DE69326674T2 - Verfahren und Vorrichtung zur analogen Bildfaltung - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft generell den Bereich der Bildfaltung und bezieht sich insbesondere auf ein neues rekursives Verfahren, das es erlaubt, mittels sukzessiver Iterationen eine analoge Faltung eines Bildes durchzuführen, welches durch eine Vielzahl von analogen Spannungen repräsentiert wird, die von einer Vielzahl von netzförmig angeordneten elementaren Meßfühlern abgegeben werden, und zwar mit einer Gaußschen Impulsreaktion.
• Für die Gaußsche Filterung von Bildern gibt es zahlreiche Einsatzmöglichkeiten in der Praxis, und zwar insbesondere auf dem Gebiet der artifiziellen Vision.
• Eine solche Filterung bietet eine gewisse Anzahl von mathematisch interessanten Eigenschaften, wie eine optimale räumlich-zeitliche Ortung und Skalabilität.
• Nähere Einzeiheiten bezüglich der Gaußschen Filterung finden sich in der Veröffentlichung von D. Marr "Vision", Verlag Freeman, San Francisco, USA, 1982.
• Eine dem Fachmann bekannte Methode für die Durchführung einer solchen Gaußschen Filterung besteht darin, eine A/D-Umwandlung der verschiedenen elementaren Spannungen der Bildeingabeglieder durchzuführen und dann durch numerische Berechnung auf die gespeicherten Spannungen einen Kern der Gaußschen Bildfaltung zu beaufschlagen. Eine solche numerische Aufbereitung ist jedoch sehr zeitraubend und in keinem Fall mit der Bearbeitung von beweglichen Bildern in der Echtzeit vereinbar.
• Um diesen Nachteil numerischer Lösungen auszuschalten, wurde bereits versucht eine analoge Gaußsche Filterung parallel an den Spannungen der Meßfühler selbst durchzuführen.
• Eine erste bekannte Lösung dieser Art besteht darin, in Verbindung mit einem insbesondere zweidimensionalen Netz der Meßfühler ein resistives Netz einzusetzen, in dem jeder Widerstand zwei benachbarte Knoten des Meßfühlernetzes in jeder der Richtungen dieses Netzes miteinander verbindet. Der Artikel "Robot Vision", B. K. P. Horn, Verlag MIT Press, Cambridge, MA, USA, 1986, beschreibt ein resistives Netz dieser Art.
• Ein solcher resistiver Filter liefert jedoch eine Antwort der exponentiellen Art, die schlecht für gewisse Probleme der Vision auf niedriger Ebene geeignet ist. Insbesondere zeigt die Impulsreaktion eine nicht ableitbare zentrale Spitze, welche die nachfolgenden Behandlungen begrenzt.
• Andere Autoren haben vorgeschlagen, mehrere resistive Netze kaskadenförmig anzuordnen, um eine Reaktion zu erzielen, die mehr oder minder einer Gaußschen Reaktion nahekommt In der Praxis erweist sich diese Methode jedoch als schwierig, da sie analoge Komponenten und insbesondere Verstärker erfordert, die extrem enge Spezifikationen haben.
• Eine weitere bekannte Technik besteht darin, in Verbindung mit einem Netz aus analogen Meßfühlern ein RC-Netz einzusetzen, in dem die in den Meßfühlern kumulierten Spannungen auf die Anschlußklemmen von Kondensatoren beaufschlagt werden und in dem die Widerstände die benachbarten Knoten in der oder den Richtungen des Netzes miteinander verbinden. Die Doktorarbeit von T. Knight "Design of an integrated optical sensor with on-chip preprocessing", Department of Electrical Eng. and Computer Science, MIT, Cambridge, MA, USA, beschreibt einen Filter dieses Typs.
• Das Problem dieses bekannten Schaltkreises liegt darin, daß die erzielte Varianz des Gaußschen Kerns sehr rasch ansteigt, da die Werte der Widerstände, welche auf ein Halbleitersubstrat aufgesetzt sind, selbstverständlich schwach sind. Um also eine zufriedenstellende Gaußsche Reaktion (mit einer ausreichend schwachen und genau bestimmten) Varianz zu erhalten, ist es notwendig, die periodische Korrektur der Spannungen in dem Netz nach Ablauf einer extrem genau bestimmten kurzen Zeitdauer durchzuführen, was sich in der Praxis als schwierig erweist.
