8. B I L D E R Z E U G U N G

Transkript

1 Digitale Medien 8. BILDERZEUGUNG

2 Inhalt 1. Digitalisierung 2. Bilderzeugung in der digitalen Kamera 1. Optisches System 2. Parameter (digitaler) Kameras 1. Belichtungszeit 2. Brennweite 3. Blende 4. Belichtungsmessung 5. Autofokus 6. Weißabgleich 3. Einfluss verschiedener Parameter auf die Bildaufnahme und qualität 1. Blende, Brennweite Tiefenschärfe

3 Bildaufnahme in einer Digitalkamera Übersicht 1. Scharfstellen des Bildes = (Auto )Fokus 2. Abschätzen einer sinnvollen Zeit/Blende Kombination 3. optische Projektion durch das Objektiv 4. optische Filterung durch Tiefpass, Infrarot und RGB Filter 5. Wandlung der Lichtintensitäten in elektrische Signale an diskreten Stellen (Diskretisierung) 6. Digitalisierung derelektrischen elektrischen Signale (Quantisierung) 7. Bildverarbeitung der Bildinformationen: Farb Rekonstruktion Interpolation für Digitalzoom Rauschfilterung Entfernen bekannter Fehler des Bildaufnahmesystems (defekte Pixel, Übersprechen, Nachschärfen,Randabschattung, Verzeichnung) 8. Komprimierung der Bilddatei 9. Speicherung bzw. Anzeigen der Bilddatei

4 Bildaufnahme in einer Digitalkamera t t Autofokus, Auto-Exposure Auto-WhiteBalance Interpolation für Anzeige Anzeige Fokus Belichtungszei Blende Belichtungszei Dekompression für Anzeige Optisches System Bildanalyse Kompression JPG Interpolation für Farb-Rekonstruktion Interpolation für Digitalzoom Lin nse luß Versch ter Farbfil Sens sor RGB Bildspeicher Bildspeicher Bildspeicher RAW

5 Optisches System Aufbau Belichtungsmeßsystem Bildsensor Spiegel (bei SLR Kameras) Autofokus System Objektiv = Anordnung von Linsen

6 Optisches System Lichtweg Objektiv Verschluß IR-Filter Tiefpaß Sensor Licht fällt durch die Linse und den Verschluss auf IR und Tiefpass Filter und schließlich auf den Sensor Infrarot Filter Silizium i ist für nahes Infrarot empfindlich Wahrnehmung des Sensors auf sichtbare Wellenlängen beschränken (optischer) Tiefpass Filter wirkt iktbildung von Moiré Mustern M entgegen entstehen wenn Frequenzen im Objekt ähnlich der Pixelfrequenz des Sensors Polarisation und Tiefpass Filter Erzeugt auch Unschärfe Korrektur über Kamerasoft und hardware

7 Optisches System Sensoren mosaikartige Anordnung lichtempfindlicher Zellen Zellen sind durch lichtunempfindliche Bereiche voneinander getrennt. Eine Zelle entspricht einem Pixel. Zellen sind CCD Elemente (Charge Coupled Device) CMOS Sensoren basieren auf dem inneren photoelektrischen Effekt

8 Diskretisierung und Quantisierung Sensoren liefern ein zum Lichteinfall proportionales analoges Signal (Spannung), das in ein digitales Signal umgewandelt werden muß. Diskretisierung = Sampling Messen deslichteinfalls nuran diskreten Positionen (Sensorzellen) Abstand der Sensorzellen (Auflösung) bestimmt die Qualität des Bildes Quantisierung Umwandlung der (analogen) Spannung in ein digitales Signal begrenzte Anzahl an Bits zur Speicherung (8, 12, 16) daher begrenzte Anzahl an Farben umwandeln der Spannungswerte in diskrete Helligkeitswerte, die sich mit den n Bits darstellen lassen nur der Lichteinfall, also die Helligkeit wird gemessen Grauwertbilder bl

9 Sensoren digitaler Kameras Prinzip Für die Bliht Belichtungszeit itwird idlinse geöffnet Photonen erreichen die lichtempfindlichen Zellen Umwandlung Photonen Ladung Spannung 14 sensors.htm Problem: Sensoren können nur Helligkeit erfassen

10 Vorsatz eines Farbfilters Farberkennung bes mmte Zellen nehmen Helligkeitswert für entsprechende Farben auf Bayer Matrix 15 sensors.htm

11 Was der Sensor sieht 16 sensors.htm Problem: Reduzierung der Auflösung Demosaicing

12 Foveon X3 Direkt-Bildsensor In jedem jd Pixel werden alle drei igrund farben aufgezeichnet Licht wird durch Silizium unterschiedlich h absorbiert erreicht unterschiedliche Tiefen Aufbau in drei Schichten, ähnlich Farbfilm 17

