Handbuch theoretischer und praktischer Umgang mit ABS Kamerasystemen - DVI-Kamera -

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1 Handbuch theoretischer und praktischer Umgang mit ABS Kamerasystemen - DVI-Kamera - Version : 1.00 / März 2014

2 Inhaltsverzeichnis 1 Einleitung Einsatzgebiete Einsatzbedingungen Lieferumfang Kamerabezeichnungen Entsorgung Technische Angaben Abmessungen DK Kameraspezifikation Inbetriebnahme der Kamera Anschluss der Kamera Bedienung der Kamera per OSD-Menü Bedienung der Kamera per PC-Software Installation der Software Häufig gestellte Fragen zur DK Grundlagen der Kameratechnik Grundlagen der Kameraoptik Wie entsteht ein Bild? Schärfentiefe Auflagemaß Bildaufnahmesensoren CCD- und CMOS-Bildsensoren Sensorgrößen Wie entsteht ein Farbbild? Der elektronische Verschluss (Shutter) Betrachtungen zur Lichtempfindlichkeit von Kameras Häufig gestellte Fragen zur Kameranutzung Wie startet man die Kamera? Wie stellt man das Bild scharf? Bei welchen Objektiveinstellungen ist das Bild am schärfsten? Was bedeutet Weißabgleich?...18

3 Einleitung 1 Einleitung Die DVI-Kameras der ABS sind hochwertige Farbkameras mit direkter Anschlussmöglichkeit eines digitalen Monitors über die DVI- oder HDMI-Schnittstelle, ohne dass ein PC zur Bilddarstellung nötig ist. Sie vereinen eine mühelose Bedienung per angeschlossener Peripherie (Maus) mit hoher Bildqualität und modernsten Bildverbesserungsoptionen. Eine geringe Latenz ermöglicht eine Manipulation des Beobachtungsobjektes ohne unerwünschte Bildverzögerung zwischen Aufnahme und Wiedergabe. Die hohe Auflösung des Sensors erlaubt außerdem eine verlustfreie 2-fach Vergrößerung in der Detailaufnahme. Mithilfe eines mehrsprachigen OSD-Menüs wird die Kamera für das jeweilige Aufgabengebiet justiert, wobei bis zu acht verschiedene Setups gespeichert werden können. Darüber hinaus können Overlaybilder live eingeblendet und dabei skaliert, gedreht, gezoomt und verschoben werden. Durch einen Speicher für bis zu 24 Overlaybildern sowie Abstands- und Winkelmessung im Livebild lässt sich die Kamera auch problemlos als elektronischer Profilprojektor verwenden. Eine Speicherung von Einzelbildern ist ohne weiteres auf einem PC möglich, ohne dass die aktuelle Bildwiedergabe davon beeinträchtigt wird. 1.1 Einsatzgebiete Typische Einsatzgebiete für die DVI-Kamera stellen die Verwendung der Kamera bei Sichtarbeitsplätzen sowie die Anwendung als hochwertige Überwachungs- und Dokumentationskamera dar. Weitere Einsatzgebiete sind die Prozessüberwachung an Maschinen und Anlagen der Industrie (DK8475), aber auch der Einsatz als Livekamera zur Online-Live-Videodarstellung auf Großmonitoren oder mit Hilfe von Beamern im Umfeld von Veranstaltungen. Besonders hervorzuheben ist die Anwendung als elektronischer Profilprojektor durch Einblendung von Maßskizzen bzw. Maßschablonen, welche als DXF-Datei eingelesen werden können. 1.2 Einsatzbedingungen Die ABS DVI-Kameras sind für den Einsatz unter folgenden Umgebungsbedingungen vorgesehen: Betrieb Temperatur 0 C bis +55 C Luftfeuchtigkeit 20 % bis 80 % kein Kondenswasser Lagerung Temperatur -20 C bis +70 C Luftfeuchtigkeit 20 % bis 80 % kein Kondenswasser Bei Nichteinhaltung dieser Bedingungen erlischt die Gewährleistung. Diese Bedingungen gelten ausdrücklich für die Kameras und nicht für das Zubehör jeglicher Art. Beachten Sie bitte deren eigenen spezifischen Angaben. ABS GmbH Jena 3

