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Die
Erfindung bezieht sich auf einen Filmabtaster mit einem Bildaufnehmer
(4) zur Aufnahme von Filmbildern und einer Abtastvorrichtung
(13) wenigstens zur Abtastung eines einem Filmbild zugeordneten
Perforationsloches.
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Zur
Umsetzung von kinematografischem Filmmaterial in elektronische Signale
wird ein Film in einem Filmabtaster an einer opto-elektronischen
Abtastvorrichtung vorbei- bzw. hindurchgeführt. Hierbei besteht seit jeher
das Problem, die Bildlage von aufeinanderfolgend abgetasteten Bildern
konstant zu halten. Die teils periodischen, teils statistischen Schwankungen
der Bildlage, die als Bildstandsfehler bezeichnet werden, können verschiedene
Ursachen haben. Zum einen kann es sich dabei um Positionierungsfehler
sowohl in der Aufnahmekamera als auch in der Negativ-/Positiv-Kopiermaschine
handeln. Zum anderen können
aber auch Bildlagefehler und Gleichlauffehler des Filmabtasters
zu weiteren Bildstandsfehlern führen.
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Zur
Reduzierung der Bildstandsfehler bestehen verschiedene Lösungsansätze, wobei
es u.a. aus
DE 37 36
789 C2 bekannt ist, als Bezugspunkt für jedes abgetastete Filmbild
jeweils ein, diesem Filmbild zugeordnetes Perforationsloch abzutasten. Durch
eine Abtastanordnung, beispielsweise einen Zeilensensor, der gegenüber der
Filmlaufrichtung um einen gewissen Winkel geneigt angeordnet ist,
werden impulsförmige
Signale erzeugt, die mit gespeicherten Referenzmustern verglichen
werden. Aus der zeitlichen Ablage von dem jeweils aktuell abgetastetem
impulsförmigen
Signal zu dem gespeicherten Referenzmuster werden in einer Rechenschaltung
die Horizontal- und Vertikalablage des jeweils abgetasteten Perforationslochs
als Horizontal- und Vertikal-Vektorsignale bestimmt. Diese Vektorsignale werden
einer Korrekturschaltung zugeführt,
in welcher das abgetastete Filmbild entsprechend der vermessenen
Horizontal- und Vertikalablage des Perforationslochs in jeweils
entgegengesetzter Richtung verschoben wird. Die Verwendung der Perforationslöcher als
Bezugspunkte für
die Filmbilder hat den Vorteil, daß mechanisch bedingte Positionierungsfehler
des Films weitgehend kompensiert werden können, weil die Positionen des
jeweils abgetasteten Positionslochs und des zugeordneten Filmbildes
mit meist sehr geringer Toleranz miteinander verkoppelt sind.
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Die
Bestimmung der Position eines Perforationsloches nach dem bekannten
Stand der Technik setzt jedoch voraus, dass die Geometrie eines
abgetasteten Perforationsloches mit dem Referenzmuster möglichst
exakt übereinstimmt.
Beschädigungen oder
Verschmutzungen der Perforationslöcher werden lediglich ausgemittelt
und führen
vor allem bei zufällig
verteilten Fehlern unweigerlich zu einer fehlerhaften Bildstandskorrektur.
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die Position eines Perforationsloches
auch dann sicher zu bestimmen, wenn das Perforationsloch Beschädigungen
oder Verschmutzungen aufweist.
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Die
Aufgabe wird dadurch gelöst,
daß eine Auswertevorrichtung
- – zur
Ermittlung von Kantenpositionen in einem von der Abtastvorrichtung
gelieferten Meßbild
in bestimmten Bereichen,
- – zur
Bildung von Linien aus den ermittelten Kantenpositionen und
- – zur
Bestimmung der Abweichung des Mittelpunktes des Perforationslochs
von einem Referenzmittelpunkt vorgesehen ist.
