgendermaßen definiert:
D (+) (n, k) = C[U(n-K(k))] (6)
wobei C eine willkürliche Konstante ist.
Wie der Integrationsoperator I(n, k) wird der Differentialoperator
der ersten Ordnung D (+) (n, k) in einem Subroutine-
Codespeicherbereich 26 des Generators 20 (Fig. 2) gespeichert.
Die variable ganze Zahl k hat Werte wie zuvor beschrieben,
d. h. k = 0, 1, 2 usw., und wenn ein Wert für k
vorgegeben ist, so kann die Folge des Differentialoperators
D (+) (n, k) der ersten Ordnung aus einem Generierungsprogramm
gebildet werden, d. h. aus einem Differentialoperator
der ersten Ordnung D (+) (n, k).
Um das Integrationsergebnis "0" zu erhalten, ist der Differentialoperator
D (+) (n, k) folgendermaßen definiert:
D (+) (n, k) = (1/2)[U(n-2k) - U(n+2k)] (7)
wobei k=0, 1, 2, 3 usw. ist.
Dann erscheint jeder Differential-Grundoperator der ersten
Ordnung innerhalb der Folge verschiedener Operatoren der
ersten Ordnung für Werte k=0, k=1, k=2 und k=3, wie in
Fig. 4A bis 4D gezeigt, wobei die Abszisse wie zuvor eine
Position oder Adresse n angibt, an der die Faltung eines
Bilddatenfeldes und eines Grundoperators erhalten wird,
während die Ordinate die relative Größe angibt.
- (3) Ähnlich wird der Differentialoperator der zweiten Ordnung D′′(n, k) an den k-ten Position folgendermaßen definiert:
D′′(n, k)=DU(n)-E[U(n+K(k))+U(n-K(k))] (8)
wobei D und E willkürliche Konstanten sind.
Die vorstehende Gleichung ist in einem Subroutine-Codespeicherbereich
28 des Generators 20 (Fig. 2) gespeichert.
Wie der Integrationsoperator I(n, k) und der Differentialoperator
der ersten Ordnung D (+) (n, k) kann eine Reihe von
Grundoperatoren aus einem einzigen Differentialoperator
der zweiten Ordnung D′′(n, k) gebildet werden.
Um das Ergebnis der Integration gleich "1" zu erhalten,
wird der Operator D′′ folgendermaßen definiert:
D′′(n, k) = [U(n)/2] - (1/4)[U(n+2k) +
U(n-2k)] (9)
U(n-2k)] (9)
wobei k=0, 1, 2, 3 usw. ist.
Eine Reihe von Differential-Grundoperatoren der zweiten
Ordnung wird aus dem einen gemeinsamen Differentialoperator
der zweiten Ordnung D′′(n, k) für k=0, k=1, k=2, k=3
uww. erzeugt, wie es in Fig. 5A bis 5D gezeigt ist. Das
Ergebnis der Faltung eines Bilddatensatzes und dieses
Grundoperators ergibt sich an einer Position oder Adresse
n längs der Abszisse, während die Ordinate die relative
Größe angibt.
Aus drei unterschiedlichen Arten von Original-Grundoperatoren
kann also durch das Generierungsprogramm eine Folge
von Grundoperatoren erzeugt werden, die der jeweiligen
Folge von Grundoperatoren entspricht. Die Original-Grundoperatoren,
die zu verwenden sind, ergeben sich aus den
Gleichungen (5), (7) und (9). Die Koeffizienten der Elementfunktionen
U(n), d. h. A und B in Gleichung (4), C in
Gleichung (6) und D und E in Gleichung (8) werden so bestimmt,
daß jeder ein Vielfaches von Zwei ist und daß sie
nicht eine Funktion des Arguments k sind, d. h. sie ändern
sich nicht bei Änderungen des Arguments k.
Die in Fig. 2 gezeigte Filteranordnung 12 enthält einen
Filterprozessor 22, mit dem eine Faltung eines jeden mit
dem Generator 20 erzeugten Grundoperators mit einem Bilddatenfeld
erzeugt wird. Der in Fig. 2 gezeigte Punkt "I"
kennzeichnet die Eingabe eines anfänglichen Bilddatenfeldes
aus einer Eingabevorrichtung für visuelle Informationen,
z. B. eine Kamera. Die Einrichtungen zur Durchführung des
Faltungsprozesses können wie an sich bekannt aufgebaut sein,
so daß ihre eingehende Erläuterung in dieser Beschreibung
nicht erforderlich ist.
In einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist jedoch eine
Entscheidnungsvorrichtung 32 vorgesehen, der die Ausgangsdaten
des Filterprozessors 22 zugeführt werden. Sie vergleicht
diese Ausgangsdaten mit vorbestimmten Referenzdaten
oder Bedingungen. Wenn die Ausgangsdaten die vorbestimmten
Bedingungen erfüllen, so werden sie als Ausgangsdaten
der Entscheidungsvorrichtung 32 der Nachverarbeitungseinrichtung
14 zugeführt, wo sie zur Bildung eines Steuersignals
genutzt werden. Wenn die Ausgangsdaten die vorbestimmten
Bedingungen nicht erfüllen, so wird ein neuer, anderer
Grundoperator erzeugt. Dies erfolgt durch Signalgabe
der Entscheidungsvorrichtung 32 an den Generator 20 zusammen
mit einem Wert für die variable ganze Zahl k, und gleichzeitig
werden die an der Entscheidungsvorrichtung 32 empfangenen
Daten zu dem Filterprozessor 22 zurückgeführt als Bilddatenfeld,
das mit dem neuen Grundoperator zu falten ist.
Alternativ und vorzugsweise kann der Filterprozessor 22 auch
so aufgebaut sein, daß der vorherige Original-Grundoperator
und/oder die variable ganze Zahl k als Ausgang der Entscheidungsvorrichtung
32 bei einem bestimmten Punkt der Erzeugung
des Grundoperators und des Filterprozessors abgegeben werden,
ohne daß eine Entscheidung erfolgt, d. h. ohne Vergleich
eingegebener gefalteter Daten mit einer vorbestimmten Bedingung
in der Entscheidungsvorrichtung 32.
Im folgenden wird die Arbeitsweise des Filterprozessors 22
an Hand des Flußdiagramms nach Fig. 6 erläutert. Zu diesem
Zweck und im Interesse der einfachen Erklärung sind die drei
vorstehend beschriebenen Original-Grundoperatoren, nämlich
der Integrationsoperator, der Differentialoperator der ersten
Ordnung und der Differentialoperator der zweiten Ordnung
mit P, Q und R bezeichnet. Ferner ist zur Anzeige des
Arguments oder der variablen ganzen Zahl k für k=0, 1, 2
3 usw. der Grundoperator in jeder Grundoperatorfolge mit
einem grundsätzlichen Index bezeichnet. Somit sind die Integrations-
Grundoperatoren der entsprechenden Folge mit P₀
für k=0, P₁ für k=1, P₂ für k=2, P₃ für k=3 usw. bezeichnet.
Ähnlich sind die Differentialoperatoren der aus dem Differentialoperator
der ersten Ordnung erzeugten Folge mit Q₀
für k=0, Q₁ für k=1, Q₂ für k=2, Q₃ für k=3 usw. bezeichnet.
Die Differentialoperatoren der aus dem Differentialoperator
der zweiten Ordnung erzeugten Folge sind mit R₀ für k=0,
R₁ für k=1, R₂ für k=2, R₃ für k=3 usw. bezeichnet. Weitere
Symbole in der folgenden Beschreibung sind "*" für Faltungen
und "S" für Prozeßschritte. Auf der Grundlage dieser
Bezeichnungsweisen wird der Prozessor 22 nach Fig. 2 nun
unter Bezugnahme auf das in Fig. 6 gezeigte Flußdiagramm
beschrieben.
Eine externe Eingabevorrichtung für visuelle Informationen,
beispielsweise eine Kamera, liefert ein sichtbares Bild,
aus dem ein Bilddatenfeld z. B. mit einer CCD-Anordnung unter
gleichmäßiger Abtastung abgeleitet wird. Das so erhaltene
Bilddatenfeld wird entweder direkt oder über einen
Zwischenspeicher dem Filterprozessor 22 der Filteranordnung
12 (Fig. 2) zugeführt. Der Punkt I in Fig. 2 kennzeichnet
den Eingang zur Zuführung des Bilddatenfeldes zum Filterprozessor
22. Diese Anfangsprozedur entspricht dem in Fig. 6
gezeigten Schritt S 1, bei dem ein Bilddatenfeld empfangen
wird.
Dann wird ein Anfangswert für die variable ganze Zahl k
mit "0" eingestellt (Schritt S 2 in Fig. 6).
