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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Steuern der normierten Wiedergabe-Helligkeit
einer Bildschirmdarstellung von Bild-Eingangssignalen in nichtlinearer
Abhängigkeit
von der normierten Eingangsignal-Helligkeit. Außerdem betrifft die Erfindung
ein Gerät
zur Bildschirmdarstellung mit einem derartigen Verfahren, und zwar
insbesondere ein Wärmebildgerät.
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Monitore
beliebiger Bauart, z.B. Kathodenstrahlröhren, flüssigkristallanzeigen, oder
Leuchtdiodenarrays und Plasmabildschirme, haben regelmäßig einen
bestimmten Umfang der Wiedergabe-Helligkeit mit einem Minimalwert
und einem Maximalwert. Die Wiedergabe-Helligkeit ist eine bestimmte Funktion
der Eingangssignale für
die Helligkeit. Im weiteren werden die normierte Wiedergabe-Helligkeit y
und die normierte Eingangs-Helligkeit x des Monitors verwendet,
die beide unabhängig
vom Offset und spezifischen elektrischen oder lichttechnischen Einheiten
den Wertbereich 0 bis 1 umfassen, so daß die Kennlinie y = x von 0
bis 1 den Basiszusammenhang darstellt, bei dem die gesamte Dynamik
der Eingangs-Helligkeit wie der vom Monitor darstellbaren Wiedergabe-Helligkeit
voll ausgenutzt wird.
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Monitore
sind standardmäßig für die wiedergabeseitige
Bildbeeinflussung mit einem Helligkeits- und einem Kontrastregler
ausgestattet. Die Helligkeitseinstellung entspricht einer Verschiebung
der Kennlinie in vertikaler Richtung, die Kontrasteinstellung beeinflußt die Steigung
der Kennlinie. Damit kann z.B. in einem bestimmten Bereich der Wiedergabe-Helligkeit
der Kontrast gesteigert werden, oder das ganze Bild kann heller
oder dunkler gestellt werden. Bei jedem Eingriff, der zu Abweichungen
von der Kennlinie y = x führt,
wird jedoch im dunklen oder hellen Randbereich der Kontrast verschwinden,
oder die mögliche
wiedergabeseitige Dynamik kann nicht voll ausgenutzt werden, da
die lineare Kennlinie dann nicht beide Endpunkte x = y = 0 und x
= y = 1 schneiden kann.
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Es
geht also Information verloren, auf die nicht immer verzichtet werden
kann. Diese Problematik tritt insbesondere bei Wärmebildgeräten auf, wo es darauf ankommt,
zugleich bestimmte Strukturen stärker
kontrastieren zu können,
aber auch keine vom Detektor erfassten Strukturen in der Wiedergabe
zu verlieren, z.B. in Hot-Spot-Bereichen.
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Ein
gattungsgemäßes Verfahren
ist in
US 5 162 902 beschrieben.
In Abhängigkeit
von der mittleren Bildhelligkeit werden automatisch dunkle Bereiche
stärker
kontrastiert und große
Helligkeit des Eingangssignals wird schwächer verstärkt. Es ergibt sich eine Kennlinie
mit einem Knick, die stets oberhalb der y = x Kennlinie liegt. Die
mögliche
Kontrasterhöhung
nimmt hierbei zwangsläufig
mit der Helligkeit des Bereiches, der stärker kontrastiert werden soll,
ab. Eine von einem Bediener geführte
Einstellung ist jedoch nicht vorgesehen.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, ein gattungsgemäßes Verfahren anzugeben, bei
dem eine Kontrasteinstellung ohne Dynamikverlust mit einfachen Mitteln
realisiert ist. Ein entsprechendes Ger,,t soll mit wenigen Einstellmitteln
auskommen und als Wärmebildgerät geeignet
sein.
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Gelöst wird
diese Aufgabe für
ein gattungsgemäßes Verfahren
mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1. Demnach wird
ein bestimmter Wert der normierten Eingangs-Helligkeit oder der normierten
Ausgangs-Helligkeit vorgegeben und ein bestimmter Kontrast, der
in einer Umgebung dieses Wertes eingestellt werden soll. Die Kennlinie
für die normierte
Wiedergabe-Helligkeit ist dann von folgenden Parametern bestimmt:
bestimmter Wert der normierten Eingangshelligkeit, bestimmter Kontrast,
und normierte Eingangs-Helligkeit.
Die Kennlinie ist stetig, monoton wachsend und für die minimale und die maximale
normierte Eingangs-Helligkeit,
sowie für den
bestimmten Wert der normierten Eingangs-Helligkeit ist die normierte
Wiedergabe-Helligkeit unabhängig
von dem bestimmten Kontrast linear von der normierten Eingangs-Helligkeit
abhängig.
Das heißt, die
Kennlinie schneidet bei der bestimmten normierten Eingangs-Helligkeit die Diagonale
y = x und erreicht Minimum und Maximum der normierten Eingangs-
wie Ausgangs-Helligkeit.