4 Einleitung 1.3 Lieferumfang Im Standardlieferumfang der DVI-Kamera DK8075-C-E02 sind nachfolgende Artikel enthalten : Kamera OSD-Menüsteuerung DVI-Anschlusskabel (wahlweise 1,8 m / 3 m / 5 m // auch als DVI/HDMI-Anschlusskabel möglich) PS2-Maus zur OSD-Menüsteuerung der Kamera Steckernetzteil 12 Volt / 24 Watt Anschlusskabel für PS2-Maus und Stromversorgung (wahlweise 1,8 m / 3 m / 5 m) USB-Anschlusskabel für Kommunikation mit PC Zugentlastung für USB-Kabel an Kamerarückseite (vormontiert) Fotostativadapter mit 1/4-20 UNC-Gewinde / 3/8-16 UNC-Gewinde und M8-Gewinde CD ROM (Software und Dokumentation) 1.4 Kamerabezeichnungen Die Produktbezeichnungen der ABS-DVI-Kameras beginnen mit der Buchstabenfolge 'DK'. Die folgenden zwei Ziffern benennen die Gehäuseform. Nachfolgende Ziffern kodieren den Sensor. Der Sensortyp wird durch einen Großbuchstaben gekennzeichnet. Bezeichner Erläuterung Alternative Erläuterung DK DVI-Kamera 80 DVI-Kameragehäuse 84 Abgesetzter Kamerakopf (IP65) 75 3 MP-Sensor - C Farbkamera - E02 Kommunikationsschnittstelle USB - E01 Kommunikationsschnittstelle RS Entsorgung Die Kamera enthält elektronische Baugruppen und darf daher nicht im Haushaltsmüll entsorgt werden. Die Kamera muss der gesonderten Verwertung zugeführt werden. Kontaktieren Sie daher bitte den Hersteller der Kamera oder schicken Sie die Kamera direkt an den Hersteller mit dem Vermerk zur Entsorgung zurück. ABS GmbH Telefon : 03641/ Erlanger Allee 103 Telefax : 03641/ Jena info@abs-jena.de 4 ABS GmbH Jena

5 Technische Angaben 2 Technische Angaben 2.1 Abmessungen DK Kameraspezifikation Sensor ½", CMOS, progressive scan, color, BAYER-Pattern Bildauflösung 2048 x 1536 Pixel (QXGA) Pixelgröße 3,2 µm x 3,2 µm Verschlusstyp Rolling Shutter Belichtungszeit 100 µs 1,4 s Bildrate 60 fps A/D-Auflösung 10 bit Verstärkung 1 64 fach Dynamik im Bild 60 db Weißabgleich automatisch Videoausgang DVI-D Ausgabeformat 1024 x 768 Pixel ROI-Zoom 2x (verlustfrei) Kommunikation USB2.0 / PS/2-Anschluss für PC-Maus Stromversorgung 8-24 V Leistungsaufnahme typ. < 5 W Einsatztemp. +0 C bis +55 C Abmessungen 50 mm x 50 mm x 116 mm Gewicht ca. 270 g (ohne Objektiv) Objektivanschluss C-Mount / justierbar ABS GmbH Jena 5

6 Inbetriebnahme der Kamera 3 Inbetriebnahme der Kamera 3.1 Anschluss der Kamera Kamera USB-Kabel Maus Monitor DVI-Kabel PC 3.2 Bedienung der Kamera per OSD-Menü Die Kamera kann über die grafische Oberfläche des OSD-Menüs bedient werden. Als Eingabegerät dient die direkt an die Kamera angeschlossene PS2-Maus. Zur Verwendung des OSD-Menüs lesen Sie bitte die Bedienungsanleitung des OSD-Menüs, welche sich auf der CD im Ordner Dokumentation befindet. 3.3 Bedienung der Kamera per PC-Software Eine weitere Bedienmöglichkeit der Kamera besteht in der Verwendung der PC-Software DK8000 ControlProfessional. Die PC-Software ist hauptsächlich zur Speicherung von Bildern notwendig. Die gleichzeitige Bedienung der Kamera mit OSD-Menü und PC-Software sollte vermieden werden. Zur Verwendung der PC-Software lesen Sie bitte die Bedienungsanleitung der PC-Software, welche sich auf der CD im Ordner Dokumentation befindet Installation der Software Die Software ist durch Starten der Datei SetUp.exe auf der mitgelieferten CD zu installieren. Gleichzeitig werden weitere notwendige Dateien, wie z.b. die Dokumentation des OSD-Menüs, die Bedienung der PC- Software usw. mit im Verzeichnis abgelegt. 6 ABS GmbH Jena

