Table Of ContentFORSCHUNGSBERICHT DES LANDES NORDRHEIN-WESTFALEN
Nr. 3091 / Fachgruppe Elektrotechnik/Optik
Herausgegeben vom Minister fUr Wissenschaft und Forschung
Prof. Dr. -Ing. Hans Jorg Tafel
Dr. -Ing. Hans Joachim Grallert
Dipl. -Ing. Gunter Franke
Lphrstuhl und Institut fUr Nachrichtengedl.te und Datenverarbeitung
der Rhein. -Westf. Techn. Hochschule Aachen
System zur inversen Bildtransformation
mit elektrooptischen Mitteln
Westdeutscher Verlag 1982
CIP-Kurztitelaufnahme der Deutschen Bibliothek
Tafel, Hans Jorg:
System zur inversen Bildtransformation mit
elektrooptischen Mitteln / Hans Jorg Tafel
Hans-Joachim Grallert ; GUnter Franke. -
Opladen : Westdeutscher Verlag, 1981.
(Forschungsberichte des Landes Nordrhein
Westfalen ; Nr. 3091 : Fachgruppe Elektro
technik, Optik)
ISBN-13: 978-3-531-03091-3 e-ISBN-13: 978-3-322-87620-1
001: 10.1007/978-3-322-87620-1
NE: Grallert, Hans-Joachim:; Franke, GUnter:;
Nordrhein-Westfalen: Forschungsberichte des
Landes •••
© 1982 by Westdeutscher Verlag GmbH, Opladen
Herstellung: Westdeutscher Verlag
ISBN-13: 978-3-531-03091-3
Inhalt
1 Einleitung 1
2 81ldilbertragung 3
2.1 Allgemeines Schema 3
2.2 Digitale Verarbeitung 4
3 Transformationen 6
3.1 Walsh-Transformation 8
3.2 M-Transformation 11
4 Realisation linearer Transformationen 13
4.1 Einsatz elektronischer Prozessoren und 14
Speicher
4.2 Hybride Systeme 16
4.2.1 Hybrides Transformationssystem mit 17
optischen Prozessoren
5 Transformation mit elektrooptischen 18
Masken
5.1 Prinzip der Hintransformation 18
5.2 Realisation eines Versuchsaufbaus 20
5.3 Diskussion der Ergebnisse 23
6 Inverse Transformation mit elektroopti 27
schen Masken und lichtintegrierenden
optischen Speichern
6.1 Prinzip der inversen Transformation 27
6.2 Ein Versuchssystem unter Verwendung 28
photographischer Filme
Inverse Transformation mit photographi 31
schen Filmen
Grundlagen 31
Ergebnisse zur Verarbeitung einfacher 33
Vorlagen
Spezifikationen eines geeigneten Film 37
materials
IV
Moglichkeiten zur Verarbeitung von 38
Bildkollektiven
6.3.5 Photographische Effekte 41
6.3.6 Der photographische Gesamtproze8 44
6.4 Ferroelektrika als integrierende optische 45
Speicher
7 Transformation realer Bildvorlagen, 49
Blockverarbeitung
8 Betrachtungen zur Echtzeitverarbeitung 52
9 Zusammenfassung 54
10 Literaturverzeichis 57
Anhang
I Elektrooptische Masken 63
a) Flassigkristallmatrix 63
b) Eisengranat-Matrix 64
c) Optische Defekte 66
II Ferroelektrika far optische Anwendungen 68
III Photographisches Material 73
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1 Elnleltung
Durch den In den letzten Jahren vorangetrlebenen Ausbau der tech
nlschen Kommunlkatlonssysteme gewlnnt auch dle B1Idverarbeltung
elne lmmmer gr6Bere Bedeutung. Derzelt wlrd vor aIIem elne Stan
dardlslerung und Welterentwlcklung der dlgltalen Obertragung ste
hender (S/W- und Grau-) B1Ider mlt hoher AufI6sung (Fernkoplerer)
Uber schmalbandlge KanAIe angestrebt. Solche KanAIe slnd bel
splelswelse das bestehende Telefonnetz oder spezlell elnzurlch
tende Datennetze.
AIIgemeln trltt bei der B1IdUbertragung die Schwierigkelt auf,
daB eine vergleichsweise groBe Datenmenge Uber einen begrenzten
Kanal In vertretbarer Zelt Ubermlttelt werden muB. Wird zur Uber
tragung z.B. das sehr schmalbandige Telefonnetz benutzt, so dif
ferieren menschlicher und technischer Informationskanal stark, da
der Mensch Uber das Auge in gleicher Zeit ein Vielfaches der In
formation aufnehmen kann, die er Uber das Ohr wahrnimmt.
Man ist daher seit langem bemUht, wirksame Methoden zur Begren
zung des Bilddatenvolumens zu flnden. Hierbei grundsAtzlich
~nn
auf 2 Wegen vorgegangen werden. Zum einen lABt sich die in Jedem
Bilddatenvolumen enthaltene Redundanz verringern, zum anderen
kann in gezlelter Weise ein Teil der irrelevanten Information yom
Sender unterdrUckt werdenj dabei muB eine Anpassung an die yom
EmpfAnger verlangte BildqualltAt erfolgen (adaptive Verfahren).
Bedeutende und schon weitgehend erforschte Verfahren sind z.B.
die DPCM (Qifferenz-~uls-Qode ~odulation) sowie Transformationen.
