DE2447440A1 - Verfahren zur ortsabhaengigen adaption von bildaufnahmeeinrichtungen - Google Patents

Verfahren zur ortsabhaengigen adaption von bildaufnahmeeinrichtungen

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DE2447440A1
DE2447440A1 DE19742447440 DE2447440A DE2447440A1 DE 2447440 A1 DE2447440 A1 DE 2447440A1 DE 19742447440 DE19742447440 DE 19742447440 DE 2447440 A DE2447440 A DE 2447440A DE 2447440 A1 DE2447440 A1 DE 2447440A1
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Klaus Dr Ossenberg
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Georg Dr Zimmermann
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    • HELECTRICITY
    • H04ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04NPICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
    • H04N23/00Cameras or camera modules comprising electronic image sensors; Control thereof
    • H04N23/70Circuitry for compensating brightness variation in the scene

Description

  • Verfahren zur ortsabhängigen Adaption von Bildaufnahmeeinrichtungen Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Weiterverarbeitung von natürlichen und photographischen Bildern, das insbesondere bei der elektronischen Bildaufnahme, -verarbeitung, -übertragung und -wiedergabe zu einer Verbesserung der Bildqualität führt, indem durch örtliche Beleuchtungsschwankungen hervorgerufene ungleichmäßig ausgeleuchtete Bilder korrigiert und gleichzeitig die für eine Bildanalyse und quantitativen Bildauswertung wichtigen Details und geringen helligkeitsstufen dort sichtbar gemacht und hervorgehoben werden, wo der beschränkte Dynamikbereich der Bildaufnahmeeinrichtungen dies nicht zuläßt.
  • Das Verfahren besteht aus einer ortsabhängigen Adaption eines bei der Bildabtastung durch eine Bildaufnahmeeinrichtung entstehenden Bildsignals. Der Adaptionsvorgang läuft in der Weise ab, daß zeitlich synchron zur Bildabtastung ein zweites Bildsignal, ein Adaptionssignal, von der gleichen aber jetzt unscharf eingestellten Bildszene gewonnen wird, das ein Maß für die mittlere helligkeit einer in der Ausdehnung einstellbaren Umgebung des gerade abgetasteten Bildpunktes der Bildszene liefert. Mit diesem Adaptionssignal wird der Vorgang der Bildabtastung durch die Bildaufnahmeeinrichtung gesteuert.
  • Die bisher bekannten Verfahren zur Bildverarbeitung arbeiten nach dem Prinzip der ortsunabhängigen Adaption, insofern als bei der hier angewandten Belichtungsautomatik die mittlere Helligkeit über die gesamte Bildszene gemessen wird und. damit jeder abgetastete Bildpunkt an die gleiche mittlere Helligkeit angepaßt wird. Bei großen Helligkeitsschwankungen in einer Bildszene wird-deshalb das AuSnahme- Wiedergabesystem in gewissen Bildteilen entweder übersteuert und in anderen Bildteilen nicht ausreichend ausgesteuert, was bei der Bildauswertung zu gravierenden Fehlern führen kann. Eine gute Verbesserung der Bildqualität ergab sich in den letzten Jahren bei der Bearbeitung von photographischen Aufnahmen unter Zuhilfenahme von Großrechenanlagen, die eine zweidimensionale Filterung ermöglichen. Die Nachteile liegen in der Größe des benötigten technischen Aufwandes, in der notwendigen Rechenzeit für die Bearbeitung eines Bildes (Oppenheim, Proceedings of the IEE, Vol. 56; No. 8, 1968, S. 1283 n 15 min) sowie in den Anforderungen an die Analog-Digitaiwandlung, die wiederum vom verfügbaren Dynamikbereich des Lesekopfes abhängen.
  • Unter diesen Umstanden ist die Verarbeitung bewegter Bildszenen nicht möglich.
  • Die hier vorgestellte technische Lösung vermeidet die mit dem bisherigen Stand der Technik auf diesem Gebiet verbundenen Nachteile, indem sie davon ausgeht, daß die Bildentstehung überwiegend einem multiplikativen Prozeß unterliegt, d. h. man behandelt das Bild als Produkt aus einer Beleuchtungsfunktion I(x,y) und einer reflektierenden Funktion r(x,y). Die Helligkeitsverteilung H(x,y) einer beleuchteten Bildszene ergibt sich dann zu H(x,y) = r(x,y) . I(x,y).
  • Da die Beleuchtungskomponente nicht unabhängig vom Ort, also keine Konstante ist, werden durch sie in der Praxis meist große Helligkeitsschwankungen verursacht, die dann bei den in ihrem Dynamikbereich begrenzten Bildaufnahmeeinrichtungen zu einer Bildverschlechterung führen. Die Tatsache, daß die Raumfrequerizen des Beleuchtungsterms im allgemeinen wesentlich niedriger sind als die des reflektierten Terms, erlaubt es durch optische Tiefpaßfilterung ein Signal zu gewinnen, das der Beleuchtungsfunktion annähernd entspricht. Mit diesem Adaptionssignal wird nun die Bildaufnahmeeinrichtung in einer Weise gesteuert, die zu einer wesentlichen Bildverbesserung führt. Die Einzelheiten werden an einem Beispiel erläutert, das aus einem Aufbau mit zwei handelsüblichen Fersehkamerasvstemen besteht; die grundsätzliche Anordnung ist in Abb. 1 dargestellt. Die beiden Fernsehkameras 1,2 sind durch ein optisches Hilfsmittel; einem Strahlenteilungswürfel 3 auf den gleichen Bildausschnitt 4 ausgerichtet, so daß die von den Fernsehkameras 1,2 erzeugten zeilenförmigen Abtastraster annähernd deckungsgleich sind.
