DE2127219A1

DE2127219A1 - Image analysis device for measuring area sizes in image patterns, e.g. for fiber cross-sections

Info

Publication number: DE2127219A1
Application number: DE19712127219
Authority: DE
Inventors: Eike Dipl.-Phys. Dr.-Ing. Dr. 7500 Karlsruhe. GOIc 19-38 Mühlenfeld
Original assignee: Franz Morat GmbH
Current assignee: Franz Morat GmbH
Priority date: 1971-06-02
Filing date: 1971-06-02
Publication date: 1972-12-28

Description

Bildanalysegerät zum Messen von Flächengrößen bei Bildmustern, z.B. bei Faserquerschnitten. Image analysis device for measuring area sizes in image patterns, e.g. for fiber cross-sections.

Die Erfindung betrifft ein Bildanalysegerät zum Messen von Flächengrdßen bei Bildmustern, deren verschieden große Flächen in ihrer Form untereinander geometrisch ähnlich sind, z.B. bei Faserquerschnitten, und zum Messen der statistischen Verteilung dieser Flächengrößen.The invention relates to an image analyzer for measuring area sizes in the case of picture patterns, whose surfaces of different sizes are geometrically one below the other are similar, e.g. for fiber cross-sections, and for measuring the statistical distribution these area sizes.

Bei den bisher bekannten derartigen Bildanalysegeräten ( vgl. z.B. das Quantimet der Firma IMANCO) wird das Videosignal einer Fernsehkamera ausgewertet. Solchen rein elek -tronischen Analysegeräten steht im allgemeinen der Kontext einer einzelnen Abtastzeile für die Auswertung zur Verfügung.In the previously known image analysis devices of this type (cf. the Quantimet from IMANCO) the video signal of a television camera is evaluated. Such purely electronic analysis devices are generally in the context of a single scan line available for evaluation.

Um topologische Zusammenhänge in Spaltenrichtung wenigstens über zwei Zeilen berücksichtigen zu können, ist es daher notwendig, die Bildinformation einer Zeile in Schieberegistern zu speichern, damit sie beim Abtasten der nächsten Zeile zur Verfügung steht.To topological relationships in column direction at least over two To be able to take into account lines, it is therefore necessary to transfer the image information to a Store line in shift registers so they can be used when scanning the next line is available.

Diese bekannten Geräte erlauben die Messung der gesamten in einem vorgegebenen Meßfeld vorhandenen Musterfläche und der Anzahl der Muster, die sich ganz oder teilweise in diesem Meßfeld befinden. Die Messungen sind also auf das Meßfeld bezogen, dessen Grenze im Fall von z.B. Faserschnitten einzelne Faserquerschnitte schneiden kann, wenn es nicht manuell von Faser zu Faser verschoben wird. Trotz des erheblichen Aufwands, der für manche besonderen Aufgaben gerechtfertigt sein kann, ist eine Möglichkeit zur automatischen Messung der Fläche, z.B. einer Einzelfaser und ihrer Verteilungs -funktion, bisher nicht bekannt geworden. Vielmehr werden zur Gewinnung der Verteilungsfunktion gegenwärtig seit -raubende, manuelle planimetrische Verfahren angewendet.These known devices allow the measurement of the whole in one predetermined measuring field and the number of patterns that are present are wholly or partially in this measuring field. So the measurements are based on that Measuring field related, the limit of which in the case of e.g. fiber sections is individual fiber cross-sections can cut if it's not manually shifted from fiber to fiber will. Despite the considerable effort that is justified for some special tasks is a possibility to automatically measure the area, e.g. a Individual fibers and their distribution function, not yet known. Much more are currently used to gain the distribution function - consuming, manual planimetric method applied.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die Flächen bzw. Querschnittsverteilung bei Bildmustern mit einfachen Mitteln vollautomatisch zu bestimmend Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß zur Bildanalyse ein optischer Korrelator dient, mit dessen Hilfe durch optische Korrelation der Muster mit Standardmustern der verschiedenen Flächengrößen ( Größenklassen) nacheinander die Flächen verschiedener Größe ermittelt werden und daß eine Zählvorrichtung vorgesehen ist, durch die in jeder Größenklasse für sich die Anzahl der in diese Größenklasse gehörenden Flächen des Musters elektronisch festgestellt wird.The invention is therefore based on the object of the areas or cross-sectional distribution for image patterns to be determined fully automatically with simple means. This task is achieved according to the invention in that an optical correlator for image analysis serves, with the help of which by optical correlation of the pattern with standard patterns of the different area sizes (size classes) the areas of different one after the other Size can be determined and that a counting device is provided through which in for each size class the number of areas belonging to this size class of the pattern is determined electronically.

