DE60318024T2

DE60318024T2 - Verfahren und Benutzerschnittstelle zum Verändern von zumindest Kontrast oder Intensität der Pixel eines verarbeiteten Bildes

Info

Publication number: DE60318024T2
Application number: DE60318024T
Authority: DE
Inventors: Pieter Vuylsteke
Original assignee: Agfa HealthCare NV
Current assignee: Agfa HealthCare NV
Priority date: 2003-06-11
Filing date: 2003-06-11
Publication date: 2008-09-11
Anticipated expiration: 2023-06-12
Also published as: EP1486915A1; EP1486915B1; JP2005004768A; DE60318024D1

Description

TECHNISCHES GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur unabhängigen Modifizierung des Kontrastes und/oder der Dichte von Pixeln eines verarbeiteten Bildes, wobei die Kontrastanhebung und die Dichte unabhängig voneinander eingestellt werden können.
Die vorliegende Erfindung betrifft ferner eine Benutzeroberfläche zur Anwendung eines solchen Verfahrens.
ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
Heutzutage stehen verschiedene medizinische Bilderfassungstechniken und -systeme zur Verfügung, mit denen medizinische Bilder, z. B. Röntgenbilder, in Form digitaler Bilddarstellungen wiedergegeben werden.
Ein Beispiel für ein solches System ist ein computergestütztes Radiografiesystem, bei dem ein Strahlenbild auf einem zeitweiligen Speichermedium, insbesondere einer ausleuchtbaren Speicherfolie, aufgezeichnet wird. Bei solchem System wird eine digitale Bilddarstellung erhalten, indem die Folie mit Strahlung, die (eine) Wellenlänge(n) innerhalb des Anregungswellenlängenbereichs des Leuchtstoffs hat, abgetastet und das durch die Folie bei deren Anregung emittierte Licht erfasst wird.
Weitere Beispiele für computergestützte Radiografiesysteme sind Direktradiografiesysteme, zum Beispiel Systeme, bei denen ein Röntgenbild in einem mit einer strahlungsempfindlichen Schicht und einer elektronischen Ausleseschaltkreisschicht ausgestatteten Festkörpersensor aufgezeichnet wird.
Noch ein weiteres Beispiel für ein computergestütztes Radiografiesystem ist ein System, in dem ein Röntgenbild auf einem herkömmlichen Röntgenfilm aufgezeichnet und dieser Film sodann entwickelt und anschließend einer Bildabtastung unterzogen wird.
Noch andere Systeme, wie ein Tomografiesystem, kommen ebenfalls in Betracht.
Die digitale Bilddarstellung des medizinischen Bildes, das durch eines der obigen Systeme gewonnen wurde, kann dann zur Herstellung eines sichtbaren Bildes verwendet werden, an dem die Diagnostik ausgeführt werden kann. Zu diesem Zweck wird die digitale Bilddarstellung auf einen Hardcopy-Aufzeichnungsgerät oder ein Anzeigegerät gebracht.
Die digitale Bilddarstellung wird vor dem Ausdrucken einer Hardcopy oder der Anzeige im Allgemeinen einer Bildverarbeitung unterzogen.
Zum optimalen Umwandeln der digitalen Bildinformationen in ein sichtbares Bild auf einem Medium, auf dem die Diagnostik vorgenommen wird, wurde ein Bildverarbeitungsverfahren mit mehreren Maßstäben (ebenfalls als Bildverarbeitungsverfahren in mehreren Auflösungen bezeichnet) entwickelt, mit dessen Hilfe der Bildkontrast verstärkt wird.
Entsprechend diesem Bildverarbeitungsverfahren mit mehreren Maßstäben wird ein Bild, das durch eine Matrix von Pixelwerten dargestellt wird, durch Ausführen der folgenden Schritte verarbeitet. Zuerst wird das Originalbild in eine Folge von Detailbildern bei verschiedenen Maßstäben und gelegentlich ein Restbild zerlegt. Als Nächstes werden die Pixelwerte der Detailbilder durch Anwenden mindestens einer nichtlinearen monoton steigenden ungeraden Konversionsfunktion mit einem Gradienten, der sich allmählich mit steigenden Argumentwerten verringert, auf diese Pixelwerte modifiziert. Zum Schluss wird ein verarbeitetes Bild durch Anwenden eines Rekonstruktionsalgorithmus auf das Restbild und die modifizierten Detailbilder berechnet, wobei der Rekonstruktionsalgorithmus das umgekehrte Verfahren des obenbeschriebenen Zerlegungsverfahrens darstellt.
Das obige Bildverarbeitungsverfahren wurde ausführlich im Europäischen Patent EP 527 525 beschrieben, wobei die Verarbeitung als MUSICA-Bildverarbeitung bezeichnet wird (MUSICA ist ein registriertes Warenzeichen der Agfa-Gevaert N. V.).
Das beschriebene Verfahren hat Vorteile gegenüber herkömmlichen Bildverarbeitungsverfahren, wie zum Beispiel unscharfes Maskieren usw., und zwar weil es die Sichtbarkeit feiner Details im Bild erhöht und weil es die Wiedergabetreue des Bildes erhöht, ohne Artefakte einzuführen.
Ehe das Grauwertbild auf ein Hardcopy-Aufzeichnungsgerät oder ein Anzeigegerät zu bringen, wird es zunächst pixelweise in eine digitale Bilddarstellung, welche die Dichte des sichtbaren Bildes darstellt, umgewandelt.
Bei der Umwandlung von Grauwertpixeln in für die Wiedergabe oder die Anzeige geeignete Dichtewerte wird zunächst ein gewisser Teilbereich der Grauwertpixeldaten ausgewählt und anschließend die Umwandlung der Daten in diesem Teilbereich gemäß einer vorgegebenen Gradationsfunktion durchgeführt. In der Regel wird die Gradationsfunktion anhand einer Nachschlagetabelle, in der für jeden Grauwert der entsprechende Dichtewert abgelegt ist, definiert.
Bevorzugt werden der ausgewählte Teilbereich und die anzuwendende Gradationsfunktion je nach zu untersuchendem Gegenstand und Untersuchungstyp ausgewählt und kann dadurch eine optimale und konstante Bildqualität gewährleistet werden.
In einer typischen medizinischen Arbeitsstation können die Breite und Position des ausgewählten Teilbereichs manuell mittels eines im Allgemeinen als Fensterbreite/Fenstermitte-Einstellung (Window/Level Adjustment) bekannten interaktiven Verfahrens angepasst werden.
Die Form der Gradationsfunktion ist von größter Bedeutung. Sie bestimmt ja in monotoner, jedoch meist nichtlinearer Weise, wie die Teilintervalle des Dichtebereichs des sichtbaren Bildes den Teilbereichen von Grauwerten zugeordnet werden.
In den Intervallen mit steiler Gradationsfunktion wird auf den vorliegenden Ausgabedichtebereich ein enger Teilbereich von Grauwerten gemappt. In den Intervallen dagegen, wo die Funktion einen geringen Gradienten aufweist, wird der vorliegende Ausgabedichtebereich durch einen breiten Teilbereich von Grauwerten geteilt. Hat die Gradationsfunktion einen geringen Gradienten in der Hälfte der niedrigen Dichte und entwickelt ein steileres Verhalten in der Hälfte der hohen Dichte, so wird die Mehrzahl der Grauwerte auf die niedrige Dichte gemappt und wird das Wiedergabebild allgemein hell aussehen. Umgekehrt gilt, dass wenn die Gradationsfunktion steil beginnt und sich zur Hälfte der hohen Dichte hinweg zu einem geringeren Gradienten abglättet, die Mehrzahl der Grauwerte auf eine hohe Dichte gemappt werden und der allgemeine Eindruck des Wiedergabebilds dunkel und graulich sein wird.
Auf diese Art und Weise kann durch Modifikation der Form der Gradationsfunktion die Verteilung der Dichtebereiche über den Grauwertbereich festgelegt werden. In der Regel sollen mit großer Häufigkeit im Bild vorkommende Grauwertteilbereiche (d. h. Spitzen im Grauwerthistogramm) auf einen breiten Ausgabedichtebereich gemappt werden. Umgekehrt sollen Grauwertbereiche, die mit nur geringer Häufigkeit im Bild vorkommen, auf enge Dichtebereiche konzentriert werden. Dank dieses als Histogrammausgleich bezeichneten Paradigmas wird eine verbesserte Differenzierung von Grauwertregionen in einem Bild erhalten.
Die Dichte von Pixeln und Bildbereichen wird durch den entsprechenden Ordinatenwert der Gradationsfunktion festgelegt. Die Kontrastanhebung von Pixeln und Bildbereichen wird ihrerseits durch den entsprechenden Ableitungswert (d. h. den Gradienten) der Gradationsfunktion bestimmt. Wird dann die Form der Gradationsfunktion so angepasst, dass sie einen breiten Teilbereich von Grauwerten innerhalb eines vorgegebenen Dichtebereichs umschließt, d. h. wenn das Intervall einen breiten Dichteumfang abdecken muss, so wird dies mit einem Abfall des Kontrasts in diesem Dichtebereich einhergehen. Wird dagegen ein Dichtebereich einem nur engen Teilbereich von Grauwerten zugeordnet, so wird dieser Dichtebereich eine Anhebung des Kontrasts herbeiführen. Bei widerstreitenden Anforderungen in punkto Dichte und Kontrastanhebung, was oft der Fall ist, ist ein Kompromiss unvermeidlich.
