DE2358921B2 - SEMI-PARALLEL IMAGE PROCESSING USING MOVED RECEPTOR COLUMN AND TWO-DIMENSIONAL ELECTRONIC MEMORY FIELD - Google Patents
SEMI-PARALLEL IMAGE PROCESSING USING MOVED RECEPTOR COLUMN AND TWO-DIMENSIONAL ELECTRONIC MEMORY FIELDInfo
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Description
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Die rein serielle Abtastung ist charakterisiert durch eine erreichbare hohe Auflösung, durch nur einen erforderlichen Übertragungskanal bei der Bildübertragung und dem großen technischen Reifestand.The purely serial scanning is characterized by an achievable high resolution, by only one required transmission channel for image transmission and the high level of technical maturity.
Für Zwecke der Bildverarbeitung erweist es sich als nachteilig, daß Nachbarschaftsbeziehungen der zweidimensionalen Umgebung eines Bildpunktes weitgehend aufgelöst werden. Durch die Transformation in eine Zeitachse verschwinden zunächst topologische Zusammenhänge von Bildmustern. Eine Bildverarbeitung, beispielsweise durch Merkmalextraktion aufgrund lokaler Charakteristiken, ist stark erschwert. Die Wiederherstellung zweidimensionaler Beziehungen bedingt eine Speicherung eines Zeitsignals. Dadurch wird je nach Aufgabenstellung wegen der an sich vorteilhaften hohen Auflösung ein erheblicher Bedarf an elektronischen Speicherplätzen erforderlich.For the purposes of image processing, it turns out to be disadvantageous that neighborhood relationships of the two-dimensional Environment of a pixel are largely resolved. By transforming it into a The time axis initially disappears, topological relationships between image patterns. An image processing, for example, by extracting features based on local characteristics, is very difficult. The restoration Two-dimensional relationships require a time signal to be stored. This will ever According to the task, because of the advantageous high resolution, there is a considerable need for electronic devices Storage space required.
Durch eine zweidimensionale Abtastung mittels parallelem Rezeptorfeld werden die elektronischen Speicher erspart, während der Aufwand für die Signalverarbeitung im Vergleich mit der vorliegenden Erfindung stark ansteigt, da für eine lage- und richtungsunabhängige Bild- und Musterverarbeitung die Signale aller Rezeptoren miteinander zu verkoppeln sind. Der technologische Stand erlaubt zudem nicht die Fertigung von Rezeptorfeldern von gleicher Auflösung wie eine Rezeptorspalte. Die Preise für handelsübliche kleine Rezeptorfelder, die deshalb nur beschränkte Anwendungen ermöglichen, liegen um mehrere Größenordnungen über denen von elektronischen Speiehern. Legt man darüber hinaus Abtastfelder in der Größe des Bildformates zugrunde, so steigt sowohl der Aufwand für die opto-elektronische Wandlung als auch für die Verkopplungen. Der Vergleich mit paralleler Abtastfeldern unter der Annahme jeweils gleiche: Rezeptorzahl N und quadratischem Bildformat ergib bei der semiparallelen Abtastung eine um den Faktor Λ höhere Bildpunktauflösung. Die semiparallele Abta stung stellt deshalb einen günstigen Kompromi[ zwischen Rezeptoraufwand und Verarbeitungsmöglich keiten dar.Two-dimensional scanning by means of a parallel receptor field saves the electronic memory, while the effort for signal processing increases sharply in comparison with the present invention, since the signals of all receptors have to be coupled to one another for position and direction-independent image and pattern processing. The technological status also does not allow the production of receptor fields with the same resolution as a receptor column. The prices for commercially available small receptor fields, which therefore only allow limited applications, are several orders of magnitude higher than those of electronic storage devices. If, in addition, scanning fields of the same size as the image format are taken as a basis, the effort for both the opto-electronic conversion and the coupling increases. The comparison with parallel scanning fields assuming the same in each case: Receptor number N and square image format result in a pixel resolution that is Λ higher in semiparallel scanning. The semiparallel sampling therefore represents a favorable compromise between receptor expenditure and processing options.