• Schließlich besteht eine weitere Lösung auf dem Gebiet analoger Bildfaltung in einem binomischen Bildfalter, wie er insbesondere in dem Artikel von C. Koch, "An Introduction to Neural and Electronic Networks", Resistive Networks for Computer Vision, Verlag S. F. Zornetzer, J.C. Davis & C. Lau, Academic Press, 1989, beschrieben ist Ein solcher Schaltkreis beruht auf einem teilweisen Transfer der Aufladungen an die verschiedenen Knoten des Meßfühlers mit Hilfe einer sorgfältig berechneten Verteilung der Elektroden.
• Ein solcher Schaltkreis hat jedoch den Nachteil, daß ein zweidimensionales Bild nicht leicht bearbeitet werden kann: tatsächlich ist es hier erforderlich, zuerst die Bildfaltung in einer der Achsen durchzuführen, und dann das Ergebnis in einem unabhängigen analogen Speicher des Meßfühlers selbst zu speichern, und schließlich eine Bildfaltung in der anderen Achse durchzuführen.
• Mit dieser binomischen Bildfaltung ist es ebenfalls schwierig, eine Gaußsche Reaktion mit einer ausreichend schwachen Varianz zu erreichen. Letztendlich und ganz besonders ist die nach dieser Technik hergestellte Bildfaltung nicht rekursiv und es ergeben sich daher unerwünschte Phänomene der Überlagerung des Spektrums.
• Die Patentschrift US-A-45 557 770 offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung für die Durchführung der Bildfaltung an Pixeln eines Bildes mit Hilfe von CCD-Elementen.
• Das in der US-A-45 557 770 beschriebene Verfahren ist von der analogen Art und verwendet in kontrollierter Weise die Mischung von Aufladungspaketen.
• Die vorliegende Erfindung zielt darauf ab, die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile auszuschalten.
• Die vorliegende Erfindung ist in den beigefügten unabhängigen Ansprüchen 1 und 3 offenbart.
• Zu diesem Zweck wird nach der vorliegenden Erfindung ein Verfahren für die Durchführung von rekursiven Operationen der insbesondere zweidimensionalen Bildfaltung der Gaußschen Art an Pixeln eines Bildes vorgeschlagen, wobei jedes der Pixel durch eine elektrische Spannung repräsentiert wird, dadurch gekennzeichnet, daß es die folgenden Arbeitsschritte umfaßt
• a) die elektrischen Spannungen werden auf die Anschlußklemmen einer Vielzahl von ersten Kondensatoren beaufschlagt, bei denen erste Anschlußklemmen an ein Referenzpotential angeschlossen sind und bei denen zweite Anschlußklemmen eine Vielzahl von Knoten eines Netzes bilden und gegeneinander elektrisch isoliert sind,
• b) mit Hilfe nicht aufgeladener zweiter Kondensatoren werden für eine bestimmte Zeitdauer die unmittelbar benachbarten Knoten in der einen oder beiden Richtungen des Netzes miteinander verbunden,
• c) die Knoten des Netzes werden erneut isoliert und die zweiten Kondensatoren werden entladen,
• d) die Etappen b) und c) werden wiederholt, und
• e) die neuen elektrischen Spannungen, die in den Knoten des Netzes vorhanden und für die Pixel eines gefalteten Bildes repräsentativ sind, werden gemessen.
• Die vorliegende Erfindung betrifft ebenfalls eine Vorrichtung für die Durchführung des vorstehend beschriebenen Verfahrens, die dadurch gekennzeichnet ist, daß sie in Kombination folgendes enthält:
• - ein Netz aus ersten Kondensatoren, bei denen eine erste Anschlußklemme an ein gemeinsames Referenzpotential angeschlossen ist und eine zweite Anschlußklemme eine elektrische Spannung aufnehmen kann, welche für ein Pixel eines Bildes repräsentativ ist,
• - eine Anordnung aus zweiten Kondensatoren, die jeweils an das benachbarte Paar in der einen oder anderen Richtung des Netzes aus ersten Kondensatoren angeschlossen sind,
• - gesteuerte Unterbrecher, die für eine bestimmte Zeitdauer die Anschlußklemmen der zweiten Kondensatoren an die zweiten Anschlußklemmen des entsprechenden Paares aus ersten Kondensatoren anschließen, und während einer zweiten vorbestimmten Zeitdauer, die an die erste anschließt, die zweiten Anschlußklemmen gegen das Paar erster Kondensatoren isolieren und die Anschlußklemmen der zweiten Kondensatoren kurzschließen.
