Verfahren und Vorrichtung zur Leuchtdichte-richtigen Darstellung eines Bildes Method and device for the luminance-correct representation of an image
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Leuchtdichte-richtigen Anzeigen eines Bildes auf einer Anzeigevorrichtung mit einer Anzeigefläche, wobei die Anzeigevorrichtung in Abhängigkeit von einer Position der Anzeigefläche jeweils durch eine Kurve, welche einen funktionalen Zusammenhang zwischen einem anzuzeigenden Grauwert des Bildes und einer dargestellten Luminanz an der Position darstellt, charakterisiert wird. Ferner betrifft die Vorrichtung eine entsprechende Anzeigevorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.The present invention relates to a method for luminance-correct display of an image on a display device with a display surface, the display device depending on a position of the display surface in each case by a curve, which indicates a functional relationship between a gray value to be displayed of the image and a displayed luminance represents the position being characterized. Furthermore, the device relates to a corresponding display device for carrying out the method.
Herkömmliche Teclrniken der visuellen Psychophysik zum Präsentieren von gut kalibrierten Stimuli bzw. Reizen (vgl. Cornelissen et al., "A binocular fiberscope for presen- ting Visual Stimuli during fMRI" in Spatial Vision, Bd. 11, Nr. 1, S. 75-81, 1997) sind nicht direkt bei funktionellen Magnetabbildestudien anwendbar, und zwar aufgrund des disruptiven Effekts des hohen magnetischen Feldes des MRIs auf elektronische Vorrichtungen in seiner direkten Umgebung. Frühe Versuche haben faseroptische Anzeigevorrichtungen verwendet, um einen visuellen Stimulus bzw. Reiz einer Versuchsperson zu übertragen, aber in den letzen Jahren besteht ein herkömmliches Präsentationsverfahren darin, direkt Stimuli von einem LCD-Projektor, welcher außerhalb der MRI-Kabine angeordnet ist, auf einen matten Schirm an dem Eingang der MRI-Röhre zu projizieren, der durch einen vor der Versuchsperson befestigten Spiegel betrachtet wird. Bei einem konstanten Grauwert variiert die Luminanz auf einem Standard-CRT-Schirm (Katho- denstrahhöhren-Schirm) merklich mit der Position des Schirms, an der das Pixel angezeigt wird. Diese Variationen sind sogar drastischer bei der LCD-Technologie. Die Er- fmder der vorliegenden Patentanmeldung wurden auf das Problem aufmerksam, als sie eine vomelimliche laterale Aktivierung in dem primären visuellen Cortex durch eine Stimulation durch Gabor-Gitter, welches bei einer Exzentrizität von 10 Grad auf dem linken und rechten Horizontalmeridian präsentiert wurde, bei einem Standard LCD- Aufbau herausgefunden haben (vgl. Fig. 1). Die Lateralisierung stellte sich als vollstän- diger Artefakt heraus und wurde effektiv durch die Nichteinheitlichkeit des für die Versuchsperson sichtbaren Stimulus verursacht.
Die Nichtgleichförmigkeit der Luminanz über den Schirm bei einem Bild mit konstantem Grauwert kann durch die Variation der Steilheit der Übertragungsfunktion beschrieben werden, die (lokale) Luminanz mit dem (lokalen) Grauwert verknüpft, und oft als Gammafunktion bezeichnet wird. Fig. 3, welche vollständiger im Folgenden be- schrieben werden wird, zeigt die Luminanzverteilung auf unserem Schirm bei einem konstanten Grauwert von 128 dar. Die nichtgleichförmige, nichtlineare Gammafunktion führt nicht nur zu einem nichtgleichförmigen Stimulus- bzw. Reizhintergrund, sondern wird ebenfalls, was gleichermaßen wichtig ist, jedes Bild, jede Bildverarbeitung (Ren- dering) aufhellen Teilen des Schirms verzerren, wobei das Bild sogar heller als von der mittleren Luminanz an dieser Position zu erwarten ist, und umgekehrt auf dunklen Teilen sogar dunkler. Dies hat die Erfinder somit dazu geführt, ein allgemeines Modell der Ganrmafunktion für alle Schirmpositionen abzuleiten, welches gestattet, die (tatsächliche) Luminanz für den vollen Pixelparameterraum vorherzusagen, d.h. an jeder gegebenen Schirmposition und jedem beliebigen Grauwert. Auf dieser Grundlage wurde eine Kompensationstechnik entwickelt, die dem Experimentator gestattet, das Zielbild als eine Matrix von erforderlichen Luminanzwerten anstelle von lokalem Grauwert zu spezifizieren.Conventional techniques in visual psychophysics for presenting well-calibrated stimuli or stimuli (see Cornelissen et al., "A binocular fiberscope for presenting visual stimuli during fMRI" in Spatial Vision, Vol. 11, No. 1, p. 75 -81, 1997) are not directly applicable to functional magnetic imaging studies due to the disruptive effect of the MRI's high magnetic field on electronic devices in its immediate vicinity. Early attempts have used fiber optic displays to transmit a subject's visual stimulus, but in recent years a conventional presentation method has been to directly stimulate a matte from an LCD projector located outside the MRI booth Project a screen at the entrance of the MRI tube, which is viewed through a mirror attached in front of the subject. With a constant gray value, the luminance on a standard CRT screen (cathode ray tube screen) varies markedly with the position of the screen at which the pixel is displayed. These variations are even more drastic with LCD technology. The inventors of the present patent application became aware of the problem when they experienced deliminal lateral activation in the primary visual cortex by stimulation by Gabor grating presented at 10 degrees eccentricity on the left and right horizontal meridians at one Standard LCD structure have found (see. Fig. 1). The lateralization turned out to be a complete artifact and was effectively caused by the non-uniformity of the stimulus visible to the test subject. The non-uniformity of the luminance across the screen in an image with a constant gray value can be described by the variation in the steepness of the transfer function, which links (local) luminance with the (local) gray value and is often referred to as a gamma function. 3, which will be described more fully below, shows the luminance distribution on our screen at a constant gray value of 128. The non-uniform, non-linear gamma function not only leads to a non-uniform stimulus or stimulus background, but also becomes what It is equally important to distort every image, every image processing (rendering) on lighter parts of the screen, the image being even brighter than to be expected from the mean luminance at this position, and vice versa even darker on dark parts. This has led the inventors to derive a general model of the gantry function for all screen positions, which allows the (actual) luminance to be predicted for the full pixel parameter space, ie at any given screen position and any gray value. On this basis, a compensation technique was developed that allows the experimenter to specify the target image as a matrix of the required luminance values instead of the local gray value.
