DE102014007401A1

DE102014007401A1 - Verfahren zur Bildaufnahme einer stroboskopisch beleuchteten Szene und Bildaufnahmevorrichtung

Info

Publication number: DE102014007401A1
Application number: DE102014007401.3A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Endress; Andreas Hille; Carlos Correa
Original assignee: Schoelly Fiberoptic GmbH
Current assignee: Schoelly Fiberoptic GmbH
Priority date: 2014-05-20
Filing date: 2014-05-20
Publication date: 2015-11-26
Anticipated expiration: 2034-05-21
Also published as: DE102014007401B4

Abstract

Bei einer Bildaufnahmevorrichtung (1) zur stroboskopischen Bildaufnahme wird vorgeschlagen, die Belichtungszeit (t2) auf eines Stroboskopfrequenz so abzustimmen, dass künstlich erzeugte Kontrastunterschiede, die aus einer Wechselwirkung der Stroboskopfrequenz mit der Belichtungszeit (t2) am Bildsensor 3 entstehen, vermindert sind.

Description

Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bildaufnahme einer stroboskopisch beleuchteten Szene, wobei mit einem Bildsensor die Szene mit einer einstellbaren Belichtungszeit aufgenommen wird.
Die Erfindung betrifft weiter eine Bildaufnahmevorrichtung mit einem Bildsensor und einer Ansteuerungseinrichtung des Bildsensors.
Es ist bekannt, wiederkehrende, schnell ablaufende Bewegungs- und/oder Veränderungsprozesse dadurch sichtbar zu machen, dass das beteiligte Objekt oder die beteiligten Objekte mit Stroboskopblitzen einer geeignet gewählten Stroboskopfrequenz oder mit geeignet gewählten Zeitabständen zueinander beleuchtet wird/werden. Die mit den Stroboskopblitzen beleuchtete Szene wird mit einem Bildaufnahmesensor aufgenommen, dessen Ausgangssignale zu einer langsam ablaufenden oder sogar stillstehenden Aufnahme zusammensetzbar sind.
Bei bestimmten Bildaufnahmesensoren entstehen hierbei dunkle Kontraststreifen, die quer über das Bild verlaufen und die unter Umständen über das Bild wandern können. Diese Kontraststreifen sind Artefakte des stroboskopischen Verfahrens und verfälschen den tatsächlichen Informationsinhalt der aufgenommenen Szene.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Kontrastunterschiede, die durch die dunklen Kontraststreifen entstehen, zu vermindern.
Zur Lösung dieser Aufgabe werden erfindungsgemäß die Merkmale von Anspruch 1 vorgeschlagen. Insbesondere ist somit zur Lösung der Aufgabe erfindungsgemäß bei einem Verfahren der eingangs beschriebenen Art vorgesehen, dass die Belichtungszeit so eingestellt wird, dass künstlich erzeugte Kontrastunterschiede aufgrund des stroboskopischen Aufnahmeverfahrens verringert oder vermieden sind. Die Erfindung macht sich somit zunutze, dass die Kontrastunterschiede im Zusammenhang mit den Kontraststreifen dadurch entstehen, dass während einer Belichtungszeit für unterschiedliche Teile des aufgenommenen Bildes eine unterschiedliche Anzahl von Stroboskopblitzen aufgenommen wird. Denn ein Zeitabstand zwischen den Stroboskopblitzen ist bei den bekannten Aufnahmeverfahren in der Regel zumindest etwas kürzer als die jeweils verwendete Belichtungszeit. Dies ist besonders dann kritisch, wenn der Bildaufnahmesensor nicht insgesamt zu einem Zeitpunkt ausgelesen wird, sondern wenn ein Auslesen für unterschiedliche Pixelgruppen zu unterschiedlichen Zeitpunkten erfolgt. Die Erfindung verwendet die Belichtungszeit, die üblicherweise einer Anpassung einer Bildhelligkeit dient, zur Verminderung des Einflusses der erwähnten Kontraststreifen. Dies hat den Vorteil, dass die Kontraste bei bereits bestehenden Bildaufnahmeverfahren ohne aufwendige oder umfassende Modifikationen verminderbar sind. Für bestehende Bildaufnahmeverfahren kann durch einen einfachen Versuch, bei welchem die Belichtungszeit während einer Aufnahme einer Sequenz von Bildern variiert wird, ein optimaler Wert der Belichtungszeit ermittelt werden.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung kann vorgesehen sein, dass der Bildsensor in Pixelgruppen unterteilt ist, die zeitlich nacheinander zur Aufnahme der Szene ausgelesen werden. Somit sind Kontraststreifen, die sich aufgrund eines Zusammenspiels einer Stroboskopfrequenz mit einer Bildwiederholfrequenz, mit welcher die Pixelgruppen nacheinander ausgelesen werden, ergeben, reduzierbar.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung kann vorgesehen sein, dass die Pixelgruppen jeweils eine Zeile des Bildsensors definieren. Somit sind beispielsweise CMOS-Sensoren insbesondere im sogenannten ”Rolling Shutter”-Betriebsmodus verwendbar, deren Kontrastartefakte mit dem erfindungsgemäßen Verfahren reduzierbar oder sogar beseitigbar sind.