Verfahren zum Kalibrieren einer Vorrichtung für das Digitalisieren von Film
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Kalibrieren einer Vorrichtung für das Digitalisieren von fotografischem Film. Sie bezieht sich auf eine Vorrichtung mit einem lichtdichten optischen Strahlengang zur Durchleuchtung des Films und einem Elektronikteil mit Einheiten zur Digitalisierung von elektrischen Signalen, die aus einer optisch-elektrischen Wandlung des den Film durchdringenden Lichts resultieren. In dem optischen Strahlengang sind zumindest eine Beleuchtungseinheit mit einer Lichtquelle, ein Objektiv und mindestens ein eine Mehrzahl von Bildpunkten auflösender Sensor als optisch-elektrischer Wandler angeordnet. Bei einer derartigen Vorrichtung wird ein Film zur Digitalisierung zwischen der Beleuchtungseinheit und dem Objektiv in den Strahlengang gebracht. Als lichtdicht wird dabei ein optischer Strahlengang angesehen, bei dem eventuell noch eindringendes Umgebungslicht gegenüber dem Licht der zur Belichtung des Films vorhandenen Lichtquelle vernachlässigbar ist. Bei der Lichtquelle kann es sich beispielsweise um eine Lampe oder um mehrere hinter einem Diffusor liegende LED's handeln. Als Empfänger für das den Film durchleuchtende Licht können ein einflächiger Sensor, ein segmentierter Sensor, oder mehrere Sensoren unterschiedlicher Wellenlängenbereiche, beispielsweise für die Farbkanäle rot, grün und blau, vorgesehen sein. Von einer Segmentierung des Sensors macht man beispielsweise Gebrauch, um die Anforderungen an seine Verarbeitungsgeschwindigkeit zu verringern, indem die Verarbeitung in mehreren Segmenten niedrigerer Verarbeitungsgeschwindigkeit erfolgt. In der Praxis weisen gattungsgemäße Vorrichtungen häufig 3 bis 4 Sensoren auf.
Bei der Erstellung digitaler Kopien von fotografischem Film ist man bestrebt, den Digitalisierungsvorgang so zu gestalten, dass die digitale Kopie sowohl hinsichtlich der Luminanz als auch der Chrominanz dem analogen Original möglichst genau entspricht. Dem steht jedoch entgegen, dass die zur Digitalisierung verwendeten Sensoren, welche als eine Zeile mit mehreren lichtempfindlichen Bildpunkten, vorzugsweise aber als eine Matrix von
Bildpunkten ausgebildet sind, Unregelmäßigkeiten in Form unterschiedlicher Empfindlichkeiten der einzelnen Bildpunkte und darüber hinaus in Form von Nichtlinearitäten der einzelnen Bildpunkte, bezüglich der Wandlung dunkler und heller Bildsignale, das heißt ihres Hell/Dunkel-Verlaufs, aufweisen. In der Praxis wird dem bisher dadurch begegnet, dass die Hersteller der Digitalisierungsvorrichtungen die darin verbauten Sensoren werksseitig einmalig kalibrieren, das heißt eine Kompensation der genannten Unregelmäßigkeiten vornehmen. Allerdings sind Vorrichtungen zur Digitalisierung fotografischen Films in ihrem Aufbau sehr komplex, so dass neben unerwünschten Unregelmäßigkeiten der Sensoren weitere Störfaktoren Einfluss auf das Ergebnis der Digitalisierung haben. Hierzu zählen beispielsweise Inhomogenitäten der Ausleuchtungsfläche, bis hin zu so genannten „Hotspots", also überhellen Einzelpunkten, welche durch Unzulänglichkeiten der Lichtquelle verursacht sind oder durch Fehler oder Verunreinigungen der optischen Elemente des Strahlengangs. Diesen komplexen Störfaktoren kann durch eine werksseitige Kalibrierung der Sensorchips beim Hersteller der Vorrichtung nicht vollständig Rechnung getragen werden. Zudem treten weitere Störfaktoren infolge der Alterung und damit einer Änderung physikalischer Parameter nahezu aller Bestandteile des lichtdichten Strahlengangs beim Betrieb der Digitalisierungsvorrichtungen auf. Bisher ist keine Lösung bekannt geworden, welche alle eventuellen Störfaktoren in ihrer Komplexität hinreichend berücksichtigt, ohne dabei zu einer signifikanten Verteuerung entsprechender Digitalisierungsvorrichtungen zu führen.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren anzugeben, welches eine wiederholte und zuverlässige Kalibrierung einer Vorrichtung zur Digitalisierung fotografischen Films mit dem vorstehend erläuterten Aufbau, zur Erreichung eines hochqualitativen Digitalisierungsergebnisses erlaubt und unter Kostengesichtspunkten in Vorrichtungen der genannten gattungsgemäßen Art einfach zu implementieren ist.
