WO2017037248A1 - Method and device for spatial filter measurement - Google Patents
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Definitions
- the invention relates to a spatial filter measuring method for determining a relative speed between a spatial filter measuring device and at least one object or object collective, wherein the spatial filter measuring device captures image data of the at least one object or object collective moving through a recording measuring field of the spatial filter measuring device that is stationary in a reference system of the spatial filter measuring device, wherein at least a spatially modulated spatial filter signal is generated by applying at least one spatial filter to at least a portion of the acquired image data, and a spatial filter measuring apparatus comprising a recording device and an image data processing device.
- Spatial filter measurement technology is an established, robust and efficient method for the non-contact determination of velocities of DUTs, such as gases, fluids or solids. Spatial filter technology works without mechanically moving parts, wear-free and reliable. There is no slippage yet Wear that affects the measurement or the equipment. In addition to a speed measurement, accelerations, the location or the position and the length of measurement objects or other application-specific derived variables such as a volume flow or a material flow, particle sizes or particle size distributions can be measured and derived.
- the spatial filter measurement technique is based on the principle that a moving object or a moving surface, which is moved past an optical grating with an optionally periodic structure of grating lines, generates a periodic signal whose frequency depends both on the speed of the grating Movement of the object as well as on the lattice parameters or on the lattice constants of the optical grating depends.
- the grating structure can be realized by hardware grids, such as optical gratings with different transmission or specially arranged optical waveguides, by electronic grids, for example realized by weighting electrical signals, or by software grids, for example realized by weighting the pixel values of images.
- the frequency of the observed signal can be used to deduce the movement speed of the measurement object.
- that component of the velocity which is perpendicular to the orientation of the grid lines of the local grid is detected.
- a velocity component that is parallel to the alignment of the gratings does not result in a modulation of the light transmitted through the grating. This component is therefore not measured.
- the result for a linear grating as the spatial filter is a signal spectrum with a significant maximum, which corresponds to the component of motion of the measuring object perpendicular to the orientation of the grating lines.
- the speed of movement can be determined. The accuracy and time resolution of the speed measurement depends on how exactly the frequency corresponds to the speed and how exactly and how fast the frequency in the signal is determined.
- the spatial filter measurement is implemented using hardware spatial filters or hardware grids.
- Such spatial filters are discrete optical components, such as optical transmission grating, phase grating, reflection grating or specially arranged optical waveguides.
- the light which passes from a moving object to be measured through an optical grating as a spatial filter, is modulated temporally in its entirety.
- the modulation frequency depends, among other things, on the speed ability of the measuring object and the orientation of the optical grating and its lattice parameters or lattice constant. If magnification optics are used, the modulation frequency also increases with the magnification factor.
- the temporally modulated light is detected via an optic, for example by means of photodiodes, which have a high cutoff frequency, for example about 10 MHz or up to the GHz range. Due to the fast response time of the photodiodes can be processed according to this first approach in the spatial filter measurement very fast signals and very high frequencies, as long as enough light is available.
- This is the hardware, u. a. the optics used and the spatial filters used, adapted to the respective conditions of use, for example with regard to the speeds to be measured or the surface condition of the measurement objects.
- optimum modulation signals are set for the respective operating conditions and the variables to be measured. This is intended to avoid ambiguities due to over- and undersampling caused, for example, by the grid parameters of the spatial filter, and to achieve a good signal-to-noise ratio.
- the use of hardware grids is dispensed with.
- the spatial filter measurement is achieved by a special signal generation for line or area receivers, for example cameras with CCD or CMOS chips, PD arrays or fiber optics. see grid implemented. In this case, no optical gratings are necessary, but the grid or matrix-like structuring of the optical receiver is utilized for spatial filter measurement.
- the spatial filter measurement comprises the signal generation, for example with a so-called software grid via the weighting of the electrical signals or pixel values with the spatial filter function and subsequent summation from the individual pixels, whereby a spatial filter effect is produced.
- spatial filters with different orientations or lattice constants can be created or applied. This is similar to the replacement of optical gratings according to the first approach mentioned above.
- Such an electronic or software-side realization of grid functions has the further advantage of the adaptability of the spatial filter system to the present process. For CCD and CMOS sensors, this is done by weighting pixel rows and columns according to a given grid function. Furthermore, grid functions can be generated with software grids that are not optically feasible or only with great effort. Thus, grids with negative and / or complex weights can be realized. These gratings offer the advantage that they provide mean-free modulated signals and / or orthogonal signals for determining instantaneous amplitude and instantaneous phase with high temporal resolution. Further, the weights are not limited to 0 and 1, but may take intermediate values and other values (gain, complex numbers). For example, it is very simple to realize complex harmonic functions as lattice functions in this way.
- the resulting spatial filter signal is proportional to its frequency. proportional to the speed of movement.
- the estimation of the signal frequency can be carried out by means of a zero-crossing or threshold value detection or periodic duration measurement, the determination of the power density spectrum, the rotation-pointing method or the cross-correlation phase.
- the frequency value does not necessarily correspond to the speed of the surface. This error is typically classified as a systematic error.
- the accuracy of the speed determination depends on the signal-to-noise ratio. Influences include, for example, temporal fluctuations in the lighting, noise processes in the measuring chain or quantization errors. These are typically random errors.
- the systematic error in the spatial filter measurement is essentially based on phase jumps in the signal.
- a part of the viewed surface runs out of the viewed area or recording measuring field between successive shots and a new part runs into the observed area.
- the data base of the image information is continuously changing, since removed image parts are replaced by additional new image parts. This causes the variations in the phase position of the spatial filter signal.
- phase jumps do not occur for a short time, but the spatial filter signal changes from recording to recording continuously until a new frequency value has stabilized. Since these phase changes can not be unambiguously identified and sometimes can be present over a long period of time, they enter into the speed statistics and cause a systematic error that can not be quantified in the measurement process. Due to the constantly changing surface, the error in the measurement process occurs as a fluctuation in the frequency or broadening of the spectrum. The uncertainty due to the phase changes is greater than the uncertainty due to the noise and dominates the accuracy of the local filter technique. Previous spatial filter measuring systems therefore achieve measurement uncertainties of a maximum of 0.05% under laboratory conditions.
- the errors are counteracted, for example, by upper limits for phase changes, by means of plausibility tests between several signal pairs (see I. Menn, "Optical Measurement of the Flow Rate of Erythrocytes for Recording the Microcirculation", University of Rostock, 201 0) and by averaging over a plurality of measured values reduces the dynamics of the systems, since the measurement of fast speed and frequency changes is no longer possible.
- the present invention is based on the object of increasing the measurement accuracy of spatial filter measurement methods and, for this purpose, providing a spatial filter measurement method and a spatial filter measurement apparatus with improved accuracy.
- a spatial filter measuring method for determining a relative speed between a spatial filter measuring device and at least one object or object collective, the spatial filter measuring device detecting image data of the at least one object or object collective moving through a recording measuring field of the spatial filter measuring device that is stationary in a reference system of the spatial filter measuring device, wherein at least one temporally modulated spatial filter signal is generated by applying at least one spatial filter to at least a portion of the acquired image data, which is further developed in that for generating the at least one spatial filter signal a section of the at least one object or object collective at least temporarily or permanently at least is kept approximately constant.
- the spatial filter measuring method according to the invention fundamentally eliminates the previously described problem that phase jumps and phase changes together with small amplitudes basically limit the accuracy of the spatial filter measurement. So far, all captured image information is usually used to generate a spatial filter signal and the signal content for the offset estimation has not been optimized.
- the present invention provides the already conceptually completely different approach to suppress at least temporarily phase fluctuations due to changes in the image database as completely as possible, by over one, in particular as long as possible, the same image information for the spatial filter measurement method can be used.
- the phase changes in the spatial filter signal are limited to the contributions of unavoidable image noise and possibly unavoidable small inaccuracies in keeping constant the considered section of the object or object being considered.
- the spectral coefficients of the generated spatial filter signal are kept constant or substantially constant.
- the keeping constant of the image information in contrast to previous evaluation, at least temporarily temporally constant amplitudes of the complex spatial filter signals. These, in turn, can be used as a direct and unambiguous measure of the reliability of the speed estimate. This provides information about the local quality of the signal.
- the image information can not be kept constant for any length of time, the signal points at which there is no constancy of the image contents and thus a phase jump are known and are reduced to a few measured values. In this way, the measurement values which are uncertain due to phase jumps can be reduced to a minimum number and identified and either iminiert or possibly replaced by valid measured values, eg other spatial filters. This results in an improvement in the accuracy or reduction of the phase noise by an order of magnitude compared to known methods of signal validation and plausibility check of spatial filter signals.
- image data from a series of successive partial measuring fields are used which move within the recording measuring field with the object or object collective.
- measured values of the spatial filter signal which arise during the transition from a partial measuring field to a subsequent partial measuring field, are disregarded, wherein in particular such a measured value is replaced by a preceding measured value, a measured value interpolated from previous measured values or by a measured value from another spatial filter or another partial measuring field ,
- a partial region of the observed region is selected in each case and moved within the recording measuring field with the relative movement and movement direction between the object and the spatial filter measuring device.
- the spatial filter signal is a substantially phase-pure signal, that is to say a spatial filter signal with frequency change disappearing as part of the image noise and the accuracy of the determination of the tracked partial measuring field.
- the application of the spatial filter to the image data of each tracked sub-field generates a subset or section of the spatial filter signal limited in time to the duration of the "existence" of the sub-array
- the selection should be based on the length of the spatial filter signal sub-trains, for example, the rotation pointer method is in many cases suitable for evaluating the spatial filter signal even if the lengths of the spatial filter signal sub-trains are less than a complete period, for example sine period or cosine period
- two consecutive measurement points or recordings suffice to estimate the frequency from the temporal phase change, in which case it is also particularly e
- the zero-crossing detection with period duration measurement is also applicable, as well as the autocorrelation phase or the evaluation of the power density spectrum.
- a new partial measuring field is generated as soon as a preceding partial measuring field has reached a limit of the recording measuring field.
- a new part of the measuring field is selected as soon as the observed part of the field runs out of the recording measuring field.
- the new sub-field includes at least partially a newly added Coming image section in the recording panel. This is generally accompanied by an amplitude and phase jump in the spatial filter signal. However, this is expected or is known due to the change of the partial measuring field, so that this transition can be excluded when determining the speed.
- An advantage here is that only the measured value that is generated when changing the partial measuring field is subject to errors due to the phase jump.
- the measured value at this point can either be discarded or replaced by an interpolated or valid measured value.
- An interpolated measured value can be generated, for example, by a preceding measured value or by an average of preceding measured values.
- Another val ider measured value can be determined by means of another spatial filter, for which no phase jump occurred at this point, or by means of another partial measuring field within the recording measuring field.
- the partial measuring field is moved with the object or the object collective.
- an estimation of the first still to be determined speed of the objects in the image section can be used.
- the estimation has an accuracy of one or a few pixels, which sufficient maintenance of the spectral image information.
- the accuracy of offset estimation using spatial filters is negligible in the subpixel range, from less than one pixel to 0.01 pixels.
- This spatial filter signal is subject to phase jumps, but provides a basis for an estimate of the relative velocity
- a partial measuring field in particular arbitrarily I, can be defined within the recording measuring field and moved along with the speed thus determined within the recording measuring field already subject to less fluctuations, so that already by this measure, the measurement is improved.
- the correspondingly improved measurement can also turn for the adaptation of Mitschuls explained the sub-field in the receiving field d or the subsequent next part of the measuring field are used so that a continuous approach to the actual relative speed and direction of movement takes place.
- limits of the partial measuring fields are determined by at least one, in particular one-dimensional, image signal analysis in which at least one characteristic, in particular one-dimensional, projected image signal profile is generated for each image by the acquired image data from the recording measuring field , in particular in rows and / or rows, in be mulated and / or averaged.
- This image signal analysis makes it possible to estimate the relative movement of the object or object collective in the recording measuring field with little effort and with an accuracy of one or a few pixels on the basis of the original image data, in order to determine the co-movement speed of the partial measuring field in the recording measuring field.
- This can also be a follow-up of certain structures in the image signal or the recognition of certain structures in the image signal waveform, which are spatially offset in successive recordings.
- the limits of the partial measuring fields are preferably set at significant points in the projected image signal waveform.
- Significance points are in particular extreme values or qualified threshold value passages.
- a qualified threshold pass is understood to be a threshold pass that has a sufficient change in amplitude, so that not every small image noise that happens to pass through the threshold is also recognized as a significance point. Even extreme values are conspicuous by their emphasis on the surrounding signal curve or by exceeding an upper threshold value or falling below a lower threshold value, wherein possibly also a sufficient stroke must be present.
- Threshold passes may be negative edge-down thresholds and / or rising-edge positive thresholds. Extreme values can be local maxima and / or local minima.
- the significance points may also be subjected in their spatial relationship to each other under certain conditions. For example, a minimum distance between the selected significance points, which can be used to determine the start and end of a part tag field so that the image components used do not become too small. On the other hand, a maximum value for the distance can also be determined so that sufficiently long partial signal trains of the spatial filter signal are ensured, since too large partial measuring fields in the recording measuring field would very quickly run out of the recording measuring field.
- the thus defined maximum extent of a partial measuring field in the recording measuring field in the direction of movement can also be made dependent on the periodicity of the spatial filter function used in the entire recording measuring field, in order to ensure that when passing through the recording measuring field, the partial measuring field passes through at least one or more periods of the spatial filter.
- the selection of the significance point recently entered into the recording measuring field as a trailing partial measuring field boundary and a leading significance point whose spatial distance to the trailing partial measuring field boundary lies between a minimum distance and a maximum distance is particularly preferred as a preceding partial measuring field boundary.
- the first and / or last occurrences of the significance points in the projected image signal course are used as partial measuring field delimitation in the case of a partial measuring field to be generated until the leading significance point runs out of the recording measuring field.
- the strongest significant points can be used. The transition from one subfield to the next does not require replacing the entire subfield becomes . Successive subject fields may also overlap.
- change of a partial measuring field can advantageously be used also another part measuring field, which has no change.
- the non-valid spatial filter reading of one sub-field can be replaced by the spatial-filter reading of the other sub-field.
- a change of the partial measuring fields is determined on the basis of a change in a position, a distance and / or an amplitude of the significant points in the recording measuring field and / or partial measuring field.
- an alternative embodiment of the spatial filter measuring method according to the invention provides that during a rotating relative movement of the at least one object or object collective to the spatial filter measuring device, a circular or annular spatial filter is used with circumferentially modulated structure whose center is located on a center of rotation of the rotating relative movement.
- a rotating relative movement which is given for example in rotating rollers, wheels, etc., it is possible to keep the selected image section constant, as by the circular motion always the same surface structure of a moving object or Structure of a rotating object collective representing the image database.
