DE102012213870B4 - Verfahren und Vorrichtung zur Kompression von Daten eines vorbestimmten Gesamtvolumens - Google Patents

Abstract

Verfahren zur Kompression von Daten, wobei die Daten durch Abtasten eines bestimmten Gesamtvolumens (10) mit diskreten Raumelementen durch ein elektromagnetische Signale dreidimensional fokussierendes Messverfahren ermittelt werden und für jedes abgetastete Raumelement (11) mit bestimmten Koordinaten (x, y, z) ein Datenelement (17) mit einem Datenwert mit folgenden Verfahrensschritten erzeugt wird:- Ermitteln eines ersten Datenelements (12) unter allen Datenelementen mit einer festen ersten und zweiten Koordinate (xn,ym) und beliebiger dritter Koordinate (z) des Gesamtvolumens (10), das einen maximalen Datenwert des Datenelements aufweist, für jede erste und zweite Koordinate (xn,ym) des Gesamtvolumens (10),- Speichern der dritten Koordinate (Zmax) (13) des ersten Datenelements (12) für jede erste und zweite Koordinate (xn,ym) und- Speichern des zugehörigen Datenwerts (14) des ersten Datenelements (12) für jede erste und zweite Koordinate (xn,ym), wobei zusätzlich eine Anzahl k von zweiten Datenwerten (15), die in den k aufeinanderfolgenden Datenelementen in Richtung der dritten Koordinate (z) direkt vor dem ersten Datenelement (12) liegen, und eine Anzahl 1 von dritten Datenwerten (16), die in den aufeinanderfolgenden 1 Datenelementen in Richtung der dritten Koordinate (z) direkt hinter dem ersten Datenelement (12) liegen, für jede erste und zweite Koordinate (xn,ym) ermittelt, übertragen und zur Rekonstruktion verwendet werden.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren, eine Vorrichtung, ein Speichermedium sowie ein Computerprogramm zur Kompression von Daten, wobei die Daten durch Abtasten eines vorbestimmten Gesamtvolumens durch ein dreidimensional fokussierendes Messverfahren mit elektromagnetischen Signalen ermittelt werden.
• Aktive multistatische Antennenanordnungen im Millimeter- und Mikrowellenbereich erlangen zunehmend Bedeutung durch ihre vielfältigen Einsatzmöglichkeiten im medizinischen und im industriellen Bereich. Solche Antennenanordnungen umfassen eine Vielzahl von einzelnen Sende- und Empfangsantennen, wobei hintereinander jeweils eine Antenne ein Signal aussendet und das vom Objekt reflektierte Signal von allen Empfangsantennen empfangen wird. Dabei werden sowohl die Intensität bzw. Amplitude als auch die Phase des empfangenen Signals gemessen.
• In der DE 10 2009 040 450 A1 ist eine solche Antennenanordnung zur Detektion eines verhüllten Objekts an einem menschlichen Körper, ein sogenannter Körperscanner, beschrieben. Dabei wird das ausgesendete Mikrowellensignal am menschlichen Körper aufgrund dessen hohen Wassergehalts und somit hohen Permittivität nahezu total reflektiert. Ein auf dem Körper angeordnetes dielektrisches Objekt reflektiert dagegen aufgrund seiner niedrigeren Permittivität lediglich einen Teil des Signals an der Vorderseite des Objekts, ein weiterer Teil des Signals wird an der Rückseite des Objekts an der Grenzfläche zum menschlichen Körper reflektiert. Durch beispielsweise einen digitalen Strahlformungs-Algorithmus (digital beamforming) wird aus den gemessenen Signalen auf die entsprechenden Objektpunkte zurückgerechnet, die die empfangenen Signale reflektiert haben, und eine dreidimensionale Abbildung des gesamten Körpers erstellt.
• Dabei wird pro gescanntes Raumelement (Voxel) mindestens ein Datenelement mit jeweils mindestens einem Datenwert erzeugt. Bei einer Auflösung von beispielsweise 513 x 1025 x 127 Raumelementen und einer räumlichen Ausdehnung eines Raumelements von 0,19cm x 0,19cm x 0,78 cm wird ein Volumen von ca. 98 cm x 195 cm x 34 cm gescannt, in nahezu 67 Millionen Raumelementen aufgelöst und die gleiche Anzahl von Datenelementen erzeugt.
• Diese Daten müssen einerseits gespeichert, aber auch an eine Verarbeitungseinheit über eine Datenverbindung übertragen werden. Diese hohe Anzahl an Datenelementen pro gescanntes Objekt führt zu hohen Übertragungszeiten der Daten und einem hohen Speicherbedarf, insbesondere Festspeicherbedarf sowie zu langen Lade- bzw. Anzeigezeiten.
• In der US 5,295,488 A ist offenbart, dass für Voxeln mit jeweils fester x- und y-Koordinate der maximale Datenwert in z-Richtung gesucht wird. Des Weiteren wird der maximale Datenwert in z-Richtung für alle festen (x, y)-Werte im Speicher abgelegt. Ähnlicher Stand der Technik ist auch aus der US 2007/0038085 A1 und folgendem Artikel bekannt: W. B. Lindquist: „Medial Axis Analysis of Three Dimensional BiPhase Images“, Online Manual, September 30, 1999, State University of New York, Department of Applied Mathematics and Statistics. Dieser Artikel ist online verfügbar unter: http://www.ams.sunysb.edu./~lindquis/3dma/man_3dma/manual/ manual.html.
