Spektrale Eigenschaften einer HDR-Kamera

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David Reuter
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1 Spektrale Eigenschaften einer HDR-Kamera Wolfram Hans, Florian Bäckermann, Stefan Müller, Dietrich Paulus {hans, bakerman, stefanm, Institut für Computervisualistik Universität Koblenz-Landau 04. Oktober 2007 Spektrale Eigenschaften einer HDR-Kamera W. Hans, F. Bäckermann, S. Müller, D. Paulus Folie 1

2 Agenda Einleitung Motivation Rahmenbedingungen Versuchsreihen Spektrallampen Vollständiges Spektrum Monochromator Auswertung Spektralfarben Lineare Approximation Ausblick und Zusammenfassung Spektrale Eigenschaften einer HDR-Kamera W. Hans, F. Bäckermann, S. Müller, D. Paulus Folie 2

3 Motivation Bildentstehungsmodell x w f (k) x c R k (λ) 1 k E(λ) ρ(λ) f (k) = λ E konstant (λ,da e ) ρ(λ,da e ) R k (λ,e(λ)) dλ Spektrale Eigenschaften einer HDR-Kamera W. Hans, F. Bäckermann, S. Müller, D. Paulus Folie 3

4 Rahmenbedingungen Rahmenbedingungen Bestimmung der Sensorempfindlichkeit einer HDR-Kamera Aufgabenstellung in einer Diplomarbeit Nutzung vorhandene Ausstattung des Instituts Unterstützung durch Lehrmittel der Physik Verwendung von Spektralfarben wegen maximaler Sättigung Spektrale Eigenschaften einer HDR-Kamera W. Hans, F. Bäckermann, S. Müller, D. Paulus Folie 4

Spektrallampen Versuch mit Spektrallampen Erzeugung bekannter Wellenlängen durch diskretes Spektrum chemischer Elemente + Bekannte Spektrallinien

5 Spektrallampen Versuch mit Spektrallampen Erzeugung bekannter Wellenlängen durch diskretes Spektrum chemischer Elemente + Bekannte Spektrallinien Unterschiedliche Intensität Niedrige Strahlungsleistung Spektrale Eigenschaften einer HDR-Kamera W. Hans, F. Bäckermann, S. Müller, D. Paulus Folie 5

6 Vollständiges Spektrum Versuch mit vollständigem Spektrum Erhöhung der Bestrahlungsstärke durch vollständinges Spektrum mit stärkeren Lichtquellen + Gleiche Intensität + Höhere Strahlungsleistung Unbekannte Wellenlänge Spektrale Eigenschaften einer HDR-Kamera W. Hans, F. Bäckermann, S. Müller, D. Paulus Folie 6

7 Monochromator Versuchsaufbau mit Monochromator Spektrale Filterung mit Monochromator ++ Bekannte Wellenlänge Geringe Strahldichte (Damage Threshold 100W/cm 2 ) Linse λ Spiegel Lichtquelle Monochromator HDR-Kamera Photodiode Spektrale Eigenschaften einer HDR-Kamera W. Hans, F. Bäckermann, S. Müller, D. Paulus Folie 7

8 Monochromator Versuchsdurchführung Einsatz der HDR-Kamera GEVILUX CAM1xCL Verwendung einer hellen Kohlebogenlampe Abgleich der Bestrahlungsstärke über Kennline Datenaufnahme für 5,10,15 und 20mW/m 2 Durchstimmen des Monochromators in 10nm Schritten Normalisierte Ausgangsspannung Wellenlänge (nm) Quelle: Datenblatt des OPT101 Spektrale Eigenschaften einer HDR-Kamera W. Hans, F. Bäckermann, S. Müller, D. Paulus Folie 8

9 Spektralfarben Versuchsreihen Daten des Sensors bei 20mW/m 2 und 450nm Spektrale Eigenschaften einer HDR-Kamera W. Hans, F. Bäckermann, S. Müller, D. Paulus Folie 9

10 Spektralfarben Versuchsauswertung 1. Grün-Kanal 936 Blau-Kanal 1208 Rot-Kanal Grün-Kanal 951 Spektrale Eigenschaften einer HDR-Kamera W. Hans, F. Bäckermann, S. Müller, D. Paulus Folie 10