In einer Ausführungsform des wie im obengenannten Europäischen Patent EP 527 525 beschriebenen Bildverarbeitungsverfahrens mit mehreren Maßstäben wird die Gradationsfunktion erst nach dem Wiederherstellungsprozess angewandt, was das umgekehrte Verfahren des Zerlegungsverfahrens mit mehreren Maßstäben darstellt. Die Gradationsfunktion wird an den letzten Rekonstruktionsmaßstab angewandt. Folglich ist das Kontrast-Grauwert-Verhältnis, das durch die Ableitung der Gradationsfunktion bestimmt wird, bei allen Maßstäben identisch.
In gewissen Fällen aber ist es vorteilhaft, sich bei der Kontrastanpassung sowohl nach dem Grauwert als nach dem Maßstab zu richten. Beispielhaft bei Brustbildern ist es wichtig, bei kleineren Maßstäben einen hohen Kontrast (d. h. Kontrast bei kleinem Maßstab) bei hohen Grauwerten zu haben und zwar um die Sichtbarkeit des Pneumothorax zu verbessern, in den Bereichen mit niedrigen Grauwerten dagegen, wie dem Mediastinum, einen nur mäßigen Kontrast bei kleinem Maßstab zu haben. Zugleich muss allerdings in den Bereichen mit niedrigen und mittleren Grauwerten ein geeigneter Kontrast bei großem Maßstab erhalten werden, um z. B. Pleuramassen anzuzeigen.
In gewissen, in der obengenannten Europäischen Patentanmeldung EP 527 525 beschriebenen Ausführungsformen wird eine maßstabsabhängige Steigerung oder Verringerung des Beitrags von Bildinformation angewandt.
Zwei verschiedene Ausführungsformen sind beschrieben worden. In einer ersten Ausführungsform werden die modifizierten Detailbilder in den letzten Phasen des Wiederherstellungsprozesses pixelweise mit einem Koeffizienten multipliziert. Der Wert eines solchen Koeffizienten richtet sich nach der Helligkeit der Pixel des zum Teil rekonstruierten Bildes.
In einer zweiten Ausführungsform erfolgt die Umwandlung eines zum Teil rekonstruierten Bildes gemäß einer monoton steigenden Konversionsfunktion mit allmählich abnehmender Neigung, zum Beispiel einer Potenzfunktion. Dann wird der Wiederherstellungsprozess fortgesetzt, bis ein im Maßstab 1:1 rekonstruiertes Bild erhalten wird. Zum Schluss erfolgt noch eine Umwandlung des erhaltenen Bildes gemäß einer Kurve, die die umgekehrte Kurve der obengenannten Konversionskurve darstellt.
Das Patent EP 527 525 beschreibt eine maßstabsabhängige Verringerung oder Steigerung des Beitrags von Detailinformation, erörtert jedoch nicht die Art und Weise, wie eine erwünschte Dichte oder Kontrastverstärkung als Funktion des Grauwerts erhalten werden kann.
Eine allgemeine Benutzeroberfläche für die Einstellung von Kontrast und Dichte ist beschrieben in den Abschnitten 6 und 9 des Benutzerhandbuchs für die Software „Adobe Photoshop 5.0" (1998).
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist das Bereitstellen eines Verfahrens zur Modifizierung des Kontrasts und/oder der Dichte von Pixeln eines verarbeiteten Bildes.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist das Bereitstellen einer Benutzeroberfläche für solche Verfahren.
Weitere Aufgaben der vorliegenden Erfindung werden aus der nachstehenden Beschreibung ersichtlich.
KURZE DARSTELLUNG DER VORLIEGENDEN ERFINDUNG
Gelöst werden die obigen Aufgaben durch ein in Anspruch 1 definiertes Verfahren zur Modifizierung des Kontrasts und/oder der Dichte von Pixeln eines verarbeiteten Bildes.
In der vorliegenden Erfindung werden die Bilddichte und der Bildkontrast unabhängig voneinander modifiziert. Im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung versteht sich unter dem Begriff „unabhängig voneinander" Verarbeitungsverfahren, in denen die Modifizierung des Kontrasts keinen wesentlichen Einfluss auf die Dichtewerte im Bild und die Modifizierung der Dichte keinen wesentlichen Einfluss auf den Kontrast im Bild hat. Beispiele für eine solche Verarbeitung werden im Nachstehenden beschrieben.
In einer besonderen Ausführungsform ist die Modifizierung eine globale Modifizierung, d. h. die Modifizierung des Kontrasts und/oder der Dichte wird auf grundsätzlich alle Pixel des angezeigten Bilds angewandt.
Es bestehen verschiedene Verfahren für die Einstellung der Dichte und des Kontrasts eines angezeigten Bildes, zum Beispiel das weit verbreitet angewandte „Window/level"-Verfahren (zur Einstellung der Fensterbreite und Fenstermitte). Bei diesen Verfahren können aber beide Einstellungen nicht unabhängig voneinander durchgeführt werden. Verkleinert man die Fensterbreite, um den Kontrast zu erhöhen, wird die Dichte der unteren Dichtezonen ferner verringert und die Dichte in den oberen Dichtezonen gesteigert. Geht man aber bei der Anpassung der Dichte der hellen und dunklen Bildbereiche umgekehrt vor, z. B. zum Vermieden von sogenannten Flammeneffekten an den Grenzen des Dichtebereichs, so wird dabei auch der Kontrast verändert.
Im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung versteht sich unter dem Begriff „Zeiger" ein Marker, ein Cursor, ein Pfeil oder ähnliches Element, mit dessen Hilfe eine Bewegung mit zwei Freiheitsgraden erledigt werden kann. Diese Bewegung dient zur Steuerung der Modifizierung der Dichte oder des Kontrasts aller Pixel im angezeigten Bild und zwar ohne, dass die Modifizierungen einander beeinflussen.
Eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung betrifft ein Verfahren zur Modifizierung des Kontrastes und/oder der Dichte der Pixel eines verarbeiteten Bildes, wobei neben dem verarbeiteten Bild auch mindestens eines der folgenden Elemente auf einem Schirm angezeigt wird: die Dichteachse, die Kontrastverstärkungsachse eines Koordinatensystems, ein Dichtehistogramm des verarbeiteten Bildes, eine Kontrastverstärkungskurve, in der die Kontrastanhebung als Funktion der zum Erstellen des verarbeiteten Bildes angewandten Dichte aufgetragen ist, und ein Dichtekeil entlang der Dichteachse.
Ein Verschieben des Zeigers in Richtung der Kontrastverstärkungsachse bewirkt eine Änderung des Kontrasts des angezeigten Bildes. Ein Verschieben des Zeigers in Richtung der Dichteachse bewirkt eine Änderung der Dichte des angezeigten Bildes. Auf diese Art und Weise werden Kontrast und Dichte unabhängig voneinander geändert. Das Verschieben des Zeigers ist nicht beschränkt auf eine Richtung entlang einer der Achsen. Jegliche willkürliche zweidimensionale Bewegung in der Ebene bewirkt eine gleichzeitige Änderung des Kontrasts und der Dichte entsprechend der Größe der Bewegungskomponenten entlang beiden Achsen.
Vorteilhaft ist ferner, dass das Dichtehistogramm und/oder die Kontrastverstärkungskurve des infolge der Verschiebung des Zeigers erhaltenen Bildes angezeigt werden. Dazu kann (können) das Anfangshistogramm und/oder die Anfangskontrastverstärkungskurve während der Modifizierung angepasst werden.
Die obigen Verfahren sind anwendbar auf Bilder, die einer mehrmaßstäblichen Gradationsverarbeitung unterzogen worden sind, wie nachfolgend beschrieben wird. Allerdings lässt sich das Verfahren ebenfalls anwenden auf andere Ausführungsformen von Kontrastwiedergabe, bei denen Kontrastverstärkung und Dichte unabhängig voneinander einstellbar sind.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung betrifft eine wie in Anspruch 4 definierte Benutzeroberfläche für eine Bildverarbeitungs- und Anzeigeeinheit.
In noch einer weiteren Ausführungsform werden zusätzliche Items angezeigt, z. B. in einem zusätzlichen Fenster. In diesem zusätzlichen Fenster wird zumindest eines der folgenden Elemente angezeigt: eine Dichteachse und eine Kontrastverstärkungsachse eines Koordinatensystems, ein Dichtehistogramm eines verarbeiteten Bildes, eine Kontrastverstärkungskurve, in der die Kontrastanhebung als Funktion der zum Erhalten des verarbeiteten Bildes angewandten Dichte aufgetragen ist, und ein Dichtekeil entlang der Dichteachse.
In dieser Ausführungsform wird bevorzugt zumindest eines der Items Histogramm und Kontrastverstärkungskurve entsprechend der Bewegung des Zeigers angepasst.
