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Elektronische Bildabtastungs- und Aufzeichnungsvorrichtung
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Die Erfindung betrifft eine elektronische Bildabtast- und Aufzeichnungsvorrichtung
zur Abtastung von Positiv- und/oder Negativbildvorlagen mit einem optoelektronischen
Wandler, insbesondere mit einem CCD, mit einer Analog-Digital-Wandlervorrichtung
zur Digitalisierung der Bildsignale, mit einer digitalen Signalverarbeitungsstufe,
einer Digital-Analog-Wandlervorrichtung und einer Vorrichtung zur Aufzeichnung der
verarbeiteten Bildsignale auf einem Aufzeichnungsträger.
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Bei Verfahren zur Bildaufzeichnung gewinnt die digitale Signalverarbeitung
zunehmend an Bedeutung. Einerseits sind digitale Schaltungen stabiler als entsprechende
Analogschaltungen. Andererseits ist durch die Fortentwicklung hochintegrierter Schaltungen
der grundsätzlich höhere Aufwand bei digitalen Schaltungen wirtschaftlich tragbar
geworden. Der Aufwand für digitale Schaltungen hängt wesentlich von der geforderten
Auflösung ab. Man ist daher bestrebt, mit möglichst wenigen Digitalisierungsstufen
auszukommen. Werden nun zu wenige Digitalisierungsstufen verwendet, und demnach
eine zu grobe Unterteilung gewählt, so treten bei ursprünglich kontinuierlich ansteigenden
oder abfallenden Signalen
sichtbare Stufen bzw. Nelligkeitssprünge
auf dem Aufzeichnungsträger auf, die zu sogenannten störenden Helligkeitgebirgen
fUhren. Wählt man nun andererseits die Stufung bei den Digitalisierungsstufen zu
gering, so erhält man zwar eine einwandfreie Aufzeichnung. Jedoch wird dann der
Aufwand hinsichtlich der Anzahl der Digitalisierungsstufen zu hoch.
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Der Aufwand bei der Analog-Digital-Wandlung ist besonders hoch bei
der Abtastung von Negativ-Bildvoriagen, da.dort hohe Signalwerte (große Transparenz)
zu einer großen Aufzeichnungsdichte (Bildschwarz) führen. Dies bedeutet, daß geringe
Bildsteuersignale eine geringe Aufzeichnungsdichte hervorrufen. Da das hell adaptierte
Auge des Menschen Helligkeits- bzw. Dichteunterschiede in der Nähe von Bildweiß
fein unterscheiden kann, müssen die Stufenunterschiede bei einer Negativabtastung
entsprechend gering gewählt werden. Hierdurch erhellt sich die Zahl der verwendeten
Schwellwertstufen beträchtlich.
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Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine elektronische Bildabtast-
und Aufzeichnungsvorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, die sowohl
zur Abtastung von Positiv- als auch zur Abtastung von Negativ-Bildvorlagen geeignet
sein soll, und bei der die Anzahl der verwendeten Digitalisierungsstufen bzw. Schwellwertstufen
gering gehalten werden soll, ohne daß hierbei die Unterteilung der Digitalisierungsstufen
zu grob wird und ohne dabei ursprünglich kontinuierlich ansteigenden oder abfallenden
Signalen auf der Seite des Aufzeichnungsträgers sichtbare und störende Helligkeitsstufen
auftreten.
