Digitale Aufnahmesysteme Grundlagen. HS BO Lab. für Photogrammetrie: Digitale Aufnahmesysteme 1

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1 Digitale Aufnahmesysteme Grundlagen HS BO Lab. für Photogrammetrie: Digitale Aufnahmesysteme 1

2 Digitale Aufnahmesysteme Digitale Aufnahmesysteme erfassen die Bildinformation mit Hilfe opto elektronischer Sensoren, die anstelle einer Filmschicht im Bildraum angebracht sind. Sie liefern unmittelbar ein elektronisches Bild, das durch geeignete Komponenten digitalisiert und in einen Rechner übertragen werden kann. Der Begriff Digitales Aufnahmesystem umfasst daher alle an der Erzeugung beteiligten Systemkomponenten. HS BO Lab. für Photogrammetrie: Digitale Aufnahmesysteme 2

3 Digitale Aufnahmesysteme HS BO Lab. für Photogrammetrie: Digitale Aufnahmesysteme 3

4 Einleitung CCD Charged Coupled Device (Ladungsgekoppeltes Bauelement) CMOS Complementary Metal Oxide Semiconductor (paarweise komplementär zueinander angeordnete Transistoren ) Anfänge der Technologien: 60er und 70er Jahren CMOS: damals zu langsam, Schwierigkeiten mit Herstellung bis 1990 fast ausschließlich CCD Chips HS BO Lab. für Photogrammetrie: Digitale Aufnahmesysteme 4

5 Opto elektronische Bildsensoren In photogrammetrischen Aufnahmesystemen werden ausschließlich Festkörper Bildsensoren (solid state sensor) eingesetzt. Jedes Detektorelement (Sensorelement) erzeugt proportional zur einfallenden Lichtmenge elektrische Ladung, die anschließend elektronisch ausgelesen, aufbereitet und digitalisiert wird. HS BO Lab. für Photogrammetrie: Digitale Aufnahmesysteme 5

6 CCD Sensor HS BO Lab. für Photogrammetrie: Digitale Aufnahmesysteme 6

7 CCD Sensor Ursprünglich 1969 von Forschern der Bell Laboratorien in den USA für die Datenspeicherung entwickelt Bereits 1970 wurde ein CCD Bildsensor gebaut 1975 Digitalkamera mit Fairchild CCD Bildsensor mit 0.01 MP und 4 kg HS BO Lab. für Photogrammetrie: Digitale Aufnahmesysteme 7

8 CCD Sensor HS BO Lab. für Photogrammetrie: Digitale Aufnahmesysteme 8

9 CCD Sensor Detektorelemente werden durch MOS Kondensatoren (metal oxide semiconductor) gebildet. HS BO Lab. für Photogrammetrie: Digitale Aufnahmesysteme 9

10 Opto elektronische Bildsensoren Aktivierung der Ladungen im Halbleiter durch unterschiedliche Strahlungsintensitäten (Photonen) des einfallenden Lichtes. HS BO Lab. für Photogrammetrie: Digitale Aufnahmesysteme 10

11 Opto elektronische Bildsensoren Transfer und Ausleseregister neben den aktiven Detektoren HS BO Lab. für Photogrammetrie: Digitale Aufnahmesysteme 11

12 Opto elektronische Bildsensoren Ausleseprinzip mittels CCD Technik: Die Ladungszustände verschieben sich von Takt zu Takt (t 0, t 1, t 2, ) jeweils um ein Element nach rechts und werden im letzten Element quantifiziert. CCD oder Eimerketten Prinzip HS BO Lab. für Photogrammetrie: Digitale Aufnahmesysteme 12

13 Interline Transfer Architektur [Th. Luhmann: Nahbereichsphotogrammetrie] Die lichtempfindlichen Sensorelemente sind getrennt angeordnet und weisen zum Nachbarelement eine Lücke von etwa der Größe eines Elements auf. Die Ladungsträger werden in eine Transferspalte verschoben und in einer vertikalen, optisch verdeckten CCD Eimerkette zum Ausleseregister transportiert. HS BO Lab. für Photogrammetrie: Digitale Aufnahmesysteme 13