Die Abtastung einer Bildvorlage mittels einei Rezeptorspalte ist aus der DT-OS 19 23 921 bekanntThe scanning of an original image by means of a receptor column is known from DT-OS 19 23 921
Die genannte Vorrichtung ist durch eine direkte Verarbeitung der Rezeptorsignale (ohne Speicherfeld; gekennzeichnet, derart, daß der Bildinhalt nur in den beiden Vorzugsrichten der Spaltenanordnung rund der Abtastbewegung t verarbeitet v/ird. Eine richtungsunabhängige zweidimensionale Onsfrequenzfilterung, Mustererkennung oder statistische Optimalfilterung ist dadurch nicht möglich, so daß die Anwendung auf sehr einfache Muster bestehend aus achsenparallelen Linien beschränkt ist.Said device is characterized by direct processing of the receptor signals (without memory field; in such a way that the image content is only processed in the two preferred directions of the column arrangement around the scanning movement t . Direction-independent, two-dimensional on-frequency filtering, pattern recognition or statistical optimal filtering is not possible , so that the application is limited to very simple patterns consisting of lines parallel to the axis.
Die im Anspruch 1 angegebene Erfindung vermeidet diese Nachteile.The invention specified in claim 1 avoids these disadvantages.
Die Vorteile der Erfindung sind aus obigem Vergleich mit Verfahren einer rein seriellen Abtastung wie in der Fernsehtechnik einerseits und einer vollparallelen Abtastung mit zweidimensionalen Rezeptorfeldern andererseits ersichtlich.The advantages of the invention are evident from the above comparison with methods of purely serial scanning as in FIG TV technology on the one hand and fully parallel scanning with two-dimensional receptor fields on the other hand evident.
Die Bildabtastung wird mittels einer eindimensionalen Anordnung äquidistanter strahlungsempfindlicher Wandler (Photorezeptoren) vorgenommen — im folgenden als Rezeptorspalte bezeichnet — die senkrecht zu ihrer Anordnungsrichtung über eine Bildvorlage I bewegt wird, F i g. 1. Der Rezeptorspalte 2 ist die Onskoordinate r zugeordnet. In Spaltenrichtung steht die Bildinformation während der Abtastung als elektrisches Signal gleichzeitig an diskreten Punkten zur Verfügung. Senkrecht zur Spalte in Richtung der Ortskoordinate s erfolgt die Abtastung durch die Bewegung der Spalte mit der im allgemeinen konstanten Geschwindigkeit c. Die opto-elektronische Wandlung geschieht in dieser Richtung zeitlich seriell mit kontinuierlichem Signalverlauf.The image scanning is carried out by means of a one-dimensional arrangement of equidistant radiation-sensitive transducers (photoreceptors) - referred to below as receptor column - which is moved perpendicular to its direction of arrangement over an image original I, FIG. 1. The on coordinate r is assigned to the receptor column 2. In the column direction, the image information is available simultaneously as an electrical signal at discrete points during the scan. The scanning is carried out perpendicular to the column in the direction of the position coordinate s by moving the column at the generally constant speed c. The opto-electronic conversion takes place in this direction in time series with a continuous signal course.
Über die Abtastgeschwindigkeit c wird die Ortskoordinate 5 in eine Zeitkoordinate t transformiert. Unter der Bewegung der Spalte ist die Relativbewegung zwischen Bildvorlage und Rezeptorspalte zu verstehen. Es ist gleichwertig, ob die Rezeptorspalte ruht und die Bildvorlage bewegt wird oder umgekehrt oder ob eine Bildvorlage mit einem Schwing- oder Drehspiegel oder einem rotierenden Prisma an der Rezeptorspalte vorbeibewegt wird.The location coordinate 5 is transformed into a time coordinate t via the scanning speed c . The movement of the column is to be understood as the relative movement between the original image and the receptor column. It is irrelevant whether the receptor column is at rest and the original is moved or vice versa or whether an original is moved past the receptor column with a vibrating or rotating mirror or a rotating prism.
