5. Vl Beleuchtung & Digitalisierung

• Ziel der Beleuchtung

  • Herstellen von homogenen Beleuchtungsbedingungen und Erzeugen eines optimalen Hell/ Dunkel-Kontrasts

• Anforderungen

  • Konstanz der Beleuchtung in Wellenlänge und Intensität

  • bestimmte Farbzusammensetzungen (Wellenlängenbereiche)

  • bestimmte Formgebung (Ringfeld, Langfeld)

  • kein Flimmern, geringe Erwärmung

• Auslegung

  • Anpassung von Wellenlängenbereichen der Lichterzeugung an die Empfindlichkeit des Sensors

  • Anpassung von Wellenlängenbereichen und der Beleuchtungsart an die Reflexions- und Absorbtionseigenschaften der Objekte

• Strahlungsphysik (Radiometrie): Beschreibt die objektiv ausgesandte Strahlung

• Lichttechnik (Photometrie): Beschreibt die subjektiv vom Menschen wahrgenommene Strahlung (berücksichtigt die Wellenlängenabhängigkeit der Empfindlichkeit des menschlichen Auges)

• Das einfachste Modell einer Lichtquelle, ist die Punktlichtquelle

• Eine isotrop ausstrahlende Punktlichtquelle strahlt gleichmäßig in alle Richtun- gen mit einem gesamten Strahlungsfluss von

• Damit ergibt sich die Bestrahlungsstärke durch eine Punktquelle zu

• Gerichtete Reflexion

  • Einfallendes Licht wird von der Oberfläche nur in einer Richtung reflektiert

  • Tritt bei spiegelnden Oberflächen auf und erzeugt Glanzlichter, die sich bei geringer Lageänderung von Objekt oder Kamera ver- schieben und das Aussehen des Abbildes verändern

• Diffuse Reflexion

  • Das Licht wird von der Oberfläche in alle Richtungen gleichmäßig gestreut

  • Eine komplett diffuse Oberfläche nennt man auch Lambert-Strahler

• Diffuse Beleuchtung: Beleuchtung die aus allen Richtungen erfolgt

• Dombeleuchtung: Homogene Beleuchtung (örtlich konstantes Beleuchtungsfeld) die aus allen Richtungen erfolgt

• Koaxiale Beleuchtung: Gerichtete Beleuchtung bei der die Beleuchtungsrichtung mit der Beobachtungsrichtung übereinstimmt.

• Telezentrische Beleuchtung: Beleuchtung eines Objektes durch parallel verlaufende Lichtstrahlen

• Dunkelfeldbeleuchtung: Nur an aufgabenrelevante Strukturen eines Objektes erfolgt eine Lichtablenkung in das Abbildungssystem. Alles andere bleibt dunkel

• Hellfeldbeleuchtung: Der überwiegende Teil einer Objektoberfläche bewirkt eine Lichtablenkung in das Abbildungssystem und erscheint hell

  
  

• Auflicht

  • Beleuchtung bei der sich die Lichtquelle bezüglich des Objekts im gleichen Halbraum wie die Abbildungsoptik befindet (“vor dem Objekt”)

• Durchlicht

  • Beleuchtung die sich in dem Halbraum befindet, der der Abbildungsoptik bezüglich des Objekts gegenüberliegt (“hinter dem Objekt”)

Der Bayer-Filter ist ein Farbfilter für einen Fotosensor, angeordnet ähnlich wie ein Schachbrett, das zu 50% aus Grün, und je zu 25% aus Rot und Blau besteht. Die fehlenden Farbwerte der nicht belegten Pixel in den einzelnen Farbkanälen müssen über Interpolation künstlich erzeugt werden. Das führt zu Farbfehlern an Farbdiskontinuitäten.

Der Foveon X3 ist ein CMOS-Bildsensor bestehend aus drei übereinander liegen- den Schichten von Photodioden. Die unterschiedlichen Wellenlängen der Farben Rot, Grün und Blau werden in unterschiedlichen Schichten absorbiert, weil lang- welliges (rotes) Licht in Silizium eine größere Eindringtiefe hat, als kurzwelliges (blaues).

• Bildrauschen

• Smear & Blooming: Überschreiten der Ladungsmenge durch Überbelichtung

• Moiré-Muster: Periodische Muster auf einem Objekt werden durch eine unzureichend aufgelöste Bildrasterung unterabgetastet. Dadurch entstehen “Scheinmuster” (Aliasing-Effekt)

• Kompressionsartefakte z.B. jpeg

Gründe für das Bildrauschen bei CCD Sensoren:

• Pixelvariabler Dunkelstrom (z.B. wegen Temperaturerhöhung) und Rauschen des Ausleseverstärkers

• Photonenrauschen, Schwankungen der Lichtempfindlichkeit eines Pixels

• Pixelgröße und Pixelabstand: Je kleiner desto mehr Rauschen

• Quantisierungsrauschen

• Belichtungszeit: Je länger desto

  mehr Rauschen

• einfachere Beleuchtung (linienförmig)

• höhere Beleuchtungsstärken realisierbar

• Kamera oder Objekt muss bewegt werden

• Gepulstes oder moduliertes Infrarotlicht

• Zeit- oder Phasenverschiebung zwischen emittierten und empfangenen Lichtwellen kodiert Entfernung

Gepulstes Infrarotlicht:

Moduliertes Infrarotlicht:

• Mehrdeutigkeiten bei periodischem Trägersignal

• Intensitätsabhängigkeit der Tiefenmessung

• Umgebungslicht beeinflusst Messqualität

• Bewegungsartefakte

• Temperaturdrift

• Rauschen

  
  

Funktionsweise bei strukturiertem Licht:

• Projektor projiziert ein Lichtmuster einer bestimmten Struktur und Wellenlänge auf eine Szene

• Aus dem Abbild der Verzerrung des Lichtmusters wird das 3D Profil rekonstruiert (Verschiebung der Punkte)

• Voraussetzung für fehlerfreie Rekonstruktionen ist ein vollständig kalibriertes Projektor-Kamera-System

Fehlerquellen:

• Infrarotes Umgebungslicht beeinflusst Messqualität

• Es kann nur ein Sensor gleichzeitig betrieben werden (ansonsten Mehrdeutigkeiten durch mehrere Muster)