DE19519687A1 - Verfahren zur nichtlinearen Schärfentiefenerweiterung farbiger, optischer Abbildungen transparenter Objekte mit raumorientierter Kontrastierung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur nichtlinearen Schärfentiefenerweiterung optischer Abbildungen.

Derartige Verfahren sind besonders für hochauflösende, optische Anordnungen, wie z. B. in der Mikroskopie interessant, da mit zunehmender lateraler optischer Auflösung die Schärfentiefe dramatisch abnimmt.

Oft sind die darzustellenden Objekte in ihrer räumlichen Ausdehnung jedoch größer als der Schärfentiefenbereich der optischen Anordnung, so daß die zweidimensionale Abbildung des Objektes unvollständig und deren Interpretation dementsprechend schwierig ist.

Es ist bekannt, daß sich durch Einsatz digitaler Bildverarbeitungsverfahren die Schärfentiefe optischer Abbildungen erweitern läßt. Der Bereich der Schärfentiefenerweiterung ist insbesondere bei nichtlinearen Verfahren prinzipiell unbegrenzt (vgl.: Pieper, R.-J., Korpel, A.: "Immage processing for extended depht of field", Applied Optics 22, 1449 (1983)).

Die Eingangsdaten derartiger Verfahren werden als Serien optischer Abbildungen in Form von Schnittbildstapeln aufgenommen. In einem ersten Prozeßabschnitt der Bildanalyse werden durch ein Schärfekriterium die Orte lokaler Schärfe in den einzelnen Abbildungen des Schnittbildstapels festgestellt und jedem Bildelement eines jeden Teilbildes des Schnittbildstapels ein Schärfewert zugewiesen.

In einem zweiten Prozeßabschnitt der Bildsynthese werden die Pixelintensitäten derjenigen Bildorte, die durch das Schärfekriterium als scharf erkannt wurden in das Ergebnisbild übernommen. Auf diese Weise wird die optische Abbildung des gesamten Objektraumes, der zuvor durch den Schnittbildstapel erfaßt wurde, mit erweiterter Schärfentiefe rekonstruiert.

Durch den eingangs geschilderten Verfahrensablauf konnten bisher nur schwarz-weiß-Abbildungen verarbeitet werden. Der Grund dafür ist, daß im Prozeßabschnitt der Bildanalyse die Anwendung des Schärfekriteriums auf der Auswertung von Pixelintensitätsdifferenzen beruht. Diese Methode läßt sich jedoch nicht zufriedenstellend auf vollfarbige Halbtonbilder anwenden, da es hier unzureichend ist, nur mit Intensitätsdifferenzen zu operieren, ohne die Farbinformationen zur Schärfeerkennung mit einzubeziehen.

Des weiteren konnten bisher nur lichtundurchlässige Objektstrukturen verarbeitet werden. Der Grund dafür ist, daß für den Prozeßabschnitt der Bildsynthese bisher zur Rekonstruktion des Ergebnisbildes nur jeweils diskrete Ebenen des Schnittbildstapels mit optimaler Fokusposition durch das Schärfekriterium gefunden und in das Ergebnisbild übernommen wurden.

Mit transparenten Objekten, für die das Auftreten von mehreren scharfen, aber in unterschiedlichen Fokusebenen übereinanderliegenden Bildelementen charakteristisch ist, sind die bisherigen Verfahren zur Bildsynthese überfordert, da es hier nicht mehr möglich ist, jedem Bildbereich des Ergebnisbildes einen diskreten Bildbereich aus einem der Teilbilder des Schnittbildstapels zuzuweisen.

Desweiteren ist die Interpretation schärfentiefenerweiterter Abbildungen insbesondere bei großen Raumtiefen erschwert. Der Grund dafür liegt in der Zunahme räumlich nicht mehr zuordenbarer Bildinformationen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Anwendung des Verfahrens der nichtlinearen Schärfentiefenerweiterung optischer Abbildungen für farbige, transparente Objektstrukturen zu ermöglichen und die mit zunehmender Raumtiefe auftretenden Interpretationsschwierigkeiten zu vermeiden.

