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    • 专利摘要:
    Die Erfindung betrifft Verfahren zur Akquisition von Formen aus Bildern luftgetragener Keime und/oder Pollen als Fälle und zum fallbasierten Erkennen luftgetragener Keime und/oder Pollen als Objekte in digitalen Bildern, Computer-Programm-Produkte mit jeweils einem Programmcode zur Durchführung dieses Verfahrens, Computer-Programm-Produkte auf maschinenlesbaren Trägern zur Durchführung dieses Verfahrens und digitale Speichermedien, die so mit einem programmierbaren Computersystem zusammenwirken können, dass diese Verfahren ausgeführt werden. DOLLAR A Die Verfahren zeichnen sich insbesondere dadurch aus, dass semiautomatisch Einzelformen von Fällen in Bildern erhoben, dass automatisch aus diesen Einzelformen abstrakte Formmodelle in verschiedenen Abstraktionsniveaus gewonnen und dass automatisch Objekte bestimmt werden können. DOLLAR A Die gelernten abstrakten Formmodelle sind entweder gemittelte Formen aus Gruppen von Fällen oder Mediane als Einzelformen von Gruppen von Fällen. Der Median ist der Fall, von dem alle anderen Fälle den geringsten Abstand haben.
    公开号:DE102004018171A1
    申请号:DE200410018171
    申请日:2004-04-08
    公开日:2005-11-10
    发明作者:Petra Perner
    申请人:Perner, Petra, Dr.-Ing.；
    IPC主号:G06K9-00
    专利说明:
    [0001] Verfahrenzur Akquisition von Formen aus Bildern luftgetragener Keime und/oderPollen und zum fallbasierten Erkennen dieser als Objekte in digitalenBildern, Computer-Programm-Produktund digitales Speichermedium zur Ausführung dieses Verfahrens DieErfindung betrifft Verfahren zur Akquisition von Formen aus Bildernluftgetragener Keime und/oder Pollen als Fälle und zum fallbasierten Erkennenluftgetragener Keime und/oder Pollen als Objekte in digitalen Bildern,Computer-Programm-Produkte mit jeweils einem Programmcode zur Durchführung diesesVerfahrens, Computer-Programm-Produkte auf maschinenlesbaren Trägern zur Durchführung diesesVerfahrens und digitale Speicher-medien, die so mit einem programmierbarenComputersystem zusammenwirken können,dass diese Verfahren ausgeführtwerden.
    [0002] DieBestimmung von luftgetragenen Keime und/oder Pollen erfolgt bekannterweise über eineSammlung auf einem Träger.Nach der Sammlung werden die lufgetragenen Keime auf Nährböden in mikrobiologischenLabors bebrütet.Nach mehreren Tagen kann eine Auswertung der damit erhaltenen Kolonienerfolgen. Die Kolonien, die alle auf nur jeweils einem aufgefangenenKeim zurückzuführen sind,werden auf Farbe, Form und Struktur grob manuell voruntersucht.Eine genauere Bestimmung der Keimarten ist nur nach deren Vereinzelung,sowie Wachstums- undStoffwechseltests möglich.Das dauert in der Regel mehrere Wochen. Die Besimmung dieser Kolonienoder von Pollen erfolgt manuell. Daraus folgt, dass derzeitige Luftuntersuchungen aufdie Erfassung von Übersichtswertenbezüglichder Keimkonzentration beschränktist. Eine seriöseInterpretation der Ergebnisse solcher Untersuchungen ist nicht möglich, weilsowohl die Zahl der Stichproben zu gering als auch das zur Auswertunggebrachte Luftvolumen meist fürzu klein fürfundierte Aussagen überden Zustand einer Anlage, eines Prozessablaufes oder eines Raumesist. Deshalb ist es füreine hinreichend exakte Beschreibung als Minimalmaßnahme unumgänglich,einen sogenannten Schichtmittelwert zu erfassen, der an nähernd dieVerhältnisse über einenZeitraum von ca. 8 Stunden widerspiegelt.
    [0003] Einnicht zu unterschätzenderNachteil einfacher Routinemessungen besteht darin, dass Spitzenbei der Emission von luftgetragenen Keimen und/oder Pollen nichtoder nur unzureichend gemessen werden. Generell besteht die Gefahr,dass die Messergebnisse bei Routineuntersuchungen aufgrund der geringenProbenahmedichte entweder fehlerhaft zu hoch oder fehlerhaft zugering ausfallen. Der Grund fürdie Über-oder Unterbewertung der tatsächlichenSituation besteht darin, dass die Messungen zufällig im Bereich von Maxima oderMinima liegen können.Schwankungen in der Konzentration sind bisher weitestgehend nichterfassbar.
    [0004] Derim Patentanspruch 1, 16, 17 und 18 angegebenen Erfindung liegt dieAufgabe zugrunde, Formen aus Bildern mit Fällen zu gewinnen und aus digitalenBildern mit Objekten automatisch Objekte durch Vergleich mit Fällen bestimmenzu können.
    [0005] DieseAufgabe wird mit den in den Patentansprüchen 1, 16, 17 und 18 aufgeführten Merkmalengelöst.
    [0006] DieVerfahren zur Akquisition von Formen aus Bildern mit luftgetragenenKeimen und/oder Pollen als Fälleund zum fallbasierten Erkennen luftgetragener Keime und/oder Pollenals Objekte in digitalen Bildern, die Computer-Programm-Produktemit einem Programmcode zur Durchführung dieses Verfahrens, dieComputer-Programm-Produkte auf einem maschinenlesbaren Träger zurDurchführungdieses Verfahrens und die digitalen Speichermedien mit diesen Verfahrenzeichnen sich insbesondere dadurch aus, dass semiautomatisch Einzelformenvon Fällenin Bildern erhoben, dass automatisch aus diesen Einzelformen abstrakteFormmodelle in verschiedenen Abstraktionsniveaus gewonnen und dassautomatisch Objekte bestimmt werden können.
