DE4217050C1

DE4217050C1 - Vorrichtung zum digitalisieren auf einem bildtraeger aufgenommener bilder

Info

Publication number: DE4217050C1
Application number: DE19924217050
Authority: DE
Inventors: Hermann Diehl
Original assignee: Deutsche Aerospace AG
Current assignee: LFK Lenkflugkoerpersysteme GmbH
Priority date: 1992-05-22
Filing date: 1992-05-22
Publication date: 1993-11-04
Anticipated expiration: 2012-05-23

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum digitalisieren mittels elek tromagnetischer Strahlung auf einem Bildträger augenommener Bilder, ge mäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Eine derartige Vorrichtung ist aus der DE-A1 36 34 190 bekannt. Dort ist eine Anordnung für die digitale Radiographie beschrieben, bei der zu nächst eine Röntgenaufnahme auf einer zuvor aufgeladenen, durch die ein fallende Röntgenstrahlung intensitätsabhängig teilentladenen Selenplatte hergestellt wird. Auf der als Bildträger dienenden Selenplatte liegt al so ein Röntgenbild in Form eines Ladungsbildes vor. Mittels einer geeig neten Detektoranordnung, beispielsweise einer Influenzsonde, wird der Bildträger zeilenweise abgetastet. Die so entstehenden Bildsignale sind der Ladgungsdichte an der Oberfläche des Bildträgers proportional.

Der im weiteren Signalweg der bekannten Vorrichtung vorgesehene Analog- Digital-Wandler erzeugt digitalisierte Ausgangssignale, wobei gefordert ist, daß eine Stufe dieses digitalen Ausgangssignals der Rauschamplitude des analogen Eingangssignals entsprechen solle. Bei einer feineren Ab stufung würde sich wegen des Rauschens kein Informationsgewinn mehr er geben, während eine gröbere Abstufung einen Informationsverlust zur Fol ge hätte. Um diese Forderung zu verwirklichen, sind im Signalweg Signal korrekturmittel vorgesehen, welche bewirken, daß die Digitalwerte je weils der Quadratwurzel des Ausgangssignals der Detektoranordnung pro portional sind. Dies beruht auf der Erkenntnis, daß das Rauschen im Röntgenbild im wesentlichen durch das Quantenrauschen der absorbierten Röntgenphotonen bestimmt ist. Die mittlere Rauschamplitude entspricht dabei der Wurzel aus der Signalamplitude, die der Zahl der absorbierten Röntgenquanten proportional ist.

Wird nun anstelle der in der bekannten Vorrichtung verwendeten, mit Röntgenstrahlen belichteten Selenplatte ein photographischer Bildträger verwendet, so liegt in Analogie zur bekannten Vorrichtung die Schlußfol gerung nahe, daß auch hier bei der Digitalisierung der abgetasteten Bildsignale ein Signalkorrekturmittel zu verwenden ist, welches die Si gnale gemäß einer Quadratwurzelfunktion umformt. Dies ergibt sich dar aus, daß ein photographischer Bildträger, also beispielsweise ein Film, auch von einer elektromagnetischen Strahlung, etwa im sichtbaren oder in Nachbarschaft des sichtbaren Wellenlängenbereiches, belichtet ist und somit das Quantenrauschen der vom Bildträger absorbierten Photonen eine vergleichbare Rolle spielt wie bei der mit Röntgenstrahlung belichteten Selenplatte der bekannten Vorrichtung. Es hat sich aber gezeigt, daß mit einem derartigen Signalkorrekturmittel eine befriedigende Digitalisie rung nicht zu erreichen ist.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art so auszubilden, daß bei Verwendung eines photo graphischen Bildträgers die digitalisierten Ausgangssignale unabhängig von der Signalhöhe nach Möglichkeit alle den gleichen Rauschanteil ent halten.

Diese Aufgabe ist gemäß der Erfindung durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 enthaltenen Merkmale gelöst.