Die Erfindung geht dabei von der Erkenntnis aus, daß die gestellte Aufgabe als Mustererkennung betrachtet und auf der Grundlage der statistischen Kommunikationstheorie behandelt wird. Nach der statistischen Xommunikationstheorie hat nämlich ein Erkennungssystem, um beispielsweise ein Muster in Porm einer geschriebenen Ziffer einer der 10 Ziffernklassen zuzuordnen, die Wahrscheinlichkeiten dafür zu berechnen, daß das vorgelegte Muster zu einer dieser Ziffernklassen gehört, bzw. ist beispielsweise bei einem Paserschnitt die Wahrscheinlichkeit dafür zu berechnen, daß sich an der Jeweiligen Stelle eine Faser bestimmten Querschnitts befindet, und zu zählen, an wie vielen Stellen diese Wahrscheinlichkeit einen vorgegebenen Schwellenwert überschreitet. Das System hat hierzu im wesentlichen Kreuzkorrelationen des Eingangsmusters mit Standardmustern aller Klassen durchzuführen.The invention is based on the knowledge that the asked Task viewed as pattern recognition and based on statistical communication theory is treated. According to the statistical theory of communication, a recognition system has For example, a pattern in the form of a written digit from one of the 10 digit classes to assign, to calculate the probabilities that the presented pattern belongs to one of these digit classes, or is, for example, in a pascut to calculate the probability that there will be a Fiber of a certain cross-section, and counting how many places it is Probability exceeds a predetermined threshold. The system has essentially cross-correlations of the input pattern with standard patterns of all classes.

Wird dies nacheinander für alle in Betracht kommenden Flächengrößenklassen durchgeführt, so ergibt sich die gesuchte Querschnitts-Verteilungsfunktion.This is done one after the other for all relevant area size classes carried out, this results in the cross-sectional distribution function sought.

Die Wahrscheinlichkeiten werden dabei durch einen optischen Korrelator nacheinander für alle Klassen, aber jeweils gleichzeitig für alle Muster des Eingangsbildes berechnet. Der optische Korrelator arbeitet mit normalem, inkohärentem Licht, auch dann, wenn zur Verbesserung von Lichtleistung und Auflösung die Standardmuster durch ihre Hologramme ersetzt werden. Aus theoretischen Gründen kann es zweckmäßig sein, das zu verarbcitende bild auf seine kontur zu reduzieren. Dies kann nach der Methode der unscharfen Maske elektronenoptisch durch ein Fernsehsystem oder photographisch dadurch geschehen, daß ein unscharfes bild von einem scharfen bild subtrahiert wird. Unter Ausnutzung von Dichtlinearitäten ist auch die Auswahl von Flächen bestimmten Graupegels möglich, wenn z.B. der Elektronenstrahl eines Bildschirmes nur dann hellettet wird, wenn das Videosignal der Kameraröhre zwischen zwei vorgegebenen Schwellenwerten liegt.The probabilities are determined by an optical correlator one after the other for all classes, but at the same time for all samples of the input image calculated. The optical correlator works with normal, incoherent light, too when the standard pattern is used to improve light output and resolution their holograms will be replaced. For theoretical reasons, it may be useful to to reduce the image to be processed to its contour. This can be done according to the method the unsharp mask electron-optically by a television system or photographically done by subtracting a blurred image from a sharp image. The selection of surfaces is also determined by making use of density linearities Gray level possible if, for example, the electron beam of a screen only brightens when the video signal of the camera tube is between two predetermined threshold values lies.

eitere Einzelheiten und vorteile der Erfindung werden anhand eines Ausführungsbeispiels noch näher erläutert und erörtert. Further details and advantages of the invention are based on a Embodiment explained in more detail and discussed.