• Es ist somit die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu schaffen, in dem bzw. der die hohe Anzahl an Datenelementen in einfacher Weise erheblich reduziert werden und aus den reduzierten Datenelementen wieder die ursprüngliche Anzahl an Datenelementen, wenn auch eventuell etwas verlustbehaftet, rekonstruiert werden kann.
• Die Aufgabe wird durch ein erfindungsgemäßes Verfahren gemäß Anspruch 1 und eine erfindungsgemäße Vorrichtung gemäß Anspruch 12 gelöst. In den Unteransprüchen sind vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sowie der Vorrichtung, ein digitales Speichermedium und ein Computerprogramm enthalten.
• In dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Kompression von Daten werden Daten durch Abtasten eines bestimmten Gesamtvolumens mit diskreten Raumelementen durch ein Messverfahren, das elektromagnetische Signale dreidimensional fokussiert, ermittelt. Für jedes abgetastete Raumelement mit bestimmten Koordinaten (x, y, z) wird ein Datenelement V (x, y, z) mit jeweils einem Datenwert erzeugt. Zuerst wird ein erstes Datenelement unter allen Datenelementen mit einer festen ersten und zweiten Koordinate (x_n,y_m) und beliebiger dritten Koordinate (z) ermittelt, das einen maximalen Datenwert D_max des Datenelements aufweist. Nachfolgend wird die dritte Koordinate z_max des ersten Datenelements sowie der Datenwert des ersten Datenelements für jede erste und zweite Koordinate (x_n,y_m) gespeichert.
• Diese komprimierten Daten können dann optional übertragen werden und aus den übertragenen Datenelementen kann für jedes Raumelement des Gesamtvolumens wieder vorzugsweise ein Datenelement rekonstruiert werden.
• Dieses Verfahren beruht auf der Erkenntnis, dass die Lage der informationstragenden Schichten in Richtung der dritten Koordinate, beispielsweise durch die maximalen Intensitätswerte, Amplitudenwerte und/oder Phasenwerte, in Richtung der dritten Koordinate eines Volumens, hinreichend genau approximiert werden können. Somit genügt es für eine gute Rekonstruktion, lediglich die Lage in Richtung der dritten Koordinate sowie beispielsweise die Intensitätswerte der entsprechenden Datenelemente zu übertragen, um ausreichend Information über die Oberfläche des gescannten Objekts zu ermitteln. Dabei wird die zu übertragende bzw. zu speichernde Datenmenge stark reduziert und somit die Übertragungszeit verkürzt und der Speicherplatzbedarf sowie die Lade- und Anzeigezeit der entsprechenden Abbildungen verkürzt.
• Es ist erfindungsgemäß und von großem Vorteil, wenn zusätzlich eine Anzahl k von zweiten Datenwerten, die in den k aufeinanderfolgenden Datenelementen, die in Richtung der dritten Koordinate direkt vor dem ersten Datenelement liegen, und eine Anzahl 1 von dritten Datenwerten, die in den aufeinanderfolgenden 1 Datenelementen in Richtung der dritten Koordinate direkt hinter dem ersten Datenelement liegen, für jede erste und zweite Koordinate der dritten Koordinate ermittelt, übertragen und zur Rekonstruktion verwendet werden. Durch diese zusätzlichen zweiten und dritten Datenwerte können bei entsprechender Wahl der Anzahl k und 1 nahezu alle informationstragenden Datenelemente berücksichtigt und übertragen werden, sodass beruhend auf diesen Datenelementen eine Abbildung erzeugt werden kann, die alle relevanten Messdaten umfasst. Neben der Oberfläche einer gescannten Person sind nun auch darauf befindliche, verhüllte Objekte abbildbar.
• Eine Abbildung basierend auf den rekonstruierten Daten, hat zusätzlich den Vorteil, dass rekonstruierte Datenelemente, die nicht auf übertragenen Datenwerten basieren und größtenteils Hintergrundrauschen enthalten, mit einem einheitlichen Wert versehen werden. Somit werden Artefakte des Abbildungs-Algorithmus, die auf Hintergrundrauschen beruhen, in Abbildungen, die aus den rekonstruieren Daten erzeugt wurden, signifikant reduziert. Bei Übertragung von zehn zweiten bzw. von zehn dritten Datenwerten für jede Koordinate (x_n, y_m) wird bei einer Auflösung von 513 x 1025 x 127 Raumelementen und einer räumlichen Ausdehnung eines Raumelements von 0,19cm x 0,19cm x 0,78 cm eine Volumentiefe von ca. 15,6 cm abgedeckt und ein Kompressionsfaktor von etwa 6 erreicht.