Um die mit dem Bilddatenfeld i(t) zu faltenden Grundoperatoren
zu erzeugen, wird ein Signal entweder der Filteranordung
12 über einen externen Eingangsanschluß 34 zugeführt
oder von der Entscheidungsvorrichtung 32 innerhalb
der Filteranordnung 12 als Eingangssignal an den Generator
20 für die Grundoperatoren gegeben, so daß einer der
drei Original-Grundoperatoren, die in den Speicherbereichen
24, 26 und 28 gespeichert sind, ausgewählt wird (Schritt S 3
in Fig. 6). Es sei an dieser Stelle angenommen, daß der gewählte
Original-Grundoperator der Integrations-Grundoperator
P ist. Der Grundoperator P₀ wird dann für die Einstellung
von k=0 als einer der Grundoperatoren in der Folge
des Integrations-Grundoperators P erzeugt (Schritt S 4 in
Fig. 6). Der Grundoperator P₀ wird dann von dem Generator
20 abgegeben und dem Filterprozessor 22 zugeführt (Schritt
S 5 in Fig. 6). Die Faltung des Grundoperators P₀ mit dem
Bilddatenfeld erfolgt dann in dem Filterprozessor 22, der
ein Faltungssignal als Ausgangsdaten O₀(t) abgibt (Schritt
S 6 in Fig. 6).
Die Entscheidungsvorrichtung 32 vergleicht die Ausgangsdaten
O₀(t) mit vorbestimmten Bedingungen (Schritt S 7 in
Fig. 6), und wenn diese Bedingungen erfüllt sind, so werden
die Ausgangsdaten O₀(t) als Ausgangssignale der Nachverarbeitungseinrichtung
14 (Fig. 2) zugeführt. Wenn die
Ausgangsdaten O₀(t) den vorbestimmten Bedingungen nicht genügen,
so gibt die Entscheidungsvorrichtung 32 ein Signal
an den Generator 20 zur Anforderung eines neuen Original-
Grundoperators, d. h. des Grundoperators Q, und schaltet die
variable ganze Zahl von k=0 auf k = 1, so daß der neue Original-
Grundoperator Q aus dem Speicher ausgelesen und zusammen
mit der variablen ganzen Zahl k=1 einem anderen Verfahrensschritt
innerhalb des Generators 20 zugeführt wird.
Gleichzeitig werden die Ausgangsdaten O₀(t) über eine Rückführung
als neues Eingangs-Bilddatenfeld dem Anschluß I
des Filterprozessors 22 zugeführt.
Der Generator 20 erzeugt einen neuen Grundoperator Q₁
(Schritt S 4 in Fig. 6), der dem Filterprozessor 22 zugeführt
wird (Schritt S 5 in Fig. 6), in dem das neue Bilddatenfeld
O₀(t) und der Grundoperator Q₁ gefaltet werden
(Schritt S 6 in Fig. 6) und die neuen Ausgangsdaten O₁(t)
auftreten, d. h.:
O₁(t) = O₀(t)*Q₁
Dies ist äquivalent zu:
O₁(t) = (i(t)*P₀)*Q₁
Wenn die Ausgangsdaten O₁(t) in der Entscheidungsvorrichtung
32 den vorbestimmten Bedingungen nicht genügen, so
wird der Zyklus zur Auswahl eines neuen Original-Grundoperators
aus dem Speicher wiederholt und die variable ganze
Zahl k um eine Stufe weitergeschaltet, um einen neuen
Grundoperator zu erzeugen, der dann als Eingangsinformation
dem Filterprozessor 22 zugeführt und mit den Ausgangsdaten
des vorherigen Faltungszyklus gefaltet wird. Der
Zyklus wird je nach Erfordernis wiederholt, bis die vorbestimmten
Bedingungen erfüllt sind.
Solche vorbestimmten Bedingungen können beispielsweise ein
bestimmter Kontrastwert der Bilddaten, eine vorbestimmte
Abweichung eines visuellen Signals von einem festen Referenzwert,
ein bestimmter Signalpegel der Bilddaten und andere
Bedingungen sein, die sich auf das Eingangssignal der
visuellen Informationen beziehen.
Wie zuvor erläutert, sind die Enddaten, die sich durch Wiederholen
mehrerer Zyklen ergeben, in denen jeweils ein
neuer Grundoperator erzeugt wird und dieser mit einem Bilddatenfeld
aus dem vorherigen Zyklus gefaltet wird, äquivalent
den Ausgangsdaten, die sich durch die Faltung eines
Anfangs-Bilddatenfeldes mit einem expandierten Operator ergeben,
der wiederum durch Falten der Grundoperatoren entsteht.
Bei dieser gerade beschriebenen Operation ist die variable
ganze Zahl k als Teil des Hauptprogramms der Filteranordnung
in einem Speicher, beispielsweise in einem Lesespeicher
des Hauptprogramms 30 (Fig. 2) gespeichert, und die
drei verschiedenen Original-Grundoperatoren sind als Subroutinen
in den Speicherbereichen 24, 26 28 des Generators
20 gespeichert, die auch Lesespeicher sein können. Bei
Durchführung des Hauptblocks kann eine Schrittfolge bestehend
aus Erzeugung, Faltung und Entscheidung in der vorstehend
beschriebenen Art in einer Sequenz durchgeführt werden,
indem k und eine ausgewählte Subroutine aus dem Speicher
ausgelesen werden.
An Hand der Fig. 7 bis 9 werden nun Beispiele der Anwendung
expandierter Operatoren beschrieben, die zu Ausgangsdaten
führen, welche äquivalent den zuvor beschriebenen Ausgangsdaten
sind.
In Fig. 7A bis 7C ist dargestellt, wie expandierte Operatoren
aus dem ersten Original-Grundoperator entstehen, wie
er zuvor erläutert wurde. Dies ist der Integrations-Grundoperator
I(n, k), der durch die Gleichung (5) angegeben
wird. Fig. 7A zeigt die Integrations-Grundoperatoren für
Werte k=0, k=1 und k=2.
Fig. 7B zeigt einen expandierten Integrationsoperator der
ersten Hierarchie, der durch Faltung der Integrations-
Grundoperatoren für k=0 und für k=1 entsteht. Fig. 7C zeigt
den expandierten Integrationsoperator der zweiten Hierarchie,
der durch Faltung des expandierten Integrationsoperators
der ersten Hierarchie mit dem Integrations-Grundoperator
für k=2 entsteht. Die durch die Faltung des expandierten
Integrationsoperators der zweiten Hierarchie mit
dem Anfangs-Bilddatenfeld erhaltenen Ausgangsdaten A sind
äquivalent den Ausgangsdaten A₂, die sich durch den folgenden
sukzessiven Faltungsprozeß ergeben.
Zunächst ergeben sich Ausgangsdaten A₀, wobei A der gewählte
Original-Grundoperator ist und 0 seine Anwendung
für k=0 kennzeichnet, durch Falten eines Anfangs-Bilddatenfeldes
mit dem Integrations-Grundoperator für k=0. Neue
Ausgangsdaten A₁ ergeben sich dann durch Falten der Ausgangsdaten
A₀ mit dem Integrations-Grundoperator für k=1.
Danach ergeben sich neue Ausgangsdaten A₂ durch Falten der
Ausgangsdaten A₁ mit dem Integrations-Grundoperator für
k=2. Dieses Verfahren sukzessiver Faltungsprozesse erzeugt
Ausgangsdaten A₂, die äquivalent den Ausgangsdaten A sind,
welche sich durch Falten des expandierten Integrationsoperators
der zweiten Hierarchie mit einem Anfangs-Bilddatenfeld
ergeben.
Wenn dieselben und/oder verschiedene Integrations-Grundoperatoren
nacheinander mit den zuvor erhaltenen Ausgangsdaten
(Bilddatenfeld) wiederholt gefaltet werden, so erhält
man eine endliche Zahl verschiedener expandierter Integrationsoperatoren.
Diese endliche Zahl hat die Wirkung
mehrerer Tiefpaßfilter mit festen Grenzfrequenzen, was
leicht einzusehen ist.
Fig. 8 zeigt, wie der expandierte Differentialoperator aus
dem Integrations-Grundoperator I(n, k) und dem Differential-
Grundoperator der ersten Ordnung D (+) (n, k) erhalten wird.
In diesem Fall ergibt sich der expandierte Differentialoperator
durch Falten des Integrations-Grundoperators für
k=0 mit dem Differential-Grundoperator der ersten Ordnung
für k=1, wie es in Fig. 8A gezeigt ist. Die Ausgangsdaten
B₁, die sich durch sukzessive Faltungsprozesse der vorstehend
beschriebenen Art ergeben, sind äquivalent den Ausgangsdaten
B, die man durch direktes Falten eines Anfangs-
Bilddatenfeldes mit dem expandierten Differentialoperator
der ersten Ordnung erhält. Diese Äquivalenz wird im folgenden
erläutert.
Zunächst erhält man Ausgangsdaten B₀ durch Falten des Integrations-
Grundoperators für k=0 mit einem Anfangs-Bilddatenfeld.
Die Ausgangsdaten B₁ erhält man dann durch Falten
des Differential-Grundoperators der ersten Ordnung für k=1
mit den zuvor erhaltenen Ausgangsdaten B₀.
