WO2014012694A1 - Multifokale darstellungsvorrichtung und multifokales darstellungsverfahren zum dreidimensionalen darstellen eines objektes - Google Patents

Multifokale darstellungsvorrichtung und multifokales darstellungsverfahren zum dreidimensionalen darstellen eines objektes Download PDF

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WO2014012694A1
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focal planes
dimensional
digital imaging
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PCT/EP2013/060921
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Daniel Bublitz
Enrico Geissler
Tobias Breuninger
Norbert Kerwien
Christoph Nieten
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Carl Zeiss Ag
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    • G06T15/20—Perspective computation
    • G—PHYSICS
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Definitions

  • the present invention relates to a multifocal display device according to the preamble of claim 1 and to a multifocal display method for three-dimensional presentation of an object according to the preamble of claim 13.
  • Such a multifocal imaging device and such a multifocal imaging method are known from US 5,880,711.
  • a multifocal Since the two-dimensional images are generated in at least two different focal planes, for a viewer, the contrast decreases in comparison with the representation of a single image, wherein the reduction of the contrast increases sharply with the number of focal planes. Based on this, it is therefore an object of the invention, a multifocal
  • the object is achieved in a multifocal display device of the type mentioned in that the control unit for each displayed two-dimensional image sections determines a sharpness value and sets the image data for the image sections to dark, the sharpness value is outside a predetermined for the image sharpness range.
  • the control unit can generate image data of the object in the image sections in which the corresponding sharpness value lies within the sharpness value range predetermined for the image. As a result, only the sharp image sections (light) are displayed in the respective focal plane, provided that image information is available in the sharp image sections.
  • the digital imaging module preferably generates the two-dimensional images in such a way that it can perceive a viewer as a virtual image.
  • the sharpness value range for each image may be the same for the different focal planes. However, it is also possible that it is different for images of different focal planes.
  • the sharpness value range may have a first limit value, with a sharpness value lying outside the predetermined sharpness value range then being present when the limit value is exceeded or fallen short of.
  • the digital imaging module may include a digital imager and detection optics, the detection optics representing the imager to a viewer time sequentially in different focal planes.
  • the detection optics a variable optical element, such as a liquid lens, optics with variable focus (eg classic sliding focus) and / or two non-plane-parallel elements have, the opposite surfaces are complementary to each other, wherein at least one of the elements displaceable transversely to the imaging direction is.
  • the digital imaging module may include a plurality of digital imagers and detection optics that simultaneously display the imagers to a viewer at different focal planes.
  • the digital imagers may have different optical distances to the image plane in which the images are superimposed.
  • the digital imager or the imagers can be designed as planar imagers or so-called light modulators.
  • the digital imager may be in the form of a passive imager or an active imager.
  • the digital imaging module may be configured such that the generated two-dimensional images are multi-colored. For this purpose, it can bring about a time-sequential generation of color sub-images or a simultaneous generation of color sub-images.
  • the digital imaging module may generate the two-dimensional images in at least three different focal planes, the spacing of the focal planes being equidistant or not equidistant.
  • the digital imaging module may additionally present a marker or other information in one of the focal planes and / or in another focal plane that does not coincide with any of the different focal planes in which the two-dimensional images of the object are displayed.
  • the presentation device according to the invention can have a recording module which creates recordings from different object planes of the three-dimensional object to be displayed and feeds them to the control unit.
  • the recording module can be designed, for example, like a recording module of a laser scanning microscope or a light field camera.
  • the control unit is supplied with synthetic image data derived from a computer model.
  • the control unit image data are supplied, which are derived or calculated from an existing image data set (eg stereo image pair or image stack).
  • the display device according to the invention can be designed in particular as a digital surgical microscope.
  • the digital imaging module may comprise a plurality of pixels for generating the two-dimensional images, wherein each pixel intended to represent a non-darkened image portion is associated with exactly one focal plane.
  • a pixel it is also possible for a pixel to be associated with a plurality of the different focal planes for displaying image sections that are not darkened.
  • the control unit can correct the image data to improve the three-dimensional impression. In particular, it may perform a correction to compensate for a magnification change caused by the imaging module.
  • control unit may generate two-dimensional images of the object based on multiple exposures.
  • two-dimensional images with increased depth of focus can be generated in this manner.
  • the multifocal display device may have an insight for a single viewer. It is also possible that it has two views for two viewers, with the digital imaging module being provided for at least one of the two viewers.
  • the control unit can control the digital imaging module so that the images of the object are generated by at least two different object planes in the respective different focal planes.
  • the control unit may further control the optionally provided receiving module.
  • the multifocal imaging device may include another digital imaging module that generates two-dimensional images of the object from at least two different object planes in corresponding different focal planes based on the two-dimensional image data supplied by the control unit so that a viewer can focus with his second eye on the different focal planes, to perceive the displayed object three-dimensionally, wherein the control unit for each determined with the further digital imaging module sections a sharpness value and darkens the image data for the image sections whose sharpness values is outside a predetermined for the image sharpness range, and wherein the control unit Image data for the two digital imaging modules so that the two digital imaging modules offer different perspectives of the object.
  • the object is achieved in a multifocal imaging method of the type mentioned in that for each two-dimensional image to be displayed a sharpness section is determined and the image sections are set to dark in the image formation, the sharpness value is outside a predetermined for the image sharpness range.
  • the multifocal imaging method of the type mentioned can be prevented.
  • the corresponding image information can be used for the representation of the object.
  • the multifocal imaging method can be developed in the same way as the multifocal imaging device according to the invention (including its further development). In particular, it may have the method steps indicated in connection with the description of the multifocal display device according to the invention.
  • Fig. 1 is a schematic representation of an embodiment of the multifocal display device according to the invention.
  • FIG. 4 is a schematic representation of an embodiment of the detection optics 1 1 of the digital imaging module 4.
  • the multifocal imaging device 1 is designed as a digital microscope with a recording module 2, a control unit 3 and a digital imaging module 4.
  • the recording module 2 comprises a receiving optics 5, which is shown here schematically as a lens, and a detector 6, wherein by means of the recording optics different planes of an object to be recorded 7 are focused on the detector 6, e.g. as an area detector (for example, a CMOS or CCD sensor) is formed, can be mapped.
  • an area detector for example, a CMOS or CCD sensor
  • the receiving module 2 does not have to be designed such that a classical imaging of the corresponding object plane 8, 9 on the detector 6 takes place.
  • that can Recording module 2 also be designed as a recording module of a laser scanning microscope.
  • the recording data of the detector 6 are supplied to the control unit 3, which prepares it for the digital imaging module 4.
  • the digital imaging module 4 comprises an imager 10, with which a two-dimensional image to be displayed can be generated, and a detection optical system 1 1, which is embodied here as an eyepiece and with which the imager 10 is imaged so that a viewer (for the here representatively schematically an eye 12 is drawn) can perceive the image generated by the imager 10.
  • the detection optics 1 1 is further designed so that the imager 10 may be for the viewer in different focal planes F1, F2, F3. This is indicated by the two dashed lines positions of the imager 10.
  • the detection optics 1 1 have at least one variable optical element (such as a liquid lens), which can be controlled by means of the control unit 3.
  • the different focal planes F1 -F3 are changed or driven through the detection optics 1 1 so fast that a viewer can not distinguish the individual focal planes F1 -F3 in time.
  • the viewer sees quasi a multifocal end image and can accommodate the different focal planes F1 -F3, so that he can perceive the image generated in the respective focal plane by the imager 10 sharply.
