WHITE PAPER www.basler-ipcam.com Wie viele Pixel braucht man wirklich? Die Frage, die sich am häufigsten beim Kauf einer neuen digitale Sicherheitskamera stellt, ist: Welche Auflösung hat die Kamera? Sicherlich ist die Auflösung ein wichtiger Leistungsparameter, wenn man Bilder hoher Qualität erhalten möchte. Sie stellt aber nur eines von vielen wichtigen Merkmalen dar. Die besten Ergebnisse mit einer Kamera erzielt man nur dann, wenn man auch ihre übrigen Eigenschaften wie beispielsweise weitere Parameter des Bildsensors, der Optik und der Mechanik mit berücksichtigt. Eine Kamera mit höchstmöglicher Auflösung ist nicht immer die beste Lösung für eine gegebene Problemstellung. Dieses White Paper beschreibt einige der Faktoren neben der Auflösung, die entscheidenden Einfluss auf die Bildqualität haben. Wichtige Sensor-Parameter wie Empfindlichkeit, Full-Well-Kapazität und Dynamikbereich werden besprochen und ein kurzer Einblick in optische und andere Probleme präsentiert, die sich durch höhere Auflösungen ergeben können. Mithilfe dieser Informationen können Sie die beste Wahl für Ihre Anforderungen treffen. Ist Auflösung wirklich so wichtig? Obwohl viele Bildverarbeitungsanwendungen gut mit VGA-Auflösung auskommen, werden in anderen Anwendungen Kameras von mittlerweile 1 bis 10 Megapixel eingesetzt, soweit es die geforderte Bildwiederholrate erlaubt. Durch die Forderung vieler Anwender nach höheren Auflösungen haben sich zurzeit Kameras mit 5 Megapixeln zum neuen Standard entwickelt. Einige Kamerahersteller bieten inzwischen auch Modelle mit 10 Megapixeln und mehr an. Der Trend zu mehr Pixeln in einer Kamera hält insbesondere auch bei digitalen Consumer-Kameras für den privaten Gebrauch an. Vor ein paar Jahren war hier noch 1 bis 3 Megapixel gängig. Heute sehen wir oftmals schon Kameras mit 10 bis 16 Megapixel und mehr. Verbesserungen im Layout und Kostenfaktoren, die mit dem Siliziumpreis zusammenhängen, haben die Entwicklung zu höheren Auflösungen ermöglicht und beschleunigt. Der Kostenvorteil kleiner, hochauflösender Sensoren spielt auch im Netzwerkkamera-Markt eine Rolle. Stellen Sie sich beispielsweise einen typischen 1/3 -Sensor mit 5 Megapixeln vor: die Kantenlänge seiner Pixel beträgt nur ~2 µm (für einen Farbsensor ist die effektive Pixelgröße aufgrund der Interpolation zwei Mal so lang oder vier Mal so groß in Bezug auf die Fläche). Zum Vergleich verfügt ein VGA- Sensor mit gleicher Fläche über eine Pixelgröße von 7,4 µm. Kleinere Pixel bringen allerdings einige Nachteile mit sich oder erfordern zumindest einige Überlegungen, die Sie in Betracht ziehen sollten. Die Hauptauswirkungen sind: höhere Anforderungen an die Optik des Objektivs geringere Tiefenschärfe und die Notwendigkeit genauerer Sensorjustage verminderte Lichtempfindlichkeit bei hoher Pixelanzahl verminderte Bildwiederholrate und höhere Datenrate 1
Grenzen der Optik Kein Low-Cost-Objektiv für anspruchsvolle Bildverarbeitung Sehen wir uns nun das Objektiv an, das ein Bild des Objekts auf dem Sensor erzeugt. In welchem Zusammenhang steht dies mit der Pixelgröße? Stellen wir uns einen sehr kleinen Punkt auf dem Objekt vor, das abgebildet werden soll. Das typische Kameraobjektiv ist ein komplexes System aus mehreren Linsen, durch die das Licht gelangen muss. Dieses aufwändige Linsensystem dient der Korrektur zahlreicher Abweichungen, die eine einzelne Linse aufweisen würde. Gute Objektive bilden jeden Punkt auf dem Objekt auf eine Scheibe von 5 bis 7 Mikrometer Durchmesser auf dem Sensor ab. Sehr gute Objektive können sogar weniger als 5 Mikrometer erreichen. Mit preisgünstigen Objektiven