• Vorteilhafterweise werden die zu übertragenden Datenwerte bevorzugt in Form von Schichten abgespeichert, wobei in der i-ten Schicht alle Datenwerte der Datenelemente mit einer festen dritten Koordinate z_max+i für alle ersten und zweiten Koordinaten (x_n, y_m) enthalten sind und alle Schichten aufeinander folgend für i zwischen -k und +1 übertragen werden, wobei die Schicht mit i=0 die Datenwerte D_max des ersten Datenelements für jede erste und zweite Koordinate enthält. Bevorzugt wird als erste Schicht die dritte Koordinate des ersten Datenelements für jede erste und zweite Koordinate (x_n, y_m) übertragen.
• In einer bevorzugten Ausführungsform wird zur Rekonstruktion der Datenelemente des Gesamtvolumens ein Datenelement für jedes Raumelement mit einem initialen Datenwert angelegt. Anschließend wird die dritte Koordinate z₀ des ersten Datenelements durch Auswerten der ersten Schicht bei jeder ersten und zweiten Koordinate (x_n, y_m) ermittelt. Dann werden die Datenwerte der i-ten Schicht in die Datenelemente (x_n, y_m, z_max+i) für jedes i= [-k,+1] kopiert. Dies hat den Vorteil, dass den rekonstruierten Datenelementen in einfacher Weise lediglich durch Indexoperationen die zugehörigen Datenelemente wieder zugeordnet werden können. Dies erlaubt ein sehr effizientes Verfahren, das sehr gut in Hardware implementierbar ist, da die Daten weitgehend kontinuierlich gelesen und geschrieben werden können und das Komprimieren bzw. Rekonstruieren lediglich einem Umkopieren von Daten entspricht.
• In einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die abgetasteten Datenelemente in eine Anzahl N von Teilbereichen in Richtung der dritten Koordinate (z) eingeteilt. In jedem Teilbereich wird ein erstes Datenelement mit einem maximalen Datenwert für jede erste und zweite Koordinate (x_n, y_m) ermittelt, die dritte Koordinate z_0N des ersten Datenelements und der Datenwert des ersten Datenelements gespeichert, übertragen und rekonstruiert. Dies ermöglicht es, mehrere sich überlagernde Objekte mit einem größeren Abstand in Richtung der dritten Koordinate als die Hüllenbreite, die durch die Anzahl k_N und l_N von Schichten gegeben ist, erfassen zu können.
• Dabei ist es von Vorteil, wenn die Anzahl k_N und die Anzahl l_N der zweiten und dritten Datenelemente in Richtung der dritten Koordinate in jedem Teilbereich unabhängig voneinander gewählt werden. Dies ermöglicht es, die Hüllenbreite entsprechend der Tiefe der sich überlagernden Objekte einzustellen und somit die Kompressionsrate zu optimieren.
• Alternativ ist es ebenfalls von Vorteil, in jedem Teilbereich die Anzahl k_N und die Anzahl 1_N der Datenelemente in Richtung der dritten Koordinate gleich groß zu wählen. Dadurch kann eine einheitliche Verarbeitungsprozedur verwendet werden und die Verarbeitungs- bzw. Kompressionsdauer optimiert werden.
• Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels und mit Bezug auf die Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
• 1 eine schematische Darstellung des gescannten Volumens mit aufgelösten Raumelementen bzw. den entsprechenden Datenelementen;
• 2 ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens als Ablaufdiagramm;
• 3 ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Kompression von Daten, die mit einem Millimeterwellen - Messverfahren aufgenommen wurden;
• 4 ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens anhand von Messdaten, die mit einem Millimeterwellen - Messverfahren aufgenommen wurden;
• 5 eine Abbildung eines gescannten Objekts aus unkomprimierten Daten und
• 6 eine Abbildung des gescannten Objekts aus 5 erstellt aus entsprechend dem erfindungsgemäßen Verfahren komprimierten und anschließend rekonstruierten Daten.
• Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit dem gleichen Bezugszeichen versehen.
• 1 zeigt ein Gesamtvolumen 10, in dem sich ein zu untersuchendes Objekt befindet, das insbesondere eine oder wenige stark reflektierende Schichten umfasst. Dieses Gesamtvolumen 10 wurde mit einem dreidimensional fokussierenden Messverfahren z.B. mit Mikrowellensignalen, gescannt. Für jedes diskrete Raumelement 11 mit den ersten, zweiten und dritten Koordinaten (x, y, z) wird ein Datenelement V (x, y, z) 17 mit einem Datenwert erzeugt. Alle Datenelemente mit einer festen Koordinate (x_n, y_m) bilden eine in z-Richtung angeordnete Reihe 18 von Datenelementen.
• Entsprechend der vorliegenden Erfindung wird in einer jeden solchen Datenreihe 18 das Datenelement mit dem größten Datenwert D_max 14 ermittelt und als erstes Datenelement 12 bezeichnet. Der Datenwert 14 des ersten Datenelements 12 sowie die z-Koordinate z_max 13 des ersten Datenelements 12 werden für jede Datenreihe 18, d.h. für jede Koordinate (x_n, y_m) des gesamten Datenvolumens V (x_s, y_s), gespeichert.
