DE2217281A1

DE2217281A1 - Dichtenmessung durch Bildanalyse. >

Info

Publication number: DE2217281A1
Application number: DE19722217281
Authority: DE
Inventors: Leon Andre Cambridge; Ward David Charles Melbourn Royston Hertfordshire; Pieters (Großbritannien)
Original assignee: Image Analysing Computers Ltd., Melbourn, Royston, Hertfordshire (Grossbritannien)
Priority date: 1971-04-17
Filing date: 1972-04-11
Publication date: 1972-11-02
Also published as: US3787620A; GB1385679A; FR2136478A5; IT954362B

Description

Dr.-lng. E. BERKENFELD · Dipl.-Ing. H. BERKENFELD, Patentanwälte, Köln Anlage Aktenzeichen

zur Eingabe vom 24. ΜαΓΖ 1972 VA// Name d. Anm. IMGE ANALYSING

COMPUTERS LIMITED

Dichtenmessung durch Bildanalyse

Die Erfindung bezieht sich auf ein Bildanalysiersystem zum Erzielen eines Signals, welches die optische Dichte eines halbdurchlässigen Bildpunktes anzeigt, dessen Umgebung in einem den Bildpunkt enthaltenden Feld einen Lichtdurchlässigkeitsfaktor aufweist, der sich von jenem des Bildpunktes unterscheidet, so daß der von unten beleuchtete Bildpunkt entweder heller oder dunkler als seine Umgebung erscheint. Ein solcher Bildpunkt wird nachstehend als ein durchlässiger Bildpunkt bezeichnete

Ein solcher Bildpunkt ist gewöhnlich in dem auf dem Objektträger eines Mikroskops befindlichen Dünnschliff zu finden, der aus tierischem oder pflanzlichem Gewebe hergestellt ist. Wenn das Gewebe farblos ist, kann es mittels einer entsprechenden Farbe gefärbt werden, so daß, obwohl das Gewebe noch immer halbdurchlässig ist, sein LMitdurchlässigkeitsfaktor von jenem des umgebenden Unterlagsmediums (gewöhnlich durchsichtiges Glas) verschieden gemacht wird. Wenn das Gewebe daher von unten beleuchtet wird, wird dasselbe weniger Licht durchlassen als das umgebende Unterlagsmedium. Wenn das durchgelassene Licht verwendet wird, um ein Bild zu formen, welches in ein Videosignal umgewandelt und dann durch einen einfarbigen Fernsehmonitor reproduziert wird, wird das Gewebe in dem reproduzierten Bild gegen einen hellen Hintergrund dunkel erscheinen.

Es ist bekannt, ein Videosignal durch Abtastverfahren zu erzielen, welche eine Fotozelle als Licht- oder Fotonensensor in Verbindung mit einem mechanischen oder elektronischen Abtastsystem verwenden. Die augenblickliche Amplitude des so erzeugten Videosignals entspricht der Helligkeit des Bereichs des Bildes, der

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in irgendeinem Augenblick abgetastet wird, oder der Durchlässigkeit des Bereichs des # Feldes, der in diesem Augenblick abgetastet wird.

Bekannte Anordnungen sind durch ein niedriges Signal-/Störspannungsverhältnis gekennzeichnet«, Das Geräusch entsteht infolge der beliebigen Schwankung der Lichtintensität an der Fotozelle und wird gewöhnlich als das Fotonengeräusch bezeichnet.

Infolge der logarithmischen Beziehung zwischen Dichte und Durchlässigkeit stellt das zunehmende Fotonengeräusch eine zunehmende Fehlerkomponente der Dichte dar» Das Fotonengeräusch einer Fotozelle stellt daher eine Begrenzung der Dichte von Bildpunkten dar, welche durch Verwendung der Fotozelle als Fotonensensor erfaßt werden kann.

Bei Betrachtung eines solchen Feldes wird sich die Amplitude des Videosignals verändern, wenn der abtastende Lichtfleck eine Begrenzung zwischen dem hellen Hintergrund und dem den Bildpunkt bildenden dunkler gefärbten Gewebe überquert.

Wie in der britischen Patentschrift 1.127.742 und in der britischen Patentanmeldung 20.612/68 beschrieben wird, kann die Amplitudenveränderung in dem Videosignal in ein tinäres Signal umgewandelt werden, das einen Wert Null aufweist, während der abtastende Lichtfleck den hellen Hintergrund überquert, und einen Wert Eins während der ganzen Zeit, in welcher der abtastende Lichtfleck den dunkleren Bildpunkt überquert. Der Vorgang der Umwandlung des ursprünglichen Videosignals in eine Reihe elektrischer Impulse von konstanter Amplitude (das heißt in ein binäres Signal) wird als Erfassen bezeichnet und das binäre Signal wird geweöhnlich als ein fi erfaßtes Videosignal bezeichnet·

Obwohl die Anzahl der in dem Feld vorhandenen Bildpunkte, sowie deren Größe und manchmal deren Form wichtige Parameter sind, die auf dem medizinischen und biologischen Gebiet voraussichtlich H 70/26 209845/0749

erforderlich sind, ist es häufig zusätzlich erforderlich, das Volumen eines durchlässigen Bildpunktes in dem Blickfeld zu bectiinmen. Dies trifft insbesondere zu, wenn die interessierenden Bildpunkte die Zellen sind, welche ein tierisches oder pflanzliches Gewebe bilden. Y/enn eine Zelle in der oben beschriebenen Weise gefärbt v/orden ist, kann ein Ausmaß ihres Volumens erhalten v/erden, indem die optische Dichte über die Fläche der betreffenden Zelle integriert wird«,