Demnach ist im Unterschied zu der bekannten Vorrichtung zunächst in an sich bekannter Weise eine Detektoranordnung zu verwenden, welche im we sentlichen aus einer Lichtquelle, die den photographischen Bildträger von der einen Seite beleuchtet, und einer Photosensoreinrichtung, die auf der anderen Seite des Bildträgers angeordnet ist und das durch letz teren hindurchtretende Licht registriert, besteht. Der Lichtquelle ist zweckmäßigerweise eine Optik nachgeschaltet, welche dafür sorgt, daß der Bildträger überall gleichmäßig beleuchtet ist. Als Photosensoreinrich tung kann ein CCD-Flächensensor zur Anwendung kommen, auf dessen Ober fläche der photographische Bildträger durch eine zwischengeschaltete Op tik abgebildet wird. Selbstverständlich kann auch ein CCD-Zeilensensor oder ein die Rückseite des Bildträgers zeilenförmig abtastender einzel ner Photosensor verwendet werden.

Am Ausgang der so ausgebildeten Detektoranordnung werden Bildsignale ab gegeben, die im weiteren Signalweg, ggf. nach Durchlaufen eines Verstär kers, einem Analog-Digital-Wandler zugeführt werden. Ohne Einsatz eines Signalkorrekturmittels enthalten die digitalisierten Ausgangssignale sehr unterschiedliche Anteile an Grauwertrauschen, und zwar abhängig von der Signalhöhe, welche wiederum von der optischen Dichte D des photogra phischen Bildträgers abhängt. Diese optische Dichte D ist definiert als negativer dekadischer Logarithmus der Transparenz des Bildträgers. Bei einem belichteten und entwickelten Filmnegativ entspricht die optische Dichte D der Schwärzung.

Überraschenderweise wurde nun gefunden, daß nicht das Quantenrauschen der vom Film absorbierten Photonen der dominierende Faktor im Gesamtrau schen ist, sondern daß vielmehr die Kornstruktur des Filmes einen weit größeren Einfluß hat, und daß bei der Gestaltung des Signalkorrekturmit tels bei optimaler Auswahl und Justierung der übrigen im Signalweg vor handenen Komponenten alle anderen Einflüsse vernachlässigt werden kön nen. Demnach genügt es, lediglich die Körnigkeit des Bildträgermate rials, speziell des verwendeten Filmes, bei der Gestaltung des Signal korrekturmittels zu berücksichtigen. Dies drückt sich in der Korrektur vorschrift durch die von der optischen Dichte D abhängige Größe im Nen ner des Integranden aus, welche für die Standardabweichung σ der opti schen Dichte D steht. Gewöhnlich wird die Körnigkeit als RMS-Wert (RMS= root mean square) der optischen Dichte D angegeben und ist gemäß ISO- Standard mit der Standardabweichung σ, gemessen innerhalb eines Krei ses von 50 µm Durchmesser auf der Filmoberfläche bei D=1,0 und mit 1000 multipliziert, gleichzusetzen. Die RMS-Werte werden vielfach von den Filmherstellern angegeben, entweder nur für D=1,0 oder für einen größeren Wertebereich von D. Der RMS-Wert nimmt im allgemeinen mit stei gendem D ebenfalls zu, wobei der Verlauf annähernd linear ist.

Die Korrekturvorschrift beruht auf der Forderung, daß zwischen den Ab stufungen Δy und ΔD des korrigierten Signals y und der optischen Dichte D folgender Zusammenhang bestehen soll:

Hieraus ergibt sich durch Integration

wobei die optische Dichte D und das mit dem ggf. verstärkten und digita lisierten Bildsignal identische unkorrigierte Signal x folgendermaßen zusammenhängen:

Das von der Detektoranordnung gelieferte Bildsignal ist der Transparenz des Bildträgers proportional, welche wiederum, wie oben bereits erwähnt, mit der optischen Dichte in einem logarithmischen Zusammenhang steht.

