DE2104229A1 - Process for the production of three-dimensional images from a series of individual images from different perspectives - Google Patents
Process for the production of three-dimensional images from a series of individual images from different perspectivesInfo
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Description
Philips Patentverwalhmg GmbH.Philips Patentverwalhmg GmbH.
Abe Na,PHD- 1617
Anmeldung vom« 27. Jan. 1971Abe Na, PHD- 1617
Registration dated January 27, 1971
PHILIPS PATENT VERWALTUNG- GMBH., 2 HAMBTTHG 1, STEINDAMMPHILIPS PATENT VERWALTUNG- GMBH., 2 HAMBTTHG 1, STEINDAMM
"Verfahren zur Herstellung von dreidimensionalen Bildern aus einer Serie von Einzelbildern unterschiedlicher Perspektive"."Process for the production of three-dimensional images from a series of individual images of different types Perspective".
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstel- j lung eines dreidimensionalen Bildes.The invention relates to a method for manufacturing a three-dimensional image j lung.
Mit holographischen Methoden stereoskopische Bilder zu erzeugen, ist bekannt: Redmann, J.D., Woltern, W.P. and Shuttleworth, E., Nature 2210 (1968), Seite 58; Kasahara, T., Kimura, Y., Hioki, R. and Tanaka, S., Japan. J. Appl. Phys. 8 (1969) Seite 124; De Bitetto, D.J., Appl. Opt. 8 (19*69), Seite 1740. Allen Verfahren gemeinsam ist, daß eine Anzahl von Hologrammen hergestellt wird, in denen je eines der mit unterschiedlicher Perspektive aufgenommenen Bilder gespeichert wird. Bei richtiger Rekonstruktion sieht das Auge eines Beobachters das Bild aus der jeweiligen Aufnahmeperspektive, so daß ein räumlicher Eindruck entsteht. fIt is known to generate stereoscopic images using holographic methods: Redmann, JD, Woltern, WP and Shuttleworth, E., Nature 2210 (1968), page 58; Kasahara, T., Kimura, Y., Hioki, R. and Tanaka, S., Japan. J. Appl. Phys. 8 (1969) page 124; De Bitetto, DJ, Appl. Opt. 8 (19 * 69), page 1740. All the methods have in common that a number of holograms are produced, in each of which one of the images recorded with different perspectives is stored. With a correct reconstruction, the eye of an observer sees the image from the respective perspective, so that a spatial impression is created. f
V/eit ergehende holographische Verfahren stammen von Sun Lu, deutsche Offenlegungsschrift 1.952.105 bzw. G. Groh und M. Kock, Appl.Opt. 9. (1970), Seite 775. Beide Verfahren arbeiten derart, daß neben einem stereoskopischen virtuellen Bild auch ein dreidimensionales reelles Bild durch Integration der Einzelbilder entsteht.Extensive holographic processes come from Sun Lu, German Offenlegungsschrift 1.952.105 or G. Groh and M. Kock, Appl. Opt. 9. (1970), page 775. Both methods work in such a way that, in addition to a stereoscopic virtual image, a three-dimensional real image is also integrated through integration the individual images are created.
Alle genannten Verfahren verwenden zwei zueinander kohärenteAll of the above methods use two mutually coherent ones
PHD-1617 (EV-4349)PHD-1617 (EV-4349)
Br. - 2 -Br. - 2 -
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Lichtbündel. Das eine Bündel durchleuchtet das holographisch zu speichernde Einzelbild. Um die gesamte Bildinformation in einem kleinen Hologrammelement speichern zu können, wird das Bild mit einer Streuscheibe hinterlegt, wodurch die gesamte Information gleichmäßig über die Hologrammfläche verteilt wird. Das so gestreute Licht interferiert mit der Referenzwelle und kann z.B. photographisch aufgezeichnet werden. In der "Rekonstruktion erhält man granulierte Einzelbilder von begrenzter Tiefenschärfe, da die Apertur der Einzelhologramme wegen der Beugung eine hinreichende Größe haben müssen. Nachteilig sind auch die kleinen Beugungswirkungsgrade der Hologramme. Hinzu kommt ein recht beträchtlicher experimenteller Aufwand.Light bundle. One bundle shines through the individual image to be stored holographically. To all the picture information To be able to save in a small hologram element, the image is deposited with a diffuser, whereby the entire information is evenly distributed over the hologram surface. The light scattered in this way also interferes of the reference wave and can be recorded photographically, for example. In the "reconstruction" granulated individual images are obtained of limited depth of field, since the aperture of the individual holograms must be of sufficient size because of diffraction. The low diffraction efficiencies are also disadvantageous the holograms. In addition, there is a considerable amount of experimental effort.