    [0007] Diegelernten abstrakten Formmodelle sind entweder gemittelte Formenaus Gruppen von Fällenoder Mediane als Einzelformen von Gruppen von Fällen. Der Median ist der Fall,von dem alle anderen Fälleden geringsten Abstand haben. Der Median ist damit ein natürlicher luftgetragenerKeim oder Pollen, währenddie gemittelte Form ein künstlicherin der Natur nicht vorkommender Keim oder Pollen ist.
    [0008] Vorteilhafterweisekönnendie Kontur oder die Form luftgetragener Keime oder Pollen digitalerfasst und in einem Datenfile abgelegt werden. Mit diesen Datenkönnenfolgend Manipulationen ausgeführtwerden, wobei zum Beispiel Ähnlichkeitsmaße bestimmbarund die Ähnlichkeitbeschreibbar ist.
    [0009] Damiteignen sich diese Verfahren fürdas Erstellen von Falldatenbanken mit Formmodellen luftgetragenerKeime und/oder Pollen, die unterschiedliche Erscheinungsformen inder Art aufweisen. Es könnenvorteilhafterweise Gruppen von Formen automatisch gebildet und die Ähnlichkeitenuntereinander hierarchisch dargestellt werden. Aus den Gruppen können weiterhinModelle auf verschiedenen Abstraktionsebenen erstellt werden.
    [0010] Grundlagesind Bilder bekannter luftgetragener Keime und/oder Pollen als Fälle mitunterschiedlichen Erscheinungsformen in der Kontur und/oder Textur.Durch ein manuelles Abfahren der die Konturen und/oder Texturenbildenden Kanten in Form sichtbarer äußerer und/oder innerer Konturenmit einem handführbaren undmit einem Computer verbundenen Eingabegerät werden diesen Kanten zuordenbareDaten gewonnen.
    [0011] Ausdiesen Daten könnenFormmodelle gewonnen werden, um damit zum einen unbekannte luftgetrageneKeime und/oder Pollen als Objekte durch Vergleich mit den Formmodellender Falldatenbank zuordnen und bestimmen und/oder zum anderen Wissen über luftgetrageneKeime und/oder Pollen akquirieren zu können. Die letztgenannte Möglichkeitkann vorteilhafterweise dazu genutzt werden, die Falldatenbank zuerweitern.
    [0012] Eskönnensowohl Gruppen mit ähnlichenFormmodellen gelernt als auch ähnlicheGruppen zusammengelegt werden, wobei Ähnlichkeitsrelationen als Vergleichzwischen diesen Gruppen auch mit unbekannten Fällen und/oder Objekten erstellbarsind.
    [0013] Einweiterer Vorteil besteht darin, dass mit der Anwendung des Verfahrensständigauch neue Formmodelle bekannter Fälle in Bildern der Falldatenbankzugeordnet werden können.Damit ist eine Erweiterung der Falldatenbank gegeben.
    [0014] DieFalldatenbanken bilden die Grundlage zum automatischen fallbasiertenErkennen und Bestimmen luftgetragener Keime und/oder Pollen alsObjekte in digitalen Bildern mit Objekten. Das ausgewählte Fallbild unddas erzeugte Gradientenbild des digitalen Bildes mit Objekten werdenin Pyramiden mit Bildebenen überführt. Dieeinzelnen Bildebenen werden nacheinander miteinander verglichen,wobei mit den höchstenBildebenen begonnen wird. Die höchstenBildebenen sind die unschärfstenBildebenen mit jeweils der geringsten Datenmenge, so dass beginnendmit dem geringsten Rechenaufwand der Vergleich durchgeführt wird.Weiterhin wird das ausgewählteFallbild mit jedem Objekt des digitalen Bildes mit Objekten sukzessiveverglichen. Währenddes Vergleichs zwischen jedem der Objektbilder und des Fallbildeserfolgt eine Ausrichtung und eine Skalierung und/oder Rotation desFallbildes, wobei dabei gleichzeitig die Ähnlichkeit berechnet wird.
    [0015] Derbesondere Vorteil besteht darin, dass entweder die Kontur oder dieForm digital erfasst und in einem Datenfile abgelegt werden können. Mitdiesen Daten könnenfolgend Manipulationen ausgeführtwerden, wobei zum Beispiel Ähnlichkeitsmaße bestimmbarund die Ähnlichkeitund/oder die Ähnlichkeitals Grad der Übereinstimmungzwischen Fall- und Objektbild durch das Ähnlichkeitsmaß beschreibbarsind. Mit sinkendem Ähnlichkeitsmaß ist dasObjektbild ungleicher vom Fallbild.
    [0016] Dieerfindungsgemäßen Verfahrenkönnenden Nutzern vorteilhafterweise als Computer-Programm-Produkte mit jeweils einemProgrammcode zur Durchführungdieser Verfahren, als Computer-Programm-Produkte auf maschinenlesbarenTrägernzur Durchführungdieser Verfahren und als digitale Speichermedien, die so mit einemprogrammierbaren Computersystem zusammenwirken können, dass ein Verfahren zurAkquisition von Formen aus Bildern luftgetragener Keime und/oderPollen als Fälleund zum fallbasierten Erkennen luftgetragener Keime und/oder Pollenals Objekte in digitalen Bildern zur Verfügung gestellt werden.
    [0017] VorteilhafteAusgestaltungen der Erfindung sind in den Patentansprüchen 2 bis15 angegeben.
    [0018] Nachder Weiterbildung des Patentanspruchs 2 werden jeweils mindestenszwei Fällemiteinander verglichen, wobei die Fälle aufeinander ausgerichtetwerden und eine Skalierung und/oder Rotation erfolgt. Vorteilhafterweisewird dabei gleichzeitig die Ähnlichkeitberechnet, wobei Ähnlichkeitsmaße entwederals Distanz- oder als Ähnlichkeitswertejeweils zwischen den Fällenso lange ermittelt werden, bis entweder ein Minimum der Distanzwerteoder ein Maximum der Ähnlichkeitswertevorhanden ist.