- a circular or annular spatial filter with structure modulated in the circumferential direction has the advantage in the case that no image constituents run out of the circular or annular recording measuring field or run into it again, so that already in this way the section of the at least one considered Object or object collective is permanently kept constant.
- the spatial filter signal thus generated is permanently phase-stable.
- the object on which the invention is based is also achieved by a spatial filter measuring device having a recording device and an image data processing device which is set up by means of image data processing software or as an FPGA to carry out a spatial filter measuring method according to the invention described above.
- the spatial filter measuring device according to the invention offers the same advantages, features and properties as the spatial filter measuring method according to the invention, which is carried out in the spatial filter measuring device.
- FIG. 1 shows a construction of a classical optical spatial filter measuring system with a spatial filter measuring device 100, as described, for example, in the abovementioned dissertation by M. Schaeber, "Mehrdimensionale Ortsfiltertechnik", (2015) Rostock, 201 3.
- the spatial filter measuring apparatus 100 includes a photoreceptor 102 which receives light from an object 2 moving in the moving direction 4 having an illuminated structure through an optical system.
- This comprises an imaging optical system 1 08, in the image plane of which a spatial filter formed as an optical grating 1 06 is arranged.
- the light transmitted through the spatial filter 1 06 is focused and integrated by means of an optical system 1 04 on the photoreceiver 1 02.
- the spatial filter 1 06 causes each pixel of the object 2 with the spatial filter function, here with the transmission function of the spatial filter 1 06, weighted.
- the fundamental frequency of each light spot is proportional to the speed of movement of the surface point.
- FIG. 2 a), 2 b) are shown schematically implementations of two spatial filter measuring devices 120 (FIG. 2 a) and 1 20 '(FIG. 2 b) using the example of a simple differential grating, which is essentially also shown in the dissertation by M. Schaeper.
- a structured receiver in the form of a matrix receiver 1 22 or a line receiver 1 23 of the spatial filter measuring device 1 20, 1 20 ', the image information from the object 2, which in a Movement direction 4 moves, received by an imaging optics 1 24.
- the combination of imaging optics 1 24 and structured receiver 1 22, 1 23 defines on the surface of the object 2 a recording measuring field 1 25, which comprises a part of the surface of the object 2.
- the structured matrix receiver 12 for example a CCD or CMOS image receiver, comprises image pixels arranged in columns and rows.
- a spatial filter signal s (t) reference numeral 14
- the corresponding selection paths 1 28 are indicated by solid lines.
- the line receiver 1 23 In contrast to in Fig. 2a), in which the signals of the matrix elements within each column are summed up, the signal shown in FIG. 2b), the line receiver 1 23 already has only one line with matrix elements. Correspondingly, the corresponding recording measuring field 1 is substantially narrower than in the case of the matrix receiver 1 22.
- the periodicity and the weighting functions of the spatial filter 1 06 can also be changed. You can also apply weighting such as cosine or sine functions or complex weighting functions. Multiple spatial filters can also be applied to an image. This is possible either by software or by means of programmable FPGA, for example.
- the spatial filter signals of the spatial filter measuring device 1 00, 1 20 of FIGS. 1 and 2 are necessarily phased or phase-biased, since, due to the relative movement between object 2 and the spatial filter measuring device 1 00, 1, 20 parts of the surface of the object 2 run out of the recording measuring field and new parts run in, so that the database on which is based on the local filter signal generation, constantly changes.
- FIGS. 3 to 5 first the effect of the phase noise is shown.
- Figures 3 and 4 are also from the dissertation of M. Schaeper.
- Fig. 3 shows an exemplary profile of an intensity distribution of an image brightness signal 10 of recorded image data along the longitudinal extent of an object in its movement direction 4.
- the movement direction or spatial extent is also designated by x as spatial coordinate.
- the intensity is represented in a normalized amplitude between 0 and 1 for intensity values between black (value 0) and white (value 1).
- the intensity distribution varies between about 0.4 and 0.7.
- arrows or arrows indicate locations or location positions in which a outgoing image edge of the recording measuring field is at different times ti to t 4 , wherein the object moves in the direction of movement 4 through the recording measuring field. Between times ti to t 4 , the object moves relative to the recording measuring field in each case by the width of the recording measuring field, which thus has the extension, which is represented by the distance of the arrows at the times ti to t 4 .
- the recording measuring field is shown as being moved with respect to the brightness data of the object.
- the spatial filter measuring method it is unimaginable whether the object moves or the recording measuring field, since it depends on the relative movement.
- FIG. 4 shows on the left side a sequence of representations which are staggered among one another and in which the image brightness signal 1 0 from FIG. 3 each moved to the width of the recording measuring field. There are thus snapshots at the times ti to t 4 .
- the resulting spatial filter signal s (t) is shown in FIG. 4 shown on the right with a vertical downwards timeline. The times ti to t 4 are indicated by arrows and crosses on the spatial filter signal s (t) whose real part 14 is shown. It is in Fig.
- the spatial filter signal 14 between the times ti and t 2 has a very low Ampl itude and a relatively irregular structure having little in common with a pure sine or cosine function.
- the time t 3 around the amplitude is very large and the signal is very regular.
- time t 4 at medium signal amplitude, an irregularity in the alternating signal can be seen, indicating a phase change.
- the in Fig. 4 relates to a cosine local grating having a periodicity ⁇ ⁇ of 4.
- spatial filter signals can also be produced for any other periodicities.
- Fig. 5 shows the temporal behavior of a complex spatial filter signal.
- the real part 14 the imaginary part 1 5 and the amount of Ampl itude 1 6 are shown.
- Real part 14 and imaginary part 1 5 are generated, each with a shifted by 90 ° spatial filter grids the same periodicity.
- the upper enveloping curve corresponds to the amount 1 6 of the complex spatial filter signal and can be calculated from real part 14 and imaginary part 15 in the evaluation.
- the image part 5b) shows the phase 1 7 of the complex spatial filter signal calculated from the real part 14 and the imaginary part 1 5. In regions of high amplitude, it results in a nearly linear phase increase. In areas with ringer Ampl itude 1 6 are more pronounced deviations from the linearity.
- the phase difference signal 1 8 is shown weighted with the spatial filter period and the magnification scale as an image offset or a specific velocity profile.
- the phase difference is the change of the phase 1 7 between two images and corresponds to the rotary pointer signal method for determining the object speed.
- a plausibility test is used to minimize the influence of noise and phase jumps in the signal by averaging and excluding unreliable measurements. For example, speed variations could be limited to a maximum value. It could be detected without any problems strong deviations 21. However, if smaller deviations 22 due to smaller phase jumps are to be detected, the threshold must be set very low and many signal values are invalid.
- FIGS. 6 to 9 show characteristics of the spatial filter measuring method according to the invention, which cancel out the previously shown limitations of the conventional spatial filter measuring method.
- Fig. 6 shows schematically the procedure in a first embodiment of the method according to the invention.
- a linear movement takes place in which an object 2 or object collective moves through a recording measurement field 60, as described above.
- the eight mutually imaged curves each relate to the one recorded on the spatial filter. formed object or object collective 2 at different continuous times.
- the dashed curves 61 correspond to the image brightness signal 1 0 in the recording measuring field 60, which receives, for example, the line sensor 1 23 of FIG. 2b).
- Significance points 62 1 "3 , 63 1" 2 are searched for in the image brightness signal within the respective recording measuring field. These are in the embodiment of FIG. 6 around the respectively first and last negative threshold value passages in the recording measuring field 60. Between these two respectively recognized significance points 62 1 "3 , 63 1" 2 , for example the first (62 1 "3 ) and the last (63 1" 2 ) within the interval , a considered patch is defined as a sub-field 64 1 "4 that remains stationary with respect to the image brightness signal 61 until it emerges from the acquisition array 60. As this happens, new significance locations within the acquisition measurement field are searched to define a new sub-field 6, several times have also existed between the time points in which the partial measuring fields have been newly defined .. Differing from the selection criterion illustrated in FIG. 6, smaller or larger partial measuring fields may also be selected which remain longer or shorter in the recording measuring field 60.
- the image brightness signals 61 of the partial measuring fields 64 1 "4 are weighted by the spatial filter 1 06 and summation forms the spatial filter signal 14.
- the image brightness measured values which lie outside the partial measuring fields 64 1" 4 do not flow into the formation of the spatial filter signal and advantageously occur the summation is set to zero or weighted with zero.
- Fig. 7 shows by way of example schematically the result of the spatial filter signal thus generated.
- the spatial filter signal s (t) each a spatial filter signal section 74 to 74 "", which is a Generalzug a monofrequenten sine or cosine signal, if the spatial filter function was also a sine or cosine function. Deviations from this pure signal structure may arise from the existing image noise and possibly occurring inaccuracies in tracking the sub-fields 64 1 "4.
- These local filter signal sections 74 to 74"" may comprise either fractions of a period or one or more periods, as the case may be minimum or maximum width of the partial measuring fields 64 1 "4 within the recording measuring field 60.
- Each at the points 76 at which a partial measuring field 64 1" 4 runs out of the recording measuring field 60 and is replaced by a new partial measuring field 64 1 "4 are dashed vertical lines represented, which characterize this transition. At these points, there is no valid measured value. This can be replaced by the last previous measurement, an average from previous measurements or other valid spatial filter measurements. Although the amplitudes and phases of the individual spatial filter signal sections 74 to 74 "" differ from each other, their fundamental frequency is always the same.
- Fig. 8 shows the result for the same signal train and the same spatial filter weighting from FIG. 5.
- the image part Fig 8a turn the complex spatial filter signal with real part 14 and imaginary part 15 and the signal amplitude formed therefrom 1 6 can be seen.
- the real part 14 and the imaginary part 1 5 are harmonic in sections, and the amplitude 16 is constant in sections.
- the phase 1 7 of the complex spatial filter signal is plotted.
- This is now, in contrast to the previous spatial filter technique, for a part of the measuring field 64 1 "4 almost linear and has jumps 23 for changes in the partial measuring field 64 1" 4 .
- These jumps 23 are indicated by horizontal lines and were derived from the change of the significance points 62 1 "3 , 63 1" 2 or the partial measuring fields 64 1 "4.
- the phase jumps in the spatial filter signal are localized to a measured value and via the changes of the Partial measuring fields 64 1 "4 detectable.
- Fig. 9 schematically shows an alternative embodiment of a spatial filter 82 having a ring shape with a circumferentially modulated characteristic. Its center coincides with the center 80 in a rotation in the direction of movement 4, which in this case is a direction of rotation.
- the viewed image section namely the ring section, always remains the same, so that a quasi-infinite course of the spatial filter signal analogous to that in FIG. 9c).
- the detail 60 from the image brightness signal from FIG. 9a) and 9b) comparable to the course of the image brightness along a complete revolution through 360 ° in the ring section around the center 80.
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Abstract
Description
Ortsfiltermessverfahren und Vorrichtung zur Ortsfiltermessung Beschreibung Spatial Filter Measurement Method and Spatial Filter Measurement Device Description
Die Erfindung betrifft ein Ortsfiltermessverfahren zur Bestimmung einer Relativgeschwindigkeit zwischen einer Ortsfiltermessvorrich- tung und wenigstens einem Objekt oder Objektkollektiv, wobei die Ortsfiltermessvorrichtung Bilddaten des wenigstens einen Objekts oder Objektkollektivs erfasst, das sich durch ein in einem Referenzsystem der Ortsfiltermessvorrichtung stationäres Aufnahmemessfeld der Ortsfiltermessvorrichtung bewegt, wobei wenigstens ein zeitlich moduliertes Ortsfiltersignal durch Anwendung wenigstens eines Ortsfilters auf wenigstens einen Teil der erfassten Bilddaten erzeugt wird, sowie eine Ortsfiltermessvorrichtung mit einer Aufnahmevorrichtung und einer Bilddatenverarbeitungseinrichtung. The invention relates to a spatial filter measuring method for determining a relative speed between a spatial filter measuring device and at least one object or object collective, wherein the spatial filter measuring device captures image data of the at least one object or object collective moving through a recording measuring field of the spatial filter measuring device that is stationary in a reference system of the spatial filter measuring device, wherein at least a spatially modulated spatial filter signal is generated by applying at least one spatial filter to at least a portion of the acquired image data, and a spatial filter measuring apparatus comprising a recording device and an image data processing device.
Die Ortsfiltermesstechnik ist ein etabliertes, robustes und effizientes Verfahren zur berührungslosen Bestimmung von Geschwindigkeiten von Messobjekten, beispielsweise von Gasen, Fluiden oder Festkörpern . Ortsfiltermesstechnik funktion iert ohne mechanisch bewegte Teile, verschleißfrei und zuverlässig . Es gibt weder Schlupf noch Abnutzung, die die Messung oder die Apparatur beeinträchtigen . Neben einer Geschwindigkeitsmessung können auch Beschleunigungen, der Ort bzw. die Position und die Länge von Messobjekten oder andere anwendungsspezifische abgeleitete Größen wie ein Volumenstrom oder ein Materialfluss, Teilchengrößen oder Teilchengrößenverteilungen gemessen und abgeleitet werden . Spatial filter measurement technology is an established, robust and efficient method for the non-contact determination of velocities of DUTs, such as gases, fluids or solids. Spatial filter technology works without mechanically moving parts, wear-free and reliable. There is no slippage yet Wear that affects the measurement or the equipment. In addition to a speed measurement, accelerations, the location or the position and the length of measurement objects or other application-specific derived variables such as a volume flow or a material flow, particle sizes or particle size distributions can be measured and derived.
Ein Großteil der Signalverarbeitung, die mit der Umwandlung von Bewegung in eine (Orts-)Frequenz einhergeht, ist bereits im Aufbau von bekannten Ortsfiltermessvorrichtungen oder Ortsfiltermessan- ordnungen realisiert. Zur Ortsfrequenzmessung bedarf es keiner ausgezeichneten Punktquelle. Bildinformationen werden nach dem Ortsfilterprinzip verknüpft und eine bewegungsäquivalente Frequenz gebildet. Die Signalauswertung liefert eine einfache und starke Datenreduktion . Much of the signal processing that accompanies the conversion of motion into a (local) frequency is already realized in the construction of known spatial filter measuring devices or spatial filter measuring systems. For spatial frequency measurement, there is no need for an excellent point source. Image information is linked according to the spatial filter principle and a motion-equivalent frequency is formed. The signal evaluation provides a simple and strong data reduction.
