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Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Messung des Informationsgehaltes
eines Bildes oder eines Originals sowie zur Messung der Druckgüte einer Reproduktion
durch Vergleich der Reproduktion mit einem Bezugsbild oder Original. Die Erfindung
ist selbstverständlich auch außerhalb der Drucktechnik einsetzbar, insbesondere
dann, wenn es darum geht, die Ubertragungsgüte beliebiger Reproduktionsverfahren
zu beurteilen. Dies gilt insbesondere für die Anwendung der Erfindung in der Photographie.
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Die informationstheoretischen Begriffe sind nach der NTG-0102-Empfehlung
gewählt mit der Ausnahme, daß der mittlere Informationsgehalt bzw. der mittlere
Transinformationsgehalt einfach mit Informationsgehalt bzw. Transinformationsgehalt
bezeichnet werden.
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Die Druckqualität kann heute für die überwiegende Zahl der Bildmotive
nur durch den Drucker beurteilt werden, der ein subjektives Werturteil auf Grund
seiner Erfahrung fällt. Das Fehlen eines objektiven, meßbaren Bewertungsmaßes führt
häufig zu Meinungsverschiedenheiten bei der Beurteilung von Drucken, insbesondere
bei der Abnahme der Druckprodukte durch den Kunden. Eine meßbare Druckgüte als Maß
für die Druckqualität ermöglicht eine objektive Qualitätskontrolle während des Druckprozesses
unter Einhaltung vorgegebener Toleranzen.
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Mit der Meßbarkeit der Druckgüte wird auch der Weg frei für eine
Qualitätsregelung drucktechnischer Prozesse sowie für das Simulieren dieser Prozesse
mit Hilfe von Computern. Letzteres ist für die Optimierung der Verfahren von Bedeutung.
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Es ist bekannt, daß man die Druckqualität von Volltonflächen mit
Hilfe von Meßgeräten beurteilen kann. In einer bekannten Ausführung wird die Schwärzung
bzw. Farbdichte und Gleichmäßigkeit von Volltonflächen erfaßt. Dabei wird eine Meßfläche
punktweise abgetastet und der mittlere Remissionsgrad als Maß für die Schwärzung
sowie die Standardabweichung des Remissionsgrades als Maß für die Gleichmäßigkeit
der Volltonfläche gemessen. Für ein Bildmotiv mit mehreren unterscheidbaren Farben
ist noch kein brauchbares Verfahren zur objektiven Messung einer Druckgüte als Maß
für die Druckqualität bekannt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung zu schaffen,
mit deren Hilfe der Informationsgehalt eines Bildes oder des dargestellten Objekts
sowie die Druckgüte beim Vergleich einer Reproduktion mit dem Bezugsbild gemessen
werden kann, wobei der jeweilige Zahlenwert eine dem Durchschnittsempfinden des
Druckers angepaßte Größe ist.
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Dabei kann das Bezugsbild auch das Original selbst sein.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die von den
einzelnen Bildelementen ausgehenden Farbreize nach ihrer Messung durch ein Farbmeßgerät
in einem Rechner einzelnen sich in ihrer Begrenzung berührenden Farbraumelementen
zugeordnet werden, deren Größe, Form und Lage im Farbraum vom spektralen Auflösevermögen
des menschlichen Beobachters bei Vorhandensein eines Bezugsreizes im Innern des
Raumelementes bestimmt wird, sowie daß durch Abtasten der jeweils betrachteten Bildfläche
die Häufigkeiten der auf ihr beobachteten Farbraumelemente gemessen werden, ferner
daß durch Abtasten örtlich einander zugeordneter Bffdelemente der Reproduktion und
des Bezugsbildes bedingte Häufigkeiten der Farbraumelemente gemessen werden. Mit
Hilfe der gemessenen Häufigkeiten können der Informationsgehalt eines Bildes sowie
beim Vergleich einer Reproduktion mit dem Bezugsbild oder Original die im sogenannten
Bergerschen Diagramm dargestellten Informationsgehalte und die davon abgeleitete
Druckgüte berechnet werden. Diese Druckgüte wird im folgenden mit Hilfe der Informationstheorie
noch näher definiert. Ebenfalls wird die bedingte Häufigkeit weiter unten näher
erläutert.