Transformationen werden im folgenden ausfUhrlich beschrieben. Bei
einer Transformatlon wird die Bilddatenebene (Grauwerte) umkehr
bar eindeutig auf eine Spektralwertebene abgebildet. Dieser Pro
zeB ist sehr rechenintensiv und erfordert daher bei begrenzter
Bild-Verarbeitungszeit auBerordentlich schnell oder parallel ar
beitende Prozessoren. Der Einsatz herkommlicher Rechner zur Bild
transformation blieb daher bislang auf die Simulation fUr wissen
schaftliche Forschung beschrAnkt. Eine recht einfache technische
Realisierung ist mit Hilfe hybrider (analog-digitaler) Systeme
moglichj der wesentliche Vorteil ergibt sich hier aus der paral-
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lelen Arbeitsweise. Eine M8glichkeit zur parallelen, zweidimensi
onalen Walshtransformation auf optischem Wege mit Hilfe elektro
optischer Bausteine wurde bereits in 151 vorgestellt. Ziel dieses
Forschungsvorhabens war die Erweiterung des o.g. Systems auf die
inverse Transformation, ebenfalls auf der Basis parallel arbei
tender, elektrooptischer Bauelemente.
Zu diesem Zweck wurde ein einfaches elektronisch-optisches Ver
suchssystem zur Transformation und inversen Transformation sehr
gering aufge18ster (32 x 32 Bildpunkte), stehender Grauwert
Bildvorlagen aufgebaut. Damit wurde die prinzipielle Funktions
tOchtigkeit OberprOft und die Systemparameter ermittelt. Aus den
Ergebnissen konnte auf die M8glichkeit zur Verarbeitung realer,
hochaufge18ster Bilder geschlossen werden.
Kapitel 2 und 3 enthalten einleitend kurze Informationen Ober den
Einsatz von Transformationsverfahren in der Bilddatenverarbei
tung. In Kapitel 4 werden einige Methoden der Realisierung von
linearen Transformationen erl!utert. Die von uns untersuchten
Verfahren der Transformation bzw. inversen Transformation mit
elektrooptischen Masken und lichtintegrierenden optischen Spei
chern (hier: photographischen Filmen) beschreiben die AusfOhrun
gen in Kapitel 5, 6 und 7. Schlie5lich wird in Kapitel 8 eine
m8gliche Erweiterung des Systems fOr Echtzeitverarbeitung
betrachtet.
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2 B1IdUbertragung
2.1 AIIgemelnes Schema
Dle belden wesentIlchen Problemkrelse bel der B1IdUbertragung
(und InformatlonsUbertragung allgemeln) slnd dle QueIIencodlerung
und dle Kanalcodlerung. (slehe B1Id 2.1)
A
N aUELL- KANAL-
CODER CODER
K
A
Q K
f(x,yl N
A
L
QUELL- KANAL-
DECODER DECODER
a-1 K-1
fR(x,yl
Bl1d 2.1: BIockblld elner B1Idilbertragung
Q, Q-l Quellenoperatoren, invers
K, K-1 Kanaloperatoren, lnvers
Die Bildinformatlon f(x,y) wlrd zun~chst mlt elnem geeigneten Ge
r~t abgetastet (B1IdanaIyse) und dem Quellcoder zugefilhrt. Der
Quellcoder hat die (berelts erw~hnte) Aufgabe, den Datenstrom so
zu reduzieren, da8 die Ubertragung ilber den begrenzten Kanal in
m5glichst kurzer Zeit stattfinden kann; er optimiert somit die
Nutzung des Kanals. Im Kanalcoder wird den zu ilbertragenden Daten
in der Regel redundante Information beigefilgt; je nach Algorith
mus wird hierdurch elne Fehlererkennung oder Korrektur im Empf~n-
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ger m5g1ich. Dies ist n5tig, da ein realer Nachrichtenkanal die
gesendeten Nachrichten durch UmwelteinflUsse verf&lscht (St5run
gen). 1m Empf&nger wird die Bildinformation durch die entspre
chenden inversen Operationen rekonstruiert.
Die Bildwerte fR(x,y) sind nun i.a. sowohl redundanz- als auch
noch informationsreduziert und mit den Werten f(x,y) nicht mehr
identisch. SchlieBlich wird das wiedergewonnene Bild mit Hilfe
eines Syntheseger&tes (z.B. Bildr5hre, photographischer Bild
schreiber) dem menschlichen Empfangsweg (Auge) zug&nglich ge
macht. Bildanalyse und -synthese werden in heute gebr&uchlichen
Ger&ten fast ausschlieBlich punkt- und zeilensequentiell ausge
fUhrt. Es sei an dieser Stelle bereits darauf hingewiesen, daB
das von uns untersuchte Verfahren die Bildwerte f(x,y) bzw.
fR(x,y) teilweise parallel verarbeiten kann.
2.2 Digitale Verarbeitung
Bei digitaler Bildilbertragung wird die Bildinformation wert- und
ortsdiskret verarbeitet. Dies bedeutet, daB Grauwertamplitude und
Abtastkoordinaten quantisiert werden. Bild 2.2 gibt die hier ge
brauchte Definition der Ortskoordinaten an.
x
o
1 ... N-1
o
1 '\ f (x,y) = diskreter
1"'-
Grauwert
f (x,y) =
x,y diskrete
Ortskoord in a ten
N-1
8ilo 2.2: Diskrete Koordinatendefinition eines Bildes
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Durch die Quant1s1erung w1rd e1n Verlust an relevanter Informati
on hervorgerufen. der 1m EmpfAnger dazu fUhrt. das ursprUng
da~
l1che B1ld n1cht mehr vollstAnd1g rekonstru1ert werden kann. Der
E1nfluS der Quant1s1erung auf die B1ldqual1tAt 1st Gegenstand um
fangre1cher Untersuchungen (z.B. /6/. /8/) und w1rd h1er n1cht
nAher. als fUr die Interpretation der Ergebnisse unbed1ngt not
wend1g 1st. betrachtet.
