DE2500714C3

DE2500714C3 - Einrichtung zur Kontrastmessung eines Bildes

Info

Publication number: DE2500714C3
Application number: DE19752500714
Authority: DE
Inventors: Klaus Dr. 2000 Hamburg Hesse
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Priority date: 1975-01-09
Filing date: 1975-01-09
Publication date: 1979-07-05
Also published as: DE2500714B2; DE2500714A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur « Messung des Kontrastes an möglichst vielen Bildpunkten eines Bildes oder eines Bildausschnittes mit Hilfe eines opto-elektronischen Sensors aus paarweise angeordneten Elementen.

Bei Abbildungen einer Szene mit Hilfe eines so Objektivs kann es vorkommen, daß bei falscher Entfernungseinstellung unscharfe Bilder entstehen. Dies hat zur Folge, daß die Beleuchtungsstärkeunterschiede benachbarter Bildpunkte im allgemeinen kleiner als bei scharfen Bildern sind. Dieser differentielle Beleuchtungsstärkeunterschied wird im folgenden als (differentieller) Kontrast bezeichnet. Er ist mathematisch ausdrückbar durch

K(_X,y)=\,-T*aB(x,y)\, _b0

wobei B(x,y) die Lichtintensitätsverteilung eines Objekts bzw. die Beleuchtungsstärkeverteilung seiner Abbildung ist.

Es ist bekannt, daß im Auge bzw. Sehnerv Prozesse ablaufen, die zu einer Überhöhung des tatsächlichen f>^r> Kontrastes einer Szene führen, um beispielsweise Konturen stärker herauszuheben. Derartige Prozesse werden heute bei der Bildverarbeitung auf Großrechnern simuliert, um beispielsweise Satellitenaufnahmen aufzubereiten. Dabei wird u.a. die Größe K(x#) berechnet und dem ursprünglichen Bild überlagert.

Die gegebene Definition des ortsabhlngigen oder differentiellen Kontrastes erfüllt die Bedingung, unabhängig von der Wahl des Koordinatensystems und damit invariant gegen Drehungen der Szene zu sein. Weiterhin ist die Größe K(Xj) wie auch B(xy) positiv definiert Schließlich kann man als integralen Kontrast eines Bildes die Größe

lK(x,y)· df

definieren, wobei d/ ein möglichst klein zu wählendes Flächenelement bedeutet und häufig einfach Bildpunkt genannt wird.

Aus der DE-AS 21 05 288 ist eine automatische Scharfeinstellung für Kameras bekannt, bei denen das Verschieben bzw. Einstellen des Kameraobjektivs über eine mechanische Einrichtung erfolgt, die von einer Ortsfrequenzerfassungsvorrichtung gesteuert wird. Diese Methode geht von der Erkenntnis aus, daß bei unscharfen Bildern hohe Ortsfrequenzen mit im allgemeinen wesentlich kleineren Amplituden in Erscheinung treten als bei scharfen Bildern. Der Aufbau dieser Ortsfrequenzerfassungsvorrichtung ist eine zweidimensionale Matrix von jeweils zwei antiparallel geschalteten Fotodioden (sogenannten Fühlelementen). Diese Pärchen sind derart angeordnet, daß abwechselnd Spalten der einen und der anderen dazu antiparallel geschalteten Fotodiode entstehen, so daß die Funktion eines optischen Gitters simuliert wird, wie es normalerweise bei Ortsfrequenzerfassungsvorrichtungen verwendet wird. Dabei sind alle Fühlelemente parallel geschaltet

Ein prinzipieller Nachteil dieser Vorrichtung ist, daß das abgegebene Signal, welches als Maß für den integralen Kontrast anzusehen ist nicht invariant gegen Drehungen der Szene ist Dies resultiert daraus, daß das einzelne Fühlelement nur ein mathematisch durch die

^Größe dB(x,y}/6x

gegebenes Signal liefert, welches im Gegensatz zu
\grad B(x,y)\

nicht drehungsinvariant ist Die Größe des abgegebenen Signals hängt also von dem Winkel zwischen der Richtung des Beleuchtungsstärkegradienten und der Richtung der positiven x-Achse ab.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe ist darin zu sehen. Einrichtungen zu schaffen, mit denen direkt der differentielle oder der integrale Kontrast eines Bildes, d. h. ohne Umweg über einen Rechner, gemessen werden können.