Die Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Verfahren werden im Allgemeinen in Form eines Computerprogrammprodukts, das bei Verwendung auf einem Computer die Ausführung der Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens sichert, implementiert. Das Computerprogrammprodukt wird in der Regel auf einem computerlesbaren Trägermedium, wie einer CD-ROM, abgespeichert. Das Computerprogrammprodukt kann auch in Form eines elektrischen Signals vorliegen und über ein elektronisches Kommunikationsmittel an einen Benutzer übermittelt werden.
Die erfindungsgemäßen Verfahren sind anwendbar auf jegliche Art von Schwarzweiß-Digitalbildern. Sie sind ebenfalls geeignet zur unabhängigen Einstellung der Dichte und des Kontrasts von Farbbildern. Dazu werden bevorzugt Farbbilder, die für jedes Pixel aus drei Komponenten, die in der Regel einem Rot-, Grün- und Blaukanaleingang von Videogeräten (RGB) entsprechen, zusammengesetzt sind, in einen Standardfarbraum, der die Parameter Farbton, Sättigung und Helligkeit (Hue, Saturation and Luminanz, HSL) darstellt, umgewandelt. Wird ein Bild in diesem Farbraum dargestellt, werden die erfindungsgemäßen Verfahren bevorzugt nur auf den Helligkeitsparameter angewandt, als ob es sich um ein Schwarzweißbild handelte. Wird nur dieser Kanal benutzt, können der Kontrast und die Dichte ohne Farbverzerrungen angepasst werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Benutzeroberfläche sind geeignet für das Anzeigen von jeglicher Art von Schwarzweiß- und Farbbildern, die mittels einer Vielzahl unterschiedlicher Bilderfassungsgeräte in einer großen Verschiedenheit von Anwendungsgebieten, in denen interaktive Modifizierungen der Dichte und/oder des Kontrasts vorgenommen werden können, erhalten werden.
Außer in der medizinischen Bildgebung haben das Verfahren und die Benutzeroberfläche der vorliegenden Erfindung noch andere Anwendungsgebiete, wie zum Beispiel: die Modifizierung von durch Abtastsysteme und Digitalkameras erfassten Bildern im Bereich der Photofinishing (Fotobearbeitung), Luftfotografie, im Druckvorstufenbereich, bei Videobildverarbeitungssystemen, z. B. für die Wiederherstellung von Bildern, bei digitaler Filmmontage auf Computer, usw. Die vorliegende Erfindung ist nicht beschränkt auf die erwähnten Bilderfassungsmethoden und Anwendungsgebiete.
Die Modifizierung des Kontrasts und der Dichte erfolgen beim Verfahren und bei der Benutzeroberfläche der vorliegenden Erfindung unabhängig voneinander. Erzielt wird dies durch Verarbeitungssysteme, in denen der Kontrast und die Dichte unabhängig voneinander eingestellt werden. Beispiele für mehrmaßstäbliche Gradationsverarbeitungsverfahren, in denen der Kontrast und die Dichte unabhängig voneinander eingestellt werden, werden im Nachstehenden unter Verweis auf die folgenden Figuren beschrieben.
KURZBESCHREIBUNG DER FIGUREN
1 zeigt ein Gerät für die Erfassung einer digitalen Bilddarstellung eines medizinischen Bildes, die Verarbeitung des digitalen Bildes und die Erzeugung eines sichtbaren Bildes mit verbesserter Qualität,
2 ist ein die Bildkette veranschaulichendes Blockschema,
3 zeigt eine erste Ausführungsform für die Durchführung des mehrmaßstäblichen Zerlegungsschritts gemäß der Burt-Pyramide-Transformation,
4 zeigt den entsprechenden Wiederherstellungsschritt,
5 zeigt eine Ausführungsform von mehrmaßstäblicher Gradation gemäß einer ersten Ausführungsform von mehrmaßstäblicher Transformation,
6 zeigt eine zweite Ausführungsform für die Durchführung des mehrmaßstäblichen Zerlegungsschritts gemäß einer dyadischen Wavelet-Transformation,
7 zeigt den entsprechenden Wiederherstellungsschritt,
8 zeigt eine Ausführungsform von mehrmaßstäblicher Gradation gemäß der zweiten Ausführungsform von mehrmaßstäblicher Transformation,
9 zeigt die maßstabsspezifischen Anfangsgradienten bei großem, mittlerem und kleinem Maßstab als Funktion des Grauwerts,
10 zeigt die interaktive Einstellung des Kontrasts,
11 zeigt die interaktive Einstellung der Dichte und
12 zeigt ein Anzeigefenster und interaktive Steuerungen für die Einstellung der Dichte und des Kontrasts von Pixeln gemäß einer zweiten und dritten Ausführungsform.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER VORLIEGENDEN ERFINDUNG
Beschreibung eines Bilderfassungssystems
Röntgenstrahlen, die von einer Strahlenquelle (2) emittiert werden, werden durch einen Patienten (nicht gezeigt) geschickt und auf einem zeitweiligen Speichermedium, insbesondere einer ausleuchtbaren Speicherfolie (3), aufgezeichnet. In einer Identifizierungsstation (4) werden die Identifikationsdaten des Patienten in ein Speichergerät eingegeben, z. B. ein EEPROM, das auf einer Kassette, die die ausleuchtbare Speicherfolie trägt, bereitgestellt wird.
Die belichtete ausleuchtbare Speicherfolie wird dann in eine Auslesevorrichtung (1) gebracht, wo eine digitale Bilddarstellung des gespeicherten Strahlungsbildes erzeugt wird.
Zu diesem Zweck wird die belichtete Folie mit Strahlung abgetastet, die (eine) Wellenlänge(n) innerhalb des Anregungswellenlängenbereichs des ausleuchtbaren Leuchtstoffs hat.
Bildweise wird bei Anregung moduliertes Licht vom Leuchtstoff emittiert. Dieses Licht wird erfasst und von einem optoelektronischen Wandler und nachfolgenden Analog-Digital-Wandler in eine digitale Bilddarstellung des Strahlungsbildes umgewandelt.
Die digitale Bilddarstellung wird in ein Bildverarbeitungsmodul (5), an das ein interaktives Steuerelement, wie eine Maus (7), angeschlossen ist und das in das Auslesegerät integriert oder als getrennte Arbeitsstation bereitgestellt werden kann, eingespeist. Im Bildverarbeitungsmodul wird die digitale Bilddarstellung verschiedenen Arten von Verarbeitung unterzogen, wozu die mehrmaßstäbliche Kontrastverstärkung, Rauschunterdrückung und die Gradationsverarbeitung gehören. Auf dieser Verarbeitungsstation wird ebenfalls das erfindungsgemäße Modifizierungsverfahren durchgeführt.
Ferner kann das verarbeitete digitale Bild in eine Ausgabevorrichtung, wie zum Beispiel ein Hardcopy-Aufzeichnungsgerät (6), in dem ein sichtbares Bild erzeugt wird, eingespeist werden. Das sichtbare Bild kann vom Radiologen zur Erstellung einer Diagnose verwendet werden.
Bildkette
Mit dem Begriff "Bildkette" ist die Folge von Bildoperationen und Bildverarbeitungskontrollmechanismen gemeint, die entweder getrennt oder in Kombination auf die digitale Bilddarstellung angewandt wird, um das von der Auslesevorrichtung erzeugte Signal in eine digitale Darstellung des verarbeiteten Bildes, mit der die Ausgabevorrichtung beaufschlagt werden kann, umzuwandeln.
Ein Blockdiagramm, das die gesamte Bildkette illustriert, wird in 2 gezeigt.
Die Bildkette umfasst die Schritte, die unten einzeln aufgeführt werden.
In einem vorbereitenden Schritt wird die digitale Signaldarstellung eines Bildes einer Konversion gemäß einer Quadratwurzelfunktion unterzogen, um die Pixelwerte proportional zur Quadratwurzel der Strahlungsdosis zu machen, die auf der ausleuchtbaren Speicherfolie aufgezeichnet wurde. Das resultierende Bild wird als rohes Digitalbild bezeichnet.
Eine der Hauptquellen von Rauschen im Bild ist das Quantenrauschen, das eine Poisson-Verteilung besitzt. Die Quadratwurzelumwandlung stellt sicher, dass die Rauschstatistik in eine Gauß-Verteilung transformiert wird und zwar mit einer Standardabweichung, die unabhängig von der Dosis ist. Die letztgenannte Vorverarbeitung des Digitalbildes ist nicht notwendig, allerdings vereinfacht sie in hohem Maße die mathematische Behandlung der nachfolgenden Verarbeitungsstufen, weil das Rauschen dann als annähernd gleichförmig über das Rohbild hinweg angenommen werden kann.
In einer alternativen Ausführungsform wird die Quadratwurzelumwandlung in der Auslesevorrichtung mittels eines Verstärkers mit Quadratwurzelkennlinie durchgeführt. Ein digitales Rohbild wird durch Anwenden der Analog-Digital-Umsetzung auf das resultierende Signal erzeugt.
In noch weiteren Ausführungsformen erfolgt die Umwandlung der digitalen Signaldarstellung eines Bildes gemäß einer logarithmischen Funktion oder einer linearen Funktion.