Die lig. 1 zeigt schematisch deil Aufbau des erfindungsgeinäßen Bildenslysegerätes. Darin ist 1 das zu verarbeitende Bild (Eingangsbild, Muster, aus undurchsichtigem Material, z.B. in der 1'ilmgröße 24 x 36 mm), das zwei helle Kreisflächen 5,6 von verschiedenem Durchmesser (z.B. in der Größe von 2 # 8 mm) auf dunklem Hintergrund aufweisen könnte.The lig. 1 shows schematically the structure of the image lysis device according to the invention. In this, 1 is the image to be processed (input image, pattern, from opaque Material, e.g. in the 1'ilm size 24 x 36 mm), the two bright circular areas 5.6 of different diameters (e.g. in the size of 2 # 8 mm) on a dark background could have.

Diese Kreisflächen seien jedoch der Eifachheit halber auf ihre konturen reduziert. In einem bestimmten Abstand 1L (z.B. 115 mm) und parallel zur Fläche des feststehenden Eingangsbildes 1 ist in seiner Ebene bewegbar ein ebenfells undurchsichtiger Streifen 2, z.B. aus 35 mm Film angeordnet, der nebeneinander in erforderlichem Abstand als transparente Stellen die sogenannten Kernbilder (Standardmuster), z.B. den Kreisring 7 (mit demselben Durchmesser wie der Kreisring 6) aufweist. So nahe wie geometrisch möglich an dem Streifen 2 ist eine Sammellinse 3 angeordnet (z.B. mit einer Brennweite von 75 mm und einer Öffnung von 1 : 3,5).For the sake of simplicity, however, these circular areas should be adjusted to their contours reduced. At a certain distance 1L (e.g. 115 mm) and parallel to the surface of the stationary input image 1 is movable in its plane and is also opaque Strip 2, e.g. arranged from 35 mm film, side by side in the required distance as transparent areas, the so-called core images (standard pattern), e.g. the circular ring 7 (with the same diameter as the circular ring 6). So A converging lens 3 is arranged close to the strip 2 as geometrically possible (e.g. with a focal length of 75 mm and an aperture of 1: 3.5).

Wenn das Eingangsbild 1 mit incohärentem Licht (z.B. von einer Quecksilber-Höchstdrucklampe) angestrahlt wird, durchstrahlt das von dem Bild 1 reflektierte Licht das jeweils vorhandene Kernbild 7. Dabei gelangen von den hellen Flächen des Kreisrings 6 im wesentlichen nur die parallel zueinander zu dem Kernbild 7 verlaufenden Strahlen S durch das Kernbild und werden von der Linse 3 in deren Brennebene (Korrelationsebene 4) zu dem hellen Bildpunkt P 6 vereinigt. Die von der kleineren Kreisfläche 5 des Bildes 1 aus durch das der größeren Kreisfläche 6 entsprechende Kernbild 7 gehenden Lichtstrahlen K bilden einen Lichtkegel, der demzufolge von der Linse 3 in der Brennebene 4 nicht zu einem Punkt vereinigt wird, sondern dort einen Ring F bildet. Die Abbildung 2 zeigt die Lichtintensität 8 in der Brennebene 4.If the input image 1 with incoherent light (e.g. from a high-pressure mercury lamp) is illuminated, the light reflected from the image 1 shines through each existing core image 7. It get from the bright areas of the circular ring 6 in essentially only the rays running parallel to one another to the core image 7 S through the nuclear image and are from the lens 3 in its focal plane (correlation plane 4) combined to form the bright image point P 6. The from the smaller circular area 5 of the Image 1 from passing through the core image 7 corresponding to the larger circular area 6 Beams of light K form a cone of light, which consequently from the lens 3 in the focal plane 4 is not united to one point, but forms a ring F there. The illustration 2 shows the light intensity 8 in the focal plane 4.