Zur Lösung dieser Aufgabe, soweit'sie den integralen Kontrast betrifft, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß für jeden Bildpunkt ein Kontrastmeßelement vorgesehen ist das aus mehreren paarweise zusammengeschalteten fotoernpfindlichen Elementen mit derart zugeschalteten Hilfsdioden besteht, daß das Ausgangssignal eines jeden Kontrastmeßelements unabhängig von der Richtung und nur abhängig von der Größe des Beleuchlungsstärkegfädienten am Ort des Kontfastmeßelements ist, und daß eine Serienschaltung, d. h. eine Summation aller elektrischen Signale der einzelnen Kontrastmeßelemente, den Gesamtkontrast des Bildes liefert.

Als weitere Lösung der gestellten Aufgabe, soweit sie den differentiellen Kontrast betrifft wird, vorgeschla-

gen, jedes Kontrastmeßelement, das grundsätzlich denselben vorbeschriebenen Aufbau besitzt, getrennt anzusteuern und auszulesen.

Hiermit wird also eine zweidimensional Anordnung von möglichst eng gepackten Kontrastmeßelementen bereitgestellt Je nach Anwendungszweck können die Signale dieser Kontrastmeßelemente gespeichert und sequentiell ausgelesen werden, um die Punktion K(xy) zu erhalten oder durch eine geeignete Verschaltung direkt summiert werden, um ein dem integralen Kontrast entsprechendes Signal zu erhalten.

Mit der Einrichtung nach der Erfindung kann zur Bestimmung des Ortes höchster Bildschärfe bei der Abbildung einer Szene mit Hilfe eines Objektivs eine Messung des integralen Kontrastes herangezogen werden. Besteht die Aufgabe jedoch darin, durch räumliche Differentiation Konturen oder Silhouetten bei kontrastarmen Bildern anzuheben, wird die Ausführungsform, die die Auswertung des differentiellen Kontrastes ermöglicht, heranzuziehen sein.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist darin zu sehen, daß erstens ein zweidimensionales »Kontrastbild« K(x.y) gewonnen werden kann und zweitens dLis Signal für den integralen Kontrast unabhängig von der zufälligen Stellung des Sensors ist

Mit den nachfolgend beschriebenen Einrichtungen, welche die geforderten Eigenschaften eines Kontrastmeßelements besitzen, wird prinzipiell so vorgegangen, daß zunächst an mehreren Punkten jedes einzelnen Kontrastmeßelements mit den Koordinaten (x.y) Lichtmessungen vorgenommen werden, anschließend werden die dabei erhaltenen Signale durch eine geeignete Verschaltung in den gewünschten Kontrastwert des jeweiligen Kontrastmeßelements verwandelt

In der Zeichnung sind Einrichtungen nach der Erfindung schematisch dargestellt

F i g. 1 bis 3 zeigen je ein sogenanntes Differenzelement;

F i g. 4 bis 6 zeigen die geometrische Anordnung und Verschaltung mehrerer Differenzelemente zu einem Kontrastmeßelement und

Fig.7 ein Beispiel einer Ausführungsform in Planartechnik nach F i g. 1.

Einen möglichen Zugang bilden die an sich bekannten Differenzelemente, Paare von fotoempfindlichen Zellen, die die Beleuchtungsstärkedifferenz zweier fester Bildpunkte im Kontrastelement zu Tiessen gestatten. Auch das sogenannte Fühlelement nach der DE-AS 2105 288 stellt eine mögliche Ausführungsform dar. Zum Aufbau von Differenzelemenlen können im Prinzip alle lichtempfindlichen Bauelemente, wie Fotoelemente, Fotodioden, Fototransistoren etc, herangezogen werden

Ist die abzubildende Szene nur schwach beleuchtet, so empfiehlt es sich gemäß Fig. 1, eine stromlose Messung durchzuführen. Hierzu werden Fotoelemente 1 und 2 verwendet und die Differenz der Fotospannungen entsprechend

U= W - U?

gemessen. Bei diesem Meßverfahren entfällt der Untergründstföm und damit der Rauschanteil.