  • focal planes are also visible to which he does not focus directly. However, these appear slightly out of focus, as in natural vision. This is caused by the finite depth of field of the human eye. Due to the multifocal image reproduction, the viewer gets additional depth information because he can distinguish sharp image components from the focal plane of less sharp image components from other focal planes.
  • the viewer different images of the object 7 are presented so that the viewer creates a three-dimensional image impression, since he focused by changing the accommodation state of his eye 12 to apparently different distant sections of the object 7 and thus a three-dimensional Image impression wins. Since the observer always perceives all the images produced in the different focal planes F1 -F3 (the image of the focal plane F2 to which he accommodates, he perceives sharply, the images of the other focal plane F1, F3 he was blurred), would be a normal representation The complete images of the respective object planes 8, 9 lead to a loss of contrast, which increases sharply with the number of different focal planes F1 -F3.
  • the image section or sections are determined Object 7 would perceive sharply.
  • This image section or these image sections are displayed in the desired manner and the remaining image sections of the image to be displayed are not displayed, but set to dark.
  • the sharp image section (s) is shown bright and the remaining image sections are displayed dark.
  • the blurred in the respective focal plane F1 -F3 image sections which are now no longer or dark, no longer lead to an undesirable loss of contrast.
  • the corresponding determination of the sharp image sections and the consequent generation of the image data for the image generation module is carried out by the control unit 3.
  • the image to be displayed for the first focal plane F1 could be the circle shown schematically in FIG. 2A.
  • the sections to be displayed in light are hatched.
  • the non-hatched areas should be displayed dark.
  • the image for the focal plane F2 would then be the circular ring shown in FIG. 2B, whose inner diameter corresponds approximately to the circle diameter of the circle of FIG. 2A.
  • the image to be displayed would be the circular ring according to FIG. 3C, the inner diameter of this circle approximately corresponding to the outside diameter of the annular ring of FIG. 2B.
  • the viewer is given a three-dimensional image impression, since he can seemingly freely accommodate within the displayed image (ie, the images of the different focal planes F1 -F3 produced temporally rapidly one after the other).
  • the digital imaging module 4 may also be designed as a binocular imaging module.
  • a schematic perspective view of such an imaging module 4 is shown in Fig. 3, in turn, the three focal planes F1, F2, F3 (here without imager 1 0) are shown.
  • a corresponding eyepiece optics 1 1 and 1 1' is provided for each eye 12 and 12 'of the observer.
  • the binocular imaging module 4 may in particular be developed such that additionally a perspective stereo impression is provided.
  • the structure of the image forming module 4 shown in FIG. 1 is doubled, so that a separate digital imaging module is provided for each stereo channel (each eye) and one can offer different perspectives for the two stereo channels, but each in the manner described be presented as a multifocal final image.
  • the user is provided with both the depth stimulus that results from accommodating and the depth stimulus due to the stereo vision.
  • known methods can be used to determine a sharpness value in sections or locally. A section may then be defined as a sharp and thus to be displayed section if the corresponding sharpness value is within a predetermined sharpness value range.
  • the section is to be displayed as a blurred section dark.
  • the method of local definition of sharpness described in Forster et al., "Complex Wavelets for Extended Depth-of-Field: A New Method for the Fusion of MultiChannel Microscopy Images", Microscopy Research and Technique 65: 33-42 (2004) be used by discrete wavelet transform.
  • the determination of the sharpening values can be carried out by a local evaluation of the parallax shift, similar to a conventional camera autofocus sensor. In this case, a local correlation or an evaluation of the optical flow between the stereo channels can be performed.
  • image components from different object planes 8, 9 can be displayed in corresponding image planes (focal planes F1-F3), whereby only those image parts which are in focus are shown.
  • Non-sharp image components are not displayed, so that for these image components, the imager 10 represents a dark or a black value.
  • no disturbing light is generated in the non-sharp image portions, which can reduce the in-image contrast in the individual image and in particular in the multifocal final image.
  • the observer can thus refocus in the displayed image, resulting in a three-dimensional image impression for him. At the same time no undesirable loss of contrast occurs.
  • focal planes F1, F2 and F3 have been represented by the digital imaging module 4.
  • two or more than three different focal planes can also be displayed.
  • e.g. four to ten different focal planes are shown.
  • At least one tilting mirror matrix, an LCD module or another planar light modulator can be used as the imager 10, in which case, of course, the corresponding illumination source is also provided.
  • the imager 10 may thus be a passive imager.
  • the imager 10 is an active imager that does not require a separate illumination source.
  • Such areal (passive or active) imagers 10 generally have pixels arranged in rows and columns that can be controlled independently of each other.
  • the detection optics 11 can also be designed as optics with variable focus (for example, classical sliding focus).
  • the surfaces 1 6, 17 can thereby e.g. satisfy the equation of an nth degree polynomial, where n can be an integer greater than or equal to 3.
  • n can be an integer greater than or equal to 3.
  • This positional shift which does not correspond to the normal visual impression, can be counteracted by a corresponding digital correction of the image data.
  • a corresponding size adaptation for the different focal planes F1 -F3 can be performed so that a natural and geometrically correct impression is created for the viewer.
  • some pixels of the imager are no longer associated with exactly one focal plane, but several.
  • an adjustment of the brightness is performed for the different focal planes, so that in the superimposition of the images of the different focal planes F1 -F3 again the natural visual impression corresponding brightness is present.
  • the digital correction of the image data may e.g. also be used to correct image errors (such as distortion) in the individual images. This is particularly advantageous if the image errors between the individual focal planes change greatly.
  • the described positional shift can also be counteracted by determining the state of accommodation of the eye 12 and thus the focal plane and / or viewing direction considered by the observer, and thus the most likely focal plane, and correspondingly displayed.
  • the focal planes F1 -F3 are chosen equidistant.
  • the focal planes in the representation are not chosen equidistant. This is e.g. advantageous if a viewer must observe two areas that have a large axial distance (in comparison to the depth of field of the receiving optics 5), wherein in the depth range therebetween no image information is present. This can be done in the field of surgery e.g. occur during operations in narrow channels. Thus, e.g. in neurological surgery regions at the surface and in the depth of the canal of interest.
  • the distance between the first and last focal plane can be extended when there are no sharp image content in intermediate focal planes.
  • three may be used for the surgical surface and three for the depth range in the surgical channel.
  • the distances of the focal planes within the two areas are each less than between the two areas.
  • the images to be displayed were recorded with the aid of one (or more) recording modules 2, wherein the number of recorded object planes 8, 9 is greater than the number of focal planes F1 - F3 that can be displayed, for example, from the recordings of several object planes 8, 9 one in a focal plane F1 -F3 image to be displayed with increased depth of focus are calculated.
  • an image is calculated which has been calculated from several images from different object planes 8, 9, again not sharply areas to be displayed are displayed dark.
  • the viewer in turn freely between the different focus levels F1 -F3 accommodate and thus can gain a three-dimensional image impression.
  • a marker such as an arrowhead
  • a particular focal plane F1 -F3 of the virtual image stack in the generation of the corresponding image or the corresponding image data for the imager 10 are added.
  • the viewer's attention can be directed to the relevant focal plane F1 -F3.
  • the observer not only receives information about the lateral position of the marked image portion but also about the axial position due to the augmentation in at least one of the focal planes. This is e.g. in the field of digital microscopy for surgery advantage.