Mathematisch entsteht in der Brennebene der Linse 3 die Faltung oder die Korrelation des Singangsmusters 1 mit der Transparenz des Kernbildes 2. Bis auf additive, klassenspezifische Konstanten, die anschließend elektrisch berücksichtigt werden, ist die Lichtintensität 8 in der Korrelationsebene 4 ein Maß für die Wahrscheinlichkeit, daß sich an der entsprechenden Stelle des Eingangsbildes 1 ein Kreis der Größe des Kreises 7 befindet.Mathematically, the convolution or arises in the focal plane of the lens 3 the correlation of the Singangsmuster 1 with the transparency of the core image 2. Bis on additive, class-specific constants, which are then taken into account electrically light intensity 8 in correlation level 4 is a measure of the probability that at the corresponding point of the input image 1 there is a circle the size of the Circle 7 is located.

Die Lichtverteilung in der Korrelationsebene 4 kann z.B.The light distribution in the correlation plane 4 can e.g.

durch eine Fernsehröhre in ein elektrisches Signal gewandelt werden. Es ist aber auch möglich, sie durch einen Schwingspiegel mit einem Photoempfänger abzutasten. Die Anzahl der huber einer elektronischen Schwelle (z.B. 350 nA) liegenden Pulse im Video-Signal wird elektronisch gezählt und ausgedruckt. Werden auf dem Streifen 2 nacheinander Standardmuster 7 verschiedenen Querschnitts zur Korrelation benutzt, so erhält man die Verteilungsfunktion der Flächengröße in beliebig feiner Klasseneinteilung.can be converted into an electrical signal by a television tube. But it is also possible to use an oscillating mirror with a photo receiver to feel. The number the hub of an electronic threshold (e.g. 350 nA) lying pulses in the video signal are counted electronically and printed out. Standard patterns 7 of different cross-sections are successively placed on the strip 2 used for correlation, one obtains the distribution function of the area size in any fine classification.

Sind aber beispielsweise die zu untersuchenden Faserquerschnitte nicht kreisähnlich, so ist das Verfahren auch anwendbar, wenn Fasern gleichen Querschnitts endlich viele Formvarianten zeigen (vgl. z.B. Abbildung 3); dann ist jede Größenklasse unterteilbar nach Formvarianten und Winkelorientierung der Muster. Für jede Unterklasse ist mit einem spezifischen Standardmuster zu korrellieren, wobei mehrere Korrelationen gleichzeitig durchführbar sind, wenn die Verteilung auf die Unterklassen nicht interessiert.However, the fiber cross-sections to be examined are not, for example similar to a circle, the method can also be used when fibers have the same cross-section show a finite number of shape variants (see e.g. Figure 3); then every size class is can be subdivided according to shape variants and angular orientation of the pattern. For each subclass is to be correlated with a specific standard pattern, with several correlations are feasible at the same time if the distribution to the subclasses is not of interest.

Ist die Flächengröße eines bestimmten Einzelmusters zu bestimmen, so sind die übrigen Muster abzublenden. Das Gerät entscheidet dann für die Klasse mit der größten Wahrscheinlichkeit. Für die Messung der mittleren Flächengrdße sind die vom optoelektrischen Wandler gelieferten Pulse jeder Klasse elektronisch zu verrechnen. Eine von vielen Möglichkeiten hierfür ist, die einzelnen Pulse zur Triggerung eines monostabilen Multivibrators zu benutzen, dessen Pulsdauer proportional zur Flächengröße des jeweiligen Standard-Musters eingestellt wird. Dieser Multivibrator steuert ein Tor, das schnelle Pulse eines internen Generators durchläßt, die gezählt und deren Anzahl durch die ebenfalls zu zählende Gesamtzahl der berücksichtigten Muster dividiert wird. Die elektronischen Mittel hierfür sind bekannt.If the area size of a certain individual sample is to be determined, so the other patterns are to be faded out. The device then decides on the class with the greatest probability. For the measurement of the mean area size are electronically sends the pulses of each class supplied by the opto-electrical converter offsetting. One of the many possibilities for this is to use the individual pulses for triggering of a monostable multivibrator whose pulse duration is proportional to the Area size of the respective standard pattern is set. This multivibrator controls a gate that lets through fast pulses from an internal generator that are counted and their number by the also to be counted total number of those taken into account Pattern is divided. The electronic means for this are known.