1st dagegen der Untergrundstrom weniger kritisch, so bieten sich gemäß Fi g. 2a und 2b die Möglichkeilen an, Strommessungen entsprechend

vorzunehmen. Im Beispiel nach F i g. 2a sind Fotodioden 3 und 4 an eine sußenliegende Spannungsversorgung angeschlossen, im Beispiel nach Pig,2b sind dagegen Fototransistoren eingesetzt worden. Wird angenommen, daß die Fotodiode 3 in Fig,2a durch den

entsprechenden Bildpunkt eines Bildausschnittes einer höheren Beleuchtungsstärke ausgesetzt ist als die Fotodiode 4, so wird durch die Diode 3 ein höherer Strom fließen als in der Diode 4 und die Stromdifferenzen 4/in einem Meßgerät nachweisbar sein.

ίο Um nun zu gewährleisten, daß die Kontrastmessung weitgehend unabhängig von der zufälligen richtungsmäßigen Lage der Differenzelemente, d.h. möglichst invariant gegen Drehungen in der Bildebene ist, werden mehrere Differenzelemente zu einem Kontrastmeßelement zusammengeschaltet Derartige Anordnungen, die ein von der Richtung des Intensitätsgradienten weitgehend unabhängiges Signal liefern, zeigen die Fig.4 bis 6.

In F i g. 4 sind als Beispiel vier je mit einer Hilfsdiode

so nach Fig.3 parallelgeschaltete Differenzelemente, geometrisch dargestellt so zu einem Kontrastmeßelement vereinigt, daß mindestens ein /Jifferenzelement einen Beitrag zum Signal liefert

Im Beispiel sind die Differenzelemente 8 bis 11 mit

parallel angeordneten Hilfsdioden zu einer quadratischen Anordnung (Kontrastmeßelement) zusammengeschaltet Wird angenommen, daß die Beleuchtungsstärke des Bildausschnittes von unten nach oben der F i g. 4 abnimmt so weist die Fotodiode Bb eine höhere

jo Spannung auf als die Fotodiode Sa im Differenzelement 8. Die außenliegende Hilfsdiode dieses Differenzelements verhindert den Spannungsausgleich. Auch im Differenzelement 10 besitzt die Fotodiode 10a den höheren Spannungswert gegenüber der Fotodiode 106.

Die resultierende Spannungsdifferenz ist aber durch die Hilfsdiode kurzgeschlossen. Damit trägt dieses Differenzelement 10 nicht zur meßbaren Spannung an den Anschlüssen dieses Kontrastmeßelements bei. Ebensowenig kann bei der angenommenen Richtung des Beleuchtungsstärkegradienten eine Spannungierhöhung durch die Differenzelemente 9 und 11 erfolgen, da ihre empfindlichen Bereiche keine Beleuchtungsstärkeunterschiede feststellen können. Damit wird allein vom Differenzelement 8 die an den Anschlüssen des Kontrastmeßelements liegende Spannungsdifferenz geliefert Bei einer Drehung des Kontrastmeßelements werden, je nach Größe des Drehwinkels, die Differenzelemente 9, 10 oder 11 ganz oder teilweise die Signalspannung liefern.

