Digitale Medien 8. BILDERZEUGUNG DIGITALPHOTOGRAPHIE

Transkript

1 Digitale Medien 8. BILDERZEUGUNG DIGITALPHOTOGRAPHIE

2 Inhalt 1. Digitalisierung 2. Bilderzeugung in der digitalen Kamera 1. Optisches System 2. Parameter (digitaler) Kameras 1. Belichtungszeit 2. Brennweite 3. Blende 4. Belichtungsmessung 5. Autofokus 6. Weißabgleich 3. Einfluss verschiedener Parameter auf die Bildaufnahme und qualität 1. Blende, Brennweite Tiefenschärfe

3 Bildaufnahme in einer Digitalkamera Übersicht 1. Scharfstellen des Bildes = (Auto )Fokus 2. Abschätzen einer sinnvollen Zeit/Blende Kombination 3. optische Projektion durch das Objektiv 4. optische Filterung durch Tiefpass, Infrarot und RGB Filter 5. Wandlung der Lichtintensitäten in elektrische Signale an diskreten Stellen (Diskretisierung) 6. Digitalisierung der elektrischen Signale (Quantisierung) 7. Bildverarbeitung der Bildinformationen: Farb Rekonstruktion Interpolation für Digitalzoom Rauschfilterung Entfernen bekannter Fehler des Bildaufnahmesystems (defekte Pixel, Übersprechen, Nachschärfen, Randabschattung, Verzeichnung) 8. Komprimierung der Bilddatei 9. Speicherung bzw. Anzeigen der Bilddatei

4 Bildaufnahme in einer Digitalkamera Fokus Belichtungszeit Blende Belichtungszeit Autofokus, Auto-Exposure Auto-WhiteBalance Interpolation für Anzeige Dekompression für Anzeige Anzeige Optisches System Bildanalyse Kompression JPG Interpolation für Farb-Rekonstruktion Interpolation für Digitalzoom Linse Verschluß Farbfilter Sensor RGB Bildspeicher Bildspeicher Bildspeicher RAW

5 Optisches System Aufbau Belichtungsmeßsystem Bildsensor Spiegel (bei SLR Kameras) Autofokus System Objektiv = Anordnung von Linsen

6 Optisches System Lichtweg Objektiv Verschluß IR-Filter Tiefpaß Sensor Licht fällt durch die Linse und den Verschluss auf IR und Tiefpass Filter und schließlich auf den Sensor Infrarot Filter Silizium ist für nahes Infrarot empfindlich Wahrnehmung des Sensors auf sichtbare Wellenlängen beschränken (optischer) Tiefpass Filter wirkt Bildung von Moiré Mustern entgegen entstehen wenn Frequenzen im Objekt ähnlich der Pixelfrequenz des Sensors Polarisation und Tiefpass Filter Erzeugt auch Unschärfe Korrektur über Kamerasoft und hardware

7 Optisches System Sensoren mosaikartige Anordnung lichtempfindlicher Zellen Zellen sind durch lichtunempfindliche Bereiche voneinander getrennt. Eine Zelle entspricht einem Pixel. Zellen sind CCD Elemente (Charge Coupled Device) CMOS Sensoren basieren auf dem inneren photoelektrischen Effekt

8 Diskretisierung und Quantisierung Sensoren liefern ein zum Lichteinfall proportionales analoges Signal (Spannung), das in ein digitales Signal umgewandelt werden muß. Diskretisierung = Sampling Messen des Lichteinfalls nur an diskreten Positionen (Sensorzellen) Abstand der Sensorzellen (Auflösung) bestimmt die Qualität des Bildes Quantisierung Umwandlung der (analogen) Spannung in ein digitales Signal begrenzte Anzahl an Bits zur Speicherung (8, 12, 16) daher begrenzte Anzahl an Farben umwandeln der Spannungswerte in diskrete Helligkeitswerte, die sich mit den n Bits darstellen lassen nur der Lichteinfall, also die Helligkeit wird gemessen Grauwertbilder

9 Sensoren digitaler Kameras Prinzip Für die Belichtungszeit wird Linse geöffnet Photonen erreichen die lichtempfindlichen Zellen Umwandlung Photonen Ladung Spannung 14 sensors.htm Problem: Sensoren können nur Helligkeit erfassen

10 Vorsatz eines Farbfilters Farberkennung bes mmte Zellen nehmen Helligkeitswert für entsprechende Farben auf Bayer Matrix 15 sensors.htm