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Erfindungsgemäß werden
Rauscheinflüsse oder
Fehler im Kantenverlauf durch Bildung einer Linie nach einer Kantendetektion
ausgeglichen. Linien sind hierbei als Kurven oder Geraden aufzufassen. Aus
den ermittelten Linien kann der Mittelpunkt des abgetasteten Perforationslochs
ermittelt werden (vgl. Anspruch 8). Die Mittelpunktsberechnung kann
auch direkt nach der Kantendetektion ohne Bestimmung von Linien
durchgeführt
werden. Hierbei werden Symmetrieachsen bestimmt, deren Schnittpunkt
den Mittelpunkt bilden (vgl. Anspruch 9). Dieser Mittelpunkt wird
mit einem Referenzmittelpunkt verglichen und daraus Verschiebedaten
zur Korrektur des Bildstandes berechnet, was Patentanspruch 2 beschreibt.
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Die
Synchronisation zwischen Abtastvorrichtung und Bildaufnehmer beschreibt
Anspruch 3. Anspruch 4 zeigt, daß außer dem Perforationsloch auch dessen
Umgebung abgetastet wird, um eine Kante zu detektieren. Aus dieser
Abtastung ergibt sich ein Meßbild,
welches von der Auswerteschaltung bearbeitet wird.
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Um
die Rechenzeit in der Auswerteschaltung so gering wie möglich zu
halten, wird nicht das gesamte Meßbild von der Auswerteschaltung
untersucht, sondern nur vier Bereiche, in denen auch im schlechtesten
Fall (extremer vertikaler und/oder horizontaler Bildstandsfehler)
Kantenpositionen detektiert werden können (Anspruch 5). Bei der
Ermittlung von Kantenpositionen wird eine Schwellwertuntersuchung
und Interpolation durchgeführt,
was Anspruch 6 zeigt. Alternativ kann eine zweite Ableitung des Helligkeitsverlaufes
gebildet und eine nachfolgende Interpolation durchgeführt werden
(Anspruch 7). Damit sind Kantenpositionen im Subpixelbereich ermittelbar.
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Ein
Ausführungsbeispiel
der Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es
zeigen:
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1 einen
schematisch dargestellten Filmabtaster,
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2 eine
Auswerteeinheit zur Verarbeitung von in dem Filmabtaster erzeugten
Video- und Meßdaten,
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3 einen
Ausschnitt eines von dem Filmabtaster abzutastenden Filmes,
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4 und 5 zwei
Arten von Perforationslöchern,
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6 und 7 beispielhafte
Grauwertverläufe
an einer Kante,
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8 eine
grafische Erläuterung
zur linearen Interpolation und
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9 und 10 grafische
Erläuterungen zur
Ermittlung des Mittelpunktes eines Perforationsloches.
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In 1 ist
der schematische Aufbau eines Filmabtasters dargestellt, der einen
Film 1 kontinuierlich abtastet. Hierzu wird der abzutastende
Film 1 mittels eines Capstans 2 angetrieben und
durch eine, zwischen einer Beleuchtungsquelle 3 zur Durchbelichtung
des Filmbildes und einem Bildaufnehmer 4 hindurchgeführt, wobei
im Bildaufnehmer 4 Sensoren 5 zur Abtastung des
durchbeleuchteten Films 1 enthalten sind. Zwischen Beleuchtungsquelle 3 und Bildaufnehmer 4 ist
eine Filmtragevorrichtung 6 angeordnet, die zur Führung des
Films 1 kufenartige Führungselemente 7 enthält. Die
Führungselemente 7 erzwingen,
daß der
Film 1 außerhalb
der Filmbilder aufliegt und auf einer gekrümmten Bahn gleitet.
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Bei
dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel wird zur Korrektur
von vertikalen und horizontalen Bildstandsfehlern nur eines der
beiden zur Abtastung in Frage kommenden Perforationslöcher abgetastet.