• Auf diese Weise wird eine Bildfaltung durchgeführt, deren Reaktion einer Gaußschen Reaktion sehr nahe kommen kann, und zwar mit Hilfe von unkomplizierten technischen Mitteln, die man in einfacher Weise in eine Halbleiterschaltung mit sehr hohem Integrationsniveau einfügen kann.
• Der erfindungsgemäße Bildfalter hat die Fähigkeit, die Wärmegleichung zu lösen, deren Impulsreaktion als eine Gaußsche Reaktion angesehen werden kann, sobald die Abmessungen des Netzes ausreichend groß sind und sobald die Anzahl der Iterationen ausreichend ist.
• Weitere Aspekte, Ziele und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der Lektüre der nachfolgenden detaillierten Beschreibung von bevorzugten Ausführungsarten, die als Beispiel dienen soll und in Bezug auf die beigefügten Zeichnungen durchgeführt wird, in denen folgendes dargestellt ist.
• Die Fig. 2a und 1b zeigen einen eindimensionalen analogen Schaltkreis für die Bildfaltung nach der vorliegenden Erfindung in zwei verschiedenen Zuständen;
• Die Fig. 2a und 2b zeigen einen zweidimensionalen analogen Schaltkreis für die Bildfaltung nach der vorliegenden Erfindung in zwei verschiedenen Zuständen;
• Die Fig. 3 zeigt eine Zelle eines eindimensionalen analogen Schaltkreises für die Bildfaltung nach einer konkreten Ausführungsart der vorliegenden Erfindung;
• Die Fig. 4 zeigt eine Zelle eines zweidimensionalen analogen Schaltkreises für die Bildfaltung nach einer konkreten Ausführungsart der vorliegenden Erfindung;
• Die Fig. 5 zeigt eine graphische Darstellung der Charakteristika der erzielten Reaktion im Vergleich zu einer perfekten Gaußschen Reaktion; und
• Die Fig. 6 zeigt eine graphische Darstellung einer Vielzahl von erzielten Reaktionen je nach der Anzahl der durchgeführten Iterationen.
• Vorsorglich ist zu beachten, daß in den verschiedenen Figuren identische oder gleichartige Teile soweit wie möglich, mit den gleichen Bezugsnummern gekennzeichnet sind.
• Mit Bezug auf die Fig. 1a und 1b ist ein eindimensionales Netz dargestellt, welches eine Vielzahl von sogenannten horizontalen Kapazitäten Cb und eine Vielzahl von sogenannten vertikalen Kapazitäten Cd enthält. Erste Anschlußklemmen der Kapazitäten Cd sind jeweils an ein Referenzpotential angeschlossen, und zwar insbesondere an die Masse.
• Hier wird angenommen, daß die Kapazitäten Cd an ihren Anschlußklemmen zu einem Zeitpunkt T unterschiedliche analoge Spannungen haben, die mit V&sub0;T bis VNT bezeichnet werden.
• Jede der horizontalen Kapazitäten Cb liegt zwischen den zweiten Anschlußklemmen von zwei benachbarten vertikalen Kapazitäten. Eine Vielzahl von Umschaltern I mit zwei Stellungen ist jeweils zwischen der Anschlußklemme einer horizontalen Kapazität Cb und jeder der benachbarten zweiten Anschlußklemme einer zweiten vertikalen Kapazität Cd vorgesehen.
• Unter der Einwirkung von entsprechenden Steuerimpulsen erreichen die Umschalter I entweder die in der Fig. 1a dargestellte Position, oder aber die in der Fig. 1b dargestellte Position.