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung kann vorgesehen sein, dass die Belichtungszeit als Langzeitbelichtung eingestellt wird. Hierbei nutzt die Erfindung die Erkenntnis, dass die Anzahl der aufgenommenen Stroboskopblitze in den dunklen Kontaststreifen genau um eins geringer ist als im übrigen Bildbereich. Der zugehörige Kontrastunterschied ergibt sich aus einem Verhältnis der Anzahlen der aufgenommenen Stroboskopblitze im Kontraststreifen und außerhalb des Kontraststreifens oder der Kontraststreifen. Durch Wahl einer Langzeitbelichtung kann somit der Kontrastunterschied beliebig klein gemacht werden, indem die Belichtungszeit immer länger gewählt wird. In der Praxis ist die Belichtungszeit jedoch dadurch begrenzt, dass eine Bildwiederholfrequenz, mit welcher der Bildsensor einmal vollständig ausgelesen wird, gegeben ist. Eine Langzeitbelichtung kann beispielsweise dadurch charakterisiert werden, dass sich die Belichtungszeiten zu den einzelnen Zeilen des Bildsensors zeitlich überlappen. Alternativ kann dies dadurch charakterisiert werden, dass zwischen dem Beginn des Belichtens der untersten Zeile des Bildsensors und dem Ende des Belichtens der obersten Zeile des Bildsensors im selben Auslesezyklus ein Zeitabstand eingehalten ist.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung kann vorgesehen sein, dass die Belichtungszeit auf einen Wert, der größer als ein Doppeltes eines Zeitabstandes zwischen zwei aufeinander folgenden Stroboskopblitzen ist, eingestellt wird. Von Vorteil ist dabei, dass in den dunklen Kontraststreifen wenigstens zwei Stroboskopblitze aufgenommen werden, so dass ein Kontrastunterschied von 2:1 auf höchstens 3:2 reduzierbar ist. Diese Ausgestaltung hat den Vorteil, dass die Stroboskopfrequenz nicht exakt bekannt sein muss. Bevorzugt ist die Belichtungszeit sogar größer als ein Dreifaches des erwähnten Zeitabstandes, wodurch die Kontraste aufgrund der Artefakte nochmals reduzierbar sind auf höchstens 4:3.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung kann vorgesehen sein, dass die Belichtungszeit auf einen Zeitabstand zwischen zwei aufeinander folgenden Stroboskopblitzen oder ein ganzzahliges Vielfaches dieses Zeitabstands eingestellt wird. Somit ist einfach erreichbar, dass für jede Pixelgruppe immer genau dieselbe Anzahl von Stroboskopblitzen aufgenommen wird, so dass die erwähnten Kontrastunterschiede praktisch verschwinden.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung kann vorgesehen sein, dass eine Stroboskopfrequenz zur Einstellung der Belichtungszeit verwendet wird. Aufwendige Verfahren und Algorithmen zur Bestimmung einer Stroboskopfrequenz sind vermeidbar. Von Vorteil ist bei der Ausgestaltung, dass die Belichtungszeit einfach auf die Stroboskopfrequenz automatisch abstimmbar ist.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung kann vorgesehen sein, dass die eingestellte Belichtungszeit halbiert wird, wenn eine Bildhelligkeit einen oberen Helligkeitsschwellwert überschreitet. Von Vorteil ist dabei, dass ein einfacher Algorithmus zur Beseitigung von Überbelichtungen unter Beibehaltung einer Kontrastverminderung der Kontraststreifen bereitgestellt und ausführbar ist.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung kann vorgesehen sein, dass die Ansteuerungseinrichtung zu einer Verringerung einer Intensität von Stroboskopblitzen, wenn eine Bildhelligkeit einen oberen Helligkeitsschwellwert überschreitet, eingerichtet ist. Alternativ oder zusätzlich kann vorgesehen sein, dass die Ansteuerungseinrichtung zu einer Erhöhung einer Intensität von Stroboskopblitzen, wenn eine Bildhelligkeit, beispielsweise die bereits erwähnte Bildhelligkeit, einen unteren Helligkeitsschwellwert unterschreitet, eingerichtet ist. Von Vorteil ist dabei, dass Überbelichtungen bzw. Unterbelichtungen vermeidbar sind, ohne dass die Einstellung der Belichtungszeit verändert werden muss.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung kann vorgesehen sein, dass eine Intensität der Stroboskopblitze verringert wird, wenn eine Bildhelligkeit, beispielsweise die bereits erwähnte Bildhelligkeit, einen oberen Helligkeitsschwellwert, beispielsweise den bereits erhöhten oberen Helligkeitsschwellwert, überschreitet. Von Vorteil ist dabei, dass überbelichtete Szenen vermeidbar sind, ohne dass die Belichtungszeit verändert werden muss.
