DE4119489C2 - Multispektrales Farbbildaufnahmesystem - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur korrekten, d. h. visuell richtigen Ermittlung der Farbinformation von farbigen Szenen oder Bildvorlagen - im folgenden "Farbanalyse" genannt -, welches gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruches Bildpunkt für Bildpunkt Farbwertsignale nach dem Multispektralverfahren ableitet. Die nach diesem Verfahren gewonnenen Signale sollen dabei definitionsgemäß so beschaffen sein, daß sie den Informationsgehalt "Farbe" eines Bildes für eine farbennormalgesichtige Person so beschreiben, daß man mit Hilfe dieser Signale unmittelbar oder mittelbar, z. B. nach geeigneter Umrechnung, Farbbildreproduktionssysteme ansteuern kann, die dann die Bilder so reproduzieren, daß sie für einen Normalbeobachter vom Original nicht unterscheidbar sind.

Die mit dieser Aufgabenstellung verbundene Problematik sowie der aktuelle Stand der Technik auf diesem Gebiet sind in der Patentschrift DE 28 44 158 C3 "Verfahren zur Reproduktion von Originalvorlagen welche bezüglich ihres Farbgehaltes nach dem Dreibereichsverfahren abgetastet werden" /1/ ausführlich dargestellt.

In "Journal Of The Optic Society Of America", Volume 50, Number 2, February 1960, Seiten 137 bis 143, wird ein konventionelles Spektralphotometer beschrieben, das zur Messung und analogen Aufzeichnung von Remissions- und Transmissionsgraden einzelner Farbproben dient. Das Photometer enthält eine zusätzliche elektronische Auswerteeinheit, mit der die Spektraldaten einer Farbprobe auf Lochkarten oder Lochstreifen in digitalisierter Form ausgegeben werden können. Anschließend ist eine Weiterverarbeitung in einer Großrechenanlage vorgesehen, um daraus Farbkenngrößen zu berechnen. Das beschriebene Verfahren ist ein Beispiel für das in der eingereichten Anmeldung angegebene und als bekannt vorausgesetzte Meßverfahren von Farbproben (Seite 2, Zeilen 45 bis 50).

Im Artikel "Farbmetrik und Farbfernsehen", Dr.-Ing. Heinwig Lang, R. Oldenbourg Verlag, München Wien 1978, Seiten 85 bis 90, insbesondere Seite 87 Abs. 1, wird das als bekannt vorausgesetzte Spektralverfahren beschrieben und zur Bestimmung der Farbinformation eines Bildes benutzt. Es wird aber nicht zur optoelektronischen Abtastung von Bildern in der Drucktechnik in Betracht gezogen. In Abs. 2 wird ausgeführt, daß sich die zu den Primärvalenzen des Fernsehbildschirms gehörigen Farbwerte auf diese Weise - gemeint ist hier das Dreibereichsverfahren - nicht exakt bestimmen lassen.

Aus zwei Gründen können hier die Farbwerte nach dem Dreibereichsverfahren nicht exakt bestimmt werden erstens besitzen die den Primärvalenzen des Fernsehens zugeordneten und erforderlichen spektralen Empfindlichkeiten negative spektrale Anteile, die physikalisch nicht realisierbar und nicht korrigierbar sind. Zweitens wird auch bei der Wahl geeigneter virtueller Primärvalenzen, denen spektrale Empfindlichkeiten mit nur positiven Anteilen zugeordnet sind, wegen der erforderlichen elektronischen Matrizierung der Signale das Signal-Rauschverhältnis wesentlich verschlechtert, so daß geringste Fehler im spektralen Angleich an die Sollempfindlichkeiten große Fehler bei den Farbwertsignalen verursachen, die wegen ihres integralen Charakters nicht korrigiert werden können. Mit den zur Verfügung stehenden elektrooptischen Komponenten läßt sich aber ein exakter Angleich mit der geforderten Genauigkeit nicht erreichen. Außerdem ließe sich ein photooptischer Angleich nur für eine Lichtart realisieren. Eine nachträgliche Umstimmung auf andere Lichtarten ist nicht möglich.

Im Gegensatz hierzu ist das bei der vorliegenden Erfindung vorgeschlagene multispektrale Abtastverfahren praktisch und theoretisch in der Lage, bei der Farbanalyse exakte Farbwertsignale zu generieren. Es können bei der rechnerischen Signalverarbeitung (valenzmetrische Auswertung) beliebige spektrale Empfindlichkeiten realisiert und beliebige spektrale Strahlungsverteilungen von Aufnahme- bzw. Bezugslichtarten berücksichtigt werden. Außerdem können nach dem Verfahren der vorliegenden Patentanmeldung mittels einer Schwarz- und Weißkalibrierung spektrale Inhomogenitäten der Ausleuchtung der Bildvorlage und Fehler sowohl in der Geometrie als auch in der Empfindlichkeit des Sensors vollständig korrigiert werden. Bei der Entgegenhaltung fehlt jeglicher Bezug zur Druck-, bzw. Reproduktionstechnik und diese Dinge sind bei der Entgegenhaltung überhaupt nicht angesprochen. Der Fachmann erhält also keine Anregung um zum Anmeldungsgegenstand zu gelangen.

Im folgenden wer­ den zunächst die sich aus dem Stand der Technik ergebenden Probleme heutiger Farbbildabtastsysteme beschrieben. Anschließend werden die Eigenschaften und Vor­ teile des erfindungsgemäßen Multispektralverfahrens gegenüber dem bisher bei der Farbanalyse ausschließlich verwendeten Dreibereichsverfahren erläutert.

Die Gesetzmäßigkeiten der Farbmetrik liefern die theoretischen Grundlagen für die kor­ rekte, farbrichtige Reproduktion von Bildvorlagen. Mit ihnen ist es möglich, Farbempfin­ dungen mit Hilfe von nur drei Maßzahlen eindeutig zu beschreiben, obwohl die eigentli­ che physikalische Ursache der Farbe als Sinneserlebnis elektromagnetische Strahlung im sichtbaren Bereich des Spektrums von 380 bis 780 nm ist. Grund für diese beim vi­ suellen Wahrnehmungsprozeß stattfindende enorme Datenreduktion ist der Aufbau und die Wirkungsweise des menschlichen Auges sowie die anschließende Weiterverar­ beitung der Primärinformationen im Gehirn. Am einfachsten und deutlichsten wird die­ ser Vorgang durch das farbmetrische Grundgesetz /2/ formuliert, wonach das Auge die einfallende Strahlung nach drei voneinander unabhängigen spektralen Wirkungs­ funktionen linear und stetig bewertet, wobei sich die Einzelwirkungen zu einer untrenn­ baren Gesamtwirkung - eben der Farbempfindung - addieren. Die biologische Voraus­ setzung hierfür ist, daß im menschlichen Auge drei Arten von lichtempfindlichen Sin­ neszellen mit unterschiedlichen spektralen Empfindlichkeiten existieren. Diese drei so­ genannten Grundspektralwertkurven sind in Fig. 1 dargestellt.