  • the mark provided in the image in the corresponding focal plane F1 -F3 may cause the original image information to be lost or overwritten at this point. This becomes more relevant the more tags or information such as letters or numbers are displayed. Therefore, in a development for the augmentation or the information to be displayed, a separate focal plane can be provided, which lies directly in front of or behind the actual focal plane F1 -F3. The viewer is thus allowed to focus either on the relevant focal plane F1 -F3 with the original image content or on the focal plane with the augmentation. The original image content thus remains unchanged and, apart from a slight loss of contrast due to the additional focal plane with the augmentation, can be viewed, since there is no true overlapping or genuine overwriting of the original image information.
  • the digital imaging module can be designed, for example, in a further development for two observers, wherein for the second viewer in the same way the accommodation option according to the invention can be provided or not.
  • the focal plane for which the first observer is looking can then be marked for the second observer.
  • contour lines can be displayed and / or the above-described augmentations can be performed.
  • the imaging module 4 is formed, for example, so that the focal plane and / or the viewing direction of the first observer can be determined. In the embodiments described thus far, it has been assumed that the image data to be displayed are based on actual image recordings.
  • the image contents to be displayed are synthetic data which can be determined, for example, from a 3D model (for example described via 3D vectors and textures).
  • a 3D model for example described via 3D vectors and textures.
  • the z position of a certain pixel can be determined via stereo correlation (if the depth of field of the camera optics covers the depth range of the volume under consideration), so that the topography of the surface can be reconstructed for non-transparent objects according to its z-position, it can then be unambiguously assigned to a corresponding image plane, blurred image parts which reduce the contrast of the multifocal final image can be eliminated.
  • each image of this stack contains the sharp image contents (hatched in FIGS. 2A-2C) and empty regions (not shown hatched in FIGS. 2A-2C). For these empty regions, the corresponding pixels of the imager 10 are switched to "black" in the illustration, thus avoiding, in accordance with the invention, the generation of contrast-reducing light from other focal planes F1-F3, which would lead to a reduction of the contrast. that the in-picture contrast of the picture stack thus represented corresponds to the in-picture contrast of a single picture.

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Abstract

Es wird eine multifokale Darstellungsvorrichtung mit einem digitalen Bilderzeugungsmodul (4) und einer Steuereinheit (3), die dem digitalen Bilderzeugungsmodul (4) zweidimensionale Bilddaten eines darzustellenden dreidimensionalen Objektes (7) zuführt, bereitgestellt, wobei das digitale Bilderzeugungsmodul (4) basierend auf den zugeführten zweidimensionalen Bilddaten zweidimensionale Bilder des Objektes (7) von zumindest zwei verschiedenen Objektebenen (8, 9) in entsprechenden verschiedenen Fokusebenen (F1, F2, F3) so erzeugt, daß ein Betrachter mit seinem Auge (12) auf die verschiedenen Fokusebenen (F1-F3) fokussieren kann, um das dargestellte Objekt (7) dreidimensional wahrzunehmen, und wobei die Steuereinheit (3) für jedes darzustellende zweidimensionale Bild abschnittsweise einen Schärfewert bestimmt und die Bilddaten für die Bildabschnitte auf dunkel setzt, deren Schärfewert außerhalb eines für das Bild vorbestimmten Schärfewertebereiches liegt.

Description

Multifokale Darstellunqsvorrichtunq und multifokales Darstellunqsverfahren zum dreidimensionalen Darstellen eines Objektes
Die vorliegende Erfindung betrifft eine multifokale Darstellungsvorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 sowie ein multifokales Darstellungsverfahren zum dreidimensionalen Darstellen eines Objektes gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 13.
Eine solche multifokale Darstellungsvorrichtung sowie ein solches multifokales Darstellungsverfahren sind aus der US 5,880,71 1 bekannt.
Da die zweidimensionalen Bilder in zumindest zwei verschiedenen Fokusebenen erzeugt werden, sinkt für einen Betrachter der Kontrast im Vergleich mit der Darstellung eines einzelnen Bildes, wobei die Verringerung des Kontrastes mit der Anzahl der Fokusebenen stark ansteigt. Ausgehend hiervon ist es daher Aufgabe der Erfindung, eine multifokale
Darstellungsvorrichtung der eingangs genannten Art so weiterzubilden, daß die
Kontrastverringerung für den Betrachter vermindert wird. Ferner soll ein entsprechendes multifokales Darstellungsverfahren bereitgestellt werden. Erfindungsgemäß wird die Aufgabe bei einer multifokalen Darstellungsvorrichtung der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß die Steuereinheit für jedes darzustellende zweidimensionale Bild abschnittsweise einen Schärfewert bestimmt und die Bilddaten für die Bildabschnitte auf dunkel setzt, deren Schärfewert außerhalb eines für das Bild vorbestimmten Schärfewertebereiches liegt.
Damit wird vorteilhaft erreicht, daß bei der Bilddarstellung aufgrund der dunkel gesetzten Bildabschnitte ein besserer Kontrast im Vergleich zum Fall ohne dunkel gesetzte Bildabschnitte vorliegt. Somit führen die in der jeweiligen Fokusebene unscharfen Bildabschnitte, die dunkel dargestellt werden, nicht mehr zu dem unerwünschten Kontrastverlust. Insbesondere kann die Steuereinheit bei jedem darzustellenden zweidimensionalen Bild Bilddaten des Objektes in den Bildabschnitten erzeugen, in denen der entsprechende Schärfewert innerhalb des für das Bild vorbestimmten Schärfewertebereiches liegt. Dadurch werden in der jeweiligen Fokusebene lediglich die scharfen Bildabschnitte (hell) dargestellt, sofern in den scharfen Bildabschnitten Bildinformationen vorliegen.
Das digitale Bilderzeugungsmodul erzeugt die zweidimensionalen Bilder bevorzugt in der Art, daß sie ein Betrachter als virtuelles Bild wahrnehmen kann. Ferner kann der Schärfewertebereich für jedes Bild für die verschiedenen Fokusebenen gleich sein. Es ist jedoch auch möglich, daß er für Bilder unterschiedlicher Fokusebenen unterschiedlich ist. Insbesondere kann der Schärfewertebereich einen ersten Grenzwert aufweisen, wobei dann bei Über- oder Unterschreiten des Grenzwertes ein außerhalb des vorbestimmten Schärfewertebereiches liegender Schärfewert vorliegt. Das digitale Bilderzeugungsmodul kann einen digitalen Bildgeber und eine Detektionsoptik umfassen, wobei die Detektionsoptik den Bildgeber für einen Betrachter zeitsequentiell in unterschiedlichen Fokusebenen darstellt.