• Die Verhaltensweise des in der Fig. 1a dargestellten Schaltkreises ist folgende: In der Nullstellung (Fig. 1a) sind die zweiten Anschlußklemmen der vertikalen Kapazitäten Cd isoliert und die Spannungen V&sub0;T bis VNT werden erhalten. Die Umschalter I empfangen Steuerströme, welche sie in der dargestellten Position plazieren. In dieser Position sorgen die Kurzschlußleitungen L, welche an jede einzelne horizontale Kapazität angeschlossen sind, über die beiden benachbarten Umschalter I der horizontalen Kapazitäten für die komplette Entladung dieser horizontalen Kapazitäten.
• Zu einem bestimmten Zeitpunkt und während einer bestimmten Dauer wird ein Steuersignal gleichzeitig auf die Umschalter I beaufschlagt, damit sie in die in der Fig. 1b dargestellte Position kippen können. In diesem Zustand beginnen die in den vertikalen Kapazitäten enthaltenen Aufladungen sich auszugleichen, so daß sich die Spannungen nach einem exponentiellen Gesetz in dem Netz zu den benachbarten vertikalen Kapazitäten über die horizontalen Kapazitäten ausbreiten und die Spannungen V&sub0;T bis VNT beginnen, progressiv zu variieren.
• Wenn die Umschalter I im Zeitpunkt T+1 in die in der Fig. 1a dargestellte Position zurückgeführt werden, sind neue Spannungen V&sub0;T+1 bis VNT+1 auf den vertikalen Kapazitäten vorhanden und diese Spannungen werden dann erhalten, während der gesamte Umfang der horizontalen Kapazitäten in sich selbst kurzgeschlossen wird, um die Aufladungen abzugeben, die während der Ausbreitung erfaßt worden sind.
• Anschließend werden in der vorbeschriebenen Weise erneut Iterationen durchgeführt um die Spannungen in dem Netz wiederum zu variieren.
• Man wird feststellen, daß die Länge der Ausbreitung der Spannungen V&sub0;T bis VNT durch das Verhältnis zwischen den Werten der Kapazitäten Cb und Cd bedingt wird, und zwar analog zu einem analogen resistiven Netz.
• Man kann beobachten, daß die Kapazitäten Cb nur einfach die Rolle eines Transferpfades für die Aufladungen in dem Netz übernehmen und daß nach einem kompletten Zyklus, wie er Vorstehend beschrieben ist, die Summe der Aufladungen in diesen Kapazitäten gleich Null ist, so daß die ursprüngliche Aufladung, die in den Kapazitäten Cd gespeichert ist, erhalten bleibt Dies bedeutet konkret, daß die Oberfläche des Kerns der Bildfaltung, welche mit Hilfe dieses Netzes hergestellt worden ist, unabhängig von der Anzahl der durchgeführten Iterationen unitär bleibt Eine solche Fähigkeit ist insbesondere bei einem speziellen Einsatz der vorliegenden Erfindung von kapitaler Bedeutung, nämlich der Filterung vom Typ DOX (Differenz zwischen den Gaußschen Reaktionen).
• Weiterhin wird man feststellen, daß das vorgenannte Kapazitätennetz ein lineares System darstellt, das daher vollkommen durch seine Impulsreaktion charakterisiert werden kann.
• Nachstehend wird gezeigt, wie nach einer ausreichenden Anzahl von Iterationen die Reaktion des in den Fig. 1a und 1b dargestellten Netzes mit einer sehr guten Approximation mit einer Gaußschen Reaktion gleichgesetzt werden kann.
• Da die Spannung an einem Knoten des Netzes mit VnT angegeben wird, kann man für jeden Knoten die nachstehende Gleichung (1) schreiben, welche auf dem Prinzip der Erhaltung der Aufladung beruht:
• CdVnT+1 + Cb(VnT+1 - Vn-1T+1) + Cb(VnT+1 - Vn+1T+1)) = CdVnT (1)
• Dieselbe Gleichung kann auch in der folgenden Form ausgedrückt werden:
• (Vn-1T+1 + Vn+1T+1 - 2VnT+1) = Cd/Cb(VnT+1 - VnT) (2)
• Da die Wärmegleichung folgende ist:
• kann man davon ausgehen, daß die Gleichung (2) mit einer bestimmten Differenz eine implizite Approximation an die Wärmegleichung (3a) darstellt, in welcher der Diffusionskoeffizient D gleich dem Verhältnis zwischen den Werten der Kapazitäten Cd und Cb ist.