Die Ortsfiltermesstechnik beruht, vereinfacht dargestellt, auf dem Prinzip, dass ein bewegter Gegenstand oder eine bewegte Oberfläche, die an einem optischen Gitter mit einer, ggf. periodischen, Struktur von Gitterlinien vorbeibewegt wird, ein periodisches Signal erzeugt, dessen Frequenz sowohl von der Geschwindigkeit der Bewegung des Objekts als auch von den Gitterparametern bzw. von der Gitterkonstanten des optischen Gitters abhängt. In diese Abhängigkeit fließen auch beispielsweise Vergrößerungsfaktoren von optischen Linsen, Linsensystemen oder anderen optischen Elementen ein, die in einigen Fällen verwendet werden . Die Gitterstruktur kann dabei durch Hardwaregitter realisiert sein, etwa optische Gitter mit unterschiedl icher Transmission oder speziell angeordnete Lichtwellenleiter, durch elektronische Gitter, beispielsweise realisiert mittels Wichtung elektrischer Signale, oder durch Softwaregitter, beispielsweise realisiert mittels Wichtung der Pixelwerte von Bildern . Wenn die Gitterstruktur bekannt ist und gegebenenfalls bekannt ist, welchen Vergrößerungsfaktor eine Optik aufweist, die im Strahlengang einer Ortsfilternnessanordnung verwendet wird, kann aus der Frequenz des beobachteten Signals auf die Bewegungsgeschwindigkeit des Messobjekts rückgeschlossen werden . Dabei wird, etwa im Fall eines linearen Gitters mit parallelen Gitterlinien, diejenige Geschwindigkeitskomponente der Bewegung erfasst, die senkrecht zur Ausrichtung der Gitterlinien des Ortsgitters ist. Eine Geschwindigkeitskomponente, die parallel zur Ausrichtung der Gitterl inien ist, führt nicht zu einer Modulation des durch das Gitter durchgelassenen Lichts. Diese Komponente wird daher nicht gemessen . Simplified, the spatial filter measurement technique is based on the principle that a moving object or a moving surface, which is moved past an optical grating with an optionally periodic structure of grating lines, generates a periodic signal whose frequency depends both on the speed of the grating Movement of the object as well as on the lattice parameters or on the lattice constants of the optical grating depends. In this dependence, for example, magnification factors of optical lenses, lens systems or other optical elements used, which are used in some cases. The grating structure can be realized by hardware grids, such as optical gratings with different transmission or specially arranged optical waveguides, by electronic grids, for example realized by weighting electrical signals, or by software grids, for example realized by weighting the pixel values of images. If the grating structure is known and it is known, if any, which magnification factor an optic used in the beam path of a spatial filterness arrangement is, the frequency of the observed signal can be used to deduce the movement speed of the measurement object. In this case, for example in the case of a linear grid with parallel grid lines, that component of the velocity which is perpendicular to the orientation of the grid lines of the local grid is detected. A velocity component that is parallel to the alignment of the gratings does not result in a modulation of the light transmitted through the grating. This component is therefore not measured.
Bei einer gleichförmigen Bewegung ergibt sich bei einem linearen Gitter als Ortsfilter ein Signalspektrum mit einem deutl ichen Maximum, das der Bewegungskomponente des Messobjekts senkrecht zur Ausrichtung der Gitterlinien entspricht. Aus der dominierenden Frequenz des Ortsfiltersignals kann die Geschwindigkeit der Bewegung bestimmt werden . Die Genauigkeit und Zeitauflösung der Geschwindigkeitsmessung hängt davon ab, wie genau die Frequenz der Geschwindigkeit entspricht und wie genau und wie schnell die Frequenz im Signal bestimmt wird . In the case of a uniform movement, the result for a linear grating as the spatial filter is a signal spectrum with a significant maximum, which corresponds to the component of motion of the measuring object perpendicular to the orientation of the grating lines. From the dominant frequency of the spatial filter signal, the speed of movement can be determined. The accuracy and time resolution of the speed measurement depends on how exactly the frequency corresponds to the speed and how exactly and how fast the frequency in the signal is determined.
Im Wesentlichen sind zwei verschiedene Ansätze zur Ortsfiltermessung bekannt. In einem ersten Ansatz wird die Ortsfiltermessung mit Hilfe von Hardware-Ortsfiltern bzw. Hardwaregittern realisiert. Bei derartigen Ortsfiltern handelt es sich um diskrete optische Bauelemente, etwa um optische Transmissionsgitter, Phasengitter, Reflexionsgitter oder speziell angeordnete Lichtwellenleiter. Das Licht, das von einem bewegten Messobjekt durch ein optisches Gitter als Ortsfilter hindurchtritt, wird dabei in seiner Gesamtheit zeitlich moduliert. Die Modulationsfrequenz hängt u. a. von der Geschwindig- keit des Messobjekts und von der Ausrichtung des optischen Gitters sowie dessen Gitterparameter bzw. Gitterkonstante ab. Wenn eine Vergrößerungsoptik verwendet wird, wächst auch die Modulationsfrequenz mit dem Vergrößerungsfaktor. Essentially, two different approaches to spatial filter measurement are known. In a first approach, the spatial filter measurement is implemented using hardware spatial filters or hardware grids. Such spatial filters are discrete optical components, such as optical transmission grating, phase grating, reflection grating or specially arranged optical waveguides. The light, which passes from a moving object to be measured through an optical grating as a spatial filter, is modulated temporally in its entirety. The modulation frequency depends, among other things, on the speed ability of the measuring object and the orientation of the optical grating and its lattice parameters or lattice constant. If magnification optics are used, the modulation frequency also increases with the magnification factor.
Das zeitl ich modulierte Licht wird über eine Optik beispielsweise mittels Photodioden detektiert, die eine hohe Grenzfrequenz, beispielsweise etwa 1 0 MHz oder bis in den GHz-Bereich, aufweisen . Aufgrund der schnellen Reaktionszeit der Photodioden können nach diesem ersten Ansatz in der Ortsfiltermessung sehr schnelle Signale und sehr hohe Frequenzen verarbeitet werden, soweit genügend Licht vorhanden ist. Dazu wird die Hardware, also u . a . die verwendete Optik und die verwendeten Ortsfilter, an die jeweiligen Einsatzbedingungen angepasst, beispielsweise bezüglich der zu messenden Geschwindigkeiten oder der Oberflächenbeschaffenheit der Messobjekte. Bei der Anpassung wird erreicht, dass für die jeweil igen Einsatzbedingungen und die zu messenden Größen optimale Modulationssignale eingestellt werden . Damit sollen Mehrdeutigkeiten aufgrund von beispielsweise durch die Gitterparameter des Ortsfilters verursachte Über- und Unterabtastungen vermieden und ein gutes Signal-zu-Rauschen-Verhältnis erreicht werden . The temporally modulated light is detected via an optic, for example by means of photodiodes, which have a high cutoff frequency, for example about 10 MHz or up to the GHz range. Due to the fast response time of the photodiodes can be processed according to this first approach in the spatial filter measurement very fast signals and very high frequencies, as long as enough light is available. This is the hardware, u. a. the optics used and the spatial filters used, adapted to the respective conditions of use, for example with regard to the speeds to be measured or the surface condition of the measurement objects. During the adaptation, it is achieved that optimum modulation signals are set for the respective operating conditions and the variables to be measured. This is intended to avoid ambiguities due to over- and undersampling caused, for example, by the grid parameters of the spatial filter, and to achieve a good signal-to-noise ratio.
Dieser erste Ansatz mit diskreten optischen Bauelementen als Ortsfilter bietet eine sehr hohe zeitliche Auflösung der Messung durch den möglichen Einsatz sehr schneller Empfänger. Die Hardwareanpassung ist jedoch aufwändig, da das Gitter bei Änderung der Messbedingungen hardwareseitig angepasst werden muss. This first approach with discrete optical components as a spatial filter offers a very high temporal resolution of the measurement due to the possible use of very fast receivers. However, the hardware adaptation is time-consuming, since the grating must be adapted to the hardware when changing the measurement conditions.
In einem zweiten Ansatz wird auf den Einsatz von Hardware-Gittern verzichtet. Stattdessen wird die Ortsfiltermessung durch eine spezielle Signalgenerierung für zeilen- oder flächenhafte Empfänger, z.B. Kameras mit CCD- oder CMOS-Chips, PD-Arrays oder faseropti- sehe Gitter umgesetzt. In diesem Fall sind keine optischen Gitter notwendig, sondern die gitter- bzw. matrixartige Strukturierung des optischen Empfängers wird zur Ortsfiltermessung ausgenutzt. In a second approach, the use of hardware grids is dispensed with. Instead, the spatial filter measurement is achieved by a special signal generation for line or area receivers, for example cameras with CCD or CMOS chips, PD arrays or fiber optics. see grid implemented. In this case, no optical gratings are necessary, but the grid or matrix-like structuring of the optical receiver is utilized for spatial filter measurement.
Die Ortsfiltermessung umfasst dabei die Signalgenerierung, beispielsweise mit einem sogenannten Softwaregitter über die Wich- tung der elektrischen Signale oder Pixelwerte mit der Ortsfilterfunktion und anschließender Summierung aus den einzelnen Bildpunkten, wodurch ein Ortsfiltereffekt erzeugt wird . So können ohne Änderung der Hardware Ortsfilter mit verschiedenen Orientierungen oder Gitterkonstanten erzeugt bzw. angewandt werden . Dies ist vergleichbar mit dem Austausch von optischen Gittern nach dem oben genannten ersten Ansatz. In this case, the spatial filter measurement comprises the signal generation, for example with a so-called software grid via the weighting of the electrical signals or pixel values with the spatial filter function and subsequent summation from the individual pixels, whereby a spatial filter effect is produced. Thus, without changing the hardware, spatial filters with different orientations or lattice constants can be created or applied. This is similar to the replacement of optical gratings according to the first approach mentioned above.
Eine solche elektronische bzw. softwareseitige Realisierung von Gitterfunktionen hat den weiteren Vorteil der Anpassbarkeit des Ortsfiltersystems an den vorliegenden Prozess. Bei CCD-und CMOS- Sensoren wird dieses durch die Gewichtung von Pixelzeilen und - spalten nach einer vorgegebenen Gitterfunktion vorgenommen . Weiterhin können mit Softwaregittern Gitterfunktionen erzeugt werden, die optisch nicht oder nur mit hohem Aufwand realisierbar sind . So können Gitter mit negativen und/oder komplexen Gewichtungen realisiert werden . Diese Gitter bieten den Vorteil, dass sie mittelwertfreie modulierte Signale und/oder orthogonale Signale zur Bestimmung von Momentanamplitude und Momentanphase mit hoher zeitlicher Auflösung liefern . Weiterh in sind die Gewichte nicht auf 0 und 1 beschränkt, sondern können auch Zwischenwerte und andere Werte (Verstärkung, komplexe Zahlen) annehmen . Sehr einfach sind auf diese Weise beispielsweise komplexe harmonische Funktionen als Gitterfunktionen realisierbar. Such an electronic or software-side realization of grid functions has the further advantage of the adaptability of the spatial filter system to the present process. For CCD and CMOS sensors, this is done by weighting pixel rows and columns according to a given grid function. Furthermore, grid functions can be generated with software grids that are not optically feasible or only with great effort. Thus, grids with negative and / or complex weights can be realized. These gratings offer the advantage that they provide mean-free modulated signals and / or orthogonal signals for determining instantaneous amplitude and instantaneous phase with high temporal resolution. Further, the weights are not limited to 0 and 1, but may take intermediate values and other values (gain, complex numbers). For example, it is very simple to realize complex harmonic functions as lattice functions in this way.
Das entstandene Ortsfiltersignal ist bezüglich seiner Frequenz pro- portional zur Bewegungsgeschwindigkeit. Die Schätzung der Signalfrequenz kann mittels einer Nulldurchgangs- oder Schwellwertdetek- tion bzw. Periodendauermessung, der Ermittlung des Leistungsdichtespektrums, des Drehzeigerverfahrens oder der Kreuzkorrelationsphase vorgenommen werden . Diese Analysemethoden sind beispielsweise in der Dissertation von M. Schaeper,„Mehrdimensionale Ortsfiltertechnik", Universität Rostock 201 3, veröffentlicht in Springer Vieweg, Springer Fachmedien Wiesbaden 2014 erläutert. The resulting spatial filter signal is proportional to its frequency. proportional to the speed of movement. The estimation of the signal frequency can be carried out by means of a zero-crossing or threshold value detection or periodic duration measurement, the determination of the power density spectrum, the rotation-pointing method or the cross-correlation phase. These analysis methods are explained, for example, in the dissertation by M. Schaeper, "Mehrdimensionale Ortsfiltertechnik", University of Rostock 201 3, published in Springer Vieweg, Springer Fachmedien Wiesbaden 2014.
Für die Unsicherheit der Geschwindigkeitsmessung mittels eines Ortsfiltermessverfahrens mit einer der zuvor genannten Analysemethoden kommen unterschiedliche Fehlereinflüsse zum Tragen . Zunächst entspricht der Frequenzwert nicht notwendigerweise der Geschwindigkeit der Oberfläche. Dieser Fehler wird typischerweise als systematischer Fehler klassifiziert. Weiterhin hängt die Genauigkeit der Geschwindigkeitsbestimmung vom Signal-Rausch-Verhältnis ab. Einflüsse sind hier beispielsweise zeitl iche Schwankungen in der Beleuchtung, Rauschprozesse in der Messkette oder Quantisierungsfehler. Dies sind typischerweise zufällige Fehler. For the uncertainty of the speed measurement by means of a spatial filter measurement method with one of the aforementioned analysis methods, different error influences come into play. First, the frequency value does not necessarily correspond to the speed of the surface. This error is typically classified as a systematic error. Furthermore, the accuracy of the speed determination depends on the signal-to-noise ratio. Influences include, for example, temporal fluctuations in the lighting, noise processes in the measuring chain or quantization errors. These are typically random errors.
Der systematische Fehler bei der Ortsfiltermessung basiert im Wesentlichen auf Phasensprüngen im Signal . Bei der Relativbewegung zwischen dem Objekt oder Objektkollektiv und der Ortsfiltermess- vorrichtung läuft zwischen aufeinanderfolgenden Aufnahmen ein Teil der betrachteten Oberfläche aus dem betrachteten Bereich bzw. Aufnahmemessfeld heraus und ein neuer Teil läuft in den beobachteten Bereich hinein . Damit ändert sich fortlaufend die Datenbasis der Bildinformation, da wegfallende Bildteile durch hinzukommende neue Bildteile ersetzt werden . Dies verursacht die Schwankungen in der Phasenlage des Ortsfiltersignals. The systematic error in the spatial filter measurement is essentially based on phase jumps in the signal. In the case of the relative movement between the object or object collective and the spatial filter measuring device, a part of the viewed surface runs out of the viewed area or recording measuring field between successive shots and a new part runs into the observed area. Thus, the data base of the image information is continuously changing, since removed image parts are replaced by additional new image parts. This causes the variations in the phase position of the spatial filter signal.