Aufgabe der Erfindung ist es, ohne holographische Effekte mittels geometrischer Optik dreidimensionale Bilder zu erzeugen. Dies wird dadurch erreicht, daß strahlenoptisch eine Serie von Einzelbildern unterschiedlicher Perspektive mit reproduzierbarer Aufnahmegeometrie hergestellt werden und diese Bilder zeitlich nach-einander oder gleichzeitig in ihre ursprüngliche Position gebracht und dabei mit dem umgekehrten wie bei der Aufnahme benutzten Strahlenkegel bzw. entsprechender Aufnahmeverhältnisse inkohärent durchleuchtet werden, so daß die ursprünglichen Aufnahmeverhältnisse eindeutig rekonstruiert werden und durch Überlagerung aller Bilder ein dreidimensionales Bild entsteht bzw. eine stereoskopische Betrachtung ermöglicht wird.The object of the invention is to generate three-dimensional images by means of geometric optics without holographic effects. This is achieved by the fact that a series of individual images from different perspectives is included in a ray-optic manner reproducible recording geometry are produced and these images chronologically one after the other or simultaneously in their brought to the original position and with the reverse beam cone used for the recording or the equivalent Recording conditions are examined incoherently, so that the original recording conditions are unambiguous can be reconstructed and a three-dimensional image or a stereoscopic one is created by superimposing all the images Viewing is made possible.
Das dreidimensionale Bild entsteht dabei durch die richtige Überlagerung von Schattenrissen. Das Licht kann räumlich und zeitlich inkohärent sein. Das rekonstruierte Objekt ist frei von Granulation und überall scharf.The three-dimensional image is created through the correct superimposition of silhouettes. The light can be spatial and be incoherent in time. The reconstructed object is free from granulation and sharp everywhere.
Im folgenden werden zur Erläuterung der Erfindung und ihrer Vorteile einige Ausführungsbeispiele näher beschrieben. DazuSome exemplary embodiments are described in more detail below to explain the invention and its advantages. In addition
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zeigen schematisch:show schematically:
Pig. 1 die Herstellung einer Serie von Röntgenaufnahmen aus unterschiedlichen Perspektiven,Pig. 1 the production of a series of X-ray images from different perspectives,
Pig. 2 eine Möglichkeit zur Herstellung von Schichtaufnahmen (Tomographie"),Pig. 2 a possibility for producing layer images (tomography "),
Pig. 3 eine Ausführungsform zur Herstellung eines stehenden dreidimensionalen Bildes,Pig. 3 shows an embodiment for producing a standing one three-dimensional image,
Fig. 4 die Anordnung der Pig» 3 mit einer Blende und einer ä Abbildungslinse zur Unterdrückung von Streulicht,Fig. 4 shows the arrangement of the Pig "3 with a diaphragm and a similar imaging lens for the suppression of scattered light,
Pig. 5a und b eine spezielle Anordnung zur Erzeugung eines stehenden dreidimensionalen Bildes bei festem Aufbau,Pig. 5a and b show a special arrangement for generating a standing three-dimensional image with a fixed structure,
Pig. 5c eine Anordnung wie in Pig. 5b, nur daß hier die Abbildung mit einem Kranz von Linsen erfolgt,Pig. 5c an arrangement as in Pig. 5b, only here the picture made with a wreath of lenses,
Pig. 6 eine ähnliche Anordnung wie Fig. 5b kombiniert mit dem Vorteil aus Pig. 4 undPig. 6 an arrangement similar to FIG. 5b combined with the benefit from Pig. 4 and
und b
Pig. 7a/eine Anordnung in der die Röntgenaufnahmen räumlichand b
Pig. 7a / an arrangement in which the radiographs are spatially
getrennt aufgenommen und rekonstruiert werden.can be recorded and reconstructed separately.