Zum Stand der Technik wird ferner auf die europäische Veröffentlichung EP 1 233 610 A2 hingewiesen, aus welcher ein Verfahren zum Berechnen von Gammakorrekturtafeln bekannt ist. Dieses Verfahren weist die folgenden Schritte auf: (a) Bestimmen einer nichtlinearen Transformation zwischen Eingangswerten in einem ersten Bereich und Ausgangswerten in einem zweiten Bereich, wobei die nichtlineare Transformation wenigstens einen einstellbaren Parameter besitzt; (b) Bestimmen von wenigstens einer Ap- proximationsgleichung für die nichtlineare Transformation, wobei die wenigstens eine Approximationsgleichung Koeffizientenwerte ci besitzt; (c) für jeden Koeffizientenwert c; Zusammengruppieren aller Koeffizientenwerte über einen Bereich des wenigstens einen einstellbaren Parameters und Anfitten einer Approximation an jede Gruppierung, um eine jeweilige Koeffizientenapproximationsgleichung zu erhalten; (d) Berechnen von Koeffizienten für einen gegebenen Wert des wenigstens einen einstellbaren Parameter unter Verwendung der Koeffizientenapproximationsgleichungen; (e) Berechnen von Konversionstransformationen unter Verwendung der berechneten Koeffizienten
und einer vereinfachten mathematischen Formel; und (f) Speichern der berechneten Konversionstransformationen in einer Konversionstabelle. ' With regard to the prior art, reference is also made to the European publication EP 1 233 610 A2, from which a method for calculating gamma correction tables is known. This method has the following steps: (a) determining a nonlinear transformation between input values in a first range and output values in a second range, the nonlinear transformation having at least one adjustable parameter; (b) determining at least one approximation equation for the nonlinear transformation, the at least one approximation equation having coefficient values ci; (c) for each coefficient value c; Grouping together all the coefficient values over a range of the at least one adjustable parameter and starting an approximation to each grouping in order to obtain a respective coefficient approximation equation; (d) computing coefficients for a given value of the at least one adjustable parameter using the coefficient approximation equations; (e) Calculate conversion transformations using the calculated coefficients and a simplified mathematical formula; and (f) storing the calculated conversion transformations in a conversion table. '
Ferner wird auf die europäische Veröffentlichung EP 0 933 924 A2 hingewiesen, aus welcher ein Verfahren zum Verarbeiten eines Bildes bekannt ist, welches folgende Schritte aufweist: Erhalten von Daten betreffend die Helligkeit eines Originalbildes; Einteilen der Daten betreffend die Helligkeit in eine Vielzahl von Gruppen für jeden Helligkeitsbereich auf der Grundlage des Histogramms der Daten betreffend die Helligkeit; Herstellen von Korrekturinformation zum Korrigieren der Daten betreffend die Helligkeit für jede der Vielzahl von Gruppen, und Ausführen einer Bildverarbeitung für das Originalbild auf der Basis der Korrekturinformation.Reference is also made to the European publication EP 0 933 924 A2, from which a method for processing an image is known, which comprises the following steps: obtaining data relating to the brightness of an original image; Dividing the data on the brightness into a plurality of groups for each brightness range based on the histogram of the data on the brightness; Preparing correction information for correcting the brightness data for each of the plurality of groups, and performing image processing on the original image based on the correction information.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die Nachteile des Standes der Technik zu vermeiden, und insbesondere ein Verfahren der eingangs genannten Art derart wei- terzubilden, daß unabhängig von der verwendeten Anzeigevorrichtung ein Bild lumi- nanzkorrigiert, insbesondere bei fMRI- Anwendungen, angezeigt werden kann, so daß eine verbesserte Auswertemöglichkeit gegenüber den bekannten Verfahren möglich ist.The invention is therefore based on the object of avoiding the disadvantages of the prior art and, in particular, of developing a method of the type mentioned at the outset in such a way that an image is corrected for luminance, in particular in the case of fMRI applications, regardless of the display device used can, so that an improved evaluation possibility compared to the known methods is possible.
Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß das Verfahren folgende Schritte aufweist:This object is achieved in a method of the type mentioned at the outset in that the method has the following steps:
(a) Messen einer ersten Vielzahl von diskreten Werten von Kurven an einer zweiten Vielzahl von Positionen der Anzeigevorrichtung für eine Vielzahl von Grauwerten;(a) measuring a first plurality of discrete values of curves at a second plurality of positions of the display device for a plurality of gray values;
(b) Messen einer dritten Vielzahl von Luminanzwerten bei einem vorgegebenen Grauwert an einer Vielzahl von Positionen der Anzeigevorrichtung; (c) Bestimmen aus den Messungen der Schritte (a) und (b) eines für die Anzeigevorrichtung spezifischen, genäherten funktionalen Zusammenhangs zwischen einem Grauwert eines anzuzeigenden Bildes und einer dargestellten Luminanz für jede Position der Anzeigeeinrichtung, wobei der funktionale Zusammenhang positionsabhängige Parameter aufweist; (d) Berechnen eines modifizierten, lummanzkalibrierten Bildes aus dem anzuzeigenden Bild, indem anhand einer der im Schritt (a) gemessenen Kurve aus den Grauwerten des Bildes entsprechende Luminanzwerte bestimmt werden, wobei aus den Luminanzwer-
ten mittels des im Schritt (c) bestimmten funktionalen Zusammenhangs das modifiziertes Bild mit modifizierten Grauwerten berechnet wird; und (e) Anzeigen des modifizierten Bildes auf der Anzeigevorrichtung.(b) measuring a third plurality of luminance values at a predetermined gray value at a plurality of positions of the display device; (c) determining from the measurements of steps (a) and (b) an approximate functional relationship, specific to the display device, between a gray value of an image to be displayed and a displayed luminance for each position of the display device, the functional relationship having position-dependent parameters; (d) Calculating a modified, luminance-calibrated image from the image to be displayed by determining corresponding luminance values from the gray values of the image on the basis of a curve measured in step (a), with the luminance values the modified image with modified gray values is calculated using the functional relationship determined in step (c); and (e) displaying the modified image on the display device.