Die fotoempfindlichen Bauelemente können, von der Fertigung her gesehen, nicht beliebig klein gemacht werden. Im Verhältnis zu den Hilfsdioden beanspruchen die fotoempfindlichen Bauelemente eine verhältnismäßig große Fläche. Um mit weniger fotoempfindlichen

V) Bauelementen und damit feinmaschiger den Bildausschnitt abtasten zu können, sind nach dem Beispiel der Fig.5 vier fotoempfindliche Elemente 12 bis 15 so zusammengeschaltet, daß auch hier das an den äußeren Anschlüssen abgenommene Signal unabhängig von der

Mt Richtung des Beleuchtungsstärkegradienten ist Um dieses zu erreichen, sind die leitenden Verbindungen zwischen den einzelnen empfindlichen Elementen bei 16 miteinander verbunden und in der dargestellter. Weise über Hilfsdioden an die äußeren Anschlüsse gelegt

hi Eine weitere Möglichkeit mit nur drei fotoempfindlichen Elementen >7 bis 19 mit entsprechenden Hilfsdiodenschaltungen zeigt F i g. 6.
Schließlich zeigt Fig. 7 einen Schnitt durch eine

mögliche Ausführungsform eines fotoempfindlichen Halbleiter-Differenzelements. In ein p-Substrat ist eine η-leitende Schicht diffundiert. Durch weitere Diffusion zweier oder mehrerer p-Bereiche entstehen zwei oder mehr gegeneinander geschaltete Dioden gemäß den Fig. 1, 5 oder 6. Mit den p-Dotierungen sind Metallisierungen zur Herstellung der nach außen führenden elektrischen Leiterbahnen verbunden.

Alle in den Ausführungsbeispielen (F i g. 4 -6) dargestellten Kontrastmeßelemente können gemäß F i g. 7 in dieser Differenz-Fotoelement-Planartechnik hergestellt werden. Bei der Matrixbildung aus Kon'rastmeßelementen können die verschiedenen Anwendungsmöglichkeiten berücksichtigt werden. Diese reichen von der totalen Summation über alle Kontrastelemente (Serienschaltung) bis zur getrennten Ansteuerungsmöglichkeit jedes einzelnen Kontrastmeßelements. Entsprechende Schaltungen sind von normalen Fotodioden-Arrays mit integrierten MOS-Schieberegistern oder nach dem Prinzip der Charge-Coupled Devices (CCD) gelänfig.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche?

t. Einrichtung zur Messung des Kontrastes an möglichst vielen Bildpunkten eines Bildes oder eines Bildausschnittes mit Hilfe eines opto-elektronischen Sensors aus paarweise angeordneten fotoernpfindlichen Elementen, dadurch gekennzeichnet, daß für jeden Bildpunkt ein Kontrastmeßelement (8—11, 12—15, 17—19) vorgesehen ist, das aus to mehreren paarweise zusammengeschalteten fotoempfindlichen Elementen (8a, 6b, 10a, 106 ...) mit derart zugeschalteten Hilfsdioden besteht, daß das Ausgangssignal eines jeden Kontrastmeßelements unabhängig von der Richtung und nur abhängig von is der Größe des Beleuchtungsstärkegradienten am Ort des Kontrastmeßelements ist, und daß eine Serienschaltung, d. h. eine Summation aller elektrischen Signale der einzelnen Kontrastmeßelemente, den Gesamtkontrast des Bildes liefert.
2. EinricitUing zur Messung des Kontrastes an möglichst vielen Bildpunkten eines Bildes oder eines Bildausschnittes mit Hilfe eines opto-elektronischen Sensors aus paarweise angeordneten fotoempfindlichen Elementen, dadurch gekennzeichnet, daß für jeden Bildpunkt ein Kontrastnießelement (8—11, 12—15, 17—19) vorgesehen ist, das aus mehreren paarweise zusammengeschalteten fotoempfindlichen Elementen (8a, Sb, 10a, XOb ...) mit derart zugeschalteten Hilfsdioden besteht, daß das Aus- Jo gangssignal eines jeden Kontrastmeßelements unabhängig von dir Richtung und nur abhängig von der Größe des Beleuchtungsstärkegradienten am Ort des Kontrastmeßelenients -.st und daß jedes Kontrastmeßelement bei getrennter Ansteuerung und Auslesung zu einem differeiuellen Kontrast des Bildes führt
3. Einrichtung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß alle fotoempfindlichen Elemente und die Hilfsdioden in integrierter Halbleitertechnik realisierbar sind.