Fig. 8B zeigt den expandierten Differentialoperator der
zweiten Hierarchie, der sich durch Falten des Integrations-
Grundoperators der ersten Hierarchie mit dem Differential-
Grundoperator der ersten Ordnung für k=2 ergibt. Wenn die
Faltung des Integrations-Grundoperators der ersten Hierarchie
mit demselben und/oder verschiedenen Differential-
Grundoperatoren der ersten Ordnung durchgeführt wird, so
erhält man eine endliche Zahl expandierter Differentialoperatoren,
und eine endliche Zahl expandierter Differential-
Operatorgruppen wirkt wie mehrere Bandpaßfilter mit
festen Mittenfrequenzen, wie leicht einzusehen ist.
Fig. 9 dient zur Erläuterung, daß eine endliche Zahl expandierter
Emphasisoperatoren erzielbar ist, wenn bei dem
in Fig. 8 gezeigten Prozeß Differential-Grundoperatoren
der zweiten Ordnung für k=1 (Fig. 9A) und für k=2 (Fig. 9B)
an Stelle des Differential-Grundoperators der ersten Ordnung
für k=2, wie er bei dem Prozeß nach Fig. 8 verwendet
wurde, vorgesehen sind. Die so erhaltene endliche Zahl von
Gruppen expandierter Emphasisoperatoren wirkt wie mehrere
Seitenband-Unterdrückungsfilter mit regelmäßig gedehnten
Feldern, wie leicht einzusehen ist.
Aus den vorstehenden Erläuterungen wird erkennbar, daß
die Filteranordnung nach der Erfindung nur eine geringe
Zahl an Original-Grundoperatoren in geeigneten Speicherbereichen,
beispielsweise in Lesespeichern, benötigt, die
dann zusammen mit einem geeigneten Wert der variablen ganzen
Zahl k gelesen werden, um einen Grundoperator in der
gewählten Grundoperatorfolge zu bilden und diesen dann dem
Filterprozessor 22 zuzuführen. Deshalb wird bei Anwendung
des erfindungsgemäßen Verfahrens gegenüber einem Verfahren
mit bisher üblichen Filteranordnungen die erforderliche
Speicherkapazität wesentlich reduziert und die Rechengeschwindigkeit
beachtlich erhöht.
Es wurde auch gezeigt, daß bei Koeffizienten der Elementfunktionen,
die ein Mehrfaches von Zwei sind, wie bei den
Original-Grundoperatoren gemäß Gleichungen (5), (7) und
(9) die arithmetischen Operationen durch nur eine Bitverschiebung
erfolgen, so daß die Anzahl arithmetischer Operationen
für den Filterprozeß noch weiter verringert wird.
Obwohl diese Original-Grundoperatoren Elementfunktionen
haben, die den Bestandteil 2 k haben, werden die Effizienz
und die Vorteile der arithmetischen Operationen, nämlich
die hohe Rechengeschwindigkeit und die verringerte Speicherkapazität,
mit einer Filteranordnung nach der Erfindung
erreicht.
Die Anwendung der arithmetischen Operationszahl wird in
Verbindung mit dem expandierten Integrationsoperator der
zweiten Hierarchie erläutert, wie er in Fig. 7 gezeigt ist.
Fig. 10 ist eine Darstellung zur Erläuterung der arithmetischen
Operationszahl für die Faltung eines Bilddatenfeldes
mit jedem Integrations-Grundoperator.
In Fig. 10A ist eine Bilddatenfolge 40 mit N Bits dargestellt.
Zunächst sei der Fall betrachtet, daß der Integrations-
Grundoperator für k=0, nämlich I(n, k) nach Fig. 7A,
gewählt ist und mit einem Bilddatenfeld gefaltet wird. Unter
Berücksichtigung eines Operators mit einer Länge von drei
Bits und des gewünschten Genauigkeitsgrades der Faltung
wird diese so durchgeführt, daß die Bitposition des Operators
für n=0 mit allen Bits gefaltet wird, mit Ausnahme der
Bits an beiden Enden der Bilddatenfolge, d. h. des ersten
und des n-ten Bits, die in Fig. 10a schraffiert dargestellt
sind. Daraus folgt, daß der Operator aus drei Bits besteht,
während die Bitzahl der zu faltenden Bilddatenfolge N-2
beträgt, so daß die Gesamtzahl arithmetischer Operationen
für die Faltung 3(N-2) ist.
Die durch die Faltung gemäß Fig. 10A erhaltenen Ausgangsdaten
bilden ein neues Eingangs-Bilddatenfeld 42, das in
Fig 10B gezeigt ist. Deshalb erscheinen im Falle der Faltung
mit dem Integrations-Grundoperator für k=1 nach Fig.
7B die drei Teilbits dieses Operators an drei Bitpositionen,
die jeweils durch zwei Bits voneinander getrennt sind, und
entsprechend werden die arithmetischen Operationen an der
Bitposition n=0 vom vierten bis zum (n-3)-ten Bit der Bilddatenfolge
durchgeführt. Es ergeben sich dann insgesamt
sechs Bits Bilddaten, d. h. das erste, zweite und dritte,
das (N-2)-te, das (N-1)-te und das N-te Bit, die in Fig.
10B schraffiert sind, werden der arithmetischen Operation
unterzogen. Diese sechs Bilddatenbits sind aber insignifikant
(wenn nicht bedeutungslos), so daß die durch die Faltung
erhaltenen Daten nicht genutzt werden. In diesem Fall
sind jedoch die sieben Bits ausgehend von jedem Ende der
Bilddatenfolge bei der Faltung bedeutungslos, so daß die
dabei erhaltenen Daten nicht genutzt werden. Da der Operator,
wie zuvor beschrieben, aus drei Bits besteht, während
die Bitzahl der zu faltenden Bilddatenfolge (N-6) beträgt,
ergibt sich eine Gesamtzahl der arithemtischen Operationen
von 3(N-6).
Die Faltung der auf diese Weise erhaltenen Ausgangsdaten
ist in Fig. 10C als neues Bilddatenfeld 44 dargestellt,
und seine Faltung mit dem Integrations-Grundoperator für
k=2 gemäß Fig. 7A wird durchgeführt. In diesem Fall handelt
es sich um einen Operator, bei dem drei seiner Bits
an drei Bitpositionen erscheinen, die durch vier Bits voneinander
getrennt sind, und zusätzlich werden die sieben
Bits ausgehend von jedem Ende der Bilddatenfolge, die in
Fig. 10C schraffiert sind, der arithmetischen Operation
unterzogen. In diesem Fall sind die sieben Bits ausgehend
von jedem Ende der Bilddatenfolge bedeutungslos bei der
Faltung, so daß die Faltung von dem achten bis zum
(N-6)-ten Bit durchgeführt. Daher ergibt sich entsprechend
dem vorstehend beschriebenen Verfahren für die arithmetischen
Operationen die Gesamtzahl 3(N-14).
Entsprechend den drei vorstehend beschriebenen Sequenzen
beträgt die Gesamtzahl Nc der bei den drei Faltungen durchgeführten
arithmetischen Operationen
Nc = 3(N-2) + 3(N-6) + 3(N-14) = 9N-66
Deshalb müssen für ein Bilddatenfeld mit 100 Bits, d. h.
für N=100, insgesamt für den Faltungsprozeß 834 arithmetische
Operationen durchgeführt werden.
Im Vergleich dazu ist die Anzahl N′c arithmetischer Operationen
bei Verwendung eines bisher üblichen Filterverfahren
mit Faltung eines expandierten Integrationsoperators
der zweiten Ordnung, wie er in Fig. 7C gezeigt ist, für
ein Anfangs-Bilddatenfeld 40 der in Fig. 10A gezeigten Art
N′c = 15N-210
so daß bei einem Bilddatenfeld 40 nach Fig. 10A mit 100 Bits
Länge die Gesamtzahl arithmetischer Operationen 1290 beträgt,
also höher als 834 ist, wie sie bei einem Filterverfahren
nach der Erfindung anfällt.
Die Gleichung für N′c wurde für ein Beispiel bestimmt, bei
dem das Bilddatenfeld aus N Bits und der Operator zweiter
Ordnung aus 15 Bits besteht. Da sieben Bits ausgehend von
beiden Enden des Bilddatenfeldes bei der Faltung bedeutungslos
sind, wird die Faltung somit von dem achten bis zum
(N-8)-ten Bit des 15 Bits langen Operators durchgeführt. Es
ergibt sich:
N′c
=15 (N-2 · 7)
=15 (N-14)
=15N-210
=15 (N-14)
=15N-210
Aus den vorstehenden Erläuterungen ist leicht zu erkennen,
daß die Anwendung bisheriger Filterverfahren, bei denen ein
expandierter Operator für jede Faltung zu erzeugen ist und
dann direkt mit dem Anfangs-Bilddatenfeld gefaltet wird,
die Zahl arithmetischer Operationen größer als bei Faltung
eines Integrations-Grundoperators I(n ,k) mit einem Bilddatenfeld
ist, das zuvor durch einen sequentiellen Faltungsprozeß
erhalten wurde, bei dem die variable ganze Zahl
k von einem kleinen zu einem großen Wert zunimmt. Dieser
Vorteil kommt noch deutlicher zum Ausdruck bei Zunahme der
Zahl der Bits in dem Bilddatenfeld, d. h. mit zunehmenden
Werten N. Wenn ferner der Original-Grundoperator aus einer
Elementfunktion mit Koeffizienten besteht, die ein Mehrfaches
von Zwei sind, so wird die Faltungsoperation nach
der Erfindung in einer Anzahl durchgeführt, die gleichfalls
ein Mehrfaches von Zwei ist, während im Falle bisher üblicher
Frequenzfilterverfahren alle Multiplikationsschritte
in den erforderlichen arithmetischen Operationen enthalten
sind. Deshalb ist leicht einzusehen, daß die Zahl arithmetischer
Operationen durch die Erfindung wesentlich herabgesetzt
wird.