σ kann häufig mit einer linearen Funktion angenähert werden gemäß

mit einer materialspezifischen Konstanten a, woraus sich durch Integra tion gemäß (2) ergibt:

y=k₂ln(D+a)+k₃ (5)

Bei den üblichen Filmtypen schwankt die optische Dichte zwischen D=0,2 und D=2,5. Als oberste und unterste Digitalisierungsstufe können dann y(2,5)=0 und y(0,2)=255 gewählt werden, wobei eine Digitalisierung mit 8 Bit angenommen ist. Hieraus und mit a=2 ergeben sich für die An paßkonstanten die Werte k₂=-356,34 und k₃=535,97. Damit folgt für diesen Spezialfall schließlich:

y=-356,34 · ln(D+2)+535,97 (6a)

bzw.

Es ist prinzipiell möglich, den Eingriff des Signalkorrekturmittels an beliebiger Stelle im Signalweg vom Ausgang der Detektoranordnung bis einschließlich hinter dem Ausgang des Analog-Digital-Wandlers vorzuneh men. Als eine Möglichkeit bietet sich an, dem Analog-Digital-Wandler ein Korrekturglied nachzuschalten, welches eine Korrekturtabelle enthält. Diese Tabelle stellt einen eindeutigen Zusammenhang zwischen den vom Analog-Digital-Wandler ausgegebenen digitalen Signalwerten und den ge wünschten korrigierten Signalwerten her. Es kann aber auch die Verstär kerkennlinie eines zwischen dem Ausgang der Detektoranordnung und dem Analog-Digital-Wandler vorgesehenen Verstärkers so ausgebildet sein, daß sie den gewünschten funktionalen Zusammenhang y(x) verwirklicht. Auch Kombinationen von Korrekturgliedern und/oder Verstärkern, welche die Korrekturvorschrift jeweils nur teilweise verwirklichen, sind möglich. Schließlich kann ein entsprechendes, die Bildsignale gemäß der Korrek turvorschrift (2) bzw. (6) umformendes Korrekturglied der Detektoranord nung direkt nachgeschaltet sein.

Im folgenden sind Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand von Fig. 1a bis d und von Tabellen 1 bis 5 näher erläutert.

Eine Lichtquelle 1 beleuchtet einen photographischen Bildträger 3 in Form eines belichteten und entwickelten Filmes. Eine Optik 2 sorgt für eine gleichmäßige Flächenausleuchtung, eine Optik 4 für die Abbildung des photographischen Bildträgers 3 auf die Oberfläche einer Photosensor einrichtung 5 in Form eines CCD-Flächensensors. Letztere liefert ein zeilenweise bzw. pixelweise gegliedertes Bildsignal x₀, welches im weiteren Signalweg weiterverarbeitet wird.

Gemäß Fig. 1a folgt ein Korrekturglied 6, das beispielsweise als Ver stärker mit nichtlinearer, die Korrekturvorschrift verwirklichender Ver stärkerkennlinie ausgebildet sein kann. Das korrigierte Signal y₁ wird einem Analog-Digital-Wandler 7 zugeführt, der ein digitalisiertes Aus gangssignal y_1d von 8 Bit abgibt.

In Tabelle 1 sind simulierte Werte für die in Fig. 1a abgebildete Vor richtung wiedergegeben, und zwar für einen Wertebereich von 0,2D2,5, wobei die Korrekturvorschriften (6a) und (3) mit k=100 zugrunde gelegt sind. |σ_D| stellt den Absolutwert des durch die Körnigkeit des Filmmateriales bedingten Rauschanteiles dar, |σ₀| denjenigen des Bildsignales x₀ · y₁ ist aus x₀ mittels (6a) und (3) für y=y₁ und x=x₀ berechnet, y_1d sind die digitalisierten (Index d) Werte von y₁. Die Rauschanteile σ_y1 und σ_y1d unterscheiden sich durch das im Analog-Digital-Wandler entstehende Digitalisierungsrauschen, ermittelt nach der Formel:

σ²_y1d=σ²_y1+0,35².

Es fällt auf, daß die Rauschanteile |σ_y1| nach der Korrektur für al le Signalhöhen des korrigierten Signales y₁ gleich hoch sind, nämlich 5,94 Digitalisierungsstufen, und daß die Rauscherhöhung durch die Digi talisierung gleichbleibend 0,01 Digitalisierungsstufen beträgt.