Weiterhin treten die Phasensprünge nicht kurzzeitig auf, sondern das Ortsfiltersignal ändert sich von Aufnahme zu Aufnahme kontinuierlich, bis sich ein neuer Frequenzwert stabilisiert hat. Da diese Phasenänderungen nicht eindeutig identifiziert werden können und teilweise über einen langen Zeitraum vorliegen können, gehen sie in die Geschwindigkeitsstatistik ein und bedingen einen systematischen Fehler, der im Messprozess nicht quantifiziert werden kann . Aufgrund der sich stetig ändernden Oberfläche tritt der Fehler beim Messprozess als Schwankung der Frequenz bzw. Verbreiterung des Spektrums auf. Die Unsicherheit aufgrund der Phasenänderungen ist größer als die Unsicherheit aufgrund des Rauschens und dominiert die Genauigkeit der Ortsfiltertechnik. Bisherige Ortsfiltermess- systeme erreichen daher Messunsicherheiten von maximal 0.05% unter Laborbedingungen . Furthermore, the phase jumps do not occur for a short time, but the spatial filter signal changes from recording to recording continuously until a new frequency value has stabilized. Since these phase changes can not be unambiguously identified and sometimes can be present over a long period of time, they enter into the speed statistics and cause a systematic error that can not be quantified in the measurement process. Due to the constantly changing surface, the error in the measurement process occurs as a fluctuation in the frequency or broadening of the spectrum. The uncertainty due to the phase changes is greater than the uncertainty due to the noise and dominates the accuracy of the local filter technique. Previous spatial filter measuring systems therefore achieve measurement uncertainties of a maximum of 0.05% under laboratory conditions.
Weiterhin wird beobachtet, dass die Amplitude des Ortsfiltersignals im Bereich von Phasensprüngen und Frequenzänderungen häufig einbricht und sich das Signal-Rausch-Verhältnis signifikant reduziert. Gleichzeit mit Phasensprüngen treten somit hohe zufäll ige Fehler auf, die temporär eine zusätzliche Unisicherheit der Analysemethode bedingen . Auch hier ist keine Quantifizierung des Fehlers möglich, da geringe Ampl ituden auch außerhalb von Phasensprüngen auftreten können . Furthermore, it is observed that the amplitude of the spatial filter signal in the range of phase jumps and frequency changes often breaks down and the signal-to-noise ratio is significantly reduced. At the same time with phase jumps, high random errors occur, which temporarily cause an additional uncertainty of the analysis method. Again, no quantification of the error is possible because low amplitudes may also occur outside of phase jumps.
Die Fehler werden beispielsweise durch Obergrenzen für Phasenänderungen, mittels Plausibil itätstests zwischen mehreren Signalpaaren (vgl . I . Menn,„Optische Messung der Fließgeschwindigkeit von Erythrozyten zur Erfassung der Mikrozirkulation", Universität Rostock, 201 0) und durch Mittelung über mehrere Messwerte bekämpft. Allerdings reduziert sich damit die Dynamik der Systeme, da die Messung schneller Geschwindigkeits- und Frequenzänderungen nicht mehr möglich ist. Der vorliegenden Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zugrunde, die Messgenauigkeit von Ortsfiltermessverfahren zu erhöhen und hierzu ein Ortsfiltermessverfahren und eine Ortsfiltermess- vorrichtung mit verbesserter Genauigkeit zur Verfügung zu stellen . The errors are counteracted, for example, by upper limits for phase changes, by means of plausibility tests between several signal pairs (see I. Menn, "Optical Measurement of the Flow Rate of Erythrocytes for Recording the Microcirculation", University of Rostock, 201 0) and by averaging over a plurality of measured values reduces the dynamics of the systems, since the measurement of fast speed and frequency changes is no longer possible. The present invention is based on the object of increasing the measurement accuracy of spatial filter measurement methods and, for this purpose, providing a spatial filter measurement method and a spatial filter measurement apparatus with improved accuracy.
Diese Aufgabe wird durch ein Ortsfiltermessverfahren zur Bestimmung einer Relativgeschwindigkeit zwischen einer Ortsfiltermess- vorrichtung und wenigstens einem Objekt oder Objektkollektiv gelöst, wobei die Ortsfiltermessvorrichtung Bilddaten des wenigstens einen Objekts oder Objektkollektivs erfasst, das sich durch ein in einem Referenzsystem der Ortsfiltermessvorrichtung stationäres Aufnahmemessfeld der Ortsfiltermessvorrichtung bewegt, wobei wenigstens ein zeitl ich moduliertes Ortsfiltersignal durch Anwendung wenigstens eines Ortsfilters auf wenigstens einen Teil der er- fassten Bilddaten erzeugt wird, das dadurch weitergebildet ist, dass zur Erzeugung des wenigstens einen Ortsfiltersignals ein betrachteter Ausschnitt des wenigstens einen Objekts oder Objektkollektivs wenigstens zeitweise oder dauerhaft wenigstens annähernd konstant gehalten wird . This object is achieved by a spatial filter measuring method for determining a relative speed between a spatial filter measuring device and at least one object or object collective, the spatial filter measuring device detecting image data of the at least one object or object collective moving through a recording measuring field of the spatial filter measuring device that is stationary in a reference system of the spatial filter measuring device, wherein at least one temporally modulated spatial filter signal is generated by applying at least one spatial filter to at least a portion of the acquired image data, which is further developed in that for generating the at least one spatial filter signal a section of the at least one object or object collective at least temporarily or permanently at least is kept approximately constant.
Das erfindungsgemäße Ortsfiltermessverfahren behebt auf grundsätzl iche Weise das zuvor beschriebene Problem, dass Phasensprünge und Phasenänderungen zusammen mit kleinen Amplituden die Genauigkeit der Ortsfiltermessung grundsätzlich begrenzen . Bislang werden üblicherweise sämtliche aufgenommenen Bildinformationen zur Generierung eines Ortsfiltersignals verwendet und der Signal inhalt für die Versatzschätzung wurde nicht optimiert. The spatial filter measuring method according to the invention fundamentally eliminates the previously described problem that phase jumps and phase changes together with small amplitudes basically limit the accuracy of the spatial filter measurement. So far, all captured image information is usually used to generate a spatial filter signal and the signal content for the offset estimation has not been optimized.
Demgegenüber sieht die vorliegende Erfindung die bereits konzeptionell völl ig unterschiedliche Vorgehensweise vor, zumindest zeitweise Phasenschwankungen aufgrund von Änderungen der Bilddatenbasis so vollständig wie möglich zu unterdrücken, indem über einen, insbesondere möglichst langen, Zeitraum dieselben Bildinformationen für das Ortsfiltermessverfahren verwendet werden . Dadurch werden die Phasenänderungen im Ortsfiltersignal auf die Beiträge von unvermeidbarem Bildrauschen und gegebenenfalls von unvermeidbaren geringen Ungenauigkeiten bei der Konstanthaltung des betrachteten Ausschnitts des betrachteten Objekts bzw. Objektkollektivs begrenzt. Auf diese Weise werden die spektralen Koeffizienten des erzeugten Ortsfiltersignals konstant oder weitgehend konstant gehalten . Mit diesen reinen Ortsfiltersignalen ist somit eine sehr genaue und phasensprungfreie bzw. -arme Geschwindigkeitsmessung möglich . Des Weiteren ergeben sich durch die Konstanthaltung der Bildinformationen weitere Vorteile für die Auswertung und Validierung des Ortsfiltersignals. Einerseits ergibt die Konstanthaltung der Bildinformationen, im Gegensatz zu bisherigen Auswerteverfahren, wenigstens zeitweise zeitlich konstante Amplituden der komplexen Ortsfiltersignale. Diese wiederum können als direktes und eindeutiges Maß für die Zuverlässigkeit der Geschwindigkeitsschätzung herangezogen werden . Damit ergeben sich Informationen zu der lokalen Qualität des Signals. Andererseits kann die Bildinformation zwar nicht zeitl ich beliebig lange konstant gehalten werden, jedoch sind die Signalstellen, an denen keine Konstanz der Bildinhalte vorliegt und damit ein Phasensprung vorhanden ist, bekannt und auf wenige Messwerte reduziert. Damit können die aufgrund von Phasensprüngen unsicheren Messwerte auf eine Minimalanzahl reduziert und identifiziert werden und entweder el iminiert oder gegebenenfalls durch valide Messwerte, z.B. anderer Ortsfilter, ersetzt werden . Es ergibt sich eine Verbesserung der Genauigkeit bzw. Reduzierung des Phasenrauschens um eine Größenordnung gegenüber bekannten Methoden der Signalvalidierung und Plausibi- litätsprüfung von Ortsfiltersignalen . In contrast, the present invention provides the already conceptually completely different approach to suppress at least temporarily phase fluctuations due to changes in the image database as completely as possible, by over one, in particular as long as possible, the same image information for the spatial filter measurement method can be used. As a result, the phase changes in the spatial filter signal are limited to the contributions of unavoidable image noise and possibly unavoidable small inaccuracies in keeping constant the considered section of the object or object being considered. In this way, the spectral coefficients of the generated spatial filter signal are kept constant or substantially constant. With these pure spatial filter signals thus a very accurate and phase-jump-free or low-speed speed measurement is possible. Furthermore, the constant maintenance of the image information results in further advantages for the evaluation and validation of the spatial filter signal. On the one hand, the keeping constant of the image information, in contrast to previous evaluation, at least temporarily temporally constant amplitudes of the complex spatial filter signals. These, in turn, can be used as a direct and unambiguous measure of the reliability of the speed estimate. This provides information about the local quality of the signal. On the other hand, although the image information can not be kept constant for any length of time, the signal points at which there is no constancy of the image contents and thus a phase jump are known and are reduced to a few measured values. In this way, the measurement values which are uncertain due to phase jumps can be reduced to a minimum number and identified and either iminiert or possibly replaced by valid measured values, eg other spatial filters. This results in an improvement in the accuracy or reduction of the phase noise by an order of magnitude compared to known methods of signal validation and plausibility check of spatial filter signals.
Eine weitere Verbesserung ergibt sich in dem Fall , dass mehrere Ortsfiltersignale gleichzeitig gemessen werden, wenn vorteilhafterweise bei mehreren Ortsfiltersignalen die Ortsfiltersignale mit den höchsten Amplituden ausgewählt werden . Diese werden im Zweifelsfall die höchste Phasenstabilität und das höchste Signal- Rausch-Verhältnis aufweisen A further improvement results in the case that several Local filter signals are measured simultaneously, if advantageously the location filter signals are selected with the highest amplitudes in multiple spatial filter signals. In case of doubt these will have the highest phase stability and the highest signal-to-noise ratio
Bezüglich der Konstanthaltung der Bilddatenbasis gibt es mehrere Möglichkeiten . In einer vorteilhaften Ausgestaltung, die insbesondere bei l inearen Relativbewegungen einfach anzuwenden ist, werden Bilddaten aus einer Serie von aufeinanderfolgenden Teilmessfeldern verwendet, die sich innerhalb des Aufnahmemessfelds mit dem Objekt oder Objektkollektiv mitbewegen . Dabei bleiben vorzugsweise Messwerte des Ortsfiltersignals, die beim Übergang von einem Teilmessfeld auf ein nachfolgendes Teilmessfeld entstehen, unberücksichtigt, wobei insbesondere ein solcher Messwert durch einen vorangegangenen Messwert, einen aus vorangegangenen Messwerten interpolierten Messwert oder durch einen Messwert eines anderen Ortsfilters oder eines anderen Teilmessfeldes ersetzt wird . Regarding the constant maintenance of the image database, there are several possibilities. In an advantageous embodiment, which is easy to apply in particular in linear relative movements, image data from a series of successive partial measuring fields are used which move within the recording measuring field with the object or object collective. In this case, preferably, measured values of the spatial filter signal, which arise during the transition from a partial measuring field to a subsequent partial measuring field, are disregarded, wherein in particular such a measured value is replaced by a preceding measured value, a measured value interpolated from previous measured values or by a measured value from another spatial filter or another partial measuring field ,
Bei dieser vorteilhaften Vorgehensweise wird jeweils ein Teilbereich des beobachteten Bereichs ausgewählt und innerhalb des Aufnahmemessfelds mit der Relativbewegung und -bewegungsrichtung zwischen Objekt und Ortsfiltermessvorrichtung mitbewegt. So liegen in jeder nachfolgenden Aufnahme, in der der Teilbereich noch vollständ ig innerhalb des Aufnahmemessfelds liegt, dieselben oder nahezu dieselben Bildinformationen vor, auf die der gegenüber dem i m Referenzsystem der Ortsfiltermessvorrichtung stationäre Ortsfilter angewendet wird . Da somit nunmehr ein konstanter Bildausschnitt an dem Ortsfilter vorbeigeführt wird, ist das Ortsfiltersignal ein im Wesentlichen phasenreines Signal, also ein Ortsfiltersignal mit im Rahmen des Bildrauschens und der Genauigkeit der Bestimmung des nachverfolgten Teilmessfelds verschwindender Frequenzände- rung In this advantageous procedure, a partial region of the observed region is selected in each case and moved within the recording measuring field with the relative movement and movement direction between the object and the spatial filter measuring device. Thus, in each subsequent exposure, in which the subregion is still completely within the acquisition measurement field, the same or almost the same image information is available, to which the spatial filter is used which is stationary in the reference system of the spatial filter measurement device. Since a constant image section is now guided past the spatial filter, the spatial filter signal is a substantially phase-pure signal, that is to say a spatial filter signal with frequency change disappearing as part of the image noise and the accuracy of the determination of the tracked partial measuring field. tion
Bei dieser Verfahrensführung erzeugt die Anwendung des Ortsfilters auf die Bilddaten jedes nachverfolgten Teilmessfelds einen zeitlich auf die Dauer der„Existenz" des Teilmessfelds im Aufnahmemessfeld begrenzten Teilzug oder Ausschnitt des Ortsfiltersignals. Als Analysemethode für das Ortsfiltersignal zur Bestimmung der Ortsfilterfrequenz und die Extraktion einer Geschwindigkeitsinformation können prinzipiell alle oben genannten Verfahren angewendet werden . Die Auswahl sollte sich jedoch nach der Länge der Ortsfilter- signalteilzüge richten . Das Drehzeigerverfahren beispielsweise ist in vielen Fällen zur Auswertung des Ortsfiltersignals geeignet, selbst wenn die Längen der Ortsfiltersignalteilzüge weniger als eine vollständige Periode, beispielsweise Sinusperiode oder Kosinusperiode, betragen . Zwei aufeinanderfolgende Messpunkte bzw. Aufnahmen genügen in diesem Fall , um aus der zeitlichen Phasenänderung die Frequenz zu schätzen . In diesem Fall ist es auch besonders einfach möglich, die Lücken zu ersetzen bzw. aufzufüllen, die bei dem Übergang von einem Teilmessfeld zum nächsten Teilmessfeld entstehen . Bei längeren Ortsfiltersignalzügen, die mehrere Schwingungsperioden durchlaufen, ist auch die Nulldurchgangsde- tektion mit Periodendauermessung anwendbar, ebenso wie die Autokorrelationsphase oder die Auswertung des Leistungsdichtespektrums. In this procedure, the application of the spatial filter to the image data of each tracked sub-field generates a subset or section of the spatial filter signal limited in time to the duration of the "existence" of the sub-array However, the selection should be based on the length of the spatial filter signal sub-trains, for example, the rotation pointer method is in many cases suitable for evaluating the spatial filter signal even if the lengths of the spatial filter signal sub-trains are less than a complete period, for example sine period or cosine period In this case, two consecutive measurement points or recordings suffice to estimate the frequency from the temporal phase change, in which case it is also particularly e It is simply possible to replace or fill in the gaps that arise during the transition from one subfield to the next sub field. With longer locator signal trains, which pass through several oscillation periods, the zero-crossing detection with period duration measurement is also applicable, as well as the autocorrelation phase or the evaluation of the power density spectrum.
