Title: EVC Test1 / Bildaufnahme

Q: Menschliches Auge
A: Organ das auf Lichtreize reagiert

Q: Sehvorgang (Prozess)
A: Bild

Q: Linse
A: Fokussierung des Abbilds der Umgebung

Q: Retina/Netzhaut
A: lichtempfindliche Membran aus mehreren Schichten von Neuronen, durch Synapsen verbunden

Q: Fotorezeptoren
A: werden durch Lichtreize angeregt
es gibt Stäbchen und Zäpfchen

Q: Schwarz-Weiß / Farbe
A: Stäbchen / Zäpfchen

Q: Stäbchen
A: Schwarz-Weiß

Q: Zäpfchen
A: Farbsehen

Q: Bereich des schärfsten Sehens
A: Fovea centralis: 50% der Signale die über den Sehnerv weitergegeben werden

Q: Was beschreibt das Modell der Lochkamera?
A: mathematische Beziehung zwischen 3D Punkt und dessen Projektion auf eine Bildebene

Q: Lochkamera ist, hat:
A: - das einfachste Bildaufnahmegerät, das die Geometrie der perspektivischen Projektion genau wiedergibt
- keine geometrischen Verzerrungen oder Ungenauigkeiten von unfokussierten Objekten, welche durch Linsen und endlich dimensionierte Blenden hervorgerufen werden

Q: Annahmen zur Gleichung zur perspektivischen Projektion (3)
A: - Zentrum der Projektion = Ursprung des Kamerakoordinatensystems
- Kameraachse (optische Achse) = an z-Achse der Kameraachse ausgerichtet
- Bildebene vor Zentrum der Projektion (um Bildumkehrung zu vermeiden)

Q: Brennweite ist
A: fokale Länge: Entfernung zwischen Bildebene und dem Zentrum der Projektion
bei digitalen Kameras: Entfernung Linse zu CCD-Chip

Q: optische Achse
A: - Gerade durch Zentrum der Projektion
- normal auf Bildebene

Q: y/Y = f/Z * y
A: Projektion des Objekts in der Bildebene
Y ... Objektgröße
Z ... Entfernung Objekt zu Zentrum der Projektion

Q: Gleichung der perspektivischen Projektion
A: x = f/Z * X
y = f/Z * Y
ist ...

Q: perspektivische Projektion ist (5,*)
A: - nicht linear: Entfernung zu einem Objekt umgekehrt proportional zur Bildgröße
- ist eine 1:n Abbildung: mehrere §D Punkte können auf denselben Punkt abgebildet werden
- 3D Linien werden auf 2D Linien projiziert (außer parallel zur optischen Achse)
- Entfernungen und Winkel bleiben nicht erhalten
- parallele Linien werden auf nicht-parallele projiziert

Q: was braucht man für möglichst scharfe Projektion
A: wozu braucht man
ein möglichst kleines Loch
Lochblende

Q: Abbildungsgeometrie von Linsen
A: Parallele Strahlen die in Richtung der optischen Achse einfallen werden im Brennpunkt fokussiert

Q: einfache Linsengleichung
A: 1/u +1/v = 1/f
- weit entfernte Objekte werden im Brennpunkt scharf abgebildet
- alle näheren Punkte dahinter

Q: Tiefenschärfe theoretisch vs praktisch
A: theoretisch: Objekte mit bestimmter Entfernung
praktisch: Tiefenschärfebereich

Q: DOF
A: Depth of Field

Q: DOF Depth of Field
A: Entfernung zwischen nähestem und weitestem scharfen Objekt
beeinflusst durch: Sensorauflösung, Linsengröße/Blendenöffnung

Q: Blende
A: ringförmige Öffnung vor der Linse
bestimmt den Kegelwinkel des Strahlenbündels
(je kleiner Blende desto weniger Strahlen treffen Bildebene)

Q: je [...] Blende desto [...] Strahlen treffen Bildebene)
A: kleiner; weniger

Q: Tiefenschärfebereich
A: durch größe der Linse bestimmt
größere Linse: mehr Strahlen eines einzigen Objektpunktes auf Bildebene
wenn nicht im richtigen Abstand zur Linse: Blur Circle

Q: [...] Linse: [...] Strahlen eines einzigen Objektpunktes auf Bildebene
A: größere; mehr

Q: Blur Circle
A: Wenn Bildebene nicht im richtigen Abstand zur Linse fallen Strahlen nicht in einem Punkt zusammen
dadurch bilden benachbarte Objektpunkte überlagerte Kreise auf der Bildebene und das Bild wird unscharf

Q: wovon ist scharf abgebildete Bereich abhängig
A: von Größe der Unschärfekreise
von Größe der Linse
größere Linse heißt kleinere DOF

Q: [...] Linse heißt [...] DOF
A: größere; kleinere

Q: Sensorauflösung und DOF
A: höhere Auflösung
- Bessere Abbildung der Unschärfekreise
- kleinere DOF