Die Art der integralen Informationsverarbeitung mit drei unterschiedlichen spektralen Wirkungsfunktionen hat aber zur Folge, daß theoretisch unendlich viele verschiedene spektrale Farbreize gleiche Farbempfindungen auslösen können. Farben gleichen Aus­ sehens trotz unterschiedlicher spektraler Zusammensetzung nennt man metamer oder bedingt gleich. Ein technisches Reproduktionssystem, das die Bildvorlagen farblich ori­ ginalgetreu reproduzieren will, muß folglich metamere Farben so wie das menschliche Auge als gleichaussehend erkennen können. Ist dies nicht der Fall, dann unterscheidet das System Farben, die für das Auge gleich aussehen, oder aber es kann bestimmte Farben nicht voneinander trennen, die das menschliche Auge als verschieden erkennt; es "sieht" also bestimmte Farben mehr oder weniger falsch und kann sie daher dann bei der Farbsynthese auch nicht mehr korrekt wiedergeben. Eine exakte Korrektur an den elektrischen Signalen ist nicht, eine nachträgliche Verbesserung nur in bestimmten Ausnahmefällen möglich. Das bedeutet, daß sich Farbreproduktionssysteme in ihren Konstruktionsmerkmalen sowohl an den biologischen Vorgaben des menschlichen Au­ ges als auch an der Weiterverarbeitung der Primärinformation im Gehirn orientieren müssen. Informationstheoretisch handelt es sich um senkenorientierte Systeme. Grundsätzlich gliedern sich daher Reproduktionssysteme entsprechend Fig. 2 in Farbanalyse, Signalverarbeitung und Farbsynthese. Die hier betrachtete Farbanalyse ist vergleichbar mit einer Farbmessung. Nach DIN 5033 gibt es drei Möglichkeiten zur Farbmessung:

• 1. das Gleichheitsverfahren
• 2. das Dreibereichsverfahren
• 3. das Spektralverfahren

Das Gleichheitsverfahren ist ein rein subjektives Meßverfahren, bei dem der Beob­ achter unbekannte Farben mit einer Sammlung bekannter Farben z. B. in Farbatlanten vergleicht und visuell bestimmt. Für die Farbanalyse bei der Farbbildreproduktion ist es nicht geeignet.

Stand der Technik in der Farbbildverarbeitung ist das Dreibereichsverfahren. In tech­ nischen Systemen wird heute ausschließlich hiernach gearbeitet. Als lichtempfindliche Sensoren verwendet man analog zu den Stäbchen im Auge optoelektronische Wand­ ler, die die einfallende Strahlungsleistung im sichbaren Bereich des Spektrums in elek­ trische Signale umwandeln. Je nach Ausführungsform und Anordnung der Sensoren unterscheidet man:

• a) Bildpunktsensoren, die nur die Information eines Bildpunktes erfassen, z. B. Photozellen, Photomultiplier und Photodioden. Zur Gewinnung der gesamten Bildinformation wird z. B. der Leuchtpunkt einer Kathodenstrahlröhre mit extrem kurzer Nachleuchtdauer mittels einer geeigneten Optik rasterförmig über das Bild geführt; das Signal am Ausgang des Photomultipliers ist ein Maß für den Remissions- bzw. Transmissionsgrad des gerade beleuchteten Bildpunktes. Nach diesem Prinzip arbeitende Geräte werden in der Fernsehtechnik zur Abtastung von Kinofilmen und Diapositiven verwendet (Fig. 3 Flying-Spot-Abtaster). Bei anderen Geräten mit Sensoren dieser Art wird z. B. das abzutastende Bild ra­ sterförmig in einem feststehenden Lichtstrahl bewegt. Typische Geräte sind Trommelscanner, die vorzugsweise in der Reprographie benutzt werden. Hier wird das abzutastende Bild auf einer rotierenden Walze aufgespannt und das optoelektronische System bestehend aus Lichtquelle, Abbildungssystem und Sensor wird translatorisch an der Walze vorbeigeführt, so daß das Bild schrau­ benlinienförmig abgetastet wird (Fig. 4 Trommelscanner).
• b) Zeilenförmig angeordnete Sensoren, sogenannte CCD-Zeilen, bestehen aus vie­ len (z. B. 512, 1024, 2048 oder 4096) einzelnen Photodioden. Die Bildpunktin­ formationen einer ganzen Bildzeile liegen parallel an und werden in sequentielle Datenströme umgewandelt. Das abzutastende Bild muß senkrecht zur Zeilen­ richtung bewegt werden. Typische Geräte, die diese Sensorenanordnung ver­ wenden, sind Flachbettscanner, wie sie aus dem Desktop-Publishing-Bereich bekannt sind (Fig. 5 Flachbettscanner).
• c) Flächenförmig angeordnete Sensoren sind z. B. die einzelnen mosaikförmigen Elemente der Speicherplatte (lichtempfindliche Halbleiterphotoschicht) bei kon­ ventionellen Fernsehaufnahmeröhren oder aber die diskreten, in Gruppen zu 512×512, 1024×1024, 2048×2048 oder 4096×4096 angeordneten, Photo­ dioden bei moderneren CCD-Arrays. Sie erfassen gleichzeitig die gesamte Bild­ information und wandeln sie durch geeignete elektronische Maßnahmen in zeit­ lich kontinuierliche Bildsignale um. Die flächenförmig angeordneten Sensoren ähneln in ihrem Aufbau am ehesten der Netzhaut des Auges; ihr großer Vorteil besteht darin, daß zur Abtastung eines Bildes keine mechanischen Bewegungen mehr erforderlich sind.

Analog zum Aufbau der Netzhaut sind auch beim Dreibereichsverfahren drei Arten von lichtempflichen Sensoren mit unterschiedlichen spektralen Empfindlichkeiten erfor­ derlich, die in technischen Geräten dadurch realisiert werden, daß entweder einem Sensor in schnellem Wechsel nacheinander drei verschiedene optische Korrekturfilter vorgeschaltet werden oder aber daß der optische Strahlengang durch Strahlteiler in drei Kanäle so aufgesplittet wird, daß drei Sensoren mit jeweils einem Korrekturfilter vorhanden sind. Es gibt auch Flachbettscanner ohne Korrekturfilter mit nur einer CCD- Zeile, bei denen die einzelnen Bildzeilen nacheinander mit jeweils einer im roten, grü­ nen und blauen Spektralbereich emittierenden Lichtquelle beleuchtet werden (Fig. 5). Damit nun technische Reproduktionssysteme die Farbanalyse nach dem Dreibereichs­ verfahren korrekt durchführen können, müssen die effektiven spektralen Kanalempfind­ lichkeiten mit den drei spektralen Empfindlichkeiten der Zapfen des menschlichen Au­ ges nach Fig. 1 in geeigneter Weise übereinstimmen. Aufgrund des linearen und steti­ gen Aufbaues der Farbvalenzmetrik (Farbmetrisches Grundgesetz) kann mit allen spektralen Empfindlichkeitskurven, die über eine lineare Transformation mit den Grundspektralwertkurven verknüpfbar sind, eine exakte Farbanalyse durchgeführt wer­ den. Es ist also nicht erforderlich und auch aus fertigungstechnischen Gründen und Gründen des Störabstandes sogar unzweckmäßig, eine direkte Nachbildung der Grundspektralwertkurven anzustreben, da besonders die p(λ)- und die d(λ)-Kurven sehr dicht beieinander liegen und somit keine guten Farbseparationseigenschaften be­ sitzen; denn geringfügige Fehler der spektralen Empfindlichkeit eines Kanals würden ebenso wie Signalrauschen oder wie Quantisierungsfehler zu untragbar großen Feh­ lern bei den Farbwertsignalen führen.

Nach der Theorie der additiven Farbmischung können für reale Primärfarben, z. B. Rot, Grün und Blau die zu diesen Primärvalenzen zugehörigen Spektralwert- oder Farb­ mischkurven bestimmt werden, die ihrerseits eine Linearkombination der Grundspek­ tralwertkurven sein müssen. Fig. 6 zeigt die Spektralwertkurven r(λ), g(λ) und b(λ), denen die von der CIE (Commission Internationale de l′Eclairage) 1931 festgelegten spektralen Primärfarben R=700 nm, G=546,1 nm und B=435,8 nm zugrunde liegen. die CIE-Spektralwertkurven sind durch folgendes lineares Gleichungssystem

mit den Grundspektralwertkurven - den spektralen Empfindlichkeiten der drei Zapfenar­ ten im Auge - verknüpft.

In Fig. 7 sind die Spektralwertkurven des Farbfernsehens dargestellt. Sie beziehen sich auf die von der EBU (European Broadcasting Union) festgelegten Empfängerpri­ märfarben R_e, G_e, und B_e der Bildschirm-Leuchtphosphore. Auch sie sind linear mit den Grundspektralwertkurven verknüpft.