Dazu kann die Detektionsoptik ein variables optisches Element, wie z.B. eine Flüssiglinse, eine Optik mit variabler Fokussierung (z.B. klassischer Schiebefokus) und/oder zwei nicht planparallele Elemente aufweisen, deren gegenüberliegende Flächen zueinander komplementär ausgebildet sind, wobei zumindest eines der Elemente quer zur Abbildungsrichtung verschiebbar ist. Ferner kann das digitale Bilderzeugungsmodul mehrere digitale Bildgeber und eine Detektionsoptik umfassen, die die Bildgeber für einen Betrachter gleichzeitig in unterschiedlichen Fokusebenen darstellt. Dabei können die digitalen Bildgeber unterschiedliche optische Abstände zur Bildebene, in der die Bilder überlagert dargestellt werden, aufweisen. Der bzw. die digitalen Bildgeber können als flächige Bildgeber bzw. sogenannte Lichtmodulatoren ausgebildet sein. Insbesondere können sie jeweils als Kippspiegelmatrix, LCD-Modul, OLED-Matrix oder LCoS-Modul ausgebildet sein. Der bzw. die digitalen Bildgeber können als passiver Bildgeber oder als aktiver Bildgeber ausgebildet sein. Ferner kann das digitale Bilderzeugungsmodul so ausgebildet sein, daß die erzeugten zweidimensionalen Bilder mehrfarbig sind. Dazu kann es eine zeitsequentielle Erzeugung von Farbteilbildern oder eine gleichzeitige Erzeugung von Farbteilbildern bewirken. Das digitale Bilderzeugungsmodul kann die zweidimensionalen Bilder in zumindest drei verschiedenen Fokusebenen erzeugen, wobei der Abstand der Fokusebenen äquidistant oder nicht äquidistant ist. Ferner kann das digitale Bilderzeugungsmodul in zumindest einem Bild zusätzlich eine Markierung oder eine sonstige Information in einer der Fokusebenen und/oder in einer weiteren Fokusebene darstellen, die mit keiner der verschiedenen Fokusebenen zusammenfällt, in der die zweidimensionalen Bilder des Objektes dargestellt werden. Die erfindungsgemäße Darstellungsvorrichtung kann ein Aufnahmemodul aufweisen, das Aufnahmen aus verschiedenen Objektebenen des darzustellenden dreidimensionalen Objektes erstellt und der Steuereinheit zuführt. Das Aufnahmemodul kann z.B. wie ein Aufnahmemodul eines Laser-Scanning-Mikroskops oder einer Lichtfeldkamera ausgebildet sein. Es ist jedoch auch möglich, daß der Steuereinheit synthetische Bilddaten, die aus einem Computermodell abgeleitet sind, zugeführt sind. Zusätzlich ist es möglich, daß der Steuereinheit Bilddaten zugeführt werden, die aus einem vorhandenen Bilddatensatz (z.B. Stereobildpaar oder Bildstapel) abgeleitet oder berechnet werden. Die erfindungsgemäße Darstellungsvorrichtung kann insbesondere als digitales Operationsmikroskop ausgebildet sein.
Des weiteren kann das digitale Bilderzeugungsmodul eine Vielzahl von Pixeln zur Erzeugung der zweidimensionalen Bilder aufweisen, wobei jedes Pixel, das einen nicht dunkel gesetzten Bildabschnitt darstellen soll, genau einer Fokusebene zugeordnet ist. Es ist jedoch auch möglich, daß ein Pixel zur Darstellung von nicht dunkel gesetzten Bildabschnitten mehreren der verschiedenen Fokusebenen zugeordnet ist.
Die Steuereinheit kann die Bilddaten korrigieren, um den dreidimensionalen Eindruck zu verbessern. Insbesondere kann sie eine Korrektur durchführen, mit der eine durch das Bilderzeugungsmodul bedingte Vergrößerungsänderung kompensiert wird.
Ferner ist es möglich, daß die Steuereinheit zweidimensionale Bilder des Objektes erzeugt, die auf mehreren Aufnahmen basieren. Insbesondere können in dieser Art und Weise zweidimensionale Bilder mit erhöhter Tiefenschärfe erzeugt werden. Die multifokale Darstellungsvorrichtung kann einen Einblick für einen einzelnen Betrachter aufweisen. Es ist auch möglich, daß sie zwei Einblicke für zwei Betrachter aufweist, wobei für zumindest einen der beiden Betrachter das digitale Bilderzeugungsmodul vorgesehen ist. Die Steuereinheit kann insbesondere das digitale Bilderzeugungsmodul so ansteuern, daß die Bilder des Objektes von zumindest zwei verschiedenen Objektebenen in den entsprechenden verschiedenen Fokusebenen erzeugt werden. Die Steuereinheit kann ferner das optional vorgesehene Aufnahmemodul steuern. Die multifokale Darstellungsvorrichtung kann ein weiteres digitales Bilderzeugungsmodul aufweisen, das basierend auf den von der Steuereinheit zugeführten zweidimensionalen Bilddaten zweidimensionale Bilder des Objektes von zumindest zwei verschiedenen Objektebenen in entsprechenden verschiedenen Fokusebenen so erzeugt, daß ein Betrachter mit seinem zweiten Auge auf die verschiedenen Fokusebenen fokussieren kann, um das dargestellte Objekt dreidimensional wahrzunehmen, wobei die Steuereinheit für jedes mit dem weiteren digitalen Bilderzeugungsmodul darzustellende zweidimensionale Bild abschnittsweise einen Schärfewert bestimmt und die Bilddaten für die Bildabschnitte auf dunkel setzt, deren Schärfewerte außerhalb eines für das Bild vorbestimmten Schärfewertebereiches liegt, und wobei die Steuereinheit die Bilddaten für die beiden digitalen Bilderzeugungsmodule so bereitstellt, daß die beiden digitalen Bilderzeugungsmodule unterschiedliche Perspektiven des Objektes anbieten. Somit wird ein Betrachter neben dem Tiefenreiz aufgrund der Möglichkeit der Akkommodierung noch der Tiefenreiz durch das Stereosehen (Anbieten der unterschiedlichen Perspektiven) bereitgestellt. Damit wird der dreidimensionale Eindruck für den Betrachter weiter verbessert.
Die Aufgabe wird bei einem multifokalen Darstellungsverfahren der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß für jedes darzustellende zweidimensionale Bild abschnittsweise ein Schärfewert bestimmt wird und die Bildabschnitte bei der Bilderzeugung auf dunkel gesetzt werden, deren Schärfewert außerhalb eines für das Bild vorbestimmten Schärfewertebereiches liegt.
Damit kann eine unerwünschte Kontrastverringerung bei dem multifokalen Darstellungsverfahren der eingangs genannten Art verhindert werden. Insbesondere kann bei jedem darzustellenden zweidimensionalen Bild in den Bildabschnitten, in denen der Schärfewert innerhalb des für das Bild vorbestimmten Schärfewertebereiches liegt, die entsprechenden Bildinformationen für die Darstellung des Objektes verwendet werden. Das multifokale Darstellungsverfahren kann in gleicher Weise wie die erfindungsgemäße multifokale Darstellungsvorrichtung (einschließlich ihrer Weiterbildung) weitergebildet werden. Insbesondere kann sie die im Zusammenhang mit der Beschreibung der erfindungsgemäßen multifokalen Darstellungsvorrichtung angegebenen Verfahrensschritte aufweisen.
Es versteht sich , daß die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in den angegebenen Kombinationen, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung einsetzbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Nachfolgend wird die Erfindung beispielsweise anhand der beigefügten Zeichnungen , die auch erfindungswesentliche Merkmale offenbaren, noch näher erläutert. Es zeigen :
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen multifokalen Darstellungsvorrichtung;
Fig. 2A, 2B und 2C schematische Darstellungen zur Erläuterung der darzustellenden Bildabschnitte in den einzelnen Fokusebenen ; Fig. 3 eine perspektivische schematische Darstellung einer Ausführungsform des digitalen Bilderzeugungsmoduls 4 in Fig. 1 , und
Fig. 4 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der Detektionsoptik 1 1 des digitalen Bilderzeugungsmoduls 4.
