DE2535408C3 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kodierung und Dekodierung eines dreidimensionalen Objektes unter Verwendung kohärenter Punkt Kodes, bei dem das Objekt in zwei Aufnahineschntten jeweils mit einer Vielzahl von Strahlungsquellcn verschiedener Perspektive auf jeweils ein und dasselbe Aufzeichnungsmaterial aufgezeichnet wird.

Es ist bekannt, daß .nan dreidimensionale Objekte kodieren kann, indem man mit inkohärentem Licht oder auch mit Röntgenstrahlen das Objekt aus verschiedenen Positionen beleuchtet und die Schattenbilder auf ein und demselben Film pholographisch aufzeichnet. Man erhält so ein Überlagerungsbild, aus dem die Information über das Objekt nicht unmittelbar zugänglich ist.

Erst in einem zweiten Schritt, der Dekodierung des Überlagerungsbildes, können die Schichten des dreidimensionalen Objektes wieder sichtbar gemacht werden und diskrete Ebenen dieses Objektes dargestellt werden. Die Dekodierung selbst kann in einem inkohärenten optischen Vervielfachungsaufbau erfolgen, wie er z. B. in der Patentanmeldung P 24 32 595.9 vorgeschlagen wird. Bei der Dekodierung aufgrund der spezifischen Anordnungen der Aufnahmequellen nach einer nichtredundanten Punktverteilung können Nebenbilder entstehen, die das Signal-Rausch-Verhältnis nicht über eine gewisse Schwelle ansteigen lassen. In einer

ίο Veröffentlichung von Q Brown in der Zeitschrift »Journal of Applied Physics«, Band 45, Seiten 1806-1811, aus dem Jahre 1974 wird nun angegeben, wie man durch Verwendung kohärenter Kodes das Signal-Rausch-Verhältnis bei dieser Art von Bildkodierung verbessern kann. Dabei werden von einem Objekt zwei Aufnahmen mit zwei Lochkameras verschiedener Punktverteilungen gemacht und anschließend die Bildwerte einem Computer eingegeben, wobei dem einen Bild negative und dem anderen positive Werte und umgekehrt zugeordnet werden. Das Bild kann dann mit dem Computer dekodiert werden. Dieses rechnerische Verfahren kann wegen der großen Bildpunktzahl (bis zu 10» Bildpunkte) für Röntgenaufnahmen nicht praktisch verwandt werden.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein einfacheres Verfahren für die Schichtdarstellung anzugeben.

Gelöst wird diese Aufgabe dadurch, daß von diesen beiden Bildern Negative hergestellt werden, jeweils das Positiv des einen mit dem Negativ des anderen kombiniert wird, und diese beiden kombinierten Bilder mit Hilfe jeweils eines Punkihologramms, die mit Hilfe einer Referenzwelle und einer Anzahl von Lichtquellen hergestellt werden, deren Koordination jeweils den Punktbildern der durch eine Lochkamera aufgenommenen beiden Quellverteilungen entsprechen, vervielfacht werden und die beiden vervielfachten Bilder in einer Ebene zur Überlagerung gebracht werden und daß die Dekodierung der kodierten Bilder durch Maßstabsänderung derselben mit Hilfe zweier synchron gesteuerter Zoomobjektive erfolgt, bei der die Koordinaten der Punktbildfunktion einer Objektbildebene auf den kodierten Bildern den gespeicherten Punkten in den beiden Punkthologrammen angepaßt werden.

Anstelle des optischen Aufbaus kann auch ein analog-elektronischer Aufbau verwendet werden, die Dekodierung erfolgt dann durch entsprechendes Verschieben der beiden kodierten Bilder zusammen mit ihren Negativen auf einer elektronischen Speicherröhre. Die Entstehung des dekodierten Bildes einer Schicht kann dabei so verstanden werden, daß — unter Verwendung eines geeigneten Kodes von n_t Quellen für die erste Aufnahme und n₂ Quellen für die zweite Aufnahme — bei der Dekodierung ein Bild der Amplitude η = /;, + π? entsteht, und die störenden Unterbilder der Zahl N=n(n-\) zum Teil durch die Negative der beiden kodierten Bilder ausgeglichen werJen, so daß nur mehr M Nebenbilder entstehen, wobei M<yVist und damit das Signal-RauschVerhäll nis wesentlich verbessert wird.