Weitere bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen offenbart.Further preferred embodiments of the invention are disclosed in the dependent claims.
Die Erfindung, sowie weitere Merkmale, Ziele, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten derselben, wird bzw. werden nachfolgend anhand einer Beschreibung von bevorzug- ten Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert. In den Zeichnungen bezeichnen dieselben Bezugszeichen dieselben bzw. entsprechende Elemente. Dabei bilden alle beschriebenen und/oder bildlich dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger sinnvoller Kombination den Gegenstand der vorliegenden Erfindung, und zwar unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Patent- ansprüchen oder deren Rückbeziehung. In den Zeichnungen zeigen:The invention, as well as further features, objectives, advantages and possible uses thereof, will be explained in more detail below on the basis of a description of preferred exemplary embodiments with reference to the attached drawings. In the drawings, the same reference numerals designate the same or corresponding elements. All of the described and / or illustrated features, alone or in any meaningful combination, form the subject matter of the present invention, regardless of how they are summarized in the patent claims or their relationship. The drawings show:
Fig. 1 ein Beispiel eines fMRI-Musters, welches einen Artefakt darstellt, und zwar verursacht durch eine unkalibrierte, visuelle Stimulation mit einem Standard LCD/TFT-Projektorsystem (Sharp);1 shows an example of an fMRI pattern, which represents an artifact, caused by an uncalibrated, visual stimulation with a standard LCD / TFT projector system (Sharp);
Fig. 2 eine Luminanzabschwächung bzw. -dämpfung der zum Messen der lokalen Luminanz auf dem Projektionsschirm verwendeten Faseroptik;2 shows a luminance attenuation or attenuation of the fiber optics used to measure the local luminance on the projection screen;
Fig. 3 a eine unkalibrierte Luminanzverteilung auf den matten Schirm, und zwar sichtbar für die Versuchsperson, für einen konstanten Grauwert von 128, und zwar farb- codiert;3 a shows an uncalibrated luminance distribution on the matt screen, visible to the test person, for a constant gray value of 128, specifically color-coded;
Fig. 3b eine unkalibrierte Luminanzverteilung auf den matten Schirm, und zwar sichtbar für die Versuchsperson, für einen konstanten Grauwert von 128, und zwar mit Isoluminanzkonτuren;3b shows an uncalibrated luminance distribution on the matt screen, visible to the test person, for a constant gray value of 128, with isoluminance configurations;
Fig. 4 Gammakurven an fünf repräsentativen Schirmpositionen;
Fig. 5 eine Interpolation des Terms (a) zweiter Ordnung, um vereinheitlichtes Modell für die Gammakurve zu erhalten;4 gamma curves at five representative screen positions; 5 shows an interpolation of the term (a) of the second order in order to obtain a unified model for the gamma curve;
Fig. 6 die Effizienz der Kompensation; die oberen und unteren Flächen zeigen die unkalibrierte Luminanzverteilung bei einem Grauwert von 128 bzw. die kalibrierte Verteilung bei 500 cd/m2;6 shows the efficiency of the compensation; the upper and lower surfaces show the uncalibrated luminance distribution at a gray value of 128 and the calibrated distribution at 500 cd / m 2 ;
Fig. 7 ein gemessenes Luminanzprofil eines Gabor-Gitters, und zwar mit Luminanzka- librierung, wobei die Gabor-Gitter-Luminanz bei 25 x 20 Schirmpositionen mit unserem Faseroptiksystem abgetastet wurde; und7 shows a measured luminance profile of a Gabor grating, specifically with luminance calibration, the Gabor grating luminance having been scanned at 25 x 20 screen positions using our fiber optic system; and
Fig. 8 die Langzeitstabilität der Luminanzverteilung des Projektors, wobei die Teile (a) und (b) der Figur die unkalibrierte Luminanzverteilung auf den matten Schirm vor anderthalb Jahren bzw. heute zeigen. Es gab lediglich eine Rückfuhr aus8 shows the long-term stability of the luminance distribution of the projector, with parts (a) and (b) of the figure showing the uncalibrated luminance distribution on the matt screen a year and a half ago or today. There was only a return
Wartungsgründen an den Hersteller und eine Ersetzung einer Birne (was ein Entfernen des Birnentragekäfigs mit sich brachte) dazwischen, (c) der Figur zeigt den pixelweisen Unterschied der zwei Verteilungen nach dem Normieren auf dieselbe mittlere Luminanz.Maintenance reasons to the manufacturer and replacement of a bulb (which entailed removing the bulb carrier cage) in between, (c) the figure shows the pixel-wise difference of the two distributions after normalization to the same mean luminance.
Die vorliegende Erfindung geht von Standardprojektionstechniken aus, welche eine Flüssigkristall-(LCD) oder Dünnschichttransistor-(TFT)Technologie verwenden, die drastische Verzerrungen in den Luminanz- und Kontrastcharakteristiken bzw. - kennlinien über den Schirm zeigen. Herkömmliche Luminanzmess- und Kalibrati- onstechniken sind nicht in der Nähe von MRI-Scannern anwendbar. Unter Zuhilfenahme einer Faseroptik wurden Schirmluminanzen für den vollen Raum von Schirmpositionen und Bildgrauwerten gemessen und auf dieser Basis wurde eine Kompensationstechnik entwickelt, welche sowohl Luminanzhomogenisierung als auch positionsabhängige Gammakorrektur verwendet. Durch die beschriebene Technik können einer Ver- suchsperson in einem funlctionellen MRI dargestellte Bilder mit hoher Präzision durch eine Matrix von Soll-Luminanzwerten anstelle von lokalen Grauwerten mit hoher Präzision spezifiziert werden.