Bei der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform ist die erfindungsgemäße multifokale Darstellungsvorrichtung 1 als digitales Mikroskop mit einem Aufnahmemodul 2, einer Steuereinheit 3 und einem digitalen Bilderzeugungsmodul 4 ausgebildet. Das Aufnahmemodul 2 umfaßt eine Aufnahmeoptik 5, die hier schematisch als Linse dargestellt ist, und einen Detektor 6, wobei mittels der Aufnahmeoptik verschiedene Ebenen eines aufzunehmenden Objektes 7 scharf auf den Detektor 6, der z.B. als Flächendetektor (beispielsweise einen CMOS- oder CCD-Sensor) ausgebildet ist, abgebildet werden können. Zur Verdeutlichung sind in Fig. 2 eine erste Objektebene 8 und eine zweite Objektebene 9 eingezeichnet.
Natürlich mu ß das Aufnahmemodul 2 nicht so ausgebildet sein, daß eine klassische Abbildung der entsprechenden Objektebene 8, 9 auf den Detektor 6 erfolgt. Beispielsweise kann das Aufnahmemodul 2 auch wie ein Aufnahmemodul eines Laser-Scanning-Mikroskops ausgebildet sein.
Die Aufnahmedaten des Detektors 6 werden der Steuereinheit 3 zugeführt, die diese für das digitale Bilderzeugungsmodul 4 aufbereitet. Das digitale Bilderzeugungsmodul 4 umfaßt einen Bildgeber 10, mit dem ein darzustellendes zweidimensionales Bild erzeugt werden kann, und eine Detektionsoptik 1 1 , die hier als Okular ausgebildet ist und mit der der Bildgeber 10 so abgebildet wird, daß ein Betrachter (für den hier stellvertretend schematisch ein Auge 12 eingezeichnet ist) das vom Bildgeber 10 erzeugte Bild wahrnehmen kann. Die Detektionsoptik 1 1 ist ferner so ausgelegt, daß der Bildgeber 10 für den Betrachter in unterschiedlichen Fokusebenen F1 , F2, F3 liegen kann. Dies ist durch die beiden gestrichelt dargestellten Positionen des Bildgebers 10 angedeutet. Dazu kann die Detektionsoptik 1 1 zumindest ein variables optisches Element (wie z.B. eine Flüssiglinse) aufweisen, das mittels der Steuereinheit 3 ansteuerbar ist. Die unterschiedlichen Fokusebenen F1 -F3 werden mittels der Detektionsoptik 1 1 so schnell geändert bzw. durchgefahren, daß ein Betrachter die einzelnen Fokusebenen F1 -F3 zeitlich nicht auseinanderhalten kann. Der Betrachter sieht quasi ein multifokales Endbild und kann auf die unterschiedlichen Fokusebenen F1 -F3 akkommodieren , so daß er das in der jeweiligen Fokusebene mittels dem Bildgeber 10 erzeugte Bild scharf wahrnehmen kann. Für den Betrachter sind auch Fokusebenen sichtbar, auf welche er nicht direkt fokussiert. Allerdings erscheinen diese, wie beim natürlichen Sehen , leicht unscharf. Dies wird durch die endliche Tiefenschärfe des menschlichen Auges hervorgerufen. Durch die multifokale Bildwiedergabe bekommt der Betrachter zusätzliche Tiefeninformation, da er scharfe Bildanteile aus der Fokusebene von weniger scharfen Bildanteilen aus anderen Fokusebenen unterscheiden kann. In den unterschiedlichen Fokusebenen F1 -F3 werden dem Betrachter unterschiedliche Bilder des Objektes 7 so dargeboten, daß für den Betrachter ein dreidimensionaler Bildeindruck entsteht, da er durch Änderung des Akkommodationszustandes seines Auges 12 auf scheinbar unterschiedlich weit entfernte Abschnitte des Objektes 7 fokussiert und somit einen dreidimensionalen Bildeindruck gewinnt. Da der Betrachter stets alle erzeugten Bilder in den unterschiedlichen Fokusebenen F1 -F3 wahrnimmt (das Bild der Fokusebene F2, auf die er akkommodiert, nimmt er scharf wahr, die Bilder der anderen Fokusebene F1 , F3 nimmt er unscharf war), würde eine normale Darstellung der kompletten Bilder der jeweiligen Objektebenen 8, 9 zu einem Kontrastverlust führen, der mit der Anzahl der unterschiedlichen Fokusebenen F1 -F3 stark ansteigt. Um einen solchen Kontrastverlust zu verhindern oder zumindest zu verringern, werden bei der erfindungsgemäßen multifokalen Darstellungsvorrichtung 1 für jedes darzustellende Bild einer Fokusebene F1 -F3, das mit einer Objektebene 8, 9 korrespondiert, der Bildabschnitt bzw. die Bildabschnitte ermittelt, die man bei Betrachtung des Objektes 7 scharf wahrnehmen würde. Dieser Bildabschnitt bzw. diese Bildabschnitte werden in der gewünschten Weise dargestellt und die restlichen Bildabschnitte des darzustellenden Bildes werden nicht dargestellt, sondern auf dunkel gesetzt. Damit wird mittels des Bildgebers 10 in der jeweiligen Fokusebene F1 -F3 nur der bzw. die scharfen Bildabschnitte hell dargestellt und die restlichen Bildabschnitte werden dunkel dargestellt. Somit führen die in der jeweiligen Fokusebene F1 -F3 unscharfen Bildabschnitte, die jetzt nicht mehr bzw. dunkel dargestellt werden, nicht mehr zu einem unerwünschten Kontrastverlust. Die entsprechende Ermittlung der scharfen Bildabschnitte und die daraus folgende Erzeugung der Bilddaten für das Bilderzeugungsmodul führt die Steuereinheit 3 durch.
Wenn das darzustellende Objekt 7 beispielsweise kugelförmig ist, könnte das darzustellende Bild für die erste Fokusebene F1 der in Fig. 2A schematisch dargestellte Kreis sein. Bei dieser Darstellung wie auch bei den Darstellungen in Fig. 2B und 2C sind die hell darzustellenden Abschnitte schraffiert. Die nicht schraffierten Bereiche sollen dunkel dargestellt werden. Das Bild für die Fokusebene F2 wäre dann der in Fig. 2B dargestellte Kreisring, dessen Innendurchmesser in etwa dem Kreisdurchmesser des Kreises von Fig. 2A entspricht. Für die Fokusebene F3 wäre das darzustellende Bild der Kreisring gemäß Fig. 3C, wobei der Innendurchmesser dieses Kreises in etwa dem Au ßendurchmesser des Kreisringes von Fig. 2B entspricht.
In dieser Art und Weise wird dem Betrachter ein dreidimensionaler Bildeindruck ermöglicht, da er scheinbar innerhalb des dargestellten Bildes (also die zeitlich schnell nacheinander erzeugten Bilder der unterschiedlichen Fokusebenen F1 -F3) frei akkommodieren kann. Selbst wenn das digitale Bilderzeugungsmodul 4 monookular ausgebildet ist, liegt der gewünschte dreidimensionale Bildeindruck vor. Natürlich kann das digitale Bilderzeugungsmodul 4 auch als binokulares Bilderzeugungsmodul ausgebildet ist. Eine schematische perspektivische Darstellung eines solchen Bilderzeugungsmoduls 4 ist in Fig. 3 gezeigt, wobei wiederum die drei Fokusebenen F1 , F2, F3 (hier ohne Bildgeber 1 0) dargestellt sind. Für jedes Auge 12 und 12' des Betrachters ist eine entsprechende Okularoptik 1 1 und 1 1 ' vorgesehen.