M) Das Verfahren kann besonders vorteilhaft bei der medizinischen Röntgcnahbildung benutzt werden, und zwar bei der Abbildung bewegter dreidimensionaler Objekte, wie etwa das mit Kontrastmittel gespritzte schlagende Herz. Das bewegte Objekt wird dabei

*5 innerhalb sehr kurzer Zeit zweimal aus jeweils mehreren Röntgenröhren aus verschiedenen Positionen auf zwei getrennte Filme geblitzt und anschließend nach erfolgter Entwicklung des Films mit dem erfindungsgc-

mäßen Verfahren in allen Schichten dekodiert Anstelle des Films kann auch eine Bildverstärkerröhre benutzt werden. Die Dekodierung kann auch mit einem elektronischen Verschiebesystem, wie vorgeschlagen in der Patentanmeldung P 24 31 700.8, erfolgen.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand graphischer Darstellungen näher beschrieben. Es zeigt F i g. 1 die Kodierung eines Objektes,

Fig.2a und 2b die zum Objekt gehörigen zwei kodierten Bilder,

F i g. 3a und 3b zwei kodierte Zwischenbilder,

F i g. 4 der erste Vervielfachungsschritt,

F i g. 5 der zweite Vervielfachungsschritt des Dekodierungsprinzips,

Fig. 6 ein optisches System zur Dekodierung dreidimensionaler Objekte.

Das Kodierungs- und Dekodierungsprinzip wird erklärt an einem vereinfachten System unter Benutzung von 4 Strahlungsquellen P_x, P₂, P₃, Qi (F! g. 1). In Fig. 1 ist die Aufnahme des dreidimensionalen Objektes, bestehend aus einem Kreis K und einem Quadrat R in verschiedenen Ebenen, dargestellt. Es werden zwei Aufnahmen gemacht: Zuerst bilden die Quellen P_x, P₂, Pz gleichzeitig das Objekt ab, resultierend in einem kodierten Bild SfPJ. Unmu>elbar danach bildet die Quelle Q₁ das Objekt ab, resultierend in Bild S(Q). Im allgemeinen Fall hat man n. Quellen P_x ... P_n ι für die erste und n₂ Quellen Q_x... Q„₂ für die zweite Aufnahme. Die Anordnung der π = n_x + n₂ Quellen ist für die Dekodierung entscheidend. Sie wird später beschrieben. Die Quellen der Kategorie Q bezeichnen wir auch als »negative Quellen«, die der Kategorie P als »positive Quellen«. Daher rührt der Name »kohärente« Kodierung. In Fig.2a sind die beiden kodierten Bilder S(P) aufgenommen mit den positiven Quellen, und in F i g. 2b die Bilder S(Q). aufgenommen mit der negativen Quelle, angedeutet. Die.se l'eiden kodierten Bilder mit den Krehen K_x. K₂. /C₁ u^d K und den Quadraten R_x, R₂, Rz und ft. entstanden du^rch Abbildung mit der Quelle P_x, P₂, Pi bzw. Q_x, verdeO zur Dekodierung benutzt. Die kodierten Bilder köO'ien auch auf einer Bildverstärkerröhre erzeugt verde'¹.

Die Formel, nach <Jer das dekodierte Objekt 5" aus den kodierten Bilde¹·! S(P), S(Q) und deren Negativen -S(P)und -S(Q)erhalten wird, lautet:

"2

Die Funktionen Pund ζ)sind die Punktbildfunklionen der Aufnahme mit den Quellen P₁ bzw. ζ),,·das Zeichen * bedeutet mathematische Korrelation und ist aufgrund der einfachen Punktbildfunktioncn Pund ζ), bestehend aus drei Punkten bzw. einem Punkt, hier nichts anderes als Verschiebung und Aufsummation von Bildern. Der mathematische Vorgang wird in Schritte a_x, a₂, b\, O₂, c zerlegt, die in den F i g. 3 bis 5 anschaulich erläutert sind. Um die Erklärung zu vereinfachen, wird die Dekodierung nur einer Ebene, die des Quadrates R, gezeigt: die Dekodierung der Ebene des Kreises geschieht dann genauso, nur mit verändertem Maßslab der kodierten Bilder.