    [0019] DasErmitteln der Daten der Konturpunkte als x-, y-Koordinaten und/oderGrau- oder Farbwerte der Konturpunkte jeweils als den Konturen unddamit Fällenzuordenbaren Daten erfolgt durch manuelles Abfahren der Kanten vonauf einem Datensichtgerätdargestellten digitalen Bildern in Form der sichtbaren äußeren und/oderinneren Konturen mit einem handführbarenEingabegerätim Zusammenhang mit dem Datensichtgerät. Derartige handführbare Eingabegeräte sindvorteilhafter- und vorzugsweise nach der Weiterbildung des Patentanspruchs3 der mit einer Tastatur oder einer Maus geführte Cursor des Bildschirmsund/oder der Lichtstift mit einem Photodetektor und/oder der Scannerund/oder der Stift und der Scanner jeweils im Zusammenhang mit demDatensichtgerätoder der Stift in Verbindung mit einem Berührungsbildschirm. Das sindin ihrer Funktion und in ihrem Aufbau bekannte Eingabegeräte, so dasszur Gewinnung der Daten als Voraussetzung für Formmodelle von Falldatenbankenkeine besonderen Gerätenotwendig sind. Damit könnenbekannte Rechnerkonfigurationen zur Gewinnung der Falldatenbankeneingesetzt werden.
    [0020] DasAbfahren der Konturen erfolgt manuell mit einem handführbarenEingabegerätvon auf einem Datensichtgerätdargestelltem digitalem Bild. Die abgefahrenen Konturen können nachder Weiterbildung des Patentanspruchs 4 auch gelabelt mit dem Datensichtgerät dargestelltwerden, wobei das wenigstens teilweise durch die abgefahrene Konturund/oder Kante auf dem Datensichtgerät als Gebiet dargestellt wird.Dadurch ist eine leichte Kontrolle der abgefahrenen Kanten auf demDatensichtgerätmöglich.Fehler hervorgerufen durch zum Beispiel mangelnde Konzentration,Störungen,Ablenkungen oder Ermüdungder die Konturen und/oder Kanten der Fälle abfahrenden Personen werdenvermieden.
    [0021] Vorteilhafterweisewird nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 5 das Dendogrammauf der Ähnlichkeitsskalaentsprechend entweder festgelegter und damit automatisch oder nutzerspezifischerSchwellen wenigstens einmal geschnitten, so dass Gruppen entstehen.Den Gruppen werden die Einzelformen zugeordnet und in den Gruppenwird jeweils ein Prototyp gewählt,wobei der Prototyp entweder eine aus den Einzelformen der Gruppegemittelte Form oder der Median der Gruppe der Einzelformen ist.Damit ist eine visuelle Kontrolle der einzelnen Gruppen und/oderder einzelnen Objekte gegeben. Die gemittelte Form oder der Mediander Gruppe wird sowohl auf dem Datensichtgerät abgebildet als auch dessenKontur punkte als Datenmenge im Computer gespeichert.
    [0022] Nachder Weiterbildung des Patentanspruchs 6 erfolgt vorteilhafterweiseeine Reduzierung der mit dem Abfahren der Kanten gewonnenen Datenund damit der Punkte als den sichtbaren äußeren und/oder inneren Konturendurch Interpolation mit einem Polynom.
    [0023] Dieden abgefahrenen Kanten zugeordneten Fälle werden vorteilhafterweisenach der Weiterbildung des Patentanspruchs 7 so transformiert, dassjeweils der Mittelpunkt eines Falles dem Koordinatenursprung 0,0 entspricht. Die Fällewerden jeweils in einem Koordinatensystem ausgerichtet, so dassein Vergleich in ihren Ähnlichkeitenzueinander leicht möglichist.
    [0024] DieBerechnung der Ähnlichkeitenbasiert auf der Bestimmung von Ähnlichkeitsmaßen. Dabeiwerden jeweils mindestens ein Fall und ein Objekt miteinander verglichen,wobei diese aufeinander ausgerichtet werden und eine Skalierungund/oder Rotation erfolgt. Gleichzeitig wird die Ähnlichkeitberechnet, wobei nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 8 Ähnlichkeitsmaße entwederals Distanz- oder als Ähnlichkeitswertejeweils zwischen dem Fall und dem Objekt so lange ermittelt werden,bis entweder ein Minimum der Distanzwerte oder ein Maximum der Ähnlichkeitswertevorhanden ist.
    [0025] Vorteilhafterweisewird übereine Kantendetektion der Objekte des digitalen Bildes nach der Weiterbildungdes Patentanspruchs 9 das Gradientenbild erzeugt, wobei große Änderungendes Grauwertes sowohl in vertikaler als auch in horizontaler Richtungjeweils Gradienten und homogenen Flächen kein Gradient zugeordnetwerden. Die homogenen Flächensind schwarz. Ergebnis ist ein Bild mit weißen Kanten der Objekte, während diedurch die Kanten der Objekte eingeschlossenen Flächen und die an die Kantender Objekte angrenzenden Flächenschwarz sind. Die Datenmenge des digitalen Bildes ist dadurch wesentlichgeringer als bei einem Grauwertbild des digitalen Bildes. Gleichzeitigverringert sich der Rechenaufwand beim Vergleich jedes Objektesmit einem ausgesuchten Fall durch die Berechnung der Ähnlichkeitenmit der Bestimmung von Ähnlichkeitsmaßen. Weiterhinsind auch übereinanderliegendeund sich teilweise überdeckendeObjekte im digitalen Bild mit einem Vergleich eines ausgesuchtenFalles leichter bestimmbar.