7 Häufig gestellte Fragen zur DK Häufig gestellte Fragen zur DK8075 Die Bewegungen unter der Kamera werden am Monitor spiegelverkehrt angezeigt. Wie kann dies geändert werden? Im Menü Kippen (OSD-Menü Bildausgabe) kann der Anwender das Bild vertikal (X) und/oder horizontal (Y) kippen. Die Funktion ist nützlich bei der Verwendung der Kamera an einem Stativ. Dabei müssen beide Optionen des Kippens aktiviert sein. Warum bzw. wann sollte man einen Weißabgleich durchführen? Sobald keine farbtreue Wiedergabe am Monitor festgestellt wird ist ein Weißabglecih durchzuführen. Ebenso im Falle einer Veränderung der Beleuchtungssituation, d.h. durchgeführter Leuchtmittelwechsel oder ähnliches. Die Farben werden nicht farbgetreu am Monitor dargestellt. Wie kann dies geändert werden? Für den farbtreuen Bildeindruck muss unter anderem ein Weißabgleich der Kamera vorgenommen werden. Der Farbeindruck des Bildes hängt z.b. von dem verwendeten Leuchtmittel ab und kann durch einen Weißabgleich optimiert werden. Zur Durchführung des Weißabgleiches wird ein weißer bis grauer Gegenstand, welcher zu großen Teilen die Bildfläche ausfüllt, verwendet. Man kann dafür z.b. ein weißes Blatt Papier nutzen. Das Blatt Papier ist vor das Kameraobjektiv zu halten und die Schaltfläche Ausführen im Menü Weißabgleich zu betätigen. Die Kamera führt daraufhin automatisch einen Weißabgleich durch. Es ist darauf zu achten, dass keine Überstrahlungen für weiße Flächen im Bild verantwortlich sind. Überstrahlungen können durch Verringerung der Belichtungszeit bzw. der Verstärkung vermieden werden. Ist der bestehende Weißabgleich nicht gewünscht, kann dieser durch die Betätigung der Schaltfläche Rücksetzen auf die Werkseinstellung zurückgesetzt werden. Sollte die Farbwiedergabe weiterhin nicht annähernd dem Original entsprechen, so ist die Farbtemperatur am Monitor nachzustellen. Dies geschieht durch Aufruf des Monitormenüs. Für die weitere Vorgehensweise lesen Sie bitte die Monitorbeschreibung. Die Bilder werden am Monitor zu dunkel dargestellt. Wie kann dies geändert werden? Die Bildhelligkeit kann durch Veränderung der Belichtungszeit sowie der Verstärkung geändert werden. Dazu sind im Menü Einstellungen des OSD-Menüs beide Werte zu erhöhen. Gleichzeitig bietet die Kamera für sehr dunkle Umgebungen eine zusätzliche Verstärkung der Bildhelligkeit an. Dies erfolgt durch Aktivierung des Dunkelmodus im Menü Erweiterte Einstellungen. Ist es möglich, die Position des Bildes in der 1:1 Darstellung zu verschieben? Der Bildausschnitt in der 1:1 Darstellung ( Bildausgabe--> Ausschnitt) kann durch die Veränderung der Schieberegler für x- und y- Richtung im Menü Bildausgabe des OSD-Menüs über das Gesamtbild verschoben werden. ABS GmbH Jena 7

8 Häufig gestellte Fragen zur DK8075 Ist es möglich, die Position des OSD-Menüs auf dem Monitor zu verändern? Das OSD-Menü kann verschoben werden, wenn sich die linke Maustaste auf der Titelleiste befindet und gleichzeitig die Maustaste gedrückt bleibt. Durch anschließende Bewegung der Maus kann das OSD-Menü über den Bildschirm verschoben werden. Warum kann kein scharfes Bild eingestellt werden? Es kann durchaus vorkommen, dass der Mindestabstand des Objektives unterschritten ist. Die erste Entfernungsangabe auf dem Objektiv gibt meist die zulässige minimale Entfernung an. Unter Umständen kann auch das Auflagemaß der Kamera falsch eingestellt sein. Dies würde Zutreffen, wenn kein relativ scharfes Bild bei der Objektiveinstellung 'unendlich' erzielt werden kann. Wie kann man die Kameraeinstellungen abspeichern? Die Kamera bietet dem Anwender die Möglichkeit die Einstellungen in der Kamera zu speichern. Dazu stehen bis zu 8 Speicherplätze in der Kamera zur Verfügung. Dazu ist das Menü Profile im OSD-Menü aufzurufen. Wie kann man die Kameraeinstellungen so abspeichern, dass diese beim Start der Kamera verwendet werden? Die gewünschte Kameraeinstellung wird bei jedem Neustart verwendet, wenn im Menü System des OSD- Menüs die Option Einstellungen als Starteinstellungen speichern aktiviert ist. Wie kann die Kamera auf Werkseinstellungen zurückgesetzt werden? Die Kamera kann durch Aufruf des Menüs System des OSD-Menüs und Aktivierung der Option Starten mit Werkseinstellungen sowie anschließendem Neustart der Kamera durch Unterbrechung der Stromversorgung mit den Werkseinstellungen gestartet werden. 8 ABS GmbH Jena

