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A. Technische Beschreibung der Erfindung
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( ) zeigt ein Modell eines Pixelfeldes, dass beispielhaft mit Scharz-Weiß-Feldern belegt ist (schwarz = Graustufenwert = 1/weiß = Graustufenwert = 0). Die Pixelfelder „1” sind im gezeigten Modell quadratisch ausgebildet. Jedes Pixelfeld enthält entsprechend der anvisierten Auflösungsverstärkung entsprechend viele (z. B. 2 hoch 4 = 16) Pixelsegmente „2”. Die in der Bildaufnahmenfolge zu versetzende Rasterschrittweite „3” ergibt sich aus der anvisierten Auflösungsverstärkung.
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Der technische Stand der Bildverarbeitung von Digitalfotos ist primär technisch begrenzt durch die aktuell erzielbare Auflösung bzw. Pixelanzahl. Eine Digitalkamera mit einer Pixelanzahl von 12 Millionen Pixel erzeugt für eine Fläche von 12 mm2 eine Auflösung von 1 μm2. Die Auswertungs- bzw. Bildfläche für eine hochwertige Auflösung ist technisch begrenzt und dies ist für die technische Anwendung auch dann noch der Fall, wenn die erzielbare Pixelanzahl infolge der weitergehenden Entwicklungen z. B. 120 oder 500 Millionen Pixel sein sollte.
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Die Erfindung hat zum Ansatz, unabhängig zum technischen Stand der aktuell realisierbaren Auflösung bzw. Pixelanzahl z. B. von Digitalkameras oder Overhead-Scannern, eine entscheidende Auflösungsverstärkung zu ermöglichen, indem das hochwertige Auflösungsergebnis bzw. das Bildergebnis mathematisch erzeugt wird.
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Wesentliche Voraussetzungen zur zielführenden, mathematischen Bildverarbeitung im Sinn der Erfindung ist hierbei eine umfassende Werte- bzw. Gradientenauswertung der Pixelfelder „1” bzw. der Pixelsegmente „2”, die zusätzlich auch noch über Filter optimiert werden kann. Die der Erfindung zugrunde liegende Werte- bzw. Gradientenauswertung des jeweiligen Pixels „1” hinsichtlich seiner eingeschlossenen Pixelsegmente „2” und damit des gesamten, interessierenden Pixelgesamt- bzw Objektfeldes beruht auf mehrfacher Bilderzeugung des Objektfeldes, wobei sich die notwendigen Reihen- bzw. besser beschreibend die Matrixbilder zur Erzeugung der Matrixbilderfolge eindeutig in enger Toleranz zueinander definiert sind über eine geometrisch definierte, ausreichend genaue Versetzung. Diese Versetzung bzw. Rasterschrittweite „3” bezieht sich auf die geometrische Dimension der Ausgangs-Pixelgröße der Pixel „1”. In den hier vorgestellten Pixelmodellen wird modellseitig von einer quadratischen Grundform des Pixels ausgegangen. Diese Modellform eignet sich bestens hinsichtlich der vollständigen nicht überdeckenden Flächenabdeckung des Gesamtbildes und die Rasterschrittweite „3” bei einer 2-dimensionalen Rasteranalyse erfolgt im Regelfall vorteilhaft bei betragsmäßig identischer Schrittweite und rechtwinkliger Zuordnung der 2 Rasterschrittweitenachsen bzw. der hochauflösenden Stellachsen.
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Der Pixelwert des Pixels links oben in hat z. B. den Wert (4 × 1)/16 = 0,25. Dieser Wert würde auch den im Pixel eingeschlossenen Pixelsegmenten entsprechend zugeordnet.
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Ein Bild mit Pixeln, deren angenommene Pixel-Abmessung z. B. 16 × 16 μm beträgt, könnte erfindungsgemäß beispielhaft (s. ) mittels X-Y Rasterschrittweite „3” von jeweils 4 μm auf eine mathematisch auswertbare Pixel-Abmessung von 4 × 4 μm2 hin erfasst und anschließend berechnend erzeugt werden.