Die Signale jedes einzelnen Rezeptors 3 werden — je nach Aufgabenstellung analog oder binär — für eine Teilzeit der Abtastdauer gespeichert, Fig.2a. Die Speicherung erfolgt durch gleichartige Verzögerungsglieder 4 mit Signalabgriff. Diese bilden in ihrer Gesamtheit ein zweidimensionales diskretes Speicherfeld 5, Fig.2b. Die Größe des Speicherfeldes in /•-Richtung entspricht der Anzahl der Rezeptoren. In f-Richtung ist die Speicherplatzzahl frei wählbar; sie wird an die jeweilige Aufgabenstellung angepaßt. Im allgemeinen ist die Feldgröße in f-Richtung wesentlich kleiner als das Bildformat. Dadurch ergibt sich eine erhebliche Einsparung an technischem Aufwand für die weitere Signalverarbeitung.The signals of each individual receptor 3 are - depending on the task, analog or binary - for one Partial time of the sampling period stored, Fig.2a. The storage is carried out by similar delay elements 4 with signal tapping. These form in their The entirety of a two-dimensional discrete memory field 5, FIG. 2b. The size of the storage field in / • direction corresponds to the number of receptors. In The number of storage locations can be freely selected in the f-direction; she is adapted to the respective task. In general, the field size in the f-direction is essential smaller than the picture format. This results in a considerable saving in technical effort for the further signal processing.
Die Verzögerungszeit entspricht genau der Abtastbewegung der Rezeptorspalte. Damit steht jeweils ein Teil der Bildinformation während der Abtastung zu einerThe delay time corresponds exactly to the scanning movement of the receptor column. There is one part in each case the image information during the scan to a
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parallelen Signalverarbeitung in einem diskreten Feld zur Verfugung, dessen Rasterung in beiden Achsenrichtungen r und ; der Rasterung der Rezeptorspaite entspricht Fig.3 verdeutlicht die Bewegung des begrenzten nachgeführten Speicherfeldes über das Bildformat synchron mit der Abtastgeschwindigkeit c der Rezeptorspalte.parallel signal processing is available in a discrete field, its rasterization in both axis directions around ; the grid of the receptor pair corresponds to FIG. 3 illustrates the movement of the limited tracking memory field on the image format synchronous with the scanning speed c the receptor column.
Da zunächst alle Speicher aufgefüllt werden, besteht zwischen dem Beginn der Bildfeldabtastung und der ersten Auswertung eine Zeitverzögerung U = (2g+1) · τ mit q als der Zahl der Speicher jeweils rechts und links vom Mittelpunkt und τ — r,Jc als der Laufzeit eines Verzögerungsgliedes. Danach erfolgt die Signalverarbeitung so lange zu den aufeinanderfolgenden diskreten Zeitpunkten entsprechend der Rasterung des Feldes, bis das Bildformat überstrichen ist und die mittleren Speicherplätze leer sind. Bei einer wiederholten Bildabtastung werden die Speicherplätze vollständig belegt, bevor die Auswertung beginn..Since all memories are filled up first, there is a time delay U = (2g + 1) τ with q as the number of memories to the right and left of the center point and τ - r, Jc as the transit time between the start of the image field scanning and the first evaluation a delay element. The signal processing then takes place at the successive discrete points in time in accordance with the rasterization of the field until the image format has been swept over and the central memory locations are empty. If the image is repeated, the memory locations are completely occupied before the evaluation begins.
Als Speicher für Analogsignale kommen neben üblichen LC-Verzögerungsleitungen insbesondere Eimerkettenspeicher (vergl. beispw. F. L. J. Sangst er: »Integrierte Eimerkettenspeicher mit MOS-Tetroden« in »Philips Techn. Rundschau« 31, Nr. 7, 8 u. 9 [1970]) in Betracht, da sie als integrierte Verzögerungsleitungen auf Halbleiterbasis gewichts- und raumsparende technische Realisierungen des Speicherfeldes ermöglichen.In addition to the usual LC delay lines, the memory for analog signals is particularly useful Bucket chain storage (see, for example, F. L. J. Sangst he: "Integrated bucket chain storage with MOS tetrodes" in "Philips Techn. Rundschau" 31, No. 7, 8 and 9 [1970]) because they are integrated semiconductor-based delay lines, which save weight and space enable technical realizations of the storage field.