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Jede Farbe kann durch die additive Mischung von drei Grundfarben
erzeugt werden. Aus diesem Grunde kann man jede Farbe als Vektor in einem Farbraum
darstellen, der von den Vektoren dreier Grundfarben aufgespannt wird. Bei der praktischen
Farbmessung wird der Farbraum nach dem CIE-System (DIN 5033) verwendet. Der Mensch
kann nun nicht beliebig kleine Farbunterschiede wahrnehmen, sondern nur Farben,
die sich um einen Mindestwert voneinander unterscheiden. Daher kann man um jede
Spitze dieser Vektoren ein Raumelement (Farbraumelement) legen, innerhalb dessen
sich die Spitzen sämtlicher Farbvektoren befinden, für die ein Betrachter keine
unterschiedlichen Farbreize empfindet. Da jedem Farbvektor des Farbraums ein Farbraumelement
zugeordnet werden kann und die Vektoren beliebig dicht beieinander liegen können,
durchdringen die Farbraumelemente einander. Man kann jedoch auch den Farbraum in
einzelne aneinander grenzende Farbraumelemente unterteilen. Diese digitale Betrachtungsweise
ist ebenso genau wie die Betrachtung der sich durchdringenden Farbraumelemente,
falls die aneinander grenzenden Farbraumelemente genügend klein sind. Eine detaillierte
Beschreibung des in einzelne Farbraumelemente unterteilten Farbraums ist in der
Zeitschrift »Archiv für Drucktechnik«, Februar 1969, S. 133 ff., angegeben. Dort
findet sich auch ein Hinweis auf eine mögliche Transformation der Farbraumelemente
aus dem CIE-System in einen Farbraum nach Moon und Spencer (J. opt. Soc.
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Amer., 33 [1943], S. 260 bis 269), in dem die Farbraumelemente als
Würfel gleicher Kantenlänge wiedererscheinen.
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Nach der erfindungsgemäßen Lösung der gestellten Aufgabe wird also
der Farbraum in einzelne sich berührende Farbraumelemente zerlegt, deren Größe,
Form und Lage im Farbraum vom spektralen Auflösungsvermögen des menschlichen Normalbeobachters
bestimmt werden. Dabei sollen die Farbraumelemente innerhalb des vom Mittelpunktfarbreiz
abhängigen Bereichs liegen, um Fehler durch die digitale Betrachtungsweise auszuschalten.
Die für die Messung interessante Bildfläche wird in einzelne Bildelemente aufgeteilt,
deren Größe von der Feinheit der dargestellten oder drucktechnisch darstellbaren
Details des Bezugsbildes oder Originals, letztlich jedoch vom flächenhaften Auflösungsvermögen
des menschlichen Auges bestimmt wird. Der vom einzelnen Bildelement ausgehende Farbreiz
wird demnach farbmetrisch gemessen und dem zugehörigen Farbraumelement in einem
dem Farbmeßgerät nachgeschalteten Rechner zugeordnet. Auf diese Weise liegen alle
vom Auge als gleich empfundenen Farbreize in ein und demselben Farbraumelement.
Durch das Abtasten der Meßfiäche mit dem Farbmeßgerät können die Häufigkeiten der
Farbraumelemente auf der betrachteten Meßfläche gemessen werden.
