DE4129656C2 - Wiedergabevorrichtung für Videosignale auf einem Monitor - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Wiedergabevorrichtung zur Wieder­ gabe von Videosignalen auf einem Monitor, die eine mit dem Monitor verbundene Schaltung zur Transformation von Grauwerten eines Videosignals aufweist, an die eine Recheneinheit angeschlossen ist. Derartige Wiedergabe­ vorrichtungen können beispielsweise bei Röntgendiagnostik­ einrichtungen Verwendung finden, die einen Bildwandler zur Umwandlung des Röntgenbildes in eine elektrische Signalfolge, ein Videosignal, aufweisen. Ein derartiger Bildwandler kann beispielsweise eine Fernsehkamera oder eine Speicherfolie sein.

Diese analogen Videosignale werden im allgemeinen in einem Analog/Digital-Wandler (A/D-Wandler) dadurch in digitale Werte umgesetzt, daß das Röntgenbild in verschiedene Bildpunkte (Pixel) zerlegt wird, denen verschiedene digitale Grauwerte zugeordnet werden. In einer Wiedergabevorrichtung kann das digitale Videosignal verarbeitet werden und über einen Digital/Analog-Wandler (D/A-Wandler) auf einem Monitor als sichtbares Bild wiedergegeben werden.

Damit am Monitor ein über den gesamten Bildbereich, der diagnostisch relevante Informationen beinhaltet, kontrastreiches Bild erhalten wird, sollten dem D/A-Wandler im interessierenden Bildbereich der gesamte Bereich der Grauwerte angeboten werden, d. h. seine volle Dynamik ausgenutzt werden. Dies ist aber normalerweise nicht erfüllt, da beispielsweise der Bildwandler unterschiedlich aus­ gesteuert wird, so daß der Dynamikbereich des A/D-Wandlers nicht optimal ausgenutzt werden kann.

Weiterhin wird in der Röntgendiagnostik üblicherweise mit Bleieinblendungen gearbeitet, so daß die dunkelste Stelle außerhalb des interessierenden Bildbereiches liegt. Bei Röntgenaufnahmen, beispielsweise des Schädels oder der Extremitäten, kommt es zu Überstrahlungen im Bildbereich, die zu Flächen maximaler Helligkeit führen, jedoch keine diagnostischen Informationen tragen.

Um eine optimierte Grauwertdarstellung zu erreichen, werden alle Pixel des Videosignals, bevor sie zum D/A-Wandler geführt werden, derart verstärkt bzw. gefenstert, daß der interessierende Grauwertbereich auf den vollen Hellig­ keitsbereich des Bildmonitors gespreizt wird. Grauwerte des Videosignals, die außerhalb dieses Fensters liegen, werden nur noch als schwarz oder weiß am Bildmonitor dargestellt.

In der US 48 27 492 ist eine derartige Vorrichtung zur Fensterung beschrieben, bei der zwei Bedienelemente zur Einstellung des Fensters vorgesehen sind. Dabei wird mit dem einen Bedienelement die Fensterbreite und mit dem anderen die Fenstermitte, die obere oder die untere Fen­ stergrenze eingestellt. Nachteilig hierbei ist, daß eine aufwendige Justierung vorgenommen werden muß, bei der wechselweise mit beiden Bedienelementen eine Optimierung des Bildes vorgenommen wird. Reproduzierbare Bildergebnisse sind so jedoch nur schwer erzielbar. Dies ist jedoch insbesondere für eine in ihrer Qualität konstant zu haltende Hardcopy-Dokumentation beispielsweise auf einem Film erforderlich.

Aus der US 4 833 625 ist eine Bildsichtstation für PACS bekannt, bei der die aus einem Basisspeicher ausgelesenen Daten einer Subtraktionsstufe zugeführt werden können, deren Ausgang mit einer LUT und einer Histogrammschaltung verbunden ist. Die Parameter der LUT lassen sich zwar durch eine CPU aufgrund eines gewünschten einstellbaren Kontrastes beeinflussen. Eine optimale, allen Gegeben­ heiten angepaßte Einstellung kann nicht oder nur schwer erreicht werden.