lassen sich selten weniger als 15 bis 20 Mikrometer realisieren. Pixel, die deutlich kleiner als dieser Wert sind, erzeugen also aus optischer Sicht nicht die volle Auflösung. Daher gilt: Für kleine Pixel sollten hochwertige Objektive verwendet werden. Doch selbst wenn die Korrekturen des Objektiv- Systems perfekt arbeiten würden, gäbe es noch immer eine physikalische Begrenzung der Objektivleistung, die als Beugungsbegrenzung bekannt ist. Kein Objektiv der Welt kann einen Punkt des Objekts wirklich auf einen unendlich kleinen Punkt auf dem Sensor abbilden es handelt sich vielmehr immer um eine - wenn auch sehr kleine - Scheibe. Je kleiner die Blende des Objektivs eingestellt ist, desto größer ist der Durchmesser dieser Scheibe. Die Blendenzahl des Objektivs, die in Mikrometern dargestellt wird, gibt Ihnen die Grenze für die Beugung im Sensor an. Ein Objektiv mit einer Blendenzahl von 5,6 wird einen Punkt des Objekts in eine Scheibe von bestenfalls ungefähr 6 Mikrometern Durchmesser auf dem Sensor abbilden. DurchmesserAiry = 2,44 * k * λ (mit λ = Wellenlänge und k = Blendenzahl = f/d, mit f = Brennweite, d = Durchmesser der Iris) Abb. 2: Testbild, aufgenommen mit leistungsfähigem (oben) und einfachem (unten) Objektiv. Das untere Bild weist weniger Kontrast sowie geringere Auflösung und Farbgenauigkeit auf. Abb. 1: Ein preisgünstiges Objektiv reicht oft aus, um auf einem Sensor geringer Auflösung ein scharfes Bild zu erzeugen (oberes Bild). Dasselbe Objektiv an einem hochauflösenden Sensor lässt ein unscharfes Bild entstehen (mittleres Bild). Das Potenzial eines hochauflösenden Sensors lässt sich nur mit einem sehr guten Objektiv optimal nutzen (unteres Bild). 2
Schärfentiefe Wir haben gesehen, wie die Objektiv-Optik auf einen Sensor mit kleineren Pixeln abgestimmt werden muss. Kleine Pixel verengen aber auch die Toleranzen für die mechanische Justage, z. B. des Objektivanschlusses. Bedeutend für die Kamerahersteller sind daher die engeren Toleranzen bei der Sensorpositionierung für alle Freiheitsgrade (x, y, z, Verkippung um beide Achsen, und Rotation). Aber nicht nur der Hersteller muss sich diesen Herausforderungen stellen. Auch der Kamera-Benutzer muss bei der Einstellung der Bildschärfe besonders sorgfältig sein. Die Toleranzen werden umso enger, je größer die Blende gewählt wird. Zusammenfassend kann man sagen, dass kleinere Pixel mit vielen Eigenschaften in der Kamera in Einklang gebracht werden müssen, wenn man beste Abbildungsleistung und Auflösung erreichen möchte. Beachten Sie bei Ihren Überlegungen, dass sich bei Farbkameras mit Bayer-Pattern (rot, grün, rot, grün usw. für ungerade Zeilen und grün, blau, grün, blau usw. für gerade Zeilen) die effektive Pixelgröße verdoppelt, da Sie eine Pixelanordnung von 2 x 2 benötigen, um volle rote, grüne und blaue (RGB)-Information aufzunehmen. Abb. 3: Vergleich zwischen Pixelgröße in einem monochromen Sensor und effektiver Pixelgröße aus einem Bayer-Muster in einem Farbsensor Empfindlichkeit und Dynamikbereich Hinter Pixelanzahl und Größe. Objektivqualität und Toleranzen bei der Ausrichtung, gibt es zusätzliche Parameter, die beachtet werden müssen: Dunkelrauschen, Empfindlichkeit, Sättigungskapazität und der damit im Zusammenhang stehende Dynamikbereich. Zunächst wollen wir uns mit dem Parameter Dunkelrauschen näher beschäftigen, da diese Größe Vorraussetzung auch für das Verständnis der anderen Parameter ist. Alle Kameras erzeugen ein Dunkelrauschen, welches dem Ausgangssignal der Kamera sogar in völliger Dunkelheit überlagert ist. Daher der Name Dunkelrauschen (engl. Dark Noise ). Wir messen und vergleichen