    [0026] Sowohlaus dem Fall- als auch dem Objektbild wird nach der Weiterbildungdes Patentanspruchs 10 jeweils ein Gradientenbild gebildet, diejeweils in eine Bildfolge als eine Pyramide mit Bildebenen überführt und wobeisukzessive die Richtungsvektoren in den Bildebenen jeweils des Fall-und des Objektbildes durch Produktbildung miteinander verglichenwerden. Das Prinzip der Pyramiden verringert den Rechenaufwand wesentlich.Die jeweils nachfolgenden Bildebenen der Pyramiden sind Darstellungenmit jeweils einem doppelt so groben Raster. Dazu wird nur jederzweiter Punkt einer Zeile und nur jede zweite Zeile herausgegriffenund zu einem Neuen Bild als Bildebene zusammengesetzt. Das verwendeteAbtasttheorem stellt zugleich sicher, dass das ursprünglich feinereRaster aus dem gröberenRaster exakt rekonstruierbar ist. Bei einem Vergleich des Fallesund des Objektes wird vorteilhafterweise mit dem gröbsten Rasterder obersten Bildebenen begonnen. Je nach dem Ergebnis des Vergleichsder Ähnlichkeitwerden sukzessive Bildebenen mit dem jeweils feineren Raster miteinanderverglichen. Der Vergleich kann jederzeit abgebrochen werden, sodass der Rechenaufwand beim Vergleich wesentlich eingeschränkt werdenkann.
    [0027] Einevorteilhafte Einteilung von Einzelfällen stellt nach der Weiterbildungdes Patentanspruchs 11 ein Dendogramm dar, wobei Gruppen von Einzelfällen hierarchischgeordnet sind. Das Fallbild ist dabei ein Prototyp einer Gruppevon Einzelfällen,wobei die Gruppen Mengen ähnlicherEinzelfällemit bestimmten Distanz- oder Ähnlichkeitswertensind. Der ähnlichsteFall bestimmt den Zweig des Dendogramms mit ähnlichen Fällen zur Bestimmung des Objektes.Der Prototyp ist entweder eine aus den Einzelformen der Gruppe gemittelte Formoder der Median der Gruppe der Einzelformen. Der Median ist derFall, von dem alle anderen Fälleden geringsten Abstand haben. Der Median stellt damit ein natürlicherluftgetragener Keim oder Pollen dar, während die gemittelte Form einkünstlicherin der Natur nicht vorkommender luftgetragener Keim oder Pollenist. Das Fallbild kann aber auch ein Einzelbild eines Objektes sein.
    [0028] Über dieErmittlung des Richtungsvektors zwischen entweder zwei Punkten oderbenachbarten Punkten der Kanten entweder bei dem Fall- oder beidem Objektbild nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 12 wirddie Richtung der Kante als lokale Orientierung bestimmt, so dassdie Komponenten des Verlaufs der Richtung der lokalen Orientierungund der Ausprägung gemessenzum Beispiel an der Höheoder der Steigung der Kante in die Beschreibung der Kante mit einfließen. Dadurchwird vorteilhafterweise auch die Umgebung der vorhandenen komplexenStruktur der Bildinformation bei der Berechnung der Ähnlichkeitmit einbezogen. Die Ähnlichkeitsmaße bei derBerechnung der Ähnlichkeitwerden damit als sowohl Richtungsvektoren als auch entweder alsDistanz- oder als Ähnlichkeitswertejeweils zwischen dem Fallbild und dem Objektbild ermittelt. WeitereInformationen des digitalen Bildes werden damit vorteilhafterweisebei dem Vergleich durch die Berechnung der Ähnlichkeit mit berücksichtigt.
    [0029] Über einenIndex sind nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 13 entwederdie Prototypen oder die Fälleentsprechend der Ähnlichkeitsrelationenin der Falldatenbank geordnet. Der Index kennzeichnet ein Indexregistermit den Prototypen und/oder den Fällen einzeln oder in Gruppenwomit aus einer Menge von Prototypen und/oder Fällen der ähnlichste Prototyp oder Fallschnell zum Objekt im Bild gefunden werden kann.
    [0030] DieBerechnung der Ähnlichkeiterfolgt vorteilhafterweise nach der Formel der Weiterbildung desPatentanspruchs 14.
    [0031] DieWeiterbildung des Patentanspruchs 15 führt vorteilhafterweise dazu,dass ein ungleiches Objekt als Fall manuell bestimmbar ist und demDendogramm mit den bestimmten Fällenzugeordnet werden kann. Damit kann die Falldatenbank ständig erweitertwerden.
    [0032] Ausführungsbeispieleder Erfindung werden im folgenden unter Einbeziehung der Darstellungennäher beschrieben.Es zeigen:
    [0033] 1 eineAbbildung von Ulocladium Botrytis,
    [0034] 2 eineDarstellung mit gelabelten und approximierten Konturen mit Koordinatenvon Ulocladium Botrytis,
    [0035] 3 dieAbbildung mit nummerierten Darstellungen von Ulocladium Botrytisder 1,
    [0036] 4 einDendogramm mit Prototypen von Ulocladium Botrytis aus 3 und
    [0037] 5 eineDarstellung mit einer gelabelten und approximierten Kontur mit Koordinateneines Teiles eines Pollens.
    [0038] EinVerfahren zur Akquisition von Formen aus Bildern luftgetragenerKeime und/oder Pollen als Fälle undzum fallbasierten Erkennen luftgetragener Keime und/oder Pollenals Objekte in digitalen Bildern wird als ein Beispiel der Erfindungin einem ersten Ausführungsbeispielnäher ausgeführt.
    [0039] Aufeinem Datensichtgerätin Form eines bekannten mit einem Rechner zum Beispiel als Computer zusammengeschaltetenBildschirmes wird ein digitales Bild mit Fällen dargestellt. Dieses zeigtbekannte luftgetragene Keime als Fälle, deren Konturen unterschiedlichsein können,aber einer Art hier Ulocladium Botrytis zugehören.
    [0040] Die 1 zeigteine Abbildung von Ulocladium Botrytis.
    [0041] Durchein manuelles Abfahren von Kanten des digitalen Bildes mit Fällen miteinem handführbaren Eingabegerät im Zusammenhangmit dem Datensichtgerätwerden den abgefahrenen Kanten zuordenbare Daten gewonnen. Kantensind dabei sichtbare äußere und/oderinnere Konturen von Fällen.