Im Folgenden werden die durchgeführten Experimente beschrieben, welche gleichzeitig ein bevorzugtes Ausfuhrungsbeispiel der vorliegenden Erfindung darstellen.The present invention is based on standard projection techniques using liquid crystal (LCD) or thin film transistor (TFT) technology, which show drastic distortions in the luminance and contrast characteristics across the screen. Conventional luminance measurement and calibration techniques cannot be used in the vicinity of MRI scanners. With the help of fiber optics, screen luminances for the full space of screen positions and image gray values were measured and on this basis a compensation technique was developed which uses both luminance homogenization and position-dependent gamma correction. Using the technique described, images can be specified with high precision by a test person in a functional MRI using a matrix of target luminance values instead of local gray values with high precision. The experiments carried out are described below, which at the same time represent a preferred exemplary embodiment of the present invention.
1. Faseroptik zum Messen der Schirmluminanz1. Fiber optics for measuring the screen luminance
Standardluminanzmeßgeräte können nicht verwendet werden, um eine Schirmluminanz zu messen, und zwar einfach deshalb, weil sie nicht in der Nähe des Scanners funktionieren. Für eine erfolgreiche Kalibration ist es erforderlich, die präzise Luminanzvertei- lung, welche der Versuchsperson sichtbar ist, zu kennen, weshalb es wesentlich ist, die Luminanz von innerhalb des Scamiers zu messen, d.h. mit dem Stimulusaufbau identisch zu demjenigen während einer funktionellen MRI- Aufzeichnung. Wir haben deshalb eine Faseroptikverbindung hergestellt, die es uns gestattet, die lokale Luminanz auf dem Schirm zu einem digitalen Standardluminanzmeßgerät, welches in dem benachbar- ten Scannersteuerraum angeordnet ist, zu übertragen. Eine einzelne, plastikabgeschirmte Faser von 10 m Länge und 1 mm Durchmesser wurde verwendet (Hirschmann Elektronik Typ OKD 1000-B, Kern: 0,98 mm, Gesamtdurchmesser 2,2 mm, Abschwächung bei 660 nm: 220 dB/km), welche bei dem 0,25 mm Raster unseres Schirms ungefähr 13 Pixel abdeckt. Auf die Enden des Faserkabels haben wir rechtwinklig eine 1,5 x 8,0 cm Plastikplatte mit Epoxy befestigt, so daß ein Ende des Kabels fest an das Luminanz- meßgerät befestigt werden konnte und das andere Ende an einer definierten Position auf dem Projektionsschirm positioniert werden konnte. Um die Abschwächung bzw. Dämpfung der Faseroptik bezüglich Lichtenergie zu bestimmen wurden 10 Luminanzmessun- gen bei 25 der möglichen 256 Grauwerte durchgeführt, und zwar sowohl durch die Fa- seroptik als auch direkt an der entsprechenden Schirmposition. Die Ergebnisse sind in Fig. 2 gezeigt. Die Abschwächung bzw. Dämpfung wird durch eine lineare Funktion gut beschrieben. Wenn die Regression durch den Nullpunkt gezwungen wird und das abgeschwächte Signal als eine Vorhersagevariable behandelt wird, ist die (inverse) Übertra- gungs- bzw. Transferfunktion gleichStandard luminance meters cannot be used to measure screen luminance simply because they do not work near the scanner. Successful calibration requires knowing the precise luminance distribution visible to the subject, which is why it is essential to measure the luminance from within the scamier, i.e. with the stimulus structure identical to that during a functional MRI recording. We have therefore established a fiber optic connection that allows us to transmit the local luminance on the screen to a standard digital luminance meter located in the adjacent scanner control room. A single, plastic-shielded fiber of 10 m length and 1 mm diameter was used (Hirschmann electronics type OKD 1000-B, core: 0.98 mm, overall diameter 2.2 mm, attenuation at 660 nm: 220 dB / km), which at the 0.25 mm grid of our screen covers about 13 pixels. We attached a 1.5 x 8.0 cm plastic plate with epoxy at right angles to the ends of the fiber cable so that one end of the cable could be firmly attached to the luminance meter and the other end could be positioned at a defined position on the projection screen could. In order to determine the attenuation or attenuation of the fiber optics with regard to light energy, 10 luminance measurements were carried out on 25 of the possible 256 gray values, both by means of the fiber optics and directly at the corresponding screen position. The results are shown in Fig. 2. The weakening or damping is well described by a linear function. If the regression is forced through the zero point and the attenuated signal is treated as a prediction variable, the (inverse) transfer function is the same
L = 73,3 'at (1)
d.h. der Abschwächungsfaktor ist 73,3 oder 18,65 dB (dB definiert als 10 dB pro Ein- heitslogarhythmus).L = 73.3 'at (1) ie the attenuation factor is 73.3 or 18.65 dB (dB defined as 10 dB per unit logarithm).
2. Luminanzverteilung auf dem matten Schirm2. Luminance distribution on the matt screen
Der Projektor in unserem System (Sharp, Modell XG-SV 1E) besitzt 3 LCD-Panele bzw. Flächenelemente in einer TFT-Aktivmatrixtreibertechnologie mit jeweils 832 x 624 Pixel, und zwar beleuchtet von einer 370 W Metall-Halogenid-Birne. Das Bild wird auf einen matten Schirm (600 x 300 mm, 5 mm dick, einseitig ein mattes Flächenele- ment aus Polymethyhnetacrylat, d.h. Plexiglas) projiziert, welcher an dem Eingang der Röhre des Scanners befestigt wurde und von der Versuchsperson durch einen Spiegel, der in der Nähe der Augen der Versuchsperson angeordnet ist, betrachtet wird.The projector in our system (Sharp, model XG-SV 1E) has 3 LCD panels or surface elements in TFT active matrix driver technology, each with 832 x 624 pixels, illuminated by a 370 W metal halide bulb. The image is projected onto a matt screen (600 x 300 mm, 5 mm thick, on one side a matt surface element made of polymethane acrylate, ie plexiglass), which was attached to the entrance of the tube of the scanner and by the test person through a mirror that is placed near the subject's eyes.