Fig. 1b zeigt zum Vergleich eine Digitalisierungsvorrichtung ohne Anwen dung der erfindungsgemäßen Korrekturvorschrift. Demnach wird das Bildsi gnal x₀ einem linearen Verstärker 8 mit der Verstärkerkonstanten c₁ und dessen Ausgangssignal x₁ dem Analog-Digital-Wandler 7 zugeführt. Die Verstärkerkonstante c₁ ist so gewählt, daß sich für D=0,2 in et wa dieselbe Signalhöhe von 255 ergibt wie im Falle der Fig. 1a bzw. Ta belle 1. Der Verlauf der in Fig. 1b angegebenen, durch Simulatoren er mittelten Werte ist in Tabelle 2 wiedergegeben.

Hier fällt auf, daß die Rauschanteile |σ_x1d| der digitalisierten Ausgangssignale x_1d stark von der Signalhöhe abhängen, was durch die Erfindung (siehe Tabelle 1) gerade vermieden wird, und daß weiterhin die durch die Digitalisierung bedingte Rauscherhöhung ebenfalls stark von der Signalhöhe abhängt und z. B. für D=0,5 erst ca. 0,08% für D=2,5 aber bereits nahezu 83% ausmacht.

In den Fig. 2a und 2b sind die Werte x_1d und y_1d aus den Tabellen 2 bzw. 1 als Kurven über dem Bildsignal x₀ bzw. der optischen Dichte D aufgetragen. In Fig. 2a zeigt sich, daß sich die Rauschanteile für x₀ in stets gleichbleibende Rauschanteile für y_1d transformieren, die entsprechenden Rauschanteile für x_1d jedoch stark von der Signalhöhe abhängig sind, wie bereits den Tabellen 1 und 2 zu entnehmen ist. Ein entsprechender Sachverhalt ergibt sich aus Fig. 2b hinsichtlich der auf D bezogenen Rauschanteile.

In dem Ausführungsbeispiel gemäß der Fig. 1c folgen auf die Photosensor einrichtung 5 im Signalweg für das von letzterer gelieferte Bildsignal x₀ ein Verstärker 9 mit einer linearen Verstärkung (c₂), ein 12-bit- Analog-Digital-Wandler 10 und ein eine Korrekturtabelle enthaltendes Korrekturglied 11, welches ein korrigiertes Ausgangssignal y_2d mit 8 bit abgibt. Die entsprechenden simulierten Werte sind der Tabelle 3 zu entnehmen. Für c₂ ist gewählt: c₂=64,917. Die Korrekturtabelle vermittelt den Zusammenhang zwischen den unkorrigierten digitalisierten Signalen x′_2d und den korrigierten digitalen Ausgangssignalen y_2d Ausgangssignalen y_2d über die Korrekturvorschriften (6a) und (3) mit x=x′_2d und y=y_2d sowie k=6492. Ein Auszug aus der Korrekturta belle, welche die mit 12 bit digitalisierten Signale x′_2d den mit 8 bit digitalisierten Ausgangssignalen y_2d zuordnet, und in der die ge nannten Korrekturvorschriften eingearbeitet sind, ist in Tabelle 5 wie dergegeben.

In Tabelle 3 sind noch Werte für |σ_y2r| aufgeführt. Diese geben den rein radiometrisch bedingten Rauschanteil wieder, der sich um den stets gleichbleibenden, durch das Digitalisierungsrauschen bedingten kleinen Anteil von 0,01 Digitalisierungsstufen auf |σ_y2d| erhöht. Auch hier fällt auf, daß sowohl der gesamte Rauschanteil als auch die Rauscherhö hung aufgrund des Digitalisierungsrauschens völlig unabhängig von der Signalhöhe sind.