In der US 5 046 118 ist ein digitales Bildsystem be­ schrieben, bei dem die Eingangsgrauwerte eines Video­ signals eines Röntgengerätes in ein sichtbares Bild umgewandelt werden, wobei der Grauwertbereich der Ein­ gangssignale nicht gleich dem der Ausgangssignale ist. Zur Anpassung beider Bereiche kann zuerst ein Histogramm er­ zeugt werden, aufgrund dessen ein den Hintergrund reprä­ sentierender Wert berechnet wird. Durch eine nachfolgende Bestimmung eines interessierenden Bereiches (ROI) kann eine Veränderung der Parameter einer angeschlossenen LUT erfolgen. Eine optimale Einstellung jedoch kann nicht er­ reicht werden, da nicht alle Bereiche berücksichtigt werden.

Die Erfindung geht von der Aufgabe aus, eine Wiedergabe­ vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, die es ermöglicht, eine optimale Grauwertfensterung automatisch durchzuführen, bei der interessierende Bildbereiche sowie Minimal- und Maximalwerte fehlerfrei erkannt und berück­ sichtigt werden.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Recheneinheit derart ausgebildet ist, daß Statistikaus­ wertungen der Grauverteilungen in bestimmten Bildbereichen (ROIs) einzeln und unabhängig voneinander durchgeführt werden, daß nur diejenigen Bildbereiche ausgewählt werden, bei denen die Statistikauswertung einen eine Schwelle überschreitenden Wert liefert, daß die Recheneinheit auf­ grund einer der Statistikauswertungen die Transformation von Grauwerten derart neu berechnet, daß bei der Wieder­ interessierenden Bereiches vollständig ausgenutzt wird, und daß der Schaltung die errechneten korrigierten Werte für die Transformation zugeführt werden. Mit Hilfe der Recheneinheit, die einen wahlfreien Zugriff auf das Video­ signal hat, wird eine statistische Verteilung der Grauwerte der einzelnen Bildpunkte untersucht. Aufgrund dieser Statistikauswertung kann dann die Grauverteilung durch die Schaltung neu vorgenommen werden, so daß der Dynamikbereich des Monitors, d. h. sämtliche auf dem Monitor erkenn­ baren Grauwertstufen, vollständig ausgenutzt wird. Durch die Unterteilung in diese bestimmten Bildbereiche (ROIs) mit definierter Anzahl, Größe und Lage kann die statistische Verteilung der Grauwerte einzeln und unabhängig voneinander untersucht werden. Die Lage und Form der Bildbereiche ist dabei so gewählt, daß sie entweder nur ganz innerhalb oder ganz außerhalb einer Ein- oder Überblendung liegen.

Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die Recheneinheit derart ausgebildet ist, daß die Statistikauswertung Mittelwerte, Standardabweichungen, Minimal- und/oder Maximalwerte der Grauwerte liefert. Dabei hat es sich als zweckmäßig erwiesen, wenn die Recheneinheit derart aus­ gebildet ist, daß nur diejenigen Bildbereiche ausgewählt werden, bei denen die Statistikauswertung einen eine Schwelle überschreitenden Wert liefert. Dadurch wird er­ reicht, daß nur die Bildbereiche zur weiteren Auswertung herangezogen werden, deren Mittelwerte und Standard­ abweichungen bestimmte vordefinierte oder automatisch be­ stimmte Schwellen überschreiten. Bei Unterschreitung dieser Schwellen wird angenommen, daß dieser Bereich in einer Einblendung liegt, so daß er für die weitere Aus­ wertung nicht verwendet wird. Aus den übrigen Bildbereichen erhält man je einen Minimal- und Maximalwert. Der kleinste Minimal- und der größte Maximalwert aller Bereiche sind dann der absolute Minimal- und Maximalwert, aus denen die Parameter für die Grauwerttransformation ermittelt werden.