Q: Brennweite und DOF:
[...] Brennweiter der Linse ([...]) heißt [...] DOF
A: größere; Zoom; kleinere

Q: Radiometrie ist
A: Methoden zur Messung elektromagnetischer Strahlung (inkl. sichtbarem Licht)

Q: radiance
A: Strahlendichte:
radiometrische Beziehung zwischen der Welt und deren Projektionen durch Menge des gesamten reflektierenden Lichts eines Oberflächenpunktes beschrieben

Q: irradiance
A: Helligkeit:
Lichtmenge die von Oberflächenpunkt auf Bild projiziert wird

Q: spectral irradiance
A: spektrale Bestrahlungsstärke:
Strahlungsaufkommen einer Oberfläche
Spektrum: getrennte Beobachtungjedes Frequenzbereichs

Q: Bildauflösung ist, wird bestimmt von: (4)
A: Sammelbegriff für Detailreichtum
von radiometrischer Auflösung
Sensorauflösung
räumlicher Auflösung
zeitlicher Auflösung

Q: radiometrische Auflösung
A: Helligkeitsunterschiede
Anzahl von Grauwertstufen oder Bits
typischerweise 8 Bits = 2^8 = 256 Grauwertstufen
Mensch kann 120 Grauwerte erkennen also reichen 8 Bit aus um Bild realitätsnah zu erzeugen
weniger: weniger Speicherbedarf, Qualität sinkt, Contouringeffekte

Q: Sensorauflösung
A: Anzahl der Bildelemente
px in Megapixel, # pro Zeile * #px pro Spalte
Pixel per Längeneinheit, nur wenn Abstand zwischen Objekt und Sensor bekannt ist (z.B. Flachbettscanner, nicht bei Kameras)
dpi: dots per inch
ppi: pixels per inch

Q: räumlich/geometrische Auflösung
A: Fähigkeit Signale von benachbarten Objektstrukturen getrennt zu erfassen
verschiedene Maße für Auflösung
Optik und Fotografie: L/mm = Linien pro Millimeter
minimale Entfernung zwischen benachbarten Merkmalen
minimale Größe eines Merkmals

Q: zeitliche Auflösung
A: fps: frames per second
wieviele Bilder pro Sekunde können aufgenommen werden

Q: Sampling ist
A: Umwandlungsprozess eines Signals zu numerischer Folge
z.B. Kontinuierliche in diskrete Funktion

Q: Nyquist-Shannon Sampling Theorem
A: berechnet die Auflösungsgrenze
besagt: ein bandbegrenztes analoges Signal ist perfekt von unendlicher Folge an Samples rekonstruiert wenn: Samplingrate >= 2*B Samples pro Sekunde
B ... Höchstvorkommende Frequenz im Originalsignal

Q: [...] besagt: ein bandbegrenztes analoges Signal ist perfekt von unendlicher Folge an Samples rekonstruiert wenn: [...]
B ... [...]
A: Nyquist-Shannon Sampling Theorem; Samplingrate >= 2*B Samples pro Sekunde; Höchstvorkommende Frequenz im Originalsignal

Q: Bildsensoren ist
A: Bauelement, wandelt optisches Bild in elektronisches Signal um
zwei Arten von Pixelsensoren:
CCD digitale Charge-Coupled Device
CMOS Complementary Metal-Oxide Semiconductor

Q: zwei Arten von Pixelsensoren:
CCD [...]
CMOS [...]
A: digitale Charge-Coupled Device; Complementary Metal-Oxide Semiconductor

Q: CCD
A: digitale Charge-Coupled Device

Q: CMOS
A: Complementary Metal-Oxide Semiconductor

Q: CCD Bestandteile
A: Matrix (array) lichtempfindlicher Fotodioden
kleinsten MOS-Kondensatoren
Feldeffekttransistoren
Steuerleitungen
Leitungspfaden

Q: CDD Funktionsweise
A: während exposure time (Belichtungszeit) trifft Licht auf Sensor, elektrische Ladung baut sich auf und wird von Kondensator gespeichert
Kondensaator zur Fotodiode parallel geschalten
Spannungen aus Kondensator Zeile für Zeile ausgelesen: in oder außerhalb der Kamera in digitale Informationen umgewandelt

Q: CMOS Bestandteile
A: aktiven Pixelsensoren

Q: CMOS Funktionsweise
A: Bildaufnahmechip
jedes Pixel ist individuell auslesbar, Spannung (der Helligkeit entsprechend) liegt immer an
logarithmischen (nicht-linearen Output) durch unabhängige Betrachtung der Nachbarn jedes Pixels
entspricht dem Prinzip des Menschlichen Auges
vgl. CCD geringerer Energieverbrauch, schnellere Lesegeschwindigkeit, billigere Herstellung

Q: Farbe und CCD
A: Bildsensoren können nur Helligkeit messen, für Farbe mössen Photonen durch Farbfilter
drei Arten von Farberfassung:
Field Sequential Technik
Three Chip
Color Filter Array CFA