Im folgenden wird zur Erläuterung des Verfahrens von Röntgenbildern ausgegangen. Fs sei aber schon hier betont, daß dieses keine Beschränkung darstellt. Entsprechende Bilder von Partikelstrahlung (Elektronen, Protonen etc.) können ebenso wie normale optische bzw. elektronische Bilder nach diesem Verfahren hergestellt werden.The following is used to explain the method of X-ray images went out. But it should be emphasized here that this is not a restriction. Corresponding pictures of particle radiation (electrons, protons, etc.) can as well as normal optical or electronic images after this process.
In der Fig. 1 wird die Röntgenlichtquelle auf einem Kreis 11 parallel zur Pilmebene 14 bewegt. In definierten PositionenIn FIG. 1, the X-ray light source is on a circle 11 moved parallel to the pilm plane 14. In defined positions
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(z.B. 12, 13) werden vom Objekt 10 Röntgenaufnahmen hergestellt, so daß letztlich eine Serie von Röntgenbildern unterschiedlicher Perspektive vorliegt. Die dabei verwendete Aufnahmegeometrie muß bekannt und reproduzierbar sein.(e.g. 12, 13) 10 x-rays are taken of the object, so that in the end there is a series of X-ray images from different perspectives. The recording geometry used for this must be known and reproducible.
Der erste Vorteil, der Erfindung besteht in der sehr einfachen Herstellung von Schichtaufnahmen, wobei die Schichttiefe frei gewählt werden kann. Die Pig. 2 gibt den schematischen Aufbau wieder. Eine Punktlichtquelle 1 - an sich ein Lichtfleck hinreichend kleiner Größe - wird von der Linse 2 nach 4 abgebildet. Bewegt man die Quelle 1 auf einem Kreis 3 um die optische Achse der Linse 2, dann bewegt sich der Punkt 4 auf dem Kreis 11·, dessen Durchmesser dem des Kreises 11 aus der Pig. 1 entspricht. In die Ebene 14 werden jetzt nacheinander die Röntgenbilder verschiedener Perspektive gestellt. Ein bestimmtes Bild wird dann von einem Kegel durchstrahlt, dessen Orientierung und Größe genau dem Kegel bei der Aufnahme entspricht. In dem Bereich, in dem das Objekt per Bildintegration entsteht, wird ein integrierender Detektor 30 - z.B. ein Film - gestellt und eine Teilbelichtung vorgenommen. Dann wechselt man den Schattenriß gegen einen neuen mit anderer Perspektive aus, dreht 1 in die richtige Position, so daß 4 der Position der Rontgenlichtquelle bei der Aufnahme dieses speziellen Bildes entspricht und macht eine weitere Teilbelichtung. Hat man dieses für alle zur Verfügung stehenden Bilder getan und entwickelt den Film 30, dann erhält man wie in der Tomographie die Schicht des Objektes scharf, wo sich der PiIm befunden hat. Davor und dahinter liegende Schichten sind verwischt. Durch Änderung der Ebene 30 und Wiederholung der obengenannten Prozedur enthält man eine andere Objektebene scharf. The first advantage of the invention is that it is very simple Production of slice images, whereby the slice depth can be freely selected. The Pig. 2 gives the schematic Construction again. A point light source 1 - per se a light spot of sufficiently small size - is followed by the lens 2 4 pictured. If the source 1 is moved on a circle 3 around the optical axis of the lens 2, the point 4 moves up the circle 11 ·, the diameter of which is that of the circle 11 from the Pig. 1 corresponds. You will now go to level 14 one after the other the X-ray images are placed from different perspectives. A certain image is then penetrated by a cone, its Orientation and size corresponds exactly to the cone at the time of recording. In the area in which the object is integrated into the image arises, an integrating detector 30 - for example a film - is placed and a partial exposure is made. then If you change the silhouette for a new one with a different perspective, turn 1 into the correct position so that 4 corresponds to the position of the X-ray light source when taking this particular image and makes another partial exposure. If you have done this for all available images and developed the film 30, you get how In the tomography, the layer of the object is sharp where the PiIm was located. Layers in front of and behind are blurred. By changing plane 30 and repeating the above procedure, another object plane is sharply defined.