    [0042] Mitdem handführbarenEingabegerätenals – dermit einer Tastatur oder einer Maus geführte Cursor des Bildschirms, – einLichtstift mit einem Photodetektor, – einScanner und/oder – einStift und Scanner, werden zusammen mit dem Datensichtgerät Datender Konturpunkte als x-, y-Koordinaten und/oder Grau- oder Farbwerteder Konturpunkte jeweils als Kanten der Fälle zuordenbare Daten gewonnen.Eine weitere Ausführungsformist durch eine Kombination eines Stiftes in Verbindung mit einemBerührungsbildschirmgegeben. Derartige Eingabegeräteund die Verfahren zur Gewinnung der damit Kanten zuordenbaren Datensind bekannt, so dass sich eine nähere Erläuterung erübrigt.
    [0043] Jedesder durch die abgefahrenen Kanten bestimmten luftgetragenen Keimeals Fällewird in einem Koordinatensystem skaliert, wobei jeweils der Mittelpunktdes Falles dem Koordinaten ursprung x = 0 und y = 0 entspricht. Die 2 zeigtDarstellungen gelabelter und approximierter Konturen mit Koordinatenvon Ulocladium Botrytis.
    [0044] Die Ähnlichkeitvon Fällenwird jeweils durch aneinander paarweises Ausrichten so bestimmt,bis sich das Ähnlichkeitsmaß nichtmehr ändert.Es wird eine Skalierung und/oder Rotation ausgeführt, wobei gleichzeitig die Ähnlichkeitberechnet wird. Währendder Berechnung der Ähnlichkeitwerden die Ähnlichkeitsmaße entwederals Distanzwerte oder als Ähnlichkeitswertejeweils zwischen den Fällenso lange ermittelt, bis entweder ein Minimum der Distanzwerte oderein Maximum der Ähnlichkeitswertevorhanden ist. Die Berechnung der Ähnlichkeit erfolgt mit
    [0045] DieDistanz- oder die Ähnlichkeitswertespannen eine Distanz- oder Ähnlichkeitsmatrixauf. Aus den bestimmten Ähnlichkeitswertenwerden Mengen ähnlicherFälle gebildetund hierarchisch als Dendogramm geordnet. Dazu zeigt die 3 nummerierteDarstellungen von Ulocladium Botrytis der 1. Das Dendogrammwird auf der Ähnlichkeitsskalaentsprechend entweder festgelegter oder nutzerspezifischer Schwellen geschnitten,so dass Gruppen entstehen. Bei festgelegten Schwellen wird das Dendogrammautomatisch geschnitten. Den Gruppen werden die Einzelformen zugeordnetund in den Gruppen jeweils ein Prototyp gewählt. Der Prototyp ist entwedereine aus den Einzelformen der Gruppe gemittelte Form oder der Mediander Gruppe der Einzelformen. Der Prototyp der Gruppe wird auf demDatensichtgerätabgebildet und die Konturpunkte des Prototypen werden als Datenmengeim Computer gespeichert. Die 4 zeigtein Dendogramm mit Prototypen von Ulocladium Botrytis aus der 3.
    [0046] DiesesVerfahren wird auf weitere digitale Bilder mit Fällen angewandt, so dass eineFalldatenbank mit Formmodellen als Prototypen mit gemittelten Formenvon Gruppen von Einzelformen und/oder mit Medianen von Gruppen vonEinzelformen entstehen.
    [0047] Ineiner Ausführungsformdes Ausführungsbeispielskönnendie durch die Eingabegeräteim Zusammenhang mit dem Datensichtgerät gewonnenen Daten von Kantensichtbarer äußerer und/oderinnerer Konturen im digitalen Bild durch eine Interpolation reduziertwerden. Bei dieser Interpolation wird – in einemersten Schritt einem ersten durch das Koordinatensystem bestimmtenund damit skalierten Punkt einer Kante des Falles der Ausgangspunktzugeordnet, – ineinem zweiten Schritt eine virtuelle Linie zu einem benachbartenPunkt als zweiten Punkt gezogen, – ineinem dritten Schritt der Abstand zwischen dieser virtuellen Linieund dem korrespondierenden Segment der Kontur eines Vorläuferfallesermittelt, – ineinem viertem Schritt dieser Abstand als Wert mit einem vorgegebenenWert verglichen und – ineinem fünftenSchritt dem zweiten Punkt der Ausgangspunkt für eine virtuelle Linie zumnächstenPunkt zugeordnet.
    [0048] DieSchritte drei, vier und fünfwerden überdie gesamte Kontur des Falles wiederholt.
    [0049] Ineiner weiteren Ausführungsformdes Ausführungsbeispielskann das jeweils wenigstens teilweise abgefahrene Gebiet als Fallgelabelt oder nicht gelabelt mit dem Datensichtgerät dargestelltwerden, wobei die abgefahrene Kontur und/oder Kante auf dem Datensichtgerät dargestelltist.
    [0050] DieDistanz- oder die Ähnlichkeitswertekönnenvorteilhafterweise mittels des Single-Linkage-Verfahrens und einem Dendogramm hierarchischdargestellt werden.
    [0051] DieFalldatenbank mit Fällenals Fallbilder bilden die Grundlage zum fallbasierten Erkennen luftgetragenerKeime als Objekte in digitalen Bildern mit Objekten. Fälle alsFallbilder und Objekte als Objektbilder sind Abbildungen von zwei-oder dreidimensionalen luftgetragenen Keimen als Fällen undluftgetragenen Keimen als Objekte.
