Hauptseminar Autofokus

Transkript

1 Hauptseminar Autofokus Hans Dichtl 30. Januar 2007

2 Wann ist ein Bild fokussiert? Wann ist ein Bild fokusiert? Welche mathematischen Modelle stehen uns zur Verfügung? Wie wird das elektronisch und mechanisch umgesetzt? Welche Kompromisse müssen wir eingehen? Auf welchen Teil des Bildes wollen wir eigentlich fokussieren?

3 Wann ist ein Bild fokussiert? Das Bild ist genau dann im Fokus wenn die Bildebene im Brennpunkt des Strahlengangs liegt. Dann ist der Kontrast maximal und wir haben ein scharfes Bild.

4 Wann ist ein Bild fokussiert?

5 Welche mathematischen Modelle stehen uns zur Verfügung? Kontrastmessung Transfomieren mit Fouriertransformation Frequenzen betrachten (dazu später mehr) Gradienten bestimmen (wird hier nicht weiter untersucht) Entropiemessung (wird hier nur kurz behandelt) Aktive Abstandsmessung Laufzeitmessung Triangulation (auch dazu später mehr)

6 Welche Kompromisse müssen wir eingehen? In der Praxis relevant: benötigte Rechenzeit (Geschwindigkeit, Stromverbrauch) Zuverlässigkeit Fehleranfälligkeit Entwicklungs- und Herstellungskosten (z.b.: wird zusätzliche Mechanik benötigt, werden spezielle Sensoren gebraucht?) Fokussiergeschwindigkeit

7 Auf welchen Teil des Bildes wollen wir eigentlich fokussieren? Auf welchen Teil des Bildes wollen wir fokussieren? Mehrere Möglichkeiten bieten sich an: das gesamte Bild das Zentrum des Bildes (zentrierter Kreis mit Radius r) den Hintergrund (Randbereiche) das Objekt mit dem geringsten Abstand einen bestimmten Bildausschnitt (z.b. eine bestimmte Person) Wir beschränken uns im Folgenden darauf, das gesamte Bild möglichst gut im Fokus zu haben.

8 Auf welchen Teil des Bildes wollen wir eigentlich fokussieren?

9 Auf welchen Teil des Bildes wollen wir eigentlich fokussieren?

10 Methoden der Fokussierung Obscuration Methode

11 Obscuration Methode Mit einer halbseitigen Blende wird eine Hälfte der Strahlen verdeckt, so das nur noch ein Halbkreis ungehindert bis zum Sensor kommt. Ist das Bild im Fokus, so kommt am Sensor nur ein Punkt an, ansonsten ein mehr oder wenig großer Halbkreis, dessen Orientierung verrät, ob wir zu nah oder zu weit weg sind.

12 Obscuration Methode

13 Obscuration Methode Vorteile: vom Prinzip her sehr einfach unkompliziert zu implemetieren Fokussierrichtung sofort erkennbar schnelle Fokussierung Nachteile: benötigt einen klaren hellen Punkt zum Fokussieren sehr speziallisiertes Verfahren Anwedungsgebiete: CD-/DVD-Player

14 Methoden der Fokussierung Astigmatisches Verfahren

15 Astigmatisches Verfahren Mit einer zusätzlichen (Zylinder-) Linse wird ein zusätzlicher Brennpunkt erzeugt. Die Strahlen bilden zunächst ein Oval, gehen über zu einem Kreis und anschließend wieder zu einem (diesmal um 90 Grad gedrehten) Oval.

16 Astigmatisches Verfahren

17 Astigmatisches Verfahren Vorteile: vom Prinzip her einfach unkompliziert zu implemetieren Fokussierrichtung sofort erkennbar schnell zuverlässig Nachteile: benötigt hellen Punkt zum Fokussieren sehr speziallisiertes Verfahren Anwendungsgebiete: Wie beim der Obscuration Methode CD- und DVD-Player

18 Kontrastmessung mit der Fouriertransformation

19 Kontrastmessung mit der Fouriertransformation Wenn wir das Bild in den Frequenzraum transformieren erhalten wir eine Zerlegung in die einzelenen Frequenzanteile. Details werden dabei durch hochfrequente Anteile dargstellt, weiche Übergänge durch niederfrequente. Der Grundgedanke: je höher der hochfrequente Anteil umso höher ist auch der Kontrast.