Farbmischkurven für reelle Primärfarben entsprechend den Fig. 6 und 7 besitzen wesentlich günstigere Farbseparationseigenschaften als die Grundspektralwertkurven nach Fig. 1. Sie weisen jedoch je nach Wahl der Primärvalenzen mehr oder weniger große negative Anteile der spektralen Empfindlichkeit auf, die mit Sensoren technisch so nicht realisierbar sind. In Geräten versucht man, Spektralwertkurven nachzubilden, deren Maxima jeweils im roten, grünen und blauen Spektralbereich - ähnlich den Kur­ ven in den Fig. 6 und 7 - liegen, wobei man jedoch die erforderlichen negativen spektralen Empfindlichkeiten vernachlässigt. Folglich besitzt kein Farbreproduk­ tionssystem Spektralwert- oder Farmischkurven, die exakt mit einer Linearkom­ bination der Zapfenempfindlichkeiten des Auges übereinstimmen.

Auch sind die spektralen Empfindlichkeitskurven verschiedener Geräte sehr un­ terschiedlich. Selbst Geräte des gleichen Typs können sehr voneinander abweichen­ de Kanalempfindlichkeiten aufweisen. Kein heutiges technisches Gerät ist also in der Lage, eine exakte Farbanalyse nach dem Dreibereichsverfahren durchzufüh­ ren. Farbbilder, die mit verschiedenen Systemen reproduziert werden, fallen allein schon aufgrund der unterschiedlichen Farbanalyse hinsichtlich ihrer Farbwiedergabe verschieden aus. Elektronische Manipulationen an den Farbwertsignalen können zwar in bestimmten Fällen, wenn z. B. beim Abtasten bereits reproduzierter Vorlagen Meta­ merieprobleme ausgeschlossen werden können, zu einer Verbesserung der Farbanaly­ se führen. Da Reproduktionen - Dias, Aufsichtsbilder oder auch Farbdrucke - aus drei in ihrer spektralen Zusammensetzung bekannten Farbstoffkomponenten nach in der Regel bekannten Mischungsgesetzen stetig aufgebaut sind, existiert zu jedem Tripel von Farbdichten oder Farbstoffkonzentrationen genau ein spektraler Trans- bzw. Re­ missionsgrad. Bei Kenntnis der spektralen Empfindlichkeiten eines Abtasters kann eine eindeutige, wenn auch nichtlineare Beziehung zwischen den Farbstoffkonzentrationen in der Vorlage und den Farbwertsignalen am Ausgang des Abtasters angegeben wer­ den. Über den berechenbaren spektralen Trans- bzw. Remissionsgrad besteht bei be­ kanntem Vorlagentyp und bekanntem Abtaster eine eindeutige und umkehrbare Bezie­ hung zwischen den Farbwerten in der Vorlage und den davon mit diesem eine Abta­ ster abgeleiteten Farbwerten. Eine exakte Zuordnung zwischen Abtastwerten einer­ seits und exakten Farbwerten andererseits ist also über eine dreidimensionale Tabelle möglich. Bei anderen Kombinationen aus Vorlagentyp und Abtaster gelten aber andere Beziehungen und somit andere Funktions-Tabellen. In der Praxis be­ schränkt man sich jedoch auf einfache Manipulationen wie nichtlineare Vorverzerrun­ gen und lineare Matrizierung der Abtastsignale, um eine Verbesserung zu erzielen, exakte Zuordnungen zwischen Abtast- und Farbwerten sind hiermit jedoch nicht zu er­ reichen. Die erforderlichen Geräteeinstellungen (nichtlineare Kennlinien und Matrix­ koeffizienten) können zwar rechnerisch optimiert werden, in der Praxis ist das Verfah­ ren jedoch undurchführbar, da die spektralen Eigenschaften der Bildvorlagen dem An­ wender meistens nicht bekannt sind. Man beschränkt sich lediglich auf einen korrekten Abgleich der Grauachse, um einen harmonischen Bildeindruck zu erhalten /3/.

Bei einer derartigen Korrektur müssen natürlich auch alle von der Wellenlänge abhän­ gigen Komponenten des Farbbildabtastsystems rechnerisch berücksichtigt werden wie z. B. die Spektralverteilung der beleuchtenden Lichtquelle sowie die spektrale Trans­ mission der Optik und die spektrale und ortsabhängige Empfindlichkeitsverteilung des Bildsensors.

Fig. 8 zeigt einige technisch realisierte spektrale Empfindlichkeitskurven von Fernseh-Filmabtastern verschiedener Hersteller. Alle Kurven weisen erhebliche Unter­ schiede zu den Sollkurven nach Fig. 7 auf. Selbst die spektralen Empfindlichkeiten von Trommelscannern eines Herstellers sind, wie Fig. 9 verdeutlicht, untereinander ebenfalls nicht einheitlich. In Fig. 10 sind die spektralen Kanalempfindlichkeiten eines Flachbettscanners aus dem Desktop-Publishing-Bereich dargestellt. Dieser Scanner erreicht die Farbseparation mit drei zeitlich nacheinander aufleuchtenden Leuchtstoff­ lampen im Rot-, Grün- und Blaubereich. Die Linienspektren der Lampen sind deutlich erkennbar.

Ebenso unterschiedlich, wie die spektralen Empfindlichkeitskurven der hier ge­ zeigten Scanner und Abtaster sind, so uneinheitlich sind demzufolge auch die Farbwertsignale und die Reproduktionen, die z. B. von der gleichen Bildvorlage mit den verschiedenen Geräten angefertigt werden. Das Dreibereichsverfahren ist also für eine exakte Farbanalyse bei Reproduktionssystemen nicht geeignet. Daß es dennoch heute in technischen Systemen ausschließlich verwendet wird, liegt an seiner relativ einfachen und kostengünstigen Realisierbarkeit. Außerdem sind alle heute existieren­ den Farbreproduktionssysteme als sogenannte "geschlossene Systeme" aufgebaut, bei denen Farbanalyse und Farbsynthese im gleichen Gerät erfolgen, so daß verfah­ rensspezifische Fehler der Farbanalyse durch Manipulationen bei der Farbsynthese teilweise korrigiert werden können. Die mit einem Gerät erstellten Daten sind aber grundsätzlich nicht zur Farbsynthese auf einem anderen Gerät geeignet. Eine "offene Struktur", wie sie zukünftig in Datennetzen benötigt wird, setzt eine exakt definierte Be­ zugsschnittstelle als Verbindung zwischen Farbanalyse und Farbsynthese voraus, da­ mit jeder Abtaster oder Scanner, mit jedem Wiedergabesystem verknüpft, farbverbindli­ che Reproduktionen anfertigen kann. Zusammenfassend läßt sich damit feststellen, daß die bekannten Farbbildaufnahmesysteme die Farbanalyse nach dem Dreibe­ reichsverfahren nur ungenau durchführen und zur Korrektur der elektrischen Signale genaue Kenntnis über die physikalischen Eigenschaften der Bildvorlage und des Abtasters benötigen, die in der Regel nur dem Fachmann bekannt sind. In zukünftigen elektronischen Farbbildsystemen muß aber ein Farbbildabtastsystem ohne Kenntnisse der inneren physikalischen Zusammenhänge bedienbar sein, sonst wäre es in einem Netzverbund oder auch im privaten Bereich nicht anwendbar.

Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, ein Farbbildabtastsystem anzugeben, wel­ ches

• 1. eine exakte Farbanalyse unabhängig von der Kenntnis der physikalischen Ei­ genschaften der Farbbildvorlage durchführt
• 2. auf verschiedene Lichtquellen mit über den sichtbaren Spektralbereich verteilter breitbandiger Strahlung zur Beleuchtung der abzutastenden Vorlage anwend­ bar ist, ohne den exakten Verlauf der Spektralverteilung zu kennen
• 3. mit einem einfachen Eichvorgang alle Fehler
  • a) durch inhomogene Ausleuchtung über der Fläche des abzutastenden Bildes
  • b) durch eine unbekannte Spektralverteilung der beleuchtenden Lichtquelle
  • c) durch spektralabhängige Empfindlichkeiten der Sensorelemente
  • d) durch spektral- und abbildungsabhängige Transmissionseigenschaften der optischen Bauelemente im Strahlengang automatisch und im Zusammenhang korrigiert und welches
• 4. eine beliebige Umrechnung der detektierten Farbwertsignale auf verschiedene Normlichtquellen gestattet, die als Bezugslichtquellen bei der Reproduktion des abgetasteten Farbbildes empfohlen werden, und welches
• 5. ein verbessertes Signal- zu Rauschverhältnis der aufgenommenen Bilddaten ermöglicht.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß das erfindungsgemäße Farbbildabtastsystem das Multispektralverfahren benutzt und sequentiell eine größere, aber endliche Anzahl von z. B. I»3 schmalbandigen Farbauszügen, verteilt über das gesamte sichtbare Spektrum, aufnimmt, die Farbauszüge in I Spektralauszugsspeichern ablegt und zur Ei­ chung vor Beginn einer Messung mit einer Schwarzvorlage Schwarz-Korrekturwerte bildet, diese Werte von den Signalen der Spektralauszüge beim Einlesen in die Spek­ tralauszugsspeicher in Echtzeit subtrahiert und vor Beginn oder zum Ende einer Farb­ bildaufnahme mit einer Weißvorlage multiplikative Korrekturwerte bildet und mit diesen jedes Signal eines Spektralkanals in Echtzeit und automatisch durch entsprechende elektronische Schaltungen multipliziert.

Eine zusätzliche Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, daß die Spektralsignale, die sequentiell aufgenommen werden, bei der Aufnahme oder beim Auslesen aus den I Spektralbildspeichern in Echtzeit in einer weiteren elektronischen Schaltung mit Koef­ fizienten bewertet werden, die aus einer programmierbaren Tabelle mit mehreren se­ lektierbaren Speicherebenen entnommen werden und dadurch eine exakte Umrech­ nung auf bestimmte Normlichtquellen durchgeführt wird.

Bei einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung werden die Korrekturwerte aus dem Eichvorgang mit einer Weißvorlage zu Beginn der Farbbildaufnahme in den I Spektralwertspeichern unter ihrer jeweiligen Bildpunktadresse abgelegt und bei der sequentiellen Aufnahme der Farbbildpunktsignale aus den Spektralwertbildspeichern in Echtzeit wieder ausgelesen, als Reziprokwerte mit den aufgenommenen Farbbildpunkt­ signalen multipliziert und anschließend unter derselben Adresse in denselben Spektral­ bildspeichern wieder gespeichert. Dies führt zu keinem erhöhten Mehraufwand an Speicherplatz für den Eichvorgang mit der Weißvorlage.

In einer weiteren erfindungsgemäßen Ausgestaltung werden die I sequentiell gebilde­ ten Spektralsignale jedes Bildpunktes während der Aufnahme sequentiell in einer elek­ tronischen Schaltung mit drei parallelen Kanälen mit bestimmten Koeffizienten aus ei­ ner Tabelle bewertet und in bestimmter Weise in drei parallelen Bildspeichern akkumu­ liert und daraus drei unabhängige Farbwertsignale gebildet.

Die erfindungsgemäße Aufgabenstellung, Farben in Farbbildreproduktionssystemen farbvalenzmetrisch möglichst exakt zu bestimmen, läßt sich nur auf der Grundlage des Spektralverfahrens realisieren. Es ist das genaueste unter den Farbmeßverfahren und wird z. Z. ausschließlich im technisch wissenschaftlichen Bereich zur Bestimmung von Einzelfarben angewendet. Man ermittelt mit einem Spektralphotometer die spektra­ len Transmissions- oder Remissionsgrade τ(λ) bzw. β(λ) der Farbproben in Abständen von 1 nm bzw. 5 nm, im sichtbaren Bereich des Spektrums von 380 nm bis 780 nm, und berechnet die Farbwerte unter Verwendung von farbvalenzmetrisch exakten Spek­ tralwertkurven, die mit hoher Genauigkeit tabellarisch vorliegen. Die Genauigkeit der Messung hängt dabei nur von der Bandbreite des Monochromators und der Empfind­ lichkeit des Detektors ab. Zur Bestimmung der Farbwerte bezieht man sich auf das nach DIN 5033 festgelegte XYZ-Normvalenzsystem. Die zugehörigen Normspektral­ wertkurven x(λ), y(λ) und z(λ) weisen keine negativen Anteile auf, so daß alle existie­ renden Farben durch ausschließlich positive Farbwerte beschrieben werden. Die Pri­ märvalenzen des Systems sind so festgelegt, daß der Normfarbwert Y die Helligkeit (Luminanz) und die Normfarbwerte X und Z die Buntheit (Chrominanz) einer Farbe charakterisieren. Fig. 11 zeigt die Normspektralwertkurven nach DIN 5033.

Die Normfarbwerte einer Aufsichts- oder Durchsichtsvorlage berechnen sich unter Be­ rücksichtigung der Strahlungsverteilung S_λ der beleuchtenden Lichtquelle zu:

Der Normierungsfaktor k wird willkürlich so festgelegt, daß unter Berücksichtigung der beleuchtenden Lichtquelle der Normfarbwert Y für Idealweiß (β(λ)=1 bzw. τ(λ)=1) zu Y=100 wird.

Weitere wesentliche Vorteile des Spektralverfahrens bestehen darin, daß man bei der numerischen Berechnung der Farbwerte beliebige Bezugs- oder Wiedergabelichtquel­ len berücksichtigen und daß man sich bei der Festlegung der Spektralwertkurven auf beliebige Primärvalenzsysteme beziehen kann. Negative Anteile der Spektralwertkur­ ven können rechnerisch korrekt berücksichtigt werden.

Bei technischen Anwendungen, z. B. in der Qualitätskontrolle oder in der Fertigung, werden Spektralphotometer mit Filtermonochromatoren endlicher Bandbreite (5 nm bis 10 nm) eingesetzt. Diese Geräte arbeiten dann nicht mehr nach dem physikalisch exakten Spektralverfahren sondern nach dem sogenannten Multispektralverfahren. Dieses Verfahren geht einerseits mit verschwindender Filterbandbreite in das Spektral­ verfahren, andererseits bei minimal 3 Filtern in das Dreibereichsverfahren über. Bei Fil­ termonochromatoren mit nur 16 Kanälen, 20 nm Filterabstand und 10 nm Halbwerts­ breite ist aber eine z. B. im Vergleich zum Dreibereichsverfahren wesentlich genauere Bestimmung der Farbwerte von Einzelfarben möglich, da die Spektren der in der Natur vorkommenden Farben relativ homogen verlaufen und keine extremen Sprünge auf­ weisen. In Analogie zur elektrotechnischen Signalverarbeitung sind diese "abgetaste­ ten" Spektren natürlicher Farben bandbegrenzt, so daß sie bei Beachtung des Abtast­ theorems mit endlichen Kanalbandbreiten abgetastet wieder nahezu exakt rekonstruiert werden können. Bei der Berechnung der Normfarbwerte geht die integrale Schreibwei­ se in die Summenschreibweise über, wobei die Koeffizienten x(i), y(i) und z(i) der Normspektralwertkurven den verwendeten Filterbandbreiten entsprechend angepaßt sein müssen. Bezieht man sich z. B. bei der Farbanalyse nach dem Multispektralver­ fahren auf eine Mindesthalbwertsbreite von 10 nm bei einem Bandabstand von 20 nm, so sind zur Erfassung des sichtbaren Bereiches des Spektrums I=16 Kanäle erforder­ lich. Die Farbwerte X, Y und Z berechnen sich dann als Summe der spektralen Trans- oder Remissionsgrade τ(i) bzw. β(i) bewertet mit den zu jedem Kanal zugehörigen Koeffizienten x(i), y(i) und z(i) und multipliziert mit der spektralen Strahlungsverteilung der beleuchtenden Lichtquelle S(i) zu:

X_BL, Y_BL und Z_BL sind dabei die Normfarbwerte der beleuchtenden Bezugslichtquelle.

