FI80527B - Foerfarande foer optisk faststaellning av en ytas hastighet. - Google Patents

Description

1 80527

Menetelmä pinnan nopeuden optiseksi määrittämiseksi Tämän keksinnön kohteena on menetelmä pinnan nopeuden optiseksi määrittämiseksi liikkeen suuntaiselta kuva-5 detektoririviltä saatujen, ajallisesti peräkkäisten kuva-rivien avulla.

Aikaisemmin tunnetussa menetelmässä on määritetty kahden ajallisesti peräkkäisen kuvarivin välinen korrelaatio, josta voidaan päätellä kuinka pitkän matkaa pinta on 10 siirtynyt näiden kuvarivien kuvaushetkien välillä. Näin on pystytty määrittämään pinnan nopeus. Tällainen korre-lointimenetelmä edellyttää suhteellisen selvien muusta ympäristöstään erottuvien pisteiden olemassaoloa kuvattavalla pinnalla, jotta nopeuden määritystä voitaisiin pitää 15 luotettavana. Sellaisten pintojen, joista saatavien kuva-rivien kuvapisteiden intensiteetit vaihtelevat näennäisen satunnaisesti, nopeutta ei ole juurikaan voitu tällaisella korrelointimenetelmällä määrittää.

Esillä olevan keksinnön tavoitteena onkin tuoda 20 esiin menetelmä lähes minkä tahansa ainakin jossain määrin kuviollisen pinnan nopeuden määrittämiseksi. Tällaisena kuviollisena pintana voidaan mainita esimerkiksi puupinta, metallipinta, tienpinta, kankaanpinta tai vastaavat pinnat, joista saatavien kuvarivien kuvapisteiden intensitee-25 tit vaihtelevat ainakin riittävää suurennusta käytettäessä. Keksinnön mukaisesti pinnan nopeuden määritys käsittää kuvadetektoririviltä saatujen analogiasignaalien digitoinnin; digitoitujen ajallisesti peräkkäisten kuvarivien tallentamisen, jolloin rinnakkain sovitettujen kuvarivien 30 voidaan ajatella muodostavan paikka-aikatasossa kaksiulotteisen kuvan; ja kunkin kuvarivin pisteen mainittuun paikka-aikatasoon piirtämän viivan kulmakertoimen tai vastaavan suureen arvon määrittämisen pinnan nopeuteen verrannollisen arvon saamiseksi. Edullisesti viivan kulmakertoi-35 men tai vastaavan suureen arvon määrittäminen käsittää 2 80527 sekä paikka- että aika-akselin suuntaisten gradienttien määrittämisen kullekin kuvarivin pisteelle ja kunkin kuva-pisteen paikka- ja aika-akselin suuntaisten gradienttien suhteen määrittämisen. Mittaustarkkuus voidaan moninker-5 taistaa määrittämällä kunkin kuvarivin pisteille laskettujen arvojen keskiarvo. Tuloksen luotettavuuden parantamiseksi voidaan haluttaessa ennen keskiarvon määritystä suorittaa keskiarvoistettavien kuvapisteiden valinta esimerkiksi vertaamalla kullekin kuvapisteelle laskettua, sen 10 gradienteista riippuvaa arvoa ennalta määrättyyn asetusar-voon. Tällä tavoin sellaiset kuvapisteet, jotka eivät erotu juurikaan ympäristöstään saadaan poistettua laskentatuloksesta.