Ein Verfahren zum Analysieren des Bildes eines Feldes, das einen oder mehrere Bildpunkte enthält, welche sich dadurch unterscheiden, daß sie eine größere optische Dichte als der Rest des Feldes aufweisen, umfaßt die Schritte der Beleuchtung des Feldes, der Einstellung des durch das Feld durchgelassenen Lichts, um ein Bild des Feldes auf der Fotokathode einer Fernsehkameraröhre zu formen, so daß ein Elektronenstrahl veranlaßt wird, die letztere abzutasten, um ein elektrisches Videosignal zu erzeugen, dessen Amplitude bei abnehmender Helligkeit in dem Bild von Null (was der vollständigen Durchsichtigkeit, das heißt der Dichte Null entspricht) auf einen maximalen Wert zunimmt, welcher der maximalen Undurchsichtigkeit, das heißt der zu messenden maximalen Dichte entspricht. Das Verfären ist gemäß der Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß das Videosignal verstärkt wird, um eine Ausgangsspannung zu erzeugen, welche zu dem Videosignal in logarithmischer Beziehung steht, und da* die Ausgangsspannungsimpulse des logarithmischen Verstärkers integriert werden.

Die Erfindung benutzt daher die lichtintegrierenden Eigenschaften einer üblichen Fernsehkameraröhre»·

Wenn die Fotokathode eine übliche Fotozelle wäre, würde das in irgendeinem Augenblick verfügbare Licht dem von dem sehr kleinen Bereich des Feldes durchgelassenen Licht entsprechen, der in diesem Augenblick abgetastet wird. Außerdem wäre die zur Aufnah»· der von dem sehr kleinen Bereich durchgelassenen Fotonen

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verfügbare Zeit die Zeit zum Abtasten dieses sehr kleinen Bereichs. Wenn daher ein besonderer Bereich tausend Fotonen pro Sekunde durchläßt und die Zeit zum Abtasten des Bereichs 1/1000 Sekunden beträgt, wäre aus diesem Bereich pro Bild nur ein Foton verfügbar.

Wenn eine Fernsehkameraröhre als der Fotonensensor verwendet wird, ist die Gesamtzahl der Fotonen, die aus dem im vorhergehenden Absatz erwähnten gleichen Bereich des Feldes an der Fotokathode ankommen, gleich dem Produkt der Geschwindigkeit des Fotonendurchgangs und der Bildabtastperiode. Bei zehn Bildern pro Seakunde beträgt die Bildabtastperiode 1/10 Sekunden und die Gesamtzahl der Fotonen pro Bild beträgt daher 100. Aus dem gleichen Bereich ist somit an der Fotokathode der Kamera die hundertfache Zahl von Fotonen verfügbar als bei Verwendung der Fotozelle als Fotokathode.

Die Zunahme der verfügbaren Fotonen stellt eine Zunahme der Empfindlichkeit ύ gegenüber den bekannten Fotozellenanordnungen dar. Da außerdem die beliebigen Veränderungen des Fotonendurchgangs die gleichen sind, ohne Rücksicht darauf, welcher Fotonensensor verwendet wird, und da diese Veränderung das sogenannte Fotonengeräusch erzeugt, wird das Signal-ZStörspannungsverhältnis für eine Fernsehkameraröhre viel größer sein als für eine Fotozelle, wenn die beiden in ähnlichen Situationen verwendet werden. Dies er_moglicht, daß viel dichtere Bildpunkte analysiert werden können, als wenn die Fotozelle unter den begrenzten Lichtbedingungen verwendet wird, die für die biologische Arbeit wünschenswert sind.

Die Amplitudenschwankungen, die sich auf den Rest des Feldes beziehen, werden vorzugsweise in bekannter Weise durch Schwellendiskrimination entfernt, so daß nur die Amplitudenschwankungen verbleiben, die sich aus dem Abtasten der unterscheidbaren Bildpunkte ergebene Dies kann entweder vor oder nach der Verstärkung in dem logarithmischen Verstärker erfolgen. H 70/26 209845/0749

Die den Bildpunkten in dem Feld entsprechenden Amplitudenschwankungen des Videosignals können aber auch in eine Reihe elektrischer Impulse umgewandelt werden, welche ein erfaßtes Videosignal bilden, in dem das Videosignal mit einer Bezugsspannung verglichen wird. Die das erfaßte Videosignal bildenden elektrischen Impulse werden zum Ausblenden des Videosignals (vor oder nach der Verstärkung) verwendet, um nur jene Amplitudenschwankungen des Videosignals durchzulassen, die sich aus dem Abtasten von Bereichen des Feldes ergeben, welche eine die Bezugsspannung überschreitende Amplitudenschwankung des Videosignals erzeugen.

Die Impulse des erfaßten Videosignals können vorteilhaft einer Impulsdauerdiskrimination unterworfen werden, wodurch Impulse mit einer kleineren als der gewählten Dauer am Ausblenden des Videosignals gehindert werden. Dadurch wird verhindert, daß kleine Staubteilchen, welche im allgemeinen eine hohe Dichte aufweisen, das Videosignal ausblenden.

Falls die durchschnittliche Dichte des Bildpunktes erforderlich ist, ist eine Stromkreiseinrichtung vorgesehen, um das Volumensignal des Bildpunktes durch ein Signal zu dividieren, welches die Fläche des Bildpunktes oder der Bildpunkte anzeigt. Dies ist die wirkliche durchschnittliche Dichte des Bildpunktes, wenn sich das Volumensignal nur auf einen Bildpunkt bezieht.

Wenn in einem Feld mehr als ein Bildpunkt vorhanden ist (wie zum Beispiel zwei halbdurchlässige Zellen in einem Dünnschliff auf dem Objektträger eines Mikroskops, der aus einem durchsichtigen Unterlagsmedium besteht), dann wird sich die Dichteinformation, die sich während einer Feldabtastung ergibt, auf beide Bildpunkte in dem Feld beziehen. Ein durchschnittliches Ausmaß des Volumens der Zellen kann erhalten werden, indem das Integral der Gesamtdichte durch die Anzahl der Zellen in dem Feld dividiert wird. Wenn die Dichteinformation für jeden Bildpunkt setrennt erforderlich ist, maß die während einer Bildabtastung

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erhaltene Dichteinformation auf die besonderen Bildpunkte bezogen werden, welche die Information erzeugen. Dies kann erreicht werden, indem ein zugehöriger Parameterrechner modifiziert wird, wie in den britischen Patentschriften 1.264.804 und 1.264.805 beschrieben ist, so daß die sich aus jedem Bildpunkt ergebenden Dichteinformationssignals vereinigt und getrennt integriert, sowie an Stellen der Abtastung freigegeben werden, die sich nur auf jeden Bildpunkt beziehen.