9 Grundlagen der Kameratechnik 5 Grundlagen der Kameratechnik 5.1 Grundlagen der Kameraoptik Wie entsteht ein Bild? Das Objektiv der Kamera erfaßt einen Teil des vom Objekt ausgestrahlten oder reflektierten Lichtes und bildet (im Idealfall) durch Überlagerung der Lichtstrahlen jeden Punkt des Objektes auf einen Punkt hinter der Linse ab. Befinden sich alle Punkte in der Ebene des CCD- oder CMOS-Sensors, erhält man ein scharfes Bild. Vereinfacht können diese Gesetzmäßigkeiten durch die sog. Linsengleichung für (dünne) Sammellinsen 1 f = 1 g 1 b mit der Brennweite f, der Gegenstandsweite g und der Bildweite b (siehe Abbildung 1) beschrieben werden. (1) hinterer Brennpunkt Bild Objekt vorderer Brennpunkt f f g b Abbildung 1: Abbildung mit einer Sammellinse Je näher das Objekt an den Brennpunkt rückt, desto größer wird das Bild. Dabei vergrößert sich auch die Bildweite, was durch den mechanischen Schärfetrieb des Objektivs bzw. durch Zwischenringe ausgeglichen werden muss. Wenn die Gegenstandweite g der doppelten Brennweite f entspricht, erhält man eine 1:1-Abbildung ( 4-f-Anordnung : g b=4 f ). Für g < f erhält man kein reelles Bild mehr. ABS GmbH Jena 9

10 Grundlagen der Kameratechnik Schärfentiefe Die Schärfentiefe wird verbreitet auch als Tiefenschärfe bezeichnet. Normalerweise wird nur eine Ebene mit einer bestimmten Gegenstandsweite (siehe Kap ) scharf abgebildet. Objektpunkte, die sich etwas vor oder hinter der optimalen Schärfeebene befinden, werden als Scheibchen abgebildet. Ist das Ausgabebild (auf dem Monitor oder ausgedruckt auf Papier) groß genug, werden diese Scheibchen so klein abgebildet, dass die entsprechenden Details ebenfalls scharf erscheinen. Dieser Schärfentiefebereich hängt vor allem von der Blende und der Objektentfernung ab. In der Regel steigt der Schärfentiefebereich mit der Blendenzahl. Folgende Effekte sind jedoch zu beachten: Ein größerer Schärfentiefebereich wird mit einer sinkenden Maximalschärfe im Optimalbereich erkauft. Ursache dafür sind Beugungseffekte an der Blende. Bei weit geöffneter Blende kommen Linsenfehler des Objektivs stärker zum Tragen und wirken sich negativ auf die Bildschärfe aus. Bei Nahaufnahmen, also bei großem Abstand des Fernpunktes des Schärfentiefebereiches von unendlich, ist die Schärfentiefe praktisch nur von der Blende und dem gewählten Bildausschnitt abhängig, aber nicht von der Brennweite Auflagemaß Das Auflagemaß (auch Flanschdistanz) ist der Abstand zwischen dem Flansch des Objektivgewindes und der Sensoroberfläche. Er beträgt beim C-Mount-System mm (vgl. CS-Mount: mm). Bei einer Vergrößerung der optischen Weglänge, z.b. durch Einsetzen eines IR-Sperrfilters zwischen Objektiv und Sensor, vergrößert sich dieser Abstand. C-Mount-Objektive lassen sich mit einem 5-mm-Zwischenring auch an CS-Mount-Kameras betreiben. Umgekehrt ist dies nicht möglich (siehe Abbildung 2). Abbildung 2: Kombinationsmöglichkeiten von C-Mountund CS-Mount-Kameras und Objektiven 10 ABS GmbH Jena