Die Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Hauptanspruchs gelöst. Vorteilhafte Aus- bzw. Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind durch die Unteransprüche gegeben.
Gemäß der Erfindung wird die Vorrichtung sowohl im Hinblick auf eine Kompensation der aus Unzulänglichkeiten der Beleuchtungseinheit und des Empfängers hervorgerufenen Störfaktoren, als auch auf eine Eliminierung der durch Fehler oder Verunreinigungen der rein optischen Elemente im Strahlengang verursachten Artefakte kalibriert, indem deren optische Bestandteile nicht einzeln, sondern im Komplex in der betriebsbereiten Vorrichtung kalibriert werden. Dies geschieht, indem für jeden durch den Sensor aufgelösten Bildpunkt eine Korrekturfunktion errechnet oder eine Wertetabelle mit Stützungspunkten mindestens für ein als „schwarz" definiertes Bild (Schwarzbild) und für ein als „weiß" definiertes Bild (Weißbild) erstellt sowie zur Einbeziehung bei einem späteren Digitalisierungsvorgang in einem Speicher des Elektronikteils der Vorrichtung abgelegt wird. Dabei wird mittels der den Bildpunkten des Sensors zugeordneten Funktionen oder Wertetabellen der bezüglich der Empfindlichkeit tatsächliche Hell/Dunkel-Verlauf (dies meint den Verlauf der Empfindlichkeit des Sensors zwischen dunkel = Beleuchtung aus und hell = Beleuchtung an) der Bildpunkte auf einen idealisierten Hell/Dunkel-Verlauf abgebildet und auf den Wertebereich des Analog/Digital-Wandler normiert. Hierzu wird für jeden Bildpunkt, jeweils in Abwesenheit von Film im Strahlengang, für das Schwarzbild der Signalpegel bei ausgeschalteter Beleuchtungseinheit und für das Weißbild der Signalpegel bei eingeschalteter Beleuchtungseinheit sowie vorgegebener Belichtungszeit erfasst. Die Normierung auf den Wertebereich des Analog/Digital-Wandlers erfolgt dadurch, dass die Differenz zwischen dem Minimalwert dieses Wertebereichs und dem Schwarzbild-Signalpegel des Bildpunktes als Korrekturwert für das Schwarzbild und die Differenz zwischen dem Maximalbild dieses Wertebereichs und dem Weißbild-Signalpegel des Bildpunktes als Korrekturwert für das Weißbild gespeichert wird sowie ein zwischen den Zuständen „schwarz" und „weiß" liegender angenommener Hell/Dunkel-Verlauf über eine Streckung des tatsächlichen Hell/Dunkel-Verlaufs mittels einer zu dem Bildpunkt im Speicher hinterlegten Regressionsfunktion oder
einer durch die Berücksichtigung weiterer Stützungspunkte für unterschiedliche Graubilder gewonnenen Wertetabelle im Speicher abgebildet wird. Diese Form der Kalibrierung wird vorzugsweise zyklisch, nämlich entweder zum Beginn eines Digitalisierungslaufs oder bei einem jeweiligen Einschalten der Vorrichtung durchgeführt. Zudem werden vorteilhafter Weise bei jedem Kalibrierungslauf mehrere Bilder aufgenommen, das heißt, die Korrekturfunktionen beziehungsweise die Wertetabellen werden auf der Basis eines Durchschnitts der erhaltenen Werte gewonnen. Die Funktion zur Abbildung des Hell/Dunkel-Verlaufs wird entsprechend einer einfachen, mit Stützungspunkten für das Schwarzbild und das Weißbild auskommenden Möglichkeit durch lineare Regression gewonnen. Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird jedoch die Funktion zur Abbildung des Hell/Dunkel-Verlaufs durch eine Regression auf eine Exponentialfunktion höherer Ordnung gewonnen. Als besonders praxisgerecht hat es sich erwiesen, den Hell/Dunkel-Verlauf mittels einer Gamma-Funktion der Form f(x) = ((x+σ) • ß) abzubilden, wobei x der tatsächliche Signalpegel eines Bildpunktes und f(x) der durch die Anwendung der Gamma-Funktion daraus erhaltene und zu digitalisierende Wert ist. Bei a, ß und γ handelt es sich um Koeffizienten zur Beeinflussung der Kurvenform und -läge, wobei a eine translatorische Verschiebung einer den Hell/Dunkel-Verlauf beschreibenden Kurve bewirkt und ß deren Steilheit beeinflusst, während γ (vorzugsweise mit γ> 0) die Krümmung der Kurve beeinflusst.
Die Erfindung ist vorteilhaft dadurch ausgestaltet, dass bei einer Vorrichtung mit einem dem Analog/Digital-Wandler vorgeschalteten Verstärkter mit zugehörigem Addierer ein gegebenenfalls bestehender Versatz beziehungsweise Offset eliminiert wird. Dies geschieht, indem die Verstärkung des Verstärkers bei einem Schwarzbild auf 1 bzw. den kleinstmöglichen Wert eingestellt und das ihm vom Sensor zugeführte Eingangssignal mit Hilfe dem Verstärkereingang vorgeschalteter Mittel, wie dem Addierer so lange geregelt wird, bis der Ausgangswert des Verstärkers für einen vorgegebenen Prozentsatz aller Bildpunkte des Sensors dem Minimalwert des Wertebereichs des Analog/Digital- Wandlers entspricht. Außerdem wird die später für die Digitalisierung zu
verwendende Verstärkung des Verstärkers eingestellt, indem diese für ein Weißbild so lange verändert wird, bis Wert am Verstärkerausgang für einen vorgegebenen Prozentsatz aller Bildpunkte dem Maximalwert des Wertebereichs des Analog/Digital-Wandlers entspricht. Mit diesen Einstellungen des Verstärkers und seiner peripheren elektronischen Einheiten wird dann die Kalibrierung bezüglich der Bildpunkte entsprechend der eingangs dargestellten Vorgehensweise und später auch die Digitalisierung vorgenommen. Bezüglich des erwähnten Schwellwerts zur Eliminierung des Offsets beziehungsweise zur Einstellung des Verstärkers hat sich ein Prozentsatz von 0,5 % aller Bildpunkte des Sensors als günstig erwiesen. Das heißt, beim Abgleich gegenüber dem Schwarzbild wird die kleinstmögliche Verstärkung, idealer Weise eine Verstärkung von 1 , eingestellt und das dem Verstärker zugeführte Eingangssignal auf einen Wert eingeregelt, bei dem 0,5 % aller Bildpunkte des Sensors nach der Verstärkung einen Wert aufweisen, welcher dem minimalen Wert des Wertebereiches des Analog/Digital-Wandlers entspricht. In gleicher Weise wird beim Weißbild verfahren, so dass die Verstärkung so eingeregelt wird, dass das Ausgangssignal des Verstärkers für 0,5 % aller Bildpunkte dem maximalen Wert des Wertebereichs des Analog/Digital-Wandlers entspricht. Dieser vermeintlich kleine Prozentsatz von 0,5 % hat sich im Hinblick auf die üblicherweise große Zahl von Bildpunkten eines Sensors - in der Praxis werden Sensoren mit 8 Millionen und mehr Bildpunkten eingesetzt - bei Versuchen als hinreichend erwiesen.