Falls absolute Werte für das Volumen erforderlich sind, ist eine Einrichtung vorgesehen, welche das integrierte Signal mit einer Konstanten multipliziert, die von dem Produkt der Größe und der Geschwindigkeit des Lichtflecks abgeleitet ist.

Nachstehend werden beispielsweise Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben, in welchen zeigt;

Fig. 1 ein Blockdiagramm einer Stromkreisanordnung zum Erzeugen eines elektrischen Signals, welches die integrierte Gesamtdichte (das heißt das Volumen) von Bildpunkten in einem Feld anzeigt,

Fig. 2 ein Blickfeld, welches eine einzige biologische Zelle mit einem Kern enthält.

Die Figuren 2a bis 2d sind graphische Darstellungen der Wellenform der Videosignale, die an verschiedenen Stellen in dem Stromkreis gemäß Fig. 1 durch die in Fig. 2 dargestellte Kreuzung einer einzigen Zeilenabtastung erhältlich sind«

Fig. 3 zeigt ein Blockdiagramm einer Abänderung des Stromkreises gemäß Fig. 1 und

Figo 4 ein Blockdiagramm einer weiteren Abänderung des Strom- «70/26 209845/0749

kreises gemäß Fig« 1.

In Fig. 1 ist eine Fernsehkamera 10 dargestellt, welche die Quelle des abgetasteten Videosignals bildet. Das Ausgangssignal der Fernsehkamera 10 wird dem Eingang eines ersten Verstärkers 12 über ein Tor 14 zugeführt, das durch Austastsignale geöffnet wird, welche innerhalb des Abtastrasters ein sogenanntes Leerbild begrenzen. Dieses wird durch Öffnung des Tores 14 nur während eines Teils jeder Zeilenabtastung erzeugt und behindert je de Öffnung des Tores 14 während der ersten wenigen Zeilenabtastungen jedes Feldes.

Fig. 2 veranschaulicht die Darstellung, die auf eiL^m Fernsehmonitorschirm 16 erhalten wird, wenn mit der Fernsehkamera 10 eine biologische Zelle 18 betrachtet wird, welche teilweise durchlässig ist und daher auf einem im wesentlichen weißen Hintergrund 20 grau erscheint. Die dargestellte Zelle 18 enthält einen dunklen Kernbereich 22, der in dem dargestellten Bild dunkelgrau erscheint, da derselbe weniger lichtdurchlässig ist.

Der Effekt des Ausblendens des Leerbildes ist durch die unterbrochene Umrißlinie 24 dargestellt. Eine typische Zeilenabtastung, welche den Hintergrund, die Zelle und den Kern kreuzt, ist durch die Linie 26 bezeichnet.

Während der Schewarzwert des Videosignals in bekannter Weise blockiert werden kann, um während der ganzen Abtastung konstant zu bleiben, kann der Weißwert nicht blockiert werden und ist gewöhnlich einer Veränderung unterworfen infolge der Ungleichmäßigkeit der Empfindlichkeit auf der Fläche der Fotokathode der Kameraröhre. Die resultierende Veränderung des Weißwertes wird als Schattierung bezeichnet und führt Fehler in die Messung der Dichte und/oder des Volumens ein. Infolgedessen wird angenommen, daß die Quelle des Videosignals hinsichtlich der Schattierung korrigiert wird, um für die Abtastung einen gleichmäßigeren Weiß wert zu erzeugen. Eine Vorrichtung zur Korrektur der Schattie-M 70/26 209845/0749

rung wird in der britischen Patentanmeldung 30.562/70 beschrieben, obwohl dieselbe nur als ein Beispiel für die verschiedenen Arten angegeben ist, wie die Korrektur der Schattierung bewirkt werden kann. Die verschiedenen Darstellungen der Spannungswellenform sind unter der Annahme gezeichnet worden, daß die Korrektur der Schattierung in der Quelle des Videosignals ausgeführt worden ist.

Fig. 2a veranschaulicht graphisch die Wellenform des Videosignals, die während der Zeilenabtastung 26 erhalten wird, wenn die mit "Weiß ist positiv" bezeichnete Modulation des Videosignals verwendet wird₀ Keine Berücksichtigung finden typische Synchronisierungsimpulse, die gewöhnlich in einem solchen Videosignal enthalten sind. Infolgedessen ist die Amplitude des Signals jenseits der Grenzen des Abtastrasters als Null dargestellt. Am Beginn und am Ende jeder Zeilenabtastung wird jedoch angenommen, daß die Amplitude des Videosignals jener entspricht, die beim Abtasten eines schwarzen Bereichs in dem Feld erhalten wird. Sobald daher die Zeilenabtastung einen Bereich des Feldes kreuzt, welcher an den Kanten dem durchsichtigen weißen Hintergrund entspricht, steigt die Amplitude des Videosignals deutlich ungefähr auf den Spitzenweißwert an. Der Spitzenweißwert ist in Fig. 2a durch die unterbrochene Linie 28 bezeichnet und die dem Schwarzwert entsprechende Amplitude des Videosignals ist durch die unterbrochene Linie 30 bezeichnet.