In F i g. 3a ist der Schritt U_x gezeigt. In Schritt a_x wird ein Bild erzeugt durch Aufsummicren des kodierten Bildes S(P) und des Negativs -S(Q) des kodierten Bildes S(Q): Das Quadrat R in Bild S(P) habe die Schwärzung O und die Umgebung die Schwärzung (1), ebenso in Bild S(Q) in Fig. 3b; dann hat das Negativ — S(Q) in F i g. 3a die Schwärzung (1) im Quadrat R und O in der Umgebung. Die Summe aus beiden S(P)-S(Q) hat dann die Schwärzung (1) in der Umgebung und die Schwärzungen 0,0,02 in den 4 Quadraten R. Im Schritt a₂ (F i g. 3b) wird ein entsprechendes Bild aus S(Q) und dem Negativ -S(P) aufsummiert, resultierend in Bild S(Q)- S(P). Ausgehend von diesen beiden Bildern wird dann in F i g. 4 und 5 das Quadrat R dekodiert I m Schritt b\ wird das Bild a_x verdreifacht und diese drei identischen Bilder gegeneinander verschoben nach den Vektoren P₁, P₂, P₃ der Punktbildfunktion P und aufaddiert Das resultierende Bild S(P)-S(Q)* P besteht dann aus 8 Quadraten R mit Schwärzungen 0,2,3,4, und der Umgebungsschwärzung (3). In F i g. 5 werden nun das Bild b\ und das um den Vektor Q_x der Bildpunktfunktion Q verschobene Bild S(Q)-S(P). resultierend als Bild tn, addiert und ergeben d?^c Bild c. Das Bild c ist identisch mit dem dekodierten Bild S". bestehend aus einem Quadrat R in der Mitte der Schwärzung O, das sich abhebt von seiner Umgebung der Schwärzung (4). Allerdings sind noch 4 Nebenquadrate NR der Schwärzungen 3 bzw. 5 vorhanden, die den Untergrund oder das »Rauschen« des Bildes sind, während das mittlere Quadrat R als »Signal«, als das dekodierte Quadrat bezeichnet wird. Der Kontrast von

jo 4:1 zwischen »Signal« und Umgebung ist bei Verwendung von π = n_x + n₂ Quellen entsprechend /7:1. Dabei ist es wichtig, solche Verteilungen von positiven Quellen P₁ und negativen Quellen Q, zu finden, so daß im dekodierten Bild die Nebenbilder nur um ±1 in der

J5 Schwärzung von der Umgebung abweichen. Solche Verteilungen werden »nichtredundante kohärente ± Kodes« genannt. Ihre mathematische Eigenschaft wird dadurch beschrieben, daß ihre Autokorrelation einen Wert η = Π\ + n₂ und mehrere Werte + 1 oder - 1 der Anzahl M<n(n-\) hat. Unter Verwendung nur inkohärenter nichtredundanter Verteilungen hat man stets n(n-\) Nebenbilder. Bei einer inkohärenten Quellen-Verteilung der Zahl 4 hätte man also π=4·3 = 12 Nebenbilder, während man hier bei der Verwendung des kohärenten Kodes mit +1, +1. +1 und - 1 nur 4 Nebenbilder hat. Daraus ersieht man den großen Vorteil kohärenter Kodes. Allerdings muß man dann zwei Aufnahmen des Objektes machen, wobei man der ersten Aufnahme die positiven und der zweiten Aufnahme die negativen Quellen zuordnet.