14 Interline Transfer Architektur [ HS BO Lab. für Photogrammetrie: Digitale Aufnahmesysteme 14

15 Frame Transfer Architektur [Th. Luhmann: Nahbereichsphotogrammetrie] Der Sensor besteht aus einer lichtempfindlichen Sensorzone und einer gleich großen, abgedeckten Speicherzone, die aus CCD Eimerketten bestehen. Nach der Belichtung werden die Ladungsträger vertikal aus der Sensorzone in die Speicherzone transportiert. HS BO Lab. für Photogrammetrie: Digitale Aufnahmesysteme 15

16 Frame Transfer Architektur [ HS BO Lab. für Photogrammetrie: Digitale Aufnahmesysteme 16

17 Full Frame Transfer Architektur [Th. Luhmann: Nahbereichsphotogrammetrie] Der Sensor besitzt nur noch eine Sensorzone, aus der die Ladungen direkt in ein Ausleseregister übertragen werden. Während des Auslesevorgangs darf die Sensorzone nicht wieder belichtet werden. HS BO Lab. für Photogrammetrie: Digitale Aufnahmesysteme 17

18 Full Frame Architektur [ HS BO Lab. für Photogrammetrie: Digitale Aufnahmesysteme 18

19 Farbsensoren Für die Detektion von Farbbildern werden Sensoren mit Pixeln unterschiedlicher spektraler Empfindlichkeit benötigt. Nach der notwendigen Verrechnung von Pixeln gleicher oder benachbarter Positionen werden Helligkeits und Farbinformationen erhalten. HS BO Lab. für Photogrammetrie: Digitale Aufnahmesysteme 19

20 Farbsensoren: Verfahren Drei Chip CCD Sensor: Systeme, die unter Verwendung eines Dichroitisches Prismas das Spektrum aufspalten und drei getrennten CCD Sensoren zuführen. [ HS BO Lab. für Photogrammetrie: Digitale Aufnahmesysteme 20

21 Farbsensoren: Verfahren Bayer Matrix: Systeme, die einen Sensor benutzen, der mit einer absorbierenden Farbmaske versehen ist. [ Sensor] HS BO Lab. für Photogrammetrie: Digitale Aufnahmesysteme 21

22 Farbsensoren: Verfahren Foveon X3 Sensor: System, das die unterschiedliche Eindringtiefe von roten und blauem Licht in Silicium ausnutzen. Ist bei CCD Sensoren nicht üblich. [ resource.com] HS BO Lab. für Photogrammetrie: Digitale Aufnahmesysteme 22

23 CMOS Sensor HS BO Lab. für Photogrammetrie: Digitale Aufnahmesysteme 23

24 CMOS Sensor Active Pixel Sensor (APS) Die Technik wurde 1963 bei Fairchild Semiconductor entwickelt und patentiert. In den 1970er und 1980er Jahren noch bedeutungslos, da die notwendige Integrationsdichte noch nicht erreicht war. Der Anteil der lichtempfindlichen Fläche an der Gesamtfläche eines Pixels lag anfänglich bei nur 30%. HS BO Lab. für Photogrammetrie: Digitale Aufnahmesysteme 24

25 CMOS Sensor Active Pixel Sensor (APS) [Foto: Canon] HS BO Lab. für Photogrammetrie: Digitale Aufnahmesysteme 25

26 CMOS Sensor Ein Active Pixel Sensor (APS) ist ein Halbleiterdetektor zur Lichtmessung, der in CMOS Technik gefertigt ist und deshalb oft als CMOS Sensor bezeichnet wird. Die CMOS Technologie ist eine bewährte Technik zur Herstellung von Rechnerprozessoren und Speicherbausteinen. HS BO Lab. für Photogrammetrie: Digitale Aufnahmesysteme 26

27 CMOS Sensor Detektorelemente werden durch komplementäre Metall Oxid Halbleiter (Complementary metal oxide semiconductor) gebildet. HS BO Lab. für Photogrammetrie: Digitale Aufnahmesysteme 27

28 CMOS Sensor CMOS Sensoren basieren auf Fotodioden oder Transistorelementen. Die durch das einfallende Licht entstehende Ladung wird direkt durch einen in jedem Pixel integrierten Verstärker und Digitalisierbaustein verarbeitet. HS BO Lab. für Photogrammetrie: Digitale Aufnahmesysteme 28