Wenn der Lichtfleck längs der Linie 26 abgtastet, kreuzt derselbe zunächst die vordere Kante der Zelle 18. Da die Zelle weniger weiß ist als der Hintergrund, nimmt die Amplitude des Videosignals ab und bleibt dann im wesentlichen konstant auf dem in Fig. 2a mit 32 bezeichneten Wert, wenn der Lichtfleck die Zelle überquert. Wenn der Lichgtfleck die vordere Kante des Kerns 22 kreuzt, nimmt die Amplitude des Videosignals wieder deutlich auf einen neuen niedrigen Wert ab, welcher dem Schwarzwert näher liegt und mit 3^ bezeichnet ist. Das Umgekehrte erfolgt, wenn der A abtastende Lichtfleck den Kern 22 und die M70/26 209845/0749

Zelle 18, sowie schließlich das Feld überhaupt am Ende der Zeilenabtastung verläßt.

Der erste Videoverstärker 12 dient dazu, die Amplitudenveränderungen in dem Videosignal relativ zum Spitzenweißwert umzukehren» Die Wellenform des Signals, die am Verbindungspunkt B (das heißt am Ausgang des Verstärkers 12) erscheint, ist in Fig. 2b dargestellt.

Das Signal am Verbindungspunkt B dient als ein Eingang zu einem zweiten Verstärker 36. Die Übertragungsfunktion des Verstärkers 36 ist so gewählt, daß das Ausgangssignal am Verbindungspunkt C den Logarithmus der Amplitude des Signals am Verbindungspunkt B relativ zu der neuen Bezugsspannung für das Signal darstellt.
Dies hat die Wirkung, die Größe der den Grauwert betreffenden
Amplitudenveränderungen in dem Signal amVerbindungspunkt B relativ zu den dem- Weißwert betreffenden Amplitudenveränderungen in dem Signal am Verbindungspunkt B zu 4 erhöhen. Die Wirkung
entspricht im wesentlichen jener, die in Fig. 2c dargestellt
ist. Es ist jedoch zu bemerken, daß dies nur eine schematische Darstellung ist und kein genaues logarithmisches Äquivalent des Signals am Verbindungspunkt B sein soll.

Das Signal am Verbindungspunkt C dient als der Eingang zu einem dritten Verstärker 38, der eine im wesentlichen lineare Übertragungsfunktion aufweist. Der Verstärkungsfaktor des Verstärkers 38 ist so gewählt, daß das Signal am Verbindungspunkt C mit einem konstanten Multiplikator K multipliziert wird. Der Wert von K ist so gewählt, daß die verstärkte Amplitude des Videosignals, die im Ausgang des Verstärkers 38 am Verbindungspunkt 39 erscheint, zu der optischen Dichte des Bereichs des Feldes in direkter Beziehung steht, von dem sie abgeleitet wird. Der Wert
von K kann mathematisch bestimmt werden und ist unter anderem
abhängig von der für die Beleuchtung der Zelle verwendeten Licht intensität, vom Lichtdurchlässigkeitsfaktor des optischen Systems irgendeines verwendeten Mikroskops und von der optischen/

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elektrischen Übertragungscharakteristik der Kamera 10. Zu berücksichtigen ist außerdem auch irgendeine Verstärkung oder ein Verlust in dem Signalweg zwischen dem Verbindungspunkt A und dem Verbindungspunkt C.

Das Ausgangssignal des Verstärkers 38 wird einem IntegrierStromkreis 40 zugeführt, welcher so gesperrt ist, daß alle Signale integriert werden, die sich während eines gewählten Zeitintervalls ergeben, um das integrierte Ausgangssignal am Ende dieses Zeitraumes zu erhalten, und welcher dann wieder auf einen Wert Null zurückgestellt wird, um zum Integrieren von Signalen bereit zu sein, die sich während eines nachfolgenden gewählten Zeitintervalls ergeben. Das gewählte Zeitintervall ist zweckmäßig eine einzige Bildabtastung und die Ausblendung kann mit den Zeilen- und Bildabtastungsstromkreisen der Kamera 10 synchronisiert werden» Das Austastsignal wird vorzugsweise von jenem abgeleitet, das zur Steuerung der Tätigkeit des Tores 14 verwendet wird. Ein Signal, welches das Ende jedes Leerbildes anzeigt, wird verwendet, um den Integrierstromkreis 40 anzusprechen und das Signal freizugeben, das durch Integrieren für die Dauer der Bildabtastung abgeleitet wird, und gleichzeitig den Speicher im Integrierstromkreis 40 auf Null zurückzustellen, damit derselbe bereit ist, beim Auftreten eines neuen Feldes mit der Integration zu beginnen.

Wenn sich in einem Feld zwei oder mehrere Bildpunkte befinden (zum Beispiel zwei biologische Zellen 18), ist es mit dem Stromkreis der Fig. 1 oder 3 unmöglich, zwischen der Information zu unterscheiden, die sich auf den einen oder anderen der beiden Bildpunkte bezieht. Obwohl es möglich ist, einen durchschnittlichen Volumenwert für die Bildpunkte in dem Feld zu erhalten, ist eine solche Information von geringem Wert, wenn der Zweck der Analyse sein soll, zwischen den Zellen entsprechend ihrem Volumen zu unterscheiden, wie es häufig der Fall ist, wenn versucht wird, zwischen Zellen zu unterscheiden, die mit Krankheit infiziert sind, und jenen, die nicht infiziert sind. M 70/26 209845/0749

Um zu gewährleisten, daß sich die während einer Feldabtastung erhaltene Dichtinformation nur aus einem Bildpun%kt ergibt, können verschiedene Isolationsverfahren verwendet werden. Ein Verfahren betrifft die Einstellung der Begrenzungen des Leerbildes 24, so daß ein genügender Teil des ursprünglichen Feldes begrenzt wird, um seinerseits jede Zelle einzuschließen.