Im folgenden wird die Anwendung einer Filteranordnung nach
der Erfindung bei einer automatischen Fokussiereinrichtung
einer fotografischen Kamera beschrieben.
Fig. 11 zeigt in Blockdarstellung den Aufbau einer Kamera,
die ein automatisches Fokussiersystem enthält. Die Kamera
hat ein Objektiv 51 und ein Kameragehäuse 81, an dem das
Objektiv 51 zu befestigen ist.
Das Objektiv 51 enthält ein Linsensystem 54 mit einer
Linse 53, die bei der automatischen Fokussierung längs
einer optischen Achse bewegt werden kann. Ferner ist eine
Antriebstransmission 55 mit einer Kupplung 55 a, einem Getriebe
55 b, einem Schraubenelement 55 c und zugehörigen
Komponenten vorgesehen, wodurch die Antriebstransmission 55
die Kraft einer (noch zu beschreibenden) Antriebsvorrichtung
auf die bewegliche Linse 53 überträgt, so daß diese
um ihre optische Achse in die jeweils richtige Fokussierungsposition
gedreht wird. Ein Objektiv-Lesespeicher 57
enthält Daten über das Objektiv und in der Kamera ablaufende
automatische Prozesse, beispielsweise den Wert einer
Arbeitsblende des Objektivs 51, Informationen über die
Position der beweglichen Linse 53 usw. Schließlich ist
ein elektrisches Kontaktfeld 59 auf einer Seite des Objektivs
51 vorgesehen, um dieses elektrisch mit dem Kameragehäuse
81 zu verbinden.
Das Kameragehäuse 81 enthält ein optisches System, das
einen Hauptspiegel 83, einen Nebenspiegel 85, eine Fokussierungsplatte
87, ein Pentaprisma 89 und zugehörige Komponenten
umfaßt. Ein Teil des Lichtes eines Objektivs, das
durch das Objektiv 51 eintritt, wird auf einer Bildfokussierungseinheit
91 fokussiert. Vorzugsweise ist diese gemäß
bekannter Technik als Brennpunkt-Auswertesystem aufgebaut
und enthält dann einen CCD-Sensor.
Das Kameragehäuse 81 enthält ferner eine automatische Fokussiersteuereinheit
(PCU) 93, die die doppelte Funktion
der Steuerung der Fokussierungseinheit 91 und der Steuerung
eines Antriebsmechanismus 95 für die bewegliche Linse 53
erfüllt. Der Antriebsmechanismus 95 umfaßt einen Autofokusmotor
95 a, ein Getriebe 95 b, eine Kupplung 95 c und
einen Codierer 95 d, die gemeinsam die Drehgeschwindigkeit
des Autofokusmotors 95 a steuern, welcher die bewegliche
Linse 53 des Objektivs 51 entsprechend Fokussierungsdaten
verschiebt, die von der Fokussiersteuereinheit 93 empfangen
werden. Die Antriebskraft des Antriebsmechanismus 95
wird über die Kupplung 95 c zur Außenseite des Kameragehäuses
81 übertragen, an der eine Verbindung mit der Kupplung
55 a des Objektivs 51 erfolgt. Dadurch kann die Linse
53 in der einen oder der anderen Richtung relativ zu
ihrer optischen Achse verschoben bzw. gedreht werden. Die
Kamera ist so aufgebaut, daß der Motor 95 a eine vorbestimmte
konstante Drehzahl hat, so daß die Linse 53 längs ihrer
optischen Achse mit konstaner Geschwindigkeit bewegt wird.
Das Kameragehäuse 81 ist ferner mit Fotosensoren 97 a und
97 b für eine automatische Belichtungssteuerung ausgerüstet,
die eine Belichtungssteuereinheit (DPU) 97 ansteuern. Das
Kameragehäuse 81 enthält auch eine Anzeigesteuereinheit
(IPU) 99 und eine zentrale Verarbeitungseinheit (CPU) 101,
die die Fokussiersteuereinheit 93 steuert und so aufgebaut
ist, daß der Objektiv-Lesespeicher 57 des Objektivs 51 von
ihr gesteuert wird. Das Kameragehäuse 81 hat auch ein elektrisches
Kontaktfeld 103, das dem Kontaktfeld 59 des Objektivs
51 entspricht und die Signalübertragung von der
zentralen Verarbeitungseinheit 101 zum Lesespeicher 57 ermöglicht.
Bei der Anwendung der Erfindung auf die Autofokussiereinrichtung
dieser Kamera sind mindestens die in Fig. 1 und 2
gezeigte Filteranordnung 12 sowie die Nachverarbeitungseinrichtung
14 nach Fig. 1 in der zentralen Verarbeitungseinheit
101 vorhanden. Die Eingabevorrichtung 10 (Fig. 1)
für externe visuelle Informationen entspricht den Komponenten
54, 83 und 85 des optischen Systems, und die Bildfokussiereinheit
91 ist ein CCD-Speicher. Die gesteuerte Antriebseinrichtung
16 nach Fig. 1 entspricht dem Antriebsmechanismus
95 innerhalb des Kameragehäuses 81 und der Antriebstransmission
55.
Die zentrale Verarbeitungseinheit (CPU) 101 enthält einen
Hauptspeicherbereich 30 (Fig. 2) mit einem Lesespeicher und
einem Arbeitsspeicher sowie einen oder mehrere Subroutine-
Speicherbereiche 24 bis 28 (Fig. 2) zur Erzeugung der Grundoperatoren
und Abgabe von Eingangssignalen für den Filterprozessor
22. In den Subroutine-Speicherbereichen 24 bis 28
sind z. B. drei Original-Grundoperatoren der vorstehend beschriebenen
Art gespeichert, nämlich der Integrationsoperator
I(n, k) gemäß Gleichung (5), der Differentialoperator der
ersten Ordnung D (+) (n, k) gemäß Gleichung (7) und der Differentialoperator
der zweiten Ordnung D′′(n, k) gemäß Gleichung
(9). Diese Operatoren sind so gespeichert, daß sie
bei Empfang eines entsprechenden Signals von der Entscheidungsvorrichtung
32 frei gelesen werden können. Ähnlich
ist die variable ganze Zahl k in dem Hauptprogrammspeicherbereich
30 so gespeichert, daß sie aus diesem frei gelesen
und dem Generator 20 zur Bildung der Grundoperatoren zugeführt
werden kann.
Die zentrale Verarbeitungseinheit 101 hat einen ersten
Speicher 110 und einen zweiten Speicher 112 (Fig. 12) zur
vorübergehenden Speicherung von Daten wie Bilddaten und/
oder Ausgangsdaten, die während des Filterprozesses erzeugt
werden.
Im folgenden wird eine Art der Arbeitsweise der Erfindung
an Hand des in Fig. 13 gezeigten Flußdiagramms beschrieben.
Die Erfindung ermöglicht eine hochgenaue Fokussierung einer
fotografischen Kamera. Hierzu wird dieser Prozeß durch Nutzung
von Informationen oder Daten durchgeführt, die hochfrequente
Komponenten aus dem Frequenzspektrum eines sichtbaren
Bildes enthalten. Die Amplitude dieser Komponenten
entspricht dem Bildkontrast. Ist sie nicht groß, d. h. gleich
oder kleiner als die Rauschamplitude, so sind solche Komponenten
für den Autofokusprozeß schädlich. Durch Anwendung
des Filterverfahrens können daher solche Frequenzkomponenten,
die im Rauschen enthalten und damit nutzlos sind, ausgesondert
werden.
In einigen Fällen kann es nötig sein, die Rauschkomponente
des sichtbaren Bildes zu eliminieren, die Frequenzkomponenten
enthält, welche höher als die hochfrequenten Komponenten
des Objekts sind. Deshalb wird im folgenden ein Verfahren
beschrieben, bei dem von der hochfrequenten Komponente
zur niederfrequenten Komponente eines sichtbaren Bildes
gefiltert wird.