11 Was der Sensor sieht 16 sensors.htm Problem: Reduzierung der Auflösung Demosaicing

12 Foveon X3 Direkt-Bildsensor In jedem Pixel werden alle drei Grundfarben aufgezeichnet Licht wird durch Silizium unterschiedlich absorbiert erreicht unterschiedliche Tiefen Aufbau in drei Schichten, ähnlich Farbfilm 17

13 Größen von Bildsensoren Auswahl der gängigsten Typen 18 8,2mm x 6,2mm 17,3mm x 13,0mm (Four Thirds) APS C Nikon DX: 23,7mm x 15,6mm Vollformat (Kleinbild): 36mm x 24mm Four Thirds APS C DX Vollformat Mittelformat: 48mm x 36mm Mittelformat

14 Objektive Objektive setzen sich meist aus mehreren Linsen zusammen Ziel: möglichst genaue Abbildung des aufzunehmenden Bildes auf dem Sensor der Kamera Unterschiedliche Sensorgrößen bewirken scheinbare Brennweitenvergrößerung, Cropfactor: 1, ambridgeinc olour.com/tu torials/camer a lenses.htm

15 Brennweite (Focal Length) 20 Brennweite beeinflusst den sichtbaren Bereich des Bildes Kleine Brennweite großer sichtbarer Bereich (Weitwinkel) Große Brennweite kleiner sichtbarer Ausschni (Tele) lenses.htm

16 Typische Brennweiten Unterscheidung: Weitwinkel, Normal, Tele, Festbrennweite 21 lenses.htm

17 Weitwinkel Wann welches Objektiv einsetzen?

18 Fischaugen Wann welches Objektiv einsetzen? 23

19 Wann welches Objektiv einsetzen? Makroobjektiv

20 Telezoom 25

21 Perspektivische Verzerrungen Aufnahmen mit unterschiedlichen Brennweiten, aber gleichem Abbildungsmaßstab kann als stilistisches Mittel eingesetzt werden mm Brennweite (Weitwinkel) 36 mm Brennweite (Normal) 170 mm Brennweite (Tele)

22 Perspektive ist nicht von der Brennweite sondern vom Standpunkt abhängig je kürzer Distanz zu Objekt Objekt größer 27 Frage: Lieber näher an das Objekt herantreten oder lieber weiter weg gehen und zoomen? Weggehen vermittelt räumliche Trennung, Weite Telezoom vermittelt räumliche Nähe

23 Perspektive - Beispiel 28 18mm 24mm 35mm 55mm

24 Blende (Aperture) 29 Regelt Lichteinfall durch die Optik Größere Blendenzahl kleinere Blendenöffnung kann ebenfalls als stilistisches Mittel eingesetzt werden Kamera kann nicht entscheiden, welche Kombination richtig ist Sinnvolle Kombina on aus Blendenzahl und Belichtungszeit Lichtwert (exposure value) Schar von äquivalenten Kombinationen aus Blendenzahl und Belichtungszeit die bei gleicher Mo vhelligkeit gleich viel Licht auf den Sensor gelangen lassen

25 Belichtungsmessung (Metering) Prinzip: Messung der durch die Blende einfallenden Lichtenergie Lichtwert (exposure value) Maßzahl für die Motivhelligkeit eigentlich einfach zu bestimmen: Summe der Signale aller Sensorzellen typisch bei SLR Kameras: Licht wird auf Belichtungssensoren gelenkt typisch bei Kompaktkameras: Messung mit dem Bildaufnahmesensor Integralmessung: gemessener Lichtwert wird so in Zeit/Blenden Kombination umgerechnet, daß in der Summe ein mittleres Grau auf dem Film/Sensor entsteht.

26 Belichtungsmessung (Metering) Einstellen einer Blende/Zeit-Kombination für Photographie erforderlich: Kombination aus Blendenwert und Belichtungszeit pro Lichtwert unendliche Anzahl an Kombinationen Programmkurven bestimmen Wahl einer Blende Zeit Kombination abhängig von weiteren Bedingungen Sensor( empfindlichkeit) Eigenschaften der Optik Realisierung über Lookup Tables Fuji Canon FinePix EOS S2 30 Pro Quelle: Fuji Canon

27 Lichtwerte 32

28 Unter- und Überbelichtung Blende und Belichtungszeit beeinflussen den Lichteinfall Kleinere Blende weniger Licht pro Zeiteinheit 33 bei größerer Blendenöffnung kann Belichtungszeit reduziert werden kleinere Belichtungszeit weniger Licht bei gleicher Blende