Pixelfehler oder anderer Bildfehler werden nicht als Extremwerte erkannt, wenn die Recheneinheit derart aus­ gebildet ist, daß sie eine integrale Bestimmung der Minimal- und Maximalwerte bewirkt. Diese integrale Bestimmung kann in vorteilhafter Weise erfolgen, wenn die Recheneinheit derart ausgebildet ist, daß zur Statistikauswertung ein Histogramm ermittelt wird.

Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, wenn das Videosignal einem Bildspeicher zugeführt wird, der mit der Recheneinheit verbunden ist, wenn der Bildspeicher und die Recheneinheit über eine Schaltvorrichtung mit einer Look-Up-Table verbunden sind, die die Transformation des Videosignals bewirkt und zur Wiedergabe des transformierten Videosignals an dem Monitor angeschlossen ist, und wenn die Recheneinheit mit der Look-Up-Table verbunden ist, die eine Korrektur der in der Look-Up-Table gespeicherten Werte für die Transformation aufgrund der Statistikauswertung bewirkt.

Die Erfindung ist nachfolgend anhand eines in der Zeichnung dargestellten Beispieles näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 eine Röntgendiagnostikeinrichtung gemäß dem Stand der Technik,

Fig. 2 die erfindungsgemäße, in Fig. 1 dargestellte Wieder­ gabevorrichtung,

Fig. 3 bis 5 Kennlinien der Grauwerttransformation der er­ findungsgemäßen Wiedergabevorrichtung zur Erläuterung der Erfindung,

Fig. 6 Histogramm zur Ermittlung der integralen Minimal- und Maximalwerte und

Fig. 7 Lage der interessierenden Bildbereiche (ROI).

In Fig. 1 ist eine von einem Hochspannungsgenerator 1 betrie­ bene Röntgenröhre 2 dargestellt, die ein Röntgenstrahlenbündel erzeugt, das einen Patienten 3 durchdringt. Durch die unter­ schiedlichen Schwächungskoeffizienten des Gewebes und der Kno­ chen des Patienten 3 wird ein Strahlungsbild erzeugt, das auf den Eingangsleuchtschirm eines Röntgenbildverstärkers 4 fällt. Dieser gibt auf seinem Ausgangsleuchtschirm ein verkleinertes und in seiner Intensität verstärktes sichtbares Bild wieder, das durch eine Fernsehkamera 5 erfaßt und in Videosignale um­ gesetzt wird. Die Videosignale werden einer Wiedergabeschal­ tung 6 zugeführt, die beispielsweise eine Fensterung der von der Fernsehkamera 5 gelieferten Videosignale bewirkt. Die Aus­ gangssignale der Wiedergabevorrichtung 6 werden mittels eines Monitors 7 wiedergegeben. Eine Steuerschaltung 8 erzeugt Takt­ signale und bewirkt die Synchronisation der gesamten Fernseh­ kette 5 bis 7.

In Fig. 2 ist eine erfindungsgemäße Wiedergabeschaltung 6 dar­ gestellt. Das Ausgangssignal der Fernsehkamera 5 wird einem A/D-Wandler 9 zugeführt, dessen digitales Ausgangssignal in einem Bildspeicher 10 bildpunktweise eingelesen wird. An dem Bildspeicher 10 ist eine Recheneinheit 11 angeschlossen, die eine Statistikauswertung der in dem Bildspeicher 10 enthalte­ nen Daten bewirkt. Zu diesem Zwecke werden über eine Adreßlei­ tung 15 von der Recheneinheit 11 bestimmte, den Pixeln zuge­ ordnete Speicherplätze aufgerufen, deren gespeicherte Daten über eine Datenleitung 16 der Recheneinheit 11 zugeführt wer­ den, die daraus, wie noch beschrieben wird, die Statistikaus­ wertung durchführt. An dem Bildspeicher 10 und der Rechenein­ heit 11 ist über eine Datenleitung 17 und eine Adreßleitung 18 eine Schaltvorrichtung 12 angeschlossen, die entweder den Bildspeicher 10 oder die Recheneinheit 11 mit dem Adreßeingang einer Schaltung zur Transformation von Grauwerten des Videosi­ gnales, beispielsweise einer Look-Up-Table 13, verbindet. Der Dateneingang der Look-Up-Table 13 ist weiterhin über eine Da­ tenleitung 19 mit der Recheneinheit 11 verbunden. Am Datenaus­ gang der Look-Up-Table 13 ist ein D/A-Wandler 14 angeschlos­ sen, der mit dem Monitor 7 zur Wiedergabe des analogen, trans­ formierten Videosignals verbunden ist.