Zur Beleuchtung eines Perforationsloches wird im Ausführungsbeispiel
infrarotes Licht verwendet, welches die Kanten der Perforationslöcher besonders
kontrastreich abbildet. Dieses infrarote Licht wird mittels einer
Infrarotdiode 8 erzeugt. Die Infrarotdiode 8 ist
an einen Lichtleiter 9 lose angekoppelt, welcher das Licht
der Infrarotdiode zu einer Aussparung 10 innerhalb der
kufenförmigen
Führungselemente 7 leitet.
Die Aussparung 10 ist mit einer optisch durchlässigen Deckscheibe 11 abgeschlossen,
so daß eine
Verschmutzung der Ausparung 10 durch Filmabriebschmutz
vermieden wird.
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Oberhalb
der Austrittsfläche
des Infrarotlichtes ist eine optische Umlenkeinrichtung 12 angeordnet,
mittels welcher das Abbild des jeweiligen Perforationsloches zu
einer räumlich
abgesetzten Zeilenkamara 13 geführt wird. Im Ausführungsbeispiel
besteht diese optische Umlenkeinrichtung 12 aus einem justierbaren
Spiegel.
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Die
vom Bildaufnehmer 4 aufgenommenen Filmbilder werden als
Videodaten einer Signalprozessoreinheit 14 (2)
geliefert, welche auf elektronischem Weg vertikale und horizontale
Bildstandsfehler in Abhängigkeit
von Verschiebedaten korrigiert, die von einem Prozessor 15 geliefert
werden. Die Signalprozessoreinheit 14 und der Prozessor 15 sind
Bestandteil der in 2 dargestellten Auswerteeinheit 25,
die ferner zwischen der Zeilenkamera 13 und dem Prozessor 15 einen
Zwischenspeicher 16 und einen Ringspeicher 17 enthält. Die
Signalprozessoreinheit 14 sendet zur Synchronisation filmgeschwindigkeitsabhängige Steuerdaten
an die Zeilenkamera 13.
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3 zeigt
einen Ausschnitt des Films 1 mit drei Bildern 18, 19 und 20.
Jedem Bild sind auf den Außenseiten
jeweils vier Perforationslöcher
zugeordnet. Das Bild 19 weist z.B. an einer Außenseite
die vier Perforationslöcher 21, 22, 23 und 24 auf.
Die Zeilenkamera 13 tastet auf einer Außenseite eines Bildes jedes
Perforationsloch ab. Die Daten eines mit der Zeilenkamera 13 abgetasteten
Perforationsloches werden im folgenden als Meßdaten bezeichnet und die Gesamtmenge
der zu einem Perforationsloch gehörenden Meßdaten als Meßbild bezeichnet. Die
Meßdaten
eines Meßbildes
umfassen nicht nur das Perforationsloch sondern auch die Umgebung um
das Perforationsloch.
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Ein
von der Zeilenkamera 13 aufgenommenes Meßbild wird
jeweils in dem Zwischenspeicher 16 zwischengespeichert
und gesteuert von der Signalprozessoreinheit 14 in den
Ringspeicher 17 eingeschrieben. Der Ringspeicher 17 enthält mindestens vier
aufeinanderfolgende Meßbilder.
Von vier aufeinanderfolgenden Meßbildern wird nur ein Meßbild vom
Prozessor 15 zur Berechnung von Verschiebedaten benötigt. Beispielsweise
werden die Meßdaten des
Perforationsloches 24 des Bildes 19 des in 3 dargestellten
Ausschnittes verwendet.
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Im
Prozessor 15 wird nach Lieferung eines Meßbildes
zuerst eine Kantendetektion durchgeführt. In bestimmten Bereichen
wird die Position einer Kante des als Graustufenbild vorliegenden
Meßbildes detektiert.
Es lassen sich prinzipiell zwei Arten von Perforationslöchern unterscheiden,
wie die 4 und 5 zeigen.