11 Spektralfarben Sensorantwort R k (λ) Pixelwert Sensorantwort bei 450nm G1-Kanal B-Kanal R-Kanal G2-Kanal Wellenlänge (nm) Spektrale Eigenschaften einer HDR-Kamera W. Hans, F. Bäckermann, S. Müller, D. Paulus Folie 11

12 Spektralfarben Versuchsergebnisse Verhältnis der Sensorantworten W3/W2 W3/W1 W3/W0 Sensorantwort Rot Blau Gruen1 Gruen2 Durchschnitt Gamma = Wellenlänge (nm) Bestrahlungsstärke (mw/m 2 ) Verhältnis der Sensorantwort bei unterschiedlichen Bestrahlungsstärken ist wellenlängenunabhängig. Zusammenhang zwischen Bestrahlungsstärke und Sensorantwort ist nichtlinear. Spektrale Eigenschaften einer HDR-Kamera W. Hans, F. Bäckermann, S. Müller, D. Paulus Folie 12

13 Lineare Approximation Alternatives Verfahren Stützen der Ergebnisse durch ein weiteres Kalibrierverfahren + Lineare Annäherung der Sensorantwort Keine direkte Zuordnung zur Wellenlänge möglich, Berechnung über Farbprüfmuster Aufwendige Photospektrometrische Messungen von Lichtquelle und Oberflächenreflektivität Emissionswert D65 Reflektanzwert Patch 1 Patch 2 Patch 3 Patch 4 Patch 5 Patch 6 Patch 7 Patch 8 Patch 9 Patch 10 Patch 11 Patch 12 Patch 13 Patch 14 Patch 15 Patch 16 Patch 17 Patch 18 Patch 19 Patch 20 Patch 21 Patch 22 Patch 23 Patch Wellenlänge (nm) Wellenlänge (nm) Spektrale Eigenschaften einer HDR-Kamera W. Hans, F. Bäckermann, S. Müller, D. Paulus Folie 13

14 Lineare Approximation Lineare Schätzung der Sensorantwort Diskretisierung des Bildentstehungsmodells f (k) = N L o,λ R k,λ f = LR λ=1 Bekannt sind Kameraantwort f und Strahldichte L Lösen der unterbestimmten Gleichung LR f 2 min nur unter weiteren Randbedingungen möglich: Positivität Glattheit Unimodalität Spektrale Eigenschaften einer HDR-Kamera W. Hans, F. Bäckermann, S. Müller, D. Paulus Folie 14

15 Lineare Approximation Näherung der Sensorantwort R k (λ) 10 R G B 8 Relative Empfindlichkeit Wellenlänge (nm) Spektrale Eigenschaften einer HDR-Kamera W. Hans, F. Bäckermann, S. Müller, D. Paulus Folie 15

16 Ausblick Beurteilung des Gamut bei extremen Lichtsituationen Einfluss von Automatikfunktionen der Kamera Verwendung mehrer Lichtquellen zu Vergrößerung der Messwertmatrix Ausnutzen des gesamten HDR-Dynamikumfangs Spektrale Eigenschaften einer HDR-Kamera W. Hans, F. Bäckermann, S. Müller, D. Paulus Folie 16

17 Zusammenfassung Ermitteln der spektralen Sensorempfindlichkeit bei konstanten und unterschiedlichen Bestrahlungsstärken Individuelle Auswertung des Bayer-Pattern Vergleich zweier Kalibrierverfahren Spektrale Eigenschaften einer HDR-Kamera W. Hans, F. Bäckermann, S. Müller, D. Paulus Folie 17

18 Quelle: Spektrale Eigenschaften einer HDR-Kamera W. Hans, F. Bäckermann, S. Müller, D. Paulus Folie 18

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Spektrale Eigenschaften einer HDR-Kamera Wolfram Hans, Florian Bäckermann, Stefan Müller, and Dietrich Paulus University of Koblenz-Landau Active Vision {hans,bakerman,stefanm,paulus}@uni-koblenz.de, http://www.uni-koblenz.de/agas