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Die AuEgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Analog-Digital-Wandlervorrichtung
hinsichtlich ihres Durchsteuerungsverhaltens abgestufte Schwellwertstufen aufweist,
wobei die die Schwellwertstufen nacheinander durchsteuernden
Bildsteuersignale
der Bildvorlage (Bildpositive und/oder Bildnegtive) eine Kette von ungleich abgestuEten
Bildsteuersignalen bilden, deren ungleiche Stufen so bemessen sind, daß bei einer
sonst kontinuierlichen Signalverteilung auf der Bildvorlage auf dem Bildaufzeichnungsträger
gerade eben keine fUr das hell adaptierte Auge wahrnehmbare Dichtesprünge (Erkennbarkeitsschwellen)
auftreten, wobei die ungleichen Stufen sowohl bei Negativvorlagen als auch bei Positivvorlagen
im Bereich von Bildweiß jeweils eine geringere Stufenhöhe als bei Bildschwarz aufweist,
und wobei die Anzahl der Schwellwertstufen abhängig ist von der Verstärkung der
Bildabtast- und Aufzeichnungsvorrichtung, vom maximal verarbeitbaren Kontrast der
Vorlage, vom Dichteumfang der Aufzeichnung und von der Empfindlichkeitskennlinie
des hell adaptierten Auges. Betrachtet man den Dichteumfang der Aufzeichnung auf
dem Aufzeichnungsträger, der durch einen maximalen Dichtewert und einen minimalen
Dichtewert bestimmt ist, und die jeweiligen Erkennbarkeitsschwellen dD zwischen
Bildweiß und Bildschwarz, so zeigt sich, daß unabhängig vom Aufzeichnungsverfahren
nur eine endlich Anzahl von erkennbaren Dichtestufen im gesamten Dichteumfang enthalten
sein kann. Diesen erkennbaren bzw. gerade noch unterscheidbaren Dichtestufen sind
die einzelnen Schwellwertstufen mit ihren entsprechenden Schwellwertspannungen zugeordnet,
wobei die Bewertungskennlinie des hell adaptierten Auges berücksichtigt wird, welches
Helligkeitsänderungen im Bildweißbereich stärker bewertet als Helligkeitsänderungen
im Bildschwarzbereich. Bei einer optimalen Digitalisierung muß die Höhe ihrer Digitalisierungsstufen
so gewählt werden, daß sie jeweils gerade der zulässigen Stufenhöhe entspricht.
Da diese an die Erkennbarkeitsschwelle gebunden ist, muß die Zahl der erforderlichen
Digitalisierungsstufen gleich der Zahl der unterscheidbaren Dichtestufen sein. Die
Zahl der verwendeten Digitalisierungsstufen bzw. Schwellwertstufen ist bei vari-
abler Stufenhöhe der Digitallsierungsstufenlals bei Digitalisierungsstufen mit konstanter
Stufenhöhe. Bei der Abtabei konstanter Stufenhöhe stung von Negativbildern würden
sich wegen#der kleiner kritischen Stufenhöhe erheblich mehr Stufen für die gesamte
Digitalisierung ergeben. Die im Bildweißbereich benötigten gering gestuften Schwellwertstufen
würden jedoch im Bildschwarzbereich mit dieser geringen Stufung keine Vorteile ergeben,
da die feine Signalunterteilung in der Nähe von Bildschwarz zu Dichteabstufungen
führt, die vom Betrachter visuell nicht aufgelöst werden können.
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Gemäß weiterer Ausbildung ist die auf den maximalen Bildsteuersignalwert
Smax bezogene normierte, die Schwellwertschalter nacheinander durchsteuernde Bildsteuersignalkette
Sn bestimmt durch die folgende Beziehung: S n = S n-1 + |dS (Sn-1| wobei n alle
ganzen Zahlen zwischen 1 und N einnimmt, wobei S O das auf das maximale Bildsteuersignal
Smax normierte, noch auswertbare minimale Bildsteuersignal S min ist und wobei DS
(S n -1) die normierte Stufenhöhe fUr das jeweils vorherige Stufensignal S n -1
ist und wobei die normierte Stufenhöhe dS (Sn -l ) bestimmt ist durch die folgende
Beziehung: a) Für eine Positivbildvorlage
b) fur eine Negativbildvorlage
wobei | 1 1 gleich dem Quotienten der Differenz der maximalen Aufzeichnungsdichte
Dmax und der minimalen Aufzeichnungsdichte Dmin und der Differenz des Logarithmus
des maximalen Bildsteuersignals und dem Logarithmus des minimalen Bildsteuersignals
der Vorlage ist und wobei e die Eulersche Zahl ist. N ist die Anzahl der insgesamt
durchsteuerbaren Schwellwertstufen, fUr die das Bildsteuersignal S-N gerade den
Wert 1 Uberschritten hat.
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In vorteilhafter Weise sind die Werte der Kette der Bildsteuersignale
Smin bis §-N gleich den Schwellwerten der zugeordneten Schwellwertstufen.
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Bei Verwendung von Schwellwertstufen mit gleich großen Schwellwertabstufungen
wird. zweckmäßigerweise den Schwellwertstufen eine Vorverzerrungseinrichtung vorgeschaltet,
die die Bildsteuersignale in der vorbeschriebenen Weise für positive und negative
Bildvorlagen entsprechend vorverzerren.
