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Bildanalyse: Bilderzeugung und Bildbearbeitung

Bilderzeugung

Bei der Mikroskopie wird ein digitales (Live-) Bild meist direkt von der Videokamera erstellt, welches anschließend entweder live bearbeitet und vermessen oder in ein entsprechendes Bildformat abgespeichert werden kann. Daneben können auch eingescannte Bilder oder Foto-CD`s als Vorlage dienen. Es empfiehlt sich, die Bilder im TIFF-Format abzuspeichern, da dieses verlustfrei ist und nur in diesem die bildanalytischen Funktionen von IMAGE SXM realisiert werden können.

Während man beim Scannen sämtliche Bildparameter wie z. B. Größe oder Auflösung festlegen kann, müssen bei der Bilderzeugung mittels Videokamera die Kamera- sowie Framegrabber-Einstellung mit besonderer Sorgfalt vorgenommen werden.

 

Bildbearbeitung

Zur Bildbearbeitung gehören sämtliche Prozesse, die zu einer Verbesserung der Bildqualität bzw. zur Herausstellung bestimmter z.B. geologischer Phänomene aufgrund ihrer optischen Eigenschaften führen. Sie schließt sich der digitalen Bilderzeugung an und kann in Bildkorrektur und Bildverbesserung unterschieden werden. Zu beachten ist, daß die Bildqualität nach der Bildbearbeitung nie besser sein kann als die der bestmöglichsten Bilderzeugung. In der Praxis zeigt sich, daß man je nach Bild und Aufgabenstellung verschiedene Methoden anwenden muß, um zu dem gewünschten Ergebnis zu gelangen.

Bei der digitalen Bilderzeugung im Mikroskop kommt es oft zu unterschiedlicher bzw. nicht optimaler Beleuchtung, so daß ein Bild Helligkeitsschwankungen (Rauschen) aufweisen kann. Überdies muß man bei der Bilderzeugung immer einen Kompromiß zwischen gewünschter Qualität und dazugehörigem Zeitaufwand finden. Daher ist es praktikabel, Bilder in angemessener Qualität und Zeit zu erstellen und anschließend zu korrigieren.

Da es bei der mikroskopischen Bildaufnahme immer zu Schwankungen der Lichtquelle kommt, sollte als erstes eine Belichtungskorrektur erfolgen. Zur Verminderung des Rauschens können Filter (z. B. Gauss, Median) eingesetzt werden, die ein sogenanntes Neighborhood-Ranking oder -Averaging vornehmen. Die Filter können modifiziert werden und ihr Einsatz richtet sich auch nach dem Bild bzw. dessen Objekten. Zu beachten ist, daß Bilder durch die genannten Filter verschwommen sein können bzw. Konturen verschwimmen. Daher ist es wichtig, den richtigen Filter bzw. dessen Modifikation einzusetzen, um eine maximale Verminderung des Rauschens einerseits zu erreichen, andererseits Konturen zu erhalten.

Zur Kontrastverstärkung eines Bildes stehen mehrere Methoden und Funktionen zur Verfügung. Zum einen kann automatisch eine Kontrastspreizung vorgenommen werden: in dem digitalen Bild wird dem dunkelsten Pixel der Wert 0 (0=schwarz) und dem hellsten der Wert 255 (255=weiß) zugeordnet. Alle dazwischenliegenden, konkret vorhandenen Grautöne, werden interpoliert und führen im Endeffekt zu einer Verbesserung des Kontrasts. Bei Bildern mit einer großen Anzahl heller Pixel sowie einiger dunkler Pixel ist diese Methode weniger nützlich. Hier kann die selektive Modifikation heller oder dunkler Bereiche mittels Gradationskurven zu besseren Ergebnisse führen.

Eine weitere Möglichkeit der Kontrastverbesserung ist die so genannte Histogramm Equilization, also der Ausgleich des vorhandenen Grauwert Histogramms. Bei der Kontrolle der Bilder stellt man oft Kurven im Histogramm fest, wobei die Bereiche mit Maxima häufig auftretende Pixel und die Minima-Bereiche weniger häufig auftretende Pixel darstellen. Bei einer Histogramm-Equilization werden die Pixel im Maxima Bereich gespreizt, während sie in den anderen Bereichen gestaucht werden. Somit erreicht man mit derselben Anzahl von Pixeln detailliertere Kontrastunterschiede, d. h. vorher nicht erkennbare Bereiche werden für das menschliche Auge sichtbar. Neben der erläuterten automatischen Kontrastierung kann der Bearbeiter mit der Maus den Kontrast des Bildes bearbeiten.