Unter Verwendung der Faseroptik und des digitalen Luminanzmeßgeräts (Typ Mavo Monitor, hergestellt von Gossen-Metrawatt, Bereich 199,9 cd/m2, Auflösung 0,1 cd/m2, Fehler 2,5 % des Wertes) haben wir die Schirmluminanz in einem Raster von 40 x 30 Schirmpositionen gemessen, wobei jeweils fünf Messungen bei jeder der 1200 Positionen durchgeführt wurden. Ein Experimentator lag in der Scannerröhre und hielt den Faseroptikadapter auf den Schirm an der erforderlichen Position, die an ihn durch ein computererzeugtes Kreuzhaar angezeigt wurde. Der andere nahm die Meßwerte auf dem Luminanzmeter in dem benachbarten Scannersteuerraum auf. Für jede Messung wurde die Faseroptik auf die erforderliche Position von neuem eingestellt, um unabhängige Messungen zu erreichen. Die Messungen wurden an zwei Tagen durchgeführt; an dem Anfang einer Sitzung ließ man den Projektor sich für 10 Minuten aufwärmen. Fig. 3 zeigt die resultierende Luminanzverteilung auf dem Schirm nach der Korrektur durch Gleichung 1.Using the fiber optics and the digital luminance measuring device (type Mavo Monitor, manufactured by Gossen-Metrawatt, range 199.9 cd / m 2 , resolution 0.1 cd / m 2 , error 2.5% of the value), we have the screen luminance in measured on a grid of 40 x 30 screen positions, with five measurements being made for each of the 1200 positions. An experimenter lay in the scanner tube and held the fiber optic adapter on the screen in the required position, which was indicated to him by a computer-generated cross hair. The other took the measurements on the luminance meter in the neighboring scanner control room. For each measurement, the fiber optics were set to the required position again in order to achieve independent measurements. The measurements were carried out over two days; at the beginning of a session, the projector was allowed to warm up for 10 minutes. 3 shows the resulting luminance distribution on the screen after correction by Equation 1.
An den hellen Teilen des Schirms ist in dem mittleren linken Bereich (x = 140, y = 240), die Luminanz um einen Faktor von drei größer als an dem dunkelsten Teil in dem oberen rechten Bereich (x = 780, y = 540).The luminance on the bright parts of the screen is greater in the middle left area (x = 140, y = 240) by a factor of three than on the darkest part in the upper right area (x = 780, y = 540).
3. Die Gammakurve an charakteristischen Schirmpositionen
Eine vollständige Beschreibung der (statischen) Übertragungscharakteristik des Anzeigesystems macht die Spezifizierung der Luminanz als eine Funktion von Grauwert und Pixelposition erforderlich, wovon die in Fig. 3 gezeigte Luminanzverteilung einen Querschnitt bei einem konstanten mittleren Grauwert darstellt. Um die Abhängigkeit der Luminanz von dem Grauwert zu beschreiben, wurden fünf repräsentative Positionen auf dem Schirm (x,, yϊ) aus Fig. 3 ausgewählt - bei der maximalen und minimalen Luminanz und bei drei grob gleich beabstandeten Luminanzwerten dazwischen - und die vollständige Gammakurve wurde bei diesen Positionen gemessen.3. The gamma curve at characteristic screen positions A complete description of the (static) transmission characteristics of the display system requires the specification of the luminance as a function of gray value and pixel position, of which the luminance distribution shown in FIG. 3 represents a cross section at a constant mean gray value. In order to describe the dependence of the luminance on the gray value, five representative positions on the screen (x ,, yϊ) from FIG. 3 were selected - with the maximum and minimum luminance and with three roughly equally spaced luminance values in between - and the complete gamma curve was obtained measured at these positions.
Bei jeder Position wurden 10 Messungen bei 25 gleich beabstandeten Grauwerten aufgenommen, d.h. eine Gesamtzahl von 5 x 10 x 25 Messungen. Die Ergebnisse sind in Fig. 4 gezeigt. Auf jeden der fünf Datensätze wurde ein Polynom zweiter Ordnung durch Regression angefittetAt each position, 10 measurements were taken at 25 equally spaced gray values, i.e. a total of 5 x 10 x 25 measurements. The results are shown in FIG. 4. A second order polynomial was fitted to each of the five data sets by regression
L - a (χ,y) G + b (X)y) G + C(X;y) (2)L - a ( χ, y) G + b (X) y) G + C (X; y ) (2)
Wobei G: Grauwert; (x, y): Schirmposition und a, b und c: positionsabhängige Regressionskoeffizienten. Die Regressionskoeffizienten sind in Tabelle 1 zusammengefaßt. Wie man aus den Bestimmungskoeffizienten R (ebenfalls m der Tabelle angegeben) erkennt, verbleibt weniger als 1 % der Varianz unberücksichtigt.Where G: gray value; (x, y): screen position and a, b and c: position-dependent regression coefficients. The regression coefficients are summarized in Table 1. As can be seen from the determination coefficients R (also given in the table), less than 1% of the variance is not taken into account.
Tabelle 1. Regressionskoeffizienten der Gammakurve an den fünf Schirmpositionen. (x,y: Pixelkoordinate; L128: Luminanz für einen Grauwert von 128 in cd/m2; a, b, c, Re- gressionskoeffizienten in Gig. 2; R : Bestimmungskoeffizient). Table 1. Regression coefficients of the gamma curve at the five screen positions. (x, y: pixel coordinate; L 128 : luminance for a gray value of 128 in cd / m 2 ; a, b, c, regression coefficients in gig. 2; R: determination coefficient).