Dieses Verfahren verdeutlicht sehr genau das Grundprinzip der Erfindung.This method illustrates the basic principle of the invention very precisely.
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Die Pig. 3 gibt eine mögliche Anordnung wieder, ein stehendes dreidimensionales Bild vom Objekt 10 zu erzeugen. Die Anordnung entspricht der.in Fig. 2, nur daß jetzt die Quelle 1 mit der Winkelgeschwindigkeit fo rotiert, die so groß gewählt werden muß, daß ein flimmerfreies Bild 10 entsteht. In den Versuchen hat sich eine Frequenz von 20 - 25 Hz als voll ausreichend erwiesen. Mit der gleichen Frequenz (U rotiert z.B. eine Scheibe 16, auf der die N Röntgenbilder 16' so angeordnet sind, daß bei einer Umdrehung jedes der N Bilder einmal vom jeweiligen Strahlenkegel 5 durchstrahlt wird. D.h. Bildpunkt 4 und Scheibe 16 müssen synchron zueinander umlaufen. Da hier bei einer bestimmten Position des Röntgenbildes und (| des Strahlenkegels ein Beitrag zum Bild 10 geliefert werden soll, muß die Quelle 1 im Impulsbetrieb arbeiten, d.h. die Belichtung der N Bilder erfolgt stroboskopisch mit einer Frequenz N.CU . Beträgt N = 20 und ttf = 25 Hz,.dann muß also mit 500 Hz oder einem ganzen Vielfachen davon geblitzt werden. Die Impulslänge hängt ab vom geforderten Auflösungsvermögen und der mittleren Tangentialgeschwindigkeit der Röntgenbilder auf der Scheibe 16. Das Bild 10' entsteht dann hinter der Scheibe 16 in der Position, in der sich das eigentliche Objekt bei der Aufnahme der Röntgenbilder befunden hat.The Pig. 3 shows a possible arrangement for generating a stationary three-dimensional image of the object 10. The order corresponds to the in Fig. 2, except that the source 1 now rotates with the angular velocity fo, which is chosen to be so large must be that a flicker-free image 10 is created. In the tests, a frequency of 20-25 Hz has proven to be fully sufficient proven. At the same frequency (U, for example, a disk 16 rotates on which the N x-ray images 16 'are arranged in this way are that each of the N images is irradiated once by the respective cone of rays 5 during one revolution. I.e. pixel 4 and disk 16 must rotate synchronously with one another. Since here at a certain position of the X-ray image and (| of the cone of rays a contribution to the image 10 is to be provided, the source 1 must work in pulsed mode, i.e. the The N images are exposed stroboscopically at a frequency N.CU. If N = 20 and ttf = 25 Hz, then must also 500 Hz or a whole multiple thereof can be flashed. The pulse length depends on the required resolution and the mean tangential velocity of the X-ray images on the disk 16. The image 10 'is then created behind the Disk 16 in the position in which the actual object was when the X-ray images were taken.
