A2. Technik der digitalen Bildverarbeitung

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1 A2. Technik der digitalen Bildverarbeitung A2.1 Grundlagen der Fototechnik A2.2 Digitale Fotograie A2.3 Scanner A2.4 Bearbeitung digitaler Bilder Literatur: E. Eibelshäuser, Fotograische Grundlagen, dpunkt 2004 J. Gulbins, Grundkurs Digital Fotograieren, dpunkt 2004 J. Webers, Handbuch der Film- und Videotechnik, 7. Aulage, Franzis 2002, Kap. A.1-2, A.5, B.1, C.3 Ludwig-Maximilians-Universität München Pro. Hußmann Medientechnik A2-1 Lochkamera (camera obscura) Seit der Spätrenaissance bekannt anangs als Vorlage zum Zeichnen, z.b. von Landschatsszenen Objekt Projektionsloch Mattscheibe Dunkler Kasten Ludwig-Maximilians-Universität München Pro. Hußmann Medientechnik A2-2

2 Optische Grundprinzipien Relexion (lichtundurchlässiges Medium): Einallender Strahl, Einallslot, ausallender Strahl: eine Ebene Einallswinkel = Ausallswinkel Brechung (lichtdurchlässiges Medium): Einallender Strahl, Einallslot, gebrochener Strahl: eine Ebene Brechung bestimmt durch Verhältnis der Ausbreitungsgeschwindigkeit des Lichts in den beiden (physikalischen) Medien (z.b. Glas und Lut) n = sin sin = c c c n Brechungszahl c, c' Ausbreitungsgeschwindigkeiten c' Optisches Glas: deinierte Brechungszahl Vergütung: Beschichtung (Metallbedampung) zur Vermeidung von Relexion ' Ludwig-Maximilians-Universität München Pro. Hußmann Medientechnik A2-3 Linsenoptik, Brennweite Sammellinse (konvex) F = Brennweite (ocal distance) F = Brennpunkt (ocal point) Objektive sind komplexe Kombinationen von Linsen mit der Gesamtwirkung einer sehr guten Sammellinse Brennweite kann est oder verstellbar sein (Zoom-Objektiv) Zerstreuungslinse (konkav) F Ludwig-Maximilians-Universität München Pro. Hußmann Medientechnik A2-4

3 Abbildungsmaßstab G g G Gegenstandsgrösse B Bildgrösse g Gegenstandsweite b Bildweite Brennweite opt. Achse g b B b Abbildungsmaßstab kann nach Strahlensatz ermittelt werden: Sammellinse = B G = g = b g = b 1 = 1 g + 1 b Ludwig-Maximilians-Universität München Pro. Hußmann Medientechnik A2-5 Fokussierung Fokussieren bedeutet Festlegung der Gegenstandsebene (= Ebene, in der Gegenstände schar abgebildet werden) Bildgrösse und Brennweite bleiben konstant Verändert wird die Lage der Linsenebene des Objektivs au der optischen Achse Bewegung au die Bildebene zu: Weiter enternte (und grössere) Objekte schar abgebildet a a B B b b Ludwig-Maximilians-Universität München Pro. Hußmann Medientechnik A2-6

4 Beispiel zur Fokussierung Ludwig-Maximilians-Universität München Pro. Hußmann Medientechnik A2-7 Autoocus-Systeme Automatische Fokussierung Stellmotor verändert Bildweite Sensor misst Schärenunterschiede Hilslicht ür Dunkelheit Typisches Funktionsprinzip: Kontrastmessung Problematisch bei manchen Motiven Funktionen gut ausgestatteter Kameras: Mehreldmessung Automatische Wahl des Messeldes kürzester Aunahmedistanz Verolgen von Objekten, Prädiktion von Bewegungen Schärepriorität vs. Auslösepriorität Ludwig-Maximilians-Universität München Pro. Hußmann Medientechnik A2-8