Es sei bemerkt, daß anders als bei LCD-Einrichtungen, bei denen eine Parabel zweiter Ordnung hervorragende Fits ergibt, die Übertragungsfunktion einer Kathodensfrahlröh- re (CRT) näher einer Exponentialfunktion mit einem nicht-ganzzahligen Exponenten zwischen 2 und 3, welcher als Gamma bezeichnet wird, folgt; somit leitet sich die Ab- kürzung "Gammakurve" ab, welche mit dem mathematischen Term Gammafunktion nicht in Beziehung steht.It should be noted that unlike LCD devices where a second order parabola gives excellent fits, the transfer function of a cathode ray tube (CRT) is closer to an exponential function with a non-integer exponent between 2 and 3, which is referred to as gamma , follows; the abbreviation "gamma curve" is derived, which is not related to the mathematical term gamma function.
4. Die allgemeine Gammafunktion4. The general gamma function
Aus den fünf Gammakurven (die als repräsentativ für die Population für Kurven angesehen wird) war die Aufgabe eine Approximation der allgemeinen Funktion F ((x,y), G) abzuleiten. Eine Betrachtung des Satzes von Regressionskoeffizienten in Tabelle 1 zeigt, daß der Koeffizient b des linearen Terms ziemlich ähnlich zwischen den fünf Polynomen (dicht bei ungefähr -1) ist, und als konstant mit einem geringen Verlust an Ge- nauigkeit angenommen werden kann. Der Koeffizient des absoluten Terms, c, ist ziemlich variabel (zwischen 9 und 19 cd/m2) und ist negativ mit dem Koeffizienten a zweiter Ordnung korreliert. Jedoch im Vergleich zu dem Gesamtbereich von vorhergesagten Luminanzwerten, 0 bis 2500 cd/m2, ist die absolute Variation von c klein und man kann erwarten, daß dieser einen kleinen Einfluss auf die Güte des Gesamtfits hat. Um die Anzahl der freien Parameter im allgemeinen Modell zu reduzieren, wurden die in Fig. 3 gezeigten Fits wiederholt, wobei sowohl b und c in der Regression auf deren jeweilige arithmethische Mittelwerte in Tabelle 1 (letzte Spalte) gezwungen wurden:The task was to derive an approximation of the general function F ((x, y), G) from the five gamma curves (which is considered representative of the population for curves). Examination of the set of regression coefficients in Table 1 shows that the coefficient b of the linear term is quite similar between the five polynomials (close to approximately -1) and can be assumed to be constant with a small loss of accuracy. The coefficient of the absolute term, c, is quite variable (between 9 and 19 cd / m 2 ) and is negatively correlated with the second order coefficient a. However, compared to the total range of predicted luminance values, 0 to 2500 cd / m 2 , the absolute variation of c is small and can be expected to have a small impact on the quality of the overall fit. In order to reduce the number of free parameters in the general model, the fits shown in FIG. 3 were repeated, both b and c being forced in the regression to their respective arithmetic mean values in table 1 (last column):
L = (χ,y) G + b G + c, (3)L = ( χ, y ) G + b G + c, (3)
wobei L in cd/m2, G der Grauwert (zwischen 0 und 255) und a(X)y) frei variabel ist. Die resultierenden Koeffizienten zweiter Ordnung und Bestimmungskoeffizienten sind in
Tabelle 2 gezeigt. Wie man aus den R2 Werten erkennen kann sind die Fits ungefähr gleich gut wie zuvor, so daß es einen geringen Verlust an Genauigkeit gibt, wenn man b und c als konstant annimmt.where L in cd / m 2 , G the gray value (between 0 and 255) and a ( X) y ) is freely variable. The resulting second order coefficients and determination coefficients are in Table 2 shown. As can be seen from the R 2 values, the fits are about as good as before, so there is little loss of accuracy if b and c are assumed to be constant.
Tabelle 2. Koeffizienten a zweiter Ordnung und BestimmungskoeffizientenTable 2. Second order coefficients and determination coefficients
Wir müssen nun eine Beziehung zwischen dem Term zweiter Ordnung und den Charakteristiken einer Schirmposition erstellen. Die Schirmposition selbst ist nicht relevant, und um die Charakteristik einer Position zu beschreiben, haben wir die (empirische) Luminanz an derjenigen Position bei mittlerem Grauwert, 128, bezeichnet durchWe now need to establish a relationship between the second order term and the characteristics of a screen position. The screen position itself is not relevant, and in order to describe the characteristic of a position, we have identified the (empirical) luminance at that position with a medium gray value, 128, by
12 128(χ,y) L 8 gewählt. Die Variation des Koeffizienten a wurde dann durch Regression auf L128 beschrieben.12 128 ( χ , y) L 8 selected. The variation of the coefficient a was then described by regression to L 128 .
A(x,y) = pL 1128Ö + q (4)A (x, y) = pL 1 1 28 Ö + q (4)
wobei p und q freie Parameter sind. Der Koeffizient wurde vernünftig gut durch Gleichung 4 (Fig. 5) vorhergesagt; die resultierenden Koeffizienten waren p = 5,168 10"5 und q = 0,0215.where p and q are free parameters. The coefficient was reasonably well predicted by Equation 4 (Fig. 5); the resulting coefficients were p = 5.168 10 "5 and q = 0.0215.