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Beim Vergleich von Reproduktion und Bezugsbild lassen sich zusätzlich
bedingte Häufigkeiten der Farbraumelemente bestimmen, wobei nur solche paarweise
einander zugeordnete Bildelemente von Reproduktion und Original bei der Zählung
berücksichtigt werden, die einem bestimmten Farbraumelement in den zugehörigen Bildelementen
des Vergleichsbildes zugeordnet sind. Mit Hilfe der verschiedenen Häufigkeiten der
Farbraumelemente lassen sich die relativen Häufigkeiten bestimmen. Diese können
in bekannter Weise mit guter Näherung den entsprechenden Wahrscheinlichkeiten gleichgesetzt
werden. So erhält man die Verteilung der Wahrscheinlichkeiten für das Auftreten
der einzelnen Farbraumelemente auf der betrachteten Bildfläche sowie weitere für
die Berechnung der interessierenden informationstheoretischen Größen erforderliche
Wahrscheinlichkeiten, insbesondere die Ubergangs- und Rückschlußwahrscheinlichkeiten
beim Vergleich von Reproduktion mit dem Bezugsbild. Die im Bergerschen Diagramm
dargestellten Informationsgehalte lassen sich nach bekannten Gleichungen der Informationstheorie
berechnen. Mit Hilfe dieser Informationsgehalte läßt sich eine Druckgüte zur Beurteilung
der Druckqualität definieren. Der jeweilige Zahlenwert kann bei bekannten informationstheoretischen
Größen ermittelt werden.
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Die genannten Farbraumelemente sind bei einer bevorzugten Ausführungsform
des Erfindungsgegenstandes Quader. Hierdurch wird die Programmierung des Rechners
vereinfacht, ohne daß die Qualität des Vergleichs darunter leidet. Ferner kann es
vorteilhaft sein, wenn bei der Messung der Druckgüte die einander zugeordneten Bildelemente
der Reproduktion und des Bezugsbildes synchron gemessen werden.
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Dies ist in der Regel weniger aufwendig als ein Vergleich der beiden
Bildelementmengen nach ihrer Speicherung.
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Die Erfindung ist im folgenden an Hand eines Ausführungsbeispiels
näher erläutert. In der Figur ist ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Einrichtung
dargestellt.
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Für den Fall, daß nur der Informationsgehalt eines Bildes bestimmt
werden soll, arbeitet das Gerät wie folgt: Ein Farbmeßgerät tastet die interessierende
Bildfläche punktweise ab und mißt dabei den Farbreiz jedes einzelnen Bildelementes.
Dies kann in zur Zeit zulässigster Weise durch Aufnahme der spektralen Remissionsfunktion
A(A) (Spektralverfahren nach DIN 5033 Blatt 4) oder ungenauer durch eine Farbzerlegung
mittels Filter in drei Grundfarben (Dreibereichsverfahren nach DIN 5033 Blatt 6)
geschehen.
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Bei der Messung nach dem Dreibereichsverfahren könnte das Farbmeßgerät
beispielsweise eine Farbfernsehkamera sein, welche die Bildfläche zeilenweise abtastet.
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Vor der Messung wird der Abstand a zwischen Farbmeßgerät und Bildfläche
so eingestellt, daß jedes Bildelement nur einmal abgetastet wird. Durch diese Einstellung
des Beobachtungsabstandes wird die Größe des Bildelements dem flächenhaften Auflösevermögen
des Farbmeßgerätes und damit auch dem des menschlichen Auges angepaßt. Die Ausgangssignale
des Farbmeßgerätes gelangen in einen Rechner, der bei Anwendung des Spektralverfahrens
zunächst die Normfarbwerte X, Y, Z des betrachteten Bildelementes mit Hilfe der
spektralen Remissionsfunktion A(A) errechnet. Anschließend stellt er fest, in
welchem
Farbraumelement die Spitze des gemessenen Farbvektors liegt.
