-
Die Erfindung betrifft ein Verfahren
und ein System zum Auswerten einer mittels eines Bildsensors erfaßten optischen
Aufnahme. Der Bildsensor umfaßt
dabei eine Vielzahl von lichtempfindlichen Elementen, von denen
jedes zum Bestimmen eines Helligkeitswertes genau einer Farbe aus
einer vorgegebenen Anzahl von Farben vorgesehen ist. Somit werden
mit jedem Element Informationen zu der jeweils zugeordneten Farbe
erhalten. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Verwendung des erwähnten Systems
sowie ein Computerprogramm und ein Computerprogrammprodukt.
-
Bekannte ladungsgekoppelte Bildsensoren, sogenannte
CCD-Bildsensoren
(CCD: charge-coupled device), haben aufgrund ihrer Herkunft aus
dem Bereich der Videotechnik viel von dieser Technik übernommen.
Um farbige Bilder erzeugen zu können,
werden die einzelnen Elemente eines Bildsensors üblicherweise mit farbigen Mikrofiltern
versehen, so daß jedes
Element nur Licht eines bestimmten, eine Farbe repräsentierenden
Wellenlängenbereichs erfaßt und somit
nur hinsichtlich des Helligkeitswertes dieser Farbe Informationen
liefert, d. h. ein entsprechendes elektrisches Signal anlegt.
-
Üblicherweise
sind Elemente für
die drei Grundfarben Rot, Grün
und Blau vorgesehen, die dabei in der Regel im sogenannten Bayer-Mosaik
angeordnet sind. Ein auffälliges
Merkmal dieses ist es, daß auf
je einen roten und einen blauen Filter zwei grüne Filter kommen. Daher erfassen
typische Sensoren 50% des grünen,
25% des blauen und 25% des roten Lichts.
-
Da die Elektronik der Kamera für jeden
Bildpunkt bzw. jedes Pixel nur den exakten Helligkeitswert für genau
eine Farbe erhält,
müssen
die beiden anderen Farben jeweils aus den Werten der angrenzend
liegenden Pixel durch Interpolation berechnet werden.
-
Aus der Druckschrift
US 6 181 376 B1 ist bspw.
ein Verfahren zum Bestimmen fehlender Farbwerte für Bildpunkte
in einem Farbfilterarray bekannt. Bei dem Verfahren wird eine Interpolation
bekannter Farbwerte entlang diagonaler Linien durchgeführt.
-
In der Druckschrift
EP 0 720 387 A2 sind ein Verfahren
und eine Vorrichtung zum Erzeugen von Zeilensprungbildern von einem
Sensor mit progressiver Abtastung in einer elektronischen Kamera
beschrieben. Hierbei wird die erforderliche Taktrate herabgesetzt,
während
die Zeilensprungpixelwerte für alle
Farben in demselben Bereich bereitgestellt sind.
-
Viele Bildsensoren arbeiten im sogenannten Vollbildmodus
und können
nur jeweils vollständig ausgelesen
werden. Problematisch dabei ist, daß dies bei einem großen Bildsensor
relativ lange dauern kann, so daß kein flüssiges Livebild zum Fokussieren
oder zur Bildausschnittsbestimmung durch eine Objektpositionierung
oder eine Vergrößerungsanpassung
angezeigt werden kann.
-
Andere Bildsensoren arbeiten im klassischen
Halbbildverfahren der Videotechnik. Bei diesem Verfahren werden
abwechselnd die geraden oder die ungeraden Zeilen des Sensors belichtet
und ausgelesen. Die Halbbilder werden anschließend elektronisch zu Vollbildern
zusammengesetzt. Nachteilig da bei ist, daß dieser Vorgang sequentiell
ausgeführt
wird und daher komplizierte Verkämmungsalgorithmen
erforderlich sind, um das farbige Vollbild korrekt darzustellen.