Ein automatisches Verfahren zum Identifizieren jedes Bildpunktes in dem Blickfeld kann verwendet werden, wie in der britischen Patentanmeldung Nr. 10.287/71 beschrieben wird₀ Es kann aber auch ein sogenanntes Lichtschreibersystem verwendet werden, bei welchem jeder Bildpunkt durch eine Bedienungsperson identifiziert und angezeigt wird, indem ein Lichtschreiber- auf den auf einem Monitorschirm dargestellten Bildpunkt ge rieh': st wird. Ein solches System wird in der britischen Patentanmeldung 12.313/71 beschreiben. In jeder dieser Anordnungen wird das Videosignal der Kamera 10 zunächst durch die Austastsignale des Leerbildes ausgeblendet, sowie auch durch Signale, die erzeugt werden durch Zusammenfallen dar durch Kreuzung der Zeilenabtastung des Videosignals erhaltenen Information von dem gewählten Bildpunkt mit einem koordinierten Identifizierungssignal, das sich auf den gewählten Bildpunkt bezieht.

Obwohl die bisher beschriebenen Verfahren nur ermöglichen, daß ein Bildpunkt pro Bild analysiert wird, ist dies auf den biologischen und medizinischen Gebieten kein großer Nachteil, auf welchen die typischen Proben nur aus einer oder zwei Zellen oder Gewebeteilen bestehen.

Aus Fig. 2c ist ersichtlich, daß über einen Abschnitt jeder Zeilenabtastung ein Teil der Amplitude sich auf das Hintergrundsignal bezieht. Bei der besonderen Zeilenabtastung 26 macht dies nicht einen sehr hohen Prozentsatz der ganzen Ϊ Zeile aus, aber andere durchgeführte Zeilenabtastungen könnten einen höheren Prozentsatz des Hintergrundsignals enthalten und tatsächlich enthalten einige Zeilenabtastungen des in Fig. 2 dargestellten

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Feldes überhaupt keine Bildpunktinformation, sondern ausschließlich Hintergrundinformation. Obwohl die Amplitude des Hintergrundsignals relativ zu der Amplitude des Videosignals klein sein soll, welche sich auf den gewünschten Bildpunkt oder die Bildpunkte und insbesondere auf den Kern 22 bezieht, kann ihr kumulativer Effekt über ein vollständiges Feld, insbesondere wenn das Feld groß ist im Vergleich zu der tatsächlichen Fläche der Zelle, einen hochprozentigen Fehler in dem absoluten Wert ergeben, der durch Integrieren über das ganze Feld erhalten wird. Außerdem ist die in Fig. 2a gezeigte Wellenformdarstellung etwas idealisiert. In der Praxis wird der Hintergund einen viel höheren Grad der Veränderung zeigen infolge von Staubteilchen und anderen Fremdkörpern*, in dem Unterlagsmedium. Während daher die Zelle 18 von dem Hintergrund leicht unterschieden werden kann, können andere Bereiche des Hintergrundes einen Grauwert aufweisen, der sich jenem der Zelle nähert.

Die Stromkreisanordnung der Figur 3 stellt einen Zusatz dar, der zwischen dem Ausgang der Kamera 10 und dem Eingang zum Verstärker 12 eingeschaltet werden kann. Sowohl die Kamera 10 als auch das Tor 14 sind dargestellt und die Klemme 42 in Fig. 3 entspricht dem Eingang des Verstärkers 12.

Das am Verbindungspunkt A erscheinende Videosignal wird auf den einen Eingang eines Differentialverstärkers 44 zur Einwirkung gebracht (der als eine Spannungsvergleichseinrichtung wirkt) und dessen anderem Eingang eine Bezugsspannung 45 (Fig. 2a) von einer Bezugsspannungsquelle 46 zugeführt wird, welche zweckmäßig ein Potentiometer sein kann.

Wenn die Amplitude des Videosignals am Verbindungspunkt A die Bezugsspannung überschreitet, schaltet das Ausgangssignal des Differentialverstärkers 44 eine bistabile Einrichtung 48 in die eine ihrer beiden Stellungen. Das andere Ausgangssignal des Differential vestärkers 44 (das heißt, wenn die Amplitude des Videosignals am Verbindungspunkt A kleiner ist als die Bezugsspan-

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nung) führt die bistabile Einrichtung 48 in die andere Stellung zurück. Die beiden verschiedenen Stellungen der bistabilen Einrichtung 48 erzeugen am Verbindungspunkt X 1-Signale bzw. O-Signale.

Das Signal am Verbindungspunkt X besteht daher aus einer Reihe von Impulsen mit konstanter Höhe. Die Dauer jedes Impulses entspriht der Dauer der Kreuzung einer der Zeilenabtastungen mit einem Bildpunkt in dem Feld. Infolgedessen können diese Impulse verwendet werden, um ein Tor 50 zu öffnen, welches die Freigabe des Videosignals vom Verbindungspunkt A zum Tor 14 steuert. Das Tor 50 wird daher während jeder Zeilenabtastung nur für die Periode geöffnet, während welcher die Zeilenabtastung den Bildpunkt oder die Bildpunkte in dem Feld kreuzt. Keine Hintergrundinformation geht daher durch das Tor 50 hindurch und die Wirkung des Tores 50 ist durch die unterbrochenen Linien 52 und 54 in den Figuren 2b bis 2d gezeigt. Fig. 2d"veranschaulicht auch die resultierende Wellenform am Verbindungspunkt C in Fig. 1, wenn dieselbe gemäß Fig. 3 abgeändert trist, und kann mit jener verglichen werden, die am Verbindungspunkt C erhalten würde (wie in Fig. 2c gezeigt ist), ohne den Zusatz der Abänderung gemäß Fig. 3.

In den Signalweg zwischen dem Verbindungspunkt A und dem Tor 50 ist eine Verzögerungsvorrichtung 56 eingeschaltet, um sich irgendeiner Verzögerung anzupassen, welche in den Signalweg durch den Verstärker 44 und die bistabile Einrichtung 48 eingeführt wird, welche die Auslaßsignale am Verbindungspunkt X erzeugt. Keine Berücksichtigung findet die Zeitverschiebung, welche durch die Verzögerungsvorrichtung 56 in Fig. 2d eingeführt wird.

