Praktikum Sensitometrie

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1 Praktikum Sensitometrie Bestimmung der OECF, des SRV und der S-Zahl digitaler Kameras Name: Name: Matr.: Nr.: Matr.: Nr.: Datum: Prof. Dr. C. Blendl

2 Die nachfolgenden Bestimmungen von Kennmerkmalen digitaler Kameras wurden in Anlehnung an Normen erarbeitet: ISO 4524: OECF, ISO 5739: Rauschen / Signal-Rausch-Verhältnis und ISO 2232: Empfindlichkeit von Digitalkameras Bestimmung der OECF (ISO 4524). Einleitung Die OECF (Opto-Electronic Conversion Function) einer digitalen Stehbildkamera stellt die Beziehung zwischen einer physikalischen Eingabe und dem zugehörigen digitalen Ausgabewert dar. Da die Zuweisung der digitalen Ausgabewerte willkürlich sein kann, haben diese keine physikalische Bedeutung oder physikalische Einheit. Denn eine Verdopplung des Eingabewertes kann zum Beispiel in einer Erhöhung des digitalen Wertes um den Faktor zwei oder aber auch in einer anderen Größenänderung resultieren. Für die Anwendung digitaler Kameras ist es im Allgemeinen nicht notwendig, die physikalische Antwort auf einen Eingabewert zu kennen. Zu wissen, welche digitalen Werte zu verschiedenen Eingabesignalen produziert werden, genügt. Aus diesem Grund wird in ISO 4524 nicht festgelegt, wie die charakteristische Kurve gemessen wird. Vielmehr wird spezifiziert, wie die Beziehung zwischen einem Eingabewert und dem korrespondierenden Ausgabewert gemessen wird. Die tatsächliche physikalische Antwort einer Digitalkamera kann nicht aus der Form der OECF-Kurve geschlossen werden..2 Versuchsdurchführung.2. Arbeitsmittel - Filmbetrachtungsgerät (umgangssprachlich: Leuchtkasten) - Luminanzmeter - Vier OECF-Testcharts - Digitalkamera - Stativ

3 - PC mit Windows Betriebssystem - Adobe Photoshop - Auswertung mit Excel.2.2 Aufnahme und Auswertung der Testcharts. Filmbetrachtungsgerät anschalten, mindestens eine halbe Stunde in Betrieb lassen und erst dann mit dem Luminanzmeter die Leuchtdichte L o messen. Die Leuchtdichte so einstellen, dass Belichtungszeiten der dig. Camera zwischen /30 und /25 s liegen, die Leuchtdichte danach nicht mehr ändern. 2. Von den einzelnen Feldern sowie der Hintergrundfolie der vier Testcharts sind die Leuchtdichten zu messen und zu dokumentieren. 3. Weißabgleich durchführen; Testcharts formatfüllend mit Stativ photographieren; Belichtungszeit und Blende notieren: a) Chart mit Kontrast 80:: von diesem Testchart müssen acht Aufnahmen gemacht werden, um erstens später den Shutter auf eventuelle Schwankungen prüfen zu können (arbeitet der Shutter nicht konstant, so ergeben sich große Schwankungen zwischen den Bitwerten der verschiedenen Aufnahmen; in diesem Fall müssten dann mehrere Aufnahmen pro Chart gemacht werden um die Bitwerte zu mitteln); zweitens werden diese Aufnahmen im Teil 2 (Bestimmung des Rauschens) benötigt. b) Die restlichen Charts (20:, 60:, 000:) je einmal aufnehmen. 4. Die Fotos auf den Computer ziehen und in Adobe Photoshop öffnen. 5. Ein Auswahlrechteck mit fester Größe aufziehen: Werkzeugoptionen - > Feste Größe -> 64x64 Pixel Unter Bild -> Histogramm wählen und für alle vier Kanäle (Luminanz, R, G, B) Bitwert und Standardabweichung notieren. ACHTUNG: Cache-Stufe im Histogramm muss immer auf stehen, da nur in dieser Stufe alle vorhandenen Bildpixel zur Berechnung des Histogramms verwendet werden; hierzu muss als Zoom-Stufe mindestens 66,7% eingestellt sein, was mit Hilfe des Lupenwerkzeugs erreicht wird. Bei allen anderen Cache-Stufen wird zur schnelleren Histogrammdarstellung nur eine Auswahl von Pixeln verwendet.

4 Beim Ausmessen der Felder muss auf die richtige Reihenfolg geachtet werden: Feld 2 hat geringste Dichte, Feld hat die höchste Dichte Die gemessenen Leuchtdichten, die Bitwerte sowie die Standardabweichungen sind in das erste Arbeitsblatt (OECF) der Exceltabelle Eingabemaske einzutragen, alle anderen Werte werden dann automatisch berechnet. 7. Auch die Kurven, in denen der Logarithmus der Bitwerte zur Basis zwei gegen den dekadischen Logarithmus der Leuchtdichte aufgetragen wird, werden nach Eingabe der Werte automatisch dargestellt. 8. Je nach Form der Kurve müssen nun noch Trendlinien hinzugefügt werden (linear oder polynomisch); sind Ausreißer vorhanden, gilt es diese ggf. zuvor zu entfernen. Gleichung der Trendlinien im Diagramm anzeigen lassen. 9. In den rechten Diagrammen werden die jeweiligen SNR s (Signal-Rausch- Verhältnisse) gegen die Leuchtdichte doppellogarithmisch aufgetragen.