Alternativ oder zusätzlich kann vorgesehen sein, dass eine Intensität, beispielsweise die bereits erwähnte Intensität der Stroboskopblitze, erhöht wird, wenn eine Bildhelligkeit, beispielsweise die bereits erwähnte Bildhelligkeit, einen unteren Helligkeitsschwellwert, beispielsweise den bereits erwähnten unteren Helligkeitsschwellwert, unterschreitet. Von Vorteil ist dabei, dass ein Bild aufhellbar ist, ohne an der Belichtungszeit andere Werte einzustellen.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung kann vorgesehen sein, dass eine Bildhelligkeit bei der Aufnahme durch Veränderung eines Verstärkungsfaktors des Bildsensors eingestellt wird. Von Vorteil ist dabei, dass eine Anpassung der Bildhelligkeit an Lichtverhältnisse durchführbar ist, ohne einen Zusammenhang zwischen Stroboskopfrequenz und Kontrast-Artefakten zu beeinflussen.
Zur Lösung der Aufgabe werden erfindungsgemäß die Merkmale von dem auf eine Bildaufnahmevorrichtung gerichteten, unabhängigen Anspruch vorgeschlagen. Insbesondere ist somit erfindungsgemäß zur Lösung der genannten Aufgabe bei einer Bildaufnahmevorrichtung der eingangs genannten Art vorgesehen, dass die Ansteuerungseinrichtung zur Ausführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens, insbesondere wie zuvor beschrieben und/oder nach einem der auf ein Verfahren gerichteten Ansprüche, eingerichtet ist. Von Vorteil ist dabei, dass eine Vorrichtung für stroboskopische Aufnahmeverfahren bereitgestellt ist, bei welcher ein Kontrast-Artefakt verminderbar ist.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung kann vorgesehen sein, dass ein Eingang zur Übermittlung einer Stroboskopfrequenz an die Ansteuerungseinrichtung ausgebildet ist. Von Vorteil ist dabei, dass die Belichtungszeit in Abhängigkeit von einer Stroboskopfrequenz derart automatisch wählbar ist, dass Kontraststreifen verblassen oder verschwinden. Rechentechnisch aufwendige Verfahren zur Bestimmung der Stroboskopfrequenz sind verzichtbar, wenn die Stroboskopfrequenz als Digital- und/oder Analogsignal übermittelbar ist und übermittelt wird.
Generell kann die Stroboskopfrequenz fix eingestellt sein. Es ist somit ein stehender Bildeindruck erzeugbar. Es ist auch üblich, Folgen von Stroboskopblitzen zu verwenden, die von einer fixen Stroboskopfrequenz abweichen. Beispielsweise können regelmäßige Korrekturen der Zeitabstände zwischen den Stroboskopblitzen – meist synchronisiert mit der Bildfrequenz – einen Zeitlupeneffekt für den Betrachter erzeugen. Ein Zeitpunkt, wann eine Korrektur des Zeitabstands korrigiert wird, kann von der Ansteuerungseinrichtung oder der Stroboskopvorrichtung oder auf andere Weise vorgegeben oder vorgebbar sein. Eine Synchronisation und/oder eine Korrektur zur Stroboskopfrequenz kann/können auch über den bereits erwähnten Eingang und/oder eine Übermittlungseinrichtung an die Ansteuerungseinrichtung übermittelbar sein.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung kann vorgesehen sein, dass die Ansteuerungseinrichtung zur Einstellung einer Belichtungszeit des Bildsensors eingerichtet ist. Von Vorteil ist dabei, dass eine Ansteuerung des Bildsensors zur unmittelbaren, also nicht-nachgelagerten, Verminderung von Kontraststreifen ausführbar ist.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung kann vorgesehen sein, dass die Ansteuerungseinrichtung zu einer Halbierung der Belichtungszeit, wenn eine Bildhelligkeit einen Helligkeitsschwellwert unterschreitet, eingerichtet ist. Von Vorteil ist dabei, dass eine Anpassung an geringe Bildhelligkeitswerte durchführbar ist, ohne dass eine Kontrastminderung aufgegeben werden muss.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung kann vorgesehen sein, dass ein Verstärkungsfaktor des Bildsensors verändert wird, wenn eine Bildhelligkeit einen oberen Helligkeitsschwellwert überschreitet und/oder einen unteren Helligkeitsschwellwert unterschreitet. Von Vorteil ist dabei, dass die Bildhelligkeit anpassbar ist, ohne dass eine Veränderung der Belichtungszeit erforderlich ist. Der Verstärkungsfaktor kann auf Ausgangssignale des Bildsensors wirken. Beispielsweise kann der Verstärkungsfaktor erhöht werden, wenn der untere Helligkeitsschwellwert unterschritten wird, und/oder erniedrigt werden, wenn der obere Helligkeitsschwellwert überschritten wird.