-
Aufgabe der vorliegenden Erfindung
ist es daher, ein Verfahren und ein System vorzuschlagen, die es
erlauben, eine mittels eines Bildsensors erfaßte optische Aufnahme schnell
und einfach auszuwerten, um im Rahmen dessen bspw. eine Fokussierung oder
auch eine Objektpositionierung oder eine Vergrößerungsanpassung durchführen zu
können.
-
Zur Lösung der Aufgabe ist das erfindungsgemäße Verfahren
zum Auswerten einer mittels eines Bildsensors erfaßten optischen
Aufnahme, wobei der Bildsensor eine Vielzahl von lichtempfindlichen
Elementen umfaßt
und jedes der Elemente zum Bestimmen eines Helligkeitswertes genau
einer Farbe aus einer vorgegebenen Anzahl von Farben vorgesehen
ist, so daß mit
jedem Element Informationen zu der jeweils zugeordneten Farbe erhalten
werden, dadurch gekennzeichnet, daß eine der Farben aus der vorgegebenen
Anzahl von Farben ausgewählt wird
und bei der Auswertung nur Informationen der Elemente berücksichtigt
werden, die für
diese Farbe vorgesehen sind.
-
Es wird somit nur ein Farbauszug,
zweckmäßigerweise
derjenige mit den meisten Informationen, ausgelesen und der Rest
verworfen. Dadurch sinkt zwar die Auflösung entsprechend, doch ist
dies ist bei einem hochauflösenden
Sensor kaum bemerkbar. Die durch das Verfahren erzielte Zeitersparnis
beim Auslesen des Sensors bzw. beim Auswerten der erhaltenen Informationen
ist hingegen erheblich. Dazu kommt, daß die Reduktion der Anzahl
der Pixel bei vielen Anwendungen erwünscht ist. Da die Interpolation
entfällt,
können
außerdem
rauschärmere
Bilder erzeugt werden.
-
Vorzugsweise sind die Elemente des Bildsensors
matrixförmig
in Zeilen und Spalten angeordnet. In diesem Fall bietet es sich
an, daß wahlweise
nur gerade oder ungerade Zeilen des Bildsensors ausgelesen werden.
Bei dem auf diese Weise erzeugten Halbbild werden anschließend für die Auswertung
nur die Informationen der Elemente berücksichtigt, die für die ausgewählte Farbe
vorgesehen sind.
-
In dieser Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens
wird nur das gewünschte
Halbbild ausgelesen und nur die benötigten Farbinformationen daraus
ausgelesen. Eine zeitaufwendige Farbinterpolation ist nicht erforderlich.
Folglich muß auch eine
durch die Interpolation bedingte Verringerung der Auflösung nicht
hingenommen werden. Die resultierenden Bilder liegen in der ausgewählten Farbe vor,
wobei eine schnellere und rauschärmere
Darstellung der Bildinformation möglich ist.
-
Bei dem sogenannten Halbbildverfahren werden
nicht rechte oder linke Halbbilder, sondern gerade und/oder ungerade
Zeilen in ein Shiftregister geladen.
-
Üblicherweise
sind die Elemente für
die drei Grundfarben Rot, Grün
und Blau vorgesehen, wobei die Elemente vorzugsweise in einem Bayer-Mosaik angeordnet
sind.
-
In Ausgestaltung der Erfindung sind
die Elemente mit Farbmikrofiltern versehen. Diese stellen sicher,
daß nur
Licht eines bestimmten Wellenlängenbereichs
transmittiert und somit von dem betreffenden Element absorbiert
werden kann, so daß jedes Element
nur Informationen zu der Helligkeit bzw. Intensität des Lichts
eines Wellenlängenbereichs
und somit zu einer Farbe liefert, d. h. für diese vorgesehen ist.
-
Die Informationen der für die ausgewählte Farbe
vorgesehenen Elemente werden üblicherweise
als Bild auf einer Anzeigeeinheit dargestellt.
-
Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt eine schnelle
Fokussierung, Objektpositionierung und Vergrößerungsanpassung.