29 CMOS Sensor Es findet kein sequentieller Ladungstransport statt. Pixel lassen sich einzeln schalten oder auslesen. Es besteht eine deutliche geringere Störanfälligkeit gegenüber Blooming und Transportverlusten. HS BO Lab. für Photogrammetrie: Digitale Aufnahmesysteme 29

30 CMOS Sensor Neben der Pixelmatrix und den Auslesestrukturen können ohne Weiteres Kamerafunktionen auf dem Sensor integriert werden, so dass mit der CMOS Technologie Einchip Lösungen realisiert werden können. HS BO Lab. für Photogrammetrie: Digitale Aufnahmesysteme 30

31 CMOS Sensor [ HS BO Lab. für Photogrammetrie: Digitale Aufnahmesysteme 31

32 CMOS Sensor: Vorteile gegenüber CCD Sensor Nur 1/10 bis 1/3 des Energieverbrauchs Geringere Herstellungskosten Direkt adressierbare Sensorelemente Hohe Bildfrequenzen > 1000 Bilder/sec Sensorsteuerung und Bildverarbeitung direkt auf dem Chip Hoher Dynamikumfang und geringes Rauschen HS BO Lab. für Photogrammetrie: Digitale Aufnahmesysteme 32

33 DIN Formate Diverse Formatangaben für Sensoren etc. unter: formate.info HS BO Lab. für Photogrammetrie: Digitale Aufnahmesysteme 33

34 Digitale Aufnahmesysteme Zeilen und Flächensensoren HS BO Lab. für Photogrammetrie: Digitale Aufnahmesysteme 34

35 Zeilensensoren / kameras Auf dem Prinzip der Zeilensensoren bauen Zeilenkameras auf. Prinzip einer Zeilenkamera HS BO Lab. für Photogrammetrie: Digitale Aufnahmesysteme 35

36 Zeilenkameras Zeilenkameras auf bewegten Plattformen (Bildflugzeugen) weisen eine Besonderheit auf: für jede Bild Zeile gibt es eigenständige Elemente der Äußeren Orientierung (ÄO), d. h., die 6 Elemente der ÄO ändern sich von Bild Zeile zu Bild Zeile. Im Gegensatz dazu haben Flächensensoren pro Bildaufnahme eine ÄO. HS BO Lab. für Photogrammetrie: Digitale Aufnahmesysteme 36

37 Zeilenkameras Für die räumliche Erfassung eines Objektes sind mindestens 2 Aufnahmestrahlen aus unterschiedlichen Richtungen notwendig. Eine digitale Zeilenkamera innerhalb eines Flugstreifens bietet diese Voraussetzungen nicht. HS BO Lab. für Photogrammetrie: Digitale Aufnahmesysteme 37

38 Zeilenkameras Wird eine so genannte 3 Zeilen Kamera eingesetzt, wird jeder Objektpunkt innerhalb eins Flugstreifens aus drei unterschiedlichen Richtungen aufgenommen. Auf diese Weise kann ein Objekt räumlich rekonstruiert werden. HS BO Lab. für Photogrammetrie: Digitale Aufnahmesysteme 38

39 Dreizeilenkamera Prinzip einer Dreizeilenkamera HS BO Lab. für Photogrammetrie: Digitale Aufnahmesysteme 39

40 Flächensensoren Neben den Zeilenkameras werden in der Photogrammetrie Flächensensoren eingesetzt, die matrixförmige Sensoraufbau besitzen. Das Kameraprinzip entspricht dabei dem klassischen Aufbau analoger Systeme. HS BO Lab. für Photogrammetrie: Digitale Aufnahmesysteme 40

41 Radiometrische Eigenschaften Die spektrale Empfindlichkeit von CCD Sensoren liegt deutlich über der analogen Filmmaterials. Der Spektralbereich der verwendeten Siliziumsensoren reicht von nm. HS BO Lab. für Photogrammetrie: Digitale Aufnahmesysteme 41

42 Farbaufnahmen Um Echtfarbbilder zu erzeugen, ist das einfallende Licht in die 3 Spektralbereiche ROT, GRÜN, BLAU zu zerlegen. alternativ: bewegter Sensor Digitale Luftbildkamera Digitale Consumerkamera HS BO Lab. für Photogrammetrie: Digitale Aufnahmesysteme 42