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Im folgenden wird die Erfindung anhand von in den Figuren 1 bis 8
dargestellten Ausführungsbeispielen beschrieben. Es zeigen: Figur 1 in schematischer
Darstellung eine Abtast- und Aufze ichnungsvorrichtung, Figur 2 sowohl fur Negativvorlagen
als auch fUr Positivvorlagen den idealisierten Verlauf der Aufzeichnungsdichte zwischen
dem Minimal- und dem Maximalwert in Abhängigkeit vom Logarithmus der normierten
Steuergröße der Vorlage, Figur 3 einen Analog-Digital-Wandler für eine Negativvorlage
mit der Annahme, daß das normierte minimale
Steuersignal gleich
dem Wert 1 : 255 ist und daß der maximale Dichtewert der Aufzeichnung gleich dem
Wert 2 ist, Figur 4 eine Wertetabelle der Steuersignale für eine positive Bildvorlage
sowie für eine negative Bildvorlage, Figur 5 den Kennlinienverlauf für eine positive
Bildvorlage und für eine negative Bildvorlage gemäß den Werten nach Figur 4, Figur
6 einen Vorverzerrungspolygonzug der Steuerspannung, die in Figur 7 erzeugt wird
und Figur 8 eine Kaskadenschaltung zweiter Digitial-Analog-Wandler.
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Gemäß Figur 1 ist mit 1 eine Signalquelle bezeichnet, die zur Beleuchtung
einer nicht dargestellten Positivbildvorlage oder Negativbildvorlage dient. Von
dieser Bildvorlage gelangen Steuersignale zu einer Analog-Digital-Wandlervorrichtung
2, die aus einer Vorverzerrungsstufe 3 und einem Analog-Digital-Wandler 4 besteht.
Bei Verwendung einer Vorverzerrungsstufe 3 können die Schwellwertstufen des nachgeschalteten
Analog-Digital-Wandlers gl.eich große Stufungen aufweisen. Mit 5 ist eine Auswerteschaltung
bezeichnet, die aus einem Speicher 6, einer digitalen Entzerrrungsstufe 7 und einer
digitalen Signalverarbeitungsstufe 8 besteht. Mit 9 ist ein Digital-Analog-Wandler
bezeichnet, dem ein Ausgangsverstärker 10 nachgeschaltet ist. Eine Lichtquelle,
vorzugsweise einer Laser-Lichtquelle ist mit 11, ein Modulator mit 12 und eine Aufzeichnungsstufe
mit 13 bezeichnet.
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In Figur 2 ist für eine Positivbildvorlage und eine Negativbildvorlage
die Abhängigkeit der Aufzeichnungsdichte vom Logarithmus des Steuersignal aufgezeichnet.
Die Kennlinie a ist die Kennlinie für die Negativbildvorlage. Die Aufzeichnungsdichte
D ist gleich dem Wert Dmax + t t t. log Dies bedeutet, daß die Steigung der Kennlinie
gleich dem Wert ist, der wiederum gleich dem Quotienten der Differenz der Werte
D.max und Dmin und der Differenz der Logarithmus des Wertes Slmax und des Logarithmus
des Wertes S min ist. Dies bedeutet weiter, daß die minimale Aufzeichnungsdichte
Dmin dem Logarithmus des minimalen Steuersignales rmin zugeordnet ist.
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Bei einer Positivbildvorlage kommt die Kennlinie b zum Tragen. Hiernach
ist die Aufzeichnungsdichte gleich dem Minimalwert der Aufzeichnungsdichte Dmin,
vermindert um den Wert 1t1 multipliziert mit dem Logarithmus des normierten Steuersignals
SI. Hieraus ist erkenntlich, daß die maximale Dichte Dmax dem Logarithmus des kleinsten
normierten Steuersignals §~min zugeordnet ist.
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Als typische Werte fUr eine Aufzeichnung auf Fotomaterial kann für
Dmax der Wert 2, für Dmin der Wert 0,1 und für Smin der Wert 1 : 255 gewählt werden.
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In Figur 3 ist ein Analog-Digital-Wandler 14 dargestellt, welcher
eine Widerstandskette R1 bis R115 aufweist, die mit Vergleichsstufen V1 bis V115
verbunden ist. Eine Codierstufe ist mit 15 bezeichnet, die über Gatter 16 und 17
mit Schwellwertstufen 18 verbunden ist. Ein solcher Analog-Digital-Wandler ist in
der US-PS 3 283 170 beschrieben. Abweichend von dem bekannten Analog-Digital-Wandler
weisen im vorliegenden Fall die Widerstände R1 bis R115 eine vorgegebene
Abstufung
auf, die aus der Beziehung R1 - Rges.S 1 R2 - Rges .S2 - R1 R3 - Rges.S3 - (R1 +
R2)
n = 1, 2{3 ....N gegeben ist. Für einen Frequenzbereich zwischen 0 und 10 Mz beträgt
der Widerstand Rges zwischen 50 und 150 56 . Die Werte Sn ergeben sich für eine
Positivbildvorlage und für eine Negativbildvorlage aus der Tabelle gemäß Figur 4.