Für Binärsignale existieren zahlreiche Modifikationen integrierter Schieberegister mit Serien-Eingarg und Parallel-Ausgang. Die Verwendung von Binärsignalen vereinfacht die Realisierung von Koppelnetzen, da die Signalverarbeitung in Form von logischen Operationen nach den Regeln der Boole'schen Algebra möglich ist.There are numerous modifications of integrated shift registers with series inputs for binary signals Parallel output. The use of binary signals simplifies the implementation of switching networks, since the Signal processing in the form of logical operations according to the rules of Boolean algebra is possible.
Die Signalverarbeitung erfolgt durch Verkopplung benachbarter Signale des begrenzten Speicherfeldes. Bei analogen Signalen wird die Verkopplung dadurch erreicht, daß die Signale eines Kanals zu den benachbarten Kanälen addiert oder subtrahiert werden, wobei mittels Widerstandsnetzen unterschiedliche Wichtungen möglich sind, die winkel- und abstandsabhängig sein können. Andererseits werden diesem Kanal die Signale der Umgebung additiv oder subtraktiv überlagert. Bei Binärsignalen erfolgt die Verkopplung durch logische UND- und ODER-Gatter.The signal processing takes place by coupling neighboring signals of the limited memory field. In the case of analog signals, the coupling is achieved in that the signals of a channel are sent to the adjacent channels can be added or subtracted, using different resistance networks Weightings are possible that can be dependent on the angle and distance. The other hand will be this channel the signals of the environment are superimposed additively or subtractively. Coupling takes place with binary signals by logical AND and OR gates.
Als Vorteil des parallelen Feldes kommt besonders zum Tragen, daß eine richtungsunabhängige Verarbeitung der Bildelemente möglich ist. Dadurch können isotrope, d. h. winkelunabhängige Ortsfrequenzfilter realisiert werden, wie sie aus Neuronennetzen biologischer Organismen bekannt sind (W. v. Seelen: »Informationsverarbeitung in homogenen Netzen von Neuronenmodellen« in »Kybernetik« 5. Band, 4. Heft [Nov. 1968]). Diese Ortsfrequenzfilter dienen beispielsweise zur Kontrastverschärfung oder Rauschunterdrükkung. Ihre Realisierung erfolgt durch gegenseitige hemmende oder erregende Verkopplungen benachbarter Speicherplätze gemäß den Strukturen biologischer Nervennetze.The advantage of the parallel field is that it is direction-independent processing the picture elements is possible. This allows isotropic, i.e. H. Angle-independent spatial frequency filters realized as they are known from neural networks of biological organisms (W. v. Seelen: "Information processing in homogeneous networks of neuron models" in "Cybernetics" 5th volume, 4th issue [Nov. 1968]). These spatial frequency filters are used, for example, to sharpen contrast or suppress noise. They are implemented through mutual inhibiting or exciting coupling between neighboring ones Storage locations according to the structures of biological nerve networks.
Dazu wird jedem Rezeptor ein zweidimensionaler quadratischer Koppelbereich 6 aus dem begrenzten Speicherfeld zugeordnet. Jeder Koppelbereich bildet ein Unterfeld des Speicherfeldes. Wie F i g. 4 zeig;, sind die .Koppelfelder gegeneinander um jeweils einen Rezeptorkanal versetzt angeordnet, indem überlappend teilweise gleiche Speicherplätze benutzt werden.For this purpose, a two-dimensional square coupling area 6 is created from the limited area for each receptor Allocated storage field. Each coupling area forms a sub-field of the memory field. Like F i g. 4 shows, are the .Koppelfeldder arranged offset from one another by one receptor channel by overlapping partially the same memory locations are used.