Vorteilhafterweise wird ein neues Teilmessfeld erzeugt, sobald ein vorangegangenes Teilmessfeld eine Grenze des Aufnahmemessfeldes erreicht hat. Somit wird ein neues Teilmessfeld ausgesucht, sobald der beobachtete Teilbereich aus dem Aufnahmemessfeld hausläuft. Dies ist bereits absehbar, da der Ort des beobachteten Teilbereichs im Aufnahmemessfeld in jeder Aufnahme bekannt ist. Das neue Teilmessfeld umfasst wenigstens teilweise einen neu hinzuge- kommenen Bildausschnitt im Aufnahmemessfeld . Dies geht im Allgemeinen mit einem Ampl ituden- und Phasensprung im Ortsfiltersignal einher. Dieser wird aber erwartet bzw. ist aufgrund der Änderung des Teilmessfelds bekannt, so dass dieser Übergang bei der Ermittlung der Geschwindigkeit ausgeschlossen werden kann . Ein Vorteil dabei ist, dass nur der Messwert, der bei Änderung des Teilmessfeldes erzeugt wird, durch den Phasensprung fehlerbehaftet ist. Im Gegensatz dazu liegt bei der herkömmlichen Auswertung ein kontinuierlicher Übergang über eine Vielzahl von ungenauen Messwerten vor. Der nachfolgende Teilsignalzug des Ortsfiltersignals von dem weiteren Teilmessfeld ergibt dann wieder ein im Wesentlichen phasenreines Signal, wobei sich nur die Phase und die Ampl itude des Signals von dem des vorhergehenden Signalabschnittes unterscheiden . Advantageously, a new partial measuring field is generated as soon as a preceding partial measuring field has reached a limit of the recording measuring field. Thus, a new part of the measuring field is selected as soon as the observed part of the field runs out of the recording measuring field. This is already foreseeable, since the location of the observed sub-area in the recording measuring field is known in each recording. The new sub-field includes at least partially a newly added Coming image section in the recording panel. This is generally accompanied by an amplitude and phase jump in the spatial filter signal. However, this is expected or is known due to the change of the partial measuring field, so that this transition can be excluded when determining the speed. An advantage here is that only the measured value that is generated when changing the partial measuring field is subject to errors due to the phase jump. In contrast, the conventional evaluation involves a continuous transition over a large number of inaccurate measured values. The subsequent Teilsignalzug the spatial filter signal from the other part of the measuring field then again results in a substantially phase-pure signal, with only the phase and the Ampl itude of the signal differ from that of the previous signal section.
Ist ein Phasensprung als Übergang von einem Teilmessfeld zu einem anderen Teilmessfeld erkannt worden, so kann der Messwert an dieser Stelle entweder verworfen oder durch einen interpolierten oder validen Messwert ersetzt werden . Ein interpolierter Messwert kann beispielsweise durch einen vorangegangenen Messwert oder durch einen Mittelwert vorangegangener Messwerte erzeugt werden . Ein anderer val ider Messwert kann mittels eines anderen Ortsfilters, für den an d ieser Stelle kein Phasensprung auftrat, oder mittels eines anderen Teilmessfeldes innerhalb des Aufnahmemessfeldes ermittelt werden . If a phase jump has been detected as a transition from one partial measuring field to another partial measuring field, then the measured value at this point can either be discarded or replaced by an interpolated or valid measured value. An interpolated measured value can be generated, for example, by a preceding measured value or by an average of preceding measured values. Another val ider measured value can be determined by means of another spatial filter, for which no phase jump occurred at this point, or by means of another partial measuring field within the recording measuring field.
Zum Konstanthalten der Bildinformation in einem Teilmessfeld wird das Teilmessfeld mit dem Objekt oder dem Objektkollektiv mitbewegt. Hierfür kann zunächst eine Abschätzung der erst noch zu bestimmenden Geschwindigkeit der Objekte im Bildausschnitt verwendet werden . Typischerweise weist die Abschätzung eine Genauigkeit von einem oder einigen wenigen Pixeln auf, was für die Kon- stanthaltung der spektralen Bildinformation ausreicht. Dagegen liegt die Genauigkeit der Versatzschätzung mittels Ortsfilter bei Vernachlässigung der Phasensprünge im Subpixelbereich, von kleiner als einem Pixel bis zu 0,01 Pixel . To keep the image information in a partial measuring field constant, the partial measuring field is moved with the object or the object collective. For this, an estimation of the first still to be determined speed of the objects in the image section can be used. Typically, the estimation has an accuracy of one or a few pixels, which sufficient maintenance of the spectral image information. In contrast, the accuracy of offset estimation using spatial filters is negligible in the subpixel range, from less than one pixel to 0.01 pixels.
Dies bedeutet einen zwei- oder mehrstufigen Prozess, in dem zunächst einmal ein„vorläufiges" Ortsfiltersignal bezüglich der Bilddaten des gesamten Aufnahmemessfelds erzeugt wird und analysiert wird . Dieses Ortsfiltersignal ist mit Phasensprüngen behaftet, stellt aber eine Basis für eine Abschätzung der Relativgeschwindigkeit dar. In die Abschätzung können auch die vorhergehenden gemittel- ten oder interpolierten Geschwindigkeitswerte eingehen . Auf dieser Grundlage kann dann ein Teilmessfeld, insbesondere willkürl ich, innerhalb des Aufnahmemessfeldes definiert und mit der so bestimmten Geschwindigkeit mitbewegt werden innerhalb des Aufnahmemessfeldes. Das in dem mitbewegten Aufnahmemessfeld erzeugte Ortsfiltersignal ist dann bereits weniger Schwankungen unterlegen, so dass bereits durch diese Maßnahme die Messung verbessert wird . Die entsprechend verbesserte Messung kann auch wiederum für die Anpassung der Mitbewegungsgeschwindigkeit des Teilmessfelds im Aufnahmemessfeld oder aber des darauffolgenden nächsten Teilmessfeldes verwendet werden, so dass eine fortlaufende Annäherung an die tatsächliche Relativgeschwindigkeit und Bewegungsrichtung erfolgt. This means a two-stage or multi-stage process in which first of all a "provisional" spatial filter signal is generated and analyzed with respect to the image data of the entire acquisition measurement field.This spatial filter signal is subject to phase jumps, but provides a basis for an estimate of the relative velocity On this basis, a partial measuring field, in particular arbitrarily I, can be defined within the recording measuring field and moved along with the speed thus determined within the recording measuring field already subject to less fluctuations, so that already by this measure, the measurement is improved.The correspondingly improved measurement can also turn for the adaptation of Mitbewegungsgeschwindigkeit the sub-field in the receiving field d or the subsequent next part of the measuring field are used so that a continuous approach to the actual relative speed and direction of movement takes place.
In einer zusätzl ichen oder alternativen vorteilhaften Weiterbildung ist vorgesehen, dass Begrenzungen der Teilmessfelder durch wenigstens eine, insbesondere eindimensionale, Bildsignalanalyse ermittelt werden, bei der zu jeder Aufnahme wenigstens ein charakteristischer, insbesondere eindimensionaler projizierter, Bildsignalverlauf erzeugt wird, indem die erfassten Bilddaten aus dem Aufnahmemessfeld, insbesondere spalten- und/oder reihenweise, aufsum- miert und/oder gemittelt werden . Diese Bildsignalanalyse ermögl icht es, die Relativbewegung des Objekts bzw. Objektkollektivs im Aufnahmemessfeld anhand der ursprünglichen Bilddaten bei geringem Aufwand und mit einer Genauigkeit von einem oder einigen wenigen Pixeln abzuschätzen, um die Mitbewegungsgeschwindigkeit des Teilmessfeldes im Aufnahmemessfeld zu determinieren . Dies kann auch eine Nachverfolgung von bestimmten Strukturen im Bildsignal sein oder die Erkennung bestimmter Strukturen im Bildsignalverlauf, die in aufeinanderfolgenden Aufnahmen räuml ich versetzt wiederkehren . In an additional or alternative advantageous development, it is provided that limits of the partial measuring fields are determined by at least one, in particular one-dimensional, image signal analysis in which at least one characteristic, in particular one-dimensional, projected image signal profile is generated for each image by the acquired image data from the recording measuring field , in particular in rows and / or rows, in be mulated and / or averaged. This image signal analysis makes it possible to estimate the relative movement of the object or object collective in the recording measuring field with little effort and with an accuracy of one or a few pixels on the basis of the original image data, in order to determine the co-movement speed of the partial measuring field in the recording measuring field. This can also be a follow-up of certain structures in the image signal or the recognition of certain structures in the image signal waveform, which are spatially offset in successive recordings.
Hierzu werden vorzugsweise die Begrenzungen der Teilmessfelder an Signifikanzstellen im projizierten Bildsignalverlauf gesetzt. Signifikanzstellen sind insbesondere Extremwerte oder qualifizierte Schwellwertdurchgänge. Unter einem qualifizierten Schwellwertdurchgang wird ein Schwellwertdurchgang verstanden, der eine ausreichende Amplitudenänderung aufweist, so dass nicht jedes kleine Bildrauschen, das zufäll ig auch den Schwellwert durchläuft, als Signifikanzstelle erkannt wird . Auch Extremwerte sind durch ihre Hervorhebung gegenüber dem umgebenden Signalverlauf oder durch Überschreiten eines oberen Schwellwertes oder Unterschreiten eines unteren Schwellwertes auffäll ig, wobei ggf. ebenfalls ein ausreichender Hub vorhanden sein muss. Als Schwellwertdurchgänge können negative Schwellwertdurchgänge mit absteigender Flanke und/oder positive Schwellwertdurchgänge mit aufsteigender Flanke verwendet werden . Extremwerte können lokale Maxima und/oder lokale Minima sein . For this purpose, the limits of the partial measuring fields are preferably set at significant points in the projected image signal waveform. Significance points are in particular extreme values or qualified threshold value passages. A qualified threshold pass is understood to be a threshold pass that has a sufficient change in amplitude, so that not every small image noise that happens to pass through the threshold is also recognized as a significance point. Even extreme values are conspicuous by their emphasis on the surrounding signal curve or by exceeding an upper threshold value or falling below a lower threshold value, wherein possibly also a sufficient stroke must be present. Threshold passes may be negative edge-down thresholds and / or rising-edge positive thresholds. Extreme values can be local maxima and / or local minima.
Die Signifikanzstellen können außerdem in ihrer räuml ichen Beziehung zueinander bestimmten Bedingungen unterworfen werden . So kann ein Mindestabstand zwischen den ausgewählten Signifikanzstellen, die den Beginn und das Ende eines Teilmessfelds im Auf- nahmemessfeld kennzeichnen, definiert werden, damit die verwendeten Bildanteile nicht zu klein werden . Andererseits kann auch ein Maximumwert für den Abstand bestimmt werden, damit ausreichend lange Teilsignalzüge des Ortsfiltersignals sichergestellt werden, da zu große Teilmessfelder im Aufnahmemessfeld sehr schnell aus dem Aufnahmemessfeld herauslaufen würden . Die so definierte maximale Erstreckung eines Teilmessfelds im Aufnahmemessfeld in Bewegungsrichtung kann auch abhängig von der Periodizität der verwendeten Ortsfilterfunktion im gesamten Aufnahmemessfeld gemacht werden, damit sichergestellt wird, dass beim Durchlaufen des Aufnahmemessfeldes das Teilmessfeld wenigstens eine ganze oder mehrere Perioden des Ortsfilters durchläuft. The significance points may also be subjected in their spatial relationship to each other under certain conditions. For example, a minimum distance between the selected significance points, which can be used to determine the start and end of a part tag field so that the image components used do not become too small. On the other hand, a maximum value for the distance can also be determined so that sufficiently long partial signal trains of the spatial filter signal are ensured, since too large partial measuring fields in the recording measuring field would very quickly run out of the recording measuring field. The thus defined maximum extent of a partial measuring field in the recording measuring field in the direction of movement can also be made dependent on the periodicity of the spatial filter function used in the entire recording measuring field, in order to ensure that when passing through the recording measuring field, the partial measuring field passes through at least one or more periods of the spatial filter.
Besonders bevorzugt ist bei der Festlegung eines neuen Teilmessfelds die Auswahl der zuletzt in das Aufnahmemessfeld hereingelaufenen Signifikanzstelle als nachlaufende Teilmessfeldbegrenzung und einer vorauslaufenden Signifikanzstelle, deren räumlicher Abstand zur nachlaufenden Teilmessfeldbegrenzung zwischen einem Minimalabstand und einem Maximalabstand liegt, als vorauslaufende Teilmessfeldbegrenzung . In the definition of a new partial measuring field, the selection of the significance point recently entered into the recording measuring field as a trailing partial measuring field boundary and a leading significance point whose spatial distance to the trailing partial measuring field boundary lies between a minimum distance and a maximum distance is particularly preferred as a preceding partial measuring field boundary.