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Die Rasterschrittweite „3” eines 2 dimensionalen Digitalfotobildes im μm Bereich ist vorteilhaft z. B. zu erzeugen über die definierte translatorische Versetzung z. B. der Digitalkamera mittels eines X-Y Tisches, der mittels angesteuerter Piezo-Aktoren hochgenau definiert positioniert wird im Zuge der notwendigen Matrixbilddatenerfassungfolge.
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Die Kombination der Potentiale optischer, hochauflösender, bilderzeugender Systeme mit den Potentialen der verfügbaren Piezo-Nano-Positionierung oder Linearantriebstechnik und der Potentiale der EDV zur Verarbeitung riesiger Datenmengen quasi auf low-cost Basis sind die wesentlichen Ideen-Ansätze dieser Erfindung.
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Die Setzung der anvisierten Pixelfeldgröße und damit die Erhöhung der auswertbaren Bildauflösung wird umgesetzt durch die mittels Piezo-Nano-Systemen o. ä. Systemtechnik erzeugbaren, definierten, höherwertig auflösenden Schrittweiten bzw. Matrixpositionen. Die möglichen Auflösungsverstärkungen liegen im exponentiellen Bereich. Der Verstärkungsfaktor liegt bei 2 dimensionalen Bilden exponentiell gerechnet zur Basis 2 in der exponentiellen Größenordnung von 2, 4, 6, 8, 10 etc. (z. B.: 2 hoch 8 = 256 als anvisierter Auflösungs-Verstärkungsfaktor).
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Anstelle Piezosystemen zur Relativ-Versetzung können ggf. auch Linearantriebe mit entsprechender Auflösungs- und Positioniergenauigkeit eingesetzt werden.
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Die Technik lässt sich auch umsetzen im Zuge der dreidimensionalen Bilddatenerfassung bzw. -erzeugung, wo dreidimensionale Objekte aus mindestens 2 räumlich zueinander definierten Hauptpositionen heraus zweidimensional abbildungstechnisch erfasst werden.
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Bekannte Technologien der Subpixelauswertung werden sich erübrigen bzw. können ggf. vorteilhaft zusätzlich ergänzend genutzt werden.
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Ein großer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass das erfasste Objekt- bzw. Pixel-Gesamtbild gesamtheitlich pixelsegmentseitig gerastert matrixmäßig aufgenommen wird. Die externe Versetzung der Relativposition von Objekt und Erfassungsgerät ist bei einer translatorisch gerasterten Parallelverschiebung des Sensorsystems zum Objekt für alle sensorisch erfassten Pixel identisch und die Werte des pixel- und versetzungspositionsbezogenen Bildanteils gelten für alle im jeweiligen Pixel „1” eingeschlossenen Pixelsegmente „2”. Nach Abschluß der Matrixbilddatenerfassungsfolge liegt eine flächig positionsbezogen gerastert erfasste Werte- bzw. Gradientenzuordnung der Pixelwerte des Gesamtbildes vor, die es mathematisch erlaubt, die Wertung der jeweiligen Pixelsegmente „2” vorzunehmen. Bei einer Auflösungsverstärkung mit dem Faktor 16:1 gehen (s. ) bis zu 16 Pixelaufnahmen in die Einzelbewertung des jeweiligen Pixelsegmentes „2” ein. Die stellt von den entsprechenden 16 Pixelpositionen entsprechend der Rasterschrittweite „3” die 4 Pixelpositionen dar, wo das unterlegt dargestellte Pixelsegment vom versetzten Pixel an der Modellkante gerade noch mit eingeschlossen erfasst wird.
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Bei einer Auflösungsverstärkung von z. B. 16:1 gehen 16 definiert versetzte Pixelaufnahmen in die Berechnung des entsprechenden Pixelsegmentes mit ein. Bei einer anvisierten Auflösungsverstärkung von 64:1 stehen entsprechend 64 Pixelaufnahmen zur Berechnung des jeweiligen Pixelsegmentes zur Verfügung. Inwieweit diese mathematische 1:1 Relation zwischen der Anzahl an Funktionswerten und Unbekannten technisch umgesetzt werden kann, werden die praktischen Umsetzungen ausweisen.