Das binokulare Bilderzeugungsmodul 4 kann insbesondere so weitergebildet sein, daß zusätzlich noch ein perspektivischer Stereoeindruck bereitgestellt wird. In diesem Fall wird der Aufbau des Bilderzeugungsmoduls 4 gemäß Fig. 1 verdoppelt, so daß für jeden Stereokanal (jedes Auge) ein eigenes digitales Bilderzeugungsmodul bereitgestellt ist und man für die beiden Stereokanäle unterschiedliche Perspektiven anbieten kann, die jeweils jedoch in der beschriebenen Art und Weise als multifokales Endbild dargestellt werden. Somit werden dem Benutzer sowohl der Tiefenreiz, der dadurch entsteht, daß man Akkommodieren kann, als auch der Tiefenreiz aufgrund des Stereosehens bereitgestellt. Um für jede Fokusebene F1 -F3 die scharf darzustellenden Abschnitte zu ermitteln, können bekannte Verfahren eingesetzt werden, um abschnittsweise bzw. lokal einen Schärfewert zu bestimmen. Ein Abschnitt kann dann als scharfer und somit darzustellender Abschnitt definiert werden, wenn der entsprechende Schärfewert innerhalb eines vorbestimmten Schärfewertebereiches liegt. Liegt er nicht innerhalb dieses Schärfewertebereiches, ist der Abschnitt als unscharfer Abschnitt dunkel darzustellen. Dazu kann z.B. das in Forster et al., „Complex Wavelets for Extended Depth-of-Field: A New Method for the Fusion of MultiChannel Microscopy Images", Microscopy Research and Technique 65:33-42 (2004) beschriebene Verfahren der lokalen Schärfebestimmung mittels diskreter Wavelet-Transformation eingesetzt werden.
Es sind natürlich auch andere Verfahren möglich. Falls das Aufnahmemodul 2 als stereoskopische Anordnung ausgebildet ist, kann ähnlich einem klassischen Kameraautofokussensor durch eine lokale Auswertung der Parallaxeverschiebung die Ermittlung der Schärfewerte durchgeführt werden. Dabei kann eine lokale Korrelation bzw. eine Bewertung des optischen Flusses zwischen den Stereokanälen durchgeführt werden.
Bei der erfindungsgemäßen multifokalen Darstellungsvorrichtung 1 können somit Bildanteile aus unterschiedlichen Objektebenen 8, 9 in korrespondierenden Bildebenen (Fokusebenen F1 - F3) dargestellt werden, wobei nur solche Bildanteile gezeigt werden, die scharf sind. Nicht scharfe Bildanteile werden nicht dargestellt, so daß für diese Bildanteile der Bildgeber 10 einen dunklen bzw. einen schwarzen Wert darstellt. Somit wird in den nicht scharfen Bildanteilen kein störendes Licht erzeugt, das den In-Bild-Kontrast im einzelnen dargestellten Bild und insbesondere im multifokalen Endbild vermindern kann. Der Betrachter kann somit im dargestellten Bild umfokussieren, wodurch für ihn ein dreidimensionaler Bildeindruck entsteht. Gleichzeitig tritt kein unerwünschter Kontrastverlust auf.
Bei der bisherigen Beschreibung wurden mittels des digitalen Bilderzeugungsmoduls 4 drei verschiedene Fokusebenen F1 , F2 und F3 dargestellt. Natürlich können auch zwei oder mehr als drei unterschiedliche Fokusebenen dargestellt werden. Insbesondere können z.B. vier bis zehn verschiedene Fokusebenen dargestellt werden.
Als Bildgeber 10 kann z.B. zumindest eine Kippspiegelmatrix, ein LCD-Modul oder ein sonstiger flächiger Lichtmodulator eingesetzt werden, wobei in diesem Fall natürlich noch die entsprechende Beleuchtungsquelle vorgesehen ist. Der Bildgeber 10 kann somit ein passiver Bildgeber sein. Es ist jedoch auch möglich, daß der Bildgeber 10 ein aktiver Bildgeber ist, der keine separate Beleuchtungsquelle benötigt. Solche flächige (passive oder aktive) Bildgeber 10 weisen in der Regel in Zeilen und Spalten angeordnete Pixel aus, die unabhängig voneinander ansteuerbar sind.
Zur Erzeugung der unterschiedlichen Fokusebenen kann die Detektionsoptik 1 1 auch als Optik mit variabler Fokussierung (z.B. klassischer Schiebefokus) ausgebildet sein.
Ferner ist es möglich, daß die Detektionsoptik 1 1 , wie in Fig. 4 gezeigt ist, zwei nicht planparallele Elemente 14, 15 aufweist, deren gegenüberliegenden Flächen 1 6, 17 zueinander komplementär ausgebildet sind, wobei zumindest eines der Elemente 14, 15, wie durch die Doppelpfeile P1 und P2 angedeutet ist, quer zur Abbildungsrichtung bzw. quer zur optischen Achse OA der Detektionsoptik 4 (Fig. 1 ) verschiebbar ist. Die Flächen 1 6, 17 können dabei z.B. der Gleichung eines Polynom n-ten Grades genügen, wobei n eine ganze Zahl größer oder gleich 3 sein kann. Um die verschiedenen Fokusebenen F1 -F3 zu erzeugen, ist es auch möglich, den Bildgeber 1 0 entlang der optischen Achse OA des Bilderzeugungsmoduls 4 zu bewegen. Ferner ist es möglich, für jede Fokusebene für eine gleichzeitige Bilddarstellung einen separaten Bildgeber 10 vorzusehen, wobei die Bildgeber 10 optisch überlagert dem Auge 12 des Betrachters dargeboten werden. Natürlich sind auch beliebige Kombinationen der beschriebenen Möglichkeiten (z.B. der zeitsequentiellen und der gleichzeitigen Bilddarstellung) zur Erzeugung der Bilder in den unterschiedlichen Fokusebenen F1 -F3 möglich.
Bei der bisherigen Beschreibung wurde davon ausgegangen, daß sich die hellen Bereiche der Bilder der verschiedenen Fokusebenen nicht überlappen, sondern aneinandergrenzen. Dadurch ist quasi jedes Pixel des Bildgebers 10 genau einer Fokusebene F1 -F3 zugeordnet. Es kann jedoch je nach Auslegung der Detektionsoptik 1 1 passieren, daß eine Vergrößerungsänderung des durch den Bildgeber 10 dargestellten Bildes für die unterschiedlichen Fokusebenen F1 -F3 hervorgerufen wird. Das hätte zur Folge, daß für einen Betrachter, der sein Auge 12 auf eine Fokusebene (z.B. Fokusebene F2) akkommodiert, die Informationen des darzustellenden Bildinhaltes, daß in den anderen Fokusebenen (hier Fokusebenen F1 und F3) scharf ist und dort dargestellt wird, nicht an der Position erscheinen, die einem natürlichen Sehen entsprechen, sondern leicht versetzt ist. Dieser nicht dem normalen Seheindruck entsprechende Positionsverschiebung kann durch eine entsprechende digitale Korrektur der Bilddaten entgegengewirkt werden. So kann z.B. eine entsprechende Größenanpassung für die unterschiedlichen Fokusebenen F1 -F3 durchgeführt werden, so daß ein natürlicher und geometrisch korrekter Eindruck für den Betrachter entsteht. Dies führt dazu, daß einige Pixel des Bildgebers nicht mehr genau einer Fokusebene zugeordnet sind, sondern mehreren. Für diese Pixel, die mehreren Fokusebenen F1 -F3 zugeordnet sind (die also in mehreren Fokusebenen helle Bildelemente darstellen sollen), wird für die verschiedenen Fokusebenen eine Anpassung der Helligkeit durchgeführt, so daß in der Überlagerung der Bilder der verschiedenen Fokusebenen F1 -F3 wiederum die dem natürlichen Seheindruck entsprechende Helligkeit vorliegt.
