DE3605322C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 und eine Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens.

Auf dem Gebiet der Bildverarbeitung ist häufig eine Filterung zur Ausblendung von Störungen bzw. Rauschen und dergleichen aus den Bildsignalen erwünscht. Die Filterung kann beispielsweise wie folgt durchgeführt werden: Zunächst wird ein Bild in Bildelement-Anordnungen aufgeteilt und die Bildelemente werden anschließend gelesen, wonach der Wert eines jeweiligen Bildelements als gewichtiger Durchschnitt einer Vielzahl benachbarter Bildelemente, einschließlich des gegebenen Bildelements, berechnet wird. Bei einer solchen Filterung wird das Ausgangssignal eines Bildsensors unter Verwendung eines speziell programmierten Rechners oder spezieller Hardware-Schaltungen berechnet (d. h. durch wiederholte Multiplikationen und Additionen). Wenn die Zahl der zu verarbeitenden Bildelemente groß ist, wird die Verarbeitungszeit jedoch entsprechend lang oder es muß eine teuere Rechen/Verarbeitungseinheit verwendet werden, um die Verarbeitungsgeschwindigkeit zu erhöhen.

Eine derartige Bildfilterung auf elektronischem Wege ist z. B. aus der DE 30 24 126 A1, die ein dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 entsprechendes Verfahren offenbart, bekannt. Die Bildfilterung dient dort zum Hervorheben der Reproduktions- Bildschärfe. Diese elektronische Bildfilterung begründet allerdings, wie ausgeführt, höheren schaltungs- und steuerungstechnischen Aufwand.

Aus der DE 32 20 667 A1 ist es bekannt, bei einem Festkörper- Bildsensor die in den einzelnen Sensoren erzeugten Signale teilweise mit Signalanteilen benachbarter Sensorzellen zu addieren, um hierdurch zusätzliche Bildsignale zu schaffen, die als zusätzliche Interpolationssignale dienen und eine scheinbare Erhöhung des Auflösungsvermögens des Bildsensors bewirken. Die Signaladdition erfolgt dort beim Auslesen der Signale aus dem Bildsensor. Eine Bildfilterung zusätzlich zu dieser Signalinterpolation ist dort nicht angestrebt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein gattungsgemäßes Verfahren derart auszugestalten, daß sich eine einfache und mit geringem Aufwand durchführbare Bildfilterung ergibt, sowie eine entsprechend ausgelegte Vorrichtung anzugeben.

Diese Aufgabe wird mit den im Patentanspruch 1 genannten Maßnahmen bzw. mit den Merkmalen des Patentanspruchs 6 gelöst.

Bei der erfindungsgemäßen Ausgestaltung wird somit eine mehrfache Bildbelichtung durchgeführt, wobei die Ladungsbildmuster zwischen den Belichtungen im Bildsensor verschoben werden, so daß in den einzelnen Sensorzellen Ladungen akkumuliert werden, die jeweils unterschiedlichen Bildpunkten entsprechen. Die aus dem Bildsensor ausgelesenen Signale sind damit bereits einer Filterung unterzogen, ohne daß größerer elektronischer oder sonstiger Aufwand bei dieser Art der Bildfilterung erforderlich ist.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Beschreibung von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 in einer Draufsicht einen Teil eines Bildes,

Fig. 2 schematisch ein Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung (Bildverarbeitungsgerät) zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens,

Fig. 3 einen schematischen Querschnitt eines Bildsensors zur Erläuterung des Filterungsprinzips bei dem Ausführungsbeispiel,

Fig. 4 einen schematischen Querschnitt eines Aufbaus eines verwendeten Bildsensors,

Fig. 5 ein Impulsdiagramm von Taktsignalen zur Ansteuerung des in Fig. 4 gezeigten Bildsensors,

Fig. 6 eine Draufsicht eines Bildsensors zur Erläuterung des Prinzips einer zweidimensionalen Filterung, und

Fig. 7A und 7B grafische Darstellungen von Bilddichten vor und nach der Filterung.