Bev/egt ein Beobachter seine Augen auf dem Kreis 11, dann er- g hält er den lichtstarksten stereoskopischen Eindruck vom Objekt 10. Einzelne Ebenen des Objekts 10 können mit Hilfe von Detektorflächen (ebene oder auch gekrümmte) scharf dargestellt werden, davor und dahinter liegende Schichten sind verwischt. Störendes Streulicht, das meistens vom Aufnahmeträger der Röntgenbilder herrührt, kann durch die Anordnung entsprechend Fig. 4 beseitigt werden. Die durch das Bild in 16 hindurchtretenden Strahlen laufen in 17 zusammen und erzeugen dort das Bild der verwendeten Lichtquelle. Auftretendes Streulicht verbreitert das Bild der Lichtquelle, wodurch sich eine Kontrastminderung und eine Verschlechterung des Auf-Bev / egt an observer his eyes on the circle 11, then ER g it holds the lichtstarksten stereoscopic impression of the object 10. Individual levels of the object 10 can using detector surfaces (flat or curved) are displayed sharply, before and behind it Layers are blurred. Disturbing scattered light, which mostly originates from the carrier of the X-ray images, can be eliminated by the arrangement according to FIG. The rays passing through the image in 16 converge in 17 and there generate the image of the light source used. Scattered light that occurs broadens the image of the light source, which results in a reduction in contrast and a deterioration in the image.
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lösungsvermögens ergeben. Setzt man deshalb in 17 eine Lochblende derart, daß nur die Lichtkegelspitzen für die diskreten Positionen durchgelassen werden und bildet man mit der . Linse 18 die Ebene 16 nach 16" ab, dann erhält man in 10 ein kontrastverbessertes Bild.resolving power result. Therefore, a pinhole diaphragm is placed in 17 in such a way that only the light cone tips for the discrete positions are allowed through and are formed with the. Lens 18 from the plane 16 to 16 ", then in 10 a contrast-enhanced image is obtained.
Das Verfahren ist auch anwendbar, wenn winkeltreue Transformationen der gesamten Aufnahmegeometrie durchzuführen sind. Bei einer Verkleinerung der Röntgenbilder um z.B. einen Faktor 2 müssen die Abmessungen nach Fig. 2 entsprechend um einen Faktor 2 reduziert werden.The method can also be used when performing conformal transformations of the entire mounting geometry are to be carried out. If the X-ray images are reduced by, for example, one By a factor of 2, the dimensions according to FIG. 2 must be reduced by a factor of 2 accordingly.
Ein Nachteil der oben beschriebenen Anordnung besteht in der notwendigen Rotation des Lichtpunktes 1 (s. Fig. 2) und der Scheibe 16. Hinzu kommt die stroboskopisch^ Beleuchtung.A disadvantage of the arrangement described above consists in the necessary rotation of the light point 1 (see FIG. 2) and of the disk 16. There is also the stroboscopic lighting.