5 2 Bestimmung des Rauschens (ISO 5739) 2. Einleitung Das Rauschverhalten ist eine wichtige Eigenschaft von elektronischen, photographischen Systemen. Die Standardisierung des Messverfahrens unterstützt Anwender sowie Hersteller bei der Qualitätsbeurteilung von Kameras. Zur Messung können entweder die in ISO 5739 spezifizierten Charts oder aber die OECF-Testchart 80: verwendet werden. 2.2 Versuchsdurchführung 2.2. Arbeitsmittel - Testchart 80: - Digitalkamera - PC mit Windows Betriebssystem - Adobe Photoshop - Auswertung mit Excel Auswerten der Testchart 80:. Erfassen aller Standardabweichungen (Luminanz, R, G, B) für die Dichte 0,98 (Feld fünf) der in Teil dieses Versuches bereits aufgenommenen Bilder der Testchart mit Kontrast 80:; diese Werte werden in das zweite Arbeitsblatt SNR tot eingetragen. Dichte 0,98 entspricht in etwa einem Reflexionsgrad von 8% = 0,8. 2. Hieraus berechnet Excel den Mittelwert der Standardabweichung für die einzelnen Kanäle. 3. incremental gain: Änderung des Ausgabewertes (Bitwert) dividiert durch Änderung des Eingabesignals; im Falle von linearen Trendlinien in den OECF- Kurven ist deren Steigung das incremental gain; bei polynomischen Trendlinien

6 muss das incremental gain berechnet werden mit der Mitternachts- bzw. pq- Formel. 4. Sigma total ist das gesamte Rauschen des Systems und wird nach folgender Formel berechnet: σ total = * n n j= σ ² total. j 5. L sat ist die Leuchtdichte bei einem Bitwert von acht und muss mit den Formeln der Trendlinien der OECF-Kurven berechnet werden (für y = 8); das Ergebnis muss entlogarithmiert werden. 6. Das Signal-Rausch-Verhältnis wird nach folgender Formel berechnet: SNR = L sat 0,8 incrementa lg ain σ total 7. Fixed Pattern Noise (Arbeitsblatt 3, SNR fp ): Rauschen, dass zum Beispiel aufgrund von Pixelausfällen bei jeder Aufnahme vorhanden ist; es wird nach folgender Formel berechnet: SNR fp = L sat 0,8 incrementa lg ain σ fp σ fp = Standardabweichung des Fixed Pattern Noise: σ fp = σ ² ave σ ² n diff σ² diff = durchschnittliche Bitwertstandard-abweichung der Differenz zwischen durchschnittlicher Standardabweichung und Standardabweichung der einzelnen Bilder: n σ² diff = σ ² diff. j n j=

7 8. Temporal Noise (Arbeitsblatt 4, SNR temp ): die zeitabhängige Rauschkomponente wird nach folgender Formel berechnet: SNR temp = L sat 0,8 incrementa lg ain σ temp σ temp = Durchschnitt des Temporal noise σ temp = n n σ ² diff σ² diff wie oben angegeben 3 Bestimmung der Empfindlichkeit (ISO 2232) 3. Einleitung Die Standardisierung der Empfindlichkeitsbestimmung von elektronischen Stehbildkameras unterstützt Benutzer und Hersteller dabei, die richtigen Belichtungen zu finden. Bei ungenügender Belichtung kann die Aufnahme zwar durch digitale Bildbearbeitung verbessert werden, jedoch erhält man einen nicht akzeptablen Rauschpegel. Zu lange Belichtungen können in hellen Bildbereichen Clipping oder Blooming hervorrufen. Zum leichteren Verständnis stehen die ISO-Empfindlichkeit für Digitalkameras und die ISO-Empfindlichkeit von Filmsystem in direkter Relation. 3.2 Versuchsdurchführung 3.2. Arbeitsmittel - Testchart 80: - Digitalkamera - PC mit Windows Betriebssystem

8 - Adobe Photoshop - Auswertung mit Excel Auswerten der Testchart 80:. In das vierte Arbeitsblatt ISO Empf werden Belichtungszeit und Blende eingetragen, wobei die Belichtungszeit als Dezimalzahl eingetragen werden muss. 2. L sat wird automatisch aus Arbeitsblatt 2 übernommen. 3. Die Beleuchtungsstärke E [lx*s] wird nach folgender Formel berechnet: E = L sat π 4 k² 4. Die Belichtung H wird wie folgt berechnet: H sat = E*t 5. Die sättigungsbasierte Empfindlichkeit wird automatisch nach folgender Formel berechnet: S sat = 78 H sat 6. Die ISO-Empfindlichkeit wird mit dem Wert für S sat in der nachfolgenden Tabelle in der linken Spalte abgelesen.

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