Das vollständige Modell der Luminanz der Übertragmigsfunktion wird somit durch Gleichungen 3 und 4 gegeben und wird hier mit den eingesetzten Parametern als Gleichungen 5 und 6 wiederholt:The complete model of the luminance of the transfer function is thus given by equations 3 and 4 and is repeated here with the parameters used as equations 5 and 6:
L = a(X;y) G2 - 2,433G + 37,46, (5)L = a (X; y) G 2 - 2.433G + 37.46, (5)
a(x,y) = 5,168 10" ■53 TL 112Z88 . + 0,0215 (6)
Zusammen mit der Matrix aus Luminanzwerten bei mittlerem Graupegel, L (X,y), sagen diese Gleichungen die Luminanz bei irgendeinem Grauwert und Schirmposition voraus.a (x, y) = 5.168 10 "■ 5 3 1 1 2 Z TL 8. 8 + 0.0215 (6) Together with the matrix of luminance values at medium gray level, L ( X , y ), these equations predict the luminance at any gray value and screen position.
5. Das korrigierte Bild5. The corrected picture
Um die gewünschten Grauwerte für eine spezifische Luminanz L zu erhalten, kann Gleichung (5) invertiert werden, um G(L) zu erhaltenIn order to obtain the desired gray values for a specific luminance L, equation (5) can be inverted to obtain G (L)
G = 0,58/a + sqrt [(0,58/a)2 + (L- 14,3)/a], (V)G = 0.58 / a + sqrt [(0.58 / a) 2 + (L- 14.3) / a], (V)
wobei a = a(x,y) der Koeffizient zweiter Ordnung ausgerechnet aus Gleichung (6) ist.where a = a (x , y) is the second order coefficient calculated from equation (6).
Die Berechnung der korrigierten Bilder ist dann klar:The calculation of the corrected images is then clear:
(1) Berechne aus Gleichung (6) die Koeffizientenmatrix a(Xj;Vi) bei den 40 x 30 Probenpositionen, an denen L128 gemessen wurde;(1) Calculate from the equation (6) the coefficient matrix a (X j ; V i ) at the 40 x 30 sample positions at which L 128 was measured;
(2) Berechne durch lineare Interpolation die vollständige 832 x 624 Matrix a(X,y) an allen Pixelpositionen;(2) Compute the full 832 x 624 matrix a ( X , y ) at all pixel positions by linear interpolation;
(3) Erhalte für die gewünschte Luminanz L = L(x,y) bei jedem Pixel den erforderli- chen Grauwert G aus Gleichung (7).(3) Obtain the required gray value G from equation (7) for each pixel for the desired luminance L = L (x , y ).
Fig. 6 zeigt einen Vergleich der Luminanzverteilungen, und zwar spezifiziert als mit einer konstanten Luminanz, vor und nach der Korrektur. Man beachte, dass das „Falten aufweisende Handtuch" bei L (obere Fläche) sich in eine ziemlich ebene bzw. flache Fläche verwandelt.Fig. 6 shows a comparison of the luminance distributions, specified as having a constant luminance, before and after the correction. Note that the "wrinkled towel" at L (top surface) turns into a fairly flat surface.
6. Dithern des korrigierten Bildes6. Dither the corrected image
Das Verändern von irgendeinem Bild entlang scharf definierten Rasterlinien führt zu in hohem Maße sichtbaren Konturen in ansonsten homogenen Bildbereichen. Bei der Lu- minanzkorrektur ist daher ein räumliches Glätten - gemeinhin als „Dithern" bezeichnetChanging any image along sharply defined raster lines leads to highly visible contours in otherwise homogeneous image areas. Spatial smoothing is therefore used in the luminescence correction - commonly referred to as "dithering"
- des korrigierten Bildes erforderlich. In einer einfachen Variante desselben wurde an
jedem Pixel eine Zufallszahl aus dem Intervall [-1, +1] vor dem Runden auf den nächsten Integer bzw. ganze Zahl addiert. Dies stellt einen Schritt (4) dar und zwar den letzten Schritt beim Bestimmen der gewünschten Grauwerte.- the corrected image required. In a simple variant of it was on add a random number from the interval [-1, +1] to each pixel before rounding to the next integer or whole number. This represents a step (4), namely the last step in determining the desired gray values.
Zur Darstellung der Effizienz des Verfahrens zeigt Fig. 7 das (tatsächliche) Lumi- nanzprofil eines Gabor-Gitters, und zwar abgetastet bei 25 x 20 Schirmpositionen mit unserer Faseroptik.To illustrate the efficiency of the method, FIG. 7 shows the (actual) luminance profile of a Gabor grating, specifically scanned at 25 x 20 screen positions with our fiber optics.
7. Praktische Überlegungen7. Practical considerations
Das Kalibrieren eines Monitors durch die beschriebene Technik ist ziemlich aufwendig: die 1800 Messungen (1200 + 600) dauern in etwa 6 Stunden. Wird die Arbeit wertlos sein, da ein Wechsel der Birne erforderlich ist? Die in Fig. 3 gezeigten Luminanzvertei- lungen stammen tatsächlich von einem zweiten aktuellen Satz von Messungen. Andert- halb Jahre früher hatten wir dieselben Messungen (1200 Messungen, ungefähr 4 Stunden) durchgeführt; in der Zwischenzeit war der Monitor einmal bei dem Hersteller aus Wartungsgründen und es gab eine Ersetzung der Birne, was ein Entfernen des Birnen- tragekäfigs erforderlich macht, und wovon man erwarten kann, dass sich die Position der Birne etwas in der optischen Anordnung verändert. Fig. 8 zeigt die Luminanzvertei- lungen, d.h. die L128 Matrix an den zwei Zeitpunkten, hiteressanterweise verändert sich das grundlegende Muster nicht, und zwar mit einem hellen Bereich auf der linken Seite, welcher sich in die Rechte erstreckt. Die Veränderung scheint vornehmlich eine bestimmte räumliche Verzerrung zu sein, welche möglicherweise von einer etwas veränderten Position der Birne in der Diffusionskammer herrührt. Die Veränderungen sind jedoch groß genug, dass sie eine erneute Kalibration sinnvoll machen.Calibrating a monitor using the described technique is quite complex: the 1800 measurements (1200 + 600) take about 6 hours. Will the work be worthless because the bulb needs to be changed? The luminance distributions shown in FIG. 3 actually come from a second current set of measurements. A year and a half earlier we had made the same measurements (1200 measurements, about 4 hours); in the meantime, the monitor was once with the manufacturer for maintenance and there was a replacement of the bulb, which required removal of the bulb carrier and what could be expected to change the position of the bulb somewhat in the optical arrangement. FIG. 8 shows the luminance distributions, ie the L 128 matrix at the two points in time. Interestingly, the basic pattern does not change, with a bright area on the left that extends into the right. The change appears to be primarily a certain spatial distortion, which may result from a slightly changed position of the bulb in the diffusion chamber. However, the changes are large enough that they make recalibration meaningful.