Alternativ oder zusätzlich kann vorgesehen sein, dass die Ansteuerungseinrichtung zu einer Verringerung einer Intensität von Stroboskopblitzen, wenn eine Bildhelligkeit einen oberen Helligkeitsschwellwert überschreitet, eingerichtet ist. Von Vorteil ist dabei, dass eine Bildhelligkeit bei unverändert belassener Belichtungszeit anpassbar ist. Die Ansteuerungsvorrichtung kann alternativ oder zusätzlich zu einer Erhöhung einer Intensität, beispielsweise der bereits erwähnten Intensität, wenn eine Bildhelligkeit, beispielsweise die bereits erwähnte Bildhelligkeit, einen unteren Helligkeitschwellwert unterschreitet, eingerichtet sein.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung kann vorgesehen sein, dass die Bildaufnahmevorrichtung wenigstens eine Stroboskoplampe und/oder eine Stroboskopsteuerung umfasst oder aufweist. Von Vorteil ist dabei, dass stroboskopische Aufnahmen durchführbar sind.
Hierbei kann vorgesehen sein, dass die Bildaufnahmevorrichtung zusätzlich oder alternativ eine Übermittlungseinrichtung für eine Stroboskopfrequenz, beispielsweise die bereits erwähnte Stroboskopfrequenz, aufweist. Von Vorteil ist dabei, dass die Stroboskopfrequenz zur Kontrastverminderung bereitsteht. Aufwendige Verfahren, mit welchen die Stroboskopfrequenz aus einer Sequenz von Bildern abgeleitet oder auf sonstige Weise ermittelt wird, sind verzichtbar.
Besonders günstig ist es, wenn die Bildaufnahmevorrichtung ein Endoskop aufweist, um stroboskopische Aufnahmen in einem eingeschränkt oder schwer zugänglichen Innenraum durchführen zu können.
Die Erfindung wird nun anhand von Ausführungsbeispielen näher beschrieben, ist aber nicht auf diese Ausführungsbeispiele beschränkt. Weitere Ausführungsbeispiele ergeben sich durch Kombination der Merkmale einzelner Schutzansprüche untereinander und/oder mit einzelnen Merkmalen der Ausführungsbeispiele.
Es zeigt:
1 eine erfindungsgemäße Bildaufnahmevorrichtung in stark vereinfachter Prinzipdarstellung,
2 die zeitliche Relationen der Abfolge von Stroboskopblitzen in Bezug auf eine eingestellte Belichtungszeit,
3 die zeitliche Relationen der Stroboskopblitze in Bezug auf eine eingestellte Belichtungszeit zur Erläuterung einer Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens,
4 die zeitliche Relation der Stroboskopblitze in Bezug auf eine abgestimmte Belichtungszeit zur Erläuterung einer weiteren Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens,
5 die Situation gemäß 4 mit einer abweichenden zeitlichen Relativanordnung der Stroboskopblitze in Bezug auf einen Auslesezyklus bei einer weiteren Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens und
6 einen Ablaufplan zur Erläuterung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
1 zeigt eine im Ganzen mit 1 bezeichnete erfindungsgemäße Bildaufnahmevorrichtung in einer stark vereinfachten Prinzipdarstellung als Blockschaltbild.
Die Bildaufnahmevorrichtung 1 hat eine Ansteuerungseinrichtung 2, mit welcher ein Bildsensor 3 ansteuerbar und auslesbar ist.
Der Bildsensor 3 ist Teil einer Kamera 4, deren Objektiv 5 an einem freien Ende eines Endoskops 6 angeordnet ist. Die Kamera 4 dient zur Aufnahme von Bildern von einer Szene 7.
Die Bildaufnahmevorrichtung 1 weist weiter eine Stroboskopvorrichtung 8 auf, welche von der Ansteuerungseinrichtung 2 ansteuerbar ist.
An die Stroboskopvorrichtung 8 ist eine Stroboskoplampe 9 angeschlossen, mit welcher Stroboskopblitze 10 mit einer Stroboskopfrequenz erzeugbar sind, um die Szene 7 zu beleuchten. Hierbei können zur Erzeugung eines stehenden Bildeindrucks die Stroboskopblitze 10 genau zu den durch die Stroboskopfrequenz vorgegebenen Zeitpunkten erzeugt werden oder zur Erzeugung eines an sich bekannten Zeitlupeneffekts die Stroboskopblitze 10 zu Zeitpunkten, die um Korrekturen von den durch die Stroboskopfrequenz vorgegebenen Zeitpunkten abweichen, ausgesendet werden.
Die Stroboskopfrequenz – gegebenenfalls mit Korrekturen – wird von der Stroboskopvorrichtung 8 über einen Eingang 11 der Ansteuerungseinrichtung 2 zugeführt.
Der Bildsensor 3 ist als CMOS-Sensor ausgebildet, der im ”rolling shutter”-Betriebsmodus betrieben wird. Hierbei werden die Zeilen des Bildsensors 3 über eine einstellbare Belichtungszeit von der Szene 7 belichtet und nacheinander ausgelesen.