Da bei dem optischen Korrelator incohärentes Licht benutzt wird, sind im Gegensatz zu den bisher bekannten Verfahren, bei denen bei Verwendung von cohärentem Licht transparente Filme als Eingangsbilder dienen müssen, in der physikalischen Natur ihres Materials praktisch nicht beschränkte Auflichtvorlagen als Eingangsbilder verwendbar.Since incoherent light is used in the optical correlator, are in contrast to the previously known methods in which when using coherent In the physical, light transparent films must serve as input images The nature of their material is practically unlimited in reflected light as input images usable.

Zur Verringerung von Beugungsunschärfen ist es vorteilhaft, das Standard-Muster durch sein Hologramm zu ersetzen.To reduce diffraction blurring, it is advantageous to use the standard pattern to replace it with its hologram.

Bei Einführung eines Maßstabfaktors zwischen Eingangsbild 1 und Kernbild 2 liegt die Korrelationsebene 4 nicht mehr in der Brennebene der Linse 5. Wird daher durch Veränderung der Abstände im Korrelator der Maßstabsfaktor geändert, dann wird nur ein einziges Standardmuster benötigt, um die Messungen für alle Flächengrößenklassen durchzuführen. Ist der Maßstab des Eingangsmusters 1 größer als der des Kernbildes 2, so kann auf die Linse 3 überhaupt verzichtet werden. Diese Möglichkeiten bestehen grundsätzlich auch bei Korrelation mit Hologrammen.When introducing a scale factor between input image 1 and core image 2, the correlation plane 4 is no longer in the focal plane of the lens 5. Will therefore by changing the distances in the correlator, the scale factor is changed, then only a single standard pattern is needed to make the measurements for all area size classes perform. Is the scale of the input pattern 1 larger than that of the core image 2, the lens 3 can be dispensed with at all. These possibilities exist basically also with correlation with holograms.

Die optoelektrische Wandlung kann durch ein Feld von Fotorezeptoren erfolgen oder aber durch eine Spalte von Rezeptoren, wenn das Kernbild 2 zur Abtastung in Zeilenrichtung bewegt wird; durch dieselbe Bewegung lassen sich auch die Standardmuster der verschiedenen Größenklassen nacheinander einführen. Ein einziger Rezeptor reicht aus, wenn gleichzeitig z.B. ein Schwingspiegel im Strahlengang das Kernbild in Spaltenrichtung bewegt.The opto-electrical conversion can be done by an array of photoreceptors or through a column of receptors when the core image 2 is for scanning is moved in the row direction; the same movement can also be used to move the standard patterns of the different size classes one after the other. A single receptor is enough off, if at the same time e.g. an oscillating mirror in the beam path shows the core image in the column direction emotional.

Bei Abtastung durch einen Rezeptor wird zwar die Korrelation zwischen Eingangsmuster 1 und Kernbild 2 für alle Verschiebungen gleichzeitig optisch berechnet, aber seriell in ein elektrisches Signal gewandelt. Es kann hinsichtlich der Lichtenergie günstiger sein, durch Abbilden des Eingangsmusters 1 auf das Kernbild 2 die Korrelation jeweils nur für eine Verschiebung optisch zu berechnen und dann Eingangsmuster oder Kernbild reell oder durch Schwingspiegel zu verschieben.When scanning by a receptor, the correlation between Input pattern 1 and core image 2 for all shifts simultaneously calculated optically, but converted serially into an electrical signal. It can be in terms of light energy be more favorable, by mapping the input pattern 1 onto the core image 2, the correlation to calculate optically only for one shift and then input sample or The core image can be shifted in real terms or by an oscillating mirror.