-
Das erfindungsgemäße System zum Auswerten einer
optischen Aufnahme weist einen Bildsensor zum Erfassen der optischen
Aufnahme und eine Recheneinheit zum Bearbeiten von mittels des Bildsensors
erhaltenen Informationen auf. Der Bildsensor umfaßt eine
Vielzahl von lichtempfindlichen Elementen, von denen jedes zum Bestimmen eines
Helligkeitswertes genau einer Farbe aus einer vorgegebenen Anzahl
von Farben vorgesehen ist. Das System zeichnet sich dadurch aus,
daß die
Recheneinheit ausgelegt ist, eine der Farben, vorzugsweise diejenige
mit dem größten zugeordneten
Informationsgehalt, auszuwählen
und außerdem
ausgelegt ist, bei der Auswertung nur Informationen der Elemente
zu berücksichtigen,
die für
die ausgewählte Farbe
vorgesehen sind.
-
Die Elemente des Bildsensors sind
vorzugsweise matrixförmig
in Zeilen und Spalten angeordnet.
-
In Ausgestaltung ist die Recheneinheit
derart ausgelegt, daß diese
wahlweise nur gerade oder ungerade Zeilen des Bildsensors ausliest.
Diese Auswahl erfolgt bevorzugt ebenfalls durch die Recheneinheit.
-
Weiter Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Systems
ergeben sich aus den Unteransprüchen.
-
Besonders geeignet ist das System
für die Auswertung
von monochromatischen Bildern, wie bspw. von Bildern in der Mikroskopie,
insbesondere der Fluoreszenz-Mikroskopie. In der Mikroskopie ist häufig nur
ein monochromatisches Bild vorhanden, wie bspw. bei der Fluoreszenz-Untersuchung
eines Objekts. Bei herkömmlichen
Verfahren werden mit vier Pixeln Farbinformationen aufgenommen.
Anschließend
wird dann für
jedes Pixel die Farbe anhand einer Interpolation mit den umliegenden
Pixelfarben berechnet. Dies ist zeitintensiv. Bei einem einfarbigen
Bild sind die übrigen
Pixel ohne Helligkeitsinformation und liefern daher nur Rauschen,
wodurch Bildverfälschungen
auftreten können.
Dies wurde bei herkömmlichen
Auslese- und Auswerteverfahren nicht berücksichtigt.
-
Durch den Einsatz des erfindungsgemäßen Verfahrens
kann die Bildrate bei der Fokussierung von monochromatischen Bilder,
wie sie bspw. in der Fluoreszenz-Mikroskopie häufig angewandt wird, gegenüber einem
herkömmlichen
Verfahren praktisch verdoppelt werden, da eines der beiden Halbbilder überhaupt
nicht verwendet wird. Durch den Verzicht auf eine Farbinterpolation
kann die Darstellung des Farbauszuges gegenüber bekannten Verfahren darüber hinaus
beschleunigt werden.
-
Die nicht zum gewählten Farbauszug gehörenden Farbpixel
werden weggelassen und können somit
nicht durch darin enthaltene Rauschinformationen den Farbauszug
stören.
Das Ergebnis ist ein rauscharmes, schnelles Graustufenbild zur optimalen
Fokussierung und Bildausschnittsbestimmung.
-
Das neue Verfahren kann durch Unterstützung von
speziellen sogenannten Readout-Modi bei der Ansteuerung eines CCD-Bildsensors bzw.
einer digitalen Kamera eingesetzt werden. Das Verfahren ist insbesondere
bei hochauflösenden
Bildsensoren zu empfehlen, da bei diesen die durch das Verfahren bewirkte
Reduzierung der Auflösung
nicht ins Gewicht fällt.
Bei Livebild-Darstellungen ist sogar häufig eine Reduktion der Anzahl
der Pixel erwünscht,
um komfortabel den gewünschten
Bildausschnitt (field of view) bestimmen zu können.
-
Das erfindungsgemäße Computerprogramm umfaßt Programmcodemittel,
um alle Schritte eines vorstehend beschriebenen Verfahrens auszuführen. Es
wird auf einem Computer oder einer entsprechenden Recheneinheit
ausgeführt.