  • Gleichzeitig sorgen gemeinsame Synchronimpulse dafür, daß die beiden Abtastvorgängo zeitlich identisch ablaufen. Die Optik der Fernsehkamera 2 ist so eingestellt, daß sie im Gegensatz zur Optik der Fernsehkamera 1 eine unscharfe Abbildung der vorliegenden Bildazene 6 auf die photoempfindliche Schicht 7 (Signalplatte) ihrer Aufnahmeröhre verursacht (siehe Abb. 2). Bei Abtastung des Bildpunktes P"(x0" , yO) auf der Signalplatte 7 der Fernsehkamera 2 entspricht der Spannungswert des Videosignals nicht mehr dem an dieser Stelle im Originalbild 8 vorherrschenden Helligkeitswert H(xo,yO), sondern einem Mittelwert (x0,0),.zu dem alle Helligkeitswerte H(x,y,)einen Beitrag leisten, die innerhalb eines Bereiches liegen, der die Ausdehnung des Unschärfckreises 9 hat, der sich bei einer äquivalenten Unscharfabbildung eines einzelnen Punktes ergeben würde. Durch die Unscharfabbildung der Fernsehkameraoptik wird ein Bereich in der Bildszene festgelegt, für den die Fernsehkamera 2 die mittlere Helligkeit (xO,yO) mißt, die ein Maß für die Beleuchtungsfunktion I(x,y) an der Stelle-(xO,yO) darstellt, welche in dem Helligkeitswert H(xo,yO) enthalten ist, der gleichzeitig von der scharf abbildenden Fernsehkamera 1 beim Abtasten ihrer Signalplatte 10 ermittelt wird. Wie aus Abb. 1 hervorgeht, erfolgt die Steuerung der scharf abbildenden Fernsehkamera 1 durch das Uideosignal (Adaptionssignal) der unscharf abbildenden Fernsehkamera 2, indem das Videosignal der Fernsehkamera 1 durch das Adaptionssignal dividiert wird.
  • Statt das Videosignal der Fernsehkamera 1 mit dem Reziprokwert des Adaptionssignals zu steuern, ist auch eine direkte Steuerung der in die Fernsehkamra 1 einfallden optischen Helligkeit durchführbar, indem ein schneller, elektrisch steuerbarer Lichtmodulator benutzt wird. In diesem Fall bräuchte das nachfolgende Bildwandlerelement nur einen eingeengten Dynamikbereich verarbeiten.
  • Weiterhin kann die Steuerung auch direkt am Bildwandlerelement der Fernsehkamera 1 einsetzen, indem abhängig vom Adaptionssignal der Fernsehkamera 2 gemeinsam die Stärke des Abtaststrahles und die Große des Abscnlußwiderstandes an der Signalplatte geändert wird. Diese Verfahrensweise entspricht einer örtlichen Empfindlichkeitssteuerung der lichtempfindlichen Signalplatte der Aufnahmeröhre einer Fernsehkamera. Dadurch werden Fehlerquellen vermieden, die bei einer nachgeschalteten Steuarelaktronik aurtreten können.
  • Anstelle von zwei Aufnahmesystemen lßt sich auch eine Drei-Röhrenfernsehkamera verwenden,. wie sie in der Farbfernsehtechnik eingesetzt wird, wobei die zwei zusätzlichen Aufnahmeröhren die Aufgabe der optisch unscharf abbildenden Fernsehkamera 2 Ubernehmen. Dazu wird die vorgeschaltete Optik egtfernt und durch eine Lichtquelle ersetzt, die gleichmäßig die Signalplatten der beiden zusätzlichen Aufnahmeröhren ausleuchtet, die nun zur Speicherung der einzelnen Halbbilder der normal arbeitenden Aufnahmeröhre benutzt werden. Das von der eigentlichen Aufnahmeröhre abgetastete Halbbild wird gleichzeitig mit Hilfe des Elektronenstrahls in die Signalplatte einer der beiden Speicherröhren eingeschrieben, während synchron dazu die zweite Speicherröhre, das auf ihrer Signalplatte gespeicherte vorangegangene Halbbild mit einem unscharf eingestellten Elektronenstrahl abtastet. Dieser Vorgang wiederholt sich mit umgekehrter Aufgabenstellung, so daß die beiden Speicherrbhren durch elektronische Unscharfstellung im Gegentakt ein Videosignal liefern, das wiederum zur Steuerung verwandt wird. Dadurch werden alle die Fehler vermieden, die sich zum einen aus der zweifachen Bildwandlung durch zwei Aufnahmerbhren und zum anderen durch die damit verbundene nicht crreichbare Deckungsgleichheit der zeilenfdrmigen Abtastrsster ergeben. Weiterhin werden alle Schwierigkeiten ausgeschaltet, die durch Unscharfstellung über die Optik verursacht werden (Änderung des Abbildungsmaßstabs, Einfluß der Beugung durch Scheinauflösung).
  • Mit Hilfe einer zusätzlichen Elektronik kann man dem unscharf eingestellten Elektronenstrahl in seiner örtlichen Intensitãtsverteilung so beeinflussen, dos eine definierte Bewichtung der zur Mittelung herangezogenen Helligkeitswerte erreicht werden kann.
  • Statt das Adaptionssignal durch Mittelwertbildung Ober einen örtlich festgelegten Bereich zu gewinnen, kann man dazu Ubsrgehen, nur eine Fernsehkamera einzusetzen und durch zeitliche Tiefpaßfilterung des Videosignals ein Adaptlonssignal zu erhalten, das zur Steuerung herangezogen wird. Mit einer Laufzeitkette wird das ungefilterte Signal verzögert, um die Phasenverschiebung durch die Tiefpaßfilterung auszugleichen. Die zeilenwaiue Abtastung durch die Fernsehkamera führt dazu, daß ein vertikaler Beleuchtungasprung kein Einschwingverhalten zeigt, sondern vollkommen beseitigt wird im Gegensatz zu einem durch örtliche Mittelung gewonnenen Adaptionssignal.
  • Anstelle der heute üblichen Fernsehaufnahmeröhren sind auch flächenhafte Anordnungen von Photodioden verwendbar, deren Empfindlichkeit über die Änderung ihrer passiven Bauelemente mit Hilfe eines-Adaptionssignals gesteuert wird, das durch geeignete lineare Verknüpfung vieler benachbarter Photodioden gewonnen wird.