29 Unter- und Überbelichtung System der Kameras Verdopplung bzw. Halbierung der Verschlußzeiten: 30s, 15s, 8, 4, 2, 1, 1/2, 1/4, 1/8, 1/15, 1/30, 1/60, 1/125, 1/250, 1/500, 1/1000, 1/2000, 1/ Verdopplung bzw. Halbierung der Lichtmenge: Blende 1,0; Blende 1,4; Blende 2,0; Blende 2,8; Blende 4,0; Blende 5,6; Blende 8,0; Blende 11; Blende 16; Blende 22; Blende 32 je größer die Zahl um so kleiner die Öffnung tatsächliche Wirkung nicht sofort sichtbar

30 Kameramodi,, P, Tv, Av, M 35 Vollautomatik( ): Alle Einstellungen übernimmt die Kamera: Belichtungszeit, Blende, AF Modus, ISO und Blitz Programm (P): Automatische Wahl von Belichtung und Blende, ISO, Blitz, AF Modus manuell Time Value (TV): manuelle Wahl der Belichtungszeit, Kamera wählt automatisch Blende (Blendenautomatik) Aperture Value (AV): Vorgabe der Blende, Kamera wählt automatisch die Belichtungszeit Manueller Modus (M): alle Einstellungen können manuell vorgenommen werden. Bildquelle: Tilo Gockel: Kompendium digitale Fotografie, Springer-Verlag, Heidelberg Dordrecht London New York, 2012

31 Belichtungsmessung bisher: gemessener Lichtwert führt zu einer Blende Zeit Kombination aber: typischerweise Motiv nicht gleichmäßig ausgeleuchtet Kontrastumfang (Differenz von hellster zu dunkelster Stelle des Motivs) höher als Kontrastumfang des Sensors Kontrastumfang des Motivs zu niedrig Bestimmung des Lichtwertes über verschiedene Meßverfahren (keine simple Summierung über das gesamte Bild)

32 Belichtungsmessung Problem: unterschiedliche Lichtreflexionen und Beleuchtungssituationen mittenbetonte Integralmessung Integralmessung, aber mittlere Meßfelder haben höheres Gewicht auf das Objekt bezogene Messung Spotmessung nur das zentrale Meßfeld wird berücksichtigt punktgenaue Messung Selektivmessung ein bestimmter Bereich um das Zentrum herum wird stark berücksichtigt Matrixmessung oder Mehrfeldmessung jede Meßzelle liefert ihren eigenen Wert Vergleich mit Datenbank aus Standardsituationen (bei Nikon F Einträge)

33 Beispiele 38 Spot Mehrfeldmessung mittenbetonte Integralmessung Selektivmessung

34 Künstlerischer Einsatz von Licht Ästhetische Aspekte - Lichtstimmungen Warmes Licht, Sonne Blaue Stunde/goldene Stunde Seitliches Licht, diffuses Gegenlicht Für Portrait Fotos oder Essen (Food Fotos) Konturierendes Licht, das einen Körper modelliert Streiflicht, das feine Details erkennbar und damit interessant macht Und/oder Körper plastisch erscheinen lässt Gegenlicht, bspw. bei tiefstehender Sonne Sichtbare Lichtstrahlen, bspw. durch Staub in alten Gemäuern Licht, das die Augen leuchten lässt Für Portraifotographien Tilo Gockel: Kompendium digitale Fotografie, Springer-Verlag, Heidelberg Dordrecht London New York, 2012

35 Schärfentiefe Schärfentiefe : Bereich in dem das Motiv scharf erscheint Objekte davor oder dahinter erscheinen unscharf Lässt sich ebenfalls künstlerisch einsetzen 41 lenses.htm

36 Schärfentiefe 42

37 Blende und Schärfentiefe Wichtigster Faktor, da Bildausschnitt konstant bleibt Kleinere Blende (=größere Blendenzahl) Schärfentiefe nimmt zu Beispiel: 43 fotokurs/index.php?id= schaerfentiefe Nega veffekt: kleinere Blende größere Belichtungszeit

38 Brennweite und Tiefenschärfe Je länger die Brennweite desto geringer die Schärfentiefe Vorteil: große Blendenöffnung + hohe Brennweite geringe Schärfentiefe 44 Nachteil: wenn hohe Schärfentiefe trotz hoher Brennweite gewünscht Blende zu Verwackelungsgefahr

