DE2514988B2 - Verfahren zur schichtweisen Darstellung dreidimensionaler Objekte mittels kodierter Simultan-Überlagerungsbilder - Google Patents

Verfahren zur schichtweisen Darstellung dreidimensionaler Objekte mittels kodierter Simultan-Überlagerungsbilder

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Description

gekennzeichnet, daß die Verschiebung und Aufsummation der η Simultan-Überlagerungsbilder durch zeitlich nacheinander erfolgendes Einschreiben in
:". eine elektronische Speicherbildröhre erfolgt
11. Verfahren nach Anspruch 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß die π Simultan-Überlagerungsbilder elektronisch gespeichert werden und die Maßstabsangleichungen der π Bilder zueinander, die
:i > Verschiebungen und die Aufsummation dieser Bilder durch eine elektronische Rechenanlage erfolgt
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur schichtweisen Darstellung dreidimensionaler Objekte mittels einer Anzahl gleichzeitig aufgezeichneter kodierter Überlagerungsbilder verschiedener Bildebe-Hi nen, bei dem das Objekt aus unterschiedlichen Perspektiven durchstrahlt wird.
Es sind Verfahren vorgeschlagen worden, mit denen man aus einem einzelnen kodierten Überlagerungsbild eines durchstrahlten dreidimensionalen Objekts Schich- ■'~> ten dieses Objekts dekodieren kann (deutsche Patentanmeldung P 24 14 322.4, P 24 31 700.8, P 24 32 595.9). Mit diesen Verfahren ist es möglich, ein Objekt durch schichtweise Darstellung dreidimensional zu rekonstruieren. Hierbei ist das Signal-Rausch-Verhältnis aber I" relativ ungünstig.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Anzahl π gleichzeitig aufgezeichneter Simultan-Überlagerungsbilder eines Objektes so zu dekodieren, daß eine beliebig wählbare Schicht des dreidimensionalen Objekts synthetisiert >· wird, wobei gleichzeitig das Signal-Rausch-Verhältnis verbessert wird.
Gelöst wird diese Aufgabe dadurch, daß vom Objekt mit einer Vielzahl m von Quellen aus verschiedenen Perspektiven auf eine Anzahl «untereinander angeord- ■■<■· neter Ebenen Simultan-Überlagerungsbilder kodiert aufgenommen werden und daß die Dekodierung dieser Bilder zur schichtweisen Darstellung des dreidimensionalen Objekts derart erfolgt, daß für jede einzelne Schicht gleichzeitig oder nacheinander jedes der η im Maßstab zueinander angeglichenen Simultan-Überlagerungsbilder so oft verschoben und auf ein einziges Aufzeichnungsmedium aufsummiert wird, wie die Zahl m der Quellen bei der Aufnahme des Objekts war.
Da gleichzeitig eine Anzahl η untereinander mit einem bestimmten Abstand angeordneter Oberlagerungsbilder aufgenommen wird, ist auch eine für die Dekodierung günstige Quellenverteilung möglich. Als Quellenverteilung eignet sich z. B. eine statistische oder nichtredundante Verteilung, wie sie von M. J. E G ο 1 a y in der Zeitschrift »Journal of the Optical Society of America«, Band 6t, Seite 272, 1971, beschrieben wird. Bei der Dekod'srung von Überlagerungsbildeni nutzt man eine mathematische Eigenschaft dieser Verteilungen aus, nämlich, daß deren Autokorrelationsfunktion näherungsweise eine Dirac'sche ö-Funktion ist
Das Verfahren kann bei der medizinischen Röntgenabbildung in der medizinischen Diagnostik benutzt werden, und zwar bei der Abbildung bewegter dreidimensionaler Objekte, wie etwa das schlagende Herz, das sich schnell bewegt Das bewegte Objekt wird dabei gleichzeitig durch mehrere Röntgenröhren aus verschiedenen Positionen auf einen Satz untereinander angeordneter Röntgenfilme in Kurzzeit-Technik geblitzt und anschließend nach erfolgter Entwicklung der Filme mit dem erfindungsgemäßen Verfahre.! in allen Schichten dekodiert
Besonders vorteilhaft läßt sich die Anordnung in Verbindung mit einem holographisch-optischen Verfahren zur Herstellung von Schichtbildern nach der deutschen Patentanmeldung P 24 19 259.4 kombinieren. Die bei dem genannten Verfahren notwendigen Primärbilder unterschiedlicher Perspektive werden in diesem Falle ersetzt durch die erzeugten synthetisierten Perspektivbilder. Damit ist es möglich, die Vorteile beider Anordnungen miteinander zu verknüpfen.