5 Bildwinkel g G /2 tan = D 2 2 D/2 b B = D/2 D Bildormat (Diagonale) Der Bildwinkel eines Objektivs hängt nur vom Bildormat und der Brennweite ab. Ludwig-Maximilians-Universität München Pro. Hußmann Medientechnik A2-9 Objektivbrennweiten und Aunahmeormat "Normalobjektiv": Brennweite = Bildormat-Diagonale Bildwinkel ungeähr 50, ähnlich menschlicher Wahrnehmung Kleinbildormat (basiert au 35mm-Kinoilm) Bildormat 24 x 36 mm Bilddiagonale 43,27 mm Normalobjektiv-Brennweiten 45 bis 50 mm Beispiel einer Digitalkamera (Canon PowerShot G2): Objektivbrennweiten (7-21 mm) beziehen sich au wesentlich kleineres Bildormat! Sensordiagonale der Kamera 8,98 mm Damit sind 9 mm Brennweite "normal"! Prospektangaben ür Brennweiten bei Digitalkameras ot umgerechnet au Kleinbildormat Ludwig-Maximilians-Universität München Pro. Hußmann Medientechnik A2-10

6 Praktikum... Ludwig-Maximilians-Universität München Pro. Hußmann Medientechnik A2-11 Objektivbrennweiten Normalobjektiv: Bildwinkel ca. 50 Bei Kleinbild ca. = 50 mm Teleobjektiv: Fernrohreekt, vergrößert Bei Kleinbild typischerweise = mm (Bildwinkel bei 100 mm: 24, bei 200 mm: 12 ) Weitwinkelobjektiv: Panoramaeekt, verkleinert Bei Kleinbild typischerweise = 35 mm (Bildwinkel 65 ) Fisheye-Objektiv: Extreme Verkleinerung, Rundumblick Bei Kleinbild = 20 mm und darunter (Bildwinkel bei 20 mm: 95 ) Fast 180 Bildwinkel und kreisrunde Abbildung möglich Zoomobjektiv: Veränderliche Brennweite Z.B. = 7 21 mm ist sogenanntes 3x-Zoom Kleinbild-Brennweite 27 mm Kleinbild-Brennweite 105 mm Ludwig-Maximilians-Universität München Pro. Hußmann Medientechnik A2-12

7 Beispiele Superweitwinkel (Fisheye) 15 8 Ludwig-Maximilians-Universität München Pro. Hußmann Medientechnik A2-13 Blendenönung Objektive haben nur einen endlichen Durchmesser der Eintrittsönung Mit mechanischen Blenden (v.a. Irisblende) kann der Durchmesser künstlich verkleinert werden: d Stärker geschlossene Blende macht das Bild dunkler, bei unveränderter Grösse, Ausleuchtung, Schäre etc. Mass ür die Blendenönung: relativ zur Brennweite (da Objektivönung ür kleinen Bildwinkel bei gleicher Lichtstärke grösser sein muss) Quotient aus Eintrittspupille (d) und Brennweite (): r = d Ludwig-Maximilians-Universität München Pro. Hußmann Medientechnik A2-14

8 Blendenwerte, Lichtstärke Blendenwerte sind prinzipiell Zweierpotenzen: 1, 2, 4, 8, 16, 32 1 bedeutet: Pupillengrösse gleich Brennweite Halbe Pupillengrösse (Wert 2) lieert 1/4 der Lichtmenge Zwischenschritte mit Faktor 2 (1,4) ergeben Halbierung der Lichtmenge: 0,7; 1; 1,4; 2; 2,8; 4; 5,6; 8; 11; 16; 22; 32 Lichtstärke = Maximale Önung des Objektivs, als Blendenwert Hoher Wert = kleine Önung! Typische Objektivbezeichnung: = 50 mm; 1:1,4 Bei Zoomobjektiven variiert meist die Lichtstärke mit der Brennweite = 7-21 mm; 1: bedeutet: Lichtstärke 2.0 bei 7 mm, Lichtstärke 2.5 bei 21 mm Ludwig-Maximilians-Universität München Pro. Hußmann Medientechnik A2-15 Schärentiee (1) Gegenstände vor oder hinter der Gegenstandsebene des Objektivs (entsprechend der Fokussierung) werden unschar abgebildet, d.h. ein Gegenstandspunkt entspricht einem kreisörmigen Fleck im Bild (Zerstreuungskreis). Sehr kleiner Zerstreuungskreis = "schares" Bild Tiee Bei kleiner Objektivönung verkleinern sich auch die Zerstreuungskreise: Der Bereich der (ast) schar abgebildeten Objekte in der Tiee der optischen Achse wird grösser. Ludwig-Maximilians-Universität München Pro. Hußmann Medientechnik A2-16