Die Fig. 5a und 5b geben eine mögliche Anordnung wieder, mit einem stationären Aufbau ein dreidimensionales Bild zu erzeugen. In der Fig. 5a sind zwei Strahlenkegel gezeichnet. In einer Ebene 19» in der eine Trennung der Kegel stattgefunden hat, befindet sich z.B. eine Photoplatte. Die von 14 kommenden Schattenrisse können in dieser Ebene getrennt aufgezeichnet werden. Das geschieht sinnvoll mit einer Abbildungslinse unter Einhaltung der Geometrie, wodurch eine Qualitätsminderung der verkleinerten Röntgenbilder vermieden wird. Die Fig. 5b zeigt dann schematisch die Beleuchtung dieses Bildringes mit einem passenden Kranz von Punktlichtquellen 21 in der richtigen Geometrie, so daß das Objekt 10 wieder per Integration entstehen kann. Die Ausdehnung der Punktlichtquelle (21) muß bei dieser Anordnung klein gewählt werden, will man eine Einbuße an Auflösungsvermögen vermeiden. Man kann natürlich auch den Herstellungsprozeß des Bildringes 19 rückgängig machen, indem man einen Kranz 19' von Abbildungslinsen verwendet, wobei immer eine linse ein kleines Teilbild von 19 nach 20 projiziert. Bei hinreichend hoher ■?:' eien-Figs. 5a and 5b show a possible arrangement again, to generate a three-dimensional image with a stationary structure. In Fig. 5a two beam cones are drawn. A photo plate, for example, is located in a level 19 »in which the cones have been separated. The coming of 14 Silhouettes can be recorded separately on this level. This is done sensibly with an imaging lens while maintaining the geometry, which leads to a reduction in quality the scaled down X-ray images is avoided. 5b then shows schematically the illumination of this image ring with a suitable ring of point light sources 21 in the correct geometry, so that the object 10 again per Integration can arise. The extent of the point light source (21) must be chosen to be small in this arrangement, if desired you avoid a loss of resolution. Of course, the manufacturing process of the picture ring 19 can also be reversed using a ring 19 'of imaging lenses, one lens always representing a small partial image projected from 19 to 20. If the ■ ?: 'is sufficiently high
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schärfe entsteht wieder das Objekt 10 (s. Fig. 5c).sharpness arises again the object 10 (see Fig. 5c).
Eine weitere mögliche Anordnung ist in Fig. 6 schematisch dargestellt. Der Vorteil dieser Anordnung gegenüber der aus Pig. 5a - c besteht in folgendem: Die Bilder in der Ebene brauchen nicht so stark verkleinert zu werden, so daß die Anforderung an die Punktlichtquellen (1) nicht so groß sind. Die Blendenanordnung 17 unterdrückt gemäß der Anordnung aus Pig. 4 eventuelles Streulicht, was eine Bildverbesserung bewirkt.Another possible arrangement is shown schematically in FIG shown. The advantage of this arrangement over that from Pig. 5a-c consists of the following: The images in the plane do not need to be reduced to such an extent that the demands on the point light sources (1) are not so great. The diaphragm arrangement 17 suppresses according to the arrangement from Pig. 4 possible stray light, which improves the picture causes.
Pährt man die Eöntgenlichtquelle 11 z.B. auf■einem so großen | Kreis 3', daß die einzelnen Schattenrisse räumlich getrennt voneinander aufgezeichnet werden können, dann erübrigt sich gleichfalls die Bewegung der Bilder und eine stroboskopisch^ Beleuchtung. Die Pig. 7a zeigt eine mögliche Anordnung zur Herstellung der Einzelbilder des Objektes 10 in der Ebene 14, Pig. 7b eine mögliche Bekonstruktionsanordnung, bei der mit Hilfe nur einer Punktlichtquelle 34, einer passenden Blendenanordnung 33» einem zugehörigen Satz Spiegel 31, 31', 31", 31"' und Linsen 32, 32', 32", 32"' hier die Strahlenkegel der Abb. 7a rekonstruiert werden.If the X-ray light source 1 1 is placed on, for example, such a large | Circle 3 'so that the individual silhouettes can be recorded spatially separated from one another, then the movement of the images and stroboscopic lighting are also unnecessary. The Pig. 7a shows a possible arrangement for producing the individual images of the object 10 in the plane 14, Pig. 7b shows a possible construction arrangement in which, with the aid of only one point light source 34, a suitable diaphragm arrangement 33 »an associated set of mirrors 31, 31 ', 31", 31 "' and lenses 32, 32 ', 32", 32 "' here the beam cones of Fig. 7a can be reconstructed.
Die zur Erzeugung des dreidimensionalen Bildes benötigten zweidimensionalen Bilder unterschiedlicher Perspektive können \ auch mit Hilfe eines Computers erstellt werden, der die Amplitude und Lage der Bildpunkte errechnet.The three-dimensional image to generate the required two-dimensional images of different perspectives can \ with the help of a computer are created, which calculates the amplitude and position of pixels.
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