39 Schärfentiefe als stilistisches Mittel 45

40 46

41 Schärfentiefe Was fokussieren? Scharfbereich endet nicht am fokussierten Objekt sondern geht darüber hinaus Faustregel: Schärfebereich erstreckt sich 1/3 vor und 2/3 hinter dem fokussierten Punkt Fokus auf den Horizont verschenkt 2/3 des Schärfebereichs Wohin fokussieren? Abhängig von Brennweite, Sensorgröße, Blendeneinstellung, Kameraauflösung > hyperfokale Entfernung Beispiel: Nikon D300, Canon 450D: Brennweite 10mm, Blende: 11, ca. 1m Online Rechner: 47

42 Blendeneinsatz praktisch Blende zu weit offen > Schärfentiefe sinkt Blende zu weit geschlossen: Bildschärfe allgemein sinkt durch Beugungseffekte Kompromiss: Schärfentiefe vs. Beugungsunschärfe Bester Blendenbereich: zwischen 5,6 und 8 Dort haben viele Objektive das Beste Auflösungsvermögen 48 Alte Regel: Wenn die Sonne lacht, Blende 8!

43 Autofokus Motiv soll scharf abgebildet werden es soll fokussiert sein. automatische Änderung der Brennweite des Objektivs durch Verschieben der Linsen Grundlage: optische Abbildungen Objektebene Verfahren: aktiv und passiv Linse(n) Bildebene

44 Autofokus Kontrastvergleich zusätzliche CCD Sensoren in der Kamera (Zeilen und/oder Spaltenanordnung) bestimmen des Kontrasts im Autofokus Meßfeld = bestimmen der Frequenzverteilung im Bild hoher Kontrast scharf niedriger Kontrast unscharf Verstellen der Linse bis höchster Kontrast erreicht Kombination von Zeilen und Spaltensensorfeldern für genaueres Arbeiten mehrere Messungen notwendig, um Richtung der Fokussierung zu bestimmen

45 Autofokus Stereo-Verfahren Funktionsprinzip: Triangulation der Objektentfernung Stereobilder werden durch die gegenüberliegenden Ränder des Objektivs aufgenommen. In der Sensorebene wird durch ein Prisma Licht auf zwei Detektorzeilen gelenkt. Durch Mustervergleich kann (De )Fokus bestimmt werden. Bilder von beiden Rändern sind seitlich verschoben und Tiefpaß gefiltert, wenn nicht im Fokus. eingesetzt in modernen SLR Kameras

46 Autofokus Fokussierung erfolgt bei halb gedrücktem Auslöser Anzeige wo fokussiert wurde ablesbar an den Autofokus Messfeldern üblicherweise wird das mittlere Messfeld genommen andere sind einstellbar Autofokus Modi: OneShot: Auslösung erst nach Fokussierung möglich ein AF Meßfeld muss Fokus melden AI Servo: Kamera fokussiert nach solange Auslöser halb gedrückt Bei einigen Kameras signalisiert durch leises piepen gut für Sportfotografie mit bewegten Objekten 52

47 Entsteht durch: Unschärfe Verwackeln (wenn Kamera und Objektiv in Ordnung) Vermeiden durch: ruhige Hand Stativ kleinere Belichtungszeit Bildstabilisatoren im Objektiv (Canon: IS, Sigma: OS, Tamron: VC) in der Kamera falsches Fokussieren Vermeiden durch: manuelle Fokussierung 53

48 Falsches Fokussieren 54

49 Falsches Fokussieren 55

50 Automatischer Weißabgleich Weißabgleich: Anpassen des Bildes an die Lichttemperatur der Lichtquelle Herausfiltern des Farbstichs für menschliches Auge kein Problem Kamera( software) muß anhand der Bilddaten Farbtemperatur des Umgebungslichtes abschätzen problematisch einfachste Möglichkeit für automatischen Weißabgleich: Gray World Assumption Annahme: Beleuchtung ergibt über das gesamte Bild ein neutrales Grau avgr = Mittelwert der Intensitäten im Rot-Kanal; avgg = Mittelwert der Intensitäten im Grün-Kanal; avgb = Mittelwert der Intensitäten im Blau-Kanal; avgrgb = (avgr + avgg + avgb) / 3; skaliere Rot-Kanal mit (avgr / avgrgb); skaliere Grün-Kanal mit (avgg / avgrgb); skaliere Blau-Kanal mit (avgb / avgrgb);