• In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung werden zusätzlich eine Anzahl k von zweiten Datenwerten 15, die in den k aufeinanderfolgenden Datenelementen in z-Richtung direkt vor dem ersten Datenelement 12 liegen, ebenfalls abgespeichert. Zusätzlich werden eine Anzahl 1 von dritten Datenwerten 16, die in den aufeinanderfolgenden 1 Datenelementen in z-Richtung direkt hinter dem ersten Datenelement 12 liegen, für jede Koordinate (x_n, y_m) ermittelt. Die Lage dieser Datenelemente ist in 1 für eine Datenreihe 18 dargestellt. Die entsprechenden ersten, zweiten und dritten Datenwerte 14, 15, 16 werden für jede einzelne Reihe 18 von Datenelementen ermittelt.
• Befinden sich mehrere in z-Richtung sich überlagernde Objekte in einem größeren Abstand als der durch die Anzahl der zweiten und dritten Datenwerte bzw. der zugehörigen Datenelementen abgedeckten Tiefe, kann das Gesamtvolumen 10 in eine Anzahl N von Teilbereiche in z-Richtung eingeteilt werden. In 1 ist dies durch einen ersten Teilbereich 20 und einen zweiten Teilbereich 21 dargestellt. Dabei ist es keine notwendige Bedingung, dass die Teilbereiche aneinandergrenzen. Es ist vielmehr möglich, dass die Teilbereiche nicht aneinandergrenzen und eine beliebige Anzahl von Datenelementen in z-Richtung dazwischen liegen. In jedem Teilbereich wird zunächst ein erstes Datenelement mit dem maximalen Datenwert für jede Koordinate (x_n, y_m) und beliebigen z-Koordinaten des ersten Teilbereichs, z.B. z_N ermittelt und dessen z-Koordinate z_maxN sowie der Datenwert des ersten Datenelements im ersten Teilbereich D_maxN abgespeichert.
• Entsprechend werden k_N und l_N zweite Datenwerte 15 bzw. dritte Datenwerte 16 für den Teilbereich bestimmt. Da lediglich die Lage des ersten Datenelements 12 auf den ersten Teilbereich 20 beschränkt ist, können einzelne zweite bzw. dritte Datenwerte auch in Datenelementen eines angrenzenden Teilbereichs 21 liegen. In gleicher Weise werden das erste Datenelement, die z-Koordinate des ersten Datenelements sowie der Datenwert des ersten Datenelements in diesem Teilbereich, sowie optional die zweiten und dritten Datenwerte in dem weiteren Teilbereich ermittelt und gespeichert.
• Das Verfahren ist dabei nicht auf Raumelemente mit ersten, zweiten und dritten Koordinaten in einem kartesischen Koordinatensystem, wie in 1 beispielhaft dargestellt, beschränkt. Es sei lediglich angenommen, dass die dritte Koordinate orthogonal zur ersten bzw. zweiten Koordinate ist, bzw. dass die Koordinaten linear unabhängig sind. Wird beispielsweise ein zylinderförmiges Gesamtvolumen durch ein dreidimensional fokussierendes Messverfahren gescannt, so kann die Lage der Raumelemente durch beispielsweise Zylinderkoordinaten beschrieben werden, sodass die vorgenannten Koordinaten (x,y,z) den Koordinaten (r,φ,z) entsprechen. Entsprechend würde dann jedes Raumelement mit einem festen axialen Wert z und einem festen Winkel φ ein erstes Datenelement für beliebige Werte in radialer Richtung r ermittelt werden. Die Verwendung anderer Koordinatensysteme, z. B. Kugelkoordinaten ist nicht ausgeschlossen.
• In 2 wird ein Ausführungsbeispiel 30 des erfindungsgemäßen Verfahrens als Ablaufdiagramm dargestellt. In Block 31 sind die Ausgangsdaten des Kompressionsverfahrens angegeben. Beispielsweise werden an einem zu untersuchenden Objekt reflektierte Millimeterwellen in einer Antennenanordnung bezüglich der Intensität oder Amplitude des reflektierten Signals sowie dessen Phase detektiert und über einen Fokussierungs-Algorithmus einem Raumpunkt zugeordnet. Jedem Datenwert, hier beispielsweise der Signalintensität und Phase zusammengefasst als komplexe Zahl, eines Raumelements (x, y, z) eines gescannten Gesamtvolumens (x_s, y_s, z_s) wird genau ein Datenelement V (x, y, z) in einem Datenvolumen V (x_s, y_s, z_s) zugeordnet.
• Zunächst wird für eine Datenreihe 18 mit den Koordinaten (x_n, y_m) des Datenvolumens ein erstes Datenelement mit dem maximalen Datenwert D_max für alle Datenelemente in z-Richtung von z₁ bis z_s, wobei s eine natürliche Zahl ist, ermittelt, siehe Verfahrensschritt 33. In den Schritten 34 und 35 werden dann die z-Koordinate z_max des ersten Datenelements sowie der maximale Datenwert D_max des ersten Datenelements gespeichert. Die z-Koordinate z_max des ersten Datenelements sowie der Datenwert D_max des ersten Datenelements werden in bevorzugter Weise in jeweils einer Matrix an dem Element, das den Wert (x_n, y_m) des ursprünglichen Datenelements entspricht, abgespeichert. Eine solche Matrix wird auch als Schicht bezeichnet.