Anhand der Fig. 3 bis 5 wird nunmehr die Funktionsweise der Look-Up-Table 13 erläutert. Als Beispiel wird dabei angenom­ men, daß die digitalen Grauwerte eine Tiefe von 8 Bit aufwei­ sen, so daß sich für jedes Pixel Grauwerte zwischen 0 und 255 ergeben. Diese können nun linear wiedergegeben werden, wie es in Fig. 3 dargestellt ist. Dort ist jedem der Eingangswerte 0 bis 255 der gleiche Ausgangswert 0 bis 255 zugeordnet. Das bedeutet, daß in der Look-Up-Table 13 eine Gerade gespeichert ist. Wie aber bereits erwähnt, ist eine derartige Gradlinig­ keit nicht unbedingt erwünscht, da im interessierenden Bildbe­ reich eventuell diese Dynamik an Grauwerten zwischen 0 und 255 nicht vorhanden ist.

Wiederum als Beispiel wird angenommen, daß im interessierenden Bildbereich die Grauwerte einen Wert zwischen 100 und 200 an­ nehmen, wie dies in Fig. 4 dargestellt ist. Will man in diesem Bereich eine gradlinige Transformation der Grauwerte bewirken, so erhält man die in Fig. 4 gezeigte Gerade, wobei die Eingangs­ werte unter 100 den Wert 0 und die Eingangswerte über 200 Aus­ gangswerte von 255 repräsentieren. Innerhalb des Eingangswert­ bereiches von 100 bis 200 liegt die Gerade, die eine Zuordnung der Eingangswerte auf die Ausgangswerte von 0 bis 255 bewirkt.

Anstelle einer geradlinigen Verteilung innerhalb des interes­ sierenden Bereiches kann auch eine Verteilung mit mehreren Geraden unterschiedlicher Steigung oder eine in Fig. 5 darge­ stellte S-förmige Kennlinie Verwendung finden. Auch hier gilt, daß dem Bereich der Eingangswerte zwischen 100 und 200 die Ausgangswerte 0 bis 255 zugeordnet sind. Im Randbereich des Ausgangssignales zum Schwarz- bzw. Weißwert hin weist diese Kurve eine geringe Steigung, während sie im mittleren Bereich eine große Steigung aufweist, so daß in diesem Bereich die Kontraste besonders verstärkt werden.

Derartige Kennlinien können nun in der Look-Up-Table 13 ge­ speichert sein. Sollte diese Kennlinie jedoch nicht optimal sein, so können, von der Recheneinheit 11 gesteuert, diese Werte korrigiert werden. Dies wird dadurch erreicht, daß mit Hilfe der Recheneinheit 11, die wahlfrei auf den Bildspeicher 10 zugreifen kann, zunächst bestimmte Bildbereiche (ROIs) in definierter Anzahl, Größe und Lage einzeln und unabhängig voneinander auf die statistische Verteilung ihrer Grauwerte hin untersucht werden. Die Lage und Form dieser Bildbereiche ist so gewählt, daß sie entweder nur ganz innerhalb oder nur ganz außerhalb einer Ein- oder Überblendung liegen können. Die Statistikauswertung liefert für jeden einzelnen Bildbereich den Mittelwert, die Standardabweichung, den Minimal- und Ma­ ximalwert der Menge an Grauwerten.