Gemäß dem in Fig. 1 gezeigten vergrößerten Bildausschnitt wird ein Bild 1 entsprechend nachfolgender Verarbeitung gefiltert: Wenn ein Bildelementbereich zur Berechnung eines gewichteten Durchschnitts eines gegebenen Bildelements eine 3 × 3-Matrix ist, ist ein gefiltertes Ausgangssignal beispielsweise eines Bildelements X₅ durch folgende Gleichung gegeben:

wobei mit X _i die Dichte des Bildelements und mit a _i der Gewichtungskoeffizient für jedes Bildelement bezeichnet sind. Für die anderen Bildelemente wird derselbe Gewichtungskoeffizient verwendet und das Gesamtbild entsprechend gefiltert.

Fig. 2 zeigt schematisch den Aufbau eines Ausführungsbeispiels einer Vorrichtung (Bildverarbeitungsgerät) zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Ein zu lesendes Bild 2 einer Vorlage, wie z. B. eines Films, eines bedruckten Papierblatts oder dergleichen, wird mittels eines Objektivs 3 auf einem Bildsensor 4 (nämlich einem Festkörper-Bildsensor des Ladungsübertragungstyps) fokussiert. Die Bildelemente des Bildsensors 4 sind zweidimensional in x- und y-Richtung angeordnet. Die Ladungen des Bildsensors 4 können in Übereinstimmung mit Taktsignalen einer Bildsensor-Ansteuerschaltung 42 in x- und y-Richtung übertragen werden. Die von dem Bildsensor 4 gelesenen Bilddaten werden als elektrische Signale 44 ausgelesen, von einem Verstärker 45 verstärkt und nachfolgenden Verarbeitungsschaltungen zugeführt. Die Ladungsübertragung und Informationsauslesevorgänge der Bildsensor-Ansteuerschaltung 42 werden von einer Steuereinheit 43 gesteuert.

Nachfolgend wird das Filterungsprinzip dieses Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf Fig. 3 näher erläutert. Des leichteren Verständnisses halber wird die Erläuterung nur bezüglich einer Dimension durchgeführt. Gemäß Fig. 3 wird ein Abbild 5 eines zu lesenden Bilds auf Bildempfangsabschnitten 6, 7, 8 und 9 des Bildsensors 4 ausgebildet. Die Dichten des Abbilds 5 auf den Bildempfangsabschnitten 6, 7, 8 und 9 sind jeweils durch X₁, X₂, X₃ und X₄ gegeben. Wenn der zur Berechnung des gewichteten Durchschnitts vorgegebene Bildelementbereich eine 3 × 3- Matrix ist, ist ein gefiltertes Ausgangssignal Y₂ des Bildes an einer X₂ entsprechenden Position gegeben durch:

wobei mit a _i die Gewichtung jedes Bildelements bezeichnet ist.

Gemäß Fig. 3 wird der Bildsensor 4 mit einer a₁ entsprechenden Belichtungsstärke belichtet. Die in den Lichtempfangsabschnitten 6, 7, 8 und 9 gespeicherten Ladungen sind entsprechend durch a₁X₁, a₁X₂, a₁X₃ und a₁X₄ gegeben. Die Ladungen werden um ein Bildelement nach rechts verschoben und das gleiche Bild 5 wird mit einer a₂ proportionalen Belichtungsstärke dem Bildsensor 4 ausgesetzt. Da diese Ladungen zusätzlich zu denen der ersten Belichtung gespeichert werden, sind die in den Lichtempfangsabschnitten 7, 8 und 9 gespeicherten Ladungen nunmehr durch a₁X₁+a₂X₂, a₁X₂+a₂X₃ bzw. a₁X₃+a₂X₄ gegeben. Die Ladungen werden wiederum um ein Bildelement nach rechts verschoben und der Bildsensor 4 wird erneut mit einer zu a₃ proportionalen Belichtungsstärke dem gleichen Bild 5 ausgesetzt. Daher sind die in den Lichtempfangsabschnitten 8 und 9 gespeicherten Ladungen nunmehr durch a₁X₁+a₂X₂+a₃X₃ bzw. a₁X₂+a₂X₃+a₃X₄ gegeben und die Ladung des Lichtempfangsabschnitts 8 wird zu dem gefilterten Ausgangssignal Y₂ gemäß Gleichung (2). Wenn diese Ladung gelesen wird, ist daher ein X₂ entsprechendes, gefiltertes Ausgangssignal erzielbar. Ein X₃ entsprechendes Ausgangssignal Y₃ ist durch folgende Gleichung gegeben:

und ist durch die in dem Lichtempfangsabschnitt 9 gespeicherte Ladung festgelegt. Mit drei Belichtungen und zwei Ladungsübertragungen bzw. -verschiebungen ist demzufolge die Filterung des Gesamtbildes durchführbar.