• Optional werden anschließend in den Schritten 36, 37 nacheinander, siehe Pfeil 38, die zweiten und dritten Datenwerte D_i der Datenelemente, die in den k Datenelementen in z-Richtung direkt vor dem ersten Datenelement 12 und in den 1 in z-Richtung direkt hinter dem ersten Datenelement 12 liegen, ebenfalls gespeichert. Da der Datenwert D_max des ersten Datenelements (x_m, y_n, z_max) bereits abgespeichert ist, muss dies nicht nochmal durchgeführt werden. Dem wird durch die Ausnahme des Indexes i=0 im Block 36 Rechnung getragen. Dies wird für jede Datenreihe (x_n, y_m) für jedes m und n von 1 bis s durchgeführt, siehe Pfeil 39 und Schritt 32. Das Speichern des ersten Datenelements bei der Bestimmung der zweiten und dritten Datenwerte ist ebenso unabhängig vom Ermitteln des ersten Datenelements möglich.
• Die Hüllenbreite, d. h. die Anzahl an k vor dem ersten Datenelement liegenden Datenwerte und der 1 in z-Richtung direkt hinter dem ersten Datenelement liegenden Datenwerte, kann unabhängig voneinander gewählt werden und kann beispielsweise von der Eindringtiefe der Signale abhängig gewählt werden. Wird eine Kompression für eine Anzahl N von z-Teilbereichen 20, 21 durchgeführt, so kann die Breite einer Hülle, also die Werte (k_n, l_n) unabhängig von der Hüllenbreite der anderen z-Teilbereiche 20, 21 gewählt werden. Es ist alternativ auch möglich in jedem z-Teilbereich 20, 21 die Hüllenbreite gleich zu wählen.
• Es ergibt sich somit ein komprimiertes Datenvolumen V_komp mit einer Ausdehnung (x_n, y_m, z_k+1+2) . Die Anzahl k und 1 geben die Hüllentiefe vor und hinter dem jeweils ersten Datenelement 12 an. Die zusätzlichen zwei Matrizen bzw. Schichten sind zum einen die Matrix mit der z-Koordinate z₀ 13 des ersten Datenelements 12 und desweiteren die Matrix mit dem Datenwert D_max 14 des ersten Datenelements 12 für jede Koordinate (x_n, y_m) .
• Im nachfolgenden Verfahrensschritt 40 werden die z-Koordinate z_max 13, der maximale Datenwert D_max 14 des ersten Datenelements 12 und die Datenwerten D_i für jede Koordinate (x_n, y_m) beispielsweise an eine Verarbeitungseinheit zur Bilderzeugung und Darstellung übertragen. Dort wird im Verfahrensschritt 41 ein Datenvolumen V_dekomp (x_s, y_s, z_s) , das in der Größe dem ursprünglichen Gesamtvolumen entspricht, rekonstruiert. Dabei werden die Datenelemente D_max und D_i an den ursprünglichen Koordinaten des Datenelements in entsprechende Datenelemente in V_dekomp kopiert. Dabei ist die x- und y-Koordinate durch die Lage des Datenelements in der übertragenen Matrix bzw. Schicht gegeben. Die z-Koordinate ist durch die Matrix mit der z-Koordinate Z_max zusammen mit dem Index i der Matrix selbst rekonstruierbar.
• Das komprimierte Datenvolumen V_komp (x, y, z) setzt sich somit wie folgt aus dem ursprünglichen Datenelement V (x, y, z) zusammen: $${\text{V}}_{\text{komp}}\left({\text{x}}_{\text{n}},{\text{y}}_{\text{m}},z_{\text{i}-\text{k}+\text{2}}\right)=\text{V}\left({\text{x}}_{\text{n}},{\text{ y}}_{\text{m}},{\text{ z}}_{\text{max}-\text{i}}\left({\text{x}}_{\text{n}},{\text{ y}}_{\text{m}}\right)\right)$$

  

  mit i=[k, k+1].
• Bei einer Kompression von einer Anzahl N von z-Teilbereichen 20, 21 ergibt sich ein komprimiertes Datenvolumen V_komp mit einer Ausdehnung von (x_s, y_s, k₁+l₁+...+k_N+l_N+2). Die Hüllenbreite umfasst dabei sinnvoller Weise weniger als die ursprünglichen z_s Datenelemente in z-Richtung. Es ergibt sich somit eine Kompressionsrate von $$\text{r}={\text{z}}_{\text{s}}\mathrm{/}\left(\text{k}+1+2\right)$$

  

  bzw. bei N Teilbereichen von $$\text{r}={\text{z}}_{\text{s}}\mathrm{/}\left(\text{2N}+{\text{k}}_1+{\text{l}}_1+\dots {\text{k}}_{\text{N}}+{\text{l}}_{\text{N}}\right).$$

  
• Das komprimierte Volumen V_komp wird nun wieder in ein Volumen V_dekomp mit der ursprünglichen Ausdehnung (x_s, y_s, z_s) übergeführt. Dabei wird zunächst ein Leervolumen der entsprechenden Ausdehnung (x_s, y_s, z_s) angelegt. Anschließend wird die Schicht bzw. Matrix mit der z-Koordinate z₀ des ersten Datenelements, die bevorzugt als erste Schicht bzw. Matrix übertragen wurde, für alle (x_s, y_s) durchlaufen und jede Schicht bzw. Matrix D_i an die entsprechende Stelle des leeren Volumens kopiert. Mathematisch ausgedrückt wird die Rekonstruktion wie folgt durchgeführt: $${\text{V}}_{\text{dekomp}}\left(\text{x}\text{, y}{\text{, z}}_{\text{max}-\text{k}+\text{i}-\text{2}}\right)={\text{V}}_{\text{komp}}\left(\text{x},\text{ y},{\text{ z}}_{\text{i}}\right)$$

  

  mit i=[2, k+1].