Zunächst wird die Filteranordnung durch sequentielles Lesen
des Hauptprogramms aus dem Hauptprogrammspeicher 30
aktiviert, und dabei wird das Anfangs-Bilddatenfeld, das
von dem CCD-Sensor der Bildfokussiereinheit 91 über die
Fokussiersteuereinheit 93 empfangen wurde, vorübergehend
in einem ersten Speicher 110 gespeichert (Schritt S 10 in
Fig. 13).
Danach werden Anfangsbedingungen derart eingestellt, daß
der Integrationsoperator I(n, k), der als ein Original-
Grundoperator im Speicherbereich 24 des Generators 20 gespeichert
ist, entweder durch eine geeignet externe Vorrichtung
wie eine Tastatur oder automatisch durch die Entscheidungsvorrichtung
32 in der Filteranordnung 12 ausgewählt
wird, und die variable ganze Zahl k wird auf k=0
eingestellt (Schritt S 12 in Fig. 13).
Dann wird das Programm zur Bildung des Integrationsoperators
I(n, k) an der k-ten Position eingeleitet, indem der
Original-Grundoperator aus dem Speicherbereich 24 ausgelesen
wird. Mit k=0 erzeugt der Generator 20 den Integrations-
Grundoperator nach Fig. 3A. Danach wird das Anfangs-
Bilddatenfeld aus dem ersten Speicher 110 zum Filterprozessor
22 übertragen. Gleichzeitig damit empfängt der Filterprozessor
22 den Integrations-Grundoperator von dem Generator
20, so daß die Faltung des Anfangs-Bilddatenfeldes
und des Integrations-Grundoperators durchgeführt wird und
die erhaltenen Ausgangsdaten in einem zweiten Speicher 112
gespeichert werden (Schritt S 14 in Fig. 13).
Die Ausgangsdaten werden der Entscheidungsvorrichtung 32
zugeführt. In diesem Fall erfolgt keine Entscheidung, statt
dessen wird ein weiterer Original-Grundoperator wie der
Differentialoperator der zweiten Ordnung D′′(n, k) benannt,
und die variable ganze Zahl k wird auf k=1 geändert (Schritt
S 15 in Fig. 13). Sie wird als Eingangsgröße dem Generator 20
zugeführt. Da der Differentialoperator der zweiten Ordnung
als Original-Grundoperator verwendet und die ganze Zahl k
um Eins erhöht wird, besteht die Möglichkeit der Aufnahme
eines Signals der hochfrequenten Komponente infolge der
Verringerung des Frequenzfilterwirkungsgrades der Filteranordnung.
Das Programm zur Erzeugung des Differentialoperators der
zweiten Ordnung D′′(n, k) wird aus dem Speicherbereich 26
gelesen, so daß der Generator 20 diesen neuen Original-
Grundoperator in Verbindung mit dem Wert k=1 zur Erzeugung
des Differential-Grundoperators zweiter Ordnung gemäß Fig.
5B benutzt. Dieser wird dann dem Filterprozessor 22 zugeführt,
der auch das zuvor erzeugte Bilddatenfeld als Ausgangsdaten
des zweiten Speichers 112 empfängt. Der Filterprozessor
22 faltet dann das aus der vorherigen Faltung
erhaltene Bilddatenfeld mit dem Differential-Grundoperator
zweiter Ordnung, woraus sich ein Bilddatenfeld ergibt, das
in dem ersten Speicher 110 gespeichert wird (Schritt S 16
in Fig. 13).
Danach sucht oder stellt die Entscheidungsvorrichtung 32
den Spitzenwert D′′p des in dem ersten Speicher 110 gespeicherten
Bilddatenfeldes fest (Schritt S 17 in Fig. 13).
Die Entscheidungsvorrichtung 32 bestimmt, ob der so festgestellte
Spitzenwert D′′p größer als ein vorbestimmter
Schwellenwert C ist (Schritt S 18 in Fig. 13). Wenn dies
der Fall ist, so hat der Spitzenwert D′′p eine hochfrequente
Komponente, die zur Verarbeitung der Fokussierungsinformation
ausreicht und nicht im Rauschen untergeht. In
diesem Fall wird das Bilddatenfeld der Autofokussiereinrichtung
über die Nachverarbeitungseinrichtung 14 (Fig. 1)
zugeführt.
Wenn aber der Spitzenwert D"p nicht über dem vorbestimmten
Schwellenwert C liegt, so erhält er keine hochfrequente
Signalkomponente, die zufriedenstellend als Fokussierinformation
nutzbar ist. Deshalb stellt die Entscheidungsvorrichtung
32 fest, ob die variable ganze Zahl k kleiner
als eine zuvor bestimmte Steuerzahl k₀, z. B. k₀=4, ist
(Schritt S 19 in Fig. 13). Ist die variable ganze Zahl k
größer als die Steuerzahl k₀, so ist es unmöglich, die gewünschte
Fokussierinformation zu erhalten, auch wenn der
Prozeß wiederholt wird. Deshalb werden das in dem ersten
Speicher 110 gespeicherte Bilddatenfeld und das aus dem
vorherigen Faltungszyklus erhaltene Bilddatenfeld aus dem
Speicher 112 addiert. Die so erhaltene Summe wird in dem
ersten Speicher 110 gespeichert (Schritt S 20 in Fig. 13)
und als Ausgangsdaten der Autofokuseinrichtung zugeführt.
Wenn andererseits die variable ganze Zahl k kleiner als
die Steuerzahl k₀ ist, so werden die in dem zweiten Speicher
112 gespeicherten Daten in den ersten Speicher 110
übertragen (Schritt S 21 in Fig. 13) und als neues Bilddatenfeld
betrachtet, das dem Filterprozessor 22 zugeführt
wird. Der Prozeß wird dann zu dem Schritt S 14 in Fig. 13
zurückgeführt. Da aber die variable ganze Zahl k an dieser
Stelle auf k=1 eingestellt ist, erzeugt der Generator
20 den in Fig. 3B gezeigten Integrations-Grundoperator,
der wiederum mit dem Bilddatenfeld aus dem ersten Speicher
110 in dem Filterprozessor 22 gefaltet wird. Die erhaltenen
Ausgangsdaten in der Form eines neuen Bilddatenfeldes werden
in dem zweiten Speicher 112 gespeichert (Schritt S 14
in Fig. 13).
Dann wird die variable ganze Zahl k entsprechend dem Schritt
S 15 in Fig. 13 um Eins auf k=2 erhöht, so daß der Differential-
Grundoperator zweiter Ordnung, der in Fig. 5C gezeigt
ist, erzeugt und mit den aus dem vorherigen Schritt S 14 erhaltenen
Ausgangsdaten in dem Filterprozessor 22 gefaltet
wird. Die daraus erhaltenen Ausgangsdaten werden in dem ersten
Speicher 110 gespeichert (Schritt S 16 in Fig. 13). Der
Spitzenwert D′′p der in Schritt S 16 erhaltenen Ausgangsdaten,
der in dem ersten Speicher 110 gespeichert ist, wird
wie zuvor beschrieben gesucht (Schritt S 17 in Fig. 13) und
dem Schritt S 18 in Fig. 13 zugeführt, der bestimmt, ob der
Spitzenwert D′′p höher als der vorbestimmte Schwellenwert C
ist. Damit wird auch bestimmt, ob der Spitzenwert D′′p eine
Frequenzkomponente enthält, die kleiner als diejenige des
vorhergehenden Prozesses ist. Wenn der Spitzenwert D′′p
größer als der Schwellenwert C ist, so werden die Ausgangsdaten
als nutzbare Daten dem Autofukusprozeß zugeführt.
Wenn der Spitzenwert D′′p nicht größer als der Schwellenwert
C ist, so werden die Ausgangsdaten in Schritt S 19 weiter
verarbeitet. Wenn die variable ganze Zahl k nicht kleiner
als die Steuerzahl k₀ (Schritt S 19 in Fug. 13) ist,
so wird der Schritt S 20 durchgeführt, um die Summe der Daten
des ersten und des zweiten Speichers zu bilden und diese
in den ersten Speicher in bereits beschriebener Weise
einzuschreiben. Die erhaltene Summe wird dann als nutzbare
Ausgangsdaten für den Autofokusprozeß genutzt. Wenn der
Spitzenwert D′′p kleiner als der Schwellenwert C ist, die
variable ganze Zahl k jedoch kleiner als die Steuerzahl k₀
ist (Schritte S 18 und S 19), so wird alternativ der Schritt
S 21 durchgeführt, worauf der Schritt S 14 folgt, und diese
Schritte werden mit unterschiedlichen variablen ganzen Zahlen
k wiederholt, um endgültige Ausgangsdaten zu erhalten,
die nicht im Rauschen untergehen und eine Frequenzkomponente
enthalten, die kleiner als diejenige des vorherigen Prozesses
ist, jedoch als nutzbare Fokusinformation ausreicht.
