Dickmanns and Wuensche 1986a (German): Wissensbasierte Fernsehbildfolgen-Verarbeitung mittels dynamischer Modelle im Digitalrechner wird als flexible zukuenftige Messmoeglichkeit fuer dynamische Prozesse vorgestellt. Das Prinzip wird anhand der Balance eines instabil gelagerten Stabes auf einem Elektrokarren demonstriert. Durch ein Redundanzkonzept fuer die Messung unter Verwendung des dynamischen Modells gekoppelt mit Vorwissen ueber das zu balancierende Objekt wird der Regelprozess merklich verbessert. Eigenfrequenzen des geschlossenen Kreises his 1 Hz wurden erzielt. Zukuenftige Anwendungen werden vor allem in der Robotik gesehen.

(English): Knowledge based processing of TV-image sequences using dynamical models in digital computers is shown to be a flexible future means to extract measurements from locomotive processes. The principle is demonstrated with an unstable inverted pendulum balanced by an electro cart. Introducing a redundancy concept for the measurements in connection with background knowledge on the dynamics of the process to be controlled leads to considerably improved closed loop behavior. Corner frequencies up to 1 Hz have been achieved. Future applications are seen mainly in the field of robotics.


1. Einfuehrende Uebersicht

Die Entwicklung hochintegrierter Schaltkreise hat einen Stand erreicht, dass eines der flexibelsten Messsysteme im organischen Bereich, das Auge / Hirn - System mit seinen weit gefaecherten Auspraegungen in den verschiedenen Arten von Lebewesen zumindest in einer primitiven Ausgangsform auch technisch realisierbar wird.
   Der eigentliche Sensor steht in Form von Fernsehkameras hereits in einiger technischer Reife zur Verfuegung, wenn auch zunaechst fuer einen anderen Zweck entwickelt und mit einer Signalverarbeitung ausgeruestet (Video), die fuer den vorliegenden Anwendungsbereich wahrscheinlich kein Optimum darstellt. Mit den heute verfuegbaren schnellen Analog / Digital - Wandlern koennen jedoch Digitalbilder in Echtzeit in Speicher gelesen werden. Dies geschieht als Grauwerte mit z.B. 8 bit Aufloesung. Die rechteckfoermigen Bildelemente (Pixel oder pel genannt nach der angelsaechsischen Kurzform fuer picture elements) koennen matrixartig zugeordnet werden; die digitale Aufloesung einiger hundert pel / Zeile und Zeilen / Bild ist heute Stand der Technik, auch bei kleinen robusten Halbleiter-Fernsehkameras (Volumen etwa 1/3 Liter, Masse etwa 1/2 kg). Diese schwarz / weiss - Sensoren liefern fuer das menschliche Auge passable Bildfolgen, die als kontinuierlicher Bewegungsablauf gesehen werden und z.B. menschliche Steuerungsaufgaben wie das Fuehren eines Fahrzeugs im Allgemeinen gestatten.
   Die Verarbeitung digitaler Bilder durch Digitalrechner ist in der Erderkundung relativ weit entwickelt. Hier handelt es sich um zeitunkritische Analysen von statischen Bildern mit meist sehr leistungsfaehigen Grossrechnern; die Rechenzeiten pro Bild summieren sich dabei auf Minuten oder Stunden, waehrend im (deutschen) Videotakt 40 ms pro Bild zur Verfuegung stehen. (Ein Fernsehbild wird aus 2 Halbbildern aufgebaut, wovon eines alle geraden, das zweite alle ungeraden Zeilenindizes umfasst; sie werden im 20 ms-Rhythmus versetzt geschrieben.) Der Eindruck kontinuierlicher Bewegung geht fuer den Menschen verloren, wenn weniger als jedes dritte Bild aus obiger 25 Hz Folge gezeigt wird. Da Systeme beherrscht werden sollen. die im Dynamikbereich des Menschen liegen, soll die Verarbeitungsfrequenz nicht kleiner als 8 Hz sein duerfen, d.h. mindestens alle 120 ms wird mit der Verarbeitung eines neuen Bildes begonnen. Die Gesamtverarbeitungsdauer pro Bild kann laenger sein, wenn mehrere Rechner nacheinander in verschiedenen Stufen einen Bilddatensatz auswerten (Pipeline-Prinzip). Da die Gesamttotzeit bei der Reglerauslegung beruecksichtigt werden muss, werden maximal zwei Bildzyklen als Verarbeitungsdauer zugelassen.
Damit sind einige wichtige Eckdaten gesetzt; vergleicht man hiermit die oben genannten Daten zur Erkundungs-Bildverarbeitung, so scheint die Lage zunaechst hoffnungslos. Allerdings ist das ,,piktoriale Sehen” etwas anderes als das ,,Bewegungssehen“: In der Entwicklung des menschlichen Gesichtssinns tritt ersteres zuletzt auf.