13 Objektive Objektive setzen sich ihmeist itaus mehreren Linsen zusammen Ziel: möglichst genaue Abbildung des aufzunehmenden Bildes auf dem Sensor der Kamera Unterschiedliche Sensorgrößen bewirken scheinbare Brennweitenvergrößerung, Cropfactor: 1, ambridgeinc olour.com/tu torials/camer a lenses.htm

14 Brennweite (Focal Length) 19 Brennweite beeinflusst tden sichtbaren ihtb Bereich hdes Bildes Kleine Brennweite großer sichtbarer Bereich (Weitwinkel) Große Brennweite kleiner sichtbarer Ausschni (Tele) lenses.htm

15 Typische Brennweiten Unterscheidung: Weitwinkel, Wit iklnormal, Tl Tele, Festbrennweite 20 lenses.htm

16 Wit Weitwinkel ikl Wann welches Objektiv einsetzen?

17 Fischaugen Wann welches Objektiv einsetzen? 22

18 Wann welches Objektiv einsetzen? Mk Makroobjektiv bjkti

19 Tl Telezoom 24

20 Perspektivische Verzerrungen Aufnahmen mit unterschiedlichen h Brennweiten, aber gleichem Abbildungsmaßstab kann als stilistisches Mittel eingesetzt werden mm Brennweite (Weitwinkel) 36 mm Brennweite (Normal) 170 mm Brennweite (Tele)

21 Perspektive it ist nicht ihtvon der Brennweite sondern vom Standpunkt abhängig je kürzer Distanz zu Objekt Objekt größer 26 Frage: Lieber näher an das Objekt herantreten oder lieber weiter weg gehen und zoomen? Weggehen vermittelt räumliche Trennung, Weite Telezoom vermittelt räumliche Nähe

22 Perspektive - Beispiel 27 18mm 24mm 35mm 55mm

23 Blende (Aperture) Regelt Lichteinfall durch dieoptik Größere Blendenzahl kleinere Blendenöffnung kann ebenfalls als stilistisches Mittel eingesetzt werden Kamera kann nicht entscheiden, welche Kombination richtig ist 28 Sinnvolle Kombina on aus Blendenzahl und Belichtungszeit Lichtwert (exposure value) Schar von äquivalenten Kombinationen aus Blendenzahl und Belichtungszeit die bei gleicher Mo vhelligkeit gleich viel Licht auf den Sensor gelangen lassen

24 Belichtungsmessung (Metering) Prinzip: Messung der durch die Blende einfallenden Lichtenergie Lichtwert (exposure value) Maßzahl für die Motivhelligkeit eigentlich einfach zu bestimmen: Summe der Signale aller Sensorzellen typisch bei SLR Kameras: Licht wird auf Belichtungssensoren gelenkt typisch bei Kompaktkameras: Messung mit dem Bildaufnahmesensor Integralmessung: gemessener Lichtwert wird so in Zeit/Blenden Kombination umgerechnet, daß in der Summe ein mittleres Grau auf dem Film/Sensor entsteht.

25 Belichtungsmessung (Metering) Einstellen einer Blende/Zeit-Kombination für Photographie hi erforderlich: Kombination aus Blendenwert und Belichtungszeit pro Lichtwert unendliche Anzahl an Kombinationen Programmkurven bestimmen Wahl einer Blende Zeit Kombination abhängig von weiteren Bedingungen Sensor( empfindlichkeit) Eigenschaften der Optik Canon EOS 30 Realisierung über Lookup Tables Fuji FinePix S2 Pro Quelle: Fuji Canon

26 Lichtwerte 31

27 Unter- und Überbelichtung Blende und Bliht Belichtungszeit itbeeinflussen den Lichteinfall i Kleinere Blende weniger Licht pro Zeiteinheit 32 bei größerer Blendenöffnung kann Belichtungszeit reduziert werden kleinere Belichtungszeit weniger Licht bei gleicher Blende

28 System der Kameras: Unter- und Überbelichtung Verdopplung bzw. Halbierung der Verschlußzeiten: 30s, 15s, 8, 4, 2, 1, 1/2, 1/4, 1/8, 1/15, 1/30, 1/60, 1/125, 1/250, 1/500, 1/1000, 1/2000, 1/4000 Verdopplung bzw. Halbierung der Lichtmenge: 33 Blende 1,0; Blende 1,4; Blende 2,0; Blende 2,8; Blende 4,0; Blende 56;Blende 5,6; 80;Blende 8,0; 11; Blende 16; Blende 22; Blende 32 je größer die Zahl um so kleiner die Öffnung tatsächliche Wirkung nicht sofort sichtbar

