Digitale Fotografie. Agfa. R. Wirowski (Agfa-Gevaert AG, FE-Film) 16. Dezember R. Wirowski. Agfa Lectures - Fachhochschule Köln 1

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1 Digitale Fotografie (-Gevaert AG, FE-Film) 16. Dezember 1998 Lectures - Fachhochschule Köln 1

2 Einleitung: Digitale Kamera Halbleiter-Sensor und Elektronik Gehäuse Optik und Verschluß Batteriehalterung Batterien Schalttafel Blitz Quelle: Lectures - Fachhochschule Köln 2

3 Einleitung: Digitale Kamera Teil 1: Sensor Teil 4: Bildbearbeitung Teil 5: Speicherung Teil 2: Optik Quelle: Teil 3: Belichtung Lectures - Fachhochschule Köln 3

4 Sensor: Grundprinzip Quelle: N A D digital Schneller Zwischenspeicher Daten Verstärkung Wandlung Speicherung Der Sensor in der digitalen Fotografie ist eine analoger Sensor Dies ist für alle kommenden Folien die Kennzeichnung einer wichtigen Grundaussage, die man behalten sollte! Lectures - Fachhochschule Köln 4

5 Sensor: Ausleseprinzip Die gängigen digitalen Sensoren unterscheiden sich nur bezüglich des Ausleseprinzips CCD Charge Coupled Devices (MOS-Design) PDA Photo Diode Array oder CID Charge Injection Devices (CMOS-Design) APS Active Pixel Sensor (CMOS-Design) Nicht zu verwechseln mit dem Advanced Photographic System! Lectures - Fachhochschule Köln 5

6 Sensor: CCD Charge Coupled Devices (1/2) Quelle: Quelle: Kosten Niedriges Rauschen, da keine unnötigen Kapazitäten Feste Auslesereihenfolge Eimaliges Auslesen Von der Geometrie her unterschiedliche Ladungsverluste Übersprechen der Pixel während langer Auslesezeiten Schlechte Frontseiten- Empfindlichkeit Lectures - Fachhochschule Köln 6

7 Sensor: CCD Charge Coupled Devices (2/2) Von der Geometrie her unterschiedliche Ladungsverluste Die Bildinformation des einzelnen Pixels wird mit der zunehmenden Ausleselänge verwaschen Quelle: M.A. Kriss, Center for Electronic Imaging Systems, Rochester Lectures - Fachhochschule Köln 7

8 Sensor: PDA Photo Diode Array Quelle: Quelle: Gute Frontseiten-Empfindlichkeit Wiederholbares Auslesen möglich Wenig Übersprechen beim Auslesen Zufällige Auslesereihenfolge Höhere Kosten Sehr hohes Rauschen, durch Kapazitäten der Auslesematrix Lectures - Fachhochschule Köln 8

9 Sensor: APS Active Pixel Sensor (1/2) Quelle: Quelle: Gute Frontseiten-Empfindlichkeit Wiederholbares Auslesen möglich Geringes Rauschen und kaum Übersprechen, durch Verstärkung des einzelnen Pixels Zufällige Auslesereihenfolge Hohe Kosten Pixel-Verstärker verbrauchen 10-80% der Fläche Active Pixels vereinigt Vorteile von CCD und PDA Lectures - Fachhochschule Köln 9

10 Sensor: APS Active Pixel Sensor (2/2) Pixel-Verstärker verbrauchen 10-80% der Fläche Quelle: Individuelle Verstärker pro Pixel Lichtsammlung per Mikrolinsen Verbesserung der Empfindlichkeit durch höheren Fill-Factor, z.b. durch Mikrolinsen Lectures - Fachhochschule Köln 10

11 Sensor: Größenvorstellung eines Chips (1/2) Lectures - Fachhochschule Köln 11 Quelle:

12 Sensor: Größenvorstellung eines Chips (2/2) Lectures - Fachhochschule Köln 12

13 Sensor: Entwicklungstendenzen (1/2) Quelle: Bei gleicher Photo-Effizienz des Siliziums gibt es zwei Entwicklungsrichtungen: 1.) Fill-Factor 2.) Größere Pixel Lectures - Fachhochschule Köln 13

14 Sensor: Entwicklungstendenzen (2/2) 2,0E+8 1,8E+8 1,6E+8 1,4E+8 1,2E+8 Anzahl Pixel per Sensor HDC Kodak CCD IMEC CMOS TI CCD Tektronix CCD Sony CCD 1,0E+8 $ pro Chip 8,0E+7 6,0E+7 4,0E+7 2,0E+7 $290 pro Chip Digitale Kameras 2000DM $ pro Chip 9 0,0E+0 Sensor-Größe [mm²] Lectures - Fachhochschule Köln 14

15 Optik: Aliasing-Problem (1/3) Hohe Ortsfrequenzen werden als niedrige Ortsfrequenzen wiedergegeben Lectures - Fachhochschule Köln 15 Quelle: M.A. Kriss, Center for Electronic Imaging Systems, Rochester

16 Optik: Aliasing-Problem (2/3) Warum ist das so? Betrachtung des fouriertransformierten Bildes zeigt, daß alle Frequenzen oberhalb der Nyquist-Frequenz auf niedrige Frequenzen abgebildet werden! Quelle: M.A. Kriss, Center for Electronic Imaging Systems, Rochester Lectures - Fachhochschule Köln 16