Keksinnön mukaisen menetelmän perusideana on täten, 15 että keräämällä muistiin detektoririviltä tulevia digitoituja kuvarivejä, saadaan muodostettua kuva, jossa muusta ympäristöstä intensiteetiltään poikkeavat kuvapisteet muodostavat viivoja, joiden kulmakerroin on verrannollinen pinnan nopeuteen. Keksinnön mukaisesti viivojen kulmaker-20 roin mitataan digitaalisesti esimerkiksi konvoloimalla kuva paikka-akselin ja vastaavasti aika-akselin suuntaisten gradienttien saamiseksi, jolloin kulmakerroin saadaan näiden gradienttien suhteena. Tällä tavoin saadaan nopeus tai siihen verrannollinen arvo kullekin kuvan pisteelle. 25 Kuten edellä mainittiin mittaustarkkuutta voidaan tällöin moninkertaistaa keskiarvoistamalla kunkin kuvarivin no-peusarvot. Keskiarvoon mukaan otettavien arvojen valintaa voidaan ohjata ottamalla summattaviin arvoihin mukaan ainoastaan ne, joiden neliösumma ylittää ennalta määrätyn 30 arvon. Tällä tavoin keskiarvoistettaviin arvoihin otetaan mukaan vain ne kuvapisteet, jotka ovat mukana jossakin kuvan viivassa.

Esillä olevan keksinnön mukainen menetelmä on käyttökelpoinen suurella nopeusalueella ja sen mittausresoluu-35 tio on riittävä menetelmän soveltamiseen myös kappaleen 3 80527 pituuden mittaukseen. Menetelmä ottaa huomioon myös mitattavan pinnan suunnan tai sen liikkeen mahdollisen pysähtymisen. Menetelmä soveltuu toteutettavaksi rinnakkaisesta kuvan käsittelyyn kehitettyjen laitteistoratkaisujen avul-5 la suurella prosessointinopeudella.

Seuraavassa keksinnön mukaista menetelmää kuvataan yksityiskohtaisemmin viitaten oheiseen piirustukseen, jossa kuvio 1 esittää kaaviollisesti kuvattavaa pintaa 10 ja sitä kuvaavaa fotodetektoririviä, kuvio 2 esittää keksinnön mukaisesti muodostetun kaksiulotteisen kuvan ja kuvio 3 esittää keksinnön mukaisen menetelmän vuo-kaavion.

15 Kuviossa 1 on esitetty kaaviollisesti liikkuva pin ta 1, jota kuvataan kuvadetektoririvillä 2. Tämä kuvade-tektoririvi voi olla käytännössä muodostettu esimerkiksi videokameran tai rivikameran avulla tai miksei myös erillisten kuvadetektorien avulla. Tämä kuvadetektoririvi 2 20 kuvaa liikkuvalta pinnalta 1 kuvaelementtirivin 3. Pinnan 1 liikkeen suuntaa on kuviossa 1 kuvattu edestakaisella nuolella V.

Kuviossa 2 on esitetty kuvion 1 mukaisen järjestelyn avulla muodostettavissa oleva kaksiulotteinen paikka-25 aikatasossa oleva kuva. Tätä kuvaa muodostettaessa kuvion 1 pinta 1 on liikkunut edestakaisin kuvion vaakatasossa. Kuvio 2 on muodostettu sovittamalla detektoririviltä 2 saatavat, ajallisesti peräkkäiset kuvarivit päällekkäin siten, että yläreunassa on hetkellä t saatu kuvarivi, sen 30 alapuolella on hivenen myöhemmin hetkellä t+ t saatu kuva-rivi jne. Kuten kuviosta 2 voidaan havaita muodostavat tällöin muusta ympäristöstään intensiteetiltään eroavat kuvapisteet kuvaan viivoja, kun ne etenevät aikaa myöten liikkeen suuntaan (kuvion 2 yläosassa vasemmalle). Keksin-35 nön mukaisesti pinnan 1 nopeus määritetään määrittämällä 4 80527 näiden viivojen kulmakerroin tai vastaava suure, josta voidaan helposti laskea myös kuvapisteen nopeus.