Während bei dem erfindungsgemäßen Verfahren aus einer Anzahl in Kurzzeit-Technik hergestellter Simultan-Überlagerungsbilder in einem oben beschriebenen Schritt Perspektivbilder erzeugt werden, können bei dem holographisch-optischen Verfahren mit Hilfe geeigneter optischer Komponenten Schichten beliebiger Tiefe und Lage, auch Schrägschichten, innerhalb des zu untersuchenden Objekts kontinuierlich scharf auf einen festen Schirm abgebildet sowie bei Verwendung räumlich kohärenten Lichtes in der Fourier-Fbene eines geeigneten Objektivs die räumlich Fouriertransformierte des übertragenen Schichtbildes erzeugt werden.
Statt der Herstellung von m verschiedenen Perspektivbildern, die den m Aufnahmeperspektiven zugeordnet sind, durch Verschieben und Aufsummieren der jeweils π Simultan-Überlagerungsbilder kann auch eine sequentielle Dekodierung der einzelnen Simultan-Überlagerungsbilder für jeweils die gleiche Schicht des Objekts verwendet werden, wobei die Dekodierung mit Hilfe eines Punkthologramms erfolgt, das durch einen ebenen Referenzstrahl und Beleuchten einer Lochmaske im konvergenten Strahl hergestellt wird, wie es in der Patentanmeldung P 24 14 322.4 näher beschrieben ist. Gegebenenfalls können auch die einzelnen dekodierten Schichtbilder zu einem Gesamtschichtbild aufsummiert werden.
Die Simultan-Überlagerungsbilder erhält man, indem ein Objekt gleichzeitig oder nacheinander aus m räumlich voneinander getrennten Röntgenquellen durchstrahlt wird und die Projektionen gleichzeitig auf η in einem bestimmten Abstand untereinander angeordneten Aufzeichnungsmaterialien gespeichert werden. Jedes der nSimultan-Überlagerungsbilder beinhaltet die Information des dreidimensionalen Objekts kodiert mit einer Vielzahl vor. Quellen aus verschiedenen Perspektiven, aus denen das Objekt durchstrahlt wird.
Die Lage der einzelnen Abbildungen zueinandei innerhalb der Überlagerungsbilder ist in den η Simuhan-Überlagerungsbildern unterschiedlich und wird dazu ausgenutzt, bei der Aufsummierung der Simultan-Überlagerungsbilder zu einem synthetisierten Perspektivbild einen Verwischungseffekt zu erzielen.
Jedes einzelne der π Simultan-Oberlagerungsbilder kann an sich mit den genannten Verfahren dekodiert werden.
ίο In einem ersten Schritt werden die Simultan-Überlagerungsbilder hergestellt Dabei wird ein dreidimensionales Objekt gleichzeitig oder nacheinander aus m unterschiedlicher Perspektiven durchstrahlt und auf eine Anzahl von η untereinander angeordneten
ι". Aufzeichnungsträgern zu π Simultan-Überlagerungsbildern aufgezeichnet Für die gleichzeitige Aufnahme mehrerer Sümultan-Überlagerungsbilder eignet sich in besonderem Maße eine simultane Schichteinrichtung in Verbindung mit einem Folienbuch und einem Foliensatz, wie sie für gebräuchliche tomograpt' '»ehe Schichtgeräte erhältlich sind.
Da die η Simultan-Überlagerungsbilder je nach Lage innerhalb der Schichteinrichtung untereinander im Maßstab differieren, werden die Maßstäbe in einem zweitem Schritt angeglichen.