das Signal-Rausch- Verhältnis (S/N) in Dezibel (db). Je höher das S/N-Verhältnis in Dezibel, desto weniger sind Artefakte bemerkbar, die auf Dunkelrauschen zurückzuführen sind. Den größten Einfluss hat das Dunkelrauschen auf das S/N-Verhältnis, wenn nur wenig Licht vorhanden ist. Dies ist z. B. der Fall, wenn das Videosignal, etwa bei schwacher Beleuchtung, geringer als das Signal für Dunkelrauschen ist. Je mehr Licht vorhanden ist, desto geringer ist der Effekt des Dunkelrauschens. Dunkelrauschen wird als Standard-Abweichung der Anzahl der Elektronen angegeben. Wenn das Signal eines Pixels, das durch Photonen, also durch Licht, verursacht wird, auf dem gleichen Level wie das Dunkelrauschen des Pixels ist, entspricht dieses Signal der sogenannten Nachweisgrenze. Diese gibt Ihnen ein Maß für die Empfindlichkeit der Kamera an die Hand. Mit weniger Licht als zur Erreichung der Nachweisgrenze nötig, bekommen Sie keine Bildinformation. Je mehr Pixel der Sensor Ihrer Kamera hat (auf einem Sensor einer gegeben Größe), desto mehr Photonen werden benötigt, um sicher zu stellen, dass die Anzahl der Photonen, die an jedem Pixel ankommen, den Grenzwert für Empfindlichkeit erreichen. Um das gleiche Signal-Rausch- Verhältnis zu erreichen, benötigt z. B. ein 5-Megapixel-Sensor daher vier Mal so viele Photonen wie ein 1,3-Megapixel- Sensor und 16 Mal so viele Photonen wie ein VGA-Sensor. Moderne Sensoren verwenden manchmal rückwärtige Belichtung (backside illumination) für höhere Effizienz, um diesen Unterschied ein wenig abzuschwächen. 3
Um eine annehmbare Bildqualität zu erhalten, muss die Nachweisgrenze deutlich überschritten werden. Dafür ist ein minimales Signal-Rausch-Verhältnis von mindestens 5 oder 10 nötig (dieser minimale Lichtwert wird bei Basler entsprechend einem Signal-Rausch-Verhältnis von ~6 oder ~15 db definiert). Abb. 4: Bildqualität mit unterschiedlichem Signal-Rausch-Verhältnis. Bei schlechter Beleuchtung neigen Sensoren mit kleinen Pixeln eher zum Rauschen als Sensoren mit größeren Pixeln. Dies erklärt die Grenzen des Sensors bei schwacher Beleuchtung. Aber wo liegt die Grenze eines Sensors nach oben hin, d.h. gegenüber sehr viel Licht? Diese Frage kann man durch einen anderen Begriff erklären: Full-Well-Kapazität oder Sättigungskapazität. Die Full-Well-Kapazität repräsentiert die maximale Anzahl an Elektronen, die ein einzelnes Pixel aufnehmen kann. Diese Anzahl stimmt mit der oberen Grenze des Sensor-Outputs überein. Auf CCD-Sensoren wird diese Anzahl oftmals künstlich auf eine verminderte Sättigungs-Kapazität begrenzt, um andere Bild-Artefakte wie Überbelichtung und Blooming zu verhindern. Nachdem die untere und obere Grenze der Sensorantworten auf Licht definiert sind, können wir schließlich den noch fehlenden Begriff Dynamikbereich erklären: Er wird durch das Verhältnis der Sättigungskapazität (Full- Well-Kapazität) zur Nachweisgrenze definiert. Anders ausgedrückt: Der Dynamikbereich ist das Verhältnis der hellsten und dunkelsten Werte, die ein Pixel als echte Reaktion auf einfallendes Licht detektieren kann. Gute CCD-Kameras ohne Peltier-Kühlung weisen ungefähr 7 bis 10 Elektronen Dunkelrauschen auf, auch 20 Elektronen sind ein noch akzeptabler Standard. Für eine gute Kamera mit 20000 Elektronen Sättigungskapazität und 8 Elektronen Dunkelrauschen ergibt dies einen Dynamikbereich von 2500, was 68 db oder 11,3 Bits (1 Bit = 6,02 db) entspricht. Datenkomprimierung und Bildwiederholrate Große Auflösungen und hohe Bildwiederholraten erfordern eine große Bandbreite und viel Speicherplatz. In IP-Anwendungen sind komprimierte Datenformate weit verbreitet. Durch