Die Lösung dieser Aufgabe ermöglicht die Anwendung des Verfahrens insbesondere bei der konventionellen, hochauflösenden Lichtmikroskopie im Bereich der Durchlichtbeleuchtung und erschließt damit einen wesentlichen Anwendungsbereich der mikroskopischen Technik.

Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs beschriebenen Art durch die im kennzeichnenden Teil der Ansprüche 1-3 angeführten Maßnahmen gelöst.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß bei einem Verfahren der eingangs geschilderten Art die Schärfeanalyse farbiger Objektstrukturen nicht durch mehrfache Anwendung des Schärfekriteriums auf die einzelnen, in RGB-Anteile zerlegten Teilbilder eines Farbbildes erreicht werden kann.

Zur Lösung dieses Problems werden erfindungsgemäß die RGB-Anteile jedes Farbpixels in ein räumliches Farbbeschreibungsmodell transformiert. Dadurch kann nun jedem Pixel ein Ort im Farbraummodell (2 bis n Dimensionen) des jeweiligen Farbbeschreibungsmodelles zugewiesen werden. Die Pixelintensitätsdifferenzen, welche ursprünglich das Argument des Schärfekriteriums bildeten, werden nun durch Ortsdifferenzen der Pixel im jeweiligen Farbraummodell ersetzt. Durch das Schärfekriterium werden deshalb nicht mehr Pixelintensitätsdifferenzen, sondern Ortsdifferenzen der jeweiligen Pixel in einem mehrdimensionalen Farbbeschreibungsmodell ausgewertet. Dadurch kann das Schärfekriterium auch auf farbige Bilder angewendet werden.

Des weiteren liegt der Erfindung die Erkenntnis zugrunde, daß bei transparenten Objekten (typische biologische Objekte) scharfe Bilddetails in mehreren, übereinander liegenden Schnittbildebenen am gleichen Ort innerhalb der Schnittbilder der Schnittbildserie auftreten können. Die bisherigen Bildsyntheseverfahren lassen jedoch zur Rekonstruktion des Ergebnisbildes nur Informationen aus einer diskreten Schnittbildebene zu. Für eine korrekte Abbildung müssen jedoch auch als scharf erkannte, übereinanderliegenden Objektstrukturen verschiedener Schnittbildebenen im Ergebnisbild dargestellt werden.

Erfindungsgemäß werden zur synthetischen Rekonstruktion schärfentiefenerweiterter Abbildungen transparenter Objekte Bildinformationen aus allen Bildebenen des Schnittbildstapels zugelassen.

Dazu wird der Anteil der Bildinformation, der dabei aus den betreffenden Bildelementen der einzelnen Schnittbildebenen zur Rekonstruktion der Bildelemente des Ergebnisbildes dient, durch eine Wichtungsfunktion gesteuert. Als Argument der Wichtungsfunktion dienen die im Prozeßabschnitt der Bildanalyse vom Schärfekriterium erzeugten Schärfewerte.

Auch bei nichttransparenten Objekten bringt die Korrelierung mehrerer Schnittbildebenen qualitative Vorteile bei der Bildrekonstruktion.

Für die Rekonstruktion des Ergebnisbildes im Prozeßabschnitt der Bildsynthese kommt der Wichtungsfunktion die gleiche entscheidende Bedeutung zu, wie dem Schärfekriterium im Prozeßabschnitt der Bildsynthese. Durch sie wird die Verteilung der Bildinformationen aus allen Bildebenen des Schnittbildstapels gesteuert, so daß auch transparente Objektstrukturen mit mehreren longitudinal verteilten Bereichen lokaler Schärfe verarbeitet werden können.

Des weiteren liegt der Erfindung die Erkenntnis zugrunde, daß schärfentiefenerweiterte Abbildungen mit zunehmender Tiefe des abzubildenden Objektraumes zu Interpretationsschwierigkeiten führen. Dies ist insbesondere bei transparenten Objektstrukturen im Durchlicht der Fall und wird durch die Zunahme räumlich nicht mehr zuordenbarer Bildinformationen verursacht.

Diese Schwierigkeiten können durch eine zusätzliche Steuerung des Bildsyntheseprozesses vermieden werden.

