Bildaufnahmegeräte

Die Umwandlung der Helligkeits- und Farbwerte einer Szene in elektrische Impulse geschieht mithilfe einer Kamera, eines Scanners, o.Ä..

Das Bild wird bei allen Verfahren in ein feines Raster zerlegt (Diskretisierung) und die einzelnen, in Stufen zerlegten (Quantisierung) elektrischen Werte dieser Rasterpunkte zur Verarbeitung weitergeleitet.

• CCD: Charged Coupled Device

  • 1. CCD beschreibt die Art, wie Lichtintensistät in eine elektrische Größe umgewandelt wird

  • 2. besteht bis auf die Speicherschicht aus gleichen Komponenten wie die normale Kameraröhre

  • 3. Speicherkondensatoren werden durch Photostrom geladen

  • 4. zyklisches Auslesen der Zellen

  • 5. während des vertikalen Austastimpulses wird die bis dahin gesammelte Ladung in ein zweites Feld von Kondensatoren transferiert

  • 6. Solange die einzelnen Zellen ausgelesen werden, kann die Ladung für das nächste Bild bei anderen Zellen bereits wieder integriert werden

• Matrixkameras:

  • rechtwinklige Matrix mit Speicherzellen

• Zeilenkameras:

  • eine Linie mit Speicherzellen

• Imager:

  • 1/2’’ -> diagonale Größe des CCD Chips

• Pixel:

  • 30x30 bis max 3072x2048 Pixel (6.2 Mio Bildpunkte) -> 120 mm^2 Chipfläche

  • VGA: 640x480 Pixel; Pixelgröße 10x10µm bis 3x3µm -> ca. 10-fache Wellenlänge

• spektrale Empfindlichkeit:

  • Nachteil: Infrarotanteil sorgt für Unschärfe im sichtbaren Spektrum -> Infrarotfilter notwendig

• Objektiv:

  • Brennweite in mm; Blendenzahl ~ 1.5 bis geschlossen

• Durch das Einbringen einer negativen Vorspannung bleibt der Verlauf der Spannung über den Kondensator linear (linearer Integrator)

• Die Lichtmenge ist proportional zur Kondensatorspannung (Photonenzähler)

• Die Diode ist in Sperrrichtung gepolt. Die Spannungsquelle treibt keinen Strom durch die Diode. Bei Einbringen einer Spannung knickt die Kondensatorspannung erst bei Erreichen der Vorspannung ab.

• der p-n-Übergang der Diode verschwimmt mit dem Kondensator.

• Elektronen können auf ähnliche Elemente nebenan überfließen --> Blooming-Effekt

1. Pixel werden mit Farblacken belegt, die Farbvalenzen des Auges nachbilden

2. Bei Aufnahme des Farbbildes muss Augenempfindlichkeit nachgebildet werden (2 grüne (Auge am enpfindlichsten), 1 rot, 1 blau (Bayer-Pattern) -> 1 Farbpixel)

3. physische Auflösung 4-mal so hoch wie im zusammengesetzten Farbbild

Der p-n-Übergang der Diode verschwimmt mit dem Kondensator. Elektronen können auf ähnliche Elemente nebenan überfließen.

Bei Überschreiten der zulässigen Ladungsmenge der einzelnen Elemente entsteht ein heller Fleck um eine lokale Überbelichtung.

• CCD: Charge-Coupled Device

  • Integration des Photostroms, Messung Kondensatorspannung

    • —> linearer Quantenzähler

• CMOS: Complementary Metal-Oxide Semiconductor

  • Photodiode arbeitet auf Widerstand

    • —> direkte Messung des Photostroms als Spannung über R

    • —> Diodenkennlinie: nichtlinear, logarithmische Wandlung

• PPS: Passive Pixel Sensor

Bei CMOS-Sensoren werden die Ladungen, im Unterschied zu CCD-Sensoren, bereits im Pixel in eine Spannung umgewandelt. Die Diodenkennlinie ist logarithmisch und flacht immer weiter ab. CMOS-Kameras können daher nicht übersteuert werden.

• APS: Active Pixel Sensor

  • CCD-Verhalten wird durch Miller-Integrator in CMOS-Technologie emuliert.

    • Miller-Integrator: elektrisches Bauteil, das ein linear-ansteigendes Signal erzeugt

Über der Linse befindet sich eine kontinuierliche Helligkeitsverteilung.

Die Ortsdiskretisierung des Bildsignals erfolgt bei der Abbildung auf den Sensor. Bei der Umwandlung in ein elektrisches Signal bzw. bei der örtlichen Abtastung erfolgt eine Mittelung über die diskreten Stellen.

Bei Verletzung des Abtasttheorems im Ortsbereich (Unterabtastung) entsteht der Moiré-Effekt.

Vermeidung: Tiefpassfilterung des Bildes durch Einsatz einer Lochblende oder Abbildungsmaßstab verändern.

• Über der Zeit kommt die Ortsinformation pro Zeit heraus

• Synchronimpuls: Zwischen 0 bis 0,3 Volt; dient der Synchronisation der einzelnen Zeilen und Halbbilder

• Danach: Helligkeitswerte werden zwischen 0,3 und 1 Volt als Ortsinformation auf die Zeitachse abgebildet. Helligkeiten von schwarz nach weiß

• Mindestbandbreite Signal (z.B. VGA):

  • 640x480 Pixel = 307.200 Pixel —> x25 fps = 7,68 MHz

—>AD-Wandler teilt Zeitachse auf und extrahiert einzelne Pixel als Ergebnis

—> Helligkeitswerte werden auf 8bit/16bit abgebildet

—> 256 Stufen reichen, um kontinuierliche Helligkeitsverläufe wahrzunehmen.

RGB Aufnahmen —> 8bit pro Farbebene

• Pixelorientierte Formate:

  • Am Anfang Vorgabe Zeilen- und Spaltenanzahl

  • Pixelwerte nacheinander als Binärwerte enthalten

• Blockorientierte Formate:

  • JPEG, Ergebnis als Blockartefakte

  • für Kompressionsalgorithmen gedacht

  • eine JPEG-Datei ist eine blockweise Tiefpassfilterung

• Objekt weiter entfernt:

  • kleineres Bild, weil weiter entfernt von F (siehe Zeichnung Funktionsweise)

• Obejkt näher dran:

  • Makroaufnahmen —> Beamer/Dia-Projektor

• Maßstab:

  • beta’ = y’ / y = a’ / a

• allg. Abbildungsgleichung:

  • |1/a’| -/(+) |1/a| = 1/f’

• Newton’sche Abbildungsgleichung:

  • z * z’ = f * f’