2 zeigt ein Diagramm, in dem auf der X-Achse die Zeit und auf der Y-Achse die Zeilennummer der einzelnen Zeilen des Bildsensors 3 aufgetragen ist.
Die schraffierten Bereiche in 2 bezeichnen jeweils den Zeitabschnitt, in welchen die zugehörige Zeile des Bildsensors 3 belichtet wird.
Dargestellt sind beispielhaft drei Stroboskopblitze 10, die jeweils untereinander einen Zeitabstand t₁ einhalten.
In 2 ist die Belichtungszeit mit t₂ bezeichnet.
Es ist ersichtlich, dass die Belichtungszeiten t₂ der einzelnen Zeilen zeitlich gegeneinander versetzt sind, was daran liegt, dass die Zeilen nacheinander belichtet und ausgelegt werden.
Da die Belichtungszeit t₂ einen Wert zwischen dem Zeitabstand t₁ und dem doppelten Zeitabstand hat, nimmt jede Zeile mindestens einen Stroboskopblitz 10 auf. Jede Zeile nimmt andererseits höchstens zwei Stroboskopblitze 10 auf.
Diejenigen Zeilen des Bildsensors 3, die in der ihnen zugeordneten Belichtungszeit t₂ genau einen Stroboskopblitz 10 aufnehmen, bilden im aufgenommenen Bild einen dunklen Kontraststreifen 12. Diese Zeilen erhalten – bei gleichem Bildinhalt – im Wesentlichen oder genau die halbe Lichtmenge gegenüber den anderen Teilen und erscheinen daher dunkler.
In Abhängigkeit von dem Verhältnis des Zeitabstand t₁ der Stroboskopblitze 10 zueinander einerseits und einer Aufnahmewiederholungsrate des Bildsensors 3 andererseits kann der Kontraststreifen 12 im Verlauf der Bildaufnahmen über das Bild wandern.
Im folgenden werden erfindungsgemäße Verfahren erläutert, bei welchen die Belichtungszeit t₂ so eingestellt wird, das der Kontrastunterschied zwischen dem Kontraststreifen 12 und den hellen Bereichen 13, der nicht durch die Bildinhalte, sondern durch die beschriebene Wechselwirkung zwischen der Stroboskopfrequenz und der Belichtungszeit t₂ entsteht, vermindert wird.
3 zeigt den Fall, dass die Belichtungszeit t2 als Langzeitbelichtung eingestellt ist.
Das Diagramm in 3 entspricht im Aufbau dem Diagramm in 2. Gleiche oder ähnliche Bauteile und Funktionseinheiten sind mit denselben Bezugszeichen bezeichnet und nicht noch einmal gesondert beschrieben. Die Ausführungen zu 2 gelten daher zu 3 entsprechend.
In 3 ist die Einstellung der Belichtungszeit t₂ als Langzeitbelichtung daran zu erkennen, dass die Belichtungszeit t₂ so lang gewählt ist, dass zwischen Beginn des Belichtens der untersten Zeile des Bildsensors 3 und dem Ende des Belichtens der obersten Zeile des Bildsensors 3 im selben Auslesezyklus ein zeitlicher Abstand eingehalten ist. Alternativ kann gesagt werden, dass sich alle Belichtungszeiten t₂ der einzelnen Zeilen des Bildsensors 3 zeitlich überlappen.
Auf diese Weise ist erreicht, dass in den Zeilen des dunklen Kontraststreifens 12 jeweils drei Stroboskopblitze 10 aufgenommen werden, während in den Zeilen der hellen Bereichen 13 jeweils vier Stroboskopblitze 10 aufgenommen werden.
Das Intensitätsverhältnis zwischen den hellen Bereichen 13 und diesem dunklen Kontraststreifen 12 beträgt daher 4:3 im Gegensatz zu einem Verhältnis 2:1 bei der Anordnung gemäß 2.
Hierdurch wird daher der Kontrastunterschied, der auf ein Zusammenspiel der Belichtungszeit t₂ mit dem Zeitabstand t₁ der Stroboskopblitze 10 zurückgeht, gegenüber der Situation gemäß 2 vermindert.
In 3 ist ersichtlich, dass die Wahl einer Langzeitbelichtung zur Folge hat, dass die Belichtungszeit t₂ größer als ein doppeltes, sogar größer als ein dreifaches, des Zeitabstandes t₁ zwischen zwei aufeinanderfolgenden Stroboskopblitzen 10 ist.
4 zeigt das entsprechende Diagramm in Analogie zu 2 bei einer weiteren Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Gleiche oder ähnliche Bauteile und Funktionseinheiten sind mit denselben Bezugszeichen bezeichnet und nicht noch einmal gesondert beschrieben. Die Ausführungen zu den 2 und 3 gelten daher zu 4 entsprechend.