Für eine isotrope Verarbeitung wird die Signalauswertune in der Mitte der SDeicherreihe zu dem als t„ (Fig.2a) bezeichneten Zeitpunkt vorgenommen, im gesamten Speicherfeld nach Fig.2b und 4 steht der Signalverlauf, bezogen auf die Mittelsenkrechte t„, zu den vorangegangenen und nachfolgenden Zeitpunkten ^in-I, i„_2, -..; /n+i, .'n+2, ···) zur Verfügung. Bei einem Speicherfeld, das in Abtastrichtung eine Ausdehnung von fünf Speicherplätzen (in_i, t„-2, i«, t„+u tn+2) besitzt, haben quadratische Unterfelder die Größe von jeweils 5x5 Speicherplätzen; bei dem Zählsinn (r„_2, r„_i, r„, /-„+ι, rn+2) in Richtung der Rezeptorspalte gemäß F i g. 5 erfolgt die isotrope Verkopplung der Speicherplätze in bezug auf den Mittelpunkt (rm f„). Das nächstbenachbarte Unterfeld in r-Richtung mit dem Mittelpunki(r„+i, t„) erstreckt sich danach in r-Richtung über die Plätze (r„_i, rm rn+i, r„+2, rn+3), in /-Richtung über(i„-2, t„-u Jn, tn+u t„+2). For an isotropic processing the Signalauswertune in the middle of the SDeicherreihe is to be t "made designated (2a) at the time, in the entire memory array of Figure 2b and 4 is the waveform, based on the perpendicular bisector t", to the previous and subsequent times ^ i n -I, i "_2, - ..; / n + i, .'n + 2, ···) are available. In the case of a memory field that has an extension of five memory locations in the scanning direction (i n _i, t "- 2 , i", t "+ u tn + 2) , square sub-fields each have the size of 5x5 memory locations; in the counting sense (r "_2, r" _i, r ", / -" + ι, r n + 2 ) in the direction of the receptor column according to FIG. 5 the isotropic coupling of the storage locations takes place with respect to the center point (r m f "). The next adjacent subfield in the r-direction with the center point (r "+ i, t") then extends in the r-direction over the places (r "_i, r m r n + i , r" + 2 , r n + 3 ), in / -direction via (i "-2, t" -u J n , t n + u t "+ 2 ).
Die Größe der Unterfelder und damit des gesamten Speicherfeldes sowie die Art der Verkopplung der Speicherplätze ist an die jeweilige Aufgabenstellung anpaßbar und ergibt sich z. B. aus der gewünschten Filterfunktion. Neben der genannten Anwendung der Erfindung zur Realisierung isotroper Ortsfrequenzfilter ist die Anwendung der Erfindung insbesondere zur Realisierung statistisch optimaler Filter und zur automatischen Mustererkennung möglich.The size of the subfields and thus of the entire memory field as well as the type of coupling of the Storage spaces can be adapted to the task at hand. B. from the desired Filter function. In addition to the mentioned application of the invention for the realization of isotropic spatial frequency filters is the application of the invention in particular for the realization of statistically optimal filters and for automatic pattern recognition possible.
Die Muster einer Bildvorlage können als Repräsentanten eines stochastischen Prozesses aufgefaßt werden, da die Muster bei ihrer Entstehung statistisch streuen (z. B. handgeschriebene Buchstaben) und/oder bei ihrer Übertragung oder opto-elektronischen Abtastung statistische Störungen (Rauschen) überlagert werden.The patterns of an image template can be understood as representatives of a stochastic process, since the patterns scatter statistically during their creation (e.g. handwritten letters) and / or during their Transmission or opto-electronic scanning statistical disturbances (noise) are superimposed.