29 Belichtungsmessung bisher: gemessener Lichtwert führt zu einer Blende Zeit Kombination aber: typischerweise Motiv nicht gleichmäßig ausgeleuchtet Kontrastumfang (Differenz von hellster zu dunkelster Stelle des Motivs) höher als Kontrastumfang des Sensors Kontrastumfang des Motivs zu niedrig Bestimmung des Lichtwertes über verschiedene Meßverfahren (keine simple Summierung über das gesamte Bild)

30 Belichtungsmessung Problem: unterschiedliche h Lichtreflexionen ih i und Beleuchtungssituationen mittenbetonte Integralmessung Integralmessung, aber mittlere Meßfelder haben höheres Gewicht auf das Objekt bezogene Messung Spotmessung nur das zentrale Meßfeld wird berücksichtigt punktgenaue Messung Slki Selektivmessung ein bestimmter Bereich um das Zentrum herum wird stark berücksichtigt Mti Matrixmessung oder Mhfld Mehrfeldmessung jede Meßzelle liefert ihren eigenen Wert Vergleich mit Datenbank aus Standardsituationen Standardsituationen (bei Nikon F Einträge)

31 Beispiele 36 Spot Mehrfeldmessung mittenbetonte Integralmessung Selektivmessung

32 Tiefenschärfe Tiefenschärfe: f Bereich hin dem das Motiv scharf erscheint hit Objekte davor oder dahinter erscheinen unscharf Lässt sich ebenfalls künstlerisch einsetzen 38 lenses.htm

33 Tiefenschärfe 39

34 Blende und Tiefenschärfe Wichtigster t Faktor, da Bildausschnitt itt konstant tbleibt Kleinere Blende (=größere Blendenzahl) Tiefenschärfe nimmt zu Beispiel: 40 fotokurs/index.php?id= schaerfentiefe Nega veffekt: kleinere Blende größere Belichtungszeit

35 Brennweite und Tiefenschärfe JelängerdieBrenn Brennweite eite desto geringer dietiefenschärfe Vorteil: große Blendenöffnung + hohe Brennweite geringe Tiefenschärfe 41 Nachteil: wenn hohe Tiefenschärfe trotz hoher Brennweite gewünscht Blende zu Verwackelungsgefahr

36 Tiefenschärfe als stilistisches Mittel 42

37 43 / h t / hit h /

38 Autofokus Motivsoll scharf abgebildet werden es soll fokussiert sein. automatische Änderung der Brennweite des Objektivs durch Verschieben der Linsen Grundlage: optische Abbildungen Objektebene Verfahren: aktiv und passiv Linse(n) Bildebene

39 Autofokus Kontrastvergleich zusätzliche CCD Sensoren Sensorenin derkamera (Zeilen und/oder Spaltenanordnung) bestimmen des Kontrasts im Autofokus Meßfeld = bestimmen der Frequenzverteilung im Bild hoher Kontrast scharf niedriger Kontrast unscharf Verstellen der Linse bis höchster Kontrast erreicht Kombination von Zeilen und Spaltensensorfeldern für genaueres Arbeiten mehrere Messungen notwendig, um Richtung der Fokussierung zu bestimmen

40 Autofokus Stereo-Verfahren Funktionsprinzip: Triangulation der Objektentfernung Stereobilder werden durch die gegenüberliegenden Ränderdesdes Objektivs aufgenommen. In der Sensorebene wird durch ein Prisma Licht auf zwei Detektorzeilen gelenkt. Durch Mustervergleich kann (De )Fokus bestimmt werden. Bilder von beiden Rändern sind seitlich verschoben und Tiefpaß gefiltert, wenn nicht im Fokus. eingesetzt in modernen SLR Kameras

41 Autofokus Fokussierung erfolgt tbihlb bei halb gedrücktem dükt Auslöser Anzeige wo fokussiert wurde ablesbar an den Autofokus Messfeldern üblicherweise wird das mittlere Messfeld genommen andere sind einstellbar Autofokus Modi: OneShot: Auslösung erst nach Fokussierung möglich ein AF Meßfeld muss Fokus melden AI Servo: Kamera fokussiert nach solange Auslöser halb gedrückt Bei einigen Kameras signalisiert durch leises piepen gut für Sportfotografie mit bewegten Objekten 47

42 Entsteht t htdurch: Unschärfe Verwackeln (wenn Kamera und Objektiv in Ordnung) Vermeiden durch: ruhige Hand Stativ kleinere Belichtungszeit Bildstabilisatoren 48 im Objektiv (Canon: IS, Sigma: OS) in der Kamera falsches Fokussieren Vermeiden durch: manuelle Fokussierung