Kuviossa 3 on esitetty eräs esimerkinomainen vuo-kaavio keksinnön mukaisen menetelmän toteuttamiseksi. Ku-5 vion 3 ensimmäisessä vaiheessa 4 kuvataan kuvadetektoriri-villä 2 yksi kuvarivi, joka seuraavassa vaiheessa 5 digitoidaan, jolloin kuvarivin kullekin kuvaelementille annetaan intensiteettiä vastaava digitaalinen arvo. Seuraavis-sa vaiheissa 6 ja 7 nämä digitoidut ajallisesti peräkkäi-10 set kuvarivit tallennetaan siirtorekisterien avulla siten, että kulloinkin on käytettävissä kaksi halutun lukumäärän kuvarivejä käsittävää kokonaisuutta, joiden voidaan ajatella kummankin muodostavan saman osan kuviossa 2 esitetystä kuvasta. Tästä kuvasta sitten vaiheessa 6 määrite-15 tään aika-akselin, lyhyesti y-akselin suuntainen gradient-ti kullekin kuvapisteelle. Vastaavasti vaiheessa 7 muodostetaan paikka-akselin, lyhyesti x-akselin, suuntainen gra-dientti kullekin kuvapisteelle. Nämä gradientit voidaan määrittää esimerkiksi niin sanottujen konvoluutiomaskien 20 avulla. Tällaista kuvapisteiden gradienttien määrittämistä konvoluutiomaskien avulla on kuvattu esimerkiksi teoksessa "Handbook of Pattern Recognition and Image Processing", Academic Press, Inc., 1986, toimittajina Tzay Y. Young ja King-Sun Fu sivuilla 192-194, 216 ja 217.

25 Vaiheilta 6 ja 7 saatujen kunkin kuvapisteen aika- gradientin dy ja paikkagradientin dx suhteena dy/dx määritetään nyt vaiheessa 8 kuvapisteen kulmakerroin. Täten on onnistuttu määrittämään jo joihinkin sovellutuksiin riittävä tieto pinnan nopeudesta. Suurempaan tarkkuuteen kui-30 tenkin päästään, jos lasketaan saman kuvarivin kuvapisteiden kulmakertoimien keskiarvo. Nämä toimenpiteet on toteutettu summanlaskennan osalta vaiheelta 9 ja keskiarvon osalta vaiheessa 10. Jotta kuitenkin summattavien kulmakertoimien arvoista saataisiin poistettua sellaiset, jotka 35 eivät osu minkään kuviossa 2 esiintyvän viivan kohdalle 5 80527 ja joiden sisältämä informaatio on täten lähinnä satunnaista, on vaiheessa 11 määritetty gradienttien dy ja dx neliösumman neliöjuuri kullekin kuvapisteelle. Vaiheessa 12 tätä neliösumman neliöjuurta on sitten verrattu ennalta 5 määrättyyn asetusarvoon. Tämän vertailun tuloksen perusteella ohjataan vaiheessa 9 summattavien kulmakertoimien laskentaa. Tätä on kuviossa 3 kuvattu vaiheiden 12 ja 9 välisellä nuolella. Tällä tavoin vaiheessa 9 summataan vain niin sanottujen viivojen kohdalle osuvien kuvapistei-10 den kulmakertoimet. Vaiheelta 12 saadaan tieto hyväksyttyjen kuvapisteiden lukumäärästä n vaiheelle 10, joka samoin sai vaiheelta 9 tiedon hyväksyttyjen kulmakertoimien summasta. Tällä tavoin vaiheessa 10 voidaan jakaa valittujen kulmakertoimien summa Σ dy/dx tähän summaan sisälty-15 vien kulmakertoimien lukumäärällä n, jolloin saadaan rivin kulmakertoimien keskiarvo, joka erittäin luotettavalla tavalla määrittää nopeuden kyseisen kuvarivin kuvaushetkellä.