11 Grundlagen der Kameratechnik 5.2 Bildaufnahmesensoren CCD- und CMOS-Bildsensoren CCD- und CMOS-Bildsensoren sind zwei Typen von Empfängerchips, die beide auf dem inneren Photoeffekt beruhen. Die Photonen regen dabei Elektronen an, die dann in Kondensatorelementen gespeichert werden. Beide Systeme habe ihre Vor- und Nachteile, wobei die CCD-Sensoren durch die längere Entwicklungszeit etwas ausgereifter sind. Allerdings gibt es bei CMOS-Sensoren schnelle Fortschritte. Bei einem CCD-Empfänger werden diese Ladungen dann pixelweise dem Verstärker und dem externen Analog-Digital-Wandler zugeführt, der das digitale Bildsignal erzeugt. Der CCD-Sensor ist ein rein analoges Bauelement. Die mit CMOS-Technologie hergestellten Sensoren besitzen für jedes Pixel einen eigenen Verstärker, der schon hier aus den Elektronenladungen ein Spannungssignal erzeugt. Außerdem lassen sich einzelne Pixel oder Pixelzeilen adressieren. So ist es möglich, Bildausschnitte mit höheren Bildwiederholraten auszulesen. Tabelle 1 liefert einen kurzen Vergleich zwischen den beiden Sensortypen. Da beide anwendungsbedingte Vor- und Nachteile haben, hat die ABS GmbH sowohl Kameras mit CMOS- als auch mit CCD-Sensoren im Angebot. CCD CMOS Vorteile Nachteile Vorteile Nachteile hohe Lichtempfindlichkeit Bildwiederholrate begrenzt kostengünstige Kamerasysteme erreicht (noch) nicht die Lichtempfindlichkeit von CCD-Sensoren ausgereifte Produktionsverfahren aufwendige Beschaltung höhere Bildwiederholraten möglich erhöhtes Fixed-Pattern- Rauschen (FPN) niedriges Fixed-Pattern- Noise Störeffekte Blooming und Smear erfordern Gegenmaßnahmen auf dem Chip stromsparend kein Blooming oder Smear Tabelle 1: Vergleich der Eigenschaften von CCD- und CMOS-Bildsensoren Sensorgrößen In der Kameratechnik werden Sensoren mit unterschiedlichen Größen verwendet. Als Größen einheit für die Sensordiagonale wird dabei Zoll ('') verwendet, wobei ein Zoll in der Kameratechnik 16 mm entspricht. Die Ursache für die Abweichung zur eigentlichen Längeneinheit ist historisch begründet und hat ihre Wurzeln in der Röhrentechnik. Hier hatte eine Bildaufnahmeröhre mit 1'' Außendurchmesser eine wirksame Diagonale von 16 mm. In der industriellen Videotechnik und der Überwachung werden häufig Sensoren mit kleineren Diagonalen als 1'' eingesetzt. Bei identischen Objektiven wird damit ein kleinerer Blickwinkel abgedeckt (siehe Abbildung 3). Der Einsatz von Objektiven mit entsprechend kürzerer Brennweite ermöglicht bei verringertem Auflagemaß den Bau von kleineren Kameras bei gleichem Blickwinkel. Der Bildkreisdurchmesser des Objektives muss immer größer oder gleich der Sensordiagonale sein, da sonst Abschattungen in den Bildecken drohen. Der Bildkreisdurchmesser ist ein wichtiger Parameter jedes Objektivs. Die ABS GmbH bietet Kameras mit Sensoren hauptsächlich im Bereich von 1/3'' bis 2/3'' an. ABS GmbH Jena 11

12 Grundlagen der Kameratechnik Abbildung 3: Verhältnis der Sensorgrößen zum 1"-Format Wie entsteht ein Farbbild? Die meisten Digitalkameras (und alle Farbkameras aus dem Hause ABS) sind 1-Chip-Kameras. Da die Sensoren selbst nur Helligkeitsunterschiede wahrnehmen können, besitzt jedes Sensorpixel einen Farbfilter, detektiert also nur eine Farbe. Die restlichen Farbkomponenten für jedes Pixel (z.b. RGB rot, grün, blau) müssen in einem nachfolgenden Bildbearbeitungsschritt (Farbinterpolation) aus den umgebenden Pixeln ermittelt werden. Ein verbreitetes Muster für die Verteilung der Farbpixel auf dem Sensor ist das Bayer- Pattern für die RGB-Grundfarben (siehe Abbildung 4). Bei der oben beschriebenen Methode braucht nur ein Bayer-Bild zum PC übertragen zu werden. Das reduziert die Datenmenge, im Vergleich zu Kameras, die ein Vollfarb-RGB-Bild erzeugen (z.b. 3-Chip-Kameras oder Kameras mit Foveon-Sensoren), auf ein Drittel. Voraussetzung für eine flüssige Bildwiedergabe ist natürlich eine entsprechend schnell ablaufende Farbinterpolation auf dem PC. Abbildung 4: Bayer-Pattern auf einem Farbbildsensor Die Farbfilter vor den Sensorpixeln lassen nur Licht mit der entsprechenden Farbe passieren; die anderen Wellenlängen werden absorbiert. Zusätzlich benötigen Farbkameras ein Sperrfilter für Licht im nahen Infrarotbereich, da die Sensoren bis zu einer Wellenlänge von ca nm empfindlich sind und diese Strahlung die Farbwiedergabe beeinträchtigt (die Pixelfilter lassen diesen Wellenlängenbereich passieren). Dadurch haben Farbkameras eine in der Regel um den Faktor 5 reduzierte Lichtempfindlichkeit. 12 ABS GmbH Jena

