DE10017162C2 - Verfahren und Vorrichtung zur stroboskopischen Aufzeichnung und Wiedergabe von sich wiederholenden Vorgängen - Google Patents
Verfahren und Vorrichtung zur stroboskopischen Aufzeichnung und Wiedergabe von sich wiederholenden VorgängenInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur stroboskopischen Aufzeichnung
und Wiedergabe eines sich wiederholenden Vorganges, insbesondere sich bewegender
Stimmlippen (Larynx-Diagnostik) nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie dem
Oberbegriff des Anspruchs 10.
Stroboskopische Aufzeichnungen von sich periodisch oder auch nicht periodisch
wiederholenden Vorgängen können zum Beispiel dazu genutzt werden, die Vorgänge selbst zu
analysieren oder den Vorgängen überlagerte, langsamere Ereignisse zu beobachten. Hierzu
werden synchron zu den zu beobachtenden Vorgängen Aufnahmen gemacht mit dem Effekt,
dass das sich bewegende Objekt immer in der gleichen Phasenlage der Bewegung
aufgenommen wird und demzufolge unbeweglich erscheint. Annähernd periodische Vorgänge
können zudem mit stark verlangsamter Bewegung beobachtet werden, wenn die Aufnahmen mit
einer gegenüber der Momentanfrequenz des Vorganges leicht verschobenen Frequenz gemacht
werden.
Zur Untersuchung sich periodisch oder auch nicht periodisch wiederholender Vorgänge mit
Hilfe des stroboskopischen Effektes sind zur Zeit zwei verschiedene Technologien bekannt und
realisiert.
Dabei handelt es sich einerseits um die Erzeugung von Lichtblitzen, die das zu beobachtende
Objekt synchron zu seiner Bewegung für sehr kurze Zeit beleuchten und andererseits um die
Unterbrechung des Licht-Strahlenganges einer Dauerlichtquelle mit Hilfe eines so genannten
Shutters, der den Lichtweg zwischen Dauerlichtquelle und beobachtetem Objekt oder zwischen
dem beobachteten Objekt und dem Beobachter synchron zur Bewegung des zu beobachtenden
Objektes unterbricht.
Da die vorliegende Erfindung insbesondere aber nicht ausschließlich auf die Verwendung für
die Larynx-Diagnostik abzielt, beruhen auch die folgenden Erläuterungen zum großen Teil auf
Beispielen aus diesem Gebiet. Mit Larynx-Diagnostik ist hier die Untersuchung der
Stimmlippen bzw. Stimmbänder eines Patienten gemeint. Dazu gehört insbesondere die
Analyse der bewegten Stimmlippen mit Hilfe des stroboskopischen Effektes.
Bei heutigen Blitzlicht-Stroboskopen lassen sich die Lichtblitze in Abhängigkeit von der
Stimme des Patienten auslösen. Zu diesem Zweck wird ein Mikrofon in der Nähe des Patienten,
meist in der Nähe des Kehlkopfes, angeordnet. Eine herkömmliche Kamera, üblicherweise eine
CCD-Kamera, nimmt dabei unabhängig von der Stimme die bewegten Stimmbänder auf.
Mit Hilfe einer Schaltung werden Lichtblitze so ausgelöst, daß die bewegten Stimmlippen
immer nur dann beleuchtet werden, wenn die Stimmlippen einen bestimmten Öffnungszustand
(eine bestimmte Phase) erreicht haben. Zur Darstellung unbeweglicher Stimmlippen wird
immer beim gleichen Öffnungszustand geblitzt. Für eine stark verlangsamte Bewegung wird die
Phase der Lichtblitze mit jeder Stimm-Grundfrequenzperiode minimal verschoben.
Da die Lichtblitze heutiger Blitzlichtstroboskope nur durch bestimmte Phasenzustände der
Stimm-Grundwelle ausgelöst werden, ist die Beleuchtung bei nicht annähernd periodisch
intonierten Tönen oder ohne Stimmintonation sehr flackernd oder nicht möglich. Aus diesem
Grunde besitzen herkömmliche Blitzlichtstroboskope neben der Blitzlichtlampe für die
Vibrationsanalyse eine zusätzliche Dauerlichtlampe, die der stimmunabhängigen Beleuchtung
dient. Die Verwendung dieser beiden Lampen ergibt folgendes Problem für die Diagnose der
Stimmlippen:
Die Blitzlichtlampe ist vom XENON-Typ für unterbrochenes kaltes Licht hoher Leistung, während die Dauerlichtlampe ununterbrochenes Licht geringerer Leistung liefert. Meistens ist die Dauerlichtlampe vom HALOGEN-Typ, manchmal vom XENON-Typ (anders als Blitzlicht- XENON). Aufgrund dieser unterschiedlichen Technologien beleuchten beide Lampen die Stimmlippen mit Licht unterschiedlicher Farbtemperatur. Die dadurch entstehenden unterschiedlichen Bilder der Stimmbänder sind eine Quelle für Probleme bei der Diagnose.
Die Blitzlichtlampe ist vom XENON-Typ für unterbrochenes kaltes Licht hoher Leistung, während die Dauerlichtlampe ununterbrochenes Licht geringerer Leistung liefert. Meistens ist die Dauerlichtlampe vom HALOGEN-Typ, manchmal vom XENON-Typ (anders als Blitzlicht- XENON). Aufgrund dieser unterschiedlichen Technologien beleuchten beide Lampen die Stimmlippen mit Licht unterschiedlicher Farbtemperatur. Die dadurch entstehenden unterschiedlichen Bilder der Stimmbänder sind eine Quelle für Probleme bei der Diagnose.
Zur teilweisen Kompensation dieser Farbtemperaturprobleme werden in der Praxis bereits
elektronische Kompensationsschaltungen eingesetzt, die den Kostenaufwand weiter erhöhen.