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Die
einfachste Realisierungsform einer solchen Kennlinie stellt ein
dreigliedriger Polygonzug dar. In der Regel sind jedoch vier Parameter
(z.B. die Koordinaten der zwei Knickpunkte) nötig, um diese Kennlinie festzulegen.
Erfindungsgemäß kommt
man jedoch mit zwei Parametern α und β aus. Dazu
wird festgelegt, daß die
beiden von den Endpunkten 0,0 und 1,1 der Kennlinie ausgehenden
Strecken die Steigung 1/β haben
und die Knickpunkte als die Schnittpunkte mit der Geraden durch α, α mit der Steigung β bestimmt
sind.
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Die
Kennlinie y = f(α, β, x) ist
damit gemäß Anspruch
2 wie folgt definiert: y = x/β für x: 0 ≤ x < (αβ)/(1 + β) y = β(x – α) + α für x: (αβ)/(1 + β) ≤ x ≤ (1 + αβ)/(1 + β) y = 1 + (x – 1)/β für x: (1
+ αβ)/(1 + β) < x ≤ 1
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
kann vorteilhaft auch auf einen Ausschnitt der Bildschirmdarstellung
angewandt werden, um z.B. wichtige oder vergrößerte Ausschnitte des Bildes
besser auswertbar zu machen. Das Verfahren kann der konventionellen
Helligkeits-(Offset-) und Kontraststeuerung nachgeordnet werden.
Dabei verändern
die konventionellen Einstellungen dann praktisch die Normierungsfaktoren,
die zu den normierten Eingangs- und Wiedergabe-Helligkeiten führen.
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Ein
erfindungsgemäßes Gerät zur Bildschirmdarstellung
mit einem hier beschriebenen Verfahren weist je ein Stellmittel
zum Festlegen des Wertes der normierten Eingangs-Helligkeit und
des dort benötigten
Kontrasts auf. In einer vorteilhaften Weiterbildung, geeignet zur
Ausführung
des Verfahrens nach Anspruch 4, ist zusätzlich ein Umschalter vorhanden,
der diesen beiden Stellmitteln alternativ die Funktion je eines
Stellmittels für
Helligkeit und Kontrast konventioneller Art zuordnet.
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Die
erfindungsgemäßen Verfahren
und Geräte
eignen sich insbesondere für
den Monitor eines Wärmebildgerätes, bei
dem es regelmäßig auf
eine optimale Ausnutzung der von der Detektoreinheit erfaßten Bildinformation
ankommt.
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Ein
Beispiel für
die Erfindung wird anhand der Zeichnung näher erläutert.
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1 zeigt
schematisch ein erfindungsgemäßes Wärmebildgerät;
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2a–2e zeigen
für verschiedene Werte
des bestimmten Kontrasts β und
für verschiedene
Werte α der
normierten Eingangs-Helligkeit x erfindungsgemäße Kennlinien f als dreiteilige
Polygonzüge;
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3 zeigt
eine beliebige erfindungsgemäße Kennlinie.
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1 zeigt
eine Szene (1), die vom Aufnahmeteil (2) (FLIR)
eines Wärmebildgerätes (20)
erfaßt und
in elektrische Bildsignale umgewandelt wird, die von einem Videosignalgenerator
(3) in standardisierte Signale xVideo umgewandelt
werden. Für
jedes Pixel der Bilddarstellung enthalten diese ein dem Multiplizierer
(8) zugeführtes
Signal, das die Eingangs-Helligkeit xvideo wiedergibt.
Diese Eingangs-Helligkeit xvideo läßt sich
in die normierte Eingangs-Helligkeit x umwandeln nach x
= (xvideo – x0)/xmax wobei x0 der
Minimalwert und xmax der Maximalwert von
xvideo sind.
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Ein
Monitor (4) dient zur Bildschirmdarstellung der Szene (1).
Er kann in allen geeigneten Techniken ausgeführt sein, darunter auch als
Kathodenstrahlröhre.
Aus dem Bild (41) kann ein Ausschnitt (45) durch
eine Ausschnitt-Definitions-Einheit
(5) (Frame Definition) besonders dargestellt sein. Zum Beispiel
kann ein Zielbereich vergrößert, heller
oder kontrastreicher dargestellt sein. Ein Stellpult (6)
enthält
ein erstes Stellmittel (61), beispielsweise einen Drehknopf
mit Potentiometer, mit dem der bestimmte Wert α der normierten Eingangs-Helligkeit
x eingestellt werden kann, sowie ein zweites gleichartiges Stellmittel
(62), mit dem der vom Bediener gewünschte Kontrast (β) bestimmt
werden kann. Ein Umschalter (63) ermöglicht es, daß die Stellmittel (61, 62)
alternativ auch für
die konventionelle Einstellung von Helligkeit und Kontrast benützt werden
können.