Bei allen Ausführungsformen wird das digitale Rohbild bei der nachfolgenden Verarbeitung verwendet.
In einem ersten Verarbeitungsschritt wird das digitale Rohbild gemäß einer mehrmaßstäblichen Transformation in mindestens zwei Detailbilder mit aufeinander folgenden Maßstäben und gelegentlich ein Restbild (die weiter als mehrmaßstäbliche Darstellung bezeichnet werden) zerlegt. Die Komponenten der mehrmaßstäblichen Darstellung werden als Detailbilder bezeichnet. Die Pixelwerte der mehrmaßstäblichen Darstellung entsprechen dem Kontrast elementarer Bildkomponenten relativ zu ihrer nächsten Nachbarschaft.
Im nächsten Schritt kann die mehrmaßstäbliche Darstellung einer automatischen Gewinneinstellung unterzogen werden, um störende Schwankungen, denen Dosisvariationen, unterschiedliche Belichtungsparameter, patientenspezifische Unterschiede im Belichtungsspielraum, usw. zugrunde liegen, aufzuheben, wonach gegebenenfalls in einem oder mehreren Schritten übermäßiger Kontrast reduziert und feiner Kontrast oder Kantenkontrast gesteigert wird, wie beschrieben in EP 1 339 019 .
Anschließend wird die verarbeitete mehrmaßstäbliche Darstellung einem Wiederherstellungsschritt unterzogen, wobei der Zerlegungstransformationsvorgang umgekehrt an die modifizierten Detailbilder angewandt wird.
Im Laufe der Rekonstruktion wird sequentiell eine Serie maßstabsspezifischer Konversionsfunktionen auf das teilweise rekonstruierte Bild angewandt, um die Kontrastverstärkung als Funktion von sowohl Grauwert als Maßstab einzustellen. Dieser Vorgang wird als mehrmaßstäbliche Gradation bezeichnet. Die so erhaltenen Pixelwerte sind die Steuerwerte für die Hardcopy- oder Softcopy-Wiedergabevorrichtung und werden im Nachstehenden als Dichtewerte bezeichnet.
1. Mehrmaßstäbliche Transformation
Das digitale Rohbild wird einer Zerlegung mit mehreren Maßstäben unterworfen. Das Bild wird in mindestens zwei Detailbilder, die Details bei mehreren aufeinander folgenden Maßstäben repräsentieren, zerlegt.
Dieses Verfahren ist ausführlich in EP 527 525 beschrieben worden.
Die Pixel der Detailbilder repräsentieren die Variationsstärke der Pixelwerte des Originalbildes beim Maßstab des Detailbildes, wobei Maßstab sich auf die räumliche Ausdehnung dieser Variationen bezieht.
Es kann ebenfalls ein Restbild erzeugt werden, das eine Näherung des Originalbildes mit Weglassung aller in den Detailbildern enthaltenen Variationen ist.
Die Detailbilder bei aufeinander folgenden Maßstäben (oder Auflösungsstufen) werden mehrmaßstäbliche Schichten oder einfach Schichten genannt.
In einer ersten Ausführungsform der Berechnung einer mehrmaßstäblichen Transformation werden die Detailbilder bei sequentiell zunehmenden Maßstäben durch R Iterationen der folgenden Schritte erhalten, wie in 3 veranschaulicht:

a) Berechnung eines Näherungsbildes g_k+1 bei einem nächst größeren Maßstab k + 1, indem ein Tiefpassfilter LP an das Näherungsbild g_k entsprechend der vorliegenden Iteration k angewandt wird, und, proportional zur Reduktion der Ortsfrequenzbandbreite, ein Subsampling des Ergebnisses, wobei aber im Laufe der ersten Iteration das Originalbild u₀ als Eingangswert auf das Tiefpassfilter angewandt wird,
b) Berechnung eines Detailbildes b_k – gemäß der unter (a) beschriebenen Methode – als pixelweiser Unterschied zwischen dem Näherungsbild u_k entsprechend der vorliegenden Iteration und dem Näherungsbild u_k+1 bei einem nächst größeren Maßstab, wobei beide Bilder durch eine geeignete Interpolation (bezeichnet mit [↑ LP] im Ablaufdiagramm) des letztgenannten Bildes miteinander in Register gebracht werden und das Restbild u_R dem durch die letzte Iteration erstellten Näherungsbild gleich ist.

Die entsprechende Rekonstruktion (die im Nachstehenden als einfache Rekonstruktion, d. h. Rekonstruktion ohne mehrmaßstäbliche Gradation, bezeichnet wird) erfolgt durch Anwendung der Umkehrtransformation, wie veranschaulicht in 4. In der beschriebenen Ausführungsform erfolgt eine einfache Rekonstruktion durch R-maliges Wiederholen (Iterieren) des folgenden Vorgangs, beginnend beim Detailbild mit dem größten Maßstab b_R-1 und dem Restbild v_R = u_R:
Berechnung des Näherungsbildes v_k mit dem vorliegenden Maßstab k, indem das Detailbild b_k mit dem gleichen Maßstab pixelweise zum Näherungsbild v_k+1 mit dem größeren, der vorigen Iteration entsprechenden Maßstab addiert wird, wobei beide Bilder durch eine geeignete Interpolation des letztgenannten Bildes miteinander in Register gebracht werden, wobei aber im Laufe der ersten Iteration das Restbild v_R statt des Näherungsbilds mit dem größeren Maßstab verwendet wird.
Das Restbild ist ein Bild mit niedriger Auflösung oder im äußersten Fall ein Bild, das nur ein einziges Pixel umfasst, je nach Anzahl der Iterationen in der Zerlegung.
Die letztere Kombination von mehrmaßstäblicher Vorwärts- und Umkehrtransformation ist im Allgemeinen als Burt-Pyramide-Transformation bekannt.
In einer alternativen Ausführungsform wird das Bild in eine gewichtete Summe von vorher festgelegten Grunddetailbildern mit mehreren Maßstäben und gelegentlich ein Restgrundbild zerlegt, indem eine Transformation auf das Bild angewendet wird, wobei die Transformation einen Satz von Detailkoeffizienten liefert, die jeweils den relativen Beitrag einer der Grundfunktionen aus dem Satz von Grundfunktionen, die die Grunddetailbilder repräsentieren, zum Originalbild ausdrückt, und gelegentlich einen Restkoeffizienten liefert, der den relativen Beitrag einer Grundfunktion, die das Grundrestbild repräsentiert, zum Originalbild ausdrückt.
Die Grundfunktionen sind kontinuierlich und nicht-periodisch und haben einen Mittelwert null, außer für die Basisfunktion, die das Grundrestbild repräsentiert. Ein Beispiel für solche Basisfunktionen sind Wavelets.
Die Transformation ist von der Art, dass eine Umkehrtransformation existiert, die das Originalbild oder eine enge Näherung desselben zurückgibt, wenn sie auf die Transformationskoeffizienten angewandt wird.
Das Bild kann durch Anwenden der Umkehrtransformation auf die Detailkoeffizienten und den Restkoeffizienten, falls erzeugt, rekonstruiert werden.
Ein Beispiel für die alternative Ausführungsform wird in den 6 und 7 veranschaulicht, wobei 6 eine dyadische Vorwärts-Wavelet-Transformation und 7 die entsprechende Umkehrtransformation darstellt.
Bei der in 6 gezeigten Vorwärtstransformation wird das Originalbild u₀ in ein Näherungsbild mit größerem Maßstab u₁ und ein Detailkoeffizientenbild b₁ zerlegt, indem ein Tiefpassanalysefilter LP_a bzw. Hochpassanalysefilter HP_a angewandt und anschließend beide Bilder einem Subsampling unterzogen werden. Dieser Zerlegungsprozess wird je nach vorliegendem Näherungsbild R mal wiederholt, wobei jeweils ein zusätzliches Detailkoeffizientenbild und ein Näherungsbild mit dem nächst größeren Maßstab erhalten werden.
Das Ablaufdiagramm der entsprechenden Umkehrtransformation wird in 7 gezeigt. Ausgehend vom Restbild v_R = u_R, das ein Näherungsbild mit dem größten Maßstab ist, wird durch Upsampling und Tiefpassfiltern des vorliegenden Näherungsbildes v_R, Upsampling und Hochpassfiltern des Detailkoeffizientenbildes b_R und pixelweises Addieren der dabei erhaltenen Ergebnisse ein Näherungsbild v_R-1 mit dem nächst kleineren Maßstab berechnet. Nachfolgende Näherungsbilder mit jeweils kleinerem Maßstab werden erhalten, indem dieser Vorgang R mal auf dem jeweils vorliegenden Näherungsbild v_k und dem entsprechenden Detailkoeffizientenbild b_k wiederholt wird.
In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Hochpassfilter direktional, z. B. stellen Grauwertübergänge in eine bestimmte Richtung dar. Solchenfalls werden die Detailkoeffizienten b_k bei jedem Maßstab in die Koeffizienten bh_k, bv_k und bd_k, die jeweils ein horizontales, vertikales oder diagonales Detail beim vorliegenden Maßstab darstellen, aufgespalten. Jeder der Blöcke HP_a stellt dann eine Bank mit 3 Filtern dar, d. h. mit einem Filter für jede Richtung.