Bei einer Weiterbildung des Verfahrens ist es vorgesehen, dass Bildpunkte oder zusammenhängende Gruppen von Bildpunkten, für die im Zuge der Kalibrierung festgestellt wird, dass sie weit außerhalb des erwarteten Wertebereichs liegen, als defekt angenommen werden und für diese eine Interpolationsfunktion hinterlegt wird, mit welcher ihre Werte auf der Grundlage angrenzender funktionierender Bildpunkte interpoliert werden. Bei den Interpolationsfunktionen handelt es sich um Matrixoperationen, welche die defekten Bildpunkte mit Werten beschreiben, die durch Interpolation der umliegenden, als funktionstüchtig erkannten Bildpunkte berechnet werden, wobei sich die Interpolation auf funktionierende Bildpunkte angrenzender Zeilen und/oder Spalten der defekten
Bildpunkte auf dem Sensor bezieht. Sofern die defekten Bereiche eine etwa gleiche Länge und Breite, das heißt eine im Hinblick auf die Anzahl der Bildpunkte in horizontaler und vertikaler Richtung annährend gleiche Erstreckung aufweisen beziehungsweise etwa quadratisch sind, erfolgt die Interpolation vorzugsweise sowohl bezogen auf angrenzende funktionstüchtige Zeilen als auch auf funktionstüchtige Spalten. Ein hierfür stehender Sonderfall ist beispielsweise ein defekter Bildpunkt. Die Interpolation kann als eine lineare oder eine quadratische Interpolation ausgeführt werden. Wie bereits dargestellt, kann der Sensor als ein einflächiger Sensor oder auch als ein segmentierter Sensor ausgebildet sein. Auch kann die Vorrichtung über mehrere Sensoren für mehrere Farbkanäle verfügen. Bei Vorrichtungen mit mehreren Sensoren erfolgt die Verarbeitung mehrerer Wellenlängen durch eine prismatische Trennung des Lichts und eine Belichtung der einzelnen, für die unterschiedlichen Farbkanäle vorgesehenen Sensoren. Eine Verarbeitung in unterschiedlichen Farbkanälen kann aber auch mittels Sensoren erfolgen, die mit einem Bayergitter ausgestattet sind. Im Hinblick auf Anordnungen mit mehreren Sensoren, mit segmentierten Sensoren oder mit Sensoren mit mehreren Farbkanälen (z. B. Sensoren mit Bayergitter) werden die dargestellten Kalibrierungs- und Regelvorgänge zur Eliminierung eines eventuellen Offsets sowie zur Einstellung der Verstärkung für alle Sensoren (d. h. die Bildpunkte aller Sensoren), alle Sensorsegmente, oder alle Sensorkanäle und die ihnen gegebenenfalls zur Verstärkung ihres Analogsignals nachgeschalteten Verstärker mit Addierern durchgeführt. Hierbei können dann einzelne Farbkanäle zur Erreichung unterschiedlicher Wichtungen gegebenenfalls auch noch gegeneinander eingestellt werden (also im häufigen Spezialfall eines Farbaufbaus der so genannte Weißabgleich durchgeführt werden, bei dem eine Farbtemperatur als Weißpunkt gewählt wird) Dazu ist einzig die Auswahl eines kanalspezifischen Faktors erforderlich. Bei den analog-digital zu wandelnden Signalpegeln der Bildpunkte des Sensors handelt es sich im Allgemeinen, jedoch nicht zwingend, um Spannungswerte, wobei im Hinblick darauf, dass die Vorgehensweise bei der Kalibrierung hiervon unabhängig ist, bei den vorstehenden und nachfolgenden Ausführungen auf