13 Grundlagen der Kameratechnik Der elektronische Verschluss (Shutter) Die USB-Kameras aus dem Hause ABS arbeiten ohne mechanischen Verschluss. Statt dessen kommen elektronische Shutter zum Einsatz. Es gibt zwei verschiedene Grundverfahren: Rolling Shutter und Global Shutter. Grundsätzlich läßt sich die Bildaufnahme in 3 Phasen gliedern: Reset der Pixel, Belichtung, Auslesen der Grauwertinformation, wobei das Auslesen meist zeilenweise erfolgt. Rolling Shutter Beim Rolling Shutter erfolgt das Zeilenreset und die Belichtung der Sensorpixel zeitversetzt. Nach Abschluss der Belichtung werden die Zeilen mit demselben Zeitversatz ausgelesen. Dieses Verfahren hat konstruktive Vorteile (kostengünstigere Sensoren), bewirkt aber bei schnell ablaufenden Prozessen Verzerrungen im Bild (siehe Abbildung 5, 6). Sensoren mit Rolling Shutter lassen eine höhere Pixeldichte zu und sind deshalb vor allem bei CMOS-Sensoren mit hoher Pixelzahl zu finden. Abbildung 5: Bildvorlage Abbildung 6: Bildaufnahme (schematisch) mit Rolling Shutter ABS GmbH Jena 13

14 Grundlagen der Kameratechnik Global Shutter Beim Global-Shutter-Verfahren werden alle Zeilen gleichzeitig zurückgesetzt und belichtet. Die Bildinformation wird dabei in einen Zwischenspeicher verschoben und dann sequentiell ausgegeben. Bewegungsbedingte Verzerrungen treten hier nicht auf. Dieses Verfahren findet sich prinzipbedingt bei allen CCD-Sensoren aber auch bei hochwertigen CMOS-Empfängern. Der zeitliche Ablauf der Bildaufnahme ist in Abbildung 7 dargestellt. Abbildung 7: Bildaufnahme mit Global Shutter 5.3 Betrachtungen zur Lichtempfindlichkeit von Kameras Die Umwandlung des Lichts, das vom Objekt kommend schließlich ein Bild erzeugt, ist ein vielstufiger Prozeß. Unter Lichtempfindlichkeit soll hier verstanden werden, wieviel Licht benötigt wird, um einen minimalen Kontrast in Form eines bestimmten Signal/Rausch-Verhältnisses zu erzeugen. Zunächst kann Licht im Objektiv verloren gehen. Jede nicht mit einer Antireflexschicht versehene Glas/Luft- Grenzfläche reflektiert ca. 4% des einfallenden Lichts. Auch bei gleicher Blendenzahl können Objektive unterschiedlich viel Licht passieren lassen. Hochwertige Objektive sind also zu empfehlen. 1-Chip-Farbkameras mit Bayer-Maske (siehe Kap ) besitzen eine Reihe lichtabsorbierender Farbfilter. Das bewirkt, dass diese Farbkameras ca. um den Faktor 5 unempfindlicher als die baugleichen Schwarzweißkameras sind (viele Sensoren gibt es als Farb- und Monochromvariante). Lichtempfindlichkeit bei viel Licht Bei heller Beleuchtung braucht nur kurz belichtet zu werden. In diesem Fall spielt nur das sog. Photonenrauschen (Schrotrauschen) eine Rolle. Die Ursache hierfür ist das natürlich ungleichmäßige Eintreffen der Photonen auf dem Sensor. Dort erzeugen sie mit einer bestimmten Wahrscheinlichkeit (dem Quantenwirkungsgrad bzw. quantum efficiency) Elektronen, deren Anzahl dann das Grauwertsignal bestimmt. Die Rauschstärke (als Standardabweichung) berechnet sich aus der Wurzel des mittleren Signalpegels (mittlere Anzahl der gesammelten Elektronen pro Sensorpixel). Man erhält z.b. bei 100 Elektronen eine Rauschstärke von 10 und ein Signal/Rausch-Verhältnis von 10:1. Für ein möglichst hohes Signal/Rausch- Verhältnis braucht man also Sensorpixel, die möglichst viele Elektronen speichern können. Diese Kapazität (full well capacity) ist begrenzt, steigt aber mit der Pixelgröße. Es ist also i.a. vorteilhaft, großformatige Sensoren mit nicht zu vielen Pixeln einzusetzen. Lichtempfindlichkeit bei wenig Licht Bei wenig Licht ist die Qualität der Kamera besonders wichtig, da verschiedene Arten von Dunkelrauschen (die hier nicht im einzelnen betrachtet werden sollen) eine Rolle spielen. Da eine erhöhte Temperatur des Bildsensors und der Elektronik zu verstärktem Rauschen führt, sind Kameras mit geringer Leistungsaufnahme zu bevorzugen. Kameras aus dem Hause ABS weisen gute Kennwerte auf. Bei Langzeitbelichtungen muss ggf. auf gekühlte Kameras zurückgegriffen werden. 14 ABS GmbH Jena