Vom elektrischen Ausgangssignal des optoelektrischen Wandlers kann ein klassenspezifischer Wert abgezogen werden, der halb so groß ist, wie das Signal, das sich ergibt, wenn als Eingangsmuster das (ungefilterte) gemittelte Muster der zum jeweiligen Standardbild gehörigen Klasse vorliegt. Dieser Wert ist zu addieren, wenn für die Herstellung des Kerns Negative der Eingangsmuster benutzt werden.From the electrical output signal of the opto-electrical converter can a class-specific value that is half as large as the signal can be deducted, this results if the (unfiltered) averaged pattern of the to the class belonging to the respective standard image. This value must be added if the input pattern is negative for the production of the core to be used.

Die Ablaufsteuerung des Meßprogramms und die elektronische Datenverarbeitung erfolgt mit bekannten elektronischen Mit* teln. Am Hande des Kernbildes 2 können photoelektrisch abgetastete Marken zur Synchronisierung der Datenverarbeitung mit der Kernbewegung dienen, die Kernbewegung läßt sich aber auch durch einen Schrittmotor von der Datenverarbeitung steuern.The sequence control of the measuring program and the electronic data processing takes place with known electronic means. At the hand of the core picture 2 can Photoelectrically scanned marks to synchronize the data processing with serve the core movement, but the core movement can also be done by a stepper motor control of data processing.

Das erfindungsgemäße Gerät ist somit ein Gerät zur quantitativen Analyse von mildern, das die Größe einzelner, zusammenhängender Flächen mit vorgegebenem Graupegel (Muster), die Anzahl der muster vorgegebener Flächengröße, die Verteilungsfunktion der Flächengröße und die mittlere Flächengröße zu bestimmen gestattet. Diese Daten interessieren z.B. in der lextil- und Faserindustrie, wo mikroskopische Bilder von Faserschnitten oder Faserbündeln auszuwerten sind. Die Flächen größe der einzelnen Faserquerschnitte und ihre Verteilungsfunktion bestimmen die Qualität des Fadens oder des Faserstoffes maßgeblich. Das erfindungsgemäße Gerät ist anwendbar zum indessen von kreisähnlichen Faserquerschnitten, wie bei perylen, Perlon, Nylon und Wolle, sowie von Fasern, die in ihrer Form untereinander geometrisch ähnlich sind.The device according to the invention is thus a device for quantitative analysis of mitigate that the size of individual, contiguous areas with given Gray level (pattern), the number of patterns of a given area size, the distribution function the area size and the mean area size to be determined. These dates interest e.g. in the textile and fiber industry, where microscopic images of Fiber cuts or fiber bundles are to be evaluated. The area size of each Fiber cross-sections and their distribution function determine the quality of the thread or the fiber material is decisive. The device according to the invention can, however, be used of circle-like fiber cross-sections, such as perylene, perlon, nylon and wool, as well as fibers that are geometrically similar to one another in terms of their shape.

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e

Image analysis device for measuring area sizes in image patterns, their surfaces of different sizes are geometrically similar to one another in terms of their shape, e.g. with cross-sections of fibers, and for measuring the statistical distribution of these Area sizes, which are not shown that are used for image analysis optical correlator is used, with the help of which by optical correlation of the pattern with standard samples of the different area sizes (size classes) one after the other the areas of different sizes are determined, and that a counting device is provided is by which in each size class for itself the number of in this size class belonging 1uster surfaces is determined electronically.

2. Image analysis device according to claim 1, d a d u r c h g e k e n It is not indicated that the areas of the image patterns are used for correlation with the standard patterns are reduced to their contours.

3. Image analysis device according to claims 1 or 2, characterized in that let holograms of the standard patterns be used for correlation.

4. Image analysis device according to claims 1 to 3, characterized in that that the counting device comprises at least one photoreceptor, which via a deflection device or the local distribution by shifting the input pattern or core image the light intensity in the correlation plane is scanned.

5. Image analysis device according to claim 1 or 2, characterized in that that the correlation is achieved by mapping the input pattern onto the core image, respectively is only formed for one shift and then the input pattern and core image are compared are shifted from each other, which can be done by a deflection device.

6. Image analysis device according to claim 4, characterized in that that the counter is designed such that it determines how often that electrical signal from an image or photo converter when measuring the correlation exceeds a specified threshold.

L e r s e i t e