43 Falsches Fokussieren 49

44 Falsches Fokussieren 50

45 Automatischer Weißabgleich Weißabgleich: Anpassen des Bildes an dielichttemperatur der Lichtquelle Herausfiltern des Farbstichs für menschliches Auge kein Problem Kamera( software) muß anhand der Bilddaten Farbtemperatur des Umgebungslichtes abschätzen problematisch einfachste Möglichkeit für automatischen Weißabgleich: Gray World Assumption Annahme: Beleuchtung ergibt über das gesamte Bild ein neutrales Grau avgr = Mittelwert der Intensitäten im Rot-Kanal; avgg = Mittelwert der Intensitäten im Grün-Kanal; avgb = Mittelwert der Intensitäten im Blau-Kanal; avgrgb = (avgr + avgg + avgb) / 3; skaliere Rot-Kanal mit (avgr / avgrgb); skaliere Grün-Kanal mit (avgg / avgrgb); skaliere Blau-Kanal mit (avgb / avgrgb);

46 Falscher Weißabgleich 52

47 Automatischer Weißabgleich genauer: probabilistische Ansätze Wahrscheinlichkeit für das Auftreten diverser Farbtöne und verteilungen unter bestimmtenbeleuchtungssituationen Ermitteln der wahrscheinlichsten Beleuchtung aus den Bilddaten Beispiel: leuchtendes Grün bei Sonnenuntergang sehr unwahrscheinlich spezielle ill Wißblih Weißabgleichs Verfahren h bik bei Kameraherstellern unter Verschluss Hewlett Packard benutzt Color by Correlation

48 Automatischer Weißabgleich Color by Correlation (Finlayson, 1997) Grundlage: vorausberechnete Matrix mit den Wahrscheinlichkeiten des Auftretens verschiedener Farbwerte bei unterschiedlichen Referenzlichtquellen Abschätzung der (unbekannten) Beleuchtung eines Bildes: Bestimmen welche Farben in welchen Quantitäten im Bild vorkommen Korrelation zwischen diesen Daten und jeder der Referenzlichtquelle mit Hilfe der Wahrscheinlichkeitsverteilung berechnen Auswahl der besten Beleuchtungssituation (maximum likelihood) Berechnen der Skalierungsfaktoren und Anwenden auf das Bild

49 Automatischer Weißabgleich Kein Weißabgleich Weißabgleich basierend auf Messung Gray World Assumption Color by Correlation Quelle: Finlayson, Hordley, Hubel: Color by Correlation: A Simple, Unifying Framework for Color Constancy

50 Empfindlichkeit (ISO) Empfindlichkeit gibt Reaktion des Films/Sensors auf Lichteinfall an analog: Empfindlichkeit mit Film festgelegt g digital: Empfindlichkeit kann pro Aufnahme geändert werden ISO Einstellung bestimmt Verstärkung des analogen Signals vom Sensor vor der Quantisierung steigende Verstärkung erhöht auch das Rauschen Bildfehler (entspricht gröberer Körnung bei analogen Filmen) ISO 100 ISO 400 = vierfache Verstärkung je größer ISO desto kleiner Belichtungszeit

51 Digitalzoom Optischer Zoom: optische Vergrößerung durch Linsen vor der Signalwandlung in ein digitales Bild Digitalzoom nach der (optischen) Filterung nach der Diskretisierung und Quantisierung Funktionsweise: Ausschnitt aus der Sensormitte Vergrößerung auf Bildgröße durch Interpolation Verfahren herstellerabhängig, aber oft qualitativ niederwertige Verfahren (Pixelverdoppelung) also: nicht die Details werden vergrößert und dadurch sichtbar gemacht problematisch: Artefakte, die im bisherigen Prozeß entstanden sind, werden vergrößert

52 Weitere Kamerafunktionen Demosaicing: i Interpolation ti der Farbwerte für Bayer Matrix Tone Mapping: Anpassung des aufgenommenen Signals an menschliche Wahrnehmung Anzeige des Bildes im Vorschaumonitor Bildkompression für Speicherung: meist JPEG viele Kameras erlauben Rohdatenspeicherung: RAW 58

53 RAW-Daten Kamerarohdaten nach der Digitalisierungit i Weglassen aller weiteren (,qualitätsbeinflussenden) Bearbeitungsschritte, wie: Weißabgleich Farbsättigung Kontrast Shäf Schärfung Kompression Lassen sich auch am Rechner durchführen 59

54 Vorteile: RAW Vorteile & Nachteile 60 manche Kameraeinstellungen können ignoriert werden Nachbearbeitung flexibler RAW hat höheren Dynamikumfang leichte Über bzw. Unterbelichtungen lassen sich korrigieren Weißabgleich feinstufiger am Rechner Vermeidung von Kompressionsfehlern, da JPEG verlustbehaftet aber: größere Datenmengen Rauschen wird mit gespeichert mögliche Kompatibilitätsprobleme sinnvoll: gleichzeitige Speicherung von RAW und JPEG

55 Aufbau Kamera: Optisches System Bildverarbeitungssystem it t Zusammenfassung Bildbeeinflussende Parameter: Belichtungszeit Blende Iso Wert Weißabgleich Autofokus 61