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Nach dem Abtasten des gesamten Bildes befinden sich auf den einzelnen
Speicherplätzen Zahlen, die angeben, wie häufig die einzelnen Elemente des Farbraumes
auf der Bildfläche vertreten sind. Diese Häufigkeitswerte gehen nun an den Rechner
zurück, der durch Division mit der Gesamtzahl der abgetasteten Bildelemente die
relativen Häufigkeiten ermittelt, die in bekannter Weise den Wahrscheinlichkeiten
p(Fi) für das Auftreten der einzelnen Farbraumelemente auf der Bildfläche gleichgesetzt
werden können (vgl. der angegebene Aufsatz in »Archiv für Drucktechnik«). Mit diesen
Wahrscheinlichkeiten errechnet der Computer den gesuchten Informationsgehalt des
Bildes nach der Beziehung
Bit/Bildelement, wobei zf die Anzahl der beobachteten unterschiedlichen Farbraumelemente
bedeutet.
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Der Entscheidungsgehalt Ho berechnet sich nach der Beziehung H" =
la' Id fBit/Bildelement.
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Damit läßt sich auch in bekannter Weise die Redundanz (siehe z. B.
NTG 0102) sowie die Gehalte des Gesamtbildes bestimmen.
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Letztere berechnen sich nach der Beziehung HF = N H Bit bzw.
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HOF = N H0 Bit mit N, der Anzahl der auf der Bildfläche vorhandenen
Bildelemente.
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Soll der Zahlenwert der Druckgüte bestimmt werden, so müssen neben
dem Informationsgehalt vom Bezugsbild (Original) und Reproduktion noch die restlichen
im Bergerschen Diagramm enthaltenen Informationsgehalte ermittelt werden.
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In diesem Fall arbeitet das Gerät wie folgt: Unter Wahrung der paarweisen,
gegenseitigen örtlichen Zuordnungder Bildelementewerden Bezugsbild (Original) und
Reproduktion entweder hintereinander oder gleichzeitig unter das Farbmeßgerät gelegt.
Dieses tastet die Bildelemente von Vorlage und Reproduktion zeilenweise ab und ermittelt
die Wahrscheinlichkeiten für das Auftreten der Farbraumelemente in Reproduktion
und Bezugsbild (Original). Bei gegebener örtlicher Zuordnung der Bildelemente von
Vorlage und Reproduktion stellt das Gerät ferner fest, wie oft ein bestimmtes Farbraumelement
des Bezugsbildes mit den verschiedenen Farbraumelementen der Reproduktion paarweise
verknüpft wird.
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Die Messung dieser zuletzt genannten sogenannten bedingten Häufigkeiten
kann entweder für alle Farbraumelemente des Bezugsbildes gleichzeitig in einem Abtastvorgang
oder für jedes Farbraumelement des Bezugsbildes gesondert in insgesamt m Abtastvorgängen
erfolgen, wobei m die Zahl der Farbraumelemente im Bezugsbild ist. Im ersten Fall
ist der Speicherplatzbedarf m-mal größer als bei der zweiten Meßmethode, die im
wesentlichen mit derjenigen zur Bestimmung des Informationsgehaltes eines Bildes
übereinstimmt.
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Mit diesen bedingten Häufigkeiten kann der Rechner die Ubcrgangswahrscheinlichkeiten
und die Rückschlußwahrscheinlichkeiten bestimmen. Damit ist der Rechner auch in
der Lage, die im Bergerschen Diagramm dargestellten Informationsgehalte sowie die
damit verknüpfte Druckgüte zu ermitteln.
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Bei genauester Messung tastet das Farbmeßgersit sämtliche Bildelemente
auf der Bildfläche ab, wobei die Größe der Bildelemente von der Feinheit der dargestellten
oder drucktechnisch darstellbaren Details, letztlich jedoch vom flächenhaften Auflösevermögen
des menschlichen Auges, bestimmt wird. Erfordert diese Verfahrensweise zuviel Meß-
und Rechenzeit oder zu viele Speicherplätze, so kann die Untersuchung auf einzelne,
beispielsweise dem Inhalt der Information nach besonders interessante Bildpartien
beschränkt werden.