2. Rekonstruktion und mehrmaßstäbliche Gradation
Sind die (eventuellen) wie in 2 veranschaulichten Methoden für Kontrastanhebung nach dem in EP 1 339 019 beschriebenen Verfahren durchgeführt worden, so erfolgt die Wiederherstellung des Bildes dadurch, dass an die modifizierten Detailbilder eine Bildtransformation, die die mehrmaßstäbliche Zerlegung in umgekehrter Reihenfolge darstellt, angewandt wird.
Genaueres über das Verfahren der einfachen Rekonstruktion findet sich im obigen, von der Bildzerlegung handelnden Paragrafen.
In einer ersten erfindungsgemäßen Ausführungsform wird eine mehrmaßstäbliche Gradation durch Anwendung einer Serie von maßstabsspezifischen Konversionsfunktionen im Rekonstruktionsvorgang implementiert. In jedem Schritt des Rekonstruktionsvorgangs, in dem eine Konversionsfunktion angewandt wird, wird diese auf das Näherungsbild mit einem Maßstab entsprechend der vorliegenden Iteration angewandt, wobei das Ergebnis der Konversion als Eingangsbild für die nächste Iteration verwendet wird, wie nachfolgend beschrieben.
Wie es 5 in einer Ausführungsform einer mehrmaßstäblichen Gradation gemäß der Burt-Pyramide-Transformation zeigt, wird die normale Umkehrtransformation wie folgt modifiziert.
Das aus der dem Maßstab k = L bis zum kleinsten Maßstab k = 0 entsprechenden Iteration berechnete Näherungsbild v_k wird zunächst pixelweise durch eine maßstabsspezifische Konversionsfunktion f_k() umgewandelt, ehe in der nächsten Iteration angewandt zu werden.
Bei der zweiten Ausführungsform der unter Punkt 1 beschriebenen mehrmaßstäblichen Transformation, d. h. einer dyadischen Wavelet-Transformation, erfolgt die Modifizierung zur Implementierung der mehrmaßstäblichen Gradation in ähnlicher Weise. Wie es 8 zeigt, wird das aus der dem Maßstab k = L bis zum kleinsten Maßstab k = 0 entsprechenden Iteration berechnete Näherungsbild v_k pixelweise durch eine maßstabsspezifische Konversionsfunktion f_k() umgewandelt, ehe in der nächsten Iteration angewandt zu werden.
Durch geeignete Auswahl der Serie von Konversionsfunktionen f_k() ist es möglich, die Kontrastverstärkung als Funktion des Grauwerts und des Maßstabs festzulegen und das Mappen von Grauwert auf Dichte unabhängig von der Kontrastverstärkung zu definieren.
Dazu werden die mehrmaßstäblichen Konversionsfunktionen f_k() in der nachfolgend beschriebenen Weise bestimmt. Ausgangspunkt ist eine Serie von als maßstabsspezifische Gradientenfunktionen bezeichneten Funktionen gm_k(). Für einen vorgegebenen Maßstab k legt die entsprechende maßstabsspezifische Gradientenfunktion gm_k() die Höhe der Kontrastverstärkung bei diesem Maßstab fest. In gleichwertiger Weise legt die maßstabsspezifische Gradientenfunktion beim Maßstab k fest, in welchem Ausmaß ein kleiner Pixelwertunterschied (d. h. maßstabsspezifischer Kontrast) bei diesem Maßstab durch den kombinierten Effekt aller verbundenen Konversionsfunktionen f_k() bis zum kleinsten Maßstab k = 0 verstärkt wird.
Daneben legt die maßstabsspezifische Gradientenfunktion gm_k() fest, in welchem Ausmaß das rekonstruierte Endbild z₀ empfindlich ist gegenüber einem Einheitsdetail aus einem Pixel mit einem Einheitswert im entsprechenden Detailbild, d. h. b_k im Falle der Burt-Pyramide-Transformation oder b_k+1 im Falle der dyadischen Wavelet-Transformation.
Die maßstabsspezifischen Gradientenfunktionen sind den partiellen Ableitungsfunktionen gleich:
wobei z_k das durch pixelweise Anwendung der Konversionsfunktion f_k() auf das Näherungsbild v_k erhaltene Bild darstellt und t = v_L, d. h. der Pixelwert des teilweise rekonstruierten Bildes mit einem Maßstab L, der bei mehrmaßstäblicher Gradation der größte Maßstab ist. Im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung werden die Pixelwerte t als mittlere Grauwerte bei großem Maßstab bezeichnet.
Ausgehend von der Verbindungsregel für die Ableitung können die maßstabsspezifischen Gradientenfunktionen wie folgt geschrieben werden: gmk(t) = f0'(F1(t))·f1'(F2(t))·...·fk'(t),wobei f_k'(t) die Ableitungsfunktionen der maßstabsspezifischen Konversionsfunktionen bedeutet.
Die kumulativen Konversionsfunktionen bei aufeinander folgenden Maßstäben entspricht der Verbindung von maßstabsspezifischen Konversionsfunktionen f_k() vom bei mehrmaßstäblicher Gradation größtmöglichen Maßstab L bis zum vorliegenden Maßstab: Fk(t) = fk ∘ fk+1 ∘ ... ∘ fL(t),wobei der Operator ∘ die Verbindung der Funktionen bedeutet.
Die Ableitung einer kumulativen Konversionsfunktion bezüglich t entspricht folgender Gleichung Fk'(t) = fk'(Fk+1(t))·fk+1'(Fk+2(t))·...·fL'(t),oder in gleichwertiger Weise können die Ableitungen von kumulativen Konversionsfunktionen als maßstabsspezifische Gradientenfunktionen ausgedrückt werden: F0'(t) = gmL(t)
Die kumulativen Konversionsfunktionen werden dann durch Integration berechnet: F0(t) = ∫tt₀ gmL(x)·dx
wobei t₀ die Abszisse t ist, bei der F_k(t) = 0. Dieser Parameter bestimmt die Verschiebung (Drift) der kumulativen Konversionsfunktionen. Der Einfachheit halber kann sie auf 0 gesetzt werden, wodurch alle kumulativen Konversionsfunktionen den Ursprung des Koordinatensystems schneiden werden.
Die maßstabsspezifischen Konversionsfunktionen f_k() werden schließlich durch Umkehr der kumulativen Konversionsfunktionen F_k(t) erhalten: fk() = Fk ∘ Fk+1 –1(), k = 0, 1, ..., L – 1 fL() = FL()
In einer bevorzugten Ausführungsform wird die Funktionsumkehr durch Abspeicherung aller Funktionen in Tabellenform (d. h. in Nachschlagetabellen) vermieden.
Zunächst werden die Tabellen der maßstabsspezifischen Gradientenfunktionen gm_k() in einer unten beschriebenen Weise berechnet.
Anschließend werden die kumulativen Konversionsfunktionen F_k(t) durch herkömmliche numerische Integrationstechniken, wie die Trapezregel, berechnet und als N abstandsgleiche Punkte (t_i, F_k(t_i)), i = 0, 1, ...‚ N – 1 ebenfalls in Tabellenform gespeichert.
Schließlich können aus diesen Tabellen zügig – und ebenfalls in Tabellenform – die maßstabsspezifischen Konversionsfunktionen f_k() abgeleitet werden. Die N Paare (Abszisse, Ordinate), die die Funktion f_k() festlegen, entsprechen den Formeln (F_k+1(t_i), F_k(t_i)) für die Maßstäbe k = 0, 1, ..., L – 1. Beim Maßstab L, der bei mehrmaßstäblicher Gradation der größte Maßstab ist, entspricht die Funktion f_L() der Funktion F_L(). In Tabellenform wird letztere Funktion dann als (t_i, F_L(t_i)) festgelegt.
Auf diese Art und Weise werden alle maßstabsspezifischen Konversionsfunktionen durch eine Serie von Punkten definiert, die allerdings im Allgemeinen nicht abstandsgleich sind. Deswegen müssen die Funktionen f_k() interpoliert werden, um bei willkürlichen ganzzahligen Eingabewerten ausgewertet werden zu können.
3. Unabhängige Einstellung der Dichte und des Kontrasts
Gemäß dem obenbeschriebenen Verfahren wird das Verhalten der mehrmaßstäblichen Gradation völlig durch die Formen der Gradientenfunktionen gm_k() bei aufeinander folgenden Maßstäben bestimmt. Der Kontrast bei kleinem Maßstab, mittlerem Maßstab und großem Maßstab wird durch Festlegung geeigneter maßstabsspezifischer Gradientenfunktionen gesteuert, wie nachfolgend beschrieben.