Wie vorstehend beschrieben und dem Flußdiagramm nach Fig. 13
entspricht, erhält man einen maximalen Differenzwert für
eine Frequenz in dem verarbeiteten sichtbaren Bild eines
Objekts durch Faltung des Differential-Grundoperators zweiter
Ordnung mit dem zuvor erhaltenen Bilddatenfeld. Ein
solcher Faltungsprozeß wird nacheinander wiederholt, so
daß sich Ausgangsdaten ergeben, die zunächst einen maximalen
Differenzwert haben, der höher als ein vorbestimmter
Schwellenwert ist und von einer maximalen Frequenz sequentiell
zu niedrigeren Frequenzen abfällt. Hierzu werden die
Faltungen wiederholt und die nutzbaren Ausgangsdaten ausgewertet
und als Steuersignal für die Autofokuseinrichtung
der Kamera angewendet.
Wenn die Filteranordnung nach der Erfindung verwendet wird,
so kann ein Objekt, dessen Lichtintensität sich ändert,
automatisch mit hoher Genauigkeit fokussiert werden, während
dies nach den bisher üblichen Filterverfahren mit festen
Differentialwerten nicht möglich war.
Die Erfindung ist auf das zuvor beschriebene Anwendungsbeispiel
nicht beschränkt, sondern es können auch zahlreiche
andere Ausführungsformen verwirklicht werden, wie sie weiter
oben auch genannt wurden. Beispielsweise kann die Filteranordnung
nach der Erfindung auch anders als beschrieben
aufgebaut sein, solange eine der Erfindung entsprechende
Funktion erzielt wird.
Grundsätzlich enthält die Filteranordnung Mittel zur Speicherung
eines oder mehrerer vorbestimmter Original-Grundoperatoren,
aus denen ein Original-Grundoperator bei Empfang
eines Wertes für die variable ganze Zahl k ausgelesen
wird, der dem Generator 20 für den Grundoperator zugeführt
wird. Ein Grundoperator wird in derselben Folge wie der gespeicherte
Original-Grundoperator erzeugt und einem Filterprozessor
zugeführt, in dem der erzeugte Grundoperator mit
einem Bilddatenfeld gefaltet wird, das aus einer vorhergehenden
Faltungsfolge hervorgeht. Dies hängt ab von Bedingungen,
die aus dem jeweils erhaltenen Bilddatenfeld entnommen
werden.
Bei dem Anwendungsbeispiel der Erfindung in Verbindung mit
einer Autofokussiereinrichtung einer Kamera und entsprechend
dem Flußdiagramm nach Fig. 13 werden der Integrationsoperator
und der Differentialoperator zweiter Ordnung als die
beiden Original-Grundoperatoren verwendet. Es ist jedoch
auch möglich, einen Operator oder eine Kombination von zwei
oder mehr Operatoren, die aus dem Integrationsoperator, dem
Differentialoperator erster Ordnung und dem Differentialoperator
zweiter Ordnung ausgewählt sind, sowie andere geeignete
Operatoren in Verbindung mit einem Verfahren und einer
Anordnung nach der Erfindung zu benutzen.
Anstelle des Differentialoperators zweiter Ordnung D"(n, k),
wobei gilt
D (-) (n, k) = -(1/2) · [U(n-2 k ) - U(n+2 k )]
kann D′′(n, k) auch durch sequentielles Falten von D (+) (n, k)
und D (-) (n, k) mit den Ausgangsdaten erhalten werden.
Auch wenn
N(n) = -U(n)
anstelle von D′′(n, k) verwendet wird, so kann D (-) (n, k)
durch sequentielles Falten von D (+) (n, k) und N(n) mit dem
Ausgangs-Bilddatenfeld erhalten werden, so daß der Original-
Grundoperator D (-) (n, k) und/oder N(n) verwendet werden
kann.
Es ist ferner darauf hinzuweisen, daß die Erfindung nicht
nur auf die in Fig. 6 und 13 gezeigten Flußdiagramme des
vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiels beschränkt
ist, sondern daß andere geeignete Flußdiagramme eingesetzt
werden können. Diese können abhängig von Aufbau und Arbeitsweise
der Filteranordnung nach der Erfindung ausgebildet
sein.
Ferner kann die Filteranordnung nach der Erfindung nicht
nur auf ein eindimensionales Bilddatenfeld, sondern in gleicher
Weise auf zweidimensionale Bilddatenfelder angewendet
werden, wenn der bzw. die Original-Grundoperatoren geeignet
gewählt sind.
Wie vorstehend beschrieben, können mehrere Grundoperatoren
in derselben Folge wie der Original-Grundoperator aus diesem
mit nur einem Erzeugungsprogramm gebildet werden. Durch
die erste Faltung eines der Grundoperatoren mit einem Anfangs-
Bilddatenfeld ergeben sich die ersten Ausgangsdaten
als Bilddatenfeld. Das zweite Bilddatenfeld ergibt sich durch
die zweite Faltung eines weiteren Grundoperators mit dem
zuvor erhaltenen Bilddatenfeld. Das dritte Bilddatenfeld ergibt
sich durch eine dritte Faltung eines weiteren Grundoperators
mit dem zweiten erhaltenen Bilddatenfeld usw., bis
ein endgültiges Datenfeld durch Fortsetzung eines solchen
sequentiellen Faltungsprozesses von Grundoperatoren mit jeweils
zuvor entwickelten Bilddatenfeldern vorliegt. Der Faltungsprozeß
nach der Erfindung kann zu demselben Ergebnis
führen, das bei Anwendung eines bisher üblichen Verfahrens
erzielt wird, bei dem aber eine direkte Faltung expandierter
Operatoren mit einem Anfangs-Bilddatenfeld durchgeführt
wird. Als Ergebnis eines Verfahrens und einer Anordnung
nach der Erfindung sind bei optischen Frequenzfiltereinrichtungen
bei der automatischen Fokussierung und Auswertung in
einer Kamera z. B. die folgenden Vorteile realisierbar:
- (1) Verkürzung der Wortlängen in einem mathematischen Programm,
- (2) Verringerung der Anzahl von Multiplikationen und anderen mathematischen Operatoren, wodurch die Operationsgeschwindigkeit wesentlich erhöht wird, und
- (3) sequentielles Ausführen des Filterprozesses von einer großen zu einer kleinen Informationsmenge dadurch, daß, je geringer der Wert der variablen ganzen Zahl k ist, um so höher die Frequenz der in dem Datenfeld vorhandenen Informationen ist, so daß das Verfahren ausgehend von einem kleinen Positionswert k (hinsichtlich hochfrequenter Komponenten) zu einem hohen Positionswert k (hinsichtlich niederfrequenter Signalkomponenten) durchgeführt werden kann. Auf diese Weise eliminiert die Filteranordnung unerwünschtes hochfrequentes Rauschen durch Ausfiltern hochfrequenter Komponenten, während hochfrequente Informationen erhalten werden, die den Daten des visuellen Bildes entsprechen.
Somit eignet sich die beschriebene Filteranordnung bestens
zum Einsatz in Verarbeitungseinrichtungen für sichtbare Bilder
wie Bildmuster-Erkennungseinrichtungen und Fokussierungs-
und Auswertungseinrichtungen für Kameras.
Claims (52)
1.Verfahren zur Durchführung eins Filterprozesses in
einem Raumbereich eines Anfangs-Bilddatenfeldes, das aus
einem externen visuellen Bild abgeleitet ist, gekennzeichnet
durch folgende Schritte:
- (a) Aufnehmen des Anfangs-Bilddatenfeldes in einem Filterprozessor,
- (b) Erzeugen mehrerer Grundoperatoren in mindestens einer Grundoperatorenfolge,
- (c) Falten des Anfangs-Bilddatenfeldes mit einem der Grundoperatoren in dem Filterprozessor zur Erzeugung eines ersten Ausgangs-Bilddatenfeldes und
- (d) wahlweise Eingeben des ersten Ausgangs-Bilddatenfeldes zurück in den Filterprozessor zur Faltung mit einem weiteren Grundoperator.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Grundoperatoren in einer einzigen Grundoperatorenfolge
erzeugt werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
daß zum wahlweisen Eingeben des ersten
Ausgangs-Bilddatenfeldes zumindest eine ausgewählte Bedingung
dieses Bilddatenfeldes festgestellt und bestimmt
wird, ob jede ausgewählte Bedingung jeweil eine Referenzbedingung
erfüllt.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,
daß mindestens ein Ausgangs-Bilddatenfeld in
dem Filterprozessor erzeugt wird, und daß wahlweise und
sequentiell jedes Ausgangs-Bilddatenfeld als ein Eingabe-
Bilddatenfeld immer dann zum Filterprozessor zurückgeleitet
wird, wenn die jeweilige Bezugsbedingung durch
das Ausgangs-Bilddatenfeld nicht erfüllt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet,
daß immer dann ein anderer Grundoperator der
Grundoperatorfolge mit einem Eingabe-Bilddatenfeld gefaltet
wird, wenn ein Ausgangs-Bilddatenfeld zum Filterprozessor
zurückgeleitet wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet,
daß nur dann ein Ausgangs-Bilddatenfeld ausgegeben
wird, wenn jede Referenzbedingung erfüllt wird.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß das
Anfangs-Bilddatenfeld einer Filteranordnung zugeführt
und in einen Speicherbereich eingespeichert wird, daß
eine variable ganze Zahl k gleich 0 gesetzt wird, daß
ein Original-Grundoperator aus mehreren in einem Speicherbereich
eines Grundoperatorgenerators gespeicherten
Original-Grundoperatoren ausgewählt wird und daß danach
der mit dem Anfangs-Bilddatenfeld zu faltende Grundoperator
erzeugt wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch
gekennzeichnet, daß bei Nichterfüllung einer
Referenzbedingung aus einem Hauptspeicher ein erstes
Signal zur Erzeugung einer variablen ganzen Zahl k mit
vorbestimmtem Wert abgegeben wird und daß ein zweites
Signal aus einem Vergleicher einem Grundoperatorgenerator
zugeführt wird, um einen Original-Grundoperator
aus einem Speicherbereich des Grundoperatorgenerators
auszuwählen.