Claims (7)

Patentansprüche
1. Verfahren Verfahren zur ortsabhängigen Adaption von Bildaufnahmeeinrichtungen, dadurch gekennzeichnet, daß der Vorgang der Bildaufnahme durch eine Bildaufnahmeeinrichtung entsprechend der örtlichen mittleren Helligkeitsverteilung in einer Bildszene gesteuert wird, indem zwei synchron arbeitende Bildaufnahmeeinrichtungen auf die selbe Bildszenß ausgerichtet sind, wobei eine von ihnen mit Hilfe einer unscharf eingestellten Optik ein zweidimensionales tiefpaßgefiltertes Adaptionssignal erzeugt, mit dem der Bildaufnahmevorgang der anderen gesteuert wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Videosignal einer unscharf abbildenden Fernsehkamera eine zweite Fernsehkamera in der Weise steuert, daß ihr Videosignal durch das Adaptionssignal dividiert wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß mit Hilfe eines Dividierers ein zum Videosignal der unscharf abbildenden Fernsehkamera reziprokes Signal gebildet wird, das einen Lichtmodulator innerhalb der Optik der zweiten Fernsehkamera steuert.
4. Verfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n -e t daß das Videosignal der unscharf abbildenden Fernsehkamera den Vorgang der Bildwandlung in der Aufnahmeröhre der zweiten Kamera in der Weise steuert, daß gemeinsam die Stärke des Abtaststrahles und die Größe des Abachlußwiderstandes an der Signalplatte entsprechend dem Adaptionssignal geändert werden.
5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeiehnet, daß das Adaptionssignal zur Steuerung einer Fernsehkamera durch elektronische Unscharfabbildung gewonnen wird, indem zwei zushtzliche im Gegentakt arbeitende Aufnahmeröhren zur Speicherung der Halbbilder benutzt werden, die im nächsten Schritt mit einem unscharf eingestellten Elektronenstrahl wieder abgetastet werden.
6. Verfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t daß die Funktion der unscharf abbildenden Fersehkamera von der scharf abbildende Fernsehkamera übernommen wird, indem durch zeitliche Tiefpaßfilterung ihres Videosignals ein für ihre Steuerung benötigtes Adaptionssignal gewonnen wird.
7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung flächenhafter Anordnungen von Photodioden als Bildsufnahmeeinrichtung ein Adaptionssignal zur Steuerung ihrer Empfindlichkeit durch geeignete lineare Verknüpfung vieler benachbarter Photodioden gewonnen wird.
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DE3435064A1 (de) * 1984-09-25 1986-04-17 Messerschmitt-Bölkow-Blohm GmbH, 8012 Ottobrunn Fotoelektrischer empfaenger mit lokaler helligkeitsadaption
US5734439A (en) * 1995-03-10 1998-03-31 Alcatel N.V. Circuit arrangement for indicating ambient light conditions of a video pickup and video display device

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