Datenkompression kann die Datenrate reduziert werden, so dass Standard-Internet-Protokolle zur Übertragung ausreichen. Doch selbst trotz komprimierter Daten stellen Sensoren großer Auflösung noch eine Herausforderung hinsichtlich der Datenmenge dar. Der Benutzer muss entscheiden, ob eine höhere Auflösung wirklich wichtig ist, wenn es um die Berechnung des Netzwerk-Layouts und die Hardware für das Video Management System geht. Der Einfluss der Auflösung auf die Bildwiederholrate muss ebenfalls berücksichtigt werden. Eine höhere Anzahl an Pixeln erzeugt eine größere Menge an Daten, die innerhalb und außerhalb der Kamera in begrenzter Zeit verarbeitet werden muss. Das reduziert die maximal mögliche Bildwiederholrate. Je größer die Auflösung, desto niedriger die Grenze für die maximale Bildwiederholrate und umgekehrt. Für viele Anwendungen ist es aber möglich, einen guten Kompromiss zwischen Bildwiederholrate und Auflösung zu finden. Zusammenfassung Welche Überlegungen müssen Sie also anstellen, wenn Sie die richtige Kamera für Ihre Anwendung suchen? Eine Vielzahl von Faktoren spielt eine Rolle. Möchten Sie in Ihrer Anwendung einen allgemeinen Überblick über einen Ort bekommen oder sind Sie an kleineren Details wie beispielsweise Nummernschildern, Gesichtern oder Spielkarten interessiert? Wenn Sie diese Fragen für sich beantworten, werden Sie herausfinden, welche Auflösung die richtige für Ihre Anwendung ist. Beachten Sie, dass Sie die Mehrausgaben, die Sie für eine Kamera mit hoher Auflösung ausgegeben haben, nicht dadurch vergeuden, dass Sie diese mit einem günstigen Objektiv mit begrenzter Abbildungsleistung kombinieren. Das Objektiv ist der wichtigste Bestandteil in jeder Bildverarbeitungskette, in der hohe Auflösung (Megapixel oder Multi-Megapixel) erforderlich ist. Die richtige Objektivauswahl wird umso wichtiger, je kleiner die Pixel werden (die Auflösung wird größer). Unter schwierigen Lichtverhältnissen muss die Kamera über ein gutes Signal- Rausch-Verhältnis verfügen, um trotzdem gute Bildqualität zu gewährleisten. Überprüfen Sie also zunächst das S/N- Verhalten in der Kameraspezifikation (60 db oder besser) und wählen Sie dann ein Objektiv mit größtmöglicher Blende (kleinste Blendenzahl), um so viel Licht wie möglich sammeln zu können. Unter extremen Beleuchtungsbedingungen kann es auch nötig sein, für zusätzliche Beleuchtung zu sorgen oder aber die vorhandene Lichtintensität zu reduzieren. 4
Autor Björn Weber ist Produktmanager für IP-Kameras und seit 2005 bei Basler tätig. Über Basler Basler ist ein führender Entwickler und Hersteller von hochwertigen digitalen Kameras für Anwendungen in Industrie, Videoüberwachung, Medizin und Verkehr. Die Produktentwicklung wird von den Anforderungen aus der Industrie gesteuert. Die Kameras bieten einfache Integration, kompakte Größen und ein hervorragendes Preis-Leistungs- Verhältnis. Basler verfügt über mehr als 20 Jahre Erfahrung im Bereich der Bildverarbeitung und entwickelt und produziert seit fast 15 Jahren qualitativ hochwertige digitale Kameras. Die Firma beschäftigt rund 300 Mitarbeiter an seinem Hauptsitz in Ahrensburg und an Standorten in den USA, Singapur, Taiwan und Korea. Kontakt Björn Weber, Produktmanager Tel. +49 4102 463 448 Fax +49 4102 463 46448 bjoern.weber@baslerweb.com Basler AG An der Strusbek 60-62 22926 Ahrensburg Basler AG Deutschland, Zentrale Tel. +49 4102 463 500 Fax +49 4102 463 599 bc.sales.europe@baslerweb.com www.basler-ipcam.com USA Tel. +1 610 280 0171 Fax +1 610 280 7608 bc.sales.usa@baslerweb.com Asien Tel. +65 6425 0472 Fax +65 6425 0473 ip.sales.asia@baslerweb.com 12/02 5