9.Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet,
daß die variable ganze Zahl k dem Grundoperatorgenerator
zur Erzeugung eines neuen Grundoperators zugeführt
wird.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch
gekennzeichnet, daß von einer die Ausgangs-
Bilddatenfelder empfangenden Nachverarbeitungseinrichtung
ein Steuersignal erzeugt wird.
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet,
daß das Steuersignal einen Antriebsmotor steuert.
12. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet,
daß das Steuersignal die automatische Fokussierungseinrichtung
einer Kamera steuert.
13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die Grundoperatoren
durch Erzeugen eines Original-Grundoperators
auf der Grundlage mindestens einer der folgenden Elementfunktionen
gebildet werden:
wobei x=n+K(k), ferner K(k) Null oder eine Funktion
einer Variablen k, und n die Position gefalterter Bilddaten
ist und wobei alle Grundoperatoren in der Grundoperatorenfolge
auf den Original-Grundoperatoren basieren.
14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet,
daß die Grundoperatorfolge mindestens einen
der folgenden Operatoren enthält:
- (a) einen Integrationsoperator I(n, k) folgender Definition: I(n, k) = (U(n)/2) + (1/4)[U(n+2 k ) + U(n-2 k )]
- (b) einen Differentialoperator erster Ordnung D (+) (n, k) folgender Definition: D (+) (n, k) = (1/2)[U(n-2 k ) - U(n+2 k )]
- (c) einen Differentialoperator zweiter Ordnung D"(n, k) folgender Definition: D"(n, k) = (U(n)/2) - (1/4)[U(n+2 k ) + U(n-2 k )]wobei k=0, 1, 2, 3 . . . ist.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 13, dadurch
gekennzeichnet, daß der Original-Grundoperator
durch ein externes Signal einer Tastatur ausgewählt
wird.
16. Filteranordnung zur Durchführung des Verfahrens nach
einem der Ansprüche 1 bis 15 und zur Ableitung von
Steuerinformationen für eine gesteuerte Antriebseinrichtung,
gekennzeichnet durch
- (a) einen Generator (20) zur Erzeugung von Grundoperatoren in mindestens einer Grundoperatorfolge,
- (b) einen Filterprozessor (22) zum Falten eines anfänglichen Eingabe-Bilddatenfeldes und nachfolgender Eingabe-Bilddatenfelder mit jeweils einem Grundoperator zur Erzeugung jeweils eines Ausgangs- Bilddatenfeldes,
- (c) Mittel zum sequentiellen Falten eines jeden Eingabe- Bilddatenfeldes durch sequentielles und selektives Eingeben aufeinander folgender Ausgangs- Bilddatenfelder aus dem Filterprozessor (22) zurück in den Filterprozessor (22) als Eingabe- Bilddatenfelder und durch Falten eines jeden Eingabe- Bilddatenfeldes, das dem Filterprozessor (22) wieder zugeführt wurde, mit einem anderen Grundoperator aus der Grundoperatorenfolge.
17. Filteranordnung nach Anspruch 16, gekennzeichnet
durch eine Einrichtung (14) zur Erzeugung eines
endgültigen Ausgabe-Bilddatenfeldes, das zumindest weitgehend
äquivalent einem Datenfeld ist, das durch direkte
Faltung eines anfänglichen Eingabe-Bilddatenfeldes mit
einem expandierten Operator erhalten wird.
18. Filteranordnung nach Anspruch 16 oder 17, dadurch
gekennzeichnet, daß der Generator (20) und
der Filterprozessor (22) einen Codespeicherbereich enthalten.
19. Filteranordnung nach einem der Ansprüche 16 bis 18,
gekennzeichnet durch Mittel zum Bilden der
Grundoperatoren und zum Falten der Eingabe-Bilddatenfelder
in vorbestimmter Folge.
20. Filteranordnung nach einem der Ansprüche 16 bis 19,
dadurch gekennzeichnet, daß der Generator
(20) Mittel zum Erzeugen eines Original-Grundoperators,
ausgehend von mindestens einer der folgenden Elementfunktionen
enthält:
wobei x=n+K(k), ferner K(k) Null oder eine Funktion
einer Variablen k und n die Position von einem Filterprozeß
unterzogenen Bilddaten ist und wobei alle Grundoperatoren
einer einzelnen Grundoperatorenfolge ausgehend
von dem Original-Grundoperator gebildet werden.
21. Filteranordnung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet,
daß jede Grundoperatorenfolge
aus einer Kombination der Elementfunktionen besteht,
wobei jede Elementfunktion einen Koeffizienten hat, der
ein Mehrfaches von Zwei ist.
22. Filteranordnung nach Anspruch 20 oder 21, dadurch
gekennzeichnet, daß die Grundoperatorenfolge
mindestens einen Intergrationsoperator I(n, k), einen Differentialoperator
erster Ordnung D (+) (n, k) oder einen
Differentialoperator zweiter Ordnung D"(n, k) enthält,
wobei jeder dieser Integrations- bzw. Differentialoperatoren
folgendermaßen definiert ist:
I(n, k) = (U(n)/2) + (1/4)[U(n+2 k ) + U(n-2 k )]
D (+) (n, k) = (1/2)[U(n-2 k ) - U(n+2 k )]
D′′(n, k) = (U(n)/2) - (1/4)[U(n+2 k ) + U(n-2 k )]wobei k=0, 1, 2, 3 . . . ist.
D (+) (n, k) = (1/2)[U(n-2 k ) - U(n+2 k )]
D′′(n, k) = (U(n)/2) - (1/4)[U(n+2 k ) + U(n-2 k )]wobei k=0, 1, 2, 3 . . . ist.
23. Filteranordnung nach einem der Ansprüche 16 bis 22,
dadurch gekennzeichnet, daß der Filterprozessor
(22) Mittel zum sequentiellen Falten individueller
Grundoperatoren aus der Grundoperatorenfolge mit
sukzessiven Eingabe-Bilddatenfeldern enthält, wobei die
Grundoperatoren expandierte Operatoren sind, die hochfrequente
Komponenten der Eingabe-Bilddatenfelder beeinträchtigen.
24. Filteranordnung nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet,
daß die Grundoperatoren ferner expandierte
Operatoren enthalten, die niederfrequente Komponenten
in den Eingabe-Bilddatenfeldern beeinträchtigen.
25. Filteranordnung nach einem der Ansprüche 16 bis 24,
dadurch gekennzeichnet, daß der Generator
(20) Mittel zum Erzeugen der Grundoperatoren in
einer einzigen Grundoperatorenfolge durch Auswahl einer
Variablen k eines Grundoperators als variable ganze
Zahl enthält.
26. Filteranordnung nach einem der Ansprüche 16 bis 25,
dadurch gekennzeichnet, daß die mindestens
eine Grundoperatorenfolge eine einzige Grundoperatorenfolge ist.
27. Filteranordnung nach einem der Ansprüche 16 bis 26,
gekennzeichnet durch eine Vorrichtung (32)
zum Bestimmen, ob jedes der Ausgangs-Bilddatenfelder
mindestens eine vorbestimmte Bedingung erfüllt, und zum
wahlweisen Eingeben eines jeden Ausgangs-Bilddatenfeldes
zurück in den Filterprozessor (22) über eine Rückführschleife.
28. Filteranordnung nach einem der Ansprüche 16 bis 27,
gekennzeichnet durch mindestens einen Speicherbereich
mit Mitteln zur Aufnahme der Ausgangs-Bilddatenfelder
aus dem Filterprozessor (22) und zum wahlweisen
Eingeben der Ausgangs-Bilddatenfelder zurück in
den Filterprozessor (22).
29. Filteranordnung nach einem der Ansprüche 16 bis 28,
gekennzeichnet durch mindestens einen Speicherbereich
zur Aufnahme des anfänglichen Eingabe-Bilddatenfeldes
aus dem Filterprozessor (22) und zum wahlweisen
Eingeben dieses Bilddatenfeldes zurück in den
Filterprozessor (22).