Ebenfalls vorteilhafterweise wird bei einem neu zu erzeugenden Teilmessfeld jeweils das erste und/oder letzte Vorkommen der Signifikanzstellen im projizierten Bildsignalverlauf als Teilmessfeldbegrenzung verwendet, bis die vorauslaufende Signifikanzstelle aus dem Aufnahmemessfeld herausläuft. Alternativ wird ebenfalls vorteilhaft ein neues Teilmessfeld erzeugt, sobald sich der Abstand zwischen den erkannten ersten und letzten Vorkommen von Signifikanzstellen im projizierten Bildsignalverlauf ändert. Ebenfalls alternativ können auch die jeweils stärksten Signifikanzstellen verwendet werden . Bei dem Übergang von einem Teilmessfeld zum nächsten ist es nicht erforderlich, dass das gesamte Teilmessfeld ersetzt wird . Aufeinanderfolgende Teiinnessfelder können auch überlappen . Im Falle des Wechsels eines Teilmessfeldes kann vorteilhafterweise auch ein anderes Teilmessfeld genutzt werden, das keinen Wechsel aufweist. Somit kann der nichtvalide Ortsfiltermesswert des einen Teilmessfeldes durch den Ortsfiltermesswert des anderen Teilmessfeldes ersetzt wird . Likewise advantageously, the first and / or last occurrences of the significance points in the projected image signal course are used as partial measuring field delimitation in the case of a partial measuring field to be generated until the leading significance point runs out of the recording measuring field. Alternatively, it is also advantageous to generate a new partial measuring field as soon as the distance between the recognized first and last occurrences of significant points changes in the projected image signal waveform. Also alternatively, the strongest significant points can be used. The transition from one subfield to the next does not require replacing the entire subfield becomes . Successive subject fields may also overlap. In the case of change of a partial measuring field can advantageously be used also another part measuring field, which has no change. Thus, the non-valid spatial filter reading of one sub-field can be replaced by the spatial-filter reading of the other sub-field.
Vorzugsweise wird ein Wechsel der Teilmessfelder anhand einer Änderung einer Position, eines Abstands und/oder einer Amplitude der Signifikanzstellen im Aufnahmemessfeld und/oder Teilmessfeld bestimmt. Preferably, a change of the partial measuring fields is determined on the basis of a change in a position, a distance and / or an amplitude of the significant points in the recording measuring field and / or partial measuring field.
Da sich die räuml iche Beziehung der Signifikanzstellen in einem Teilmessfeld nicht oder nur geringfügig gegeneinander verschiebt, kann anhand der Lage oder des Musters der Signifikanzstellen und der Länge des Teilmessfeldes vorteilhafterweise ein Wechsel von Teilmessfeldern und damit die Phasensprünge identifiziert und eingegrenzt werden . Somit kann bei der Ortsfiltertechnik der Einfluss der Phasensprünge vollständig eliminiert werden . Since the spatial relationship of the significance points in a partial measuring field does not shift or only slightly against one another, it is advantageously possible by means of the position or the pattern of the significance points and the length of the partial measuring field to identify and delimit a change of partial measuring fields and thus the phase jumps. Thus, in the local filter technique, the influence of the phase jumps can be completely eliminated.
Eine weitere Mögl ichkeit, die Bilddatenbasis konstant zu halten, eröffnet sich bei rotierenden Bewegungen . So sieht eine alternative Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Ortsfiltermessverfahrens vor, dass bei einer rotierenden Relativbewegung des wenigstens einen Objekts oder Objektkollektivs zur Ortsfiltermessvorrichtung ein kreis- oder ringförmiger Ortsfilter mit in Umfangsrichtung modulierter Struktur verwendet wird, dessen Zentrum auf einem Rotationszentrum der rotierenden Relativbewegung liegt. Bei einer rotierenden Relativbewegung, die beispielsweise bei rotierenden Walzen, Rädern etc. gegeben ist, ist es möglich, den gewählten Bildausschnitt konstant zu halten, da durch die Kreisbewegung immer dieselbe Oberflächenstruktur eines sich bewegenden Objekts oder Struktur eines sich drehenden Objektkollektivs die Bilddatenbasis darstellt. Ein kreis- oder ringförmiger Ortsfilter mit in Umfangsrich- tung modulierter Struktur hat in dem Fall den Vorteil, dass keine Bildbestandteile aus dem kreis- oder ringförmigen Aufnahmemessfeld herauslaufen oder neu in dieses hineinlaufen, so dass bereits auf diese Weise kontinuierlich der betrachtete Ausschnitt des wenigstens einen Objekts oder Objektkollektivs dauerhaft konstant gehalten wird . Das so erzeugte Ortsfiltersignal ist dauerhaft phasenstabil . Another way to keep the image database constant is through rotating movements. Thus, an alternative embodiment of the spatial filter measuring method according to the invention provides that during a rotating relative movement of the at least one object or object collective to the spatial filter measuring device, a circular or annular spatial filter is used with circumferentially modulated structure whose center is located on a center of rotation of the rotating relative movement. In a rotating relative movement, which is given for example in rotating rollers, wheels, etc., it is possible to keep the selected image section constant, as by the circular motion always the same surface structure of a moving object or Structure of a rotating object collective representing the image database. A circular or annular spatial filter with structure modulated in the circumferential direction has the advantage in the case that no image constituents run out of the circular or annular recording measuring field or run into it again, so that already in this way the section of the at least one considered Object or object collective is permanently kept constant. The spatial filter signal thus generated is permanently phase-stable.
Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird auch gelöst durch eine Ortsfiltermessvorrichtung mit einer Aufnahmevorrichtung und einer Bilddatenverarbeitungseinrichtung, die mittels einer Bilddatenverarbeitungssoftware oder als FPGA eingerichtet ist, ein zuvor beschriebenes erfindungsgemäßes Ortsfiltermessverfahren auszuführen . Damit bietet die erfindungsgemäße Ortsfiltermessvorrichtung die gleichen Vorteile, Merkmale und Eigenschaften wie das erfindungsgemäße Ortsfiltermessverfahren, das in der Ortsfiltermessvorrichtung ausgeführt wird . The object on which the invention is based is also achieved by a spatial filter measuring device having a recording device and an image data processing device which is set up by means of image data processing software or as an FPGA to carry out a spatial filter measuring method according to the invention described above. Thus, the spatial filter measuring device according to the invention offers the same advantages, features and properties as the spatial filter measuring method according to the invention, which is carried out in the spatial filter measuring device.
Weitere Merkmale der Erfindung werden aus der Beschreibung erfindungsgemäßer Ausführungsformen zusammen mit den Ansprüchen und den beigefügten Zeichnungen ersichtl ich . Erfindungsgemäße Ausführungsformen können einzelne Merkmale oder eine Kombination mehrerer Merkmale erfüllen . Further features of the invention will be apparent from the description of embodiments according to the invention together with the claims and the accompanying drawings. Embodiments of the invention may satisfy individual features or a combination of several features.
Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben, wobei bezüglich aller im Text nicht näher erläuterten erfindungsgemäßen Einzelheiten ausdrücklich auf die Zeichnungen verwiesen wird . Es zeigen: einen Aufbau eines bekannten klassischen optischen Orts- filtermesssystems in schematischer Darstellung, b)bekannte Realisierungen einer räumlich orthogonalen Gitterfunktion am Beispiel eines Einfach-Differenzgitters in schematischer Darstellung, ein Beispiel einer Intensitätsverteilung von Bildhelligkeiten, ein Beispiel einer Signalentstehung bei vorgegebenem Ortsfilter und Verschiebung der Intensitätsverteilung aus Fig . 3, b), 5c) den beispielhaften zeitlichen Verlauf eines komplexen Ortsfiltersignals mit harmonischem Ortsfilter mit ausgewerteten Größen, eine beispielhafte Ausführung eines erfindungsgemäßen Ortsfiltermessverfahrens, eine beispielhafte Darstellung eines resultierenden Ortsfiltersignals bei einem erfindungsgemäßen Ortsfiltermess- verfahren mit aufeinanderfolgenden Teilmessfeldern, b), 8c) den beispielhaften zeitlichen Verlauf eines komplexen Ortsfiltersignals mit harmonischem Ortsfilter bei einem erfindungsgemäßen Ortsfilterverfahren sowie die abgeleiteten Größen und einen ringförmigen Ortsfilter mit in Umfangsrichtung modulierter Struktur. In den Zeichnungen sind jeweils gleiche oder gleichartige Elemente und/oder Teile mit denselben Bezugsziffern versehen, so dass von einer erneuten Vorstellung jeweils abgesehen wird. The invention will be described below without limiting the general inventive idea by means of embodiments with reference to the drawings, reference being expressly made to the drawings with respect to all in the text unspecified details of the invention. Show it: a construction of a known classical optical spatial filter measuring system in a schematic representation, b) known implementations of a spatially orthogonal grating function using the example of a simple differential grating in a schematic representation, an example of an intensity distribution of image brightness, an example of signal generation at a given spatial filter and shift the intensity distribution Fig. 3, b), 5c) the exemplary time profile of a complex spatial filter signal with harmonic spatial filter with evaluated sizes, an exemplary embodiment of a spatial filter measuring method according to the invention, an exemplary representation of a resulting spatial filter signal in a spatial filter according to the invention with successive partial measuring fields, b), 8c) exemplary temporal course of a complex spatial filter signal with harmonic spatial filter in a spatial filter method according to the invention and the derived variables and an annular spatial filter with circumferentially modulated structure. In the drawings, the same or similar elements and / or parts are provided with the same reference numerals, so that apart from a new idea each.
In Fig . 1 ist ein Aufbau eines klassischen optischen Ortsfiltermess- systems mit einer Ortsfiltermessvorrichtung 1 00 dargestellt, wie sie beispielsweise aus der oben erwähnten Dissertation von M. Schae- per, „Mehrdimensionale Ortsfiltertechnik", Universität Rostock, 201 3, beschrieben ist. In Fig. 1 shows a construction of a classical optical spatial filter measuring system with a spatial filter measuring device 100, as described, for example, in the abovementioned dissertation by M. Schaeber, "Mehrdimensionale Ortsfiltertechnik", Universität Rostock, 201 3.
Die Ortsfiltermessvorrichtung 1 00 umfasst einen Photoempfänger 1 02, der Licht von einem in Bewegungsrichtung 4 bewegten Objekt 2 mit einer beleuchteten Struktur durch ein optisches System empfängt. Dieses umfasst eine Abbildungsoptik 1 08, in deren Bildebene ein als optisches Gitter ausgebildeter Ortsfilter 1 06 angeordnet ist. Das durch den Ortsfilter 1 06 hindurchgelassene Licht wird mittels einer Optik 1 04 auf den Photoempfänger 1 02 gebündelt und integriert. Der Ortsfilter 1 06 bewirkt, dass jeder Bildpunkt des Objekts 2 mit der Ortsfilterfunktion, hier mit der Transmissionsfunktion des Ortsfilters 1 06, gewichtet wird . Die Grundfrequenz eines jeden Lichtpunkts ist proportional zur Bewegungsgeschwindigkeit des Oberflächenpunktes. Da dies für alle Bildpunkte gilt, ergibt sich eine zeitl iche Modulation der Lichtmenge, die den Ortsfilter 1 06 passiert und bei dem Photoempfänger 1 02 ankommt. Wenn alle Bildpunkte mit der gleichen Relativgeschwindigkeit zur Abbildungsoptik 1 08 bewegt sind, ergibt sich ein sehr reines Frequenzspektrum des modulierten Lichts. Die Bewegungsgeschwindigkeit der Relativbewegung senkrecht zur Orientierung des optischen Gitters des Ortsfilters 1 06 ist dann das Produkt aus der Trägerfrequenz des aufgenommenen Zeitsignals und der Gitterperiode des verwendeten Gitters, wobei auch noch der Vergrößerungsmaßstab des Objektivs umgekehrt proportional hinzukommt. The spatial filter measuring apparatus 100 includes a photoreceptor 102 which receives light from an object 2 moving in the moving direction 4 having an illuminated structure through an optical system. This comprises an imaging optical system 1 08, in the image plane of which a spatial filter formed as an optical grating 1 06 is arranged. The light transmitted through the spatial filter 1 06 is focused and integrated by means of an optical system 1 04 on the photoreceiver 1 02. The spatial filter 1 06 causes each pixel of the object 2 with the spatial filter function, here with the transmission function of the spatial filter 1 06, weighted. The fundamental frequency of each light spot is proportional to the speed of movement of the surface point. Since this applies to all pixels, there is a temporal modulation of the amount of light that passes through the spatial filter 1 06 and arrives at the photoreceiver 1 02. If all the pixels are moved at the same relative speed to the imaging optics 108, the result is a very pure frequency spectrum of the modulated light. The speed of movement of the relative movement perpendicular to the orientation of the optical grating of the spatial filter 1 06 is then the product of the carrier frequency of the recorded time signal and the grating period of the grating used, wherein even the magnification of the lens inversely proportional.
In Fig . 2a), 2b) sind schematisch Realisierungen zweier Ortsfilter- messvorrichtungen 120 (Fig . 2a) bzw. 1 20' (Fig . 2b) am Beispiel eines Einfach-Differenzgitters gezeigt, die im Wesentlichen ebenfalls der Dissertation von M. Schaeper entnehmbar ist. An die Stelle einer Kombination eines optischen Gitters als Ortsfilter und eines Photoempfängers tritt ein strukturierter Empfänger in Form eines Matrixempfängers 1 22 oder eines Zeilenempfängers 1 23 der Ortsfil- termessvorrichtung 1 20, 1 20', der Bildinformationen von dem Objekt 2, das sich in einer Bewegungsrichtung 4 bewegt, durch eine Abbildungsoptik 1 24 empfängt. Die Kombination aus Abbildungsoptik 1 24 und strukturiertem Empfänger 1 22, 1 23 definiert auf der Oberfläche des Objekts 2 ein Aufnahmemessfeld 1 25, das einen Teil der Oberfläche des Objekts 2 umfasst. In Fig. 2 a), 2 b) are shown schematically implementations of two spatial filter measuring devices 120 (FIG. 2 a) and 1 20 '(FIG. 2 b) using the example of a simple differential grating, which is essentially also shown in the dissertation by M. Schaeper. In place of a combination of an optical grating as a spatial filter and a photoreceiver, a structured receiver in the form of a matrix receiver 1 22 or a line receiver 1 23 of the spatial filter measuring device 1 20, 1 20 ', the image information from the object 2, which in a Movement direction 4 moves, received by an imaging optics 1 24. The combination of imaging optics 1 24 and structured receiver 1 22, 1 23 defines on the surface of the object 2 a recording measuring field 1 25, which comprises a part of the surface of the object 2.
Der strukturierte Matrixempfänger 1 22, beispielsweise ein CCD- o- der CMOS-Bildempfänger, umfasst in Spalten und Zeilen angeordnete Bildpixel . Um ein Ortsfiltersignal s(t) (Bezugszeichen 14) zu erzeugen, werden im elektronisch realisierten Ortsfilter 1 06 die Lichthelligkeitsinformationen aller Bildpixel mit den Gewichten 1 26 multipliziert und spaltenweise addiert 1 27, wobei durch die Gewichte 1 26 die Ortsfilterfunktion 1 06 definiert wird . Die entsprechenden Auslesepfade 1 28 sind mit durchgezogenen Linien angedeutet. The structured matrix receiver 12, for example a CCD or CMOS image receiver, comprises image pixels arranged in columns and rows. In order to generate a spatial filter signal s (t) (reference numeral 14), the light brightness information of all image pixels multiplied by the weights 1 26 and added in columns 1 27 in electronically implemented spatial filter 1 06, wherein the spatial filter function 1 06 is defined by the weights 1 26. The corresponding selection paths 1 28 are indicated by solid lines.
