Technologievergleich Digitalkamerasysteme

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1 Technologievergleich Digitalkamerasysteme A. Bayer- Matrix Sensoren 1. Technologie Bayer Farbmatrix (1) In nahezu allen Digitalkamerasystemen werden Sensoren mit Bayer- Farbmatrix eingesetzt. Hierzu wird auf monochromen Sensoren die Filtermatrix beschichtet. Daher sind bei diesen Kameras 50% der Pixel grün- empfindlich, jeweils 25% blau- bzw. rotempfindlich. Die Anordnung ist daher vorteilhaft, da der Grünanteil den größten Teil zur Helligkeitsinformation des Bildes beiträgt. Die diagonale Anordnung der grünen Pixel erlaubt eine gute Rekonstruktion von horizontalen und vertikalen Strukturen. Da alle Silizium- Sensoren zunächst nur monochrom empfindlich sind, kann auf diese Weise ein Farbbild aufgenommen werden (Ausnahme: seltene 3 schichtige Sensoren von Foveon (2), bei denen das Silizium als Farbfilter wirkt). Ausschnitt aus einem Gemälde Rohbild eines Bayer- Sensors (schematisch) 2. Erzielbare Bildqualität des Bayer- Sensors Das Farbbild muss nun aus den nebeneinander liegenden Farbpixeln interpoliert bzw. berechnet bzw. entwickelt werden. Es liegt auf der Hand, dass bei sehr feinen Strukturen im Bild die Farbe nicht mehr korrekt rekonstruiert werden kann. Moderne Algorithmen versuchen an Hand der Formen in einem Bild Rückschlüsse auf die Farbe zu treffen (nicht lineare Verfahren). Die Qualität des Ergebnisses hängt auch von der eingesetzten Rechenzeit ab. Dipl. Ing. Martin Langfeld, Technologievergleich Digitalkamerasysteme Seite 1

2 Moderne Algorithmen vereinen die Bayerinterpolation heute gleichzeitig mit der Fehlerkorrektur (defekte Pixel und Spalten auf dem Sensor), mit dem Farbmanagement und Bildverbesserungen, wie z.b. einer Schärfung des Bildes oder Erhöhung der Farbsättigung. Typische Beispiele für zu erwartende Bildartefakte auf Grund der Bayer- Interpolation (veranschaulicht mit dem Color Resolution Testchart). Die zu Grunde liegende Aufnahme wurde mit einer der besten Mittelformat- Kameras aufgenommen und ist beispielhaft. Das Color Resolution Testchart ermöglich jedem Anwender eigene Vergleiche anzustellen. Das Berechnungsergebnis hängt von der Farbe, Kontrast und der Struktur des Bildinhalts ab Die Farbe zwischen dem Raster ist entsättigt. Die Linien und Ziffern erscheinen weitestgehend schwarz, obwohl sie dunkelrot sind. Nun dient ein Raster mit schwarzen Linien und Ziffern auf stärker gesättigtem Grün als Vorlage. Hier kann der Interpolations- Algorithmus die Farbe zwischen den Linien korrekt ermitteln. Das Grün ist zu stark gesättigt. Die erzielbare Auflösung ist vom Kontrast abhängig. Dipl. Ing. Martin Langfeld, Technologievergleich Digitalkamerasysteme Seite 2

3 Auftretendes Moiré Bei feinen Linien kann Moiré auftreten, da das Bayerraster mit Strukturen im Bild eine Interferenz bildet. Um solche Artefakte zu vermeiden, gibt es Methoden zur Unterdrückung von Moiré. Diese führen jedoch zu einer Reduzierung der Auflösung. Übersättigung und Überschärfung In der Fotografie werden in den meisten Anwendungen kräftige Farben gewünscht. Daher werden Farben stärker gesättigt. Hier im Farbschart führt das dazu, dass der Rot- Kanal zu stark gesättigt ist. Dann sind eine korrekte Farbwiedergabe und die Wiedergabe von feinen Kontrasten nicht mehr möglich. Unterdrückung von feinen Strukturen mit niedrigem Kontrast Bei genauem Hinsehen ist die Papierstruktur des Charts im weißen Papier (trotz Schärfung) nicht mehr zu finden. Manche Strukturen des Papiers und des Drucks werden abhängig von der Farbe noch wiedergegeben. Dipl. Ing. Martin Langfeld, Technologievergleich Digitalkamerasysteme Seite 3