• In 3 ist eine Vorrichtung 1 dargestellt, die zur Ausführung aller beschriebenen Verfahrensschritte ausgebildet ist. Die Vorrichtung 1 umfasst eine Kompressionseinheit 3, die mit einer Messvorrichtung 2 verbunden ist. Die Kompressionseinheit 3 ist über eine Datenverbindung 4 mit einer Verarbeitungseinheit 5 verbunden.
• Die Kompressionseinheit 3 ist ausgebildet, um ein erstes Datenelement 12 unter allen Datenelementen mit einer festen Koordinate (x_n, y_m) und beliebiger z-Koordinate, das einen maximalen Datenwert 14 des Datenelements aufweist, für jede Koordinate (x_n, y_m) des Gesamtvolumens 10 zu ermitteln, eine z-Koordinate z_max 13 des ersten Datenelements 12 für jede Koordinate (x_n, y_m) und den Datenwert des ersten Datenelements 12 für jede Koordinate (x_n, y_m) zu speichern. Die Datenverbindung 4 ist ausgebildet, die z-Koordinate z_max des ersten Datenelements 12 und des Datenwerts des ersten Datenelements 12 für jede Koordinate (x_n, y_m) an die Verarbeitungseinheit 5 zu übertragen. Die Verarbeitungseinheit 5 ist ausgebildet, um für jedes Raumelement 11 des Gesamtvolumens 10 aus den übertragenen Daten neue Datenelemente zu rekonstruieren.
• In 4 sind die von einem mit Millimeterwellen arbeitenden Körperscanner aufgenommenen reflektierten Signale, insbesondere die ermittelten Intensitätswerte des reflektierten Signals, in einer Ebene (x, y) in Bild 50 dargestellt. Dabei ist die Größe der gemessenen Intensität durch die Helligkeit des entsprechenden Bildpunktes dargestellt, wobei eine große Intensität einem hohen Helligkeitswert des Punktes entspricht. Das zu untersuchende Objekt 51, hier ein mit der rechten Schulter zur x-y-Ebene stehender Mensch, ist dabei gut erkennbar. Die in z-Richtung detektierten Werte sind nicht sichtbar.
• Die Darstellung 60 zeigt die mit dem erfindungsgemäßen Kompressionsverfahren erfassten Datenelemente bzw. Datenwerte in z-Richtung an der Position x_max über die gesamte Höhe y_s des Raumvolumens bzw. Datenvolumens. Es sind lediglich Datenelemente in einem schmalen Bereich, auch als Hülle bezeichnet, zwischen dem Referenzzeichen 62 bzw. 63 um ein erstes Datenelement 61 berücksichtigt. Die Hüllenbreite ist durch die Anzahl der zweiten und dritten Datenelemente 15, 16 direkt vor einem ersten Datenelement 61 bzw. eine Anzahl k von Datenelementen direkt hinter dem ersten Datenelement 61 gegeben.
• Im oberen Bereich 64 der ist deutlich das erste Datenelement D_max 61 mit der höchsten Signalintensität zu erkennen. Dieser obere Bereich 64 zeigt Datenwerte, die vom Kopf des zu untersuchenden Objekts 51, der sich in z-Richtung deutlich hinter der Schulter, Hüfte und Beinen befindet, reflektiert wurden.
• Bild 70 zeigt das komprimierte Datenvolumen, das k+1+1 Datenelemente in z-Richtung umfasst. Es handelt sich dabei um die in zwischen den Referenzzeichen 62 und 63 dargestellten Daten, wobei jeweils die ersten Datenelemente 61 übereinander geschoben sind und die k vor bzw. 1 hinter dem ersten Datenelement gespeicherten Datenwerte links bzw. rechts des ersten Datenwertes liegen. Dabei ergibt sich für jeden z-Wert zwischen z_max-k 72 und z_max+i 74 jeweils eine Schicht bzw. Matrix mit Koordinaten (x_n, y_m) der gesamten Ausdehnung des Gesamtvolumens. Als erste Schicht 71 ist dabei die Schicht mit der z-Koordinate z_max des ersten Datenelements 71 zu sehen.
• Diese Schichten 80 sind rechts der Darstellung 70 explizit aufgefächert gezeigt. Die Schicht 71 der z-Koordinate z_max kann auch in Falschfarbendarstellung sichtbar gemacht werden. Die als nächstes übertragenen Schichten 72 enthalten die Datenwerte der Datenelemente mit der z-Koordinate z_max-k. Die Schicht 73 enthält die maximalen Datenwerte an der z-Koordinate z_max, also die ersten Datenelemente 61. Die darauffolgenden Schichten 74 zeigen die Datenwerte der z-Koordinate z_max+1.