Aus der Nachrichtentechnik, insbesondere der statistischen Kommunikationstheorie sind Verarbeitungsvorschriften bekannt, nach denen ein gestörtes Muster bei Kenntnis der statistischen Eigenschaften von Muster und Störungen in »optimaler« Weise klassifiziert wird (vergl. N. Wiener: »Extrapolation, Interpolation and Smoothing of Stationary Time Series« Verlag Wiley, New York [1949] oder J.C.Hancock: »The Principles of Communication Theory«, Verlag Mc G raw Hill, New York [1961]). Die Realisierung derartiger Optimalfilter für Ortsmuster erfolgt mit der Erfindung, indem die Speicherplätze in geeigneter Weise mitejnander verkoppelt werden. Die Filter werden durch analytische Funktionen beschrieben, die ihre Übertragungseigenschaften kennzeichnen. Im Zeitbereich ist aufgrund des Kausalitätsgesetzes die Realisierung dieser Filter eingeschränkt. Die Einführung der zweidimensionalen Speicherfelder ermöglicht trotz der zeitabhängigen Abtastung die Realisierung optimaler Filter für Ortsmuster, da die Filterfur.ktionen sowohl in Richtung rder Rezeptorspalte als auch in Richtung f der Abtastbewegung symmetrisch realisiert werden können. Damit erlaubt die Erfindung beispielsweise auch die Synthese optimaler Filtersysteme für statistisch gestörte Ortsmuster nach dem Kriterium des minimalen mittleren quadratischen Fehlers nach N. Wiener.Processing rules are known from communications engineering, in particular statistical communication theory, according to which a disturbed pattern if the statistical properties of patterns and disturbances are known, it is classified in an "optimal" way (cf. N. Wiener: »Extrapolation, Interpolation and Smoothing of Stationary Time Series "Verlag Wiley, New York [1949] or J.C. Hancock:" The Principles of Communication Theory ", McGraw Hill Verlag, New York [1961]). The realization of such With the invention, the optimal filter for location patterns is carried out in that the memory locations are suitably connected to one another be coupled. The filters are described by analytical functions that determine their transmission properties mark. Due to the law of causality, the realization is in the time domain this filter is restricted. The introduction of the two-dimensional memory fields enables despite the time-dependent sampling enables the implementation of optimal filters for spatial patterns, since the filter functions both in The direction of the receptor column and the direction of the scanning movement can be implemented symmetrically. The invention thus also allows, for example, the synthesis of optimal filter systems for statistically disturbed ones Location pattern according to the criterion of the minimum mean square error according to N. Wiener.
Für die Anwendung der Erfindung zu Zwecken der Mustererkennung ist zunächst vorauszuschicken, daß in vielen Fällen die detailreichen optischen Bildvorlagen •»ine hohe Redundanz besitzen, die durch geeignete Vorverarbeitung gemindert werden kann, wodurch der Aufwand für ein Klassifikationssystem verringert wird. Die Vorverarbeitung besteht in der Extraktion signifikanter Merkmale aus dem Muster. Bei Aufgaben wie z. B. der Klassifizierung von Schriftzeichen, der Auswertung von Werkstoffschliffbildern, der Partikelerkennung in Blasenkammeraufnahmen, der Klassifizie-For the application of the invention for the purposes of pattern recognition it must first be stated in advance that in In many cases, the detailed optical image templates • »have a high level of redundancy, which is ensured by suitable Preprocessing can be reduced, whereby the effort for a classification system is reduced. Pre-processing consists in extracting significant features from the pattern. For tasks like z. B. the classification of characters, the evaluation of material micrographs, the particle detection in bubble chamber recordings, the classification
rung zytologischer Muster, der Röntgenbildauswertung u. ä. liegen die Merkmale als topologische Gestaltmerkmale wie Kanten, Ecken, Linienkreuzungen, Linienenden und Winkel vor.In addition to cytological patterns, X-ray image evaluation and the like, the features are topological shape features such as edges, corners, line crossings, line ends and angles.
Diese Merkmale werden im zweidimensionalen Unterfeld durch entsprechende Verknüpfung benachbarter Speicherplätze extrahiert. Ein besonderer Vorteil der Erfindung besteht darin, daß die Merkmale in beliebigen Winkellagen extrahiert werden. Der Grad der Isotropie ist durch die auf das Speicherfeld übertragene Rasterung der Rezeptorspalte bestimmt.These features are linked in the two-dimensional subfield to neighboring ones Storage spaces extracted. A particular advantage of the invention is that the features in any angular positions can be extracted. The degree of isotropy is due to that on the storage field determined rasterization of the receptor column.
Zur Ermittlung lokaler Gestaltmerkmale ist keine symmetrische Auswertung des Speicherfeldes notwendig. Die Struktur und Reichweite der Verkopplungen hängt von der Gestalt der Merkmale ab, die aus einem Lernkollektiv bekannt ist.No symmetrical evaluation of the memory field is necessary to determine local design features. The structure and scope of the couplings depend on the shape of the features that result from a Is known to the learning collective.
Hierzu 3 Blatt ZeichnungenFor this purpose 3 sheets of drawings
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
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| BHV | Refusal |