Obwohl das Spektralverfahren bzw. das Multispektralverfahren das genaueste Farb­ meßverfahren ist, ist seine Anwendung zur Farbanalyse in der Farbbildreproduktion un­ bekannt. Der technische Aufwand zur Realisierung eines Farbbildabtasters nach dem Multispektralverfahren ist im Vergleich zum Dreibereichsverfahren nur unwesentlich größer - es werden zwar anstelle von 3 z. B. 16 optische und elektronische Kanäle be­ nötigt -, dafür bietet aber das erfindungsgemäße Multispektralverfahren folgende ent­ scheidende Vorteile:

• 1. Nur mit dem Multispektralverfahren ist eine nahezu ideale metamerieunabhän­ gige Farbanalyse durchführbar.
• 2. Die Kenntnis von den physikalischen Eigenschaften der Farbbildvorlage ist nicht erforderlich.
• 3. Es können beliebige Bezugslichtquellen bei der Berechnung der Farbwerte be­ rücksichtigt werden, bzw. es können durch die Auswahl entsprechender Koef­ fizientensätze beliebige Bezugssysteme realisiert werden.
• 4. Die erforderlichen Rechenoperationen zur Berechnung der Farbwerte be­ schränken sich auf Multiplikationen und Additionen, die mit bekannten Hard­ wareschaltungen einfach, in Echtzeit und mit großer Genauigkeit durchgeführt werden können.
• 5. Bei Bezug auf ein Referenzweiß (β(λ)=1 bzw. τ(λ)=1) ist eine exakte Kali­ brierung eines jeden Spektralkanals möglich, wobei die spektralen Empfind­ lichkeitsverteilungen der Sensoren, die spektrale Strahlungsverteilung der be­ leuchtenden Lichtquelle sowie die spektralen Eigenschaften der optischen Ka­ näle exakt berücksichtigt werden können. Es werden also auch die z. B. durch Alterung entstehenden spektralen Veränderungen der Lichtquelle erfaßt.
• 6. Bei Verwendung von flächenförmigen Sensoren und je einer zusätzlichen Re­ ferenzweißmessung je Spektralkanal vor jeder Messung im betreffenden Ka­ nal sind neben den spektralen auch ortsabhängige Unterschiede, z. B. der Empfindlichkeitsverteilung des Sensors bzw. Inhomogenitäten in der Aus­ leuchtung der Vorlage im Zusammenhang korrigierbar.
• 7. Ferner trägt das erfindungsgemäße Multispektralverfahren auch zur Verbesse­ rung des Signalrauschabstandes der Farbanalyse bei, da jeder Farbwert aus der Summation von mindestens 16 Einzelbildern gewonnen wird, wobei jeder Kanal den Aussteuerbereich des Sensors optimal voll ausnutzen kann.

Die Abtastung eines Bildes nach dem erfindungsgemäßen Multispektralverfahren muß je Kanal in drei Schritten erfolgen:

• 1. Abtastung des Referenz-Bildweiß und Ablage der Weißwerte für jeden Bild­ punkt in einem Bildspeicher,
• 2. Abtastung des Bildes und Multiplikation der Bildwerte mit den Kehrwerten der zu jedem Bildpunkt gespeicherten Weißwerten, Überschreiben der Weißwerte mit den korrigierten Meßwerten,
• 3. Berechnung der Farbwerte durch Multiplikation mit den kanalspezifischen Koeffizienten, z. B. der Normspektralwertkurven und der Lichtquelle sowie an­ schließender Akkumulation der Werte in drei Farbwertbildspeicher.

Es ist ein wesentlicher Vorteil der Erfindung, daß sie auf alle bekannten Bildabtastver­ fahren wie z. B. Trommelscanner, CCD-Zeilen- und CCD-Flächensensoren anwendbar ist. Die Ausgestaltung der Erfindung mit drei akkumulierenden Speichern ermöglicht zudem die Realisierung von Farbbildaufnahmesystemen, die sich nur unwesentlich von dem Aufwand nach dem Dreibereichsverfahren unterscheiden.

Ausführungsbeispiele

Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Fig. 12 bis 16 für zwei Ausführungs­ beispiele besprochen. Grundsätzlich ist die Erfindung auf die bekannten Bildabtastsy­ steme wie Trommelscanner, CCD-Zeilenscanner und Halbleiterflächensensor anwend­ bar. Für die Ausführungsbeispiele wird aber ein Bildaufnahmesystem mit einem zweidi­ mensionalen Flächensensor zugrundegelegt, da dies in Zukunft eine primäre Bedeu­ tung haben wird. Die Anwendung des Flächensensors besitzt zudem den Vorteil, daß die Farbvorlage ohne jede mechanische Verschiebung der Bildpunkte relativ zum Bild­ sensor beliebig oft abgetastet werden kann und damit eine fehlerfreie Überdeckung der Spektralauszugsbilder erhalten wird. Sinngemäß sind die Ausführungsbeispiele auf die anderen Systeme ebenfalls anwendbar.

Die Ausführungsbeispiele gliedern sich in die Bildabtasteinheit 1 in Fig. 12 mit einer Betriebs- und Digitalisierungselektronik 2, einer Schwarzwertkorrektureinheit 3 in Fig. 13, einer ersten Auswerteeinheit für die Aufnahme von I Spektralbildern eines Farb­ bildes mit Eichung auf eine Weißbildvorlage in Fig. 14, einer zweiten Auswerteein­ heit 5 für die spektrale Umbewertung und Anpassung der Spektralbilder an verschiede­ ne Wiedergabebeleuchtungsarten in Fig. 15 und einer dritten Auswerteeinheit in Fig. 16 mit einer Eicheinheit 4* und einer Farbrecheneinheit 6 mit drei Bildspeichern und Akkumulatoreinrichtungen zur Bildung von drei unabhängigen Farbsignalen aus den schmalbandigen Spektralauszugsbildern.

In Fig. 12 ist zunächst die gemeinsame Bildabtasteinheit 1 mit Betriebs- und Digitali­ sierungseinheit 2 abgebildet. Die abzutastende Farbbildvorlage 11 wird mit der breit­ bandigen Lichtquelle 12 ausgeleuchtet und über ein Abbildungsobjektiv 13 auf einen zweidimensionalen Halbleiter-Bildsensor 16 abgebildet. In den optischen Strahlengang ist eine Vorrichtung 14 mit I schmalbandigen Spektralfiltern, einem Schwarzfilter und ei­ ner Schrittschalteinrichtung eingeschaltet. Ein Fenster 14/0 - das Schwarzfenster - der Vorrichtung 14 ist schwarz und dient zum Blockieren des Strahlenganges. Der Bildsen­ sor 16 enthält n Bildzeilen und m Spalten und ist mit einer Betriebselektronik mit Ana­ log/Digitalumsetzer 2 verbunden, in der die Bildsignale aufbereitet, digitalisiert und für die Bildpunkte (n, m) zeilenweise seriell ausgegeben werden. Von einer zentralen Steu­ ereinheit 8 werden dazu die Taktsignale über die Taktleitung 800, ein Reset-Signal 801, die Adressen über 802 und Aufnahme/Auslese-Signale über 803 zugeführt. Die Steuereinheit erzeugt auch die zum Schalten des Schrittschaltwerkes notwendigen Signale über die Auswahlleitung S/λ_i, wobei zur Aufnahme eines Schwarzbildes zu Eichzwecken der Strahlengang blockiert (Nullstellung=S) und für verschiedene Spek­ tralauszüge mit 1iI die einzelnen schmalbandigen Filter in den optischen Strahlen­ gang eingeschaltet werden. Dabei bedeutet I die Anzahl der schmalbandigen Spektral­ auszüge. Zur Eichung des Systems kann ferner eine Weißbildvorlage 18 über die Farb­ bildvorlage eingeschoben werden, was mit der Auwahlleitung W von der zentralen Steuereinheit veranlaßt wird. Das Ausgangssignal der Aufnahmeeinheit S (n, m, li) über die Ausgabeleitung 200 wird anschließend nach Ausführungsbeispiel in einer Auswer­ teelektronik weiterverarbeitet.