• In 5 und 6 zeigt die linke , bzw. rechte , jeweils eine andere Rotationsansicht und Projektion eines identischen Volumens. D.h. die linke 90A, 100A bzw. rechte 90B, 100B Abbildung wird aus einmalig ermittelten Daten errechnet. Es ist keine weitere Messung der zu untersuchenden Person 91 in gedrehter Position notwendig.
• 5 zeigt nun die einer zu untersuchenden Person 91, die in etwa parallel zur Antennenanordnung eines Körperscanners steht. Auf der rechten Seite der 5 ist eine der zu untersuchenden Person 91 aus einem seitlichen Blickwinkel dargestellt. Die und sind dabei aus nicht komprimierten Daten erstellt worden. Am linken Rand der sind einige Abbildungsartefakte 93 erkennbar.
• Für die in 6 gezeigten , , wurden die Daten aus der gleichen Messung verwendet, die aber aus komprimiert übertragenen Daten und dann wieder rekonstruierten Daten erzeugt wurden. Lediglich die Füße sind in , abgeschnitten. Es ist nahezu kein Unterschied zwischen den und bzw. und erkennbar. Dies belegt, dass das Kompressionsverfahren für eine solche Anwendung kaum relevante Daten verliert und daher bestens geeignet ist.
• Die am linken Bildrand sichtbaren Abbildungsartefakte 103 sind in der aus den komprimierten Daten erstellten nur noch schwach sichtbar, da solche durch Rauschen erzeugten Datenwerte durch das Komprimierungsverfahren nicht berücksichtigt werden.
• In den dargestellten Abbildungen wurden jeweils die maximalen Intensitätswerte der reflektierten Signale als Datenwerte dargestellt und die Datenelemente in z-Richtung mit der höchsten Signalintensität wurden zur Kompression der Daten bzw. zur Einschränkung der übertragenen Datenelemente verwendet. Andere Datenwerte, wie beispielweise die gemessene Phase des Signal, können ebenso zur Ermittlung der übertragenen Datenwerte und somit zur Datenkompression verwendet werden.
• Alle beschriebenen und/oder bezeichneten und/oder beanspruchten Merkmale können im Rahmen der Erfindung vorteilhaft miteinander kombiniert werden. Die Erfindung ist nicht auf die Ausführungsbeispiele beschränkt.

Claims (15)

1. Verfahren zur Kompression von Daten, wobei die Daten durch Abtasten eines bestimmten Gesamtvolumens (10) mit diskreten Raumelementen durch ein elektromagnetische Signale dreidimensional fokussierendes Messverfahren ermittelt werden und für jedes abgetastete Raumelement (11) mit bestimmten Koordinaten (x, y, z) ein Datenelement (17) mit einem Datenwert mit folgenden Verfahrensschritten erzeugt wird: - Ermitteln eines ersten Datenelements (12) unter allen Datenelementen mit einer festen ersten und zweiten Koordinate (x_n,y_m) und beliebiger dritter Koordinate (z) des Gesamtvolumens (10), das einen maximalen Datenwert des Datenelements aufweist, für jede erste und zweite Koordinate (x_n,y_m) des Gesamtvolumens (10), - Speichern der dritten Koordinate (_Zmax) (13) des ersten Datenelements (12) für jede erste und zweite Koordinate (x_n,y_m) und - Speichern des zugehörigen Datenwerts (14) des ersten Datenelements (12) für jede erste und zweite Koordinate (x_n,y_m), wobei zusätzlich eine Anzahl k von zweiten Datenwerten (15), die in den k aufeinanderfolgenden Datenelementen in Richtung der dritten Koordinate (z) direkt vor dem ersten Datenelement (12) liegen, und eine Anzahl 1 von dritten Datenwerten (16), die in den aufeinanderfolgenden 1 Datenelementen in Richtung der dritten Koordinate (z) direkt hinter dem ersten Datenelement (12) liegen, für jede erste und zweite Koordinate (x_n,y_m) ermittelt, übertragen und zur Rekonstruktion verwendet werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch - Übertragen der dritten Koordinate (_Zmax) (13) des ersten Datenelements (12) und des Datenwerts (14) des ersten Datenelements (12) für jede erste und zweite Koordinate (x_n,y_m) und - Rekonstruieren der Datenelemente (17) für jedes Raumelement (11) des Gesamtvolumens (10) aus den übertragenen Daten.