Außerdem kommen Farbfilter vor den Lampen zum Einsatz, die die Farbtemperaturen
angleichen sollen. Die Umschaltvorgänge zwischen Blitzlicht und Dauerlicht beim Einsetzen
oder Aussetzen der Stimme führen jedoch prinzipiell zu erheblichem und störendem Flackern
des Videobildes. Da die bei CCD-Kameras übliche Helligkeitsregelung nicht das Blitzlicht
beeinflussen und deshalb in Schwingungen geraten kann, wird diese auch beim Einschalten des
Blitzlichtes abgeschaltet, was zu zusätzlichen Überblendungen des Bildes führen kann. Die
Untersuchung gerade von Patienten, die nur sehr kurz intonieren können, wird durch diese
Bildstörungen behindert und stellt auch für den untersuchenden Arzt eine Belastung dar.
Blitzlichtlampen haben außerdem gegenüber Dauerlichtlampen nur einen Bruchteil der
Lebensdauer und verursachen gegenüber heutigen Halogen-Dauerlichtlampen mehr als das
Zehnfache der Kosten.
Ein weiterer Nachteil ist die nicht exakt vorhersagbare Länge der einzelnen Blitze. Dadurch
entstehen auch bei periodischen Vorgängen grundsätzlich zumindest leicht flackernde Bilder.
Zur Vermeidung der Nachteile der Blitzlichtstroboskopie, Farbverfälschungen, erhöhter
Aufwand, Flackern, sind beispielsweise aus DE 43 09 353 C2 oder EP 0 865 759 A1 Vorrichtungen
bekannt, die den stroboskopischen Effekt mit dauerhafter Beleuchtung aber
durch Ansteuerung eines elektronischen Verschlusses (Shutter) einer Videokamera erzeugen in
Abhängigkeit von der Grundfrequenz des zu beobachtenden sich annähernd periodisch
bewegendes Objekt. Für die Durchführung der sogenannten
Larynx-Diagnostik wird ebenfalls ein Mikrofon in der Nähe des Patienten, meist in der Nähe
des Kehlkopfes, angeordnet. Zur Beobachtung anderer sich periodisch oder nicht periodisch
wiederholender Vorgänge sind auch andere Sensoren denkbar, die zur Grundwelle synchrone
elektrische Ausgangssignale liefern.
Heutige Videokameras liefern ein in Bilder und/oder Halbbilder unterteiltes, sequentielles
Videosignal mit im kontinuierlichen Betrieb der Videokamera fester Bild- bzw.
Halbbildfrequenz. Im Folgenden wird zwischen Bildern und Halbbildern nicht unterschieden,
da diese Differenzierung für die vorliegende Erfindung nicht von Bedeutung ist. An Stelle
dieser beiden Begriffe wird im Folgenden die Bezeichnung Bildperiode verwendet, womit die
Zeit zwischen dem Beginn eines Vertikal-Synchronsignals und dem darauf folgenden Vertikal-
Synchronsignal der verwendeten Videonorm gemeint ist. Der Begriff Bild bezeichnet im
Folgenden die Bildinformationen, die beim Auslesen des Bildsensors am Ausgang des
Bildsensors anliegen.
Bildsensoren in Videokameras weisen eine Vielzahl von Bildsegmenten auf, die während einer
Belichtungszeit die einfallende Lichtintensität aufintegrieren. Am Ende einer Belichtungszeit
übergeben die Bildsegmente die Informationen über die aufintegrierten Lichtintensitäten parallel
an einen Zwischenspeicher, der im Folgenden als Hintergrundspeicher bezeichnet wird. Bis die
nächsten Lichtintensitäten von den Bildsegmenten an den Zwischenspeicher übergeben werden,
wird dieser ausgelesen und das Videosignal erzeugt. Die Belichtungszeit der Bildsegmente ist
bei herkömmlichen Kameras mit der Bildfrequenz der Kamera synchronisiert. Das Ende der
Belichtungszeit, die maximal die Dauer einer Bildperiode hat, fällt dabei mit dem Ende der
jeweiligen Bildperiode TV sowohl der Bildsegmente als auch des Hintergrundspeichers
zusammen.
Zur Erzeugung des stroboskopischen Effektes unter Dauerlicht und mit einer Videokamera ist
es möglich, den elektronischen Verschluss herkömmlicher Bildsensoren an Stelle des
Blitzlichtes synchron zum zu beobachtenden Vorgang zu öffnen und zu schliessen.
Die Vorrichtungen aus DE 43 09 353 C2 sowie EP 0 865 759 A1 führen je eine Belichtung pro
Auslesevorgang des Bildsensors durch. Die Vorrichtung aus DE 43 09 353 C2 führt das
Auslesen des Bildsensors synchron zur Bildfrequenz der Kamera durch, während die
Vorrichtung aus EP 0 865 759 A1 das Auslesen des Bildsensors direkt nach der Belichtung, also
nicht synchron zur Bildperiode der Kamera, sondern synchron zur Grundwelle des sich
wiederholenden Vorgangs durchführt. Letztere erfordert demzufolge einen zusätzlichen
Aufwand von getrenntem Schreib- und Lese-Speicher, die das zur Kamera nicht synchrone
Videosignal in die verwendete Videonorm umwandelt.
Bei beiden Vorrichtungen aus DE 43 09 353 C2 sowie EP 0 865 759 A1 führt die Begrenzung
auf genau eine Belichtung zu erheblichen Anforderungen an die Lichtleistung der verwendeten
Beleuchtung.