Je nach dem verwendeten Typ eines Bildsensors kann es erforderlich sein, eine Schwarzwertkorrektur durchzuführen. Insbesondere bei CCD-Bildsensoren entstehen häufig Restladungen in den einzelnen Speicherelementen des Bildsensors, die zu ei­ nem punktindividuellen elektronischen "Offset" führen. In Fig. 13 ist daher eine Anord­ nung 3 zur Schwarzwertkorrektur des CCD-Sensors dargestellt. Diese enthält einen elektronischen Umschalter 31 (realisiert z. B. durch einen 1 : 2 Demultiplexer), einen Subtrahierer 32 und einen Bildspeicher für die Speicherung von n×m Schwarzwer­ ten 33 für alle n×m Bildpunkte des Flächensensors 16.

Zu Beginn einer Schwarzwertkorrekturaufnahme wird der Speicher 33 über die Reset­ leitung 802 von der zentralen Steuereinheit 8 in allen Speicherelementen auf 0 gesetzt. Anschließend wird mit der Aufnahmeeinheit 1 ein Schwarzbild mit blockiertem opti­ schen Strahlengang aufgenommen (Stellung 14/0 des Filtersatzes). Die Signale des Schwarzbildes werden über die Leitung 200 der Schwarzwertkorrektureinheit 3 zuge­ führt und über den Schalter 31 und die Leitung 302 in den Bildspeicher 33 eingelesen. Der Bildspeicher erhält dazu über die Leitungen 800, 802, 804 und 805 die notwendi­ gen Adressen, das Schreibsignal und das Schreib/Leseauswahlsignal. Anschließend wird der Schalter 31 über die Auswahlleitung S/λ_i von der Stellung S (=Schwarzwert­ aufnahme) in die Stellung zur Aufnahme von Spektralauszügen umgeschaltet und der Speicher 33 auf Lesebetrieb umgestellt (Leitung 805 für die Schreib-Leseauswahl). Von allen Signalen, die der Schwarzwertkorrektureinheit 3 dann über die Lei­ tung 200 zufließen, werden entsprechend den eingestellten Bildpunktadressen n, m (Leitung 802) Schwarzwerte über den Subtrahierer 32 abgezogen.

Die Schwarzwertkorrektureinheit kann je nach Bedarf zu Beginn einer Bildaufnahme einmalig oder vor jedem Spektralauszug erneut neu geladen werden, wenn dies aufgrund von zeitabhängigen Eigenschaften des Bildsensors erforderlich ist. Zur Mini­ mierung des Aufwandes muß der Bildspeicher 33 nicht für den vollen Wertbereich wie etwa ein Spektralbildspeicher ausgelegt sein, da die Schwarzwertfehler nur relativ klei­ ne Signale ergeben. Die Speichertiefe kann entsprechend klein gewählt werden.

In Fig. 14 ist ein Ausführungsbeispiel für eine komplette Multispektralaufnahmeeinheit dargestellt, die am Ausgang die Farbinformation in I Spektralkomponenten ausgibt. Sie besteht aus der Aufnahmeeinheit 1 mit Betriebs- und Digitalisierungseinheit 2, der Schwarzwertkorrektureinheit 3 (wahlweise) und einer Signalauswerteeinheit mit Ei­ chung auf eine Weißbildvorlage 4 sowie der zentralen Steuereinheit 8 zur Erzeugung aller notwendigen Takt-, Adressen und Steuersignale. Auf diese Einheit wird nicht nä­ her eingegangen, da die Erzeugung der notwendigen Takt- und Steuersignale sowie die Adressenerzeugung dem Fachmann selbstverständlich und bekannt ist.

Die Auswerteinheit 4 enthält einen Umschalter 41, einen Multiplizierer 42, einen Viel­ fachumschalter 43 (realisiert z. B. als 1 : I Demultiplexer), einen Halbleiter-Bildspeicher mit I parallelen Ebenen für jeweils n×m Bildpunkte entsprechend der Auflösung des Bildsensors 16 in der Abtasteinheit, einen weiteren Vielfachumschalter 45 (realisiert z. B. als I : 1 Multiplexer) und eine elektronische Einheit 46 (1/x-Einheit), welche zuge­ führte Zahlenwerte in ihre reziproken Zahlenwerte überführt. Der Schalter 43 dient der Selektion von I Ebenen des Bildspeichers 44. Alternativ kann die Ebenenauswahl auch in bekannter Weise über die Schreibselektion der einzelnen Halbleiterspeicher erfol­ gen. Die 1/x-Einheit 46 läßt sich am einfachsten durch eine fest programmierte Tabel­ le (look-up-table) für alle möglichen vorkommenden Zahlenwerte aufbauen.

Für eine vollständige Farbbildaufnahme und Korrektur aller Fehlereinflüsse müssen für jeweils I Spektralkanäle I Spektralauszüge des Farbbildes 11 und für die vollständige Korrektur aller unter der Aufgabe der Erfindung 3a) bis d) genannten Fehler nochmals I Spektralauszüge einer Weißbildvorlage 18 als Eichvorlage aufgenommen werden. Zusätzlich ist je nach verwendetem Sensor eine Schwarzbildkorrektur notwendig. Zu­ nächst wird daher die Schwarzbildkorrektur in der vorstehend bereits beschriebenen Weise durchgeführt.

Die Aufnahme von Spektralauszügen wird so vorgenommen, daß jeweils ein Spektral­ filter 14/i eingeschoben und eine vollständige Bildaufnahme für alle Bildpunkte n×m durchgeführt wird. Die Bildpunktsignale werden dann beispielhaft sequentiell Zeile für Zeile aus dem Bildsensor ausgelesen und dann durch Selektion über den Schalter 43 in der Speicherebene i des Bildspeichers 44 gespeichert. Dieser Vorgang wird für alle I Spektralauszüge wiederholt.

Durch die unter der Aufgabe der Erfindung genannten Fehler der Empfindlichkeiten der einzelnen Bildpunkte eines Halbleitersensors, durch Ausleuchtung und Fehler der Optik usw. würden die so gewonnenen Bildsignale jedoch die Farbbildinformation nur unge­ nau darstellen. Daher wird zunächst mit der Aufnahme von I Spektralauszügen einer strukturlosen Referenzweißbildvorlage 18 als Eichvorlage begonnen. Dabei wird der Multiplizierer 42 in der Auswerteeinheit 4 durch die Stellung W des Auswahlschal­ ters 41 überbrückt und so die Weißbild-Spektralauszüge direkt im Speicher 44 abge­ legt. Anschließend wird die Weißbildvorlage 18 aus dem Strahlengang der Abtastein­ heit 1 herausgefahren und die Farbbildvorlage freigegeben. Dann werden nacheinan­ der die I Spektralbilder der Farbbildvorlage 11 durch Einschieben der entsprechenden Spektralfilter 14 aufgenommen und der Auswerteeinheit 4 sequentiell zugeführt. Der Schalter 41 der Auswerteeinheit 4 wird nun in die Stellung (λ_i) umgeschaltet und die Bildpunktsignale durchlaufen den Multiplizierer 42, wo sie mit den reziproken Bildpunkt­ werten der Weißbildvorlage multipliziert und dadurch auf einen Maximalwert von 1 ge­ eicht werden. Für jeden gerade adressierten Bildpunkt n, m im Bildspeicher 44 wird da­ zu der zugehörige Weißwert aus dem Speicher 44 des gerade bearbeiteten Spektral­ kanals λ_i ausgelesen und über den Vielfachschalter 45 der Einheit 46 zugeführt, wo sein Reziprokwert gebildet wird. Dieser wird dann dem Multiplizierer zugeführt. Das Er­ gebnis der Multiplikation wird anschließend unter derselben Adresse wieder im Bild­ speicher 44 abgelegt.