Im Unterschied zum in Fig . 2a) dargestellten Matrixempfänger 1 22, bei dem die Signale der Matrixelemente innerhalb jeder Spalte aufsummiert werden, weist der in Fig . 2b) dargestellte Zeilenempfänger 1 23 bereits nur eine Zeile mit Matrixelementen auf. Entsprechend ist das korrespondierende Aufnahmemessfeld 1 25 wesentl ich schmaler ausgebildet als beim Matrixempfänger 1 22. Die Periodizität und die Wichtungsfunktionen des Ortsfilters 1 06 können auch geändert werden . Es können so auch Gewichtungen wie beispielsweise Kosinus- oder Sinusfunktionen oder komplexe Wichtungsfunktionen angewendet werden Es können auch mehrere Ortsfilter auf ein Bild angewendet werden . Dies ist entweder softwaremäßig oder mittels programmierbarer FPGA beispielsweise möglich . In contrast to in Fig. 2a), in which the signals of the matrix elements within each column are summed up, the signal shown in FIG. 2b), the line receiver 1 23 already has only one line with matrix elements. Correspondingly, the corresponding recording measuring field 1 is substantially narrower than in the case of the matrix receiver 1 22. The periodicity and the weighting functions of the spatial filter 1 06 can also be changed. You can also apply weighting such as cosine or sine functions or complex weighting functions. Multiple spatial filters can also be applied to an image. This is possible either by software or by means of programmable FPGA, for example.
Die Ortsfiltersignale der Ortsfiltermessvorrichtung 1 00, 1 20 aus den Fig . 1 und 2 sind notwendigerweise phasensprung- bzw. phasenva- riationsbehaftet, da fortlaufend durch die Relativbewegung zwischen Objekt 2 und der Ortsfiltermessvorrichtung 1 00, 1 20 Teile der Oberfläche des Objekts 2 aus dem Aufnahmemessfeld herauslaufen und neue Teile hineinlaufen , so dass die Datenbasis, auf der die Ortsfil- tersignalerzeugung beruht, ständig wechselt. The spatial filter signals of the spatial filter measuring device 1 00, 1 20 of FIGS. 1 and 2 are necessarily phased or phase-biased, since, due to the relative movement between object 2 and the spatial filter measuring device 1 00, 1, 20 parts of the surface of the object 2 run out of the recording measuring field and new parts run in, so that the database on which is based on the local filter signal generation, constantly changes.
Um das erfindungsgemäße Vorgehen näher zu beleuchten, wird in den folgenden Fig . 3 bis 5 zunächst der Effekt des Phasenrauschens dargestellt. Auch die Figuren 3 und 4 entstammen der Dissertation von M . Schaeper. In order to illuminate the procedure according to the invention in more detail, in the following FIGS. 3 to 5, first the effect of the phase noise is shown. Figures 3 and 4 are also from the dissertation of M. Schaeper.
Fig . 3 zeigt einen beispielhaften Verlauf einer Intensitätsverteilung eines Bildhelligkeitssignals 10 von aufgenommenen Bilddaten entlang der Längserstreckung eines Objekts in dessen Bewegungsrichtung 4. Die Bewegungsrichtung bzw. Ortserstreckung wird auch mit x als Ortskoordinate bezeichnet. Die Intensität ist in einer normierten Amplitude zwischen 0 und 1 für Intensitätswerte zwischen Schwarz (Wert 0) und Weiß (Wert 1 ) dargestellt. Die Intensitätsverteilung schwankt zwischen etwa 0,4 und 0,7. Fig. 3 shows an exemplary profile of an intensity distribution of an image brightness signal 10 of recorded image data along the longitudinal extent of an object in its movement direction 4. The movement direction or spatial extent is also designated by x as spatial coordinate. The intensity is represented in a normalized amplitude between 0 and 1 for intensity values between black (value 0) and white (value 1). The intensity distribution varies between about 0.4 and 0.7.
Entlang der x-Erstreckung des Bildhell igkeitssignals sind mit Pfeilen Stellen bzw. Ortspositionen gekennzeichnet, an denen sich ein vo- rauslaufender Bildrand des Aufnahmemessfelds zu verschiedenen Zeitpunkten ti bis t4 befindet, wobei sich das Objekt in Bewegungsrichtung 4 durch das Aufnahmemessfeld hindurch bewegt. Zwischen den Zeitpunkten ti bis t4 bewegt sich das Objekt relativ zum Aufnahmemessfeld jeweils um die Breite des Aufnahmemessfelds weiter, das somit die Erstreckung aufweist, die durch den Abstand der Pfeile zu den Zeitpunkten ti bis t4 dargestellt ist. Along the x-extension of the image brightness signal, arrows or arrows indicate locations or location positions in which a outgoing image edge of the recording measuring field is at different times ti to t 4 , wherein the object moves in the direction of movement 4 through the recording measuring field. Between times ti to t 4 , the object moves relative to the recording measuring field in each case by the width of the recording measuring field, which thus has the extension, which is represented by the distance of the arrows at the times ti to t 4 .
In der Darstellung der Fig . 3 ist das Aufnahmemessfeld als zeitlich bewegt gegenüber den Helligkeitsdaten des Objekts dargestellt. Für das Ortsfiltermessverfahren ist es allerdings unerhebl ich, ob sich das Objekt bewegt oder das Aufnahmemessfeld, da es auf die Relativbewegung ankommt. In the illustration of FIG. 3, the recording measuring field is shown as being moved with respect to the brightness data of the object. For the spatial filter measuring method, however, it is unimaginable whether the object moves or the recording measuring field, since it depends on the relative movement.
In Fig . 4 ist auf der l inken Seite eine untereinander gestaffelte Folge von Darstellungen gezeigt, in denen sich das Bildhelligkeitssignal 1 0 aus Fig . 3 sich jeweils um die Breite des Aufnahmemessfeldes weiterbewegt. Es sind somit Schnappschüsse zu den Zeitpunkten ti bis t4. Das Aufnahmemessfeld erstreckt sich zwischen x = 0 und XB, seine Erstreckung in Bewegungsrichtung beträgt somit xB. In Fig. FIG. 4 shows on the left side a sequence of representations which are staggered among one another and in which the image brightness signal 1 0 from FIG. 3 each moved to the width of the recording measuring field. There are thus snapshots at the times ti to t 4 . The recording measuring field extends between x = 0 and XB, its extension in the direction of movement is thus x B.
Dem Bildhelligkeitssignal 1 0 ist ein Ortsfilter 1 2 überlagert, der vier Perioden eines Kosinussignals enthält, das zwischen den Werten -1 und +1 alterniert. Nur in diesem Bereich des Aufnahmemessfelds zwischen x = 0 und XB wird das Bildhelligkeitssignal 1 0 mit dem Ortsfilter 1 2 gefaltet bzw. gewichtet aufsummiert. Die außerhalb des Aufnahmemessfelds liegenden Bildhelligkeitsinformationen fließen nicht in die Messung ein, da sie für den Bildsensor nicht sichtbar sind . Das entstehende Ortsfiltersignal s(t) ist in Fig . 4 rechts dargestellt mit einer vertikalen nach unten verlaufenden Zeitachse. Die Zeitpunkte ti bis t4 sind mit Pfeilen und Kreuzen auf dem Ortsfiltersignal s(t), dessen Realteil 14 dargestellt ist, gekennzeichnet. Es ist in Fig . 4 erkennbar, dass das Ortsfiltersignal 14 zwischen den Zeitpunkten ti und t2 eine sehr geringe Ampl itude und eine relativ unregelmäßige Struktur aufweist, die wenig Gemeinsamkeiten mit einer reinen Sinus- oder Kosinusfunktion aufweist. Etwa um den Zeitpunkt t3 herum ist die Amplitude sehr groß und das Signal sehr regelmäßig . Etwa zum Zeitpunkt t4 ist bei mittelgroßer Signalamplitude eine Unregelmäßigkeit in dem alternierenden Signal zu erkennen, was auf eine Phasenänderung hindeutet. The image brightness signal 1 0 is a spatial filter 1 2 superimposed, which contains four periods of a cosine signal that alternates between the values -1 and +1. Only in this area of the recording measurement field between x = 0 and XB is the image brightness signal 1 0 with the spatial filter 1 2 folded or weighted summed. The image brightness information outside of the recording field is not included in the measurement because it is not visible to the image sensor. The resulting spatial filter signal s (t) is shown in FIG. 4 shown on the right with a vertical downwards timeline. The times ti to t 4 are indicated by arrows and crosses on the spatial filter signal s (t) whose real part 14 is shown. It is in Fig. 4 that the spatial filter signal 14 between the times ti and t 2 has a very low Ampl itude and a relatively irregular structure having little in common with a pure sine or cosine function. Around the time t 3 around the amplitude is very large and the signal is very regular. At time t 4 , at medium signal amplitude, an irregularity in the alternating signal can be seen, indicating a phase change.
Das in Fig . 4 gezeigte Beispiel betrifft ein Kosinus-Ortsgitter mit einer Periodizität μχΒ von 4. Es sind allerdings auch für beliebige andere Periodizitäten Ortsfiltersignale produzierbar. The in Fig. 4 relates to a cosine local grating having a periodicity μχ Β of 4. However, spatial filter signals can also be produced for any other periodicities.
In den vorangegangen Figuren 3 und 4 war jeweils nur ein Kosinusgitter betrachtet worden, das einem Realteil eines komplexen Ortsfiltersignals entspricht. Fig . 5 zeigt das zeitliche Verhalten eines komplexen Ortsfiltersignals. Im Bildteil Fig . 5a) sind der Realteil 14, der Imaginärteil 1 5 und der Betrag der Ampl itude 1 6 dargestellt. Realteil 14 und Imaginärteil 1 5 werden mit jeweils einem um 90° verschobenen Ortsfiltergitter derselben Periodizität erzeugt. Die obere einhüllende Kurve entspricht dem Betrag 1 6 des komplexen Ortsfiltersignals und kann aus Realteil 14 und Imaginärteil 15 bei der Auswertung berechnet werden . In the preceding Figures 3 and 4, only one cosine grating has been considered, which corresponds to a real part of a complex spatial filter signal. Fig. 5 shows the temporal behavior of a complex spatial filter signal. In the picture part Fig. 5a), the real part 14, the imaginary part 1 5 and the amount of Ampl itude 1 6 are shown. Real part 14 and imaginary part 1 5 are generated, each with a shifted by 90 ° spatial filter grids the same periodicity. The upper enveloping curve corresponds to the amount 1 6 of the complex spatial filter signal and can be calculated from real part 14 and imaginary part 15 in the evaluation.
Auch hier ist erkennbar, dass der Betrag der Amplitude 1 6 des komplexen Ortsfiltersignals in Teilen des Verlaufs sehr klein ist. In diesen Bereichen ist mit einem vergleichsweise schlechten Signal und einer ungenauen Messung zu rechnen . Im Bildteil 5b) ist die aus Realteil 14 und Imaginärteil 1 5 berechnete Phase 1 7 des komplexen Ortsfiltersignals dargestellt. In Bereichen hoher Ampl itude 1 6 ergibt sich ein nahezu linearer Phasenanstieg . In Bereichen mit ge- ringer Ampl itude 1 6 sind stärkere Abweichungen von der Linearität zu erkennen . Again, it can be seen that the magnitude of the amplitude 1 6 of the complex spatial filter signal is very small in parts of the course. In these areas, a comparatively bad signal and inaccurate measurement can be expected. The image part 5b) shows the phase 1 7 of the complex spatial filter signal calculated from the real part 14 and the imaginary part 1 5. In regions of high amplitude, it results in a nearly linear phase increase. In areas with ringer Ampl itude 1 6 are more pronounced deviations from the linearity.
Im Bildteil 5c) ist das Phasendifferenzsignal 1 8 gewichtet mit der Ortsfilterperiode und dem Vergrößerungsmaßstab als Bildversatz bzw. bestimmter Geschwindigkeitsverlauf dargestellt. Die Phasendifferenz ist dabei die Änderung der Phase 1 7 zwischen zwei Bildern und entspricht dem Drehzeigersignalverfahren zur Bestimmung der Objektgeschwindigkeit. Es treten Abweichungen gegenüber dem wahren Bildversatz 1 9 auf. Die Abweichungen werden umso größer, je kleiner die Amplitude 16 des Ortsfiltersignals ist. Weiterhin sind auch bei hohen Amplituden Abweichungen vom wahren Wert ersichtl ich . Ein Plausibil itätstest dient dazu, den Einfluss des Rauschens und von Phasensprüngen im Signal durch Mittelung und Ausschluss unzuverlässiger Messungen zu minimieren . Zum Beispiel könnten Geschwindigkeitsschwankungen auf einen maximalen Wert limitiert werden . Es könnten so ohne Probleme starke Abweichungen 21 erkannt werden . Sollen jedoch auch geringere Abweichungen 22 aufgrund von kleineren Phasensprüngen erkannt werden, so muss die Schwelle sehr niedrig gelegt werden und viele Signalwerte sind ungültig . In the image part 5c), the phase difference signal 1 8 is shown weighted with the spatial filter period and the magnification scale as an image offset or a specific velocity profile. The phase difference is the change of the phase 1 7 between two images and corresponds to the rotary pointer signal method for determining the object speed. There are deviations from the true image offset 19. The deviations increase the smaller the amplitude 16 of the spatial filter signal is. Furthermore, deviations from the true value are evident even at high amplitudes. A plausibility test is used to minimize the influence of noise and phase jumps in the signal by averaging and excluding unreliable measurements. For example, speed variations could be limited to a maximum value. It could be detected without any problems strong deviations 21. However, if smaller deviations 22 due to smaller phase jumps are to be detected, the threshold must be set very low and many signal values are invalid.
In den Fig . 6 bis 9 sind Eigenschaften des erfindungsgemäßen Orts- filtermessverfahrens dargestellt, die die zuvor gezeigten Einschränkungen des herkömml ichen Ortsfiltermessverfahrens aufheben . In the Figs. FIGS. 6 to 9 show characteristics of the spatial filter measuring method according to the invention, which cancel out the previously shown limitations of the conventional spatial filter measuring method.
Fig . 6 zeigt schematisch die Vorgehensweise bei einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens. In diesem beispielhaften Fall findet eine lineare Bewegung statt, bei der sich ein Objekt 2 oder Objektkollektiv durch ein Aufnahmemessfeld 60, wie vorstehend beschrieben, hindurchbewegt. Die acht untereinander abgebildeten Kurven betreffen jeweils das auf dem Ortsfilter abge- bildete Objekt oder Objektkollektiv 2 zu unterschiedlichen fortlaufenden Zeitpunkten . Die gestrichelten Kurven 61 entsprechen dem Bildhelligkeitssignal 1 0 im Aufnahmemessfeld 60, welches z.B. der Zeilensensor 1 23 aus Fig. 2b) aufnimmt. Fig. 6 shows schematically the procedure in a first embodiment of the method according to the invention. In this exemplary case, a linear movement takes place in which an object 2 or object collective moves through a recording measurement field 60, as described above. The eight mutually imaged curves each relate to the one recorded on the spatial filter. formed object or object collective 2 at different continuous times. The dashed curves 61 correspond to the image brightness signal 1 0 in the recording measuring field 60, which receives, for example, the line sensor 1 23 of FIG. 2b).