Die digitale Korrektur der Bilddaten kann z.B. auch dazu benutzt werden, daß Bildfehler (wie Verzeichnung) in den einzelnen Bildern korrigiert werden. Dies ist insbesondere dann von Vorteil, wenn sich die Bildfehler zwischen den einzelnen Fokusebenen stark ändern. Der beschriebenen Positionsverschiebung kann auch dadurch entgegengewirkt werden, daß der Akkommodationszustand des Auges 12 und somit die vom Betrachter betrachtete Fokusebene und/oder die Blickrichtung und damit die wahrscheinlichste Fokusebene bestimmt und entsprechend dargestellt werden. Des weiteren ist es möglich, die Aufnahmeoptik 5 und/oder die Detektionsoptik 1 1 telezentrisch auszulegen. Damit kann z.B. Vergrößerungsfehlern entgegengewirkt werden.
Bisher wurde davon ausgegangen, daß die Fokusebenen F1 -F3 äquidistant gewählt sind. Es ist jedoch auch möglich, daß die Fokusebenen in der Darstellung nicht äquidistant gewählt sind. Dies ist z.B. dann vorteilhaft, wenn ein Betrachter zwei Bereiche beobachten muß, die einen großen axialen Abstand besitzen (im Vergleich zur Tiefenschärfe der Aufnahmeoptik 5), wobei im Tiefenbereich dazwischen keine Bildinformation vorhanden ist. Dies kann im Bereich der Chirurgie z.B. bei Operationen in engen Kanälen auftreten. So sind z.B. bei neurologischen Operationen Regionen an der Oberfläche und in der Tiefe des Kanals von Interesse. Auf diese Weise kann beispielsweise bei einer festen Anzahl von Fokusebenen F1 -F3, die dargestellt werden können, der Abstand zwischen erster und letzter Fokusebene erweitert werden, wenn in dazwischenliegenden Fokusebenen sich keine scharfen Bildinhalte befinden. Bei beispielsweise sechs darstellbaren Fokusebenen kann man drei für die Operationsoberfläche und drei für den Tiefenbereich im Operationskanal verwenden. Dabei sind die Abstände der Fokusebenen innerhalb der beiden Bereiche jeweils geringer als zwischen den beiden Bereichen.
Wenn die darzustellenden Bilder mit Hilfe eines (oder mehreren) Aufnahmemodulen 2 aufgenommen wurden, wobei die Anzahl der aufgenommenen Objektebenen 8, 9 größer ist als die Anzahl der darstellbaren Fokusebenen F1 -F3, kann z.B. aus den Aufnahmen mehrerer Objektebenen 8, 9 jeweils ein in einer Fokusebene F1 -F3 darzustellendes Bild mit erhöhter Tiefenschärfe berechnet werden. Es wird also für jede Fokusebene F1 -F3 des digitalen Bilderzeugungsmoduls 4 ein Bild errechnet, das aus mehreren Aufnahmen aus unterschiedlichen Objektebenen 8, 9 errechnet wurde, wobei wiederum die nicht scharf darzustellenden Bereiche dunkel dargestellt werden. Es liegen somit dann in der jeweiligen Fokusebene F1 -F3 ein Bild mit erhöhter Tiefenschärfe vor, wobei der Betrachter wiederum frei zwischen den verschiedenen Fokusebenen F1 -F3 akkommodieren und somit einen dreidimensionalen Bildeindruck gewinnen kann.
Die erfindungsgemäße Abbildung eines Fokusstapels (bzw. eines virtuellen Bildstapels) in mehreren Fokusebenen F1 -F3 ermöglicht zudem ein Hinzufügen von Augmentierungen in zumindest einer der Fokusebenen F1 -F3. So kann z.B. eine Markierung, wie z.B. eine Pfeilspitze, in einer bestimmten Fokusebene F1 -F3 des virtuellen Bildstapels bei der Erzeugung des entsprechenden Bildes bzw. der entsprechenden Bilddaten für den Bildgeber 10 hinzugefügt werden. Damit kann die Aufmerksamkeit des Betrachters auf die relevante Fokusebene F1 -F3 gelenkt werden. Somit erhält der Betrachter nicht nur eine Information über die laterale Position des markierten Bildabschnittes sondern auch noch über die axiale Position aufgrund der Augmentierung in zumindest einer der Fokusebenen. Dies ist z.B. im Bereich der digitalen Mikroskopie für die Chirurgie von Vorteil.
Bei der beschriebenen Augmentierung kann es durch die im Bild in der entsprechenden Fokusebene F1 -F3 vorgesehene Markierung dazu kommen, daß die ursprüngliche Bildinformation an dieser Stelle verloren geht bzw. überschrieben wird. Dies wird um so relevanter, je mehr Markierungen oder Informationen, wie z.B. Buchstaben oder Zahlen, angezeigt werden. Daher kann in einer Weiterbildung für die Augmentierung bzw. die einzublendenden Informationen eine separate Fokusebene vorgesehen werden, die unmittelbar vor oder hinter der eigentlichen Fokusebene F1 -F3 liegt. Dem Betrachter wird somit ermöglicht, sich entweder auf die relevante Fokusebene F1 -F3 mit dem ursprünglichen Bildinhalt oder auf die Fokusebene mit der Augmentierung zu konzentrieren. Der ursprüngliche Bildinhalt bleibt damit unverändert und kann, abgesehen von einem geringen Kontrastverlust durch die zusätzliche Fokusebene mit der Augmentierung, betrachtet werden, da es nicht zu einer echten Überdeckung bzw. einem echten Überschreiben der ursprünglichen Bildinformation kommt. Das digitale Bilderzeugungsmodul kann z.B. in einer Weiterbildung für zwei Betrachter ausgebildet sein, wobei für den zweiten Betrachter in gleicher Weise die erfindungsgemäße Akkommodationsmöglichkeit vorgesehen werden kann oder auch nicht. Bei dieser Ausführungsform kann dann für den zweiten Betrachter beispielsweise die Fokusebene, auf die der erste Betrachter gerade schaut, markiert werden. Dazu können z.B. Konturlinien eingeblendet werden und/oder kann die oben beschriebenen Augmentierungen durchgeführt werden. Für diese Ausführungsform wird das Bilderzeugungsmodul 4 z.B. so ausgebildet, daß die Fokusebene und/oder die Blickrichtung des ersten Betrachters bestimmt werden kann. Bei den bisher beschriebenen Ausführungsformen wurde davon ausgegangen, daß die darzustellenden Bilddaten auf tatsächlich durchgeführten Bildaufnahmen beruhen.
Es ist jedoch auch möglich, daß es sich bei den darzustellenden Bildinhalten um synthetische Daten handelt, die beispielsweise aus einem 3D-Modell (z.B. beschrieben über 3D-Vektoren und Texturen) bestimmen lassen. So läßt sich basierend auf dem 3D-Modelle errechnen, welche Anteile welcher Fokusebene am nächsten liegen. Damit können dann die scharfen Bildanteile für die einzelnen Fokusebenen bestimmt werden. Handelt es sich bei den darzustellenden Bilddaten um Daten, die mit Hilfe eines Stereo- Kamerapaars gewonnen wurden oder mit anderen optischen oder nicht-optischen Verfahren, die„3D-fähig" sind (wie z.B. mittels einer plenoptischer Kamera oder (optischer) Tomographie nach einer Umrechnung der Daten), kann über eine Stereokorrelation die z-Position eines bestimmten Bildpunktes ermittelt werden (falls die Tiefenschärfe der verwendeten Kamera- Optik den Tiefenbereich des betrachteten Volumens abdeckt). Dadurch kann bei nichttransparenten Objekten die Topographie der Oberfläche rekonstruiert werden. Jeder Bildpunkte kann dann entsprechend seiner z-Position eindeutig einer korrespondierenden Bildebene zugewiesen werden. Unscharfe Bildanteile, die den Kontrast des multifokalen Endbildes reduzieren, können eliminiert werden.