Die erste Art des Perforationsloches nach 4 wird als
N-Loch bezeichnet und weist an der Unter- und Oberseite einen geraden
und an den Außenseiten
einen kreisförmigen
Verlauf auf. Das in 5 gezeigte Perforationsloch,
welches als P-Loch bezeichnet wird, hat an der Unter- und Oberseite und
ebenfalls an den Außenseiten
einen geraden Verlauf. Die Ecken des P-Loches sind dagegen jeweils abgerundet.
Um die Rechenzeit des Prozessors 15 nicht unnötig zu verlängern, wird
nur in vier Bereichen des Meßbildes
eine Kante gesucht. Diese Bereiche sind rechteckförmig und überstreichen
jeweils den mittleren Teil der Ober- und Unterseite und der Außenseiten.
Die rechteckförmigen
Bereiche sind in den 4 und 5 jeweils
als Rechtecke mit unterbrochenem Linienverlauf angedeutet. Aus den
detektierten Daten über
Kantenpositionen des Meßbildes
werden vom Prozessor 15 Linien, d.h. eine Gerade oder Kurve,
berechnet, da die ermittelten Kantenpositionen aufgrund von Rauscheinflüssen oder
Fehlern im Kantenverlauf des Perforationsloches in der Regel nicht
eine Linie bilden. Anschließend
ermittelt der Prozessor 15 den Mittelpunkt des Meßbildes
oder Perforationsloches und vergleicht die Position des Mittelpunktes
mit den gespeicherten Daten eines Referenzmittelpunktes. Der Referenzmittelpunkt
gibt die ideale Lage des Perforationsloches und damit des von dem
Bildaufnehmer 4 aufgenommenen, korrespondierenden Videobildes
an. Nach der Berechnung der Abweichung des Mittelpunktes des Meßbildes
vom Referenzmittelpunkt werden die berechneten Daten als Verschiebedaten
an die Signalprozessoreinheit 15 geliefert.
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Die
Auswerteeinheit 25 kann beispielsweise auch als Computer
ausgebildet sein, der Daten von dem Bildaufnehmer 4 und
der Zeilenkamera 13 erhält und
der die durch die Schaltelemente 14, 15, 16 und 17 durchzuführenden
Funktionen ausführt.
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Im
folgenden wird die vom Prozessor 15 durchzuführende Kantendetektion,
Linienbildung und Mittelpunktsberechnung näher erläutert. Bei der Kantendetektion
werden – wie
oben erwähnt – vier Bereiche
des Meßbildes
untersucht. Eine Kante gibt einen ortsabhängigen Diskontinuitätsverlauf
der Grau- oder Helligkeitswerte G im Meßbild an.
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6 zeigt
das Profil einer Kante in horizontaler Richtung x. An einer Kante
steigt der Grauwert G an, bis der maximale Grauwert erreicht wird.
Bei einer einfachen Art der Kantenerkennung, wird ein Sprung von
Hell nach Dunkel bzw. umgekehrt detektiert. Zu diesem Zweck wird
ein Schwellwert GS festgelegt, mit dem entschieden
wird, ob eine Graustufe als hell oder dunkel gilt. Wird dieser Schwellwert über- oder
unterschritten, liegt ein Wechsel zwischen Hell und Dunkel, also
eine Kante an der Position xP vor. 6 zeigt
diesen Sprung im Grauwertverlauf G.
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Eine
weitere Art der Kantenerkennung berücksichtigt z.B. Helligkeitsschwankungen
im Bild (vgl. 7). Es wird hierbei ein relativer
Schwellwert GRS verwendet, der erst durch
eine Messung des Graustufenbereiches ermittelt wird.
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Bei
der Ermittlung der einem Schwellwert G
S bzw.
G
RS zugehörigen Kantenposition x
P tritt selten der Fall ein, daß x
P gleich der Position eines Pixels ist. In
der Regel liegt eine Kante zwischen zwei Pixel. Zur Ermittlung des
Kantenwertes x
P wird erfindungsgemäß eine Interpolation
durchgeführt.
