Basiswissen digitale Bildverarbeitung Analoge und digitale Bildverarbeitung

Transkript

1 Analoge und digitale ildverarbeitung Analoge Kamera Entwicklung Film Foto Aufnahme Scanner Ausgabe Digital-Kamera Speichern der Daten Computer Ausdruck

2 Auflösung Was ist ein Pixel? Pixel CCD Wird mit einem Pixel-CCD aufgenommen, erscheint die Fläche des Pixels nach der Aufnahme als graue Fläche, egal wie groß vergrößert wird. 8x8 Pixel CCD Mit einem 64 Pixel-CCD kann man nachher in der Wiedergabe schon ungefähre Konturen erkennen. Es ist aber nicht möglich das ild über Interpolation zu verbessern. Interpolation ild-informationen, die bei der Aufnahme nicht aufgelöst werden, können auch durch eine Interpolation nicht mehr sichtbar gemacht werden (das Lächeln ist nicht zu erkennen). 2

3 Auflösung Was ist ein Pixel? 5 Mio Pixel 6x6 Pixel CCD Verkleinern Wird direkt mit einem 256 Pixel-CCD aufgenommen, können noch mehr Details wahrgenommen werden. Wenn man das ild jetzt auf / verkleinert, kann das Auge auch die Treppen-Strukturen nicht mehr erkennen. Je mehr Pixel man zur Verfügung hat, desto näher kommt die Aufnahme an das Original heran. Die DiMAE 7 mit 5 Millionen Pixeln erreicht schon das Orginal. 3

4 CCD (Charge-Coupled Device) Licht CCD-Sensor ängige CCD-rößen: Kompakt- Digital-Kamera(/2") DiMAE 5/S34 (/,8") DiMAE 7 (2/3") Film-Formate: APS-C-Format Kleinbild Digitale Fotografie basiert auf dem Prinzip, dass Licht (Photonen) in elektrische Ladungsträger (Elektronen) umgesetzt wird. Dies geschieht mit Hilfe von CCDs (Ladungsgekoppelten Halbleitern). Man kann sich die einzelnen ildelemente auf den CCDs wie kleine Eimer vorstellen, in denen die entstandenen Elektronen gesammelt werden. Je mehr Elektronen sich in dem Eimer befinden, desto höher ist die Spannung (Volt). Ein CCD sammelt eine Zeit lang die durch die Photonen entstehenden Elektronen und gibt dann auf einmal seine Ladung ab (vgl. elichtungs-zeit bei analogen Kameras). CCDs bestehen aus einzelnen ildelemente (Pixel = Picture Elements) auf einer Fläche (= Matrix-Anordnung). Je größer ein Chip ist, desto größer können die einzelnen Pixel sein. Dies wirkt sich positiv auf die ildqualität, die Lichtempfindlichkeit und die Farbwiedergabe aus. 4

5 Digital-Kameras Pixel Das ild wird von den ildelementen, die in einer Matrix-Form angeordnet sind, in einem Durchgang erfasst. Ein Kamera-CCD besteht immer aus rot-, grün- und blauempfindlichen ildelementen (Pixel) Alle drei Farbkomponenten werden gleichzeitig belichtet. Der Nachteil dabei ist die verringerte Auflösung, da rot/blau-empfindliche ereiche nur die Hälfte der CCD-Fläche ausmachen. Die andere Hälfte der Fläche ist mit grünempfindlichen Sensoren bedeckt, da das menschliche Auge in diesem ereich besonders sensibel reagiert. Die grüne ildkomponente ist besonders wichtig für Schärfe und Kontrast der Aufnahme. Die fehlende Farbinformation für jeden einzelnen Pixel wird durch Software interpoliert, da jeder einzelne Pixel die Information für ot, rün und lau benötigt. 5

6 Nachberechnung der ot, rün und lau-information für jeden Pixel Aufnahme Analyse der Farben Daten- Verarbeitung Speichern Dargestelltes ild 6

7 Vergleich der Empfindlichkeiten: Film/CCD CCD ISO CCD 8 ISO Film ISO Eine höhere Empfindlichkeit des Films wird durch ein größeres Filmkorn erreicht. Ergebnis: robkörniges ild Verändert man die Empfindlichkeit eines CCD- Sensors, so ändert sich das Verhältnis von ildsignal zum rundrauschen der einzelnen ildelemente. Ergebnis: Digitales auschen wird in Form von hellen und/oder in falschen Farben wiedergegebenen -ildpunkten sichtbar. (Siehe auch: Unterbelichtung von CCD-Sensoren) Film 8 ISO = rundrauschen = ildinformation = Filmkörner 7