Obwohl die binären Impulse des erfaßten Videosignals in der dargestellten Weise das Tor 50 betätigen, ist die Erfindung selbstverständalLch nidat auf diese besondere Anordnung beschränkt, sondern die binären Impulse können gedehnt werden, bevor sie zur Betätigung den Tores 50 verwendet werden. Auf diese Weise wird

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das Tor vor einer vorderen Kante einer Amplitudenschwankung des Videosignals geöffnet und einige Zeit hinter der hinteren Kante der Schwankung geschlossen, welche sich aus dem Abtasten eines Bildpunktes ergibt, so daß Fehler verringert werden,die sonst bei Bildpunkten mit undeutlichen Begrenzungen auftreten könnten.

Zusätzlich können die binären Impulse auch der Größe nach diskriminiert werden, um Impulse von kurzer Dauer auszuschließen, welche sich aus der Anzeige von Geräuschspitzen und/oder Schwankungen infolge von Staubteilchen in dem Feld ergeben.

Die Abänderung gemäß Fig. 3 verringert Fehler im Ausgangssignal des Integrierstromkreises 40, ob das Feld nun einen oder mehrere Bildpunkte enthält. Außerdem kann das sogenannte erfaßte Videosignal, das am Verbindungspunkt X in Fig. 3 erhalten wird, zur Betätigung eines Antikoinzidenzdetektors 58 verwendet werden, der einen Teil einer weiteren Abänderung bildet, welche dem Stromkreis gemäß Fig. 1 hinzugefügt werden kann und in Fig. 4 dargestellt ist.

Diese weitere Abänderung ermöglicht, die Dichteinformation von jedem von zwei oder mehreren Bildpunkten in einem Feld während einer einzigen Abtastung zu erhalten. Die in Fig. 4 dargestellte Abänderung des Systems enthält zusätzlich zu dem Antikoinzidenzdetektor 58 einen zugehörigen Parameterrechner 60, dem das am Verbindungspunkt 39 erscheinende Ausgangssignal des Verstärkers 38 zugeführt wird. Der Rechner 60 enthält einen (nicht dargestellten) Integrator, welcher am Ende jedes Impulses des erfaßten Videosignals zurückgestellt wird, sowie einen Speicher, der die ganze integrierte Information getrennt enthalten und diese Information in Intervallen einer Zeilenabtastperiode wieder in Umlauf setzen kann. Ein Signalweg 64 fördert Austar.tsignale vom Ant!koinzidenzdetektor 58 zum Rechner 60, um denselben zu veranlassen, die integrierte Information, die sich auf

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die Kreuzung früherer Zeilenabtastungen mit einem Bildpunkt bezieht, während der Kreuzung jeder nachfolgenden Zeilenabtastung mit demselben auf den neuesten Stand zu bringen. Der Antikoinzidenzdetektor 58 ist so angeordnet, daß derselbe unmittelbar nach der Kreuzung der letzten Zeilenabtastung mit jedem Bildpunkt einen einzigen Austastimpuls erzeugt, der über den Signalweg 66 zwecks Öffnung eines Tores 68 zur Einwirkung kommt, um dadurch die ganze im Rechnerspeicher zu diesem Zeitpunkt der Abtastung gespeicherte Information freizugeben. Gleichzeitig wird der Austastimpuls auf dem Signalweg 66 angeordnet, um die Wiederinumlaufsetzung der Information zu behindern, welche zu diesem Zeitpunkt freigegeben wird, und um dadurch jenen Teil des Speichers im Rechner 60 freizumachen, so daß die Verwendung i.ssselben für die Speicherung von Information ermöglicht wird, di sich später in dem Feld ergibt.

Der Antikoinzidenzdetektor 58 und der Rechner 60 sind genauer in den britischen Patentschriften 1.264.804, 1.264.805 ui d 1.264.807 beschrieben.

In Fig. 4 ist auch noch ein zweiter zugehöriger Parameterrechner 70 dargestellt, dem die Impulse der Kreuzung der Zeilenabtastung vom Verbindungspunkt X in Fig. 3 zugeführt werden. Dieser zweite Rechner 70 wird ebenfalls durch den Antikoinzidenzdetektor 58 gesteuert und ist zu diesem Zweck mit demselben durch einen Signalweg 72 verbunden. Die Aufgabe des zweiten Rechners 70 besteht darin, die Kreuzung jeder Zeilenabtastung mit einem Bildpunkt den Kreuzungen aller anderen Zeilenabtastungen mit dem Bildpunkt hinzuzufügen, um ein Signal zu erzeugen, welches die Fläche des Bildpunktes anzeigt. Diese Information ist zum gleichen Zeitpunkt verfügbar wie jene, die sich auf das Volumen des Bildpunktes bezieht, und kann durch ein Tor 74 freigegeben werden, das durch den gleichen Impuls betätigt wird, der das Tor 68 betätigt. Das Flächensignal wird auf den einen Eingang eines Teilers 76 zur Einwirkung gebracht und das durch das Tor 68 freigegebene

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Volumensignal wird auf den anderen Eingang des Teilers 76 zur Einwirkung gebracht. Das Quotientensignal entspricht dann der durchschnitttlichen Dichte des Bildpunktes und das Ausgangssignal des Teilers 76 wird einem Eingang eines Druckers 78 zugeführt.

Das Ausgangssignal des Teilers 76 kann auch direkt auf einen weiteren Rechner oder eine besondere Informationsverarbeitungseinrichtung zur Einwirkung gebracht werden, durch welche die Wertdiskrimination auf die Signale zur Einwirkung gebracht werden kann, welche die durchschnittliche Dichte der verschiedenen Bildpunkte in dem Feld darstellen.

Die Volumensignale am Verbindungspunkt 69 und die Flächensignale am Verbindungspunkt 71 bilden andere Eingangssignale für den Drucker 78.