• Wie man weiß, ist die Impulsreaktion der Gleichung (3a) eine Gaußsche Reaktion, deren Varianz wie folgt ausgedrückt wird:
• O² = 2t/D (3b)
• In rein mathematischer Hinsicht ist die obige Gleichung mit endlicher Differenz absolut stabil, das heißt, daß sich der Abbruchfehler mit der Erhöhung der Anzahl der Iterationen gegen Null bewegt.
• Es wird also nachgewiesen, daß das in den Fig. 1a und 1b dargestellte Kapazitätennetz einen Gaußschen Kern guter Qualität liefert, sobald die Anzahl der Iterationen ausreichend hoch ist. Es könnte durch Berechnung nachgewiesen werden, daß der Fehler zwischen der Reaktion der Wärmegleichung und der wirklich erzielten Reaktion bei zehn Iterationen in der Größenordnung von 5% liegt.
• In den Fig. 2a und 2b ist ein analoges Netz wie in den Fig. 1a und 1b dargestellt, jedoch in zweidimensionaler Darstellung.
• Die Bedeutung des an jedem Knoten vorhandenen Symbols ist unten links in der Fig. 2a angegeben.
• Die horizontalen und vertikalen Kapazitäten, die Kurzschlußleitungen und die gesteuerten Umschalter sind jeweils mit den gleichen Bezugsnummern gekennzeichnet.
• Die Funktionsweise verläuft absolut analog zu derjenigen des in den Fig. 1a und 1b dargestellten Schaltkreises, jedoch mit dem Unterschied, daß die Ausbreitung der Spannungen an den Knoten während den in der Fig. 2 dargestellten Phasen in beiden Richtungen des Netzes erfolgt.
• Wenn man die Spannung des Knotens der Koordinate (n, m) mit VDT bezeichnet, so kann man eine Gleichung für die Erhaltung der Aufladung schreiben, die zu der obigen Gleichung (1) analog verläuft. Es handelt hier um die nachstehende Gleichung (4):
• CdVn,mT+1 + Cb(Vn,mT+1 - Vn-1,mT+1) + Cb(Vn,mT+1 - Vn+1,mT+1) + Cb(Vn,mT+1 - Vn,m-1T+1) + Cb(Vn,mT+1 - Vn,m+1T+1) = CdVnT
• Wie in dem vorstehend beschriebenen Fall ist diese Gleichung eine implizite Approximation an die endliche Differenz der Wärmegleichung, jedoch auf einer zweidimensionalen Fläche. Die zweidimensionale Wärmegleichung ist folgende:
• Wie im Falle eines eindimensionalen Netzes ist die obige Gleichung (4) mit endlicher Differenz absolut stabil, das heißt, daß der Abbruchfehler gegen Null geht, soweit die Anzahl der Iterationen ansteigt.
• Es wird also ebenso nachgewiesen, daß das in den Fig. 2a und 2b dargestellte Kapazitätennetz einen Gaußschen Kern guter Qualität liefert, sobald die Anzahl der Iterationen ausreichend hoch ist.
• Die minimale Anzahl der Iterationen, um diese Qualität zu erreichen, kann durch numerische Berechnung bestimmt werden. In dieser Hinsicht zeigt die Fig. 5 der Zeichnungen in ihrem oberen Teil (Kurve (a)) die Varianz der Reaktion, welche auf der Grundlage der Anzahl der Iterationen berechnet wurde, und in ihrem unteren Teil (Kurve (b)) den kumulierten Fehler zwischen der berechneten Varianz, welche in der Kurve (a) dargestellt ist, und der theoretischen Varianz, die nach Abgleichung aus der Gleichung (4) abgeleitet worden ist.
• In der Fig. 5 kann man erkennen, daß sobald die Anzahl der Iterationen die Zahl von zwanzig überschreitet (das heißt, doppelt so viel, wie im Falle eines eindimensionalen Netzes), der Fehler auf unters 5% reduziert wird. Daher kann bei zwanzig und mehr Iterationen die Varianz der wirklich erreichten Impulsreaktion als eine gute Approximation betrachtet werden, wie auch die theoretische Varianz, die aus der Wärmegleichung (5) abgeleitet worden ist.