Gemäß dem beschriebenen Verfahren wird die Belichtung mit der zu dem Gewichtungskoeffizienten a _i proportionalen Belichtungsstärke durchgeführt, indem die Ladungsübertragungs- Zeitsteuerung durch den Gewichtungskoeffizienten a _i gesteuert wird. Dies soll nachstehend unter Bezugnahme auf die Fig. 4 und 5 ausführlich erläutert werden.

Fig. 4 ist ein Querschnitt eines zweiphasen-angesteuerten Ladungsübertragungs-Bildsensors 20 (nämlich eine Ladungskopplungsvorrichtung bzw. CCD) mit lichtempfangenden Abschnitten 21, 22, 23 und 24, die auch als Ladungsübertragungsabschnitte dienen, sowie mit Übertragungsgliedern 25, 26, 27 und 28. Der Bildsensor 20 wird über zweiphasige Taktsignale Φ₁ und Φ₂ angesteuert. Die in den Abschnitten 21, 22, 23 und 24 gespeicherten Ladungen werden der Reihe nach auf den Empfang der Taktsignale Φ₁ und Φ₂ hin über die Übertragungsglieder 25, 26, 27 und 28 nach rechts geschoben und die Belichtung wird entsprechend wiederholt. Die Belichtung mit der zu den Gewichtungskoeffizienten a _i proportionalen Belichtungsstärke kann durch zeitliche Steuerung der Taktsignale Φ₁ und Φ₂ erreicht werden.

Fig. 5 ist ein Impulsdiagramm der Taktsignale Φ₁ und Φ₂. Das Taktsignal Φ₁ hat eine Signalform 30 und das Taktsignal Φ₂ eine Signalform 31. Wenn das Taktsignal Φ₁ einen Pegel V hat, wird eine Ladungsübertragung durchgeführt. Das Bild wird dem Bildsensor 20 für die in Fig. 5 mit T₁, T₂ und T₃ bezeichneten Zeitintervalle ausgesetzt und die Ladungen werden gespeichert. Wenn die Zeitintervalle T₁, T₂ und T₃ usw. so eingestellt werden, daß sie proportional zu den Gewichtungskoeffizienten a₁, a₂ und a₃ usw. sind, sind die in den Abschnitten 21, 22, 23 und 24 gespeicherten Ladungsmengen ebenfalls proportional zu a _i .

Nachfolgend wird das Verfahren zusammengefaßt. Auf einen Löschbefehl der Steuereinheit 43 hin löscht die Bildsensor- Ansteuerschaltung 42 alle Ladungen in dem Bildsensor und beginnt die Belichtung. Daraufhin wird der Bildsensor von den in Übereinstimmung mit den Gewichtungskoeffizienten gemäß Fig. 5 modulierten Taktsignalen angesteuert und die Belichtung wiederholt, während die Ladungen in Einheiten von Bildelementen übertragen bzw. verschoben werden. Die gespeicherten Ladungen werden auf einen Befehl der Steuereinheit 43 hin als serielles elektrisches Signal ausgelesen und über den Verstärker 45 ausgegeben.

Fig. 6 ist eine schematische Darstellung zur Erläuterung des Prinzips der zweidimensionalen Filterung. Die Dichten von lichtempfangenden Abschnitten 11 bis 19 eines Ladungsübertragungs- Bildsensors sind jeweils mit X₁ bis X₉ bezeichnet. Die Ladungen werden in die durch Pfeile angegebenen Richtungen geschoben und die dem Bildsensor ausgesetzte Belichtungsmenge wird der Reihe nach auf einen zu den Gewichtungskoeffizienten a₁ bis a₉ proportionalen Wert eingestellt. Schließlich wird eine zu

proportionale Ladung gespeichert und man erhält innerhalb einer 3 ×3- Bildelementmatrix eine X₅ entsprechenden gewichteten Durchschnittswert.