Einen weiteren Versuch, die Nachteile der heutigen Blitzlicht-Stroboskopie zu überwinden,
stellen die von der Firma ALPHATRON, Rotterdam, Niederlande, angebotenen Larynx-
Stroboskope (z. B. www.dpmedicalsys.com) dar, die mit Dauerlichtquellen arbeiten.
Die ALPHATRON-Geräte weisen aber folgende Nachteile auf:
- - die Notwendigkeit einer sehr leistungsstarken Dauerlichtquelle (heutige ALPHATRON- Stroboskope verfügen über 300 Watt XENON-Lichtquellen),
- - des gegenüber HALOGEN-Lampen oder schwächeren XENON-Lampen höhere Preis, der höhere Leistungsverbrauch sowie größere Masse und größeres Volumen der leistungsstarken XENON-Lichtquellen,
- - Flackern beim Ein- und Aussetzen der Stimme vermutlich durch fehlende Triggersignale während der Umschaltvorgänge zwischen Stroboskopbetrieb ohne Triggersignale und Stroboskopbetrieb mit Triggersignalen.
Eine Vorrichtung und ein Verfahren zur insbesondere Larynx-Stroboskopie mit kontinuierlicher
Ausleuchtung ist ebenfalls einem Prospekt "Ent Endoscopy" der Anmelderin zu entnehmen,
der auf der Messe MEDICA '99 im November 1999 ausgelegt wurde. Dem Prospekt ist zu
entnehmen, dass der stroboskopische Effekt in einen CCD-Sensor verlagert wird. Detaillierte
Angaben über die Verfahrensweise und den Aufbau der Vorrichtung sind dem Prospekt nicht zu
entnehmen.
Der Erfindung liegt das Problem zu Grunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung der zuvor
genannten Art dahingegend weiterzubilden, dass die Bildqualität, insbesondere deren Helligkeit
und Schärfe verbessert wird bei gleichzeitig geringerem Beleuchtungsaufwand. Außerdem
sollen die bei allen bisher bekannten Vorrichtungen auftretenden Bildstörungen wie Flackern
und Überblendungen beim Umschalten zwischen Stroboskop- und normalem Kamerabetrieb
beseitigt werden.
Das Problem wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen des
Patentanspruchs 1 sowie durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 10 gelöst.
Erfindungsgemäß wird der Bildsensor selbst zum Zwischenspeichern der Bildinformation sowie
Aufintegrieren (Addieren) der Bildinformationen aus mehreren aufeinanderfolgenden
Belichtungen im Bildsensor selbst nutzbar gemacht. Im Vergleich zum Stand der Technik sind
durch diese neue Technologie mehrere zum Phänomen synchrone Belichtungen vor dem
Auslesen eines Bildes aus dem Sensor möglich.
Gemäß einer besonders bevorzugten Verfahrensweise ist vorgesehen, dass die aufgenommenen
Bildinformationen während der ersten Bildperiode n-fach mit n < 1 in dem Hintergrundspeicher
aufaddiert und abgespeichert werden, wobei die in dem Hintergrundspeicher abgespeicherte
Bildinformationssumme als Reaktion auf eine folgende, zweite Bildperiode ausgelesen wird.
Dabei ergeben sich zum Beispiel für die Videonorm PAL mit einer Bildperiode von 20 ms und
dem Extremfall der Grundfrequenz des Vorgangs F = 1 kHz bzw. der Grundperiode 1 ms
zwanzig synchrone Belichtungen, bevor einmal ausgelesen wird. Das bedeutet für gleiche
Länge einer einzelnen Belichtung, also auch gleiches Tastverhältnis und gleiche Bildschärfe,
wie bei FR 2 761 171 A1 (EP 0865 759 A1) oder DE 43 09 353 C1, das Zwanzigfache der
Helligkeit. Relativ tiefe Frequenzen wie F = 100 Hz (T = 10 ms) ergeben z. B. im Falle von
PAL immer noch um das Doppelte der Helligkeit, da hier noch zweimal belichtet werden kann
an Stelle von nur einer
Belichtung.
Bei einer weiteren bevorzugten Verfahrensweise ist vorgesehen, dass die aufgenommenen
Bildinformationen während mehrerer Bildperioden n-fach, mit n < 1 in den Hintergrundspeicher
aufaddiert und abgespeichert werden, wobei die in dem Hintergrundspeicher abgespeicherte
Bildinformationssumme als Reaktion auf das Ende des n-ten Abspeichervorganges ausgelesen
wird. Dadurch ergibt sich grundsätzlich die frequenzunabhängigen-fache Helligkeit bei gleicher
Bildschärfe im Vergleich zu EP 0 865 759 A1 oder DE 43 09 353 C2.
Des Weiteren ist vorgesehen, dass die Helligkeit der Bilder des Videosignals oder der aus dem
Hintergrundspeicher ausgelesenen Bildinformationssummen gemessen wird, wobei die
gemessene Helligkeit mit einer vorgegebenen, gewünschten Helligkeit verglichen wird und
wobei in Abhängigkeit des Vergleichs eine Gesamtbelichtungszeit aller zwischen zwei
Auslösevorgängen des Bildsensors durchzuführenden Belichtungen festgelegt wird. Gemäß
einer weiteren erfindungsgemäßen Verfahrensweise werden die Belichtungszeiten der einzelnen
zu addierenden Bildinformtionen in Abhängigkeit von der festgelegten Gesamtbelichtungszeit
und einer von dem Vorgang abgeleiteten Momentanfrequenz variiert. Als besonders vorteilhaft
hat sich erwiesen, dass die tatsächliche Gesamtbelichtungszeit gemessen und mit der
festgelegten Gesamtbelichtungszeit verglichen wird, wobei der Beginn einer Belichtung sowie
der folgenden Aufsummier- und Abspeichervorgänge gesperrt wird, wenn die festgelegte
Gesamtbelichtungszeit erreicht wurde und die Sperrung der Belichtung und der anschließenden
Additions- und Abspeichervorgänge aufgehoben wird, sobald der nächste Auslesevorgng des
Hintergrundspeichers beendet wird. Mit tatsächlicher Gesamtbelichtungszeit zu einem
bestimmten Zeitpunkt ist hier sowie im Folgenden die Summe aller Belichtungszeiten der
Belichtungen gemeint, die seit dem vorhergehenden Auslesevorgang des Bildsensors bis zum
aktuellen Zeitpunkt durchgeführt wurden. Die zusätzlichen Schaltungen zur
Bildhelligkeitsmessung und Berechnung der Belichtungszeiten der einzelnen
aufzuintegrierenden Belichtungen ermöglichen konstante Helligkeit sowie Schärfe unabhängig
von der Stimmfrequenz.