8 Unterbelichtung von CCD Sensoren ild mit weinig auschen ild mit viel auschen Dunkle ildstellen werden durch ein CCD nicht optimal erfaßt. Dunkle ildstellen = Schwache Ladung des CCDs. Die schwachen Ladungen des ildsignals unterscheiden sich kaum vom Störrauschen des CCDs (weiße Kreise in obiger Zeichnung). Störrauschen kann z.. durch Wärme entstehen. 8 Der sichtbare Effekt sind zufällig gefärbte Pixel in dunklen ildteilen. auschen kann durch Einstellen der niedrigsten ISO-Empfindlichkeit der Kamera verringert werden.

9 Überbelichtung von CCD Sensoren Helle eflexe z.. bei Metall erzeugen mehr Ladung als ein CCD-Element aufnehmen kann. Die überschüssige Ladung läuft dabei in benachbarte ildelemente und erzeugt den als LOOMIN bekannten Effekt. looming 9

10 Weißlichtabgleich Korrekter Weißlichtabgleich Kunstlicht (Tageslicht eingestellt) Verschiedene Lichtquellen haben unterschiedliche Farbtemperaturen (gemessen in Kelvin). Unterschiedliche Farbtemperatur bedeutet andere Zusammensetzung von rotem, grünem und blauem Lichtanteilen. Es gibt prinzipiell drei verschiedene Lichtarten: Tageslicht, Kunstlicht und Leuchtstoffröhrenlicht. Es muß bei der Aufnahme immer darauf geachtet werden, dass die richtige Lichtart an der Kamera einstellt ist. ei digitalen Kameras gibt es meistens eine Automatik-Funktion für den Weißlichtabgleich. Zusätzlich sollte eine Kamera aber auch manuelle Eingreifmöglichkeiten haben, damit auch bei unklaren Aufnahme-Situationen immer der richtige Weißlichtabgleich eingestellt werden kann. Leuchtstoff (Tageslicht eingestellt) Tageslicht (Kunstlicht eingestellt) Fehler im Weißlichtabgleich machen sich als fehlerhafte Farben im ild bemerkbar. Wenn bei der Aufnahme mehrere Lichtarten vorherrschen (Mischlicht), sollte ein manueller Weißlichtabgleich vorgenommen werden.

11 Scanner CCD Die Scannzeile eines Scanners besteht aus drei linear angeordneten CCD-Zeilen. Je eine Zeile für ot, rün und lau. Die Erfassung des ildes erfolgt schrittweise. Wobei entweder die Vorlage oder die CCD-Zeile jeweils genau um die reite eines ildelemtes bewegt wird. Film-Halter Linse Die maximal erreichbare Auflösung ist hierbei normalerweise höher als bei einer Digital-Kamera (Minolta Durchlichtscanner besitzen eine effektive ildauflösung von bis zu 2 Mio. ildpunkten). Für jeden ildpunkt liegt auch die wirkliche Information für ot, rün und lau zugrunde. Eine Nachberechnung der einzelnen Farben ist daher nicht notwendig. Lichtquelle

12 Mehrfachscan & Digital ICE ohne Mehrfachscan mit Mehrfachscan ohne Digital ICE mit Digital ICE Mehrfachscan auschen kann durch mehrfaches Scannen des selben ildes verringert werden. Die mehrmals gescannten ilder werden von der Scan-Software übereinander gelegt. auschen tritt immer zufällig auf, also auch immer an anderen Stellen. Dadurch kann die Software erkennen wo korrekte ildinformation ist, und wo auschen auftritt. Vor allem die dunklen ildpartien erscheinen besser. Digital ICE (Image Correction Enhancement) Mit der Digital ICE-Funktion (Staub- und Kratzerkorrektur) entfällt die etusche der gescannten ilder. Diese Funktion erkennt Verunreinigungen, wie z.. Staub, Kratzer oder Fingerabdrücke und korrigiert diese. Mit Hilfe dieser Funktion erhält man ohne manuelle Nachbearbeitung ein störungsfreies ild. 2