Dabei werden nur die Bildbereiche zur weiteren Auswertung her­ angezogen, deren Mittelwerte und Standardabweichungen Schwell­ werte überschreiten, die entweder vorher festgelegt oder auto­ matisch bestimmt werden können. Bei Unterschreitung dieser Schwellwerte wird angenommen, daß dieser Bildbereich innerhalb einer Einblendung liegt, da eine große Absorption einen gerin­ gen Mittelwert und eine homogene Struktur eine geringe Stan­ dardabweichung erzeugt. Ein derartig erkannter Bildbereich wird für die weitere Auswertung nicht berücksichtigt. Aus den übrigen Bildbereichen erhält man je einen Minimal- und Maximal­ wert. Der kleinste Minimalwert und der größte Maximalwert al­ ler Bereiche sind dann der absolute Minimal- und Maximalwert, aus denen die Parameter für die Grauwerttransformation bestimmt werden können.

Um nicht Pixelfehler oder andere Fehler als Extremwerte zu er­ kennen, werden bei der Statistikauswertung der Grauwerte Maxi­ mal- und Minimalwerte nicht absolut, sondern integral bestimmt. Hierzu wird für die Grauwerte eines Bildbereiches zunächst durch die Recheneinheit 11 ein Histogramm erzeugt, das bei­ spielsweise in Fig. 6 dargestellt ist. Somit erhält man die Häufigkeit n der einzelnen Grauwerte G. Um den integralen Mi­ nimalwert zu erhalten, summiert die Recheneinheit 11 im Histo­ gramm beginnend bei dem Grauwert G=0 die Häufigkeit n mit ansteigendem Grauwert auf. Der Grauwert G, bei dem die Summe eine bestimmte Schwelle überschreitet, wird als integraler Minimalwert angenommen. Analog geht man bei der Bestimmung des integralen Maximalwertes aus. Es wird bei dem Grauwert G von 255 begonnen und eine Integration zu geringeren Grauwerten G zu durchgeführt. Somit kann ausgeschlossen werden, daß Pixel­ fehler, die beispielsweise bei den Grauwerten 50, 80, 230, 250 und 255 dargestellt sind, oder andere Bildfehler bei der Aus­ wertung nicht berücksichtigt werden, da die Häufigkeit ihres Auftretens meist sehr gering ist.

Die derart bestimmten Extremwerte dienen als Grenzwerte für die Grauwerttransformation und können in Mittelwert und Breite des resultierenden Grauwertfensters umgerechnet werden. Aus den oben angeführten Histogrammen kann für eine S-förmige Trans­ formation die optimale funktionelle Form der Transformation bestimmt werden. Diese liegt im angegebenen Beispiel zwischen 100 und 200, so daß die in Fig. 5 dargestellte Kurve verwendet werden kann.

Hierzu wird nach der Ermittlung des Histogramms und der Mini­ mal- und Maximalwerte durch die Recheneinheit 11 über die Da­ tenleitung 19 die durch die Recheneinheit 11 ermittelten Werte für die S-förmige Kurve der Look-Up-Table 13 zugeführt. Die Schaltvorrichtung 12 wird derart umgeschaltet, daß durch die Adreßleitung 18 dabei die richtige Zuordnung der einzelnen Daten gewährleistet wird. Anschließend wird die Schaltvorrich­ tung 12 wieder umgeschaltet, so daß der Bildspeicher 10 über die Datenleitung 17 mit der Look-Up-Table 13 verbunden ist. Dann wird das in den Bildspeicher 10 enthaltene digitale Video­ signal ausgelesen, durch die Look-Up-Table 13 umgesetzt und über den D/A-Wandler 14 auf dem Monitor 7 mit optimaler Grau­ wertfensterung dargestellt, so daß die ROIs mit optimalen Kon­ trast wiedergegeben werden.