Eine weitere besonders bevorzugte Verfahrensweise zeichnet sich dadurch aus, dass die
Triggerimpulse synchron oder asynchron zu dem Vorgang oder unabhängig von dem Vorgang
erzeugt werden, so dass die festgelegte Gesamtbelichtungszeit erreicht wird. Gegenüber dem
ALPHATRON-Gerät entfällt aufgrund des hier vorgeschlagenen Verfahrens, das auch bei
fehlenden oder aperiodischen Stimmlippenvibrationen die gewünschte Gesamtbelichtungszeit
garantiert, das erhebliche Flackern beim Einsetzen oder Aussetzen der Stimme bzw. bei
aperiodischen Stimmen.
Die wesentlich erhöhte Helligkeit trotz gleicher Beleuchtung bedeutet, dass unter Verwendung
dieser Technologie die erforderliche Beleuchtungsleistung höchstens ein Zwanzigstel bei
gleicher Bildschärfe wie bei EP 0 865 759 A1 oder PS DE 43 09 353 C2 beträgt. Diese
Verminderung der erforderlichen Lichtleistung ermöglicht die Verwendung von 150-Watt-
HALOGEN-Lampen als Dauerlichtbeleuchtung für die stroboskopische Diagnose der
vibrierenden Stimmlippen auch bei höheren Frequenzen bis zu 1 kHz.
Im Vergleich zum bisherigen Stand der Technik liefert das in dieser Erfindung beschriebene
Verfahren sowie die zugehörige Vorrichtung stets gleich helle, flacker-freie Bilder, was eine
wesentliche Erleichterung für den untersuchenden Arzt darstellt.
Weitere Einzelheiten, Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich, nicht aus den
Ansprüchen, den diesen zu entnehmenden Merkmalen - für sich und/oder in Kombination -,
sondern auch aus der nachfolgenden Beschreibung eines der Zeichnung zu entnehmenden
bevorzugten Ausführungsbeispieles.
Es zeigen:
Fig. 1 einen schematischen Aufbau einer Vorrichtung für die stroboskopische
Aufzeichnung und Wiedergabe von sich wiederholenden Vorgängen,
Fig. 2 ein Zeitdiagramm einer Ausführungsform mit Signalen der Vorrichtung gemäß
Fig. 1.
Fig. 3 ein Zeitdiagramm einer zweiten Ausführungsform mit Signalen der Vorrichtung
gemäß Fig. 1.
Fig. 1 zeigt rein schematisch den Aufbau einer Vorrichtung 10 für die stroboskopische
Aufzeichnung und Wiedergabe von Bildern eines sich wiederholenden Vorgangs 12, der im
beschriebenen Ausführungsbeispiel durch die Bewegung von Stimmbändern dargestellt wird.
Die Vorrichtung 10 umfasst eine Dauerlichtquelle 14 zur Beleuchtung des zu beobachtenden
Vorgangs 12, der von einem Bildsensor 16 mit Bildsegmenten 17 und einem
Hintergrundspeicher 18 aufgezeichnet wird. Der Bildsensor 16 ist mit einer Wandlereinheit 20
verbunden, die aus dem Hintergrundspeicher 18 des Bildsensors 16 ausgelesene
Bildinformationen in ein Videosignal SVideo umwandelt. Das Videosignal wird gemäß
Ausführungsbeispiel einer Speichereinrichtung 22 zugeführt, die mit einem Monitor 24 zur
Anzeige der aufgezeichneten Bilder verbunden ist. Des Weiteren ist die Speichereinheit 22 mit
einer Ausleseeinrichtung 26 verbunden, mit der die in der Speichereinrichtung 22 abgelegten
Videosignale ausgelesen werden können.
Ferner umfasst die Vorrichtung 10 eine Steuereinrichtung 28 zur Steuerung des Bildsensors 16,
die eingangsseitig mit einer Triggereinrichtung 30, einer Frequenzmesseinrichtung 32 sowie
einer Helligkeitsmesseinrichtung 34 verbunden ist. Die Triggereinrichtung dient zur Erzeugung
von sich synchron zu dem genannten Vorgang 12 verhaltenden Impulsen STrigger, die der
Steuereinrichtung 28 zugeführt werden. Dazu umfasst die Triggereinrichtung 30 zur Aufnahme
von von den Stimmbändern (nicht dargestellt) erzeugten Schallwellen ein Mikrofon 36, das mit
einer Signalverarbeitungseinrichtung 38 verbunden ist, um das Triggersignal STrigger zur
Verfügung zu stellen.
Durch die Frequenzmesseinrichtung 32 wird die Momentanfrequenz der Grundwelle des zu
beobachtenden sich nahezu periodisch wiederholenden Vorgangs ermittelt und der
Steuereinrichtung 28 zugeführt.