-
Das erfindungsgemäße Computerprogrammprodukt
ist auf einem computerlesbaren Datenträger gespeichert. Als geeignete
Datenträger kommen
EEPROMs und Flashmemories, aber auch CD-ROMs, Disketten sowie Festplattenlaufwerke
in Betracht.
-
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen
der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden
Zeichnung.
-
Es versteht sich, daß die vorstehend
genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur
in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen
Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen
der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
-
Die Erfindung ist anhand von Ausführungsbeispielen
in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden unter Bezugnahme
auf die Zeichnung ausführlich
beschrieben.
-
- 1 verdeutlicht
das bekannte Halbbildverfahren.
- 2 zeigt schematisch
eine Ausführungsform des
erfindungsgemäßen Verfahrens.
- 3 zeigt schematisch
eine weitere Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Verfahrens.
- 4 zeigt schematisch
noch eine weitere Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Verfahrens.
- 5 zeigt in schematischer
Darstellung eine mögliche
Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
-
In 1 ist
zur Erläuterung
schematisch das herkömmliche
Halbbildverfahren wiedergegeben. Zu erkennen ist ein Bildsensor 10,
der eine Vielzahl von matrixförmig
in Zeilen und Spalten angeordneten lichtempfindlichen Elementen
aufweist, wobei Elemente 12 für die Farbe Grün, Elemente 14 für die Farbe
Rot und Elemente 16 für
die Farbe Blau vorgesehen sind. Die Elemente 12 sind somit
mit einem grünen
Farbmikrofilter, die Elemente 14 mit einem roten Farbmikrofilter
und die Elemente 16 mit einem blauen Farbmikrofilter versehen.
-
Zu erkennen ist, daß die Elemente 12, 14 und 16 für die drei
Grundfarben Rot, Grün
und Blau im sogenannten Bayer-Mosaik
angeordnet sind. Auf je einen roten und blauen Filter kommen dabei
zwei grüne
Filter.
-
Für
die erste, dritte, fünfte,
siebte und neunte Zeile, d. h. für
die ungeraden Zeilen des Bildsensors 10, wird ein erstes
Halbbild 18 und für
die zweite, vierte, sechste, achte und zehnte Zeile, d. h. für die geraden
Zeilen des Bildsensors 10, wird ein zweites Halbbild 20 erzeugt.
Dabei werden die beiden Halbbilder 18 und 20 dadurch
erzeugt, daß jeweils
die entsprechenden Zeilen zunächst
belichtet und dann ausgelesen werden.
-
Beim Halbbildverfahren werden abwechselnd
die geraden oder ungeraden Zeilen des Bildsensors 10 ausgelesen.
Die Halbbilder 18 und 20 werden anschließend typischerweise
elektronisch zusammengesetzt.
-
In den 2 bis 4 ist das erfindungsgemäße Verfahren
näher erläutert. Zu
erkennen ist wiederum ein Bildsensor 30, der eine Vielzahl
von matrixförmig angeordneten
Elementen 32, 34 und 36 aufweist, wobei
die Elemente 32 für
die Farbe Grün,
die Elemente 34 für
die Farbe Rot und die Elemente 36 für die Farbe Blau vorgesehen
sind.
-
Wie in 2 zu
erkennen ist, wird zunächst ein
erstes Halbbild 38 erzeugt, d. h. es werden nur die ungeraden
Zeilen des Bildsensors 30 ausgelesen. Dieses Halbbild 38 zeigt
nur grüne
und rote Bildpunkte. Anschließend
werden lediglich die Elemente 34 für die Farbe Rot berücksichtigt
und das Ergebnis in einem Bild 40, das einen roten Farbauszug
wiedergibt, dargestellt. Die Elemente 32 bzw. deren erhaltene
Informationen finden bei der weiteren Auswertung keine Berücksichtigung.
-
Die Pixelzahl des Bildes 40 ist
um Faktor 4 geringer als die Pixelzahl des Sensors 30.