Die so erhaltenen und gespeicherten Bildpunktsignale sind bezüglich ihres Weißwertes individuell für jeden Bildpunkt des Flächensensors als Einzelkanal vollständig korrigiert.

Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung mit der nachgeschalteten Einheit 5 nach Fig. 15 dient der Umrechnung der Spektralauszugswerte auf verschiedene Wiederga­ belichtarten für eine nachgeschaltete Übertragung zu einem Reproduktionssystem. Wie schon früher erwähnt, ist diese Möglichkeit nur mit dem erfindungsgemäßen Multispek­ tralverfahren möglich, und sie eröffnet eine erheblich verbesserte Anpassung an unter­ schiedliche Farbwiedergabeverhältnisse.

Die Einheit 5 ist hier beispielhaft für ein sequentielles Auslesen der Daten aus dem Bildspeicher 44 dargestellt. Dazu enthält die Einheit einen Wahlschalter 51 (Multi­ plexer), einen Multiplizierer 52 und einen Koeffizientenspeicher, z. B. in Form einer fest programmierten Tabelle 53. Mit dem Wahlschalter werden die einzelnen Spektralbilder aus dem Speicher 44 in der Auswerteeinheit 4 selektiert und sequentiell die Bildpunkt­ daten ausgelesen. Die Daten durchlaufen dabei den Multiplizierer 52, wo sie mit den Koeffizienten c(λ_i) umbewertet werden. Die Koeffizienten c(λ_i) korrigieren dabei z. B. die Spektralverteilung einer bei der späteren Farbbildwiedergabe benutzten Beleuch­ tungsquelle im Spektralbereich.

Die hier dargestellte Anordnung zum sequentiellen Auslesen der Bildpunktinformatio­ nen könnte natürlich auch mit I parallelen Multiplikatoren für alle Spektralebenen paral­ lel ausgeführt werden. Dann würde bei allerdings höherem Aufwand eine schnellere Ausgabe der Bildinformation ermöglicht.

Wenn eine Ausgabe der Farbsignale in drei unabhängigen Farbwerten erwünscht ist, dann kann mit Hilfe einer weiteren Auswerteeinheit, der Farbrechen- und Akkumula­ toreinheit 6 eine Umrechnung der Spektralwerte in drei unabhängige Farbwerte durch­ geführt werden. Diese kann mit oder ohne Einschaltung der Umbewertungseinheit 5 nachgeschaltet werden. Ihre Funktion wird nachfolgend zusammen mit dem zweiten Ausführungsbeispiel behandelt, wo sie ebenfalls eingesetzt wird.

Das beschriebene Farbbildaufnahmesystem erzeugt für jeden Bildpunkt n, m eine An­ zahl von über den Spektralbereich verteilten Abtastwerten S(n, m, li). Durch eine lineare Transformation mit den Koeffizienten a_k,i kann auf der Grundlage der Farbmetrik diese Anzahl von I Abtastwerten in drei unabhängige Farbwertkomponenten F1 bis F3 trans­ formiert werden. Damit können z. B. RGB-Signale nach der EBU-Norm oder für eine nachgeschaltete Transformation in einen wahrnehmungsangepaßten Farbraum wie z. B. dem Lab-Raum nach der CieLab-Norm die XYZ-Normsignale gebildet werden. Die lineare Transformation in drei unabhängige Farbkomponenten hat die Form:

F₁(n.m)=a_1,1S(n.m,λ₁)+a_1,2S(n.m,λ₂)+ . . . .+a_1,lS(n.m, λ_l′)

F₂(n.m)=a_2,1S(n.m,λ₁)+a_2,2S(n.m,λ₂)+ . . . .+a_2,lS(n.m, λ_l′)

F₃(n.m)=a_3,1S(n.m,λ₁)+a_3,2S(n.m,λ₂)+ . . . .+a_3,lS(n.m,λ_l′)

Die Rechen- und Akkumulatoreinheit 6 nach Fig. 16 führt diese lineare Transformati­ on in einer "Hardware"-Schaltung durch. Im Ausführungsbeispiel 6 werden die Koeffi­ zienten a_k,i in drei parallel betriebenen Tabellen des Tabellenspeichers 64 zur Verfü­ gung gestellt. Über die Auswahlleitung λ_i werden jeweils drei Koeffizienten mit demsel­ ben Index i ausgelesen und den drei parallel betriebenen Multiplizierern 61 zugeführt. Diese erhalten an ihren zweiten Eingängen parallel das Datenwort eines Bildpunktes S(n,m,λ_i) angeboten und multiplizieren dieses mit den Koeffizienten. Für den ersten Spektralauszug mit dem Index 1 werden die drei damit erhaltenen Werte, die den drei Werten der ersten Spalte aus dem obigen Gleichungssystem entsprechen, parallel in den drei Ebenen des Bildspeichers 63 gespeichert, nachdem dieser zu Beginn vollstän­ dig auf Null gesetzt wurde. Entsprechend wird für alle Bildpunkte des ersten Spektral­ auszuges verfahren. Für den nächsten Spektralauszug werden die Koeffizienten aus den Tabellen 64 entsprechend umgeschaltet und damit neue Werte Bildpunkt für Bild­ punkt am Ausgang der Multiplizierer 61 gebildet. Gleichzeitig werden dann die schon für jeden Bildpunkt vorher gespeicherten Daten über die Leitungen 601 bis 603 wieder aus dem Speicher 63 ausgelesen und über die drei Addierer 62 zu den neu gebildeten Werten an den Ausgängen der Multiplizierer addiert. Die Anordnung des Speichers 63 mit dem Addierer 62 bildet damit eine Akkumulatoreinheit für die einzelnen Zeilen des obigen Gleichungssystems. Nach Aufnahme aller Spektralauszüge eines Farbbildes sind dann die drei Farbsignale durch Echtzeitakkumulation errechnet und in den drei Speicherebenen des Speichers 63 gespeichert.

Es ist vorteilhaft, den Koeffizientenspeicher 64 in der Umrechnungseinheit so auszubil­ den, daß mehrere Koeffizientensätze für die Bildung verschiedener unabhängiger Farb­ werte wie z. B. wahlweise RGB- oder XYZ-Werte gebildet werden können. Diese kön­ nen mit der Auswahlleitung 810 selektiert werden.

Im Ausführungsbeispiel nach Fig. 16 wird diese Rechen- und Akkumulatoreinheit zur Echtzeitakkumulation von drei unabhängigen Farbsignalen während der Aufnahme der Spektralauszüge benutzt. Sie ermöglicht eine Ausführungsform mit geringerem Auf­ wand an Bildspeichern und ermöglicht damit eine Realisierung des Multispektralverfah­ rens ohne erheblichen Mehraufwand verglichen mit dem bekannten Dreibereichsver­ fahren. Zusätzlich wird dabei eine Weißwerteicheinheit 4* eingeschaltet. Da für die ein­ zelnen Spektralaufnahmen einer Weißbildeichung hier keine I Speicherebenen mehr vorgesehen sind, muß die Weißvorlage 18 in der Abtasteinheit 1 vor jeder neuen Auf­ nahme eines Spektralauszuges des Farbbildes 11 eingeschoben werden. Danach wer­ den bei gleicher Stellung des gewählten Spektralfilters 14 zuerst eine Weißbildaus­ zugsaufnahme und dann eine Farbbildauszugsaufnahme gemacht. Die Signale des Weißbildauszuges werden in der Einheit 4* bei Stellung des Wahlschalters 41* in Stel­ lung W in einem Bildspeicher mit n×m Speicherstellen abgelegt. Bei der anschließen­ den Aufnahme des Spektralauszuges für das Farbbild werden diese Eichwerte dann Bildpunkt für Bildpunkt wieder ausgelesen und zur Division der einlaufenden Farbbild­ auszugswerte (Schalter 41* in Stellung λ_i) benutzt. Dies geschieht über die Bildung ihres Reziprokwertes in der Einheit 45* und den Multiplizierer 42*.