Die Steuereinrichtung 28 selbst umfasst eine Belichtungssteuerung 40 zur Steuerung der
Belichtungszeiten des Bildsensors 16, eine Additionssteuerung 42 zur Addition von durch die
Bildsegmente des Bildsensors 16 aufgenommenen Bildinformationen zu den im
Hintergrundspeicher 18 bereits befindlichen Bildinformationen, eine Speichersteuerung 44 zur
Speicherung Bildinformationssummen in den Hintergrundspeicher 18 sowie eine Lese-
/Löschsteuerung 46 zum Auslesen des Hintergrundspeichers 18 und damit verbundenen
Löschen des Hintergrundspeichers 18.
Durch die Helligkeitsmesseinrichtung 34 ist die Möglichkeit gegeben, die Helligkeit der Bilder
des von dem Bildsensor und/oder der Wandlereinrichtung 20 abgegebenen Videosignals zu
messen, die mit einer voreingestellten gewünschten Helligkeit verglichen wird und wobei in
Abhängigkeit des Vergleichs der gemessenen Helligkeit mit der gewünschten Helligkeit eine
Gesamtbelichtungszeit aller bis zum nächsten Auslesevorgang des Bildsensors 16 zu
akkumulierenden Bilder festgelegt wird.
Mit Hilfe der von der Frequenzmesseinrichtung 32 gemessenen Momentanfrequenz des
Vorganges sowie des von der Helligkeitsmesseinrichtung 34 aufgenommenen Signals werden in
Abhängigkeit von der festgelegten Gesamtbelichtungszeit und der Momentanfrequenz des
Vorgangs die Belichtungszeiten der einzelnen zu akkumulierenden Bilder variiert. Mit Hilfe des
Verfahrens nach Anspruch 17 wird der Bildsensor 16 derart angesteuert, dass auch bei fehlenden
oder nicht periodischen Vorgängen die zuvor festgelegte Gesamtbelichtungszeit innerhalb des
aktuellen Bildes erreicht wird, indem zusätzliche Belichtungen ausgelöst werden, die auch
asynchron zum Vorgang sein können.
Ferner weist die Steuereinrichtung eine Zeitmesseinheit 48 zur Messung der bisherigen
tatsächlichen Gesamtbelichtungszeit innerhalb des aktuellen Bildes auf, um festzustellen, ob die
von der Helligkeitsmesseinrichtung 34 festgelegte gewünschte Gesamtbelichtungszeit bereits
nach dem vorhergehenden Auslesevorgang des Bildsensors erreicht wurde. Wenn die
festgelegte gewünschte Gesamtbelichtungszeit erreicht wurde, werden alle folgenden
Belichtungen und Aufsummier- und Abspeichervorgänge solange gesperrt, bis der nächste
Auslesevorgang des Hintergrundspeichers 18 des Bildsensors 16 beendet ist.
Die Speichereinrichtung 22 dient dazu, dass von der Wandlereinrichtung 20 gelieferte
Videosignal SVideo zu speichern, während der Hintergrundspeicher des Bildsensors ausgelesen
wird, und zwar unabhängig vom Beginn der Belichtung des Bildsensors, unabhängig von der
Triggervorrichtung 30 sowie unabhängig von der Bildhelligkeit, und das gespeicherte
Videosignal auszugeben während der Bildperioden, in denen der Hintergrundspeicher des
Bildsensors nicht ausgelesen wird.
Die mit der Speichereinrichtung 22 verbundene Steuereinrichtung 26 dient zur Steuerung des
mit den Bildperioden abwechselnden Abspeicherns und Auslesens der in dem Speicher
enthaltenen Bildinformationen.
Die Funktion der Vorrichtung 10 soll nachfolgend anhand der Zeitsignale zweier Beispiele
gemäß Fig. 2 sowie Fig. 3 erläutert werden.
Fig. 2 gibt die Zeitsignale einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung
wieder, wobei das Auslesen aus dem Hintergrundspeicher bildsynchron aber nicht
stimmsynchron erfolgt. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass der Bildsensor 16 dazu
verwendet wird, die Bildinformationen aus mehreren aufeinander folgenden Belichtungen im
Bildsensor 16 selbst aufzuaddieren und im Hintergrundspeicher abzuspeichern. Der Bildsensor
16 mit Hintergrundspeicher 18 wird mit der Bildperiode TV betrieben, wobei als Bildperiode die
Zeit zwischen zwei Vertikal-Synchron-Impulsen der verwendeten Videonorm, z. B. PAL oder
NTSC, zu verstehen ist. Zur Aufnahme eines Bildes werden zwei Bildperioden benötigt. Zu
Beginn der ersten Bildperiode sind sowohl alle Bildsegmente 17 als auch der
Hintergrundspeicher 18 des Bildsensors 16 gelöscht. Das von der Triggereinrichtung 30
erzeugte Triggersignal STrigger kann innerhalb der ersten Bildperiode mehrere Belichtungen
auslösen. Hierzu wird von der Belichtungssteuerung 40 ein Signal SShutter erzeugt, mit dem ein
elektronischer Shutter zu- bzw. aufgesteuert werden kann. Am Ende jeder Einzelbelichtungszeit
werden durch das Signal SADD./SPEICHERN der Addiersteuerung 42, der Belichtungssensor sowie
der Hintergrundspeicher 18 derart angesteuert, dass neue Bildinformationen in den
Bildsegmenten auf die bis dahin in dem Hintergrundspeicher 18 abgelegten Bildinformationen
aufaddiert und anschließend wieder im Hintergrundspeicher 18 mittels der Speichersteuerung
44 abgespeichert werden.