In der vorliegenden Erfindung weisen die Gradientenfunktionen gm_k() einen Anfangswert gm0_k() auf, der entweder fest oder aber vom Grauwerthistogramm abhängig ist und die Anfangsdichte und den Anfangskontrast darstellt, mit denen das Bild wiedergegeben wird, ehe irgendwelche Anpassung der Dichte oder des Kontrasts nach dem erfindungsgemäßen Verfahren vorgenommen wird. In der Regel ist das erzeugte Bild dasjenige, das zu Beginn einer interaktiven Anpassungssession auf dem Anzeigemonitor einer Arbeitsstation angezeigt wird. Bei jeder neuen Einstellung der Dichte oder Kontrastverstärkung wird eine neue Serie von mehrmaßstäblichen Gradientenfunktionen definiert, die durch gm_k() bezeichnet werden und die Dichte- und Kontrastwiedergabe des Bildes in der jeweiligen Phase der Anpassung festlegen. In der Regel sind eine oder mehrere aufeinander folgende Anpassungen der Dichte und des Kontrasts notwendig, ehe eine Bildwiedergabe mit optimaler Dichte und optimalem Kontrast erreicht wird.
In einer bevorzugten Ausführungsform werden die Anfangsgradientenfunktionen wie folgt definiert.
3a. Anfangsgradientenfunktion bei großem Maßstab
Die Anfangsgradientenfunktion bei großem Maßstab gm0_L(t) legt die Kontrastverstärkung beim großen Maßstab L fest, wobei L der bei mehrmaßstäblicher Gradation größtmögliche Maßstab ist. Liegt kein Detail mit kleinerem Maßstab vor, d. h. sind alle Detailpixel b_k (oder b_k+1 im Falle einer dyadischen Wavelet-Transformation) gleich 0 bei den Maßstäben k = 0, 1, ..., L – 1, so bestimmt sie ebenfalls die Art und Weise, wie die Grauwerte t des Näherungsbildes bei großem Maßstab v_L auf den Dichtemaßstab y des sichtbaren Bildes gemappt werden. Das Integral der Gradientenfunktion bei großem Maßstab entspricht dann einer einfachen Gradationsfunktion y_L(t), die auf das Grauwertbild mit großem Maßstab v_L anzuwenden ist. Im Normalfall, d. h. wenn das Bild ein Detail mit kleinerem Maßstab enthält, bestimmt das Integral der Funktion gm0_L(t) immer noch die mittlere Dichteverteilung bei großem Maßstab des sichtbaren Bildes, die mit Details mit kleinerem Maßstab ferner moduliert wird.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird die Gradientenfunktion bei großem Maßstab gm0_L() als Ableitung von der als Anfangsgradationsfunktion bei großem Maßstab y0_L(t) definierten Funktion erhalten: gm0L(t) = ddt Y0L(t)
Die Anfangsgradationsfunktion bei großem Maßstab wird wie nachstehend beschrieben festgelegt.
Zunächst wird aus dem Grauwerthistogramm his(t) des Graubildes mit großem Maßstab v_L eine Serie von Stützpunkten t_k bestimmt. Jeder Stützpunkt entspricht einem vorgegebenen Perzentil p_k des Histogramms, d. h. t_k entspricht den Grauwerten, bei denen das kumulative Histogramm gleich p_k ist.
Bevorzugt ist die Anzahl der Stützpunkte nk ziemlich klein, z. B. nk = 5 und p_k = 0%, 15%, 50%, 85%, 100% bei k = 0,4.
Die Gradationsfunktion bei großem Maßstab wird durch ihre vorgegebenen Ordinatenwerte in den Stützpunkten festgelegt: y0L(tk) = yk
Bevorzugte Ordinatenwerte sind y_k = 3%, 10%, 50%, 90% und 97% und werden als Prozentsatz des Ausgabebereichs ausgedrückt.
Die optimale Anzahl und Position der Stützpunkte und die entsprechenden Ordinatenwerte können je nach Bildart variieren. Im Sonderfall, in dem p_k = y_k für alle Stützpunkte, entspricht die Gradationsfunktion der durch einen globalen Histogrammausgleich erhaltenen Gradationsfunktion.
Die Gradationsfunktion wird durch Anpassung einer stückweise zusammengesetzten Polynomfunktion, wie einer Spline oder einer Sezier-Kurve, an die vorgegebenen Stützpunkte festgelegt. Sie wird durch lineare Erweiterungssegmente mit vorgegebenen Neigungen g₀ bzw. g_nk-1 bis hinter den Bereich [t₀, t_nk-1] extrapoliert.
In einer alternativen Ausführungsform ist das Grauwerthistogramm auf einen durch eine binäre Bildmaske angegebenen Teilsatz von Bildpixeln beschränkt, wobei gemäß einem wie in EP 1 339 019 beschriebenen Verfahren ausgewertet wird, ob diese Pixel auf Basis von Kriterien wie örtlichem Kontrast-Rausch-Verhältnis einem betreffenden Bildbereich zugehören.
3b. Anfangsgradientenfunktion bei kleinem Maßstab
Bei den kleineren Maßstäben hat die sogenannte Anfangsgradientenfunktion bei kleinem Maßstab gm0_S(t) eine vorgegebene Form. Der Wert dieser Funktion legt das Ausmaß fest, in dem der Kontrast feiner Details als Funktion des Grauwerts verstärkt wird. Eine explizite Definition der Form dieser Funktion erlaubt es denn auch, über den Grauwertbereich hinweg ein spezifisches Kontrastverhalten bei kleinem Maßstab zu gewährleisten. Die Anfangsgradientenfunktion bei kleinem Maßstab gm0_k(t) ist gleich für alle kleineren Maßstäbe ab k = 0 über ein vorgegebenes Intervall k = S hinweg.
Als allgemeine Regel gilt, dass die Funktion einen Nennwert im Mittelteil des betreffenden Grauwertteilbereichs [t₀, t_nk-1] haben und zu den Grenzen des Teilbereichs hin abnehmen soll. Durch diese empirische Regel wird sichergestellt, dass der Kontrast im meist relevanten Grauwertteilbereich hoch ist und in den niedrigsten und höchsten Teilbereichen allmählich abnehmen wird und zwar gemäß dem „Fuss"-„Schulter"-Verhalten der Gradationskurven, die nicht nur üblich sind in digitalen Systemen [wie offenbart im Europäischen Patent 1 347 416 ], sondern ebenfalls in Folien-Film-Systemen, bei denen sie als H(urter)-D(riffield)-Kurven bekannt sind.
Im Sonderfall, in dem die Anfangsgradientenfunktion bei kleinem Maßstab gleich der Anfangsgradientenfunktion bei großem Maßstab ist und auch die nachstehend beschriebenen Gradientenfunktionen bei mittlerem Maßstab identisch sind, ist das Kontrastverhalten das gleiche wie dasjenige, das man erhalten würde, wenn man die Anfangsgradationsfunktion bei großem Maßstab y0_L(t)) sofort auf das endgültige Rekonstruktionsergebnis anwenden würde, d. h. wenn nur eine einzelne Gradationsfunktion in herkömmlicher Weise angewandt wird.
Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren können das Kontrastverhalten, das sich vorwiegend auf die kleineren und mittleren Maßstäbe bezieht, und das Dichtemappingverhalten, das im Wesentlichen die größeren Maßstäbe betrifft, gesondert gesteuert werden und zwar indem eine Gradientenfunktion bei kleinem Maßstab festgelegt wird, die zur Gradientenfunktion bei großem Maßstab unterschiedlich ist. Wird zum Beispiel die Anfangsgradientenfunktion bei kleinem Maßstab auf wesentlich demselben Wert festgelegt wie die Gradientenfunktion bei großem Maßstab, außer im unteren Teil des betreffenden Pixelteilbereichs, wo sie höher eingestellt wird, so wird der Kontrast in den unteren Dichtezonen ohne Effekt auf den Kontrast in den oberen Dichtezonen zunehmen. Diese Einstellung steigert den Kontrast einer trabekulären Knochenstruktur. Was andererseits den Kontrast an Hautgrenzen betrifft, kann dieser dadurch angehoben werden, indem die Gradientenfunktion bei kleinem Maßstab im dunkelsten Bereich des betreffenden Grauwertteilbereichs hoch eingestellt wird. Eine solche Einstellung empfiehlt sich, um bei der Wiedergabe eine bessere Sichtbarkeit von Läsionen von Weichgewebe in der Nähe der Hautgrenze zu erzielen. Wird die Gradientenfunktion bei kleinem Maßstab auf einen in allen Bereichen die Gradientenfunktion bei großem Maßstab übersteigenden Wert eingestellt, so wird der Gesamtkontrast ohne wesentlichen Einfluss auf die globale Verteilung der Dichten (die durch die Gradientenfunktion bei großem Maßstab bestimmt wird) angehoben.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird der Gradientenfunktion bei kleinem Maßstab unabhängig von der Gradientenfunktion bei großem Maßstab eine vorgegebene Form zugeordnet. Dazu werden in den Stützpunkten vorgegebene Funktionswerte festgelegt.
Auf diese Art und Weise kann der Dichtewertbereich nach dem obenbeschriebenen Verfahren gemäß vorgegebenen Histogrammperzentilen auf den tatsächlichen Grauwertbereich des Bildes abgestimmt werden und zwar ohne Effekt auf den Kontrast, der ja durch eine unabhängig festgelegte Gradientenfunktion bei kleinem Maßstab bestimmt wird.