Es erfolgt in einem dritten Schritt die erste Aufsummierung der maßstabgleichen π Simultan-Überlagerungsbilder zu /π synthetisierten Perspektivbildern. Dazu werden die π Überlagerungsbilder so übereinan-
jo der positioniert und aufsummiert daß immer nur die Abbildungen zur Deckung kommen, die von einer der /n verschiedenen Quellen aufgezeichnet wurden. In dem so hergestellten Perspektivbild erscheint die Abbildung aus einer einzelnen Perspektive scharf, während alle
Γ· anderen Abbildungen verwischt aufgezeichnet werden. Anschließend werden die π Simultan-Überlagerungsbilder in der oben beschriebenen Art wiederum so aufsummiert, daß die Abbildung aus einer inderen Perspektive scharf erscheint usw. In dieser Weise erhält man eine Anzahl von m Perspektivbildern, die der Zahl der für die Kodierung verwandten Quellenzahl entspricht.
Bei der ersten Aufsummierung entsteht unter Verwendung einer nichtredundanten Verteilung von
ti /η Punkten ein Projektionsbild einer Perspektive mit der Amplitude π umgeben von m— 1 verwischten Figuren, die aus insgesamt η ■ (m—\) Projektionsbildern aller anderen Perspektiven mit der Amplitude 1 bestehen.
ic In einem vierten Schritt erfolgt eine zweite Aufsummierung, und zwar die der m Perspektivbiider zu Schichlbildern. Dabei kann die Schichttiefe, die einer bestimmten Versetzung der Einzelbilder zueinander entspricht, frei gewählt werden.
η Es entsteht drrch n-malige Überlagerung der /7i Perspektivbilder mit gleichzeitiger der Tiefe der Schicht entsprechender Versetzung ejn Bild der erwünschten Schicht mit der Amplitude m ■ n, außerdem /77 Nebenbiloer, die die Information über die
in ι übrigen Schichten beinhalten und keinerlei Information der erzeugten Schicht mehr besitzen, mit der Amplitude η und zusätzlich noch π ■ (m— 1) verw:sch;e Figuren, die wiederum aus insgesamt m ■ n(m— I) Projektionsbildern aller anderen Perspektiven mit der Amplitude 1
ι bestehen.
Die w Nebenbilder im Schichtbild werden mit Hilfe der nichtredünclanten Verteilung der Quellen optimal verwischt, während die m ■ n(m—\\ Proiektioiisbilder
bei der zweiten Aufsummierung eine vernachlässigbar kleine Amplitude von I haben und fast vollständig unterdrückt werden.
Im folgenden werden einige Alisführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert. Es zeigt schematisch
Fig. I die Aufzeichnung der Simultan-Überlagerungsbilder,
F i g. 2 die Maßstabsangleichung der Simultan-Überlagerungsbilder,
Fig. 3 die Herstellung der synthetisierten Perspektiv- ·< bilder,
F i g. 4 die Erzeugung der Schichtbilder,
F i g. 5 eine optische Anordnung zur Erzeugung von Perspektivbildern und
Fig. 6 eine Anordnung zur Erzeugung eines dreidimensionalen reellen Bildes des Objekts.
Das Verfahren wird erläutert in vereinfachter Weise
linier Rpriirlcurhticriinp von nur m = 4 Aiifnahrnnnncitjr»- nen zur Herstellung von nur n = 3 Simultan-Überlagerungsbildern. Die Ausweitung auf mehr als 4 Perspektiven und mehr als 3 Übcrlagerungsbildern ist dann unmittelbar einsichtig.
Die Fig. 1 zeigt die Aufzeichnung der π Simultan-Uberlagerungsbilder. Das Objekt O wird mit Hilfe einer Quellverteilung m, - mA, realisiert, z.B. durch vier Röntgenröhren, durchstrahlt. Zur weiteren Vereinfachung werden nur zwei Ebenen Ei und £2 mit den Symbolen c und f betrachtet. Es entstehen in den 3 Bildebenen By. B2 und Bi mit den Abständen h und I2 die Überlagerungsbilder S1Uy. S1L)2' und S1W in denen die beiden F.benen E, und E2 des Objekts O je 4fach abgebildet werden. In dem Simultan-Überlagerungsbild S1LZi' befinden sich die Abbildungen ey'fy'; C2 1K; e\f\ und CtW. im Bild S1U2' befinden sich ey"fy", C2" f2". ez'fz" und et" ti" und im Bild .9,(7/ c,'"fy'", ei'"{2", ei" K" und Cl"'ft'".