Die Zeitmesseinrichtung 48 stellt fest, wann die von der Helligkeitsmesseinrichtung 34
festgelegte Gesamtbelichtungszeit erreicht wurde. Die Zeitmesseinrichtung 48 sowie die von
der Steuereinheit 28 variierten individuellen Belichtungszeiten sind so eingestellt, dass, im Falle
eines periodischen zu beobachtenden Vorgangs, die von der Helligkeitsmesseinrichtung 34
festgelegte Gesamtbelichtungszeit immer in der ersten Bildperiode erreicht wird. Die genannten
Einrichtungen sind weiterhin so eingestellt, dass die für den Fall eines fehlenden oder nicht
periodischen Vorgangs zusätzlich ausgelösten Belichtungen ebenfalls die von der
Helligkeitsmesseinrichtung 34 festgelegte Gesamtbelichtungszeit immer in der ersten
Bildperiode erreichen. Sobald die von der Helligkeitsmesseinrichtung 34 festgelegte
Gesamtbelichtungszeit erreicht wurde, werden weitere Belichtungen gesperrt. In der folgenden
zweiten Bildperiode werden die Bildinformationen aus dem Hintergrundspeicher 18 des
Bildsensors 16 ausgelesen. Eine, zum Beispiel ebenfalls in der Steuereinrichtung 28 vorhandene
weitere Zeitmesseinrichtung hebt die Sperrung der Belichtungen auf, sobald genug Zeit für das
Auslesen vergangen ist.
Ein Vorteil dieser erfindungsgemäßen Verfahrensweise ist darin zu sehen, dass mehrere zum
Vorgang synchrone Belichtungen, die aus der Stimmgrundwelle SGrund abgeleitet werden, vor
dem Auslesen eines Bildes aus dem Bildsensor 16 möglich sind. Im Extremfall beispielsweise
bei einer Stimmgrundwelle mit der Frequenz F = 1 kHz und einer Periode von 1 ms und
beispielsweise für die Videonorm PAL mit einer Bildperiode TV = 20 ms, passen 20
Belichtungen in eine Integrationszeit. Alle Belichtungen werden durch die Addiersteuerung 42
sowie die Speichersteuerung 44 miteinander addiert, bevor der Hintergrundspeicher 18 des
Bildsensors 16 mittels der Auslese-/Löschsteuerung 46 ausgelesen wird. Insgesamt wird damit
für gleiche Länge einer einzelnen Belichtung, also auch gleiches Tastverhältnis und gleiche
Bildschärfe, das zwanzigfache der Helligkeit erreicht. Auch bei relativ tiefen Frequenzen wie
beispielsweise F = 100 Hz ergeben sich bei einer Videonorm PAL immer noch im Vergleich
zum Stand der Technik doppelte Helligkeitswerte, da hier noch zweimal belichtet werden kann.
Da in diesem Beispiel der Bildsensor immer nur in jedem zweiten Halbbild ausgelesen wird, ist
auch jedes zweite Bild am Ausgang der Bildverarbeitungseinrichtung 20 leer. Dieses Problem
wird durch die angeschlossene Speichereinrichtung 22 gelöst, die jedes nicht leere Bild
abspeichert. Die Speichereinrichtung 22 wird außerdem so von der Speichersteuerung 26
angesteuert, dass die leeren Bilder durch zuvor abgespeicherte Bilder ersetzt werden.
Fig. 3 gibt die Zeitsignale einer Ausführungsform der erfundenen Vorrichtung nach Anspruch 3
wieder. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass der Bildsensor 16 dazu verwendet wird, die
Bildinformationen aus mehreren aufeinander folgenden Belichtungen im Bildsensor 16 selbst
aufzuaddieren und im Hintergrundspeicher abzuspeichern. Der Bildsensor 16 mit
Hintergrundspeicher 18 wird nicht synchron zur Bildperiode der verwendeten Videonorm
sondern synchron zum beobachteten Vorgang betrieben.
Die Anzahl der für eine Aufnahme benötigten Bildperioden der verwendeten Videonorm ist
variabel. Wie im voranstehenden Beispiel sind auch in diesem Ausführungsbeispiel zu Beginn
einer Aufzeichnung sowohl alle Bildsegmente 17 als auch der Hintergrundspeicher 18 des
Bildsensors 16 gelöscht. Die Vorrichtung ist zum Beispiel so eingestellt, dass das von der
Triggereinrichtung 30 erzeugte Triggersignal STrigger zunächst genau 4 mal eine Belichtung
auslöst. Hierzu wird von der Belichtungssteuerung 40 ein Signal SShutter erzeugt, mit dem ein
elektronischer Shutter zu- bzw. aufgesteuert werden kann. Am Ende jeder Belichtungszeit
werden durch das Signal SADD./SPEICHERN der Addiersteuerung 42, der Belichtungssensor sowie
der Hintergrundspeicher 18 derart angesteuert, dass neue Bildinformationen in den
Bildsegmenten auf die bis dahin in den Hintergrundspeicher 18 abgelegten Bildinformationen
aufaddiert und anschließend wieder im Hintergrundspeicher 18 mittels der Speichersteuerung
44 abgespeichert werden. Wenn die gewünschte Anzahl Belichtungen von hier zum Beispiel
vier erreicht wurde, werden weitere Belichtungen gesperrt. Anschließend liest die
Ausleseeinrichtung 46 den Hintergrundspeicher 18 des Bildsensors 16 aus und hinterlässt den
Hintergrundspeicher wie im Ausgangszustand gelöscht.
In diesem Beispiel ergibt sich das Problem, dass die aus dem Bildsensor ausgelesenen
Bildinformationen nicht der verwendeten Videonorm entsprechen, da die Bildinformationen
nicht synchron mit der Bildperiode ausgelesen werden. An Stelle der Speichereinrichtung 22
sowie der Speichersteuerung 26 werden hier ein Speicher und eine Speichersteuerung
eingesetzt,
die in der Lage sind, die nicht normgerechten Bildinformationen zwischenzuspeichern und
normgerecht, synchron zur Bildperiode der verwendeten Videonorm auszugeben.