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Eine technische Umsetzung (s. ) besteht z. B. in einer Anordnung eines feststehenden Objektes und einer Digitalkamera, wobei die Digitalkamera vorteilhaft normal zur optischen Mittelachse translatorisch zustellbar auf einem z. B. Piezo X-Y Tisch angeordnet ist. Die Kamera erfasst die gerastert erfassten Matrixbilddaten des Objektes an den entsprechenden, definierten Positionen, deren Versetzung sich in der Dimension der zu rasternden Pixelgröße entsprechend des anvisierten Verstärkungsfaktors bewegt. Für den trivialen Betrachter bewegt sich die Kamera nicht, da die Rasterschrittweite z. B. im μm- oder im nanno-Bereich gemäß der Dimension der zu rasternden Pixel stattfindet.
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Die bereits aktuell verfügbaren Systemanteile wie Piezo-Meßtisch und Digitalkamera und Rechner ermöglichen Bild- und entsprechende Positionssequenzen, die eine auflösungsverstärkte Bildauswertung gemäß der Erfindung auch bei ggf. hunderten von notwendigen Bildern in geringer Zeitspanne ermöglichen. Sofern trotz der geringen Erfassungszeiten Fehlereinflüsse aufgrund physikalischer Einflußparameter wie bei bewegten Objekten, der Umgebungsbedingungen: Temperatur und Luftfeuchtigkeit, Lichtschwankungen oder externer Schwingungserreger gegeben sein sollten, müssten diese verursachungsbezogen möglichst abgestellt werden oder erfasst und kompensiert werden, soweit dies technisch möglich ist.
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Auch hochgenaue Positions-Drehachsen sind als hochauflösende Stellglieder zur Rasterungspositionierung ggf. vorteilhaft bzw. zusätzlich zur translatorischen Rasterungspositionierung denkbar.
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Auch Scannersysteme mit Zeilenkameras bzw. zeilenmäßig angebrachten Sensorelementen können erfindungsgemäß zur 2-dimensional gerasterten Matrixbilddatenerfassung (s. ) geeignet sein. Dabei erfaßt die Sensorleiste erfindungsgemäß versetzt mit beschriebener Rasterschrittweite „3” mehrfach das Objekt. Die Wiederholgenauigkeit des mehrfachen Scannens muß hierbei geometrisch auf sehr hohem Niveau stattfinden, da sich Positionsabweichungen während der Datenerfassung direkt auf die Qualität des Bildergebnisses auswirken.
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Wenn die Zeilenkamera z. B. gemäß eines Flachbett-Scanners ein Bild aufnimmt, besteht in Vorschubrichtung der Scannersensorleiste die Möglichkeit Pixeldaten mit stark reduzierter Rasterschrittweite, entsprechend den Linearvorschubweg vermessend bzw. getriggert, aufzunehmen. Im Extremfall könnten hierbei die Daten der Pixelmeßwerte sogar, quasi als Film, kontinuierlich mit Positionszuordnung positionsdefiniert erfasst werden.
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Eine pragmatische Flachbett-Scannerlösung mit anvisiertem Auflösungsverstärkungsfaktor 4 wäre eine Lösung, wo eine doppelte Sensorleiste das Objekt abscannen würde, wobei die 2 Sensorleisten um die entsprechende Rasterschrittweite „3” (= halbes Pixelmaß) zueinander versetzt montiert wären. In Vorschubrichtung würde ebenfalls diese Rasterschrittweite Werte erfassend umzusetzen sein. Die anschließende mathematische Auflösungsverstärkungsberechnung würde kostengünstige Scanner ermöglichen mit einem 4-fachen Auflösungsvermögen zum technischen Stand. Die Sensorleisten sind Massenprodukte, die prozesssicher in hoher Qualität produziert werden.
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Scannersysteme auf Basis 2-dimensional erfassender Sensorsysteme wie flächig erfassender Digitalkameras haben gegenüber eindimensional erfassenden Zeilenkameras prinzipiell den Vorteil, dass diese das 2-dimensional zu erfassende Objektfeld gesamtheitlich erfassen und die relative Rasterversetzung „3” zwischen Kamera und Objekt viel einfacher auf hohem Niveau 2-dimensional in der Dimension der Pixelabmessung technisch umgesetzt werden kann.