Fig. 1d zeigt ein Vergleichsbeispiel ohne Anwendung der Erfindung, bei dem das verstärkte (c₂) Bildsignal x₂ direkt einem Analog-Digital- Wandler 7 mit 8-bit-Stufung zugeführt wird. Die entsprechenden Signal werte sind in Tabelle 4 zusammengestellt. Der gesamte Rauschanteil |σ_x2d| des digitalen Ausgangssignales x_2d erweist sich als stark abhängig von der Signalhöhe, ebenso wie die Rauscherhöhung von |σ_x2r| auf |σ_x2d| aufgrund des Digitalisierungsrauschens, welche beispiels weise für D=0,6 nur knapp 0,1%, für D=2,2 aber bereits nahezu 32% beträgt. Der Absolutbetrag |σ_x2d| des Rauschens macht bei großer Si gnalhöhe eine relativ hohe Anzahl von Digitalisierungsstufen aus, bei kleinen Signalhöhen lediglich einen Bruchteil einer Digitalisierungsstu fe. Die Signalabstufung ist also im oberen Signalbereich viel zu fein, im unteren Signalbereich dagegen viel zu grob. Dieser Mangel wird durch die Erfindung beseitigt, wo die Signalabstufung hinsichtlich des jewei ligen Rauschanteiles völlig gleichmäßig ist.

Tabelle 1

zu Fig. 1a

Tabelle 2

zu Fig. 1b

Tabelle 3

zu Fig. 1c

Tabelle 4

zu Fig. 1d

Tabelle 5 zu Fig. 1c (Pos. 11)

x′_2d (12 bit)
y_2d (8 bit)
3270
240
3269	239
.	.
.	.
.	.
3254	239
.	.
.	.
.	.
3219	239
3218	238
.	.
.	.
.	.
3171	238
3170	237
.	.
.	.
.	.
52	33
51	32
50	31
49	31
48	30
47	29
46	28
45	28
44	27
.	.
.	.
.	.

Claims

1. Vorrichtung zum Digitalisieren mittels elektromagnetischer Strah lung auf einem Bildträger aufgenommener Bilder, mit einer der Abtastung des Bildträgers dienenden, Bildsignale generierenden Detektoranordnung, einem im weiteren Signalweg angeordneten, digitalisierte Ausgangssignale abgebenden Analog-Digital-Wandler sowie einem in den Signalweg eingrei fenden, das unkorrigierte Signal x gemäß einer Korrekturvorschrift in ein korrigiertes Signal y umformenden Signalkorrekturmittel, dadurch gekennzeichnet, daß die Detektoranordnung bei Verwendung eines photo graphischen Bildträgers (3) aus einer letzteren durchstrahlenden Licht quelle (1) und einer das hindurchtretende Licht registrierenden Photo sensoreinrichtung (5) besteht und ein gemäß der folgenden Korrekturvor schrift y(x) arbeitendes Signalkorrekturmittel zum Einsatz kommt: wobei D die optische Dichte des photographischen Bildträgers (3), σ die Standardabweichung der optischen Dichte, k eine Gerätekonstante, k₁ eine Anpaßkonstante und lg den dekadischen Logarithmus bedeuten.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Signalkorrekturmittel ein dem Analog-Digital-Wandler (10) nachgeschalte tes, eine Korrekturtabelle enthaltendes Korrekturglied (11) ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Photosensoreinrichtung (5) ein die Bildsignale gemäß der Korrekturvor schrift umformendes Korrekturglied (6) nachgeschaltet ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Korrekturglied (6) ein Verstärker mit nichtlinearer, die Korrekturvor schrift verwirklichender Verstärkerkennlinie ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Signalkorrekturmittel aus einer Kombination von einem oder mehreren, se paraten, die Korrekturvorschrift jeweils teilweise verwirklichenden Kor rekturgliedern und/oder einem oder mehreren, mittels ihrer Verstärker kennlinien die Korrekturvorschrift ebenfalls jeweils teilweise verwirk lichenden Verstärkern besteht.

6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge kennzeichnet, daß ein nach der Korrekturvorschrift y=k₂ln(D+a)+k₃arbeitendes Signalkorrekturmittel verwendet ist, wobei a eine Bildträ ger-Materialkonstante, k₂, k₃ Anpaßkonstanten und ln der natürliche Logarithmus sind.