    [0052] Ausder Falldatenbank wird ein Fallbild mit einer Fallbeschreibung ausgewählt wird.Das Fallbild ist entweder ein Prototyp einer Gruppe von Einzelfällen oderein Einzelbild eines Falles. Die Gruppe von Einzelfällen stellenMengen ähnlicherEinzelfällemit bestimmten Distanz- oder Ähnlichkeitswertendar, die hierarchisch als Dendogramm geordnet sind. Der ähnlichsteFall bestimmt den Zweig des Dendogramms. Der Prototyp selbst istentweder eine aus den Einzelformen der Gruppe gemittelte Form oderder Median der Gruppe der Einzelformen. Das Fallbild wird in eineBildfolge als eine Pyramide mit Bildebenen des Fallbildes gewandelt.Eine Bildfolge als eine Pyramide mit Bildebenen verhindert ein explosionsartigesAnwachsen des Rechenaufwands. Das Fallbild ist durch Anwenden vonGlättungsoperationen,wobei alle Wellenzahlen unter der halben Grenzwellenzahl bleiben,und aufgrund des Abtasttheorems nacheinander auf einem doppelt sogroben Raster ohne jeglichen Informationsverlust darstellbar. Dabeiwird nur jeder zweiter Punkt einer Zeile und nur jede zweite Zeileherausgegriffen und zu einem neuen Bild zusammengesetzt, wobei sichergestelltist, dass das ursprünglichfeinere Raster aus dem gröberenRaster exakt rekonstruierbar ist. Die Anwendung der Glättungoperationenerfolgt iterativ, so dass daraus eine Folge von Bildern resultiert,wobei die Bilder flächenmäßig jeweilsum den Faktor vier kleiner werden. Die immer kleiner werdenden Bildebenenergeben übereinandergeschichtetdie Form einer Pyramide.
    [0053] Ausdem aktuellen digitalen Bild luftgetragener Keime als Objekte wirdein Gradientenbild gebildet. Übereine Kantendetektion der Objekte des digitalen Bildes mit Objektenwird das Gradientenbild erzeugt, wobei große Änderungen des Grauwertes sowohlin vertikaler als auch in horizontaler Richtung jeweils Gradientenund homogenen Flächenkein Gradient zugeordnet werden. Die homogenen Flächen sinddamit schwarz.
    [0054] DasGradientenbild wird gleichfalls in eine Bildfolge als eine Pyramidemit Bildebenen überführt.
    [0055] DasFallbild wird nachfolgend sukzessive auf jedes Objektbild des Gradientenbildesbeginnend mit jeweils den höchstenBildebenen des Fall- und des Objektbildes verschoben, wobei dasFallbild mit jedem Objektbild des Gradientenbildes verglichen wird.Währenddes Vergleichs wird das Fallbild auf das Objektbild ausgerichtet,wobei dabei eine Skalierung und/oder Rotation des Fallbildes ausgeführt wird.Währenddes Vergleichs des Fallbildes mit dem Objektbild wird gleichzeitigdie Ähnlichkeitzwischen dem Fall- und Objektbild berechnet. Bei der Berechnungder Ähnlichkeitwerden die Ähnlichkeitsmaße entwederals Distanz- oder als Ähnlichkeitswertejeweils zwischen dem Fall- und dem Objektbild so lange ermittelt,bis entweder ein Minimum der Distanzwerte oder ein Maximum der Ähnlichkeitswertevorhanden ist. Die Ähnlichkeitsmaße bestimmen denGrad der Übereinstimmungzwischen Fall- und Objektbild, wobei der Grad der Übereinstimmungmit sinkendem Ähnlichkeitsmaß abnimmtund das Objektbild ungleicher vom Fallbild wird.
    [0056] Ineiner weiteren Ausführungsformkann der Richtungsvektor zwischen entweder zwei Punkten oder benachbartenPunkten der Kanten entweder bei dem Fallbild berechnet sein oderbei dem Objektbild berechnet werden. Bei der Berechnung der Ähnlichkeitwerden die Ähnlichkeitsmaße als sowohlRichtungsvektoren als auch entweder als Distanz- oder als Ähnlichkeitswertejeweils zwischen dem Fallbild und dem Objektbild ermittelt.
    [0057] Dieluftgetragenen Keime als Fällesind übereinen Index entsprechend der Ähnlichkeitsrelationenso in der Falldatenbank geordnet, dass aus einer Menge entwedervon Prototypen der ähnlichstePrototyp oder von Fällender ähnlichsteFall schnell zum Objekt im Bild gefunden werden kann.
    [0058] DerPrototyp als entweder gemittelte Form oder Median der Gruppe oderdas Einzelbild wird auf einem mit einem Computer, in dem das Verfahrenabläuft,verbundenen Datensichtgerätals Bildschirm abgebildet. Weiterhin werden die Konturpunkte entwederder gemittelten Form oder des Medians oder des Einzelbildes alsDatenmenge in dem Computer gespeichert.
    [0059] Ineiner weiteren Ausführungsformdes Ausführungsbeispielswird aus dem Fall- und dem Objektbild jeweils ein Gradientenbildgebildet. Diese Gradientenbilder werden jeweils in eine Bildfolgeals eine Pyramide mit Bildebenen überführt und sukzessive die Richtungsvektorenin den Bildebenen jeweils des Fall- und des Objektbildes durch Produktbildungmiteinander verglichen.
    [0060] Einzweites Ausführungsbeispielstellt ein Computer-Programm-Produkt mit einem Programmcode zur Durchführung einesim ersten Ausführungsbeispielbeschriebenen Verfahrens zur Akquisition von Formen aus Bildernluftgetragener Keime und/oder Pollen als Fälle und zum fallbasierten Erkennenluftgetragener Keime und/oder Pollen als Objekte in digitalen Bildern,wenn das Programm auf einem Rechner abläuft.
    [0061] Eindrittes Ausführungsbeispielist ein Computer-Programm-Produkt auf einem maschinenlesbaren Träger zurDurchführungeines im ersten Ausführungsbeispielbeschriebenen Verfahrens zur Akquisition von Formen aus Bildernluftgetragener Keime und/oder Pollen als Fälle und zum fallbasierten Erkennenluftgetragener Keime und/oder Pollen als Objekte in digitalen Bildern,wenn das Programm auf einem Rechner abläuft.