Da bei dieser Aufnahmetechnik die einzelnen Simultan-Überlagerungsbilder bedingt durch die Abstände /1 und I2 unterschiedliche Maßstäbe besitzen, müssen diese wie in F i g. 2 gezeigt ausgeglichen werden. ■ Dabei ist es wichtig, daß die in den von Überlagerungsbild zu Überlagerungsbild unterschiedlich großen Abbildungen von e und / im Maßstab gleichgesetzt werden. Die Abbildungen ey'fy', ^f2 im S1U-,'. e\"fy", c2"f2" im S1U2' und ey'"fy", ej'"^'" werden angeglichen ■ zu Cyfy und C2Z2 in den Bildern SiÜy. S1U2 und S,Ü}. Dadurch erreicht man, daß der Maßstab der einzelnen Abbildungen zwar gleich ist, daß der Abstand g\, g2 und gi der Abbildugnen ei/i und dh zueinander sich aber ändert.
Durch die Tatsache ist es möglich, ein synthetisiertes Perspektivbild zu erzeugen, wie in F i g. 3 erläutert wird. Die drei Simultan-Überlagerungsbilder SjUy-SiU3 werden so aufsummiert daß jeweils eine Abbildung, z. B. ei Λ im Bild P1, sich deckt, während alle anderen v.
Abbildungen V linear verwischt dargestellt werden. Nach drei weiteren Aufsummierungen mit den gleichen Simultan-Überlagerungsbildern erhält man die Perspektivbilder Pi, Pi und PA mit den scharfen Abbildungen ^f2. fd /i
Die F i g. 4 zeigt die Erzeugung der Schichtbilder aus den Perspektivbildern. Um eine bestimmte Ebene des Objekts O in F i g. 2, z. B. die Ebene Ey mit dem Symbol e. als Schichtbild darzustellen, werden die Perspektivbil-Hcr P\ — Pa so zueinander versetzt aufsummiert, daß die Symbole t'i - C4 zur Deckung kommen und letztlich das Schichtbild e mit maximaler Amplitude erscheint, während alle anderen Details der dazugehörigen Abbildungen, z.B. /i-Λ, mit mittlerer Amplitude mit Hilfe der nichtredundanten Quellverteilung optimal verwischt werden. Zusätzlich beinhaltet das Schichtbild alle anderen Perspektivbilder V, die in den Perspektivbüdern innerhalb der verwischten Figuren enth°'to" sind und die als Untergrund mit minimaler Amplitude erscheinen.
In Fig. 5 ist eine mögliche Anordnung zur Herstellung von Perspektivbildern schematisch dargestellt, bei der die sonst übliche Maßstabsangleichung entfällt. Die Simultan-Überlagerungsbilder S,L?i bis 5,ft (in Fig. 1) werden in die ursprünglichen Ebenen 1, 2 und 3 positioniert, die den Ebenen Py, P2 und P] in Fig. 1 entsprerSfin. und von der Rückseite 4 beleuchtet. Mit Hilfe eines geeigneten Objektivs 5 werden gleichzeitig alle η Simultan-Überlagerungsbilder (S1Oy, S1O2. S1U,) in die Abbildungsebene 6 abgebildet Um eine genügend große Tiefenschärfe zu erhalten, wird eine Blende 7 eingeführt, so daß die Abbildung 8 eine Überlagerung aller Simultan-Überlagerungsbilder darstellt. Entspricht die Position 9 des Objektivs z. B. der Position m2 in Fig. 1, dann ist 8 ein synthetisiertes Perspektivbild für die Perspektive m2. Verschiebt man das Objektiv 5 innerhalb der Ebene 10 bis in die beliebige Position 11. die der Perspektive einer anderen Quelle der Quellenverteilung bei der Aufnahme der Simultan-Überlagerungsbilder entspricht, dann entsteht ein weiteres synthetisiertes Perspektivbild für die entsprechende Perspektive.
Wie man mit Hilfe der synthetisierten Perspektivbilder ein dreidimensionales reelles Bild des Objekts rekonstruieren kann, zeigt Fig. 6. Die Perspektivbilder 13, 14 und 15 in der Ebene 16 weiden mit Hilfe von Linsen 17,18 und 19, deren Positionen 20,21 und 22 den Aufnahmepositionen bei der Herstellung der Simultan-Überlagerungsbilder entsprechen, gleichzeitig in die Ebene 23 abgebildet. Bei genügend großer Tiefens«.närfe der Linsen 17, 18 und 19 entsteht in dem Überlagerungsbereich der Abbildungen 24 das reelle Bild des aufgenommenen Objekts. Dieses Bild kann mit einem Detektor 26, z. B. einer Mattscheibe, geschichtet werden.
Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims (9)

  1. Patentansprüche;
    J. Verfahren zur schichtweisen Darstellung dreidimensionaler Objekte mittels einer Anzahl gleichzeitig aufgezeichneter kodierter Überlagerungsbilder verschiedener Bildebenen, bei dem «las Objekt aus unterschiedlichen Perspektiven durchstrahlt wird, dadurch gekennzeichnet, daß vom Objekt mit einer Vielzahl m von Quellen aus verschiedenen Perspektiven auf eine Anzahl η untereinander angeordneter Ebenen Simultan-Oberlagerungsbilder kodiert aufgenommen werden und daß die Dekodierung dieser Bilder 2:ur schichtweisen Darstellung des dreidimensionalen Objektes derart erfolgt, daß für jede einzelne Schicht gleichzeitig oder nacheinander jedes der π im Maßstab zueinander angeglichenen Simultam-Oberlagerungsbilder so oft verschoben und auf e:in einziges Aufzeichnungsmedium aufsummiert wird, wie die 2üsn! ju der ^ueHsn bei der Aufnahme des Objektes war.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die η Bilder /η-mal, entsprechend den m Perspektiven, zueinander versetzt auf je einem Aufzeichnungsmedium aufsummiert werden und m synthetisierte Perspektivbilder entstehen, die die Information aus jeweils einer Perspektive scharf abbilden und die Information aller anderen Perspektiven verwischen und die m Perspektivbilder m-mal zueinander 'ersetzt aufsummiert werden, so daß eine beliebige entsprechend der Versetzung der Perspektivbilder wählbare schicht innerhalb des dreidimensionalen ObjeKtos erzeugt wird.
  3. 3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die η Simultan-Überlagerungsbildsr gleichzeitig oder nacheinander mit Hilfe einer Lochmaske, deren Lochkoordinaten dem Punktbild der durch eine Lochkamera aufgenommenen Queilverteilung /η-mal überlagert und aufsummiert werden, so daß jeweils die gleiche Schicht des Objektes n-mal dekodiert wird und die η dekodierten Schichten zu einem Schichtbild aufsummiert werden.
  4. 4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Maßstabsangleichung der η Simultan-Überlagerungsbiider zueinander mit Hilfe eines geeigneten Objektivs geometrisch-optisch erfolgt, indem der Abbildungsmaßstab für die einzelnen Simultan-Überlagerungsbiider entsprechend der Maßstabsdifferenz variiert wird.
  5. 5. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Maßstabsangleichung der η Simultan-Überlagerungsbiider zueinander mit Hilfe einer elektronischen Korrektureinheit elektronisch erfolgt.
  6. 6. Verfahren nach Anspruch 1 —4 und einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die Verselzung und Aufsummation der η Simultan-Überlagerungsbilder mit Hilfe optischer Komponenten erfolgt.
  7. 7. Verfahren nach Anspruch 1 und einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß m synthetisierte Perspektivbilder in je einem Schritt durch gleichzeitige Projektion aller in ihre ursprüngliche Lage positionierten η Simultan-Überlagerungsbiider mit einem Objektiv unter Einhaltung der ursprünglichen Aufnahmegeometrie abgebildet werden und daß die Position des Objektivs bei der Abbildung der Position der Quelle entspricht, für die das jeweilige Perspektivbild synthetisiert wird
  8. 8. Verfahren nach Anspruch 1 und einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die τη synthetisierten Perspektivbilder durch die n-malige Versetzung und Aufsummierung der π Simultan-Überlagerungsbiider mit geeigneten optischen Mitteln erzeugt werden.
    in
  9. 9. Verfahren nach Anspruch 1 und einem der
    folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die m synthetisierten Perspektivbilder gleichzeitig aus m Perspektiven, die den Aufnahmepositionen bei der Herstellung der η Simultan-Überlagerungsbilder
    r> entsprechen, mit m geeigneten Linsen in die ursprüngliche Objektebene projiziert werden und daß durch die Überlagerung aller m Perspektivbilder ein dreidimensionales reelles Bild des Objektes entsteht, das mit einer Detektorfläche geschichtet
    :■■■! werden kann.
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