Die Situation gemäß 4 ergibt sich aus der Situation gemäß 2 dadurch, dass die Belichtungszeit t₂ so lange vergrößert wird, bis sie genau das Doppelte des Zeitabstands t₁ zwischen zwei aufeinanderfolgenden Stroboskopblitzen 10 beträgt.
In diesem Fall nimmt jede Zeile des Bildsensors 3 genau zwei Stroboskopblitze 10 auf, so dass der dunkle Kontraststreifen 12 vollständig eliminiert ist. Die Kontrastunterschiede, die in 2 ein Artefakt des stroboskopischen Aufnahmeverfahrens sind, sind somit beseitigt.
Die Einstellung der Belichtungszeit t₂ kann durch Variieren, bis der Kontraststreifen 12 beseitigt ist oder bis ein Kontrastunterschied zwischen den hellen Bereichen 13 und dem dunklen Kontraststreifen 12 ganz oder nahezu beseitigt ist, erfolgen.
Bei der Bildaufnahmevorrichtung 1 gemäß 1 wird die Stroboskopfrequenz jedoch über den Eingang 11 an die Ansteuerungseinheit 2 übermittelt. Die Ansteuerungseinheit 2 wählt daher die Belichtungszeit t₂ derart, dass sie gleich dem Zeitabstand t₁ ist oder ein ganzzahliges Vielfaches dieses Zeitabstand t₁ beträgt.
In 4 beträgt die Belichtungszeit t₂ genau das Doppelte des Zeitabstands t₁. Bei weiteren Ausführungsbeispielen kann die Belichtungszeit t₂ das Dreifache, das Vierfache oder ein noch höheres ganzzahliges Vielfaches des Zeitabstands t₁ betragen.
5 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens. Bei 5 gelten die Ausführungen zu den 2 bis 4 entsprechend.
Das Ausführungsbeispiel gemäß 5 unterscheidet sich von dem Ausführungsbeispiel gemäß 4 dadurch, dass der Beginn der Belichtungszeit t₂ in der untersten Zeile des Bildsensors 3 bzw. das Ende der Belichtungszeit t₂ nicht mehr – wie in 4 – mit einem (dem mittleren) Stroboskopblitz 10 zusammenfällt. Vielmehr kann bei der gewählten Belichtungszeit t₂ die relative Lage der Stroboskopblitze 10 in Bezug auf die Belichtungszeiten t₂ beliebig sein. Bei dem beschriebenen Verfahren dient die Wahl der Belichtungszeit t₂ nicht – wie sonst üblich – der Einstellung einer Bildhelligkeit, sondern der beschriebenen Kontrastverminderung bzw. Kontrastbeseitigung.
Zur Anpassung der Bildhelligkeit an einen Empfindlichkeitsbereich des Bildsensors 3 kann beispielsweise nach den folgenden Verfahren vorgegangen werden.
Es kann beispielsweise ein Verstärkungsfaktor an einem Ausgang des Bildsensors 3 verändert werden. Alternativ oder zusätzlich kann eine Intensität der Stroboskopblitze 10 an der Stroboskoplampe 9 eingestellt werden.
Eine vorherige Grobabstimmung der Bildhelligkeit ist auch dadurch möglich, dass die Belichtungszeit t₂ halbiert wird, wenn die Bildhelligkeit zu groß ist, und/oder verdoppelt wird, wenn die Bildhelligkeit zu klein ist.
Beispielsweise kann auch das folgende Verfahren ablaufen.
Die Stroboskopvorrichtung 8 informiert die Ansteuerungseinrichtung 2 über den Eingang 11 oder ein sonstiges Interface über den Zeitabstand t₁ oder die Stroboskopfrequenz.
Die Ansteuerungseinrichtung 2 wählt nun die Belichtungszeit t₂ so, dass diese ein ganzzahliges Vielfaches des Zeitabstands t₁ ist.
Die verbleibende Korrektur der Bildhelligkeit zur Ausschöpfung eines Empfindlichkeitsbereichs des Bildsensors 3 oder zur Erreichung einer gut wahrnehmbaren bildlichen Darstellung der aufgenommenen Szene 7 erfolgt anschließend über einen Verstärkungsfaktor einer analogen oder digitalen Verstärkung des Ausgangssignals des Bildsensors 3.
Sollte sich die Bildhelligkeit auf diese Weise nicht ausreichend reduzieren lassen, wird in einem nächsten Schritt von der Ansteuerungseinrichtung 2 der Stoboskopvorrichtung 8 vorgegeben, die Intensität der Stroboskoplampe 9 zu reduzieren.
Bei einer alternativen Variante wird wie folgt vorgegangen.
Zunächst übermittelt die Stoboskopvorrichtung 8 den Zeitabstand t₁ oder die zugehörige Stroboskopfrequenz an die Ansteuerungseinrichtung 2.
Nun wird die Belichtungszeit t₂ so angepasst, dass diese ungefähr oder genau ein ganzzahliges Vielfaches des Zeitabstands t₁ ist oder diesem gleicht.