Anstelle einer einzelnen Recheneinheit 11, die die einzelnen Statistikauswertungen nacheinander durchführt, können auch verschiedene Schaltungen vorgesehen sein, die getrennt und pa­ rallel die Mittelwerte, Standardabweichungen, Minimal- und/oder Maximalwerte der Grauwerte ermitteln. Auch die Histogrammaus­ wertung kann durch eine getrennte Schaltung durchgeführt wer­ den. Durch eine in der Recheneinheit 11 angeordnete Schwell­ wertschaltung kann die Unterdrückung der unterhalb einer Schwelle liegenden Bildbereiche durchgeführt werden.

In Fig. 7 ist die Lage und Form der interessierenden Bildberei­ che (ROIs) dargestellt. Zur Erfassung der ROIs ist eine kreuz­ förmige Anordnung von Detektoren 20 vorgesehen, die zur Erken­ nung von Einblendungen und Überstrahlungen herangezogen werden können und im interessierenden Bildbereich Grauwert-Unter- so­ wie Obergrenzen liefern. Die Breite dieser Detektoren 20 soll­ te nicht größer als ein oder zwei Pixel sein, um eindeutig im nicht eingeblendeten oder nicht eingestrahlten Bereich zu lie­ gen. Die Einblendungen 21 sind in Richtung der Pfeile 22 ver­ schiebbar. Dies kann durch die Blendenplatten einer Primär­ strahlenblende erfolgen.

Claims (5)

1. Wiedergabevorrichtung zur Wiedergabe von Videosignalen auf einem Monitor (7), die eine mit dem Monitor (7) ver­ bundene Schaltung (13) zur Transformation von Grauwerten eines Videosignals aufweist, an die eine Recheneinheit (11) angeschlossen ist, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Recheneinheit (11) derart aus­ gebildet ist, daß Statistikauswertungen der Grauverteilungen in bestimmten Bildbereichen (ROIs) einzeln und unabhängig voneinander durchgeführt werden, daß nur die­ jenigen Bildbereiche ausgewählt werden, bei denen die Statistikauswertung einen eine Schwelle überschreitenden Wert liefert, daß die Recheneinheit (11) aufgrund einer der Statistikauswertungen die Transformation von Grauwerten derart neu berechnet, daß bei der Wiedergabe auf dem Monitor (7) der Dynamikbereich innerhalb eines interes­ sierenden Bereiches vollständig ausgenutzt wird, und daß der Schaltung (13) die errechneten korrigierten Werte für die Transformation zugeführt werden.

2. Wiedergabevorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Recheneinheit (11) derart ausgebildet ist, daß die Statistikauswertung Mittel­ werte, Standardabweichungen, Minimalwerte und/oder Maximalwerte der Grauwerte liefert.

3. Wiedergabevorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Recheneinheit (11) derart ausgebildet ist, daß sie eine integrale Bestimmung der Minimal- und Maximalwerte bewirkt.

4. Wiedergabevorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Recheneinheit (11) derart ausgebildet ist, daß zur Sta­ tistikauswertung ein Histogramm ermittelt wird.

5. Wiedergabevorrichtung nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Videosignal einem Bildspeicher (10) zugeführt wird, der mit der Recheneinheit (11) verbunden ist, daß der Bildspeicher (10) und die Recheneinheit (11) über eine Schaltvorrichtung (12) mit einer Look-Up-Table (13) verbunden sind, die die Transformation des Videosignals bewirkt und zur Wiedergabe des transformierten Videosignals an dem Monitor (7) angeschlossen ist, und daß die Recheneinheit (11) mit der Look-Up-Table (13) verbunden ist, die eine Korrektur der in der Look-Up-Table (13) gespeicherten Werte für die Transformation aufgrund der Statistikauswertung bewirkt.