Dies ist jedoch eine Option. Beide Stellmittel (61, 62)
können
z.B. auch in einem Joy-Stick vereinigt sein.
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Das
Stellpult (6) ist mit einem Funktionsgenerator (7)
verbunden, der entsprechend den Einstellungen (α, β) der Stellmittel (61, 62)
eine Kennlinie (f) entsprechend 2a bis 2e erzeugt.
Mit dieser Kennlinie (f) werden die Videosignale xvideo in
einem Multiplizierer (8) multipliziert und zum elektrischen
Signal yel für die Wiedergabe-Helligkeit
umgewandelt, das dem Monitor (4) zugeführt wird und dort an einem Bildpunkt
des Ausschnittes (45) des Bildes (41) die optische
Wiedergabe-Helligkeit yopt erzeugt.
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Erfindungsgemäße Kennlinien,
die dem Anspruch 2 entsprechen, sind in 2a bis 2f dargestellt. Die Funktion y = f(α, β, x) nach
der Definition y = x/β für x: 0 ≤ x < (αβ)/(1 + β) y = β(x – α) + α für x: (αβ)/(1 + β) ≤ x ≤ (1 + αβ)/(1 + β) y = 1 + (x – 1)/β für x: (1
+ αβ)/(1 + β) < x ≤ 1ist
in 2a für
den bestimmten Kontrast β =
1 dargestellt. In diesem Fall fällt
die Kennlinie für
beliebige bestimmte Werte (α)
der normierten Eingangs-Helligkeit
x mit der y = x Kennlinie (Diagonale) der bekannten, den Ausgangspunkt
bildenden, linearen Signalübertragung
mit voller Ausnutzung der Dynamik von normierter Eingangs-Helligkeit
x und normierter Wiedergabe-Helligkeit
y zusammen.
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In 2b ist
die Kennlinie (f) für
verdoppelten Kontrast (β)
bei mittlerer Helligkeit (α =
0,5) dargestellt. Gestrichelt eingezeichnet sind die Grenzfälle, bei
denen (α =
0) und (α =
1) ist, die Kontrasterhöhung
also für
die Dunkel- oder Hell-Grenze der Darstellung eingestellt ist. Der
eingezeichnete Pfeil deutet an, daß sich der mittlere Teil der
Kennlinie mit dem Kontrast (β)
entsprechend dem gewählten
(α) (bestimmter
Wert der Eingangs-Helligkeit) in diesen Grenzen parallel verschiebt.
Die Kennlinie (f) zeigt die Erfüllung
der Forderung, daß der
Kontrast in einer Umgebung einer bestimmten Helligkeit (α) beeinflußt werden
soll, ohne daß er
am Rand verschwindet oder daß die
möglichen
Werte (0–1)
der normierten Wiedergabe-Helligkeit
y nicht ausgeschöpft
werden.
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Die 2c und 2d zeigen
das Entsprechende für
noch stärker überhöhten Kontrast
mit (β = 3)
bzw. (β =
4).
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2e zeigt
in entsprechender Darstellung, daß für (β < 1) auch der Kontrast bei mittlerer
Helligkeit reduziert und dafür
im Dunkel- und im Hell-Bereich erhöht werden kann, am Beispiel
(β = 0,5).
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Außer den
beschriebenen Polygonzügen können erfindungsgemäße Kennlinien
y = f(α, β, x) auch
beliebige andere Formen annehmen, solange die Bedingungen f(α, β, 0) = 0,
f(α, β, α) = α, f(1, β,
1) = 1 und df(α, β, α)/dx = βerfüllt sind
und (f) (α, β, x) stetig
und monoton mit (x) wächst.
Ein Beispiel dafür
zeigt 3. Solche Kennlinien können durch Anwendung der Mikroprozessortechnik
problemlos erzeugt werden.
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Da
die erfindungsgemäßen Kennlinien
(f) stets die Bedingung (f) (α, β, α) = α erfüllen, kann
der Parameter (α)
ohne weiteres sowohl von der normierten Eingangs-Helligkeit (x)
als auch von der normierten Wiedergabe-Helligkeit (y) her bestimmt
werden. Er kann also von der beobachteten Helligkeit am Bildschirm
(41) her bestimmt werden. Die beschriebene Erfindung kann
auch für
Farbdarstellungen (Farbvideo) für
alle drei (RGB) Komponenten unabhängig oder zugleich angewendet
werden, sowie auch bei Falschfarbendarstellung oder in Verbindung
mit Hell/Dunkel-Inversion.
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Die
Einstellungen der Parameter (α)
und (β) können von
einem Betrachter vorgenommen werden und so kann interaktiv der optimale
Bildeindruck durch mehrmaliges Verändern von (α) und/oder (β) erzielt werden. Die Einstellungen
der Parameter (α) und
(β) können aber
auch automatisch, z.B. mittels eines Computers und mittels Bildanalyse,
bestimmt und eingestellt werden.