3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die zu übertragenden Datenwerte (14, 15, 16) in Form von Schichten (20) abgespeichert werden, wobei in einer i-ten Schicht (20) alle Datenwerte der Datenelemente der ersten und zweiten Koordinate mit einer festen dritten Koordinate des ersten Datenelements z_max+i für alle ersten und zweiten Koordinaten (x_n,y_m) enthalten sind und alle Schichten (20) aufeinanderfolgend für i von -k bis +1 übertragen werden, wobei die Schicht mit i=0 den maximalen Datenwert des ersten Datenelements (12) für jede erste und zweite Koordinate (x_n,y_m) enthält.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass als erste Schicht (21) die dritte Koordinate des ersten Datenelements z_max (14) des ersten Datenelements (12) für jede erste und zweite Koordinate (x_n,y_m) übertragen wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass zur Rekonstruktion der Datenelemente des Gesamtvolumens (10) die folgenden Verfahrensschritte ausgeführt werden: - Anlegen eines leeren Datenelements (17) für jedes Raumelement (11) des Gesamtvolumens (10) mit einem initialen Datenwert, - Ermitteln der dritten Koordinate z₀ (14) des ersten Datenelements (12) durch Auswerten der ersten Schicht bei jeder ersten und zweiten Koordinate (x_n,y_m), - Kopieren der Datenwerte der i-ten Schicht (20) in die Datenelemente (x_i, y_j, _Zmax+i) mit fester dritter Koordinate _Zmax+i für jedes i =[-k, +1] für alle ersten und zweiten Koordinaten (x_n,y_m), wobei die Schicht mit i=0 die Datenwerte des ersten Datenelements (12) für alle ersten und zweiten Koordinaten (x_n,y_m) enthält.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die ermittelten Datenelemente (17) in eine Anzahl N von Teilbereichen (20, 21) in Richtung der dritten Koordinate (z) eingeteilt werden und in jedem Teilbereich (20, 21) ein erstes Datenelement (12) mit einem maximalen Datenwert für jede erste und zweite Koordinate (x_n,y_m) ermittelt wird, die dritte Koordinate z_maxN (13) des ersten Datenelements (12) und der Datenwert (14) des ersten Datenelements (12) gespeichert, übertragen und rekonstruiert werden.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine Anzahl k_N und eine Anzahl l_N der zweiten und dritten Datenelemente in Richtung der dritten Koordinate (z) in jedem Teilbereich (20, 21) unabhängig voneinander gewählt wird.
8. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass in jedem Teilbereich die Anzahl k_N und die Anzahl 1_N der zweiten und dritten Datenelemente in Richtung der dritten Koordinate gleich groß gewählt wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass pro Datenelement (12) mehrere unterschiedliche Datenwerte erzeugt werden und separat für jeden Datenwert ein Kompressionsverfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8 durchgeführt wird.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Datenwert eine Intensität und/oder eine Amplitude und/oder eine Phase des gemessenen Signals ist.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Daten durch ein dreidimensional fokussierendes Verfahren mit Millimeterwellen- und/oder Mikrometerwellen ermittelt werden.
12. Vorrichtung zur Kompression von Daten, wobei die Daten durch Abtasten eines vorbestimmtes Gesamtvolumens (10) durch eine elektromagnetische Signale dreidimensional fokussierende Messvorrichtung ermittelt sind und für jedes abgetastete Raumelement (11) mit bestimmten Koordinaten (x, y, z) ein Datenelement (17) mit einem Datenwert vorliegt, wobei eine Kompressionseinheit (3) mit der Messvorrichtung (2) verbunden ist und die Kompressionseinheit (3) ausgebildet ist, um - ein erstes Datenelement (12) unter allen Datenelementen (17) mit einer festen ersten und zweiten Koordinate (x_n,y_m) und beliebiger dritter Koordinate (z) des Gesamtvolumens (10), das einen maximalen Datenwert (14) des Datenelements aufweist, für jede erste und zweite Koordinate (x_n,y_m) des Gesamtvolumens (10), zu ermitteln, - eine dritte Koordinate (_Zmax) (13) des ersten Datenelements (12) für jede erste und zweite Koordinate (x_n,y_m) zu speichern und - den Datenwert (14) des ersten Datenelements (12) für jede erste und zweite Koordinate (x_n, y_m) zu speichern, wobei zusätzlich eine Anzahl k von zweiten Datenwerten (15), die in den k aufeinanderfolgenden Datenelementen in Richtung der dritten Koordinate (z) direkt vor dem ersten Datenelement (12) liegen, und eine Anzahl 1 von dritten Datenwerten (16), die in den aufeinanderfolgenden 1 Datenelementen in Richtung der dritten Koordinate (z) direkt hinter dem ersten Datenelement (12) liegen, für jede erste und zweite Koordinate (x_n, y_m) ermittelt, übertragen und zur Rekonstruktion verwendet werden.
13. Vorrichtung nach Anspruch.12, dadurch gekennzeichnet, dass die Kompressionseinheit (3) über eine Datenverbindung (4) mit einer Verarbeitungseinheit (5) verbunden ist, um die dritte Koordinate (_Zmax) (13) des ersten Datenelements (12) und den Datenwert (14) des ersten Datenelements (12) für jede erste und zweite Koordinate (x_n,y_m) über die Datenverbindung (4) an die Verarbeitungseinheit (5) zu übertragen und die Verarbeitungseinheit (5) ausgebildet ist, um für jedes Raumelement (11) des Gesamtvolumens (10) aus den übertragenen Daten neue Datenelemente (17) zu rekonstruieren.
14. Digitales Speichermedium mit elektronisch lesbaren Steuersignalen, die mit einem programmierbaren Computer oder digitalen Signalprozessor in einer Weise zusammenarbeiten, dass alle Verfahrensschritte der Ansprüche 1 bis 11 ausgeführt werden können.
15. Computerprogramm mit Programmcode-Mitteln, das alle Verfahrensschritte der Ansprüche 1 bis 11, ausführt, wenn das Programm auf einem programmierbaren Computer und/oder einem digitalen Signalprozessor ausgeführt wird.

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