Zur Verminderung des Rauschens, Erhöhung der Schärfe sowie Kanten- oder Linienverschärfung besitzt IMAGE SXM eine umfangreiche Palette an Filtern, die modifiziert oder erweitert werden kann. Die wichtigsten Filter sind Laplace, Median, Low- und Highpass, Robert`s Cross, Gauss, Sobel und Kirsch. Die Ergebnisse der einzelnen Filter sind bei Russ (1995) im einzelnen erläutert.

Eine wichtige Bildbearbeitungsmethode ist Arithmetic und Image Mathematic. Bei Arithemitic wird jedem Pixel eine Konstante entsprechend der mathematischen Operation zugewiesen.

 

Operation Prozess
Add Fügt eine Konstante zu jedem Pixel innerhalb der Auswahl hinzu. Alle Werte größer als 255 werden 255 gesetzt.
Substract Substrahiert   eine Konstante von jedem Pixel innerhalb der Auswahl. Alle Werte kleiner 0 werden 0 gesetzt.
Multiply Multipliziert jedes Pixel innerhalb der Auswahl mit einer Konstante. Alle Werte größer als 255 werden 255 gesetzt.
Divide Dividiert jedes Pixel innerhalb der Auswahl mit einer Konstante.

 

Mit Image Mathematic werden zwei Bilder mathematisch oder logisch verknüpft und die gewünschte Operation mit jedem Pixel durchgeführt. Nachfolgend wird das Bild mit dem Skalierungsfaktor multipliziert und der Offset-Wert hinzugefügt, um endgültig in einem 8 bit-Modus (0-255) dargestellt zu werden. Image Mathematic ist z. B. eine gute Methode zur Akzentuierung interessierender Bildbereiche.

 

Erstellen und Bearbeiten des Binärbildes/Threshold

Ein Binärbild ist die Voraussetzung für die eigentliche Vermessung des Bildes und besteht durch Segmentierung (Segmentation, Threshold) nur noch aus schwarzen und weißen Pixeln. Segmentierung impliziert hierbei den Bildaufbau in Vorder- und Hintergrundfarbe (fore- and background colour), wobei die zu vermessenden Objekte immer mit der Vordergrundfarbe korrespondieren (bei IMAGE SXM schwarz). Sind im mikroskopischen Bild unterschiedliche Phänomene vorhanden, müssen diese für eine anschließende Vermessung separiert und als einzelne Binärbilder dargestellt werden.

Mit der Funktion DENSITY SLICE unter OPTIONS kann der Bearbeiter interaktiv die interessierenden Objekte farblich kodieren und die Morphologie durch arithmetische Operation verbessern. Damit wird erreicht, Unkorrektheiten" während der Bildbearbeitung auszugleichen, d. h. die Objekte so realistisch wie möglich zu kodieren, um Meßfehler zu vermeiden. In der Tabelle sind die jeweiligen Funktionen bei der Bearbeitung eines Binärbildes kurz erläutert. Ist die Kodierung fertig, kann das Bild in ein Binärbild umgewandelt und vermessen werden.

 

Operation Prosess
Erode Entfernt Pixel an Objekträndern: Ein Pixel wird auf weiß gesetzt, wenn mehr als 4 der 8 umgebenden Pixel weiß sind. Erosion separiert sich berührende Objekte und entfernt isolierte Pixel.
Dilate Fügt Pixel an Objektränder an: Ein Pixel wird auf schwarz gesetzt, wenn mehr als 4 der 8 umgebenden Pixel schwarz sind. Dilatation verbindet Objekte und füllt Löcher in Objekten.
Open Führt eine Erosion mit anschließender Dilatation durch: Objekte werden geglättet (smoothing) und isolierte Pixel entfernt.
Close Führt eine Dilatation mit anschließender Erosion durch: Objekte werden geglättet (smoothing) und kleine Löcher gefüllt.
Outline Generiert einen 1-Pixel-starken Umriß von Objekten.
Skeletonize Wiederholtes Entfernen von Pixeln an Objekträndern bis diese eine Stärke von einem Pixel besitzen.

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