• Nachstehend wird mit Bezug auf die Fig. 3 eine mögliche konkrete Herstellung einer Zelle eines eindimensionalen Kapazitätennetzes nach der CMOS- Technologie beschrieben.
• Die erste Anschlußklemme der vertikalen Kapazität Cd ist an die Masse angeschlossen, während die zweite Anschlußklemme einerseits an die unmittelbar östlich liegende benachbarte Zelle mittels eines MOS-Transistors Q1, und andererseits an die erste Anschlußklemme einer parallelen Montage einer horizontalen Kapazität Cb und eines anderen MOS-Transistors Q2 angeschlossen ist.
• Das Tor von Q1 ist an eine Busleitung angeschlossen, welche ein Schaltsignal S1 weiterleitet, das aus einer Reihe von Impulsen bestimmter Frequenz besteht. Das Tor von Q2 ist an eine Busleitung angeschlossen, welche ein Schaltsignal S2 weiterleitet, das aus einer Reihe von Impulsen mit der gleichen Frequenz besteht, die zeitlich zwischen den Impulsen des Schaltsignals S1 liegen.
• Die Nullphase wird mittels der Perioden definiert, in denen das Signal S1 keine Impulse abgibt Alle Transistoren Q1 sind blockiert und die Knoten des Netzes sind gegeneinander isoliert.
• Mindestens während eines Teils dieser Perioden wird durch das Signal S2 an jeden Transistor Q2 ein Impuls geliefert, das sich sättigt und die Anschlußklemmen des zugeordneten Kondensators Cb kurzschließt, um ihn vollkommen zu entladen.
• In der Phase der Ausbreitung der Spannungen ist jeder der Transistoren Q2 blockiert, während jeder der Transistoren Q1 während einer bestimmten Dauer gesättigt wird. Auf diese Weise entsteht ein Transferpfad für die Aufladungen zwischen den benachbarten Knoten über die Kondensatoren Cb.
• Der Schaltkreis in der Fig. 4 zeigt die Herstellung eines zweidimensionalen Kapazitätennetzes mit Hilfe der CMOS-Technologie.
• Jede der Zellen C(i, j) des Netzes enthält einen Knoten N(i,j) des Netzes und die zugeordnete vertikale Kapazität Cd zwischen diesem Knoten und der Masse.
• Die MOS-Transistoren Q1 und Q1' verbinden den Knoten N(i,j) jeweils mit der dem Knoten N(i,j-1) zugeordneten unmittelbar nördlich liegenden Zelle, sowie mit der dem Knoten N(i+1,j) zugeordneten unmittelbar östlich liegenden Zelle.
• Der Knoten N(i,j) ist außerdem an die dem Knoten N(i,j+1) zugeordnete unmittelbar südlich liegende Zelle über eine parallele Montage einer horizontalen Kapazität Ob und eines MOS-Transistors Q2 und an die dem Knoten N(i-1,j) zugeordnete unmittelbar westlich liegende Zelle über eine parallele Montage einer weiteren horizontalen Kapazität Cb und eines MOS- Transistors Q2' angeschlossen.
• Die Transistoren Q1 und Q1' werden durch das Impulssignal S1 gesteuert, während die Transistoren Q2 und Q2' durch das Impulssignal S2 gesteuert werden.
• Die Funktionsweise entspricht derjenigen des in der Fig. 3 dargestellten Schaltkreises, jedoch mit dem Unterschied, daß sich die Spannungen gleichzeitig in den beiden Richtungen des Netzes ausbreiten.
• Hier wird man feststellen, daß in den in den Fig. 3 und 4 dargestellten konkreten Ausführungsarten die Anzahl der notwendigen Schaltelemente auf ein Mindestmaß reduziert werden konnte.
• Außerdem wird man feststellen, daß die Aufladung der anfänglichen Spannungen, die auf die verschiedenen Knoten des Netzes gefaltet werden sollen, in einer beliebigen klassischen Schalttechnik durchgeführt werden kann. In gleicher Weise kann die Feststellung neuer Spannungen nach den erfolgten Iterationen mit Hilfe geeigneter Schalttechniken erfolgen.