4 B. Scanner mit trilinearem Zeilensensor 1. Technologie Prinzipielle Funktionsweise eines Kamerascanners Bei der Bildaufnahme wird der trilineare Zeilensensor (3) in der Abbildungsebene der Kamera bewegt. Der trilineare Sensor verfügt über 3 nah beieinander liegende Farbzeilen (rot/grün/blau), sodass 3 Einzelbilder der Farbauszüge aufgenommen und anschließend einfach zur Deckung gebracht werden. Es sind keine weiteren Berechnungen erforderlich, um ein fertiges Bild zu erhalten. Üblicherweise wird dieser Rohscan für Archivierungszwecke gespeichert. Weitere Bearbeitungsschritte, wie z.b. Schärfung und Anwendung eines Farbprofils, werden erst bei Bedarf, z.b. für ein hochwertiges Druckerzeugnis, durchgeführt. Ausschnitt aus einem Gemälde Rohbild eines Scans mit trilinearem Sensor Dipl. Ing. Martin Langfeld, Technologievergleich Digitalkamerasysteme Seite 4

5 2. Erzielbare Qualität mit dem trilinearen Sensor Das Berechnungsergebnis ist unabhängig von der Farbe, Kontrast und der Struktur des Bildinhalts Dieses Bildbeispiel zeigt die korrekte Wiedergabe der Rottöne auf grün. Die Farbtöne sind wenig gesättigt, werden aber korrekt wiedergegeben. Für die Ausgabe beim Druck würde dieses Bild geschärft und ein auf den Drucker abgestimmter Farbmanagementworkflow angewendet werden. Das Druckraster ist im Grün zu erkennen. Die erzielbare Auflösung ist vom Kontrast unabhängig Hohe Auflösung bis in Grenzbereiche (ohne Moiré) Feine Strukturen werden gut wieder gegeben Die Papierstruktur wird im weißen Papier noch wiedergegeben. Im grünen Bereich ist die Struktur vom Digitaldruckraster überlagert und daher stärker zu erkennen. Dipl. Ing. Martin Langfeld, Technologievergleich Digitalkamerasysteme Seite 5

6 C. Anwendung der Systeme Im Folgenden sind tabellarisch und beispielhaft Digitalkamerasysteme basierend auf Bayer- Sensoren und trilinearem Sensor gegenüber gestellt. Geschlossene Scansysteme, wie Flachbettscanner oder Buchscanner, sind meist ebenfalls Scanner, die auf trilinearen Sensoren basieren. Diese sind allerdings in Ihrer Anwendung sehr spezialisiert. Bayer Sensor: DSLR und Mittelformat Trilinearer Sensor: Großformat Kamerascanner Allgemein Lichtarten Blitzlicht und Dauerlicht Dauerlicht Verschluss mechanischer Verschluss kein Verschluss Belichtung Auflösung Aufnahmezeit für 100MPixel mit Bild- Speicherung in max. Qualität Lebensdauer Fotografie Objekte ganzes Bild (Verschlusszeit: 1/1000s bis mehrere 10 Sekunden) max. 100 MPixel (Photokina 2016) wenige Sekunden begrenzt durch mechanischen Verschluss Alle Arten von Objekten: People, Stillife, Architektur, Produkte, Landschaft Zeilenweise (Verschlusszeit: 1/500s bis 1/20s) max MPixel (Photokina 2016) etwa 15 Sekunden Millionen Scans Benutzer Fotograf Fotograf Digitale Reproduktion Objekte Gemälde, Urkunden, Dias, Skulpturen, Bücher nur statische Objekte mit keiner oder geringer Bewegung: Stillife, Architektur, Produkte, Landschaft große Formate, feine Oberflächenstrukturen (z.b. Metall), Dekore, Vorlagen mit Druckraster, Gemälde, Urkunden, Dias, Skulpturen, Bücher Color Management Integriert, nicht durchgängig bis zum Endprodukt Wählbare Workflows bis zum Endprodukt (z.b. Druckerzeugnis) Benutzer Fotograf eingewiesener Benutzer oder Fotograf D. Links (1) (2) (3) Dipl. Ing. Martin Langfeld, Technologievergleich Digitalkamerasysteme Seite 6