In einer alternativen Ausführungsform wird die Anfangsgradientenfunktion bei kleinem Maßstab auf Basis ihrer vorgegebenen Ordinatenwerte gm0_S(t_k) = c_k in den nk Stützpunkten festgelegt, wobei die Ordinatenwerte als vorgegebener Prozentsatz des mittleren Anfangsgradienten bei großem Maßstab ausgedrückt werden:
Anfangsgradienten bei kleinem Maßstab liegen bevorzugt zwischen 10% und 400% des gm0_Lav-Wertes, ganz besonders bevorzugt c_k = 100%, 170%, 250%, 100% oder 25%.
Die Gradientenfunktion bei kleinem Maßstab wird durch Anpassung einer stückweise zusammengesetzten Polynomfunktion, wie einer Spline oder einer Sezier-Kurve, an die vorgegebenen Stützpunkte festgelegt. Sie wird über konstante Erweiterungssegmente mit den Ordinatenwerten c₀ bzw. c_nk-1 bis hinter den Bereich [t₀, t_nk-1] extrapoliert.
3c. Anfangsgradientenfunktionen bei mittlerem Maßstab
Auf Basis einer vorgegebenen Anfangsgradientenfunktion bei großem Maßstab gm0_L(t) bei einem Maßstab L und einer vorgegebenen Anfangsgradientenfunktion bei kleinem Maßstab gm0_S(t) für die kleineren Maßstäbe ab 0 über S hinweg, wie oben definiert, werden die Anfangsgradientenfunktionen bei den mittleren Maßstäben ab S + 1 über L – 1 hinweg gemäß folgender bevorzugter Ausführungsform festgelegt:
Diese Festlegung der Gradientenfunktionen bei den mittleren Maßstäben gewährleistet einen schrittweisen Übergang von der Gradientenfunktion bei großem Maßstab zur Gradientenfunktion bei kleinem Maßstab und somit einen schrittweisen Übergang des Kontrastverhaltens vom durch gm0_L(t) bestimmten Kontrastverhalten bei großem Maßstab zum durch gm0_S(t) bestimmten Kontrastverhalten.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird der Parameter des kleinen Maßstabs S vorzugsweise im Intervall [0, 4] eingestellt und soll L vorzugsweise im Intervall [S + 2, k_max – 1] liegen, wobei k_max den größten Maßstab bei der mehrmaßstäblichen Zerlegung darstellt. Bei einem Bild von 2048×2048 werden S und L ganz besonders bevorzugt auf 3 bzw. 7 eingestellt. Solchenfalls werden die Maßstäbe 0, 1, 2 und 3 durch die gleiche Gradientenfunktion bei kleinem Maßstab gm0_S(t) gesteuert, wobei sich die Gradientenfunktion bei großem Maßstab auf Maßstab 7 bezieht und der Übergang von Maßstab 4 über Maßstab 6 schrittweise verläuft. Ein Beispiel für eine Serie dieser Funktionen wird in 9 gezeigt.
Einige alternative Ausführungsformen von Verfahren zur Festlegung der Anfangsgradientenfunktionen gm0_k() sind beschrieben in EP 1 339 019 .
4. Interaktive Anpassung der Dichte und des Kontrasts
Ein nach dem oberbeschriebenen Verfahren der mehrmaßstäblichen Gradation erzeugtes und auf einem Anzeigemonitor angezeigtes Bild wird nur dann eine geeignete Dichte und einen geeigneten Kontrast aufweisen, wenn die mehrmaßstäblichen Anfangsgradientenfunktionen gm0_k() in geeigneter Weise festgelegt werden.
Allerdings kann es vorkommen, dass die Anfangseinstellung dieser Funktionen nicht optimal ist oder bei der Betrachtung Sonderanforderungen in punkto Dichte oder Kontrast in einem gewissen Dichteband gerecht zu werden sind, z. B. kann ein höherer Kontrast bei gleich bleibenden Dichtewerten gefordert werden.
Eine den Befunden der vorliegenden Erfindung entsprechende interaktive Verfahrensweise ermöglicht es, den Dichtewert und den Kontrast unabhängig voneinander einzustellen.
In einer interaktiven Anpassungssession werden der Anfangszustand und das entsprechende angezeigte Bild durch die Serie von gemäß einem der obenbeschriebenen Verfahren festgelegten mehrmaßstäblichen Anfangsgradientenfunktionen gm0_k() bestimmt. Bei jeder von einem Benutzer während der interaktiven Session durchgeführten Anpassung wird die Serie von mehrmaßstäblichen Gradientenfunktionen gm_k() gemäß den auf die Anfangsserie angewandten Modifizierungen aktualisiert. Nach jeder Modifizierung wird obiges Verfahren der mehrmaßstäblichen Gradation auf die aktualisierten mehrmaßstäblichen Gradientenfunktionen angewandt und sodann das neu erhaltene Bild vorzugsweise angezeigt, wodurch der Benutzer über ein Feedback über die gerade durchgeführte Anpassung verfügt. Auf diese Art und Weise kann jede beliebige erwünschte Modifizierung der Dichte oder des Kontrasts in zweckmäßiger Weise durch eine oder mehrere von einem Benutzer durchgeführte Anpassungen erledigt werden und wird indessen eine merkliche Verbesserung des Workflows erzielt, auch bei Anwendungen, die kritische Anpassungen erfordern.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird das als dy und dc bezeichnete Ausmaß, in dem die Dichte bzw. der Kontrast angepasst werden, durch Bewegung eines Cursors in einem Fenster oder mittels eines beliebigen zweidimensionalen Zeigemittels oder interaktiven Controllers gekennzeichnet. Bevorzugt ist das Fenster, in dem der Cursor bewegt wird, das Bildfenster, wodurch der Betrachter während der Anpassungssession das Bild nicht in den Hintergrund zu stellen braucht. Als Alternative können zur Festlegung der Anpassungswerte dy und dc zwei gesonderte eindimensionale grafische Benutzeroberflächen (GUIs), wie zwei Rollbalken oder Bildlaufleisten, verwendet werden.
Die Festlegung der Anpassungswerte geschieht im Verhältnis zu den Einstellungen, mit denen das ursprüngliche Bild angezeigt wurde. Nachfolgende Anpassungsparameter können entweder ebenfalls im Verhältnis zu den Einstellungen, mit denen das ursprüngliche Bild angezeigt wurde, oder aber im Verhältnis zum Ergebnis der gerade vorangehenden Anpassung festgelegt werden, d. h. nachfolgende Anpassungen sind absolut oder schrittweise. Die Anfangsposition des zur Festlegung der Anpassungsparameter verwendeten Cursors liegt vorzugsweise in der Mitte des Bildes, kann allerdings auch ein Punkt in einem fiktiven, eine Dichteachse in horizontale Richtung und eine Kontrastverstärkungsachse in vertikale Richtung umfassenden Koordinatensystem im Cursorfenster sein, wobei die Anfangsposition des Cursors, bezogen auf das Koordinatensystem, die Anfangsdichte und den Anfangskontrast darstellt. Die Anfangseinstellungen werden gekennzeichnet durch einen Satz von Anfangsparametern y_init, c_init, die sich auf den Ordinatenwert der Gradation bei großem Maßstab und den Gradientenwert bei kleinem Maßstab der mittleren Stützpunkte beziehen (vgl. die Abschnitte 3a bzw. 3c).
In einer bevorzugten Ausführungsform erfolgt die Einstellung der Dichte und der Kontrastverstärkung gemäß nachstehender Methode.
Zunächst wird die Anfangsgradientenfunktion bei kleinem Maßstab gm0_S(t) als Dichtewert y statt als Grauwert t ausgedrückt. Dazu benutzt man das Verhältnis t0_L(y), d. h. das umgekehrte Verhältnis der Gradationsfunktion bei großem Maßstab y0_L(t).
Dann wird die Gradientenfunktion bei kleinem Maßstab in die Ordinatenrichtung um eine Menge dc verformt, wie veranschaulicht in 10. Bevorzugt erfolgt die Verformung durch Multiplikation, d. h. proportional zum Originalkontrast vor der Anpassung: gmS(y) = gm0S(y)·10dc/10,wobei dc in dB ausgedrückt ist.
Der Kontrast kann ebenfalls angepasst werden, indem die Gradientenfunktion bei kleinem Maßstab in die Ordinatenrichtung um eine Menge dc verschoben wird. Solchenfalls ist letztgenannter Parameter eine Kontrastverschiebung.
Als Nächstes wird die verformte Gradientenfunktion bei kleinem Maßstab unter Verwendung der Anfangsgradation bei großem Maßstab y(t) = y0_L(t) als Konversionsfunktion in Grauwerte t ausgedrückt, wobei eine angepasste Gradientenfunktion bei kleinem Maßstab gm_S(t) erhalten wird.
Dann wird die Dichteanpassung angewandt, indem die Gradationsfunktion bei großem Maßstab y(t) = y0_L(t) um eine Menge dy in die Ordinatenrichtung verschoben wird, wie veranschaulicht in 11.
Die so angepasste Gradationsfunktion bei großem Maßstab wird mit y_L(t) bezeichnet.