Obwohl die Erfindung insbesondere unter Bezugnahme auf Spannungsgrößen und daher Analogsignale beschrieben worden ist, können selbstverständlich entsprechende Analog/Digitalwandler vorgesehen werden, um die bei der Verarbeitung des Videosignals erzeugte Spannung in digitaler Form zu erhalten. Wenn beispielsweise der Flächenwert, der durch Summieren der Impulse des erfaßten Videosignals über- Jede Bildabtastperiode erzeugt wurde, sich in digitaler Form befindet, können ebenfalls entsprechende Digital-/Analogwandler vorgesehen werden, so daß zwei Analogsignale für den Divisionsvorgang verfügbar sind, um den Dichtenwert für das Feld oder den Bildpunkt zu erhalten.

Patentansprüche

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Claims

Anlage Aktenzeichen

zur Eingab, vom 24. ΜβΓΖ 1972 VA//. Named. Ann,. IMAGE ANALYSING

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PAT ENTANSPRÜCHE

Verfahren zum Analysieren eines Bildfeldes mit einem oder mehreren Merkmalen, die sich durch größere optische Dichte von dem übrigen Bildfeld abheben,

dadurch gekennzeichnet,

daß das Bildfeld ausgeleuchtet wird, daß das hierbei entstehende Bild auf eine Fernsehkameraröhre gerichtet und deren Bildschirm zur Bildung eines Videosignales mit einem El-fcektronenstrahl abgetastet wird, wobei die Amplitude des Videosignales mit abnehmender Bildhelligkeit zunimmt, daß das Videosignal unter Bildung einer Ausgangsspannung, die zu ihm in logarithmischer Beziehung steht, verstärkt wird, und daß die von einem logarithmischen Verstärker abgenommenen Impulse integriert werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Videosignal zusätzlich einer Schwellwertdiskriminierung unterworfen wird, so daß nur Amplitudenschwankungen verbleiben, die sich aus dem Abtasten von Bildpunkten ergeben, welche Spannungsschwankungen des Videosignals erzeugen, die größer sind als die Schwellwe rtspannung.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Amplitudenschwankungen des Videosignals mit einer Bezugsspannung verglichen weraeden, so daß jedesmal ein Austastimpuls erzeugt wird, wenn die Amplitude des Videosignals die Bezugsspannung überschreitet, und daß ein Tor (50) im Weg des Videosig-

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nals für die Dauer jedes Austastimpulses.geöffnet wird, so daß nur Amplitudenschwankungen des Videosignals durchgelassen werden, welche sich aus dem Abtasten von Bereichen des Feldes ergeben, die eine Amplitudenschwankung des Videosignals erzeugen, welche die Bezugsspannung überschreitet.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Videosignal verzögert wird, bevor dasselbe auf das Tor (50) zur Einwirkung kommt, um Signalverzögerungen zu kompensieren, welche durch die Vergleichseinrichtung (44) und die Betätigung des Tores eingeführt werden.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Austastimpuls um eine bekannte Zeitperiode gedehnt wird, um dadurch das Tor (50) während einer längeren Zeitperiode als die tatsächliche Dauer der Amplitudenschwankung zu öffnen, auf die sich der Austastimpuls bezieht.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangsspannungsiinpulse während jeder Bildabtastperiode integriert werden, um dadurch eine Spannung zu erzeugen, deren Größe das ganze Bildpunktvolumen in dem Feld anzeigt.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Integrierstromkreis (40) zum Integrieren der Impulse des Ausgangssignals des Verstärkers am Ende jeder Bildabtastperiode zurückgestellt wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Austastimpulse, die durch Vergleichen der Amplitudenschwankungen des Videosignals mit einer Bezugsspannung während jeder Bildabtastperiode erhalten werden, summiert werden, um eine Spannung zu erhaLten, deren Größe die Gesamtfläche der erfaßten Bildpunkte in dem Feld anzeigt, daß die Spannung, die durch In-

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tegrieren der Ausgangsspannung des logarithmischen Verstärkers während jeder Bildabtastperiode erhalten wird, durch die Flächenspannung dividiert wird, und daß eine weitere Spannung erzeugt wird, deren Größe den Quotienten der gesamten integrierten Dichte und Fläche anzeigt.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Austastimpulse bei einer Hochfrequenz zerhackt werden, um dadurch eine Vielzahl von Zählimpulsen anstelle jedes Austastimpulses zu erzeugen, wobei die Anzahl der Austastimpulse der Dauer des ursprünglichen Auäbast—impulses äquivalent ist, daß die Anzahl der Austastimpulse für die Dauer einer Bildabtastperiode gezählt wird, um einen digitalen Wert der Fläche zu erzeugen, und daß das digitale Signal in ein Analogs', ^nal (zum Beispiel ein Spannungsniveau) umgewandelt wird, um ^äie Auswertung des Quotienten der gesamten integrierten Dichte und Fläche zu erleichtern.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 3 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß et» die Austastimpulse hinsichtlich der Impulsdauer diskriminiert werden und daß der Durchgang von Impulsen mit weniger als einer gewählten Dauer verhindert wird.
11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Ausgangsimpuls des logarithmischen Verstärkers getrennt integriert wird, daß die integrierten Impulse, die während der ersten Zeilenabtastung für eine Zeilenabtastperiode erhalten werden, verzögert werden, daß die verzögerten integrierten Impulse zu irgendwelchen Impulsen addiert werden, die sich während der nächsten Zeilenabtastung ergeben, daß die summierten Impulse wieder in Umlauf gesetzt und zu denselben Impulse addiert werden, die sich während der nächsten Zeilenabtastung bis zum Ende des Bildes ergeben, daß die Kreuzung der letzten Zeilenabtastung mit jedem Bildpunkt identifiziert wird, daß bei der nächsten Zeilenabtastung ein Freigabe-