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Die Ermittlung des Zahlenwerts der Druckgüte geschieht rechnerisch
folgendermaßen: Als Grundlage dient das Bergersche Diagramm (vergleiche z. B.
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J. Peters, »Einführung in die allgemeine Informationstheorie«, Springer,
1967, S. 174). Dieses Bergersche Diagramm zeigt die Anderung des Informationsgehaltes
H(x) am Eingang eines Ubertragungskanals gegenüber dem Informationsgehalt H(r) am
Ausgang dieses Ubertragungskanals. Die Störungen bei der
Ubertragung der Information
durch den Ubertragungskanal führen sowohl zu einem Informationsverlust, der Aquivokation
Hy(x), wie auch zu unerwünschter Information am Kanalausgang, der Irrelevanz Hx(y).
Dabei ist die Aquivokation Hy(x) derjenige Teil des Informationsgehaltes der Signale
am Eingang des Ubertragungskanals, der bei der Ubertragung verlorengeht. Die Irrelevanz
Hx(j') ist derjenige Teil des Informationsgehaltes der Signale am Ausgang des Ubertragungskanals,
der bei der Ubertragung neu hinzugekommen ist.
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Im folgenden bezeichnet die Größe x die Signale am Eingang des Informationskanals
oder auf die Drucktechnik bezogen die Vorlage, Bezugsbild oder Original und die
Größer die Signale am Ausgang des Kanals bzw. die Reproduktion. Ferner wird im folgenden
nur der Begriff »Vorlage« verwendet, der sinngemäß auch ein Bezugsbild oder Original
beinhalten soll. Der Transformationsgehalt R ist von der Verteilung der Wahrscheinlichkeiten
p(xi) am Eingang bzw. p(yj) am Ausgang sowie von den Ubertragungseigenschaften des
Kanals abhängig, die durch die Ubergangswahrscheinlichkeiten p"i(j) bzw. durch die
Rückschlußwahrscheinlichkeiten p,j(xi) gegeben sind.
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Die Druckgüte q kann nun unter Hinzuziehung thermodynamischer Gleichungen
sinnvoll als HO + R 11o + R q = 11o + HX(Y) +Hx(y) HO + H(y) + H) (X) HO + R = HO
+ R Ho + R + Hx(y) + Hy(x) Ho + H(x@y) mit H(r) = R + Hx(y) und H(x;!) = R + Hx(y)
+ Hy(x) H(x) = R+Hy(x) definiert werden. Der Transinformationsgehalt R ist durch
folgende Gleichung bestimmt
Bit/Bildelement.
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Hierin sind p(xi) die Wahrscheinlichkeit für das Auftreten des Farbraumelementes
xi auf der Vorlage, p (3:') die Wahrscheinlichkeit für das Auftreten des Farbelementes
xj auf der Reproduktion, p(xi; yj) die Wahrscheinlichkeit für aas gemeinsame Auftreten
der Farbraumelemente xi und yj in paarweise einander zugeordneten Bildelementen
der Vorlage und Re-Produktion.
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Summiert wird in der Gleichung für R für alle Farbraumelemente von
Vorlage und Reproduktion. Die angegebenen Wahrscheinlichkeiten werden wie oben angegeben
bestimmt.
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Ferner sind der Informationsgehalt H(x) der Vorlage und derjenige
der Reproduktion H(y) durch folgende Gleichungen gegeben:
Die Größe Ho in der Gleichung für die Druckgüte ist eine Entropie, die der idealen
Volltonflächc zu-
geordnet wird. t)a die ideale Volltonfläche keinen Informationsgehalt
besitzt, ist 11o im Bereich der Informationstheorie ohne Bedeutung und somit frei
wählbar. Die Konstante H(, ermöglicht gewissermaßen die Anpassung der Druckgüte
q an eine bestimmte dem Drucker im jeweiligen Fall geläufige Wertskala für die Druckqualität.
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Mit den Größen R, 11(x), K(y) und 11o ist die Druckgüte q berechenbar.