Je nach verwendetem Aufbau der schmalbandigen Spektralfilter 14 in der Aufnahme­ einheit 1 kann ein noch nicht berücksichtigter Fehler dadurch auftreten, daß sich die spektralen Transmissionskurven der Filter mit dem Winkel der transmittierten Licht­ strahlung verändern. Ein solcher Fehler tritt typisch z. B. bei Interferenzfiltern auf und bewirkt eine Verschiebung der Mittenfrequenz und eine Veränderung der spektralen Bandbreite. Die für die Berechnung der Koeffizienten a_k,i im Koeffizientenspeicher wichtigen Mittelwerte der Wellenlänge der Transmissionskurven können sich damit langsam mit dem Ort eines Bildpunktes von der Bildmitte zum Rand hin verändern. Veränderten mittleren Wellenlängen müßten dann veränderte Koeffizienten zugeordnet werden, um eine farbmetrisch richtige Umrechnung in unabhängige Farbkomponenten F1 bis F3 durchzuführen. Im Ausführungsbeispiel der Einheit 6 in Fig. 16 ist daher vorgesehen, mit einer Anzahl von gleichmäßig über die Bildfläche verteilten Stützstel­ len (z. B. in Feldern von je 16×16 Bildpunkten gemittelt) die Umrechnungskoeffizien­ ten entsprechend anzupassen. Der Koeffizientenspeicher 64 besitzt dazu so viele Spei­ cherebenen wie Stützstellen gewählt wurden, also z. B. (m×n)/Z bei n Zeilen, m Spal­ ten und gemittelten Stützpunkten über jeweils Z Bildelemente. Die Stützpunktadressen können einfach durch Verkürzung der Bildpunktadressen um eine gewählte Zahl der niederwertigsten Stellen als Adressen für das Umschalten der Koeffizientensätze ver­ wendet werden. Dies ist durch die zusätzliche Auswahlleitung 802* mit Zuführung ver­ kürzter Bildpunktadressen in Fig. 16 angedeutet.

Moderne CCD-Bildsensoren zusammen mit der erfindungsgemäßen Struktur der Echt­ zeit-Speicher-, Korrektur- und Auswerteeinheiten ermöglichen eine hohe Geschwindig­ keit zur Aufnahme jedes Spektralkanales. Typisch können heute 1000×1000 Bildpunk­ te in Bruchteilen einer Sekunde abgetastet, korrigiert und gespeichert werden. Mit auto­ matisierter Mechanik für das Wechseln der Spektralfilter bzw. einer Weißbildvorlage ist für 32+1 Aufnahme nach dem Ausführungsbeispiel nur eine Zeit von ca. 1 bis 2 Minu­ ten erforderlich, was noch unter den Abtast- und Farbbildaufnahmesystemen mit Trom­ mel- oder Zeilenscanner liegt.

Literaturverzeichnis

/1/ Patentschrift: DE 28 44 158 C3
Verfahren zur Reproduktion von Originalvorlagen welche bezüglich ihres Farbgehaltes nach einem Dreibereichsverfahren abgetastet werden.
/2/ M. Richter	Einführung in die Farbmetrik, 2. Aufl. Berlin, New York: de Gruyter 1980.
/3/ F. W. Vorhagen	Über die farbvalenzmetrische Optimierung der Farbwiedergabeeigenschaften elektronischer Reproduktionssysteme, Dissertation, RWTH-Aachen, 1978.

Claims (5)

1.Farbbildaufnahmesystem mit einer Bildabtasteinheit als Trommelscanner mit optoelek­ tronischem Detektor, CCD-Zeilenscanner oder Halbleiterflächensensor, einer elektroni­ schen Aufbereitungs- und Digitalisierungseinheit zur Gewinnung von digitalen Bild­ punktsignalen und einer Auswerteelektronik mit Schwarzwert- und Weißwertkorrektur sowie elektronischen Bildspeichern, dadurch gekennzeichnet, daß die Bildabtasteinheit eine Anzahl von I»3 schmalbandigen Spektralfiltern mit über den gesamten sichtbaren Spektralbereich verteilten mittleren Wellenlän­ gen und ein Schwarzfilter enthält, die in den optischen Strahlengang zwischen dem abzutastenden Farbbild und dem optoelektronischen Detektor einbringbar sind und die Farbbildvorlage elektronisch gesteuert durch eine strukturlose Weißbildvorlage ersetzbar oder überdeckbar ist und mit dieser Einheit für n×m Bildpunkte des Farbbildes eine Schwarzbildaufnahme, I Spektralauszüge mit über den gesamten sichtbaren Bereich verteilten spektralen Abtastwerten der Farbbildvorlage und I Spektralauszüge mit über den gesamten sichtbaren Be­ reich verteilten Abtastwerten der Weißbildvorlage aufgenommen werden und in der elektronischen Auswerteeinheit daraus für alle n×m Bildpunkte geeichte spektrale Abtastwerte gebildet und entweder in I Speicherebenen gespeichert und/oder nach Bewertung mit bestimmten Koeffizienten durch Akkumulation in drei Bildspeicherebenen pro Bildpunkt daraus drei unabhängige Farbwertsigna­ le abgeleitet und gespeichert werden.

2. Farbbildaufnahmesystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die elektronische Auswerteeinheit einen Bildspeicher mit I parallelen und selektiv beschreibbaren und auslesbaren Speicherebenen für die Speicherung von I Spektralauszugsbildern, einen wahlweise überbrückbaren Multiplizierer und ei­ ne elektronische Einheit zur Bildung der Reziprokwerte ausgelesener Bildpunkt­ informationen besitzt und damit bei überbrücktem Multiplizierer I Spektralauszü­ ge der Weißbildvorlage aufgenommen und gespeichert werden und anschlie­ ßend I Spektralauszüge der Farbbildvorlage aufgenommen werden, deren Bild­ punktinformationen durch die aus dem Speicher wieder augelesenen Werte der Weißbildvorlage dividiert und in den Bildspeicher überschrieben werden.

3. Farbbildaufnahmesystem nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß am Ausgang der Bildspeicherebenen eine weitere elektronische Auswerte­ einheit mit Multiplizierer und Koeffizientenspeicher angeschlossen ist, mit der beim Auslesen der Spektralauszüge aus den Speicherebenen des Bildspei­ chers die Spektralwerte zur Umrechnung auf bestimmte Wiedergabebezugs­ lichtquellen mit bestimmten Koeffizienten bewertet werden, und daß der Koeffi­ zientenspeicher mehrere auswählbare Speicherebenen besitzt, in denen die Koeffizientensätze für unterschiedliche Bezugslichtquellen gespeichert sind.

4. Farbbildaufnahmesystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die elektronische Auswerteeinheit eine Weißwerteichvorrichtung mit einer Weiß­ wert-Bildspeicherebene und einer elektronischen Schaltung zur Division von Spektralbildpunktsignalen einer Farbvorlage mit den aus dem Weißwert-Bild­ speicher ausgelesenen Werten enthält, vor jeder Spektralaufnahme einer Farb­ bildvorlage ein Spektralauszug der Weißbildvorlage aufgenommen und damit der anschließend aufgenommene Spektralauszug der Farbbildvorlage für jeden der n×m Bildpunkte durch Division geeicht wird, die geeichten Spektralwerte in einer weiteren Auswerteeinheit in drei parallelen Kanälen in Echtzeit mit be­ stimmten Koeffizienten aus einem Koeffizientenspeicher multipliziert werden und diese Werte in drei parallelen Bilspeicherebenen aufakkumuliert werden, um damit drei unabhängige Farbwertsignale wie z. B. RGB- oder XYZ-Signale zu bilden.

5. Farbbildaufnahmesystem nach Anspruch 1 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Koeffizientenspeicher in der weiteren Auswerteeinheit durch verkürzte Bildpunktadressen umschaltbare Ebenen mit unterschiedlichen Koeffizienten­ sätzen enthält und damit vom Ort der Farbbildvorlage abhängige Verschiebun­ gen der spektralen Lage der Abtastwerte korrigiert werden.