Eine Methode ist die lineare Interpolation. Der gesuchte Punkt (x
P, G
S) liegt auf
der Geraden, die durch das Punktepaar (x
i,
G
i) und (x
i+l, G
i+l) gebildet wird. Das Punktepaar (x
i, G
i) und (x
i+l, G
i+l) sind Koordinaten
zweier Pixel, wie dies
8 zeigt. Eine Kantenposition
ergibt sich aus der Formel:
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Mit
dieser Formel läßt sich
die Kantenposition im Subpixel-Bereich bestimmen.
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Der
in
6 dargestellte Grauwertverlauf weist an einer
Kante eine Steigung auf. Diese Steigung kann auch umgekehrt verlaufen.
Die erste Ableitung eines solchen Grauwertverlaufes weist an einer
Kante einen peakförmigen
Verlauf und der ursprüngliche
Grauwertverlauf damit einen Wendepunkt auf. Folglich kann das Suchen
einer Kante im mathematischen Sinne als „Suchen eines Wendepunktes" bezeichnet werden.
Der Vorteil einer solchen „Wendepunktsuche" besteht darin, daß sich z.B.
Helligkeitsschwankungen nicht auf die Ableitung auswirken. Die Ableitung
einer Folge von diskreten Werten (Sequenz) wird durch Differenzen
gebildet:
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Hierbei
wird die Kantenposition auch bis auf ein Pixel genau bestimmt. Für Zwischenwerte
wird eine quadratische Interpolation verwendet. Eine Kantenposition
ergibt sich aus der Formel:
wobei x
i–l =
x
i – 1
und x
i+l = x
i +
1 ist.
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Die
bei der Kantendetektion ermittelten Kantenpositionen werden in einem
nächsten
zu beschreibenden Schritt zu einer Linie zusammengefasst. Die Folge
der ermittelten Kantenpositionen liegen in der Regel nicht auf einer
Linie (Gerade oder Kurve). Dies liegt an Rauscheinflüssen oder
Fehlern im Kantenverlauf. Deshalb ist es in einem nachfolgenden Schritt
notwendig, aus den Werten der Kantendetektoren eine Linie zu formen.
Eine Gerade kann mittels der linearen Regression ermittelt werden.
Eine Gerade und/oder Kurve kann auch aus den ermittelten Kantenpositionen
mit Hilfe der Hough Transformation berechnet werden, die beispielsweise
in dem Dokument „Peter
Haberäcker:
Digitale Bildverarbeitung, 3. Auflage, 1989, Seiten 344–348" beschrieben ist.
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Aus
den ermittelten Linien berechnet der Prozessor 15 in einem
dritten Schritt den Mittelpunkt des Meßbildes. Dies kann über beispielsweise
zwei unterschiedliche Berechnungsmethoden erreicht werden. Bei einer
ersten Methode werden aus den horizontalen und vertikalen Linien
zwei Symmetrie-Achsen bebildet. Der Schnittpunkt der Symmetrie-Achsen ist der Mittelpunkt
des Perforationslochs. Dieses Vorgehen zeigt 9. Die Symmetrie-Achsen
werden durch Mitteilung der jeweils horizontalen und vertikalen
Linien errechnet.
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Bei
der zweiten Methode wird die Bestimmung der Kanten aus den berechneten
Kantenpositionen ausgelassen und direkt eine Linie, welche eine Symmetrieachse
darstellt berechnet (10). Durch eine lineare Regression
oder eine Hough-Transformation kann aus den einzelnen Punkten eine
Gerade gebildet werden. Diese Methode kann für die kreisförmigen Kanten
und für
gerade Kanten dann angewendet werden, wenn diese parallel zueinander
liegen. Der Mittelpunkt des Perforationslochs wird durch den Schnittpunkt
der Symmetrie-Achsen angegeben. Diese zweite Methode hat gegenüber der
erstgenannten Methoden den Vorteil, daß nur eine lineare Regression
bzw. Hough-Transformation
für zwei Kanten
des Perforationsloches notwendig sind. Es kann somit Rechnaufwand
und somit auch Zeit eingespart werden.