20 Graph Fouriertransformation: 1-Dimensional 5 0 Frequenzraum (real) Frequenzraum (imag) Graph Frequenzraum (real) Frequenzraum (imag)

21 Fouriertransformation: 2-Dimensional Links das Bild im Ortsraum, gefolgt von der 1-dimensionalen (spaltenweise) und der 2-dimensionalen Fouriertransformation. Ganz rechts wurde nochmal geshifted, so dass die hohen Frequenzen in der Mitte liegen.

22 Kontrastmessung mit der Fouriertransformation Feine Strukturen zeigen sich im Frequenzraum durch einen hohen Anteil im hochfrequenten Bereich. Bilder die scharf fokussiert sind unterscheiden sich hier also deutlich von Bildern die unscharf sind. In der Bildbearbeitung kann man diesen Umstand auch zum Filtern ausnutzen, dies ist hier aber nicht weiter wichtig.

23 Kontrastmessung an einem Beispiel

24 Kontrastmessung an einem Beispiel Ortsraum Frequenzraum Ortsraum Frequenzraum

25 Kontrastmessung an einem Beispiel Ortsraum Frequenzraum Ortsraum Frequenzraum

26 Kontrastmessung per Entropiemaximierung

27 Kontrastmessung per Entropiemaximierung Hier wird die Entropie (= Unordnung) des Bildes bestimmt. Eine hohe Entropie steht für einen hohen Kontrast, eine niedirge Entropie für weiche Übergänge. Vorteil gegenüber der Fouriertransformation: es wird weniger Rechnezeit benötigt (linearer Aufwand, FFT O(n log n))

28 Kontrastmessung per Entropiemaximierung 1 Bildpunkte 1 Histogramm

29 Kontrastmessung per Entropiemaximierung 1 Bildpunkte 1 Histogramm

30 Depth from Focus Die Fokuseinstellung wird solange verändert und gemessen, bis die optimale Fokuseinstellung gefunden wurde. Üblicherweise wird hier mit der Kontrastmessung die Fokussierung beurteilt und das Maximum gesucht. Nachteil: man muss über die optimale Einstellung hinaus testen (das Optimum durchlaufen) um das Maximum zu finden. Außerdem besteht die Gefahr bei einem lokalen Maximum hängen zu bleiben.

31 Depth from Defocus Anhand von ein paar Messungen wird die optimale Fokussierung berechnet und dann sofort richtig eingestellt. Langes suchen ist nicht nötig. Nachteil: relativ kompliziertes Verfahren, benötigt viel Rechenleistung.

32 Phasenvergleich Mit einem Stereobild wird die Entfernung über Triangulation bestimmt (absolutes Verfahren) oder variiert bis Fokuseinstellung passt (relatives Verfahren).

33 Phasenvergleich a = b a = b c c d d

34 Laufzeitmessung

35 Laufzeitmessung Es wird ein Impuls ausgesendet und die Zeit gemessen, bis das Echo bei der Kamera ankommt. Anhand der Zeitdifferenz wird die Entfernung bestimmt.

36 Laufzeitmessung Vorteile: sehr schnelle Entfernungsmessung ausreichend genau einfach zu realisieren, kein hoher Rechenaufwand nötig Nachteile: zusätzliche Mechanik notwendig funktioniert nicht oder nur unzuverlässig durch Glasscheiben hindurch oder bei Spiegeln Anwendung: zum Beispiel bei einigen Kameramodellen von Polaroid

37 Ganz ohne Autofokus Fixfokusobjektive

38 Ganz ohne Autofokus Fixfokusobjektive Fixfokusobjektive haben einen fest eingestellten Fokus. Um trotzdem auf einem möglichst großen Bereich fokussieren zu können wird eine hohe Tiefenschärfe angestrebt. Hierzu benutzt man eine Linse mit kleiner Brennweite und eine Blende mit kleiner Öffnung.

39 Fixfokusobjektive hohe Tiefenschärfe

40 Vorteile: Fixfokusobjektive es werden keine beweglichen Teile benötigt - wartungsarm billig in der Herstellung kleine Abmessungen Nachteile: hohes Rauschen und/oder hohe Belichtungszeit wegen kleiner Blende keine Möglichkeit nachzujustieren allgemein nur mäßige Bildqualität Anwendungsgebiet: Handykameras, Webcams, Überwachungskameras ( Spycams )

41 Vielen Danke für die Aufmerksamkeit!