Die Fig. 7A und 7B zeigen das Ergebnis des erfindungsgemäßen Filterungsverfahrens, wobei Fig. 7A ein ungefiltertes und Fig. 7B ein gefiltertes Bild zeigt. Die Abszisse bezeichnet jeweils die Position (eines Bildelements) und die Ordinate die zugeordnete Bilddichte. Erfindungsgemäß kann ein Vorlagenbild, das gemäß Kurve 40 stark verrauscht ist, in ein rausch- bzw. störungsfreies Bild gemäß Kurve 41 gefiltert werden. Die Anzahl der Bildelemente zur Berechnung eines gewichteten Durchschnittswerts und die Gewichtungskoeffizienten werden in Übereinstimmung mit dem gewünschten Filterungsgrad festgelegt. Im einfachsten Fall ist es jedoch möglich, den Bildelementbereich auf eine 3 × 3- Bildelementmatrix und alle Gewichtungskoeffizienten auf 1 festzulegen, wie es in Fig. 6 gezeigt ist. Um bessere Filterungscharakteristika zu erzielen, kann der Bildelementbereich auf eine 5 × 5-Bildelementmatrix erweitert werden. Die Gewichtungskoeffizienten können durch Gauss′-sche Funktionen festgelegt werden.

Bei dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel sind verschiedene Abänderungen anwendbar. So wurde vorstehend die Belichtungsmenge dadurch eingestellt, daß die Ladungsübertragungs- Zeitsteuerung geeignet geändert wurde. Jedoch ist es z. B. auch möglich, zwischen das abzutastende Bild und den Bildsensor eine Blende einzufügen und die Öffnungszeit der Blende in Übereinstimmung mit den Gewichtungskoeffizienten zu ändern. Weiterhin kann zwischen das abzutastende Bild und den Bildsensor ein Filter mit variablem Durchlässigkeitsfaktor eingefügt werden, das die Helligkeit einer das Bild beleuchtenden Lichtquelle ändert oder als räumlicher Modulator dient, und die auf den Bildsensor einfallende Lichtmenge in Übereinstimmung mit den Gewichtungskoeffizienten geändert werden. In diesen Fällen können die Ladungen in vorbestimmten Zeitabständen übertragen werden.

Da die Bildverarbeitung unmittelbar am Bildsensor durchgeführt wird, ist kein Computer und keine spezielle Hardware zur Verarbeitung der ausgelesenen elektrischen Signale erforderlich, so daß das gesamte Gerät einfach und kostengünstig gehalten werden kann. Da alle Bildelemente bei der Verarbeitung mitwirken, kann selbst dann die Verarbeitungsgeschwindigkeit gesteigert und eine große Zahl von Bildelementdaten mit hoher Geschwindigkeit verarbeitet werden, wenn die Zahl der Bildelemente erhöht wird.

Claims (8)

1. Verfahren zum Filtern eines mittels eines optoelektrischen Abtasters gelesenen Bilds, bei dem den Bildpunkten entsprechende elektrische Größen zur Bildung von Bildpunktsignalen gewichtet aufsummiert werden, dadurch gekennzeichnet, daß der als Festkörper-Bildsensor ausgebildete optoelektrische Abtaster mehrfach mittels desselben Bilds bei konstanter Abbildungsposition belichtet wird, daß das Ladungsbildmuster zwischen den Belichtungen um einen oder mehrere Bildpunktabstände im Festkörper-Bildsensor verschoben wird und daß nach der letzten Belichtung die in den Sensorzellen des Festkörper-Bildsensors bei den einzelnen Belichtungen akkumulierten Ladungen als Bildpunktsignale ausgelesen werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jede Belichtung mit einer Lichtmenge durchgeführt wird, die proportional zu einem Gewichtungskoeffizienten für jedes Bildelement ist.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtmenge durch Übertragen der Ladungen unter einer dem Gewichtungskoeffizienten entsprechenden Zeitsteuerung gesteuert wird.

4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtmenge über einen Filter geändert wird.

5. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Festkörper-Bildsensor zweidimensional angeordnete lichtempfangende Abschnitte hat und daß die Ladungen zweidimensional übertragen werden.

6. Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens nach einem der vorangegangenen Ansprüche, mit einem Festkörper-Bildsensor, einer Belichtungseinrichtung zum mehrfachen Belichten des Festkörper-Bildsensors mit demselben Bild und einer Einstellvorrichtung zum Einstellen der Lichtmenge bei jeder Belichtung.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Bildkörper-Bildsensor (4; 58) eine Ladungskopplungsvorrichtung ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Einstellvorrichtung ein Filter (65) mit variablem Durchlässigkeitsfaktor aufweist.