In Fig. 6 ist ein optisches System gezeigt wie das Dekodierungsprinzip. beschrieben nach Fig. 3 bis 5. sehr einfach realisiert werden kann. Das System besteht aus zwei Einheiten. Der Laserstrahl LA. der zwar monochromatisch, aber räumlich inkohärent sein kann, wird durch den halbdurchlässigen Spiegel Sp₂ und den Spiegel Spi in zwei Strahlen verlegt Jeder Strahl wird durch die Linsen L₁ aufgeweitet und leuchtet Mattscheiben M aus. Hinter den Mattscheiben befinden sich die Bilder (a\) und (.72), wie sie oben beschrieben wurden: (λ'ι) besteht aus dem Bild S(P) und dem Negativ des Bildes S(QJ. (a 2) aus dem Bild S(Q) und dem Negativ des Bildes S(Pj. Mit Hilfe von Zoomlinsen Z können diese Bü'Jer einer Maßstabsänderung unterworfen werden.

Die so erzeugten Luftbilder A_x und A₂ werden mit Hilfe der Linsen L₂ und der Hologramme Hp und Hq vervielfacht (Schritt b\ und tn) und in der Ebene zum rekonstruierten Bild S" aufsummiert (Schritt c). Im

Hologramm Hp ist die Bildpunktfunktion P und im Hologramm //<jdie Bildpunktfunktion Qgespeichert. Es sind sogenannte Punkt- oder Vervielfachungshologramme. Das dekodierte Bild 5"kann dann direkt betrachtet werden.

Verschiedene Schichten des Objektes kann man dekodieren, indem man gleichzeitig die beiden Zoom-Objektive betätigt und somit eine parallele Maßstabsänderung der Luftbilder A\ und Ai erzeugt.

Anstelle der Positive und Negative der Bilder (a'i) und (a'2) können auch zwei elektro-optische Wandler wie die Phototitus-Röhren benutzt werden, auf deren Target die Positive aufgeblitzt werden und bei einem zweiten Aufblitzen die Spannung umgekehrt wird, wobei dann Negative entstehen.

Eine andere Realisierung der Schritte au ai, b\, 62, c kann erzielt werden durch Verwendung einer elektronischen Speicherröhre, in der Positive (Hell-Dunkel) und Negative (Dunkel-Hell) eingeschrieben und aufsummiert werden können. Die Reihenfolge der Verschiebungen und Summation, ausgehend von den beiden Bildern S^und S(Q)\si dabei völlig beliebig.

Hierzu 6 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Kodierung und Dekodierung eines dreidimensionalen Objektes unter Verwendung kohärenter Punkt-Kodes, bei dem das Objekt in zwei Aufnahmeschritten jeweils mit einer Vielzahl von Strahlungsquellen verschiedener Perspektive auf jeweils ein und dasselbe Aufzeichnungsmaterial aufgezeichnet wird, dadurch gekennzeichnet, daß von diesen beiden Bildern Negative hergestellt werden, jeweils das Positiv des einen mit dein Negativ des anderen kombiniert wird, und diese beiden kombinierten Bilder mit Hilfe jeweils eines Punkihologramms, die mit Hilfe einer Referenzwelle und einer Anzahl von Lichtquellen hergestellt werden, deren Koordination jeweils den Punktbildern der durch eine Lochkamera aufgenommenen beiden Quellverteilungen entsprechen, vervielfacht werden und die beiden vervielfachten Bilder in einer Ebene zur Überlagerung gebracht werden und daß die Dekodierung der kodierten Bilder durch Maßstabsänderung derselben mit Hilfe zweier synchron gesteuerter Zoomobjektive erfolgt, bei der die Koordinaten der Punktbildfunktion einer Objektbildebene auf den kodierten Bildern den gespeicherten Punkten in den beiden Punkthologrammen angepaßt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden kodierten Bilder auf zwei getrennten Filmen durch Röntgenblitze aus verschiedenen Richtungen erzeugt werden, und die Negative durch Kontaktkopie erzeugt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Information auf den Röntgenbildcrn auf einen elektro-optischen Bildwandler gegeben und die Negative durch Umkehrung der Spannung des Bildwandlers erzeugt werden.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dekodierung der beiden kodierten Bilder durch entsprechendes Verschieben und Aufsummieren der Positive und Negative auf eine elektronische Speicherröhre durch Hell-Dunkel- bzw. Dunkel-Hell-Abtastung erfolgt.

5. Verfahren nach Anspruch I bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die kodierten Bilder auf einer Bildverstärkerröhre erzeugt werden.