30. Filteranordnung zur Durchführung des Verfahrens nach
einem der Ansprüche 1 bis 15 in einem Raumbereich
eines anfänglichen Bilddatenfeldes, das aus einer externen
Bildeingabevorrichtung für sichtbare Bilder abgeleitet
ist, gekennzeichnet durch
- (a) einen Generator (20) zur Erzeugung von Grundoperatoren innerhalb mindestens einer Grundoperatorenfolge,
- (b) einen Filterprozessor (22) zur Faltung eines anfänglichen Eingabe-Bilddatenfeldes und nachfolgender Eingabe-Bilddatenfelder mit jeweils einem Grundoperator zur Erzeugung sukzessiver Ausgangs- Bilddatenfelder entsprechend den gefalteten Eingabe- Bilddatenfeldern,
- (c) eine Entscheindungsvorrichtung (32) zur Feststellung, ob jedes sukzessive Ausgangs-Bilddatenfeld mindestens eine vorbestimmte Bedingung erfüllt, und
- (d) Mittel zur wahlweisen Abgabe eines der Ausgangs- Bilddatenfelder an eine Nachverarbeitungseinrichtung (14) nur dann, wenn jede vorbestimmte Bedingung von diesem Ausgangs-Bilddatenfeld erfüllt wird.
31. Filteranordnung nach Anspruch 30, gekennzeichnet
durch Mittel zur sequentiellen Abgabe der sukzessiven
Ausgangs-Bilddatenfelder zurück zum Filterprozessor
(22) als Eingabe-Bilddatenfelder immer dann, wenn
keine vorbestimmte Bedingung erfüllt wird.
32. Filteranordnung nach Anspruch 31, dadurch gekennzeichnet,
daß der Filterprozessor (22) ferner
Mittel zum Falten eines anderen Grundoperators der Grundoperatorenfolge
mit einem anderen Eingabe-Bilddatenfeld
jeweils dann enthält, wenn ein Ausgangs-Bilddatenfeld
zum Filterprozessor (22) zurückgegeben wird.
33. Filteranordnung nach einem der Ansprüch 30 bis 32,
gekennzeichnet durch Mittel zum sequentiellen
und wahlweisen Eingeben sukzessiver Ausgangs-Bilddatenfelder
des Filterprozessors (22) zurück in den Filterprozessor
(22) als sukzessive Eingabe-Bilddatenfelder
mit unterschiedlichen Grundoperatoren aus der Grundoperatorenfolge.
34. Filteranordnung nach Anspruch 33, dadurch gekennzeichnet,
daß die Entscheidungsvorrichtung (32) ferner
Mittel zum wahlweisen Eingeben eines jeden Ausgangs-
Bilddatenfeldes in den Filterprozessor (22) über eine
Rückführleitung enthält.
35. Filteranordnung nach Anspruch 33 oder 34, gekennzeichnet
durch mindestens einen Speicherbereich
mit Mitteln zur Aufnahme sukzessiver Ausgangs-Bilddatenfelder
aus dem Filterprozessor (22) und zum wahlweisen
Eingeben sukzessiver Ausgangs-Bilddatenfelder zurück in
den Filterprozessor (22).
36. Filteranordnung nach einem der Ansprüch 33 bis 35,
gekennzeichnet durch mindestens einen Speicherbereich
zum Aufnehmen des anfänglichen Eingabe-Bilddatenfeldes
aus dem Filterprozessor (22) und zum wahlweisen
Eingeben dieses Bildfeldes zurück in den Filterprozessor
(22).
37. Filteranordnung nach einem der Ansprüche 30 bis 36,
dadurch gekennzeichnet, daß der Generator
(20) für Grundoperatoren mehrere Speicherbereiche
(24, 26, 28) und Mittel zum Empfang von Werten einer
variablen ganzen Zahl k enthält, wobei die Speicherbereiche
Mittel zur Aufnahme von Original-Grundoperatoren
enthalten.
38. Filteranordnung nach Anspruch 37, dadurch gekennzeichnet,
daß die Original-Grundoperatoren mindestens
einen Integrationsoperator I(n, k), einen Differentialoperator
erster Ordnung D (+) (n, k) oder einen
Differentialoperator zweiter Ordnung D′′(n, k) umfassen,
und daß diese Operatoren jeweils folgendermaßen definiert
sind:
I(n, k) = (U(n)/2) + (1/4)[U(n+2 k ) + U(n-2 k )],
D (+) (n, k) = (1/2)[U(n-2 k ) - U(n+2 k )] und
D′′(n, k) = (U(n)/2) - (1/4)[U(n+2 k ) + U(n-2 k )],wobei k= 0, 1, 2, 3 . . . ist.
D (+) (n, k) = (1/2)[U(n-2 k ) - U(n+2 k )] und
D′′(n, k) = (U(n)/2) - (1/4)[U(n+2 k ) + U(n-2 k )],wobei k= 0, 1, 2, 3 . . . ist.
39. Filteranordnung nach Anspruch 37 oder 38, dadurch
gekennzeichnet, daß der Generator (20) für
die Grundoperatoren Mittel zum Erzeugen der Grundoperatoren
durch einen vorgegebenen Wert einer ganzen
Zahl k und zur Auswahl eines Original-Grundoperators
aus einem der Speicherbereiche (24, 26, 28) enthält.
40. Filteranordnung nach einem der Ansprüche 30 bis 39,
dadurch gekennzeichnet, daß der Generator
(20) für die Grundoperatoren ferner einen Ausgangsanschluß
zur Übergabe der Grundoperatoren an den Filterprozessor
(22) hat.
41. Filteranordnung nach einem der Ansprüche 30 bis 40,
dadurch gekennzeichnet, daß der Filterprozessor
(22) Mittel zur Übergabe der Ausgangs-Bilddatenfelder
an die Entscheidungsvorrichtung (32) enthält.
42. Filteranordnung nach einem der Ansprüche 30 bis 41,
dadurch gekennzeichnet, daß der Filterprozessor
(22) mindestens einen Eingangsanschluß zur Übernahme
der anfänglichen Eingabe-Bilddatenanordnung aus
der Bildeingabevorrichtung (10) und zur Übernahme von
Ausgangs-Bilddatenfeldern aus einem dafür vorgesehenen
Speicherbereich oder aus der Entscheidnungsvorrichtung (32)
enthält.
43. Filteranordnung nach einem der Ansprüche 30 bis 42,
dadurch gekennzeichnet, daß die Entscheidungsvorrichtung
(32) Mittel zum Vergleich mindestens
einer Bedingung eines jeden Ausgangs-Bilddatenfeldes
mit jeweils einer Referenzbedingung enthält.
44. Filteranordnung nach einem der Ansprüche 30 bis 43,
dadurch gekennzeichnet, daß die Nachverarbeitungseinrichtung
(14) Mittel zur Abgabe eines
Steuersignals enthält.
45. Filteranordnung nach Anspruch 44, dadurch gekennzeichnet,
daß das Steuersignal einer automatischen
Fokussiereinrichtung einer Kamera zugeführt wird.
46. Filteranordnung nach einem der Ansprüche 30 bis 45,
dadurch gekennzeichnet, daß die Entscheidungsvorrichtung
(32) Mittel zur Abgabe eines Signals
an den Generator (20) immer dann enthält, wenn keine
der Bedingungen erfüllt wird, um einen Original-Grundoperator
aus einem Speicherbereich (24, 26, 28) des
Generators (20) auszuwählen.
47. Filteranordnung nach einem der Ansprüche 30 bis 46,
gekennzeichnet durch einen Hauptprogrammspeicher
(30) mit Mitteln zum Speichern einer variablen
ganzen Positionszahl k, mit Mitteln zur Abgabe
eines die Positionszahl k angebenden Signals an den
Generator (20) und mit Mitteln zur Abgabe von Steuersignalen
an den Filterprozessor (22) und an die Entscheidungsvorrichtung (32).
48. Filteranordnung nach einem der Ansprüche 30 bis 47,
dadurch gekennzeichnet, daß die Eingabevorrichtung
(10) ein CCD-Element als Bildempfangselement
enthält, das in gleichmäßig beabstandeten Abtastintervallen
betrieben wird.
49. Filteranordnung nach einem der Ansprüche 30 bis 48,
dadurch gekennzeichnet, daß der Filterprozessor
(22) einen ersten Speicherbereich für das
anfängliche Eingabe-Bilddatenfeld und einen zweiten
Speicherbereich für sukzessive Ausgangs-Bilddatenfelder
enthält.
50. Filteranordnung nach Anspruch 49, dadurch gekennzeichnet,
daß der Filterprozessor (22) Mittel
zum wahlweisen Eingeben von Bilddatenfeldern in den
ersten und den zweiten Speicherbereich und zum Aufrufen
der Bilddatenfelder aus diesen Speicherbereichen enthält.
51. Filteranordnung nach Anspruch 50, dadurch gekennzeichnet,
daß der Filterprozessor (22) Mittel
zum Kombinieren gespeicherter Bilddatenfelder enthält.
52. Filteranordnung nach einem der Ansprüche 30 bis 51,
dadurch gekennzeichnet, daß eine einzige
Grundoperatorenfolge vorgesehen ist.
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