Keksinnön mukaisen menetelmän käytännön toteutuk-20 seen esimerkiksi kuvion 3 mukaisten menetelmävaiheiden avulla voidaan käyttää VLSI-tason digitaalisia piirejä. Täten esimerkiksi analogia/digitaalimuunnosvaiheessa 5 voidaan toteuttaa esimerkiksi piirillä TDC1048 valmistaja TRW Inc.. Vaiheiden 6 ja 7 siirtorekisteritoiminnot ja 25 gradienttien laskentatoiminnot voidaan toteuttaa esimerkiksi piirin PDSP16488 avulla, jonka valmistaja on Plessey Semiconductors. Vaiheiden 8 kulmakertoimen laskennan ja gradienttien 4 summan neliöjuuren laskenta voidaan puolestaan toteuttaa pythagorasprosessorilla tyypiltään 30 PDSP16330 valmistajana Plessey Semiconductors, jolloin toisena ulostulona kulmakertoimen dy/dx sijasta onkin vastaava kulma eli atan (dy/dx). Vaiheen 9 mukainen kulma-arvojen summanlaskenta voidaan toteuttaa piirillä PDSP1601 valmistajana Plessey Semiconductors. Vaiheen 12 vertailu 35 ja hyväksytyksi tulleiden arvojen lukumäärän laskenta voi- 6 80527 daan toteuttaa varsin tavanomaisten MSI-tason komponenteista muodostettujen komparaattorin ja laskurin avulla. Vaiheen 10 lopullisen keskiarvon laskenta on yksinkertaisimmin toteutettavissa tähän tehtävään ohjelmoidun mikro-5 tietokoneen avulla, joka tällöin siis lukee kuvarivin kulmakertoimien summan sekä summaan laskettujen kulma-arvojen lukumäärän ja laskee näiden osamäärän eli rivin kulmakertoimien keskiarvon. Tämä keskiarvohan puolestaan on suoraan verrannollinen tarkasteltavan pinnan nopeuteen.

10 Yllä keksinnön mukaista menetelmää on kuvattu vain yhden esimerkinomaisen suoritusmuodon avulla eli kunkin kuvarivin pisteen paikka-aikatason piirtämän viivan kulmakertoimen tai vastaavan suureen arvon määrittämiseksi on annettu vain yksi esimerkinomainen tapa. Tämä esimerk-15 kina annettu tapa on yksinkertaisuutensa johdosta edullinen, mutta on ymmärrettävää, että myös muiden matemaattisten ja kuvan käsittelyteknisten menetelmien avulla voidaan määrittää muodostetusta kaksiulotteisesta kuvasta siinä esiintyvien viivojen kulmakertoimet tai niihin verrannol-20 liset suureet.

Claims (5)

7 80527

1. Menetelmä pinnan (1) nopeuden optiseksi määrittämiseksi liikkeen suuntaiselta kuvadetektoririviltä (2) 5 saatujen, ajallisesti peräkkäisten kuvarivien (3) avulla, tunnettu siitä, että se käsittää - kuvadetektoririviltä (2) saatujen analogiasignaa-lien digitoinnin (5), - digitoitujen ajallisesti peräkkäisten kuvarivien 10 tallentamisen, jolloin rinnakkain sovitettujen kuvarivien voidaan ajatella muodostavan paikka-aikatasossa kaksiulotteisen kuvan, ja - kunkin kuvarivin pisteen mainittuun paikka-aikatasoon piirtämän viivan kulmakertoimen tai vastaavan suu- 15 reen arvon määrittämisen (8) pinnan (1) nopeuteen verrannollisen arvon saamiseksi.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että viivan kulmakertoimen tai vastaavan suureen arvon määrittäminen käsittää 20. sekä paikka- että aika-akselin suuntaisten gra- dienttien määrittämisen (6, 7) kullekin kuvarivin pisteelle ja - kunkin kuvapisteen paikka- ja aika-akselin suuntaisten gradienttien suhteen määrittämisen (8).

3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että se lisäksi käsittää saman kuvarivin pisteille laskettujen arvojen keskiarvon määrittämisen (10).

4. Patenttivaatimuksen 3 mukainen menetelmä, 30 tunnettu siitä, että se ennen keskiarvon määritystä (10) käsittää keskiarvoistettavien kuvapisteiden valinnan (12).

5. Patenttivaatimuksen 4 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että keskiarvoistettavien kuvapis- 35 teiden valinta suoritetaan vertaamalla (12) kullekin kuva-pisteelle laskettua (12), sen gradienteista riippuvaa arvoa ennalta määrättyyn asetusarvoon. 8 80527