Die verbleibende Korrektur der Bildhelligkeit wird dadurch erreicht, dass die Ansteuerungseinrichtung 2 der Stroboskopvorrichtung 8 vorgibt, mit welcher Intensität die Stroboskopblitze 10 erzeugt werden sollen.
Bei weiteren Ausführungsbeispielen werden die beschriebenen Varianten miteinander kombiniert.
Alternativ oder zusätzlich zu den beschriebenen Verfahren kann bei zu großer Bildhelligkeit vorgesehen sein, dass die Belichtungszeit t₂ um den Wert des Zeitabstands t₁ oder Vielfache hiervon vermindert wird. Ist die Belichtungszeit t₂ so gewählt, dass sie das Doppelte des Zeitabstands t₁ zwischen zwei aufeinanderfolgenden Stroboskopblitzen 10 beträgt, so bedeutet dies eine Halbierung der Belichtungszeit t₂.
Im umgekehrten Fall eines zu dunklen Bildes ist bei einem Ausführungsbeispiel vorgesehen, dass die Belichtungszeit t₂ um den Zeitabstand t₁ oder ein ganzzahliges Vielfaches hiervon verlängert wird.
Beispielsweise kann dies dadurch erreicht werden, dass die Belichtungszeit t₂ verdoppelt wird.
Auch bei diesen beschriebenen Ausführungsbeispiel kann eine feinere Korrektur oder eine noch feinere Abstimmung der gewünschten Bildhelligkeit durch eine nachgelagerten Anpassung eines Verstärkungsfaktors für das Ausgangssignal des Bildsensors 3 und/oder eine Anpassung einer Intensität der Stroboskopblitze 10 erfolgen.
Zur Ausführung des Verfahrens zur Regelung der Bildhelligkeit können ein oberer Helligkeitsschwellwert und ein unterer Helligkeitsschwellwert hinterlegt sein. Die beschriebenen Korrekturen oder Anpassungen können dann erfolgen, wenn die Bildhelligkeit aus dem durch die Helligkeitsschwellwerte vorgegebenen Bereich gelangt.
6 zeigt in einer stark vereinfachten Blockbilddarstellung einen Ablaufplan eines erfindungsgemäßen Verfahrens. In einem Startschritt 15 wird das Verfahren gestartet.
In einem Übermittlungsschritt 16 wird die Stroboskopfrequenz oder der Zeitabstand t₁ zwischen zwei Stroboskopblitzen 10, also die Periodendauer zu der Stroboskopfrequenz, übermittelt und eingelesen. Diese Information kann angereichert sein um Korrekturwerte, mit denen die Stroboskopfrequenz und/oder der Zeitabstand t₁ in der beschriebenen Weise korrigiert ist.
In der Ansteuerungseinrichtung 2 wird nun in einem Berechnungsschritt 17 die Belichtungszeit t₂ in der beschriebenen Weise ermittelt.
In einem Helligkeitsbestimmungsschritt 18 wird anschließend eine Bildhelligkeit, beispielsweise durch Übermittlung über alle oder ausgewählte Pixel, ermittelt.
In einem Abfrageschritt 19 wird anschließend geprüft, ob die Bildhelligkeit innerhalb eines Bereichs, der durch einen oberen Helligkeitsschwellwert und einen unteren Helligkeitsschwellwert definiert ist, liegt.
Liegt die Bildhelligkeit in diesem Bereich, so wird das Verfahren an der Alternative „y” fortgesetzt.
Liegt die Bildhelligkeit außerhalb dieses Bereiches, also überschreitet die Bildhelligkeit den oberen Helligkeitsschwellwert oder unterschreitet die Bildhelligkeit den unteren Helligkeitsschwellwert, so wird das Verfahren bei „n” fortgesetzt. Es wird dann in einem Anpassungsschritt 20 eine Veränderung eines von der Belichtungszeit t₂ verschiedenen Parameters vorgenommen, welcher die Bildhelligkeit beeinflusst. Dies kann beispielsweise eine Veränderung eines Verstärkungsfaktors des Bildsensors sein. Alternativ wird in dem Anpassungsschritt 20 die Belichtungszeit t2 um einen Zahlenfaktor verändert, beispielsweise verdoppelt oder halbiert, um die Bildhelligkeit in den Bereich zu bringen.
Durch diese Veränderung wird die Bildhelligkeit entweder verringert, wenn der obere Helligkeitsschwellwert überschritten wurde, oder es wird die Bildhelligkeit erhöht, wenn der untere Helligkeitsschwellwert unterschritten wurde.
In einem anschließenden Helligkeitsbestimmungsschritt 21 wird die Bildhelligkeit erneut bestimmt.
In einem zweiten Abfrageschritt wird erneut geprüft, ob die Bildhelligkeit in dem durch die Helligkeitsschwellwerte vorgegebenen Bereich liegt. Auf diese Weise kann geprüft werden, ob die Maßnahme in dem Anpassungsschritt 20 ausreichend war.