In dem Bildhelligkeitssignal werden innerhalb des jeweiligen Aufnahmemessfeldes Signifikanzstellen 621 "3, 631 "2 gesucht. Hierbei handelt es sich in dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig . 6 um den jeweils ersten und letzten negativen Schwellwertdurchgang im Aufnahmemessfeld 60. Zwischen diesen jeweils zwei erkannten Signifikanzstellen 621 "3, 631 "2, beispielsweise dem ersten (621 "3) und dem letzten (631 "2) innerhalb des Intervalls, wird ein betrachteter Ausschnitt als Teilmessfeld 641 "4 definiert, der bezüglich des Bildhelligkeitssignals 61 ortsfest bleibt, bis es aus dem Aufnahmemessfeld 60 hinausläuft. Sobald dies geschieht, werden neue Signifikanzstellen innerhalb des Aufnahmemessfelds gesucht, um ein neues Teilmessfeld zu definieren . Es kann zwischen den in Fig . 6 dargestellten Zeitpunkten auch mehrere Zeitpunkte gegeben haben, in denen die Teilmessfelder neu definiert wurden . Abweichend von dem in Fig . 6 dargestellten Auswahlkriterium können auch kleinere oder größere Teilmessfelder ausgewählt werden, die länger bzw. kürzer im Aufnahmemessfeld 60 verbleiben . Significance points 62 1 "3 , 63 1" 2 are searched for in the image brightness signal within the respective recording measuring field. These are in the embodiment of FIG. 6 around the respectively first and last negative threshold value passages in the recording measuring field 60. Between these two respectively recognized significance points 62 1 "3 , 63 1" 2 , for example the first (62 1 "3 ) and the last (63 1" 2 ) within the interval , a considered patch is defined as a sub-field 64 1 "4 that remains stationary with respect to the image brightness signal 61 until it emerges from the acquisition array 60. As this happens, new significance locations within the acquisition measurement field are searched to define a new sub-field 6, several times have also existed between the time points in which the partial measuring fields have been newly defined .. Differing from the selection criterion illustrated in FIG. 6, smaller or larger partial measuring fields may also be selected which remain longer or shorter in the recording measuring field 60.
Die Bildhelligkeitssignale 61 der Teilmessfelder 641 "4 werden mit dem Ortsfilter 1 06 gewichtet und durch Summation das Ortsfiltersignal 14 gebildet. Die Bildhelligkeitsmesswerte, die außerhalb der Teilmessfelder 641 "4 liegen, fließen dabei nicht in die Bildung des Ortsfiltersignals ein und werden vorteilhafterweise vor der Summation auf Null gesetzt oder mit Null gewichtet. The image brightness signals 61 of the partial measuring fields 64 1 "4 are weighted by the spatial filter 1 06 and summation forms the spatial filter signal 14. The image brightness measured values which lie outside the partial measuring fields 64 1" 4 do not flow into the formation of the spatial filter signal and advantageously occur the summation is set to zero or weighted with zero.
Fig . 7 zeigt beispielhaft schematisch das Resultat des so erzeugten Ortsfiltersignals. Solange, wie ein Teilmessfeld 641 "4 innerhalb des Aufnahmemessfeldes 60 verbleibt, ergibt sich für das Ortsfiltersignal s(t) jeweils ein Ortsfiltersignalabschnitt 74 bis 74"", das jeweils ein Teilzug eines monofrequenten Sinus- bzw. Kosinussignals ist, wenn die Ortsfilterfunktion ebenfalls eine Sinus- oder Kosinusfunktion war. Abweichungen von dieser reinen Signalstruktur stannnnen vom vorhandenen Bildrauschen und möglicherweise auftretenden Unge- nauigkeiten bei der Verfolgung der Teilmessfelder 641 "4. Diese Orts- filtersignalabschnitte 74 bis 74"" können entweder Bruchteile einer Periode oder eine oder mehrere Perioden umfassen, je nach Wahl der minimalen oder maximalen Breite der Teilmessfelder 641 "4 innerhalb des Aufnahmemessfelds 60. Jeweils an den Stellen 76, an denen ein Teilmessfeld 641 "4 aus dem Aufnahmemessfeld 60 herausläuft und durch ein neues Teilmessfeld 641 "4 ersetzt wird, sind gestrichelte vertikale Linien dargestellt, die diesen Übergang kennzeichnen . An d iesen Stellen liegt kein gültiger Messwert vor. Dieser kann durch die letzte vorhergehende Messung, einen Mittelwert aus vorhergehenden Messungen oder andere val ide Ortsfiltermesswerte ersetzt werden . Obwohl sich d ie Ampl ituden und Phasen der einzelnen Ortsfiltersignalabschnitte 74 bis 74"" voneinander unterscheiden, so ist deren Grundfrequenz doch jeweils die gleiche. Fig. 7 shows by way of example schematically the result of the spatial filter signal thus generated. As long as a part measuring field 64 1 "4 within the Recording field 60 remains, results for the spatial filter signal s (t) each a spatial filter signal section 74 to 74 "", which is a Teilzug a monofrequenten sine or cosine signal, if the spatial filter function was also a sine or cosine function. Deviations from this pure signal structure may arise from the existing image noise and possibly occurring inaccuracies in tracking the sub-fields 64 1 "4. These local filter signal sections 74 to 74""may comprise either fractions of a period or one or more periods, as the case may be minimum or maximum width of the partial measuring fields 64 1 "4 within the recording measuring field 60. Each at the points 76 at which a partial measuring field 64 1" 4 runs out of the recording measuring field 60 and is replaced by a new partial measuring field 64 1 "4 are dashed vertical lines represented, which characterize this transition. At these points, there is no valid measured value. This can be replaced by the last previous measurement, an average from previous measurements or other valid spatial filter measurements. Although the amplitudes and phases of the individual spatial filter signal sections 74 to 74 "" differ from each other, their fundamental frequency is always the same.
Fig . 8 zeigt das Ergebnis für den gleichen Signalzug und die gleiche Ortsfilterwichtung aus Fig . 5. Im Bildteil Fig 8a) sind wiederum das komplexe Ortsfiltersignal mit Realteil 14 und Imaginärteil 15 sowie die daraus gebildete Signalamplitude 1 6 zu erkennen . Wie in Fig . 8 dargestellt sind Realteil 14 und Imaginärteil 1 5 abschnittsweise harmonisch und die Ampl itude 16 ist abschnittsweise konstant. Fig. 8 shows the result for the same signal train and the same spatial filter weighting from FIG. 5. In the image part Fig 8a) turn the complex spatial filter signal with real part 14 and imaginary part 15 and the signal amplitude formed therefrom 1 6 can be seen. As shown in FIG. 8, the real part 14 and the imaginary part 1 5 are harmonic in sections, and the amplitude 16 is constant in sections.
Im Bildteil Fig . 8b) ist wiederum die Phase 1 7 des komplexen Ortsfiltersignals aufgetragen . Diese ist nun, im Gegensatz zur bisherigen Ortsfiltertechnik, für ein Teilmessfeld 641 "4 nahezu linear und weist Sprünge 23 bei Änderungen des Teilmessfeldes 641 "4 auf. Diese Sprünge 23 sind durch horizontale Linien angegeben und wurden aus der Änderung der Signifikanzpunkte 621 "3, 631 "2 bzw. der Teilmessfelder 641 "4 abgeleitet. Damit sind die Phasensprünge im Ortsfiltersignal auf einen Messwert lokal isiert und über die Änderungen der Teilmessfelder 641 "4 detektierbar. In the picture part Fig. 8b), in turn, the phase 1 7 of the complex spatial filter signal is plotted. This is now, in contrast to the previous spatial filter technique, for a part of the measuring field 64 1 "4 almost linear and has jumps 23 for changes in the partial measuring field 64 1" 4 . These jumps 23 are indicated by horizontal lines and were derived from the change of the significance points 62 1 "3 , 63 1" 2 or the partial measuring fields 64 1 "4. Thus, the phase jumps in the spatial filter signal are localized to a measured value and via the changes of the Partial measuring fields 64 1 "4 detectable.
Im Bildteil Fig . 8c) ist wiederum der Bildversatz, der wahre Wert 1 9 sowie die, nun stückweise konstante, Ampl itude 1 6 dargestellt. Vergleichend zu Fig . 5 ist zu erkennen, dass die Genauigkeit der Geschwindigkeitsschätzung stark verbessert ist. Auch bei hohen Ampl ituden treten keine systematischen Aufweichungen vom wahren Wert auf und das Rauschen im Phasendifferenzsignal 1 8 ist signifikant reduziert. Für kleine Amplituden ist der Messwert unsicherer und es treten höhere Schwankungen auf. Allerdings kann über die Signalamplitude in diesen Bereichen das Auftreten unsicherer Messwerte identifiziert werden . Hierfür könnte z.B. beim Unterschreiten einer Amplitudenschwelle genau wie an den Stellen der Phasensprünge 23 der Messwert verworfen, interpoliert oder durch einen sichereren Messwert eines anderen Ortsfilters oder Teilmessfeldes ersetzt werden . In the picture part Fig. 8c) is again the image offset, the true value 1 9 and the now piecewise constant, Ampl itude 1 6 shown. Comparing to FIG. 5 it can be seen that the accuracy of the speed estimation is greatly improved. Even at high amplitudes no systematic deviations from the true value occur and the noise in the phase difference signal 18 is significantly reduced. For small amplitudes the measured value is less reliable and higher fluctuations occur. However, the signal amplitude in these areas can be used to identify the occurrence of uncertain readings. For this purpose, e.g. when falling below an amplitude threshold as well as at the locations of the phase jumps 23, the measured value is discarded, interpolated or replaced by a safer measured value of another spatial filter or partial measuring field.
Fig . 9 zeigt schematisch eine alternative Ausgestaltung eines Ortsfilters 82, der eine Ringform mit in Umfangsrichtung modulierter Charakteristik aufweist. Dessen Zentrum stimmt mit dem Zentrum 80 in einer Rotation in Bewegungsrichtung 4, die in diesem Fall eine Rotationsrichtung ist, überein . In diesem Fall bleibt der betrachtete Bildausschnitt, nämlich der Ringausschnitt, stets derselbe, so dass sich ein quasi unendlicher Verlauf des Ortsfiltersignals analog zu dem in Fig . 9c) Dargestellten ergibt. Dabei ist der Ausschnitt 60 aus dem Bildhelligkeitssignal aus Fig . 9a) und 9b) vergleichbar mit dem Verlauf der Bildhelligkeit entlang einer vollständigen Umdrehung um 360° im Ringabschnitt um das Zentrum 80 herum . Durch die Dre- hung in Bewegungsrichtung 4 entspricht das ringförmige Gitter 82 auch dem unendlichen Ortsfilter 62 aus Fig . 9. Fig. 9 schematically shows an alternative embodiment of a spatial filter 82 having a ring shape with a circumferentially modulated characteristic. Its center coincides with the center 80 in a rotation in the direction of movement 4, which in this case is a direction of rotation. In this case, the viewed image section, namely the ring section, always remains the same, so that a quasi-infinite course of the spatial filter signal analogous to that in FIG. 9c). In this case, the detail 60 from the image brightness signal from FIG. 9a) and 9b) comparable to the course of the image brightness along a complete revolution through 360 ° in the ring section around the center 80. Through the Dre- hung in the direction of movement 4 corresponds to the annular grid 82 and the infinite spatial filter 62 of FIG. 9th
Alle genannten Merkmale, auch die den Zeichnungen allein zu entnehmenden sowie auch einzelne Merkmale, die in Kombination mit anderen Merkmalen offenbart sind, werden allein und in Kombination als erfindungswesentl ich angesehen . Erfindungsgemäße Ausführungsformen können durch einzelne Merkmale oder eine Kombination mehrerer Merkmale erfüllt sein . Im Rahmen der Erfindung sind Merkmale, die mit „insbesondere" oder „vorzugsweise" gekennzeichnet sind, als fakultative Merkmale zu verstehen . All these features, including the drawings to be taken alone as well as individual features that are disclosed in combination with other features are considered alone and in combination as erfindungswesentl I. Embodiments of the invention may be accomplished by individual features or a combination of several features. In the context of the invention, features which are identified by "particular" or "preferably" are to be understood as optional features.
Bezuqszeichenliste LIST OF REFERENCES
2 Objekt 2 object
4 Bewegungsrichtung 4 direction of movement
10 Bildhelligkeitssignal von aufgenommenen Bilddaten 10 Image brightness signal of recorded image data
14 Realteil des Ortsfiltersignals s(t) 14 real part of the spatial filter signal s (t)
15 Imaginärteil des Ortsfiltersignals s(t) 15 imaginary part of the spatial filter signal s (t)
16 Amplitude des Ortsfiltersignals s(t) 16 amplitude of the spatial filter signal s (t)
17 Phase des komplexen Ortsfiltersignals s(t) 17 phase of the complex spatial filter signal s (t)
18 Phasendifferenzsignal des Ortsfiltersignals s(t) 18 phase difference signal of the spatial filter signal s (t)
19 wahrer Bildversatz 19 true image offset
21 starke Abweichungen 21 strong deviations
22 geringe Abweichungen 22 slight deviations
23 Sprünge 23 jumps
60 Aufnahmemessfeld 60 recording measurement field
61 Bildhelligkeitssignal 61 Image brightness signal
621"3, 631"2 Signifikanzstellen 62 1 "3 , 63 1" 2 significance points
641"4 Teilmessfeld 64 1 "4 partial measuring field
74 _ 74"" Ortsfiltersignalabschnitt 74 _ 74 "" Location filter signal section
80 Rotationszentrum 80 center of rotation
82 Ortsfilter 82 spatial filters
100 Ortsfiltermessvorrichtung 100 spatial filter measuring device
102 Photoempfänger 102 photoreceptor
104 Optik 104 optics
106 Ortsfilter 106 spatial filter
108 Abbildungsoptik 108 imaging optics
120, 120' Ortsfiltermessvorrichtung 120, 120 'spatial filter measuring device
122 Matrixempfänger 122 Matrix receiver
123 Zeilenempfänger 123 line receiver
124 Abbildungsoptik 124 imaging optics
125 Aufnahmemessfeld 125 recording measurement field
126 Gewichte 126 weights
127 Addierelemente 127 adding elements
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