Erfindungsgemäß besteht diese zusätzliche Steuerung des Bildsyntheseprozesses darin, daß über ein Selektionskriterium ausgewählte Bildorte innerhalb des Schnittbildstapels bevorzugt zur Rekonstruktion des Ergebnisbildes zugelassen werden. Das führt dazu, daß in der schärfentiefenerweiterten Abbildung nur ein ausgewählter Bereich des Objektraumes zur Darstellung gelangt, wodurch die raumorientierte Kontrastierung des Ergebnisbildes entsteht.

Die Wichtungsfunktion verarbeitet also zusätzlich zur lokalen Schärfe einen weiteren Parameter. Dieser Parameter kann verschiedenartig erzeugt werden.

Erfindungsgemäß wird insbesondere zum optischen Öffnen räumlich geschlossener Strukturen und der transparenten oder isolierten Darstellung innerer Strukturbereiche des Objektes ein Abbildungsraum innerhalb des Schnittbildstapels definiert. Aufgabe des Selektionskriteriums ist es, nur die Bildelemente bevorzugt bei der Synthese des Ergebnisbildes einfließen zu lassen, die innerhalb dieses Abbildungsraumes liegen.

Die Auswahl der Bildorte kann aber auch von anderen Parametern abhängig gemacht werden. Diese können z. B. bestimmte, im Farbraum kodierte Eigenschaften, des abzubildenden Objektes oder die Reihenfolge des Auftretens lokaler Schärfe sein.

Erfindungsgemäß werden zur Darstellung der Oberflächengestalt transparenter Objekte vom Selektionskriterium nur die als scharf erkannten Bildorte zur Rekonstruktion des Ergebnisbildes bevorzugt zugelassen, die innerhalb des Schnittbildstapels, in longitudinaler Richtung in der Reihenfolge ihres Auftretens den obersten oder untersten Ort lokaler Schärfe darstellen. Dadurch ist es möglich, transparente Durchlichtobjekte sichtbar zu machen, indem lichtdurchlässige Objektteile ihre Durchsichtigkeit verlieren.

Claims (5)

1. Verfahren zur nichtlinearen Schärfentiefenerweiterung farbiger optischer Abbildungen transparenter Objekte mit raumorientierter Kontrastierung, dadurch gekennzeichnet, daß im Prozeßabschnitt der Bildanalyse zur lokalen Schärfeerkennung in farbigen Abbildungen das Schärfekriterium Ortsdifferenzen der Pixel im Farbraummodell eines beliebigen, n-dimensionalen Farbbeschreibungsmodelles auswertet.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß insbesondere für die Darstellung transparenter Objekte im Prozeßabschnitt der Bildsynthese zur synthetischen Rekonstruktion des Ergebnisbildes Bildinformationen aus allen Bildebenen des Schnittbildstapels zugelassen werden, wobei der Anteil der einzelnen Bildelemente der verschiedenen Schnittbildebenen am Ergebnisbild durch eine Wichtungsfunktion gesteuert wird, deren Argumente jeweils die vom Schärfekriterium gebildeten Schärfewerte dieser Bildelemente sind.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur raumorientierten Kontrastierung im Prozeßabschnitt der Bildsynthese bei der synthetischen Rekonstruktion des Ergebnisbildes über ein Selektionskriterium ausgewählte, auf den Schnittbildstapel bezogene Bildorte, bevorzugt zugelassen werden.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zum optischen Öffnen räumlich geschlossener Strukturen die über das Selektionskriterium zur synthetischen Rekonstruktion des Ergebnisbildes bevorzugt zugelassenen Bildorte durch Definition eines auf den Schnittbildstapel bezogenen Abbildungsraumes ausgewählt werden.

5. Verfahren nach Anspruch 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur Darstellung der Oberflächengestalt transparenter Objekte die über das Selektionskriterium zur synthetischen Rekonstruktion des Ergebnisbildes bevorzugt zugelassenen Bildorte dem in der Reihenfolge ihres Auftretens innerhalb des Schnittbildstapels in longitudinaler Richtung obersten oder untersten Ort lokaler Schärfe entsprechen.