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Auch bei Digitalkameras kann pragmatisch auf bestehenden Systemen aufsetzend entsprechend der erfindungsgemäßen Matrixbilddatenanalyse z. B. ein vierfacher oder 16-facher Aüflösungsverstärkungsfaktor im Gerät selbst integriert angedacht werden z. B. für Stativaufnahmen feststehender Objekte. Die 2-dimensionale erfindungsgemäße Versetzung um die entsprechende Rasterschrittweite könnte mit geeigneten Stellgliedern z. B. mit Piezo-Stellgliedern am Bildsensor der Kamera erfolgen.
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Der Fall, dass analog erstellte hochaufgelöste Fotos anschließend mittels der erfindungsgemäßen Digitaldatenverarbeitung ausgewertet werden, um z. B. störende physikalische Größen, wie die Objektgeschwindigkeit zu eliminieren, oder Mikroskopaufnahmen oder Blitzlichtaufnahmen zu vermessen o. ä. Anwendungen sind technisch sinnvolle Optionen.
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Die Kombinationsmöglichkeiten der erfindungsgemäßen „Pixelinternen-Raster-Analyse” mit anderen Meßwerterfassungssystemen sind in vielfältigster Weise denkbar. Dies betrifft übergeordnet ausgedrückt taktil und nicht taktil aufnehmende Meßverfahren.
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Interessante Entwicklungspotentiale sind insbesondere bei Kombinationen mit den aktuellen oder auch zukünftigen Technologien zu erwarten, wo prinzipiell hochgenaue Auswertungspotentiale bestehen, wie bei aktuellen Systemen der Laserinterferometrie, der bisher üblichen hochauflösenden Digitalkameratechnologie, der Mikroskopie, der taktilen Messtechnik etc.
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Entsprechende Datenauswertungsstrategien gemäß der Erfindung außerhalb des Wellenbereichs des sichtbaren Lichtes, insbesondere wenn 2 dimensionale Sensordaten vorliegen, wie bei Ultraschall, Röntgen, UV oder Schichtaufnahmen erzeugende Systemlösungen sind erfindungsgemäß ebenfalls mit einbezogen.
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Die gerasterte Datenerfassung der Matrixbilddaten gemäß der Erfindung ist die notwendige Grundlage zur anschließenden mathematischen Verarbeitung der Bilddaten. Auch hierauf möchte ich aufgrund Ihres Stellenwertes im Rahmen dieser Ausführungen eingehen.
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Eine wesentliche erfindungsgemäße Idee der mathematischen Bearbeitung der sensorisch erfassten, gescannten Pixeldaten wird folgend beschrieben.
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In ist ein auszuwertendes Pixelgesamtfeld „4” beispielhaft auf Basis von Grauwerten gezeigt. Die Frage ist, wie es auf Basis des gezeigten Pixelfeldmodells (entsprechend „1”) möglich ist, z. B. weiße Pixelsegmente (entsprechend „2”) eingerahmt in schwarzen Pixelsegmenten eindeutig zu identifizieren.
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Die Lösung (s. ) wird erfindungsgemäß durch zusätzlich künstlich gesetzte, definierte „Gradienten-Referenz-Zeilen und -Spalten” ermöglicht zur „gerichteten Werte- bzw. Gradientenberechnung”. Diese Setzung erfolgt vorteilhaft am Rand des 2-dimensional positionierten Datenmaterials.
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Dieser Eingriff erlaubt es erfindungsgemäß hohe Auflösungsverstärkungsfaktoren mathematisch umzusetzen. In ist gezeigt, wie mittels der gerichteten Auswertung aus Bereichen der künstlich gesetzten, (z. B. Wert „a” = 0) werteseitig definierten Pixelsegmentbereiche heraus jedes Pixelsegment des interessierenden Datenbereichs gerichtet (z. B. Spalte für Spalte) berechnet werden kann. Wenn z. B. 15 Pixelsegmentfelder bereits wertemässig bakannt sind, kann das 16. gesuchte Pixelfeld aufgrund der erfindungsgemäß erfassten Pixeldaten eindeutig bestimmt werden. Es kann von jeder Bildrandseite aus entsprechend gerichtet gerechnet werden. Hierbei zu ermittelnde Unterschiede könnten ggf. gemittelt verrechnet werden.