    [0062] Einviertes Ausführungsbeispielist ein digitales Speichermedium, das so mit einem programmierbaren Computersystemzusammenwirken kann, dass ein im ersten Ausführungsbeispiel beschriebenesVerfahren zur Akquisition von Formen aus Bildern luftgetragenerKeime und/oder Pollen als Fälleund zum fallbasierten Erkennen luftgetragener Keime und/oder Pollenals Objekte in digitalen Bildern ausgeführt wird.
    权利要求:
    Claims (18)
    [1] Verfahren zur Akquisition von Formen aus Bildernluftgetragener Keime und/oder Pollen als Fälle und zum fallbasierten Erkennenluftgetragener Keime und/oder Pollen als Objekte in digitalen Bildern, dadurchgekennzeichnet, – dasszum einen zur Akqusition von Formen aus Bildern mit Fällen undzum Lernen von abstrakten Formmodellen aus diesen Fällen für eine Falldatenbankbei jedem Bild mit Fällendurch manuelles Abfahren von Kanten eines Bildes in Form sichtbarer äußerer und/oderinnerer Konturen mit einem handführbarenund mit einem Computer verbundenen Eingabegerät diesen Kanten und damit Fällen zuordenbareDaten gewonnen werden, übereine Verschiebung und Skalierung jeden Falles jeweils mindestenszwei Fällemiteinander verglichen werden, die beiden Fälle aufeinander ausgerichtetwerden und dabei gleichzeitig die Ähnlichkeit durch Ermittlung von Ähnlichkeitsmaßen berechnetwird, entsprechend der Ähnlichkeitsmaße Mengen ähnlicherFälle gebildet undhierarchisch als Dendogramm geordnet werden, das Dendogramm durcheine Vorgabe von Distanz- oder Ähnlichkeitswertenin Gruppen zerfälltund in den Gruppen jeweils ein Prototyp gewählt wird und – dass zumanderen zum Erkennen eines Objektes in einem digitalen Bild mitObjekten aus der Falldatenbank ein Fall als Fallbild mit einer Fallbeschreibungausgewähltwird, wobei gleichzeitig eine Bildfolge als eine Pyramide mit Bildebenendes Fallbildes erzeugt wird, ein Gradientenbild des aktuellen digitalenBildes erzeugt und in eine Bildfolge als eine Pyramide mit Bildebenen überführt wird,das Fallbild sukzessive auf jedes Objektbild des Gradientenbildesbeginnend mit den höchstenBildebenen verschoben wird, wobei das Fallbild mit jedem Objektbilddes Gradientenbildes verglichen und dabei gleichzeitig die Ähnlichkeitdurch Bestimmung von Ähnlichkeitsmaßen berechnetwird und der Grad der Übereinstimmungzwischen Fallbild und Objektbild durch das Ähnlichkeitsmaß bestimmtist.
    [2] Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet,dass die Translation jedes Falles so eleminiert wird, dass jederFall in den Ursprung eines Koordinatensystems verschoben wird, dassjeder Fall entsprechend der zugeordneten Daten in dem Koordinatensystemskaliert wird, dass jeweils mindestens zwei Fälle miteinander verglichenwerden, dass die Fälleaufeinander ausgerichtet werden, wobei dabei eine Skalierung und/oderRotation ausgeführtwird, dass dabei gleichzeitig die Ähnlichkeit berechnet wird,dass währendder Berechnung der Ähnlichkeitdie Ähnlichkeitsmaße entwederals Distanz- oder als Ähnlichkeitswertejeweils zwischen den Fällenso lange ermittelt werden, bis entweder ein Minimum der Distanzwerteoder ein Maximum der Ähnlichkeitswertevorhanden ist, dass aus den bestimmten Distanz- oder Ähnlichkeitswerten Mengen ähnlicherFälle gebildetund hierarchisch als Dendogramm geordnet werden und dass das Dendogrammdurch eine Vorgabe von Distanz- oder Ähnlichkeitswerten in Gruppenzerfälltund in den Gruppen jeweils ein Prototyp gewählt wird, wobei der Prototypentweder eine aus den Einzelformen der Gruppe gemittelte Form oderder Median der Gruppe der Einzelformen ist.
    [3] Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet,dass durch manuelles Abfahren von Kanten von auf dem Datensichtgerät dargestelltendigitalen Bild mit Fällenin Form sichtbarer äußerer und/oder innererKonturen mit einem handführbarenEingabegerätals mit einer Tastatur oder einer Maus geführtem Cursor des Bildschirmsund/oder als Lichtstift mit einem Photodetektor und/oder als Scannerund/oder als Stift und Scanner im Zusammenhang mit dem Datensichtgerät oder Stiftin Verbindung mit einem BerührungsbildschirmsDaten der Konturpunkte als x-, y-Koordinaten und/oder Grau- oderFarbwerte der Konturpunkte jeweils als Fällen zuordenbare Daten gewonnenwerden.
    [4] Verfahren nach den Patentansprüchen 1 und 3, dadurch gekennzeichnet,dass jeweils die abgefahrene Kontur und/oder Kante des Falles imBild auf einem oder dem Datensichtgerät dargestellt wird und dasseingeschlossene oder teilweise begrenzte Gebiete als Fälle gelabeltund/oder nicht gelabelt mit dem Datensichtgerät dargestellt sind.
    [5] Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet,dass das Dendogramm auf der Ähnlichkeitsskalaentsprechend entweder wenigstens einer festgelegten und damit automatischoder mindestens einer nutzerspezifischen Schwelle einmal geschnittenwird, so dass Gruppen entstehen, dass den Gruppen die Einzelformenzugeordnet werden, dass in den Gruppen jeweils ein Prototyp gewählt wird,wobei der Prototyp entweder eine aus den Einzelformen der Gruppegemittelte Form oder der Median der Gruppe der Einzelformen ist,dass die gemittelte Form oder der Median der Gruppe auf einem oderdem Datensichtgerätabgebildet wird und dass die Konturpunkte der gemittelten Form oderdes Medians als Datenmenge im Computer gespeichert werden.