Ein Vorteil dieser Verwendung der Erfindung besteht darin, dass wie im vorherigen
Ausführungsbeispiel mehrere zum Vorgang synchrone Belichtungen durchgeführt werden
können. Außerdem erlaubt das stimmsynchrone Auslesen des Bildsensors 16 verbunden mit
mehreren Belichtungen, auch über einen Zeitraum von einer oder mehreren Bildperioden
hinweg, die Optimierung des Kompromisses zwischen Bildhelligkeit, Bildwiederholrate sowie
Bildschärfe.
Bei der vorangegangenen Beschreibung wurde der Fall der optischen Darstellung der
Stimmbänder in unbeweglicher Position in Betracht gezogen, aber wie beim früheren Stand der
Technik ist es möglich, die verlangsamte Bewegung der Stimmbänder zu filmen, indem der
Beginn der Belichtungszeit des Bildsensors im Verhältnis zum Gipfel oder einem anderen
eingestellten Trigger-Pegel der Sinuskurve geringfügig verschoben wird.
Analog dazu ermöglicht die Bildaufnahmevorrichtung, die Gegenstand dieser Erfindung ist, die
optische Darstellung jedes wiederkehrenden Phänomens, auch wenn dieses aperiodisch ist,
wobei das Signalverarbeitungsmodul in diesem Falle dazu in der Lage ist, das Eintreten des
genannten Phänomens zu markieren, um in diesem Moment einen Impuls zu erzeugen, der die
Steuerung der Belichtung des Bildsensors nach sich zieht.
Claims (17)
1. Verfahren zur stroboskopischen Aufzeichnung und Wiedergabe von Bildern eines sich
wiederholenden Vorgangs (12), insbesondere sich bewegender Stimmlippen (Larynx-
Diagnostik), umfassend die Verfahrensschritte:
- - Beleuchten des zu beobachtenden Vorgangs (12) mit einer Dauerlichtquelle (14),
- - Erzeugen von Triggerimpulsen STrigger zur Auslösung von Belichtungen zur Aufzeichnung von Bildinformationen des Vorgangs (12) mit einem Bildsensor (16),
- - Addieren der Bildinformationen aus mehreren aufeinanderfolgenden Belichtun gen in einem Hintergrundspeicher des Bildsensors (16) zur Bildung von Bildinformationssummen,
- - Speichern der so erhaltenen Bildinformationssummen in dem Hintergrund speicher (18) des Bildsensors (16),
- - Auslesen und Löschen des Hintergrundspeichers (18),
- - Verarbeitung der Bildinformationssummen zu einem Videosignal.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass die aufgenommenen Bildinformationen von n Belichtungen mit n < 1 während einer
ersten Bildperiode in dem Hintergrundspeicher aufaddiert und abgespeichert werden,
wobei die in dem Hintergrundspeicher abgespeicherte Bildinformationssumme als
Reaktion auf den Beginn einer darauf folgenden, zweiten Bildperiode ausgelesen wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass die aufgenommenen Bildinformationen von n Belichtungen mit n < 1 während
mehrerer Bildperioden in dem Hintergrundspeicher aufaddiert und, abgespeichert
werden, wobei die in dem Hintergrundspeicher abgespeicherte Bildinformationssumme
als Reaktion auf das Ende des n-ten Abspeichervorganges ausgelesen wird.
4. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Helligkeit der Bilder des Videosignals oder der aus dem Hintergrundspeicher
ausgelesenen Bildinformationssummen gemessen wird, dass die gemessene Helligkeit
mit einer vorgegebenen, gewünschten Helligkeit verglichen wird und dass in Abhängig
keit des Vergleichs eine Gesamtbelichtungszeit aller zwischen zwei Auslesevorgängen
des Bildsensors (16) durchzuführenden Belichtungen festgelegt wird.
5. Verfahren nach zumindest einem der vorherigen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Belichtungszeiten der einzelnen zu addierenden Bildinformationen in Ab
hängigkeit von der festgelegten Gesamtbelichtungszeit und einer von dem Vorgang
abgeleiteten Momentanfrequenz variiert werden.
6. Verfahren nach zumindest einem der vorherigen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass bei fehlenden oder nicht periodischen Vorgängen zusätzliche Belichtungen ausge
löst werden, um die festgelegte Gesamtbelichtungszeit des aktuellen Bildes zu erreichen.
7. Verfahren nach zumindest einem der vorherigen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass die tatsächliche Gesamtbelichtungszeit gemessen wird und mit der festgelegten
Gesamtbelichtungszeit verglichen wird, dass der Beginn einer Belichtung sowie der
folgenden Aufsummier- und Abspeichervorgänge gesperrt wird, wenn die festgelegte
Gesamtbelichtungszeit erreicht wurde und die Sperrung der Belichtung und der
anschließenden Additions- und Abspeichervorgänge aufgehoben wird, sobald der
nächste Auslesevorgang des Hintergrundspeichers beendet ist.
8. Verfahren nach zumindest einem der vorherigen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Triggerimpulse STrigger synchron oder asynchron zu dem Vorgang oder unabhän
gig von dem Vorgang erzeugt werden, so dass die festgelegte Gesamtbelichtungszeit
erreicht wird.
9. Verfahren nach zumindest einem der vorherigen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Triggerimpulse STrigger aus der Grundwelle des periodischen oder nahezu
periodischen Vorgangs abgeleitet werden.