Dimensionsangaben wie Volt, Ampere oder ähnliches verzichtet wurde. Der Verfahrensablauf gestaltet sich etwa wie folgt, wobei die im Einzelfalle, beispielsweise für den Empfindlichkeitsbereich eines Sensorbildpunktes oder den Wertebereich des Analog/Digital-Wandlers, im Hinblick auf das schon erwähnte Fehlen von Maßeinheiten beziehungsweise Dimensionen, angegebenen Zahlen nur beispielhaft sind und nicht den tatsächlichen Verhältnissen entsprechen müssen. In einem ersten optionalen Schritt, nämlich dann, wenn eine, der Analog/Digital-Wandlung vorgeschaltete, analoge Verstärkung erfolgt und ein analoger Versatz beziehungsweise Offset gegeben ist, werden der Verstärker beziehungsweise das ihm zugeführte Eingangssignal so eingeregelt, dass sein analoges Ausgangssignal im Wertebereich des Analog/Digital-Wandlers liegt. Dazu wird die Verstärkung auf 1 (oder den kleinsten möglichen Wert darüber) gesetzt, die Beleuchtung wird ausgeschaltet, um dann den Versatz zu finden (z. B. über einfaches Ausprobieren der möglichen Werte), bei dem mindestens ein vorher definierter Prozentsatz aller Bildpunkte den kleinsten Wert liefert (also „schwarz" sehen). In der einem Versuchsaufbau zugrunde liegenden Implementierung wurde ein halbes Prozent als Schwellwert verwendet. Sodann wird das Licht eingeschaltet und, unter Berücksichtigung einer vorgegebenen Belichtungszeit, die passende Verstärkung gefunden, bei der mindestens ein vorher definierter Prozentsatz aller Bildpunkte den größten Wert liefern (also im Falle von einem S/W-Sensor „weiß" sehen). In der zugrunde liegenden Implementierung wurde wiederum ein halbes Prozent als Schwellwert verwendet. Alternativ - hierauf sei an dieser Stelle hingewiesen - kann auch die Belichtungszeit basierend auf einer vorgegebenen Verstärkung gefunden werden. Dabei ist jedoch darauf zu achten, das bei Einstellung einer zu großen, später auch für die Digitalisierung zu verwendenden Belichtungszeit die Gefahr besteht, dass die Einzelbilder eines Laufbildfilms im Zuge der Digitalisierung „verwaschen". Ist der Flächensensor segmentiert und hat er mehr als einen Ausgang (und sind somit auch mehrere Analog/Digital-Wandler und mehrere Verstärker, d. h. Verstärkungen vorhanden beziehungsweise muss mehr als ein Versatz/Offset
ausgeglichen werden), so gilt dasselbe Verfahren, jedoch mehrmals angewendet, auf den jeweils relevanten Bereich des Sensors.
Nun wird die Beleuchtung wieder ausgeschaltet und ein Bild aufgenommen („Schwarzbild"). In diesem Bild stellen also alle Bildpunkte ihren Minimalwert dar. Sodann wird das Licht wieder eingeschaltet und wieder ein Bild aufgenommen („Weißbild"). In diesem Bild nehmen also alle Bildpunkte ihren Maximalwert an. Optional wird noch mindestens ein Bild mit einer kürzeren (z. B. der halben) Belichtungszeit aufgenommen („Graubild"). Bei allen diesen Aufnahmen ist es ratsam, statt jeweils nur eines einzelnen Bildes, gleich mehrere Bilder aufzunehmen und zu mittein, um so das Bildrauschen zu reduzieren.
Aus dem nun bekannten minimalen und maximalen Wert lässt sich für jeden Pixel eine Korrekturgleichung ableiten, die den tatsächlichen Hell-/Dunkel-Verlauf des Bildpunktes idealisiert, indem sie ihn linear auf den gesamten Hell-/Dunkel- Verlauf abbildet. Dazu wird vom tatsächlichen Bildsignal zuerst der minimale Wert abgezogen und dann mit dem Faktor multipliziert, der sich ergibt, wenn man den minimalen Wert vom maximalen Wert abzieht und dann den Wertebereich des Analog/Digital-Wandlers durch dieses Ergebnis teilt.