Da aber keine Interpolationen durchgeführt werden müssen, kann
das Bild 40 schnell ermittelt werden. Mit diesem rauscharmen
Bild 40 ist anschließend
eine Fokussierung oder auch eine Bildausschnittsbewertung möglich.
-
In 3 ist
entsprechend ein zweites Halbbild 42 wiedergegeben, das
sich durch Auslesen der geraden Zeilen des Bildsensors 30 ergibt.
Aus diesem Halbbild 42 wird ein weiteres Bild 44,
das einen blauen Farbauszug wiedergibt, ermittelt, indem lediglich
die Elemente 36 für
die Farbe Blau berücksichtigt werden.
-
In 4 ist
das Halbbild 38 aus 2 wiederum
gezeigt. In diesem Fall wird aus dem Halbbild 38 ein Bild 46 erzeugt,
daß einen
grünen
Farbauszug wiedergibt.
-
Der grüne Farbauszug kann aus dem
ersten Halbbild 38 oder dem zweiten Halbbild 42 gewonnen werden.
-
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren
kann die Darstellung des Farbauszuges durch den Verzicht auf eine
Farbinterpolation gegenüber
herkömmlichen
Verfahren beschleunigt werden. Die nicht zum gewählten Farbauszug gehörenden Farbpixel
werden weggelassen und können
somit nicht durch darin enthaltene Rauschinformationen den Farbauszug stören.
-
In 5 ist
eine mögliche
Anwendung für das
erfindungsgemäße Verfahren
in schematischer Darstellung wiedergegeben. Zu erkennen ist ein
aufzunehmendes Objekt 50, ein Objektiv 52, ein
dichroitischer Strahlenteiler 54, ein Sperrfilter 56,
eine Tubuslinse 58, eine Mikroskopachse 60, eine
Bildebene bzw. ein Sensor 62, ein Anregungsfilter 64,
eine Kollektorllinse 66, eine Lichtquelle 68 und
eine Beleuchtungsachse 70.
-
In der gezeigten Darstellung liegt
ein fluoreszierendes Objekt 50 in der Brennebene des Objektivs 52 und
wird von diesem und der Tubuslinse 58 auf den Sensor 62 abgebildet.
Zwischen dem Objektiv 52 und der Tubuslinse 58 bildet
sich eine Zone mit einem sogenannten parallelen Strahlengang. In
dieser Zone können
optional Zusatzelemente eingeschoben werden. In der Fluoreszenz-Mikroskopie
ist dies üblicherweise,
der in 5 dargestellte
Strahlenteiler 54 zur Einkopplung einer Beleuchtung und
der Sperrfilter 56.
-
Der Sperrfilter 56 läßt nur Licht
mit der Wellenlänge
der von dem Objekt 50 emittierten Fluoreszenzstrahlung
passieren. Das kurzwellige Licht zur Fluoreszenzanregung wird von
dem Sperrfilter 56 nicht durchgelassen und kann folglich
auch nicht zur Bildentstehung beitragen.
-
Zur Beleuchtung des Objekts 50 wird
das Licht der Lichtquelle 68 von der Kollektorlinse 66 gebündelt und
von dem Strahlenteiler 54 in Richtung des Objekts 50 reflektiert.
Der Anregungsfilter 64 läßt lediglich Licht der Wellenlänge passieren,
die zur Anregung der Fluoreszenz dient. Beleuchtungslicht der Lichtquelle 68 der
langwelligeren Fluoreszenzstrahlung wird von dem Anregungsfilter 64 gesperrt
und kann so die Fluoreszenzstrahlung nicht überlagern und deren Sichtbarkeit
beeinträchtigen.
-
Zur Steigerung der Lichteffizienz
ist es dienlich, den Strahlenteiler 54 als dichroitischen
Strahlenteiler 54 auszubilden, da dieser das kurzwellige
Anregungslicht in hohem Maße
reflektiert und für
die langwellige Fluoreszenzstrahlung eine hohe Transmission aufweist.
-
Mittels dem in 5 gezeigten Aufbau wird ein monochromatisches
Bild erzeugt, daß gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren
ausgewertet werden kann.