Die Ableitung dieser Funktion ergibt die angepasste Gradientenfunktion bei großem Maßstab gm_L(t).
Eine Serie angepasster Gradientenfunktionen bei mittlerem Maßstab wird auf Basis der angepassten Versionen der Gradientenfunktion mit kleinem Maßstab und der Gradientenfunktion mit großem Maßstab in ähnlicher Weise wie die Anfangsgradientenfunktionen erhalten:
Wird zum Schluss der wie oben unter dem Titel „Rekonstruktion und mehrmaßstäbliche Gradation" beschriebene Rekonstruktionsvorgang mit mehrmaßstäblicher Gradation unter Verwendung der angepassten Gradientenfunktionen gm_k anstelle des ursprünglichen Satzes von Funktionen gm0_k angewandt, so wird gemäß den Befunden der vorliegenden Erfindung ein Bild erhalten, dessen Dichte und Kontrast unabhängig voneinander angepasst worden sind.
Die mehrmaßstäblichen Gradientenfunktionen und die Gradationsfunktion bei großem Maßstab werden vorzugsweise in Form einer Tabelle mit Koordinatenpaaren festgelegt. Diese Darstellungsform ist vorteilhaft zur Berechnung des Umkehrverhältnisses t0_L(y), wodurch eine explizite Funktionsumkehr vermeidet wird. Sowohl die Vorwärts- als Umkehrfunktion werden an willkürlichen Punkten durch lineare Interpolation der Tabellenwerte ausgewertet. Zur Berechnung der Ableitungsfunktion wird die Gradationsfunktion bei großem Maßstab vorzugsweise über stückweise zusammengesetzte Polynomfunktionen festgelegt. Die Darstellungsart ist nicht von großer Bedeutung und wird lediglich aufgrund der mathematischen Einfachheit der durchzuführenden Vorgänge angewandt. Der Übergang von einer Darstellungsart zur anderen wird durch übliche Interpolationstechniken ausgeführt.
Wichtig bei der Anwendung einer Dichteanpassung auf die Gradation bei großem Maßstab ist, dass sichergestellt wird, dass die erhaltene Funktion monoton bleibt. Bevorzugt werden ebenfalls die Neigung der Gradationsfunktion und die Ordinaten der Gradientenfunktion bei kleinem Maßstab Beschränkungen unterworfen, damit eine übermäßige Kontrastverstärkung vermieden wird.
In einer zweiten Ausführungsform der unabhängigen Anpassung von Dichte und Kontrast von Pixeln innerhalb eines ausgewählten Dichtebands (vgl. 12) wird eine zweidimensionale Grafik (60), in der ein Kontrastgradient bei kleinem Maßstab gegen die Dichte aufgetragen wird, angezeigt. Zu Beginn einer Anpassungssession wird die Anfangsgradientenfunktion gm0_S(y) (61) zusammen mit Histogramm (62) gegen die Dichte aufgetragen. Daneben kann entlang der Dichteachse ein Dichtekeil (63), der für jeden Abszissenwert explizit die entsprechende Dichte anzeigt, aufgetragen werden.
Durchgeführt wird die erwünschte Anpassung der Dichte und der Kontrastverstärkung, indem ein Cursor (66) oder ein anderes Zeigemittel relativ zum markierten Punkt entweder in vertikale Richtung zur Bestimmung einer Anpassung des Kontrasts dc, in horizontale Richtung zur Bestimmung einer Anpassung der Dichte dy oder in eine beliebige andere Richtung zur Bestimmung einer gleichzeitigen Anpassung von Dichte und Kontrast im Verhältnis zu den horizontalen und vertikalen Bewegungskomponenten verschoben wird. Bei jeder Festlegung eines Satzes von Anpassungsparametern werden die Serie der angepassten Gradientenfunktionen gm_k() und das resultierende Bild wie in der ersten Ausführungsform beschrieben berechnet. Dadurch, dass bei jeder Cursorbewegung das auf dem Monitor angezeigte Bild (67) aktualisiert wird, steht dem Benutzer immer ein Echtzeit-Feedback zur Verfügung. Ein noch besseres Feedback wird erhalten, indem jedes Mal auch die Kontrastfunktionskurve und das Histogramm aktualisiert werden.
In einer dritten Ausführungsform (vgl. 12) wird eine zweidimensionale Grafik angezeigt, in der der Kontrastgradient bei kleinem Maßstab gegen die Dichte und ferner das Histogramm und ein Dichtekeil entlang der Dichteachse aufgetragen sind, wie beschrieben in der vorigen Ausführungsform.
Unterschiedlich ist jedoch, dass das Ausmaß der Anpassung der Dichte dy und des Kontrasts dc durch Bewegung eines Cursors (70) im angezeigten Bildfenster angegeben wird, wie beschrieben in der ersten Ausführungsform. Bei jeder Bewegung des Cursors, durch die der erwünschte Anpassungsgrad durchgeführt wird, werden automatisch das Bild, das Histogramm und die Kontrastfunktion sowie der die aktuelle Anpassung markierende Cursor aktualisiert.

Claims

Ein durch die nachstehenden Schritte gekennzeichnetes Verfahren zur Modifizierung des Kontrasts und/oder der Dichte der Pixel eines durch ein digitales Bildsignal dargestellten Bildes: – Anzeigen des Bildes auf einem Anzeigeschirm, – Anzeigen einer Dichteachse und einer Kontrastverstärkungsachse, – Bewegen eines Zeigers in zumindest eine der Richtungen der genannten Achsen, – Modifizierung des Kontrasts des angezeigten Bildes durch Bewegung des Zeigers in die Richtung der Kontrastverstärkungsachse, – Modifizierung der Dichte des angezeigten Bildes durch Bewegung des Zeigers in die Richtung der Dichteachse, dadurch gekennzeichnet, dass der Kontrast und die Dichte unabhängig voneinander durch Modifizierung einer mehrmaßstäblichen Darstellung des Bildes modifiziert werden, wobei die Modifizierung von einer Modifizierung der Werte von zumindest zwei unterschiedlichen, bei unterschiedlichen Maßstäben bestimmten Gradientenfunktionen abgeleitet ist und wobei eine Gradientenfunktion bei einem vorgegebenen Maßstab bestimmt, wie die Kontrastverstärkung beim Maßstab von der Dichte abhängig ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kontrast unabhängig durch Modifizierung des Wertes von zumindest einer der Gradientenfunktionen entlang der Ordinatenachse verändert wird und die Dichte unabhängig durch Modifizierung des Wertes von zumindest einer der Gradientenfunktionen entlang der Ordinatenachse verändert wird, wobei der modifizierte Wert durch Ableitung von einer Verschiebung einer Gradationsfunktion entsprechend der Gradientenfunktion erhalten wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Modifizierung der Kontrastverstärkung proportional zur Kontrastverstärkung vor der Anpassung ist.
Eine Benutzeroberfläche für eine Bildverarbeitungs- und Anzeigeeinheit, umfassend: – ein Fenster, in dem ein verarbeitetes Bild angezeigt wird, – einen Zeiger, der in zumindest eine von zwei Richtungen bewegbar ist, wobei eine Bewegung des Zeigers in eine erste Richtung eine Änderung der Dichte des angezeigten Bildes und eine Bewegung des Zeigers in eine zweite Richtung eine Änderung des Kontrasts des angezeigten Bildes bewirkt, dadurch gekennzeichnet, dass der Kontrast und die Dichte unabhängig voneinander durch Modifizierung einer mehrmaßstäblichen Darstellung des Bildes modifiziert werden, wobei die Modifizierung von einer Modifizierung der Werte von zumindest zwei unterschiedlichen, bei unterschiedlichen Maßstäben bestimmten Gradientenfunktionen abgeleitet ist und wobei eine Gradientenfunktion bei einem vorgegebenen Maßstab bestimmt, wie die Kontrastverstärkung beim Maßstab von der Dichte abhängig ist.
Benutzeroberfläche nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Kontrast unabhängig durch Modifizierung des Wertes von zumindest einer der Gradientenfunktionen entlang der Ordinatenachse verändert wird und die Dichte unabhängig durch Modifizierung des Wertes von zumindest einer der Gradientenfunktionen entlang der Ordinatenachse verändert wird, wobei der modifizierte Wert durch Ableitung von einer Verschiebung einer Gradationsfunktion entsprechend der Gradientenfunktion erhalten wird.
Benutzeroberfläche nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein Dichtehistogramm des verarbeiteten Bildes und/oder eine Kontrastverstärkungskurve, auf der die Kontrastverstärkung als Funktion der zum Erhalten des verarbeiteten Bildes angewandten Dichte aufgetragen ist, angezeigt wird (werden) und das Histogramm und/oder die Kontrastverstärkungskurve entsprechend der Bewegung des Zeigers angepasst wird (werden).
Ein Computerprogrammprodukt, das bei Verwendung auf einem Computer die Ausführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 3 sichert.
Ein computerlesbares Medium, enthaltend einen Programmcode, der bei Verwendung auf einem Computer die Ausführung der Schritte nach einem der Ansprüche 1 bis 3 sichert.