51 Falscher Weißabgleich 57

52 Automatischer Weißabgleich genauer: probabilistische Ansätze Wahrscheinlichkeit für das Auftreten diverser Farbtöne und verteilungen unter bestimmten Beleuchtungssituationen Ermitteln der wahrscheinlichsten Beleuchtung aus den Bilddaten Beispiel: leuchtendes Grün bei Sonnenuntergang sehr unwahrscheinlich spezielle Weißabgleichs Verfahren bei Kameraherstellern unter Verschluss Hewlett Packard benutzt Color by Correlation

53 Automatischer Weißabgleich Color by Correlation (Finlayson, 1997) Grundlage: vorausberechnete Matrix mit den Wahrscheinlichkeiten des Auftretens verschiedener Farbwerte bei unterschiedlichen Referenzlichtquellen Abschätzung der (unbekannten) Beleuchtung eines Bildes: Bestimmen welche Farben in welchen Quantitäten im Bild vorkommen Korrelation zwischen diesen Daten und jeder der Referenzlichtquelle mit Hilfe der Wahrscheinlichkeitsverteilung berechnen Auswahl der besten Beleuchtungssituation (maximum likelihood) Berechnen der Skalierungsfaktoren und Anwenden auf das Bild

54 Automatischer Weißabgleich Kein Weißabgleich Weißabgleich basierend auf Messung Gray World Assumption Color by Correlation Quelle: Finlayson, Hordley, Hubel: Color by Correlation: A Simple, Unifying Framework for Color Constancy

55 Empfindlichkeit (ISO) Empfindlichkeit gibt Reaktion des Films/Sensors auf Lichteinfall an analog: Empfindlichkeit mit Film festgelegt digital: Empfindlichkeit kann pro Aufnahme geändert werden ISO Einstellung bestimmt Verstärkung des analogen Signals vom Sensor vor der Quantisierung steigende Verstärkung erhöht auch das Rauschen Bildfehler (entspricht gröberer Körnung bei analogen Filmen) ISO 100 ISO 400 = vierfache Verstärkung je größer ISO desto kleiner Belichtungszeit

56 Digitalzoom Optischer Zoom: optische Vergrößerung durch Linsen vor der Signalwandlung in ein digitales Bild Digitalzoom nach der (optischen) Filterung nach der Diskretisierung und Quantisierung Funktionsweise: Ausschnitt aus der Sensormitte Vergrößerung auf Bildgröße durch Interpolation Verfahren herstellerabhängig, aber oft qualitativ niederwertige Verfahren (Pixelverdoppelung) also: nicht die Details werden vergrößert und dadurch sichtbar gemacht problematisch: Artefakte, die im bisherigen Prozeß entstanden sind, werden vergrößert

57 Weitere Kamerafunktionen Demosaicing: Interpolation der Farbwerte für Bayer Matrix Tone Mapping: Anpassung des aufgenommenen Signals an menschliche Wahrnehmung Anzeige des Bildes im Vorschaumonitor Bildkompression für Speicherung: meist JPEG viele Kameras erlauben Rohdatenspeicherung: RAW 63

58 RAW-Daten Kamerarohdaten nach der Digitalisierung Weglassen aller weiteren (,qualitätsbeinflussenden) Bearbeitungsschritte, wie: Weißabgleich Farbsättigung Kontrast Schärfung Kompression Lassen sich auch am Rechner durchführen 64

59 Vorteile: RAW Vorteile & Nachteile 65 manche Kameraeinstellungen können ignoriert werden Nachbearbeitung flexibler RAW hat höheren Dynamikumfang leichte Über bzw. Unterbelichtungen lassen sich korrigieren Weißabgleich feinstufiger am Rechner Vermeidung von Kompressionsfehlern, da JPEG verlustbehaftet aber: größere Datenmengen Rauschen wird mit gespeichert mögliche Kompatibilitätsprobleme sinnvoll: gleichzeitige Speicherung von RAW und JPEG

60 Bildgestaltung Möglichkeiten des Bildaufbaus Objekt im Zentrum Häufig der Fall, da Fokuspunkt in der Mitte liegt 66 Drittelregel Oft Hilfslinien im Kameradisplay Einfach zu realisieren Goldener Schnitt Ästhetisch sehr ansprechende Bildaufteilung Etwas enger als die Drittelteilung

61 Objekt im Zentrum 67 Allerdings kippt der Horizont

62 Dreierteilung 68

63 Goldener Schnitt 69

64 Aufbau Kamera: Optisches System Bildverarbeitungssystem Zusammenfassung Bildbeeinflussende Parameter: Belichtungszeit Blende Iso Wert Weißabgleich Autofokus 70