17 Optik: Aliasing-Problem (3/3) Das Aliasing-Problem ist umso schlimmer, je kleiner der Fill-Factor ist! Quelle: M.A. Kriss, Center for Electronic Imaging Systems, Rochester Lectures - Fachhochschule Köln 17

18 Optik: Aliasing-Abhilfe (1/2) Möglichkeit 1: Verwendung eines Objektivs, welches exakt bei einer Frequenz kleiner als der Nyquist Frequenz unscharf ist. (Tiefpaß) Quelle: Sehr problematische Lösung, da die Grenzfrequenz im Allgemeinen von dem Blendenwert abhängt: Quelle: M.A. Kriss, Center for Electronic Imaging Systems, Rochester Lectures - Fachhochschule Köln 18

19 Optik: Aliasing-Abhilfe (2/2) Möglichkeit 2: Verwendung eines optischen Vorfilters im direkten Kontakt zum Sensor, welches aus einem doppelbrechenden Quarzglas besteht! Quelle: M.A. Kriss, Center for Electronic Imaging Systems, Rochester Vorteil eines opt. Vorfilters (Prefilter) ist der Einsatz konventioneller Objektive anstelle von Spezialoptiken Lectures - Fachhochschule Köln 19

20 Belichtung: Einige Grundwahrheiten (1/2) Der A/D-Wandler einer digitalen Kamera konvertiert die Ladung der Photo-Elektronen meistens linear, d.h. er digitalisiert Intensität und keine Dichten (Unterschied zum Silberhalogenid-Film) Belichtungsspielraum bei 8 Bit: H = 2 8 = 256 D 2.4, d.h. kleinerer Belichtungsspielraum als bei Colornegativ- Film, etwas geringer als bei Umkehrmaterialien Durch das konstante elektronische Rauschen pro Zeitinterval, ist die Schwelle und damit die Empfindlichkeit von der Belichtungszeit abhängig: Mit zunehmender Belichtungszeit steigt das Rauschen, die Empfindlichkeit und der Belichtungsumfang reduzieren sich. (Vollständig anderes Verhalten als beim Film!) Lectures - Fachhochschule Köln 20

21 Belichtung: Einige Grundwahrheiten (2/2) Würde man die Empfindlichkeit einer digitalen Kamera genauso messen wie die eines Colornegativ-Films, indem man 0.2 Dichtepunkte über der Minimaldichte den Belichtungswert angibt, so ergibt sich das Folgende: Der Minimaldichte entspricht dem Rauschen des Films, so daß man auch das Rauschen des digitalen Sensors nehmen müßte. Damit nimmt aber die Empfindlichkeit eines digitalen Sensors linear mit der Erhöhung der Belichtungszeit ab. Aus diesem Grunde haben die digitalen Hersteller die Empfindlichkeit schlichtweg anders definiert. Die Angabe der Empfindlichkeit einer digitalen Kamera ist nicht mit der eines Silberhalogenid-Films zu vergleichen! Lectures - Fachhochschule Köln 21

22 Bildbearbeitung: Farbe & Auflösung (1/2) Nun kommt endlich auch die Farbe ins Spiel: Jeder Pixel hat einen Farbfilter, so daß sich jede Farbe regelmäßig alle zwei bis drei Pixel wiederholt. Quelle: Es gibt Sensoren sowohl mit additiven, als auch mit subtraktiven Filtern. Lectures - Fachhochschule Köln 22

23 Bildbearbeitung: Farbe & Auflösung (2/2) Der erste Bildbearbeitungsschritt ist für die Interpolation der fehlenden Farbinformation an den Pixel zuständig, wo eine andere Farbe wahrgenommen wurde. ( 8- zu 24-Bit Interpolation) Quelle: Eine Kamera 1Mio Pixels bedeutet: Alle farbigen Pixels zusammenaddiert ergeben 1Mio Pixels! Lectures - Fachhochschule Köln 23

24 Speicherung: PCMCIA-Karten (1/2) PCMCIA-Karte Typ I und II PCMCIA-Karte Typ III Es gibt eine Reihe anderer Speicherkarten, für die es allerdings immer Adapter auf das PCMCIA-Format gibt. Lectures - Fachhochschule Köln 24

25 Speicherung: PCMCIA-Karten (2/2) Innere einer PCMCIA-Karte Andere Speicherkarten Lectures - Fachhochschule Köln 25

26 Zusammenfassung (1/2) Bei der digitalen Kamera handelt es sich um eine von der konventionellen Kamera gänzlich verschiedene Technologie. Sensor, Optik und Speicherung Um digitale Fotografie sinnvoll einzusetzen ist ein Wissen über die andere Wirkungsweise unerläßlich. Belichtungszeitabhängige Empfindlichkeit Das Einholen der konventionellen Fotografie hinsichtlich Bildqualität durch die digitalen Kamera führt zwangsweise zu technologisch aufwendigeren System. Große Sensorflächen (zwischen KB- und Mittelformat) Optiken für größere Sensorflächen und mit einer Grenzfrequenz Vorfilter mit Doppelbrechung Lectures - Fachhochschule Köln 26

27 Zusammenfassung (2/2) Lectures - Fachhochschule Köln 27 Quelle:

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