Liegt die Bildhelligkeit in dem Bereich, so wird das Verfahren in der Alternative „y” fortgesetzt.
Liegt die Bildhelligkeit außerhalb des erwähnten Bereichs, so wird das Verfahren bei „n” fortgesetzt und es wird in einem zweiten Anpassungsschritt ein anderer Parameter, welcher die Bildhelligkeit beeinflusst, verändert, bis die Bildhelligkeit in dem erwähnten Bereich liegt.
Dies kann beispielsweise eine Veränderung einer Intensität der erzeugten Stroboskopblitze 10 sein.
Anschließend wird das Verfahren erneut am Beginn fortgesetzt.
Bei einer Bildaufnahmevorrichtung 1 zur stroboskopischen Bildaufnahme wird vorgeschlagen, die Belichtungszeit t₂ auf eines Stroboskopfrequenz so abzustimmen, dass künstlich erzeugte Kontrastunterschiede, die aus einer Wechselwirkung der Stroboskopfrequenz mit der Belichtungszeit t₂ am Bildsensor 3 entstehen, vermindert sind.

Claims

Verfahren zur Bildaufnahme einer stroboskopisch beleuchteten Szene (7), wobei mit einem Bildsensor (3) die Szene (7) mit einer einstellbaren Belichtungszeit (t₂) aufgenommen wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Belichtungszeit (t₂) so eingestellt wird, dass künstlich erzeugte Kontrastunterschiede aufgrund des stroboskopischen Aufnahmeverfahrens verringert oder vermieden sind.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Bildsensor (3) in Pixelgruppen unterteilt ist, die zeitlich nacheinander zur Aufnahme der Szene (7) ausgelesen werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Pixelgruppen jeweils eine Zeile des Bildsensors (3) definieren.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Belichtungszeit (t₂) als Langzeitbelichtung eingestellt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Belichtungszeit (t₂) auf einen Wert, der größer als ein Doppeltes, bevorzugt größer als ein Dreifaches, eines Zeitabstandes (t₁) zwischen zwei aufeinander folgenden Stroboskopblitzen (10) ist, eingestellt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Belichtungszeit (t₂) auf einen Zeitabstand (t₁) zwischen zwei aufeinander folgenden Stroboskopblitzen (10) oder ein ganzzahliges Vielfaches dieses Zeitabstands (t₁) eingestellt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine Stroboskopfrequenz zur Einstellung der Belichtungszeit (t₂) verwendet, insbesondere ausgelesen und/oder bereitgestellt, wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die eingestellte Belichtungszeit (t₂) halbiert wird, wenn eine Bildhelligkeit einen oberen Helligkeitsschwellwert überschreitet, und/oder dass die ein Verstärkungsfaktor des Bildsensors (3) verändert wird, wenn eine Bildhelligkeit einen oberen Helligkeitsschwellwert überschreitet und/oder einen unteren Helligkeitsschwellwert unterschreitet.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine Intensität der Stroboskopblitze (10) verringert wird, wenn die oder eine Bildhelligkeit den oder einen oberen Helligkeitsschwellwert überschreitet, und/oder dass die oder eine Intensität der Stroboskopblitze (10) erhöht wird, wenn die oder eine Bildhelligkeit den oder einen unteren Helligkeitsschwellwert unterschreitet.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine Bildhelligkeit bei der Aufnahme durch Veränderung eines Verstärkungsfaktors des Bildsensors (3) eingestellt wird.
Bildaufnahmevorrichtung (1) mit einem Bildsensor (3) und einer Ansteuerungseinrichtung (2) des Bildsensors (3), dadurch gekennzeichnet, dass die Ansteuerungseinrichtung (2) zur Ausführung eines Verfahrens nach einem der vorangehenden Ansprüche eingerichtet ist.
Bildaufnahmevorrichtung (1) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass ein Eingang (11) zur Übermittlung einer Stroboskopfrequenz an die Ansteuerungseinrichtung (2) ausgebildet ist.
Bildaufnahmevorrichtung (1) nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Ansteuerungseinrichtung (2) zur Einstellung der Belichtungszeit (t₂) des Bildsensors (3) eingerichtet ist und/oder dass die Ansteuerungseinrichtung (2) zu einer Halbierung der oder einer Belichtungszeit (t₂) und/oder zu einer Verringerung einer Intensität von Stroboskopblitzen (10), wenn eine Bildhelligkeit einen oberen Helligkeitsschwellwert überschreitet, und/oder zu einer Erhöhung der oder einer Intensität von Stroboskopblitzen (10), wenn die oder eine Bildhelligkeit einen unteren Helligkeitsschwellwert unterschreitet, eingerichtet ist.
Bildaufnahmevorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 11 bis 13, umfassend wenigstens ein Element aus der Gruppe von: Stroboskoplampe (9), Stroboskopvorrichtung (8), Übermittlungseinrichtung (14) für die oder eine Stroboskopfrequenz, Endoskop (6).