Beispielhaft sei dazu folgendes angenommen:
Der Analog/Digital-Wandler hat einen Wertebereich von 0 bis 100, den er digitalisieren kann, beispielsweise in 4096 Stufen, das heißt mit 12 bit. Diesen Wertebereich gilt es im Hinblick auf eine gute Dynamik auszunutzen. Ein Bildpunkt des Sensors liefert (nach einer eventuellen Verstärkung) Signalpegel in einem Wertebereich zwischen 10 und 90, wobei 10 dem Signalpegel bei einem Schwarzbild (Lichtquelle aus) und 90 dem Signalpegel bei einem Weißbild (Lichtquelle eingeschaltet) entspricht. Die Diskrepanz zum Wertebereich resultiert aus Gegebenheiten des Sensors, den durch die Lichtquelle hervorgerufenen Ausleuchtungsverhältnissen oder lokalen Verschmutzungen optischer Teile. Für die Kalibrierung der Vorrichtung in Bezug auf diesen einen Bildpunkt wird zur Korrektur des Wertes für das Schwarzbild bei Bestehen eines Schwarzbildes 10 von dem dann vom Bildpunkt des Sensors gelieferten Signalpegel abgezogen.
Würde man diesen Korrekturwert durchgängig für den gesamten Hell/Dunkel- Verlauf des Bildpunktes von dessen Signalpegel abziehen, ergäbe sich somit für das Weißbild nicht mehr ein Signalpegel von 90, sondern von 80. Daher wird der Hell/Dunkel-Verlauf gestreckt, in dem der Maximalwert des Wertebereichs des Analog/Digitalwandlers, nämlich 100, durch den aus der Differenz des Maximalwerts des Signalpegels des Bildpunkts und dessen Minimalwert, nämlich 80, geteilt wird. Der daraus entstehende Faktor (100/80) wird schließlich vor der Digitalisierung auf alle Ausgangssignalpegel des betreffenden Bildpunkts des Sensors angewendet. Hierdurch wir eine lineare, den gesamten Wertebereich des Analog/Digital-Wandlers ausnutzende Streckung des Hell/Dunkel-Verlaufs dieses Bildpunkts erreicht.
Wurden noch einer oder mehrere Stützpunkte (also „Graubilder") eingelesen, so kann statt der oben beschriebenen linearen Abbildung (Streckung) der tatsächlichen Werte, über die Erstellung einer komplexeren Funktion (z. B. einer quadratischen Funktion oder einer Exponentialfunktion höherer Ordnung), eine, der Wirklichkeit möglicherweise nähere, Abbildung realisiert werden. Dabei wird der Tatsache Rechnung getragen, dass die Empfindlichkeit des Sensors beziehungsweise eines Bildpunktes nicht linear mit der Helligkeit steigt, sondern häufig in einem unteren Helligkeitsbereich stärker steigt als etwa zum Ende der Hell/Dunkel-Verlaufskurve hin. Die bereits erwähnte Gamma-Korrektur ist hier oft eine geeignete Wahl, da z. B. das Medium Film und auch das menschliche Auge eher logarithmisch als linear funktionieren.
Vorzugsweise erfolgt die Kalibrierung und damit die Kompensation eingangs genannter Störfaktoren durch eine Hinterlegung geeigneter Korrektur- funktionen - wie erwähnt linear oder exponentiell. Alternativ kann im Einzelfalle aber auch für jeden Bildpunkt eine Tabelle aufgebaut werden, die für jeden tatsächlichen Wert den transformierten (also idealisierten) Wert enthält. Jedoch dürfte dies im Hinblick auf den Speicherplatzbedarf und entstehende Verarbeitungszeiten gegenwärtig nur ausnahmsweise und bei Sensoren mit einer verhältnismäßig kleinen Zahl von Bildpunkten in Betracht kommen.