• Hier sollte jedoch der Fall erwähnt werden, in dem die Quelle der Bilder aus einer Matrix von Photodioden besteht, welche eine MOS-Bilddarstellung bilden.
• In diesem Fall werden die vertikalen Kapazitäten Cd durch die Photodioden selbst ersetzt, deren Anschlußkapazität so ausreichend ist, daß sie nach der Photonenbelichtung die gleiche Rolle spielen können, wie die genannten vertikalen Kapazitäten.
• Hier wird man feststellen, daß in den beiden vorstehend beschriebenen konkreten Ausführungsarten in der CMOS-Technologie nicht die Fehler auftreten, die bei dynamischen CMOS-Schaltkreisen üblich sind, das heißt, die Beaufschlagung von Aufladungen und die Entstehung von Schaltgeräuschen.
• Soweit die Beaufschlagung von Aufladungen betroffen ist, so stellt sich dieses Problem nur dann, wenn der Schaltkreis gleichzeitig in verschiedenen Gebieten arbeitet, wie zum Beispiel auf dem Gebiet der Aufladung und der Erzeugung von Spannungen, oder auf dem Gebiet der Aufladung und der Stromzufuhr. Die erfindungsgemäßen CMOS-Netze arbeiten ausschließlich auf dem Gebiet der Aufladung und daher stellt sich dieses Problem nicht.
• Außerdem entstehen in klassischer Weise die Schaltgeräusche aufgrund der Diaphonie zwischen den Signalen und verursachen besonders kritische Schwierigkeiten in Schaltkreisen, in denen die Ausgangssignale ständig in Form von Stichproben entnommen werden müssen. In den erfindungsgemäßen Schaltkreisen können die neuen Spannungen an den Knoten dadurch entnommen werden, daß die Taktsignale S1 und S2 angehalten werden. Anders gesagt, erfolgen die Phasen der Iteration und die Phasen der Probenentnahme (Beaufschlagung und Messung der Spannungen) abwechselnd. Es entstehen also keine störenden Schaltgeräusche.
• Die Fig. 6 zeigt die Reaktion eines Prototypkreises, welcher entsprechend der vorliegenden Erfindung hergestellt worden ist. Mit Hilfe der CMOS- Technologie wurde ein Schaltkreis mit 48 · 48 Pixeln hergestellt, wobei die Meßfühler für das Licht aus in den Schaltkreis integrierten CMOS-Photodioden bestanden. Die Originalbilder und die Bilder nach der Bildfaltung wurden in üblicher Weise mit Hilfe eines analogen Scanners abgelesen. Mit Hilfe eines an den Ausgang des Scanners angeschlossenen Strom-Spannungs-Wandlers wurden die erhaltenen Informationen in eine analoge Spannung V umgewandelt, welche auf ein Oszilloskop beaufschlagt wurde, mit dessen Hilfe die Werte wiederhergestellt wurden, die in der Fig. 6 dargestellt sind.
• In dieser Figur kann man mehrere Reaktionen (Kurven R1 bis R4) erkennen, die jeweils einer unterschiedlichen Zahl von Iterationen entsprechen (keine Iteration bei der Kurve R1). Man kann ebenfalls eines der Taktgebersignale S1 erkennen.
• Die Fig. 6 bestätigt das erwartete Resultat, das heißt, die Erzielung einer fast Gaußschen Reaktion, sobald die Anzahl der Iterationen ausreichend hoch wird, und zwar mit einer Varianz, die allmählich ansteigt.
• Schließlich wird man feststellen, daß es die erfindungsgemäßen kapazitiven Bildfalter aufgrund ihrer Rekursivität erlauben, eine mögliche Überlagerung des Spektrums zu vermeiden, welche bei bestimmten Vorrichtungen aus dem Stand der Technik beobachtet wird, und die mit der Verwendung eines Kerns der Bildfaltung mit kleinen Abmessungen verbunden ist.
• Die vorliegende Erfindung kann in zahlreichen Bereichen eingesetzt werden, wie zum Beispiel für die Glättung von Bildern und die Vermeidung von Geräuschen, sowie für die Erfassung von Profilen und Bewegungsabläufen.