9 Schärentiee (2) Schärentiee (auch Tieenschäre genannt): Zulässiger Tieenunterschied zwischen Gegenständen einer Szene, so daß Zerstreuungskreis innerhalb gegebener Schäretoleranz liegt. "Umgebung" au der Enternungsskala zur aktuellen Enternungseinstellung Zusammenhänge: Höhere Schärentiee wird erreicht durch kleinere Blendenönung (höherer Blendenwert)... kürzere Brennweite (grösserer Bildwinkel)... weitere Aunahmeenternungen... kleineres Aunahmeormat (durch kürzere Brennweiten) Klassisches Kamera-/Objektivdesign: Markierungen beim Einstellpunkt ür Enternung m Ludwig-Maximilians-Universität München Pro. Hußmann Medientechnik A2-17 Beispiel: Schärentiee Blende 4,5 Belichtungszeit 1/1600 s Blende 29 Belichtungszeit 1/50 s Ludwig-Maximilians-Universität München Pro. Hußmann Medientechnik A2-18

10 Schärenebene au Hauptobjekt Shanghai, Oktober 2003 Ludwig-Maximilians-Universität München Pro. Hußmann Medientechnik A2-19 Unschäre als Gestaltungsmittel Ludwig-Maximilians-Universität München Pro. Hußmann Medientechnik A2-20

11 Verschluss und Belichtungszeit Fotograische Aunahmen entstehen nur "in einem Augenblick" Zeitdauer der Aunahme = Belichtungszeit (oder Verschlusszeit) Verschluss: Klassische Kameras:» Zentralverschluss (Iris-Lamellen) oder» Schlitzverschluss (durchlauende Vorhänge) Önet ür genau deinierten Zeitabstand den Lichtkanal zwischen Motiv und Film Digitalkameras: Entweder klassischer Verschluss oder elektronische Steuerung (Abtastzeit) Typische Werte ür Belichtungszeit (s): 1/2000, 1/1000, 1/500, 1/250, 1/125, 1/60, 1/30, 1/15, 1/8, 1/4, 1/2, 1, 2, 4 Jeder Schritt halbiert bzw. verdoppelt die Lichtmenge Ludwig-Maximilians-Universität München Pro. Hußmann Medientechnik A2-21 Beispiel: Bewegungsunschäre 1/50 s 1/2000 s Ludwig-Maximilians-Universität München Pro. Hußmann Medientechnik A2-22

12 Gestalten mit Bewegungsunschäre Bewegung der Kamera Bewegtes Objekt Beide Fotos: Shanghai, Oktober 2003 Ludwig-Maximilians-Universität München Pro. Hußmann Medientechnik A2-23 Belichtungsstuen, Zeit, Blende Die gleiche eektive Lichtzuuhr ür die Aunahme (Belichtungsstue, Exposure Value, EV) kann durch verschiedene Kombinationen von Blendeneinstellung und Belichtungszeit erreicht werden. Kürzere Belichtungszeit / oenere Blende: Besser geeignet zum "Einrieren" schneller Bewegungen Geringere Geahr von "Verwackeln" Geringere Schärentiee Höhere Belichtungszeit / geschlossenere Blende: Erzeugt Bewegungsunschäre (manchmal gewollt) Hohe Schärentiee Belichtung reichlicher knapper 2 2,8 4 5,6 8 1/60 1/125 1/250 1/500 1/1000 dunkler heller Motiv gleiche Belichtung (Lichtmenge) Ludwig-Maximilians-Universität München Pro. Hußmann Medientechnik A2-24