Erfindungsgemäß kann somit unabhängig davon, auf welche Weise der darzustellende Bildinhalt gewonnen wurde, stets für einen vorgegebenen Fokusstapel (gemeint ist ein Stapel von Bildern, der den darzustellenden Bildinhalt mit definierten aber unterschiedlichen Fokusebenen wiedergibt) die jeweilige Fokusebene ermitteln, die für jedes Pixel des Bildgebers 10 am schärfsten ist. Ein jedes Bild dieses Stapels enthält dabei die scharfen Bildinhalte (in Fig. 2A-2C schraffiert dargestellt) und leere Regionen (in Fig. 2A-2C nicht schraffiert dargestellt). Für diese leeren Regionen werden die entsprechenden Pixel des Bildgebers 10 bei der Darstellung auf „schwarz" geschaltet. Es wird somit erfindungsgemäß die Erzeugung von kontrastverminderndem Licht aus anderen Fokusebenen F1 -F3 vermieden, das zu einer Verminderung des Kontrastes führen würde. Damit wird erreicht, daß der In-Bild-Kontrast des so dargestellten Bildstapels dem In-Bild-Kontrast eines einzelnen Bildes entspricht.

Claims

Patentansprüche
1 . Multifokale Darstellungsvorrichtung mit
einem digitalen Bilderzeugungsmodul (4) und
einer Steuereinheit (3), die dem digitalen Bilderzeugungsmodul (4) zweidimensionale Bilddaten eines darzustellenden dreidimensionalen Objektes (7) zuführt,
wobei das digitale Bilderzeugungsmodul (4) basierend auf den zugeführten zweidimensionalen Bilddaten zweidimensionale Bilder des Objektes (7) von zumindest zwei verschiedenen Objektebenen (8, 9) in entsprechenden verschiedenen Fokusebenen (F1 , F2, F3) so erzeugt, daß ein Betrachter mit seinem Auge (12) auf die verschiedenen Fokusebenen (F1 -F3) fokussieren kann, um das dargestellte Objekt (7) dreidimensional wahrzunehmen,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Steuereinheit (3) für jedes darzustellende zweidimensionale Bild abschnittsweise einen Schärfewert bestimmt und die Bilddaten für die Bildabschnitte auf dunkel setzt, deren Schärfewert au ßerhalb eines für das Bild vorbestimmten Schärfewertebereiches liegt.
2. Darstellungsvorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß das digitale Bilderzeugungsmodul (4) einen digitalen Bildgeber (10) und eine Detektionsoptik (1 1 ) umfaßt, wobei die Detektionsoptik (1 1 ) den Bildgeber (10) für einen Betrachter zeitsequentiell in unterschiedlichen Fokusebenen darstellt.
3. Darstellungsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das digitale Bilderzeugungsmodul (4) mehrere digitale Bildgeber (10) und eine Detektionsoptik umfaßt, die die Bildgeber (10) für einen Betrachter gleichzeitig in unterschiedlichen Fokusebenen darstellt.
4. Darstellungsvorrichtung nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das digitale Bilderzeugungsmodul (4) die zweidimensionalen Bilder in zumindest drei verschiedenen Fokusebenen erzeugt, wobei der Abstand der Fokusebene äquidistant ist.
5. Darstellungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das digitale Bilderzeugungsmodul (4) die Bilder in zumindest drei verschiedenen Fokusebenen erzeugt, wobei der Abstand der Fokusebenen nicht äquidistant ist.
6. Darstellungsvorrichtung nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das digitale Bilderzeugungsmodul (4) in zumindest einem Bild zusätzlich eine Markierung oder eine sonstige Information in einer der Fokusebenen darstellt.
7. Darstellungsvorrichtung nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das digitale Bilderzeugungsmodul (4) zusätzlich eine Markierung oder eine sonstige Information in einer weiteren Fokusebene darstellt, die mit keiner der verschiedenen Fokusebenen zusammenfällt, in der die zweidimensionalen Bilder des Objektes dargestellt werden.
8. Darstellungsvorrichtung nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Aufnahmemodul (2) vorgesehen ist, das Aufnahmen aus verschiedenen Objektebenen des darzustellenden dreidimensionalen Objektes erstellt und der Steuereinheit (3) zuführt.
9. Darstellungsvorrichtung nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sie als digitales Operationsmikroskop ausgebildet ist.
10. Darstellungsvorrichtung nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das digitale Bilderzeugungsmodul (4) eine Vielzahl von Pixeln zur Erzeugung der zweidimensionalen Bilder aufweist, wobei jedes Pixel, das einen nicht dunkel gesetzten Bildabschnittes darstellen soll, genau einer Fokusebene zugeordnet ist.
1 1 . Darstellungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das digitale Bilderzeugungsmodul eine Vielzahl von Pixeln zur Erzeugung der zweidimensionalen Bilder aufweist, wobei ein Pixel zur Darstellung von nicht dunkel gesetzten Bildabschnitten mehreren der verschiedenen Fokusebenen zugeordnet sein kann.
12. Darstellungsvorrichtung nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein weiteres digitales Bilderzeugungsmodul (4) vorgesehen ist, das basierend auf den von der Steuereinheit (3) zugeführten zweidimensionalen Bilddaten zweidimensionale Bilder des Objektes (7) von zumindest zwei verschiedenen Objektebenen (8, 9) in entsprechenden verschiedenen Fokusebenen (F1 , F2, F3) so erzeugt, daß ein Betrachter mit seinem zweiten Auge (12') auf die verschiedenen Fokusebenen (F1 -F3) fokussieren kann, um das dargestellte Objekt (7) dreidimensional wahrzunehmen,
wobei die Steuereinheit (3) für jedes mit dem weiteren digitalen Bilderzeugungsmodul (4) darzustellende zweidimensionale Bild abschnittsweise einen Schärfewert bestimmt und die Bilddaten für die Bildabschnitte auf dunkel setzt, deren Schärfewert au ßerhalb eines für das Bild vorbestimmten Schärfewertebereiches liegt,
und wobei die Steuereinheit (3) die Bilddaten für beide digitale Bilderzeugungsmodule (4) so bereitstellt, daß die beiden digitalen Bilderzeugungsmodule (4) unterschiedliche Perspektiven des Objektes darbieten.
13. Multifokales Darstellungsverfahren zum dreidimensionalen Darstellen eines Objektes, bei dem zweidimensionale Bilder des Objektes von zumindest zwei verschiedenen Objektebenen in entsprechenden verschiedenen Fokusebenen so erzeugt werden, daß ein Betrachter mit seinem Auge auf die verschiedenen Fokusebenen fokussieren kann, um das dargestellte Objekt dreidimensional wahrzunehmen,
dadurch gekennzeichnet, daß
für jedes darzustellende zweidimensionale Bild abschnittsweise einen Schärfewert bestimmt wird und die Bildabschnitte bei der Bilderzeugung auf dunkel gesetzt werden, deren Schärfewert au ßerhalb eines für das Bild vorbestimmten Schärfewertebereiches liegt.
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