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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.
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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.
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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.
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Unter diesen Umstanden ist die Verarbeitung bewegter Bildszenen nicht
möglich.
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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).
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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.
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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.
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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.
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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.
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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).
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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.
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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.
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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.