13 Belichtungsautomatiken Automatische Systeme versuchen, die richtige Zeit-/Blenden-Kombination zu inden Vollautomatische Systeme (Ot Programm "P") Durchschnittlich sinnvolle Kombination Zeitvorwahl (Programm "S" oder "Tv", speed, time) Fotogra gibt manuell Zeit vor, Blende wird nachgeührt Variante: "Sportprogramm", Automatik versucht kurze Zeit zu erzielen Blendenvorwahl (Programm "A" oder "Av", aperture) Fotogra gibt manuell Blende vor, z.b. um Schärentiee einzuhalten Variante: "Landschatsprogramm" In modernen Systemen ot kombiniert mit Autoocus-Vorgaben: z.b. automatische Objektverolgung bei "Sportprogramm" Ludwig-Maximilians-Universität München Pro. Hußmann Medientechnik A2-25 Blitzlicht Kurzer elektrisch erzeugter Lichtblitz Dauer wesentlich kürzer als kürzeste Verschlusszeiten Maximale Blitzsynchronzeit: Zeit, bei der Verschluss ganz geönet und Blitzlicht volles Aunahmeormat erreicht Leitzahl: Mass ür Blitzhelligkeit (Reichweite = Leitzahl / Blende) TTL-Blitzmessung ("Through the lens") Relexion des Lichts von Film- bzw. Sensoroberläche wird während der Aunahme gemessen Blitz wird gezielt abgeschaltet ür optimale Belichtung Indirektes Blitzen, Mehrach-Blitzen Vermeidet unschöne Beleuchhtungseekte (z.b. "rote Augen") Besonders gut durch TTL-Messung unterstützt Ludwig-Maximilians-Universität München Pro. Hußmann Medientechnik A2-26

14 Konventioneller Film 1727, J.H. Schulze: Silbersalze lichtempindlich , N.Niepce/L.J.M. Daguerre: Daguerrotypie 1873, H.W. Vogel: Erste arbempindliche Emulsionen 1935, Mannes/Godowsky: Kodachrome-Verahren - Farbotos parallele Entwicklungen bei AGFA in Wolen (später ORWO) Heutiges Filmmaterial: 10 bis 16 Schichten Grundprinzip aller otochemischen Verahren: Lichtempindliche Chemikalien au Folie augetragen Entwicklung: Chemische Reduktion der belichteten Stellen au lichtunempindliche Substanzen Spülen und Fixieren: Enternen unbelichteter Teile, dauerhate Verankerung des Bildes im Träger Aulösung otochemischer Verahren (noch) ungeschlagen: über 20 Mio. Bildelemente im Kleinbildormat Ludwig-Maximilians-Universität München Pro. Hußmann Medientechnik A2-27 Lichtempindlichkeit Filmmaterial kann unterschiedlich empindlich au Licht reagieren: "Schnelles" (hochempindliches) Material ist teurer und grobkörniger (schlechtere Aulösung) Skalen zur Messung der Lichtempindlichkeit von Filmen: DIN-Skala: 3 Stuen entsprechen einer Belichtungsstue (EV) ASA/ISO-Skala: Verdopplung entspricht einer Belichtungsstue (EV) Typische Werte: DIN ASA/ISO Gebräuchlicher Bereich Ludwig-Maximilians-Universität München Pro. Hußmann Medientechnik A2-28

15 Farbtemperatur und Weißabgleich Farbtemperatur: Kamineuer: ab 525 sichtbare Temperaturstrahlung (Glühen) Spektrale Energieverteilung kann ausgedrückt werden als Temperatur eines idealen "Schwarzen Strahlers" (keinerlei Relexion) Extrem wichtig ür subjektive Farbempindung» Farben erscheinen in verschiedener Beleuchtung unterschiedlich Wichtigste Farbtemperaturen: Glühlampen: ca K Halogenlampen: K Elektronenblitz: 5500 K Tageslicht: K Foto-Filme: au spezielle Farbtemperatur abgestimmt Weißabgleich (klassisch durch Filter, automatisch bei Digitalkameras): Kompensation "unpassender" Spektralzusammensetzung der Beleuchtung Ziel: Realistischer und/oder subjektiv angenehmer Farbeindruck Ludwig-Maximilians-Universität München Pro. Hußmann Medientechnik A2-29 Weißabgleich an Beispielen Automatischer Weißabgleich (bei Tages- oder Kunstlicht) Tageslicht bei Weißabgleich au Kunstlicht Kunstlicht bei Weißabgleich au Tageslicht Ludwig-Maximilians-Universität München Pro. Hußmann Medientechnik A2-30

16 Sucherkamera und Spiegelrelexkamera Sucherkamera + Sucher kann lichtstärker als Objektiv sein (helles Sucherbild) "Parallaxenehler" vor allem bei nahen Objekten + Optimale Anpassung an wechselnde Objektive (Sucherbild immer richtig) + Beurteilung von Schärentiee im Sucher möglich Spiegelrelexkamera (einäugig) SLR = single lens relex Ludwig-Maximilians-Universität München Pro. Hußmann Medientechnik A2-31