Claims (7)

1. Verfahren für die Durchführung von rekursiven Operationen der insbesondere zweidimensionalen Bildfaltung der Gaußschen Art an einer Anzahl von Pixeln eines Bildes, wobei jedes dieser Pixel durch eine elektrische Spannung repräsentiert wird,

dadurch gekennzeichnet, daß

es folgende Arbeitsschritte um faßt:

a) die elektrischen Spannungen werden auf die Anschlußklemmen einer Vielzahl von ersten Kondensatoren (Cd) beaufschlagt, bei denen die ersten Anschlußklemmen an ein Referenzpotential angeschlossen sind, und bei denen die zweiten Anschlußklemmen eine Vielzahl von Knoten (N(i,j) eines Netzes bilden und gegeneinander elektrisch isoliert sind,

b) mit Hilfe von nicht aufgeladenen zweiten Kondensatoren (Cb) werden für eine bestimmte Zeitdauer die unmittelbar benachbarten Knoten in der einen oder beiden Richtungen des Netzes miteinander verbunden,

c) die Knoten des Netzes werden erneut isoliert und die zweiten Kondensatoren werden entladen,

d) die Etappen b) und c) werden wiederholt, und

e) die neuen elektrischen Spannungen, die in den Knoten des Netzes vorhanden und für die Pixel eines gefalteten Bildes repräsentativ sind, werden gemessen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Etappen b) und c) dadurch durchgeführt werden, daß man Steuerimpulse auf Umschaltmittel (I) beaufschlagt die einerseits an die Anschlußklemmen der jeweiligen zweiten Kondensatoren (Cb) und andererseits, wahlweise, entweder an eine zweite Anschlußklemme eines ersten zugeordneten Kondensators (Cd) oder an eine Kurzschlußleitung (L) angeschlossen sind, die dem zweiten Kondensator zugeordnet ist.

3. Vorrichtung für die Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie in Kombination folgendes aufweist

- ein Netz aus ersten Kondensatoren (Cd), bei denen eine erste Anschlußklemme an ein gemeinsames Referenzpotential angeschlossen ist, und eine zweite Anschlußklemme eine elektrische Spannung aufnehmen kann, welche für ein Pixel eines Bildes repräsentativ ist,

- eine Anordnung aus zweiten Kondensatoren (Cb), die jeweils an das benachbarte Paar in der einen oder anderen Richtungen des Netzes aus ersten Kondensatoren angeschlossen sind,

- gesteuerte Unterbrecher (Q1, Q2; Q1, Q1', Q2, Q2'), die für eine bestimmte Zeitdauer die Anschlußklemmen der zweiten Kondensatoren (Cb) an die zweiten Anschlußklemmen des entsprechenden Paares der ersten Kondensatoren (Cd) anschließen, und während einer zweiten vorbestimmten Zeitdauer, die an die erste anschließt, die zweiten Anschlußklemmen gegen das Paar erster Kondensatoren isolieren und die Anschlußklemmen der zweiten Kondensatoren (Cb) kurzschließen.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten Kondensatoren aus der Anschlußkapazität von Photodioden bestehen, wobei diese Photodioden geeignet sind, die elektrischen Spannungen zu erzeugen, welche für die Bildpixel repräsentativ sind, und zwar als Reaktion auf den Empfang von Photonen, aus denen das Bild besteht.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß die gesteuerten Unterbrechermittel erste gesteuerte Unterbrecher (Q1, Q1') aufweisen, die jeweils mit einem zweiten zugeordneten Kondensator in Reihe geschaltet sind, sowie zweite gesteuerte Unterbrecher (Q2, Q2') aufweisen, die jeweils parallel mit einem zweiten zugeordneten Kondensator verbunden sind.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß außerdem Mittel für die Erzeugung von Impulsen vorgesehen sind, um erste Impulse für die Schließung der ersten Unterbrecher (Q1, Q1') während den ersten genannten Zeiträumen zu erzeugen, und um zweite Impulse für die Schließung der zweiten Unterbrecher (Q2, Q2') während der zweiten Zeitdauer zu erzeugen.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten und zweiten Kondensatoren und die ersten und zweiten Unterbrecher nach der CMOS-Technologie auf einem einzigen Halbleitersubstrat hergestellt sind.