    [6] Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet,dass eine Reduzierung der mit dem Abfahren der Kanten gewonnenenDaten und damit der Punkte als den sichtbaren äußeren und/oder inneren Konturendurch Interpolation mit einem Polynom erfolgt.
    [7] Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet,dass die Daten des Objektes so normiert werden, dass der Mittelpunktdes Objektes dem Koordinatenursprung 0, 0 entspricht.
    [8] Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet,dass aus der Falldatenbank ein Fallbild mit einer Fallbeschreibungausgewähltwird, wobei nachfolgend oder gleichzeitig eine Bildfolge als einePyramide mit Bildebenen des Fallbildes erzeugt wird, dass ein Gradientenbilddes aktuellen digitalen Bildes erzeugt und in eine Bildfolge alseine Pyramide mit Bildebenen überführt wird,dass das Fallbild sukzessive auf jedes Objektbild des Gradientenbildesbeginnend mit den höchstenBildebenen verschoben wird, wobei das Fallbild mit jedem Objektbilddes Gradientenbildes verglichen wird, dass das Fallbild auf dasObjektbild ausgerichtet wird, wobei dabei eine Skalierung und/oderRotation des Fallbildes ausgeführtwird, dass dabei gleichzeitig die Ähnlichkeit berechnet wird,dass währendder Berechnung der Ähnlichkeitdie Ähnlichkeitsmaße entwederals Distanz- oder als Ähnlichkeitswertejeweils zwischen dem Fallbild und dem Objektbild so lange ermitteltwerden, bis entweder ein Minimum der Distanzwerte oder ein Maximumder Ähnlichkeitswertevorhanden ist und dass der Grad der Übereinstimmung zwischen Fallbildund Objektbild durch das Ähnlichkeitsmaß so bestimmtist, dass der Grad der Übereinstimmungmit sinkendem Ähnlichkeitsmaß abnimmt unddas Objektbild ungleicher vom Fallbild wird.
    [9] Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet,dass übereine Kantendetektion der Objekte des digitalen Bildes das Gradientenbilderzeugt wird, dass große Änderungendes Grauwertes sowohl in vertikaler als auch in horizontaler Richtungjeweils Gradienten zugeordnet werden und dass homogenen Flächen keinGradient zugeordnet wird, so dass die homogenen Flächen schwarzsind.
    [10] Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet,dass aus sowohl dem Fall- als auch dem Objektbild jeweils ein Gradientenbildgebildet wird, dass diese Gradientenbilder jeweils in eine Bildfolgeals eine Pyramide mit Bildebenen überführt werden und dass sukzessivedie Richtungsvektoren in den Bildebenen jeweils des Fall- und desObjektbildes durch Produktbildung miteinander verglichen werden.
    [11] Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet,dass das Fallbild ein Prototyp aus den Einzelformen einer Gruppeentweder gemittelte Form oder der Median der Gruppe von Einzelfällen ist,wobei Gruppen Mengen ähnlicherals Dendogramm geordnete Einzelfällemit bestimmten Distanz- oder Ähnlichkeitswertensind, und der ähnlichsteFall den Zweig des Dendogramms bestimmt, oder dass das Fallbildein Einzelbild eines Falles ist.
    [12] Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet,dass der Richtungsvektor zwischen entweder zwei Punkten oder benachbartenPunkten der Kanten entweder bei dem Fallbild berechnet sind oder beidem Objektbild berechnet werden und dass während der Berechnung der Ähnlichkeitdie Ähnlichkeitsmaße als sowohlRichtungsvektoren als auch entweder als Distanz- oder als Ähnlichkeitswertejeweils zwischen dem Fallbild und dem Objektbild ermittelt werden.
    [13] Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet,dass übereinen Index die Fälleentsprechend der Ähnlichkeitsrelationenso in der Falldatenbank geordnet sind, dass aus einer Menge entwedervon Prototypen der ähnlichstePrototyp oder von Fällender ähnlichsteFall schnell zum Objekt im Bild gefunden werden kann.
    [14] Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet,dass die Berechnung der Ähnlichkeit
    [15] Verfahren nach den Patentansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet,dass der Grad der Übereinstimmungund damit die Gleichheit zwischen Fallbild und Objektbild durchdas Ähnlichkeitsmaß bestimmtist und einen Schwellwert darstellt und dass ein vom Fall ungleichesObjekt entweder abgelehnt oder als ein Fall mit dem Datensichtgerät dargestelltwird, so dass übereine manuelle Bestimmung und durch manuelles Abfahren von Kantenin Form sichtbarer äußerer und/oderinnerer Konturen mit dem handführbarenund mit dem Computer verbundenen Eingabegerät diesen Kanten und damit demFall zuordenbare Daten gewonnen werden und dem Dendogramm mit denbestimmten Fällenzugeordnet wird.
    [16] Computer-Programm-Produkt mit einem Programmcodezur Durchführungdes Verfahrens zur Akquisition von Formen aus Bildern mit Fällen undzum fallbasierten Erkennen von Objekten in digitalen Bildern nach einemder Ansprüche1 bis 15, wenn das Programm auf einem Rechner abläuft.
    [17] Computer-Programm-Produkt auf einem maschinenlesbarenTrägerzur Durchführungdes Verfahrens zur Akquisition von Formen aus Bildern mit Fällen undzum fallbasierten Erkennen von Objekten in digitalen Bildern nacheinem der Ansprüche1 bis 15, wenn das Programm auf einem Rechner abläuft.
    [18] Digitales Speichermedium nach einem der Ansprüche 1 bis15, die so mit einem programmierbaren Computersystem zusammenwirkenkönnen,dass Verfahren zur Akquisition von Formen aus Bildern mit Fällen undzum fallbasierten Erkennen von Objekten in digitalen Bildern nachAnspruch 1 ausgeführtwird.
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    同族专利:
    公开号 | 公开日
    DE102004018171B4|2006-12-21|
    引用文献:
    公开号 | 申请日 | 公开日 | 申请人 | 专利标题
    法律状态:
    2005-11-10| OP8| Request for examination as to paragraph 44 patent law|
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