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Erweiterter Dynamikbereich

In wissenschaftlichen Anwendungen, wie beispielsweise in der Astronomie, in denen auch geringe Bildfrequenzen ausreichen, ist ein exzellenter Dynamikbereich der Kamera äußerst wichtig.

Für den Anwender ist dabei entscheidend, dass sowohl sehr dunkle als auch sehr helle Bereiche gut aufgelöst werden und somit geringe Graustufenunterschiede sichtbar sind. Diese Kameras liefern oft einen tatsächlichen Dynamikbereich von 14 oder 16 Bit.

Ein Beispiel aus der industriellen Bildverarbeitung ist die Betrachtung von sehr hellen Prozessen, bei denen sowohl die Details des Prozesses, als auch ein hoher Detailreichtum des Hintergrunds benötigt werden. Eine typische Bildverarbeitungskamera mit einem Dynamikbereich von 8 oder 10 Bit würde entweder nur die dunklen oder nur die hellen Bereiche mit den Details erkennen.

Durch spezielle Beschaltung oder Signalverarbeitung können Kameras einen erweiterten Dynamikbereich erfassen und ausgeben. Dafür stehen verschiedene Technologien zur Verfügung:

Mehrfachbelichtung

Mit einem Linearsensor wird eine Folge von Bildern mit unterschiedlichen Belichtungszeiten aufgenommen. Diese Bilder werden zu einem HDR-Bild zusammengefasst.

Verschränkte Belichtung

Einige Sensoren können mit einem Interleaved-Belichtungsmodus verwendet werden. Ungerade und gerade Zeilen verwenden unterschiedliche Belichtungszeiten. Diese Zeilen können direkt auf dem Chip (z. B. mit vertikalem Binning), durch Verarbeitung in einem FPGA oder auf dem Host zu einem HDR-Bild kombiniert werden.

Multi-Slope-/Piecewise-Linear-Response-Verfahren (PLR)

Diese Technologie ist für einige CMOS-Sensoren verfügbar. Sie basiert auf einem Rückstellimpuls, der zu wählbaren Zeiten während der gesamten Belichtungszeit mit unterschiedlichen Signalpegeln angelegt wird. Typischerweise kann man den Wert ein- bis zweimal während einer Belichtungszeit zurücksetzen. Die Höhe des Rückstellimpulses und die Position relativ zur Belichtungszeit bestimmen das Ergebnis der HDR-Kompression. Das folgende Bild zeigt ein typisches Beispiel für diesen Modus:

Zu Beginn der Belichtung werden alle Pixel auf den gleichen Wert zurückgesetzt. Während der Belichtung können die Pixel je nach Bestrahlungsstärke unterschiedliche Werte erreichen (dies ist an den verschiedenen Steigungen der Pixel zu erkennen). Die angelegten Rückstellimpulse setzen Pixel zurück, die einen bestimmten Pegel überschreiten.

Wie im vorhergehenden Bild zu sehen ist, wird ein Pixel nicht von den Rückstellimpulsen beeinflusst, da die Bestrahlungsstärke zu gering war. Das andere Pixel wird jedoch zweimal zurückgesetzt. Die Bilder stellen den Effekt, den die Anwendung dieser Technik in einer realen Anwendung auslöst, entsprechend dar. Die gesamte Szene als auch der Glühdraht sind im Kamerabild mit hohem Kontrast sichtbar. Ohne die Multi-Slope-Exposure-Technik wäre entweder die Lampe überbelichtet oder die restliche Szene wäre sehr dunkel und es wären keine Details zu sehen.

Weitere Technologien:

  • Zwei-Chip-Kameras: zwei gleichzeitige Aufnahmen mit unterschiedlicher Belichtungszeit

  • Zwei- oder Mehrfach-Zeilenkameras: Verschiedene Zeilen werden mit unterschiedlichen Belichtungszeiten betrieben.

  • Sensoren mit individueller Pixelreaktion: Sensoren, bei denen unterschiedliche Pixel unterschiedlich reagieren (z. B. durch Verstärkung oder Full-Well-Capacity)

  • Logarithmischer oder abschnittsweise logarithmischer Sensor: Sensoren mit rein logarithmischer oder einstellbarer logarithmischer Antwort