13 its und ytes = it = oder = = 9 = 255 =255 8 it = yte 24 yte = Kilobyte (K) 24 Kilobyte = Megabyte (M) 24 Megabyte = igabyte () Jede Digital-Kamera hat einen Prozessor und Speicher eingebaut (=Computer). Der Verarbeitungsprozeß läuft immer in sogenannten it (binary digit) ab. Da ein Computer immer nur die Stufen AN oder AUS kennt, kann ein it also nur die Stufen AN oder AUS haben (bzw. oder ). Da ein it nur zwei Zustände zulässt, braucht man mehr it, um mehr Zwischenstufen darstellen zu können. Man fasst 8 it zu einem yte zusammen. Mit einem yte kann man 2 8 = 256 Stufen darstellen. Das ganze System eines Computers basiert auf dem Dualen echensystem (unser Zahlensystem beruht auf dem Dezimal-System, da der Mensch zehn Finger hat). Für die Darstellung eines Farbbildes werden für jeden Pixel 3 yte gebraucht, damit die Farbe (je einen für, und ) des Pixels bestimmt werden kann. Eine 3 Megapixel Kamera gibt ein ild mit einer Dateigröße von 9 Megabyte aus (unkomprimiert). 3

14 Analog/Digital Wandler Analoges Signal Ein CCD gibt noch kein digitales Signal aus, sondern analoge Signale. Um das ild zu speichern und nachher wieder darstellen zu können, muss das analoge Signal in ein digitales gewandelt werden. Diesen Vorgang nennt man quantisieren oder sampeln. Das entsprechende auteil, welches nach dem CCD das Signal quantisiert, ist der Analog/Digitalwandler. Das Signal wird in Abhängigkeit von der möglichen A/D-Wandlung (Angabe in it) gewandelt. Wäre nur eine it A/D-Wandlung möglich, könnten nur schwarz oder weiß ausgegeben werden. ewandeltes Signal Das menschliche Auge kann nur etwa 8 raustufen erkennen. Wenn die A/D-Wandlung optimal sein soll, muß ein kontinuierlicher Verlauf von weiß nach schwarz auch nach der A/D- Wandlung als kontinuierlicher Verlauf für das Auge zu erkennen sein. Eine 8 it A/D-Wandlung bedeutet: 2 8 =256 raustufen. 4

15 Darstellung von Farben und raustufen 8 it = 2 8 = 256 darstellbare raustufen 6 it = 2 6 = 65,536 darstellbare raustufen 3 8 it = 2 3x8 = 6.7 Mio darstellbare Farben Im Computer werden raustufen als Vielfache von 8 it (= yte) dargestellt. Ein yte (mit 8 it) kann daher bis zu 256 verschiedene itkombinationen und somit 256 Helligkeitsabstufungen pro yte darstellen. Ein Pixel nimmt bis zu 256 Helligkeitswerte an. Mit 256 Helligkeitsabstufungen pro Farbkanal,, ergeben sich 6,7 Mio Farben. 3 6 it = 2 3x6 = 28 Mio darstellbare Farben 5

16 Farbtiefe 8 it Ausgabe 8 it Ausgabe 2 it Eingabe it Eingabe Das menschliche Auge kann ungefähr 8 Helligkeitsstufen erkennen. Mit 2 it können 496 verschiedene raustufen dargestellt werden. Der CCD-Sensor hat eine lineare Kennlinie (doppelte Helligkeit = doppelte Spannung). Dagegen haben fotografische Materialien logarithmische Kennlinien (doppelte Helligkeit = z. Erhöhung der Schwärzung um,3 Dichten). ei einer A/D-Wandlung mit nur 8 it können feine Farbnuancen nicht mehr wiedergegeben werden. Um eine optimale Korrekturmöglichkeit zu haben, ist eine Ausgabe im 6 it Modus sinnvoll. Alle aktuellen Minolta Scanner bieten diese Möglichkeit. Die DiMAE 7 und DiMAE 5 haben die Möglichkeit in einem 2 it ohdaten-format ilddaten auszugeben. 2 it A/D-Wandlung* *simuliert it A/D-Wandlung* Eine hohe Farbtiefe ist dann notwendig, wenn die Helligkeit und der Kontrast der ilder nachher verändert werden sollen. 6