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Die Datenverarbeitung von Bildmaterial erfolgt häufig auf Basis von Pixel-Grauwerten, da diese Auswertungsart vielen technischen Anwendungen genügt.
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Eine „Grauwertkontrastspreizung” ist eine erste Maßnahme zur besseren Kontrasterzeugung von Bildmaterial. Die angedachte Grauwertkontrastspreizung erfolgt derart, dass Pixelgrauwerte unterhalb eines Grenzwertes als weiß, d. h. Grauwert = 0 vorteilhaft (= „Weißwertabgleich”) definiert werden können. Der oberste ermittelte Pixelgrauwert kann zusätzlich als schwarz, d. h. Grauwert = 1 vorteilhaft (= „Schwarzwertabgleich”) definiert werden. Anschließend können alle dazwischen liegend erfassten Grauwerte mathematisch entsprechend gespreizt gewichtet (= „gewichtete Grauwerte”) berechnet werden. Diese Anwendung erlaubt es, mengenmäßig mehr weiße und schwarze Pixelfelder mathematisch zu erzeugen, als in der Datenerhebung direkt existent sind. Die reproduzierbare Menge der weißen und schwarzen Pixel im Pixelgesamtbild können qualitativ bedeutend sein im Rahmen der anschließend möglichen Gradientenbewertung der Pixelsegmente „2”. Mathematisch und auswertungsergebnisorieniert kann der Fall vorteilhaft genutzt werden, dass alle Pixelsegmente eines weiß oder schwarz gemessenen Pixels in einer Zwischendatei als weiß oder schwarz fixiert festgehalten werden („Pixelsegment-Fixwertsetzung”) und mit diesem Wert in den Berechnungen berücksichtigt werden quasi als wertemäßige Stützpunkte in der „gerichteten Gradientenberechnung”.
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Zudem ermöglicht das Verfahren der Grauwertkontrastspreizung Bildmaterial mit geringen Grauwertunterschieden auswertungstechnisch stärker zu differenzieren.
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Da die erfindungsgemäß erzeugten Matrixbilddaten auch außerhalb der Grauwerterfassung oder des optisch sichtbaren Wellenbereiches auswertungsrelevant sein können, ist die Verarbeitung in definierten, gefilterten Wellenlängenbereichen denkbar. Derartige „wellenlängenspektrumselektierte Datenmengen” können einzeln, quasi in einzelnen Auswertungsszenarien, getrennt ausgewertet werden und anschließend ggf. wieder zielgerichtet zum anvisierten mathematisch erzeugten Auswertungsergebnis zusammengeführt werden. Die beschriebene Grauwertkontrastspreizung kann als Mittel des wellenlängenspektrumselektierten Auswertungsszenarios ggf. wiederum zielführend zusätzlich genutzt werden.
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Eine zusätzliche Option für die „wellenlängenspektrumselektierte Farbfotobearbeitung” ist die, dass die nach dem erfindungsgemäßen Scannen vorliegenden farbbestimmenden Digitalbilddaten in den Farbanteilen z. B. des CMYK-Formates (Cyan-Magenta-Yellow-Black) aufgesplittet separat datentechnisch bzw. mathematisch erfindungsgemäß verarbeitet und abschließend zielführend zum auswertungstechnisch hochwertigen Endergebnis zusammengefügt werden.
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Die umfänglich anfallenden Bilddaten benötigen einen entsprechend großen Speicherplatz. Diese Datenmenge kann ggf. sinnvoll und reproduzierbar stark reduziert werden, indem zu einer definierten, absolut erfassten Referenz-Datenzeile und oder -Datenspalte alle weiteren Matrixbilddaten gradientenmäßig, ausgerichtet zu den beschriebenen Referenzwerten „Referenz-Gradienten-Dateiformat” datentechnisch abgespeichert werden. Da die Gradientenwerte > oder = oder < 0 sind, ist es sinnvoll 2 Gradientenebenen zu bilden für die entsprechenden Pixeldatenwerte. Die positiven und negativen Gradienten werden jeweils in einer separaten Datenebene adressiert abgelegt.