10. Vorrichtung (10) für die stroboskopische Aufzeichnung und Wiedergabe von Bildern
eines sich wiederholenden Vorgangs (12), insbesondere sich bewegender Stimmlippen
(Larynx-Diagnostik), umfassend
eine Dauerlichtquelle (14) zur Beleuchtung des zu beobachtenden Vorgangs (12),
eine Triggereinrichtung (30) zur Erzeugung von Triggerimpulsen,
einen Bildsensor (16) mit Bildsegmenten (17),
eine Steuereinrichtung (28) mit einer Belichtungssteuerung (40), einer Ad ditionssteuerung (42), einer Speichersteuerung (44) sowie einer Lese-/Lösch steuerung (46), wobei mittels der Belichtungssteuerung (40) der Beginn einer Belichtung der Bildsegmente (17) als Reaktion auf mindestens einen der Triggerimpulse sowie das Ende der Belichtung nach einer eingestellten Belich tungszeit steuerbar ist,
einen Hintergrundspeicher (18), in dem mittels der Additions-/Speichersteue rung (42, 44) Bildinformationen addierbar und/oder speicherbar sind, wobei als Reaktion auf das Ende einer Belichtungszeit die als Ergebnis der Belichtung auf der Oberfläche des Bildsensors (16) in den Bildsegmenten (17) akkumulierten Bildinformationen auf die bis dahin im Hintergrundspeicher (18) des Bildsensors (16) abgespeicherten Bildinformationssummen aufaddiert werden,
eine mit dem Bildsensor (16) verbundene Wandlereinrichtung (20), die die aus dem Hintergrundspeicher (18) des Bildsensors (16) ausgelesenen Bildinformationen in ein Videosignal SVideo umwandelt.
eine Dauerlichtquelle (14) zur Beleuchtung des zu beobachtenden Vorgangs (12),
eine Triggereinrichtung (30) zur Erzeugung von Triggerimpulsen,
einen Bildsensor (16) mit Bildsegmenten (17),
eine Steuereinrichtung (28) mit einer Belichtungssteuerung (40), einer Ad ditionssteuerung (42), einer Speichersteuerung (44) sowie einer Lese-/Lösch steuerung (46), wobei mittels der Belichtungssteuerung (40) der Beginn einer Belichtung der Bildsegmente (17) als Reaktion auf mindestens einen der Triggerimpulse sowie das Ende der Belichtung nach einer eingestellten Belich tungszeit steuerbar ist,
einen Hintergrundspeicher (18), in dem mittels der Additions-/Speichersteue rung (42, 44) Bildinformationen addierbar und/oder speicherbar sind, wobei als Reaktion auf das Ende einer Belichtungszeit die als Ergebnis der Belichtung auf der Oberfläche des Bildsensors (16) in den Bildsegmenten (17) akkumulierten Bildinformationen auf die bis dahin im Hintergrundspeicher (18) des Bildsensors (16) abgespeicherten Bildinformationssummen aufaddiert werden,
eine mit dem Bildsensor (16) verbundene Wandlereinrichtung (20), die die aus dem Hintergrundspeicher (18) des Bildsensors (16) ausgelesenen Bildinformationen in ein Videosignal SVideo umwandelt.
11. Vorrichtung nach Anspruch 10,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Vorrichtung (10) eine Helligkeitsmesseinrichtung (34) zur Messung der
Helligkeit der Bilder des Videosignals SVideo oder der aus dem Hintergrundspeicher
ausgelesenen Bildinformationssummen aufweist, wobei in Abhängigkeit von der gemes
senen Helligkeit des Bildes die Gesamtbelichtungszeit aller zu addierenden Bild
informationen festgelegt wird.
12. Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Vorrichtung (10) eine Frequenzmesseinrichtung (32) zur Ermittlung der Mo
mentanfrequenz der Grundwelle des zu beobachtenden, sich momentan annähernden
periodisch wiederholenden Vorgangs (12) enthält.
13. Vorrichtung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Steuereinheit (28) eingangsseitig mit der Helligkeitsmesseinrichtung (34) sowie
mit der Frequenzmesseinrichtung (32) verbunden ist, wobei in Abhängigkeit von der
festgelegten Gesamtbelichtungszeit und von der gemessenen Momentanfrequenz des
Vorganges die einzelnen Belichtungszeiten der zu addierenden Bildinformationen
variiert werden.
14. Vorrichtung nach zumindest einem der zuvor genannten Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Steuereinheit (28) eine Zeitmesseinrichtung (48) zum Ermitteln der tatsäch
lichen Gesamtbelichtungszeit für ein aktuelles Bild aufweist.
15. Vorrichtung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Vorrichtung eine Speichereinrichtung (22) zur Speicherung des Videosignals
SVideo aufweist, wobei die Speichereinrichtung (22) mindestens die innerhalb einer
Bildperiode TV des Bildsensors (16) ausgelesenen Bildinformationen abspeichert.
16. Vorrichtung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Vorrichtung (10) Einrichtungen (26) enthält, die in der Lage sind, abwechselnd
mit jedem Bild
die Speichereinrichtungen (22) auszulesen und das gelesene Videosignal an den Ausgang zu geben und/oder
das von der Wandlereinheit (20) abgegebene Videosignal SVideo direkt an den Ausgang zu geben.
mit jedem Bild
die Speichereinrichtungen (22) auszulesen und das gelesene Videosignal an den Ausgang zu geben und/oder
das von der Wandlereinheit (20) abgegebene Videosignal SVideo direkt an den Ausgang zu geben.
17. Vorrichtung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Triggereinrichtung (30) ein Mikrofon (36) für die Umwandlung von akku
stischen Vibrationen des Vorgangs (12) in elektrische Schwingungen aufweist und dass
die Triggereinrichtung (30) eine Signalverarbeitungseinrichtung (38) beinhaltet, die an
das Mikrofon (36) angeschlossen ist und eine Anlayse der elektrischen Schwingungen
ermöglicht, um in jeder Periode der elektrischen Schwingungen einen Triggerimpuls
auszulösen.
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