15 Häufig gestellte Fragen zur Kameranutzung 6 Häufig gestellte Fragen zur Kameranutzung 6.1 Wie startet man die Kamera? 1. Kamera mit Objektiv aufstellen 2. Kamera mit Monitor verbinden 3. Kamera über USB-Kabel mit PC verbinden (nicht zwingend notwendig) 4. PS2-Maus an Anschlusskabel stecken 5. Stromversorgung an Anschlusskabel stecken 6. Anschlusskabel (Rundsteckverbinder) an Kamera anschließen 7. Strahlengang freimachen (z.b. Objektivschutzkappe abnehmen oder am Mikroskop Kamerastrahlengang einstellen) 8. Blende (wenn verstellbar) öffnen, d.h. kleine Blendenzahl einstellen 9. Schärfe einstellen 10. Belichtung ggf. einschalten 11. ggf. Feinjustierung der Bildhelligkeit durch Verändern des Regelzielwertes oder durch manuelle Einstellung von Belichtungszeit (Exposure Time) oder Verstärkung (Gain) Problembehebung beim Einrichten der Kamera Fehlerbild mögliche Fehlerursachen Gegenmaßnahmen Kamera wird vom Programm nicht gefunden Meldung: ' ''No device found Kamera ohne Stromversorgung Kamera nicht angeschlossen (bei USB-bus-powered Kameras) Stromversorgung anschließen USB-Kabel anschließen Bild bleibt schwarz Kamera liefert keine Bilder Bildaufnahmemodus starten (Video/Livebild) Lichtstrahlengang blockiert Belichtung zu schwach Strahlengang freimachen (z.b. Objektivkappe abnehmen, Blende öffnen) Belichtungszeit/Gain erhöhen, Blende öffnen, stärkere Beleuchtung verwenden Bild komplett weiß Überbelichtung Belichtungszeit/Gain verringern, Blendenöffnung verkleinern ABS GmbH Jena 15

16 Häufig gestellte Fragen zur Kameranutzung 6.2 Wie stellt man das Bild scharf? Bei (fast) allen Objektiven dreht man am Ring mit der Entfernungsskala bis das Bild/die gewünschte Struktur scharf erscheint. Dabei wird der Abstand zwischen Objektiv und Sensor (die Bildweite) verändert. Es gibt aber auch Objektive, vor allem im Weitwinkelbereich, die keinen Einstellring für Schärfe besitzen. Meist ist dabei durch den großen Schärfentiefebereich keine Schärfejustierung nötig. Wenn doch, haben viele Kameras (auch aus dem Hause ABS) einen Justierring zur Einstellung des Auflagemaßes, der meist durch Schrauben arretiert wird. Details sind im Kapitel Fehler: Referenz nicht gefunden nachzulesen. Bei Varioobjektiven ist die Schärfeeinstellung bei jeder Änderung der Brennweite (des Blickwinkels) zu wiederholen. Bei Zoomobjektiven sollte die Bildschärfe von der Brennweiteneinstellung unabhängig sein; häufig ist hier aber trotzdem nachzujustieren. Bei Mikroskopen wird statt der Bildweite die Gegenstandsweite variiert. Das ist der Abstand zwischen Objektiv und Beobachtungsobjekt. Schärfentiefe Für das menschliche Auge erscheinen auch Bildbereiche vor und nach der eigentlich eingestellten Entfernung scharf abgebildet. Diesen Bereich nennt man Schärfentiefe (auch als Tiefenschärfe bekannt). Bei konstanter Brennweite steigt die Schärfentiefe mit der Blendenzahl. Im Nahbereich ist die Schärfentiefe nur von der Blende und dem abgebildeten Objektfeld, aber nicht von der Brennweite abhängig. 16 ABS GmbH Jena