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signal erzeugt wird nach der Kreuzung der letzten Zeilenabtastung mit einem Bildpunkt, daß das Freigabesignal zugeführt wird, um ein Tor zu öffnen, und daß die summierten integrierten Impulse, welche sich auf den Bildpunkt beziehen, freigegeben werden, statt wieder in Umlauf gesetzt zu werden.
12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die integrierten Impulse, die sich auf die Dichte beziehen, getrennt von den Impulsen, die sich auf die Fläche beziehen, in Umlauf gesetzt werden, daß das gesamte integrierte Dichtesignal und das gesamte Flächensignal für jeden Bildpunkt gleichzeitig freigegeben werden und daß das eine durch das andere dividiert wird, um für jeden Bildpunkt eine Spannung zu erzeugen, welche dem Quotienten seiner integrierten Dichte über die Fläche gleich ist.
13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil jeder Zeilenabtastperiode ausgewählt und ein anderes Videosignal als während dieser Periode behindert wird, daß bestimmte Zeilenabtastungen ausgewählt werden, welche eine vollständige Bildabtastperiode bilden, und der Durchgang des Videosignals während nicht ausgewählter Zeilenabtastungen behindert wird, um dadurch einen Bereich innerhalb der abgetasteten Fläche zu begrenzen, von welchem ein Videosignal während jeder Bildabtastung erhalten wird.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Bildpunkt getrennt ausgewählt wird, und zwar mittels eines LichtSchreibers (von der in der britischen Patentanmeldung 12313/71 dargestellten und beschriebenen Art), wodurch Dichtespannungssignale und Flächenspannungssignale freigegeben werden, welche sich auf den ausgewählten Bildpunkt während jeder Bildabtastung beziehen.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Bildpunkt in dem Blickfeld während auf-

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einanderfolgender Bildabtastungen automatisch getrennt identifiziert wird, sowie daß Dichtespannungssignale i und Flächenspannungssignale freigegeben werden, die sich auf den identifizierten Bildpunkt während der Bildabtastung beziehen, bei welcher derselbe allein identifiziert wird (auf die in der britischen Patentanmeldung 10287/71 beschriebene Weise).
16. Stromkreisanordnung zur Ausführung des Verfahrens nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Fernsehkamera (10), die zur Betrachtung des zu analysierenden Feldes angeordnet ist, durch einen ersten Verstärker (12), der auf das Ausgangssignal der Kameraröhre anspricht, um ein modifiziertes Videosignal zu erzeugen, dessen Amplitude mit abnehmender Helligkeit des Bildes zunimmt, durch einen zweiten logarithmischen Verstärker (36), der auf das modifizierte Videosignal anspricht, um ein Ausgangssignal zu erzeugen, dessen SpannungsSchwankungen zu den entsprechenden Schwankungen des modifizierten Videosignals in logarithmischer Beziehung stehen, und durch einen Integrierstromkreis (40) zum Integrieren der Impulse des Ausgangssignals, um ein Volumensignal zu erzeugen.
17. Stromkreisanordnung nach Anspruch 16, gekennzeichnet durch einen dritten Verstärker (38), der einen vorherbestimmten Verstärkungsfaktor aufweist zum Multiplizieren der Amplitudenwerte der Impulse des Ausgangssignals des Verstärkers (36) vor der Integration im Integrator (40).
18. Stromkreisanordnung nach jedem der Ansprüche 16 und 17, gekennzeichnet durch eine Spannungsvergleichseinrichtung (44) zum Vergleichen der SpannungsSchwankung des Videosignals mit einer Bezugsspannung, durch eine bistabile Einrichtung (48) zum Erzeugen eines Austastimpulses für die Dauer jeder Amplitudenschwankung, welche die Bezugsspannung überschreitet, und durch ein Tor (50) im Weg des Videosignals, das durch die Austastimpulse betätigt wird, um nur die Amplitudenschwankungen des Videosig-

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nals freizugeben, welche die Bezugsspannung überschreiten.
19. Stromkreisanordnung nach einem der Ansprüche 16 bis 18, gekennzeichnet durch die Kombination eines zugehörigen Parameterrechners (60) (nach Anspruch 1 der britischen Patentschrift 1.264.805) und eines Antikoinzidenzdetektors (58) (nach Anspruch 1 der britischen Patentschrift 1.264.807), wobei der Rechner (60) jeden Ausgangsimpuls des Verstärkers '(38) integrieren und den Integralwert zu jenem addieren kann, der sich aus koinzidierenden Impulsen der vorhergehenden Zeilenabtastungen ergibt, während der Antikoinzidenzzählimpuls für jeden Bildpunkt als ein Freigabesignal dient, um die gesamte integrierte Spannung für den Bildpunkt aus dem Rechner (60) freizugeben und zu verhindern, daß dieselbe wieder in Umlauf gesetzt wird.
20. Stromkreisanordnung nach Anspruch 19» gekennzeichnet durch einen zv/eiten zugehörigen Parameterrechner (70) ^ (nach Anspruch 1 der britischen Patentschrift 1.264.805), der eine Spannung berechnen kann, welche gleich der Fläche jedes Bildpunktes in dem Feld ist, wobei das Freigabesignal für den ersten Rechner (60) als ein ähnliches Signal für den zweiten Rechner (70) dient, um sowohl das gesamte integrierte Dichtesignal als auch das Flächensignal für jeden Bildpunkt gleichzeitig freizugeben.
21. Stromkreisanordnung nach Anspruch 20, gekennzeichnet durch einen Teilerstromkreis (76), der für jeden Bildpunkt die Spannung aus dem ersten Rechner (60) durch die Spannung aus dem zv/eiten Rechner (70) dividiert.
22. Stromkreisanordnung nach Anspruch 21, gekennzeichnet durch eine automatische Druckereinrichtung (78) zum Drucken der berechneten Werte aus jedem der beiden Rechner (60, 70) und des Quotienten aus dem Teilerstromkreis (76) für jeden Bildpunkt in einem Feld.
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