Bei der Berechnung der Werte Sln wird ausgegangen von der Crundgleichung S n -1
+ |dS (S n -1 ) | n = 1, 2, 3....N.
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Die Werte dS (Stufenhöhe) ergeben sich aus der Beziehung
Diese Gleichung gild für die Abtastung von Positivbildern.
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Für Negativabtastungen gilt die folgende Beziehung
Für das Positivverfahren (Positivvorlage) liegt die kleinste Stufenhöhe dS- bei
S min. Uberschreitet das Steuersignal !-N den maximalen Steuerwert 1, so ist die
Steuergrößenberechnung und damit die Widerstandsberechnung beendet. Die Zahl N ergibt
hierbei die Anzahl der verwendeten Widerstände bzw. der verwendeten Schwellwertstufen.
Das Gleiche gilt für die Ermittlung der Werte der negativen Vorlagen.
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In Figur 5 ist der Verlauf des normierten Steuersignals §~ über der
normierten Zahl n dargestellt. Die Kennlinie a zeigt für eine Positivvorlage in
Anlehnung an die Werte gemäß Figur 4. Die Kennlinie b zeigt den Verlauf der normierten
Steuergröße für Negativbildvorlagen. Auch diese Kennlinie stützt sich auf die Werte
gemäß Figur 4.
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Die Kennlinie d zeigt eine rein logarithmische Kennlinie.
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Die Kennlinie d kann als erste Annäherung ftlr die NegativvorLagen-Kennlinie
b dienen. Die Kennlinie c ist eine Gerade. Sie dient als erste Annäherung für die
Kennlinie a bei Verwendung von Positivvorlagen.
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Figur 6 zeigt einen Polygonzug, der durch die Knickpunkte A, B, C,
D und E gegeben ist. Hierbei sind Eingangsspannungswerte UE in Abhängigkeit von
Ausgangss palnungswerten UA dargestellt. Eine solche gekrümmte Kennlinie kommt als
Vorverzerrungskennlinie für die Vorverzerrungsstufe 3 in Frage.
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Eine solche gekrümmte Kennlinie wird z. B. mit Hilfe der Schaltungsanordnung
gemäß Figur 7 ermöglicht. Diese weist zur Polygonzugbildung Widerstände 20, 21,
22, 23, 24, 25, 26 und 27 auf. Zugeordnete Schalttransistoren sind mit 29, 30 und
3l bezeichnet.
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Eingangstransistoren sind mit 32 und 33 und Ausgangstransistoren mit
34, 35 und 36 bezeichnet. Mit Hilfe eines Widerstandes 37 ist die Signalverstärkung
einstellbar. Mit Hilfe eines Widerstandes 38 ist die Signallage am Ausgang einstellbar.
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Figur 8 zeigt eine Kaskadenschaltung, die den Digital-Analog-Wandler
9 gemäß Figur 1 ersetzt. Diese Kaskadenschaltung weist zwei Digital-Analog-Wandler
auf, denen jeweils ein PROM vorgeschaltet ist. Eine solche Vorverzerrung bei der
Digital-Analog-Wandlung
ist deswegen angebracht, weil zwischen der Analog-Digital- und Digital-Analog-Wandlung
die eigentliche Signalverarbeitung unverzerrt erfolgen soll und daher die Vorverzerrung
der Analog-Digital-Wandlung im signalverarbeitenden Teil der Schaltung aufgehoben
sein muß.
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Demzufolge erfolgt eine erneute Vorverzerrung vor der Digital-Analog-Wandlung,
die dann bei der Signalaufzeichnung wieder aufgehoben ist. Die beiden Umsetzungen
im digitalen Bereich lassen sich in bevorzugter Weise über die bzw. mittels der
Schal.tung gemäß Figur 8 ausführen. Für die Aufhebung der jeweiligen Vorverzerrung
ist die inverse Kennlinie zu den Kennlinien gemäß Figur 5 anzuwenden. Zur Kennlinie
S n über n gehört die inverse Kennlinie (1 - Sn) über (N - n ). Die inverse Tabelle
bzw. Kennlinie ist für die digitale Vorverzerrung für der Digital-Analog-Wandlung
notwendig. Die kontinuierliche Funktion Sln über n bzw.
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(1 - 5-n) Uber N - n dienen als analoge Ausgangsentzerrung.