17 Häufig gestellte Fragen zur Kameranutzung 6.3 Bei welchen Objektiveinstellungen ist das Bild am schärfsten? Bei den meisten Objektiven ist das Bild bei einer fast (aber nicht ganz) offenen Blende am schärfsten in der Regel bei einer Blendenzahl im Bereich von Diese Aussage gilt für die maximale Bildschärfe eines scharfgestellten Details. Für den Gesamteindruck des Bildes muss die Tiefe des Objekts mit in Betracht gezogen werden. Problembehandlung Das Bild wird nicht scharf! Ursache 1: Falsche Objektiv-Kamera-Kombination Bei CS-Mount-Objektiven an C-Mount-Kameras entsteht das Bild 5 mm vor dem Sensor sie passen generell nicht an diesen Kameratyp (siehe Kap ). C-Mount-Objektive lassen sich an CS-Mount-Kameras verwenden, aber nur, wenn ein (mindestens) 5-mm- Zwischenring verwendet wird. (Für Makroaufnahmen sind natürlich auch mehr als 5 mm möglich.) Ursache 2: Auflagemaß stimmt nicht Bei Objekten in großer Entfernung ( unendlich ) entsteht das Bild in der Brennebene des Objektivs. Verschiedene Gründe können dazu führen, dass sich der Sensor (CCD, Film) nicht an dieser Stelle befindet: Das Objektiv ist nicht vollständig eingeschraubt (z.b. durch verschmutztes oder beschädigtes Gewinde). Ein Zwischenring zwischen Objektiv und Kamera wurde vergessen zu entfernen. (Ein dünnes, als O-Ring ausgeführtes Exemplar, das an der Objektivfassung klebt, kann leicht übersehen werden.) Die Kamera-Objektiv-Kombination stimmt nicht. Das ist häufig bei Weitwinkelobjektiven ohne Entfernungseinstellring der Fall. Hier muss das Auflagemaß der Kamera eingestellt werden (von Kamera abhängig siehe Bedienungsanleitung bzw. Kap. Fehler: Referenz nicht gefunden). Eventuell reicht auch das Einfügen (dünner) Zwischenringe. Ursache 3: Objektentfernung zu klein Je kleiner die Entfernung vom Objektiv zum Objekt, desto größer muss der Abstand des Objektivs vom Sensor sein. Die Einstellung wird über den Entfernungstrieb am Objektiv geregelt, der aber mechanischkonstruktive Grenzen hat. Die minimale Entfernung wird häufig mit MOD (Minimum Object Distance) abgekürzt. Die MOD kann (in Grenzen) durch Zwischenringe oder Nahlinsen verkürzt werden. Die MOD kann jedoch nicht kleiner als die Brennweite des Objektivs oder der Kombination Objektiv/Nahlinse sein (eine Nahlinse verändert die Brennweite des Gesamtsystems). Ursache 4: Zu große / zu kleine Blende Bei großen Blendenzahlen (kleinen Blendenöffnungen) begrenzen Beugungseffekte die Bildschärfe. Bei kleinen Blendenzahlen (großen Blendenöffnungen) wirken sich häufig konstruktiv bedingte Linsenfehler negativ auf die Bildqualität aus. Ausweg: Mittlere Blendenzahl einstellen Ursache 5: Objektivqualität Bei Objektiven mit großen Blendenöffnungen (kleinen minimalen Blendenzahlen) oder / und großem Zoombereich sind häufig kostenbedingte Kompromisse bei der Konstruktion eingegangen worden. Wenn möglich sollten Festbrennweitenobjektive eingesetzt werden. Ursache 6: Elektronischer Zoomfaktor zu groß / ROI zu klein Bitte prüfen, ob die Software nur einen Ausschnitt des maximalen Objektfeldes darstellt! Ein elektronisches Nachvergrößern, also wenn ein Kamerapixel auf dem Bildschirm größer als ein Bildschirmpixel dargestellt wird, führt zur Bildverschlechterung. Die Bildfläche steigt, ohne dass neue Bildinformation dazukommt. Die förderliche Vergrößerung wurde überschritten. ABS GmbH Jena 17

18 Häufig gestellte Fragen zur Kameranutzung 6.4 Was bedeutet Weißabgleich? Der Farbeindruck des Bildes ist, außer von den (reflektierenden) Farben des Objektes, vom Lichtspektrum der Beleuchtung abhängig. Um eine weitgehend neutrale Farbwiedergabe zu erreichen, wird die Kamerafunktion Weißabgleich (white balance, WB) eingesetzt. Das beste neutrale Resultat erreicht man, indem man den Weißabgleich innerhalb eines Bild ausschnitts (ROI) durchführt, der nur Weiß enthält (Grau ist auch möglich, wenn die Vorlage nicht zu dunkel ist). Ggf. hält man ein weiße Fläche (ein weißes Stück Papier) als Referenz vor das Objektiv, wobei nicht scharfgestellt werden muss. Für die Erzielung bestimmter Stimmungen im Bild kann ein generell wärmerer oder kälterer Grundfarbton (= rötlicher oder bläulicher Farbstich) als Ziel vorgewählt werden. Der Weißabgleich auf das Gesamtbild funktioniert, wenn alle Farben gleichmäßig vorhanden sind. Das Übergewicht einer Farbe führt zu einer entsprechenden Gegenreaktion und damit zu einem Farbstich. Farbkorrektur (color correction, Farbraumtransformation) ist eine erweiterte Version des Weißabgleichs, die z.b. sattere Farben, aber auch Falschfarbendarstellungen ermöglicht. Da das Verfahren relativ komplex ist, wird der Benutzer in der Regel nur fertige, beleuchtungsspezifische Farbkorrekturinformationen zu- oder abschalten. Für diese Korrekturinformationen wendet man sich an den Kamerahersteller, falls dieser eine Farbkorrekturoption in der Kamerasoftware anbietet. 18 ABS GmbH Jena

19 Wir bedanken uns dafür, dass Sie sich für ein Qualitätsprodukt der ABS GmbH entschieden haben. Unser Kundensupport steht Ihnen bei allen Fragen zu unseren Produkten gern zur Verfügung. Gesellschaft für Automatisierung, Bildverarbeitung und Software mbh Erlanger Allee Jena Telefon : / Telefax : / info@abs-jena.de Web :