Obwohl durch Alterung und Birnewechsel die räumliche L128 Luminanzverteilung und die mittlere Bildluminanz verändert wurden, hat sich die Form der Gammakurve nur etwas verändert, wobei in beiden Fällen die Parabel zweiter Ordnung durch den Term zweiter Ordnung dominiert wird, wobei letzterer linear von der Luminanz bei mittlerem Grauwert abhängig ist. Die Gleichungen (5) und (6) für den alten Aufbau waren
L = a(x,y) G2 - 1,16 G + 14,3 (5a)Although the spatial L 128 luminance distribution and the mean image luminance were changed due to aging and bulb changes, the shape of the gamma curve has changed only slightly, in both cases the second-order parabola is dominated by the second-order term, the latter being linear with the luminance medium gray value. Equations (5) and (6) for the old setup were L = a (x , y) G 2 - 1.16 G + 14.3 (5a)
a(x,y) = 5,59 10"5 L128 + 0,00929 (6a)a (x , y) = 5.59 10 "5 L 128 + 0.00929 (6a)
wir können somit annehmen, dass die Transparenzcharakteristiken der LCD (verantwortlich für die Ga makurven) sich nicht viel über die Zeit verändert haben, und dass die stattgefundenen Veränderungen von einer etwas veränderten optischen Anordnung und Effizienz der Birne heπuhren. Eine derartige Annahme sollte eine wiederholte Kalibrierung vereinfachen.we can therefore assume that the transparency characteristics of the LCD (responsible for the ga curves) did not change much over time, and that the changes that occurred were due to a slightly changed optical arrangement and efficiency of the bulb. Such an assumption should facilitate repeated calibration.
Wenn die Kompensationstechnik eingesetzt wird, ist ihre praktische Anwendung für einen Fachmann einfach nachvollziehbar. Bilder können Standardpixelgrafikdateien (pcx, gif, etc.) sein, und zwar aus einem Grafikprogramm oder erzeugt durch Grafik- Algorhythmen (z. B. in MatLab). Das MatLab-Skript berechnet eine korrigierte Bildda- tei, die dann anstelle des Originals in der Stimuluspräsentationsroutine verwendet wird. Schwarz/Weiß-Videos können durch bildweise Anwendung des MatLab-Skripts verarbeitet werden.If the compensation technology is used, its practical application is easy to understand for a specialist. Images can be standard pixel graphics files (pcx, gif, etc.), from a graphics program or generated by graphics algorithms (e.g. in MatLab). The MatLab script calculates a corrected image file, which is then used instead of the original in the stimulus presentation routine. Black and white videos can be processed by using the MatLab script.
Wie bedeutsam ist die Verwendung eines gut kalibrierten visuellen Stimulations- bzw. reizsystems in Verbindung mit fMRI-Forschung? Das menschliche visuelle System hat eine bemerkenswerte Fähigkeit breite Luminanzvariationen durch Adaption zu kompensieren und somit scheinen die Feldinhomogenitäten weniger wichtig zu sein als die Zahlen glauben machen. Da die gesamte Feldgröße relativ klein verglichen mit dem vollständigen visuellen Feld ist, werden jedoch diese Variationen in enger Nachbarschaft auftreten und lokale Adaption wird eine geringere Rolle spielen. Die Tatsache, dass die Inhomogenitäten gut sichtbar sind, impliziert, dass sie in visuellen Gebieten des Cortex verarbeitet werden. Außerdem, da die Gammafunktion ebenfalls zwischen Schirmpositionen variiert, wird der Stimulusmusterkontrast über das Feld variieren, und es ist bekannt, dass die Amplituden des GROBEN Ansprechverhaltens von dem Musterkontrast abhängt. Skepsis ist insbesondere dann angebracht, wenn mit Standardsimulationssystemen subtile flvIRI- Aktivierungsunterschiede zwischen den Hemisphären in primären visuellen Gebieten interpretiert werden. Sicherlich werden in neuroophthalmischen
Diagnostiken viel höhere Standards beobachtet, wobei Hintergrundluminanz in einem Standardumfang innerhalb enger Schranken konstant gehalten wird. Durch die hier beschriebene relativ klare Kompensationstechnik, kann die für eine Versuchsperson sichtbare Luminanz mit guter Genauigkeit spezifiziert werden, und zwar in dem vollständigen (monochromen) Raum/Luminanz-Bereich, der durch ein Standard-8-Bit-Grafik- system aufgespannt wird.
How important is the use of a well calibrated visual stimulation or stimulus system in connection with fMRI research? The human visual system has a remarkable ability to compensate for wide variations in luminance through adaptation, and thus the field inhomogeneities appear to be less important than the numbers suggest. However, since the total field size is relatively small compared to the full visual field, these variations will occur in close proximity and local adaptation will play a minor role. The fact that the inhomogeneities are clearly visible implies that they are processed in visual areas of the cortex. In addition, since the gamma function also varies between screen positions, the stimulus pattern contrast will vary across the field and it is known that the COARSE response amplitudes depend on the pattern contrast. Skepticism is particularly appropriate when subtle flvIRI activation differences between the hemispheres in primary visual areas are interpreted with standard simulation systems. Certainly be in neuroophthalmic Diagnostics observed much higher standards, with standard background luminance being kept constant within narrow limits. Using the relatively clear compensation technique described here, the luminance visible to a test subject can be specified with good accuracy, in the complete (monochrome) space / luminance range, which is spanned by a standard 8-bit graphics system.