Q: drei Arten von Farberfassung:
A: Field Sequential Technik
Three Chip
Color Filter Array CFA

Q: Field Sequential Technik
A: Erfinder Produkin Gorskii
drei s/w-Bilder mit Rot/Grün/Blau Filtern hintereinander auf Glasplatten entwickelt
Bild in Farbe darstellen: erneuter Einsatz von Farbfiltern mit Lantern Projector
Bewegung: Geisterbilder wegen Hintereinanderaufnahme
heute: bei Mikroskopen

Q: Three Chip (3 Chip-CDD Kameras)
A: drei CCDs so angeordnet dass genau ein Farbkanal aufgenommen wird
Problem: Anordnung so dass ein eintretender Strahl genau auf denselben Pixel in allen 3 CCD Chips fällt (nur so Farbtreue)
ausschließlich für Videokameras und Camcorder

Q: Color Filter Array CFA
Color Filter Mosaic CFM
A: Mosaik aus winzigen Farbfiltern wird über jedes Pixel eienes Bildsensors platziert
häufigster: Bayer Filter: 50% grün, je 25% blau/rot (an menschliche Physiologie des Auges angepasst)
Bayer Muster Bild (pattern image) = raw output
Demosaicing .. jedes Pixel nur eine der drei Farben, tatsächliche Farbe durch Interpolationsalgorithmen berechnet um fehlende RGB für Punkt aus Nachbarn zu berechen
meistverwendete Technik

Q: Demosaicing
A: jedes Pixel nur eine der drei Farben, tatsächliche Farbe durch Interpolationsalgorithmen berechnet um fehlende RGB für Punkt aus Nachbarn zu berechen

Q: Interpolation (3 Verfahren)
A: es wird davon ausgegangen dass bei benachbarten px nur geringe Farbunterschiede vorkommen
Grauwerte sind also nicht zufällig zueinander
- Farbwerte von px gleicher Faarbe in der Nachbarschaft werden interpoliert, an Kanten problematisch
- Interpolation entlang von Kanten anstatt senkrecht dazu
- starke Korrelation von Farbkanälen: zuerst grünen Kanal interpolieren dann R/B sodass Farbverhältnisse ROt-Grün und Blau-Brün konstant,
streng genommen nur 1/3 der angegebenen geometrischen Auflösung

Q: stochastisch
A: zufallsbedingt

Q: Foveon X3 Sensor
A: - Kombination 3 Chip CCD und CFA Technik
- Echtfarbbild, drei Additive Primärfarben
- Array von Fotoelementen
- besteht jeweils aus 3 vertikal gestapelten Fotodioden (jeder reagiert auf bestimmte Licht-Wellenlänge ... unterschiedliche spektrale Sensitivitärskurve)

Q: Möglichkeit Echtfarbbilder zu erreichen
A: Foveon X3 Sensor
Multi Shot Technologie

Q: Multi-Shot Technologie
A: - Echtfarbbilder durch bewegliche SEnsoren
- Sensor mit Präzisions-Piezomotor exakt in Einpixel-Schritten bewegt, dadurch mehr Farbinformation und Daten als bei Einzelbildaufnahme
- 4-Shot Multi-Shot-Modus: 4 Aufnahmen
>v
^<
echte Farbdaaten: GRGB, echte RGB Daten für jeden Pixel

Q: wieso weichen reale von idealen Kameramodellen ab (und 5 Störungen)
A: Linsen mit optischen Phänomenen
nicht ideale Bildsensoren mit Chip-Artefakten
- optische Aberration
- chromatische Aberration
- sphärische Aberration
- Linsen Verzerrung
- Weißabgleich

Q: Aberration
A: Störung
Abbildungsfehler

optische Aberration

Q: optische Abberation
A: Nach Übertragung (Transmission) durch die Linse fällt das Licht von einem Punkt am Objekt nicht in einem Punkt zusammen.

Q: Chromatische Aberration
A: wenn Linsen unterschiedliche Brechungsindizes für verschiedene Wellenlängen haben:
Linse kann nciht alle Farben im gleichen Konvergenzpunkt fokussieren
Farbränder/-säume entlang Grenze von Hell/Dunkel

Q: sphärische Aberration
A: Kugeloberflächen sind nicht ideale Form für Linsen aber einfachste Form beim Schleifen
Strahlen weiter am Rand fokussieren näher bei Linse

Q: Linsen Verzerrung
A: Abweichung geradliniger Projektion
gerade Linien nach außen (Tonnen) oder innen (Kissen) verzerrt

Q: Weißabgleich
A: Farbtemperatur in Kelvin
welcher Wert ist 18%iges neutrales Grau
Kamera geht vom Durchschnittsbild aus (Belichtung, Farbigkeit, ...)
Weißabgleich Automatik oder voreingestellte Lichtsituationen
Schatten 7000 Kelvin
Leuchtstoffröhren 4000 Kelvin
Glühbirnen 3200 Kelvin
Weißabgleich mit Software am besten mit RAW