Skript zur Vorlesung Technische Bildverarbeitung Prof. Dr.

Skript zur Vorlesung Technische Bildverarbeitung Prof. Dr.-Ing. Reiner Dudziak
2.5 Bildaufnahme
Dieses Skript ist eine Ergänzung zu der Vorlesung “Technische Bildverarbeitung“.
Es ist kein Lehrbuch.
Dieses Skript darf ausschließlich als begleitendes Lehrmittel für die Vorlesung
genutzt werden.
Andere Nutzungen sind mit den Verfassern abzuklären.
Vervielfältigung, Übersetzungen, Mikroverfilmung und die Einspeicherung und Bearbeitung in elektronischen
Systemen (auch auszugsweise) ist nur nach Rücksprache und mit Erlaubnis der Verfasser zulässig.
In diesem Skript werden Produkte einzelner Firmen als Beispiel verwendet. Die Auswahl dieser Produkte stellt keine
Bewertung dar, sondern erfolgte ausschließlich nach didaktischen Gesichtspunkten.
Die angegebenen Preise sind als Orientierungshinweis zu sehen.
Bei Fragen, Kritik, Verbesserungsvorschlägen :
Dipl.-Ing. Dirk Mohr
Raum C2 – 05
Tel.: 0234 – 3210454
email: [email protected]
Bochum, den 30.09.2010
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2.5 Bildaufnahme
2.5.1 Funktionsweise und Merkmale der CCD – Bildwandler Technologie
Ein Charge-coupled Device (CCD, ladungsgekoppeltes Bauteil) ist ein Halbleiterelement, das wie ein analoges
Schieberegister arbeitet. Eigentlich zur Datenspeicherung entwickelt (Boyle, Smith Bell Laboratories, 1969) stellte sich
heraus, dass diese Bauteile lichtempfindlich sind. Sie “wandeln“ eingestrahltes Licht (proportional) in elektrische Signale.
Abb. 2.5.1 Prinzip CCD 3-Phasen-Charge-coupled Device
Durch einfallendes Licht werden in bestimmten Bereichen (den Pixeln) aus der
Halbleiterschicht Elektronen gelöst. Die Anzahl dieser Elektronen sind
proportional (linear) der einfallenden Lichstärke und der Einwirkdauer des Lichts
(Belichtungszeit). Nach Beendigung der Belichtungszeit müssen die Elektronen
von einem ‚Rechner‘ ausgelesen und bearbeitet werden. Dazu werden die
Elektronen hintereinander, also zeitseriell, als Spannung (Ladung) zur
Verfügung gestellt. Die Elektronen werden von den Pixeln zu dem
Ausgangsregister durch das sog. Eimerkettenprinzip transportiert.
Die Elektronen sammeln sich dabei in Potentialtöpfen. Diese werden durch
Anlegen einer Spannung an die Gate-Elektroden weitertransportiert.
Quelle : http://de.wikipedia.org/wiki/Lochkamera
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Abb. 2.5.2 Full – Frame – Transfer – CCD (FF – CCD)
Die in den Pixel erzeugten Ladungen werden zeilenweise parallel und dann spaltenweise seriell
dem Ausgangsverstärker zugeführt. Da der Transport durch lichtempfindliche Bereiche
geht werden die Ladungen verfälscht. Es kommt zum sog. Smear – Effekt (s. u.). Um dies zu
vermeiden, müssen die Pixel während des Ladungsträgertransport z.B. mit einem mech. Shutter
abgedeckt werden.
Demonstration auf
http://www.micro.magnet.fsu.edu/primer/java/digitalimagin
g/ccd/fullframe/index.html
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Abb. 2.5.3 Frame – Transfer – CCD (FT CCD)
Bei dieser Architektur wird der komplette Bildbereich sehr schnell parallel in
einen Speicherbereich verschoben. Von dort kann das Bild dann ausgelesen
werden.
Vorteil : Ganze Bildbereich ist lichtempfindlich -> Hoher Füllgrad
Nachteil : Großer Chip, meist mech. Shutter erforderlich
Demonstration auf
http://www.micro.magnet.fsu.edu/primer/java/digitalimagin
g/ccd/frametransfer/index.html
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Abb. 2.5.4 Interline – Transfer CCD (IT – CCD)
Bei dieser Architektur gehört zu jedem lichtaktiven Pixel eine abgedeckte Speicher- bzw.
Transportzelle. Nach Ablauf der Belichtungszeit (auch Integrationszeit) werden die Ladungen in
die Transportzellen transferiert. Während die Transportzellen die Ladungen zum Ausgang
befördern kann eine neue Belichtung durchgeführt werden.
Vorteil : Meist kein Shutter nötig
Nachteil : Schlechter Füllgrad
Bei Hochgeschwindigkeitsanwendungen noch “Rest-Smear“
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Abb. 2.5.5 Frame Interline – Transfer CCD (FIT – CCD)
Kombination aus FT und IT.
Vorteil : Sehr schneller Ladungsträgertransport; kein Shutter nötig
Nachteil : Schlechter Füllgrad
Großer Chip
Aufwändig in der Herstellung
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2.5.2 Funktionsweise und Merkmale der CMOS – Bildwandler Technologie
Die heutigen CMOS – Bildwandler basieren auf den sog. APS – Wandlern (active pixel sensor). Diese basieren – wie die
CCD Wandler – auf dem inneren fotoelektrischen Effekt. Im Gegensatz zu CCDs werden die in der Belichtungszeit
erzeugten Ladungen aber nicht zu einem einzigen Verstärker verschoben, sondern in jedem Pixel ist ein Verstärker
vorhanden. Dieser erzeugt aus dem Ladungspaket direkt eine analoge Spannung. Die Analog – Digitalwandlung kann
ebenso auf dem Pixel durchgeführt werden, wie weitere Bildkorrekturen. Da auf der Chip – Fläche neben den
lichtempfindlichen Pixeln auch die Verstärker untergebracht werden müssen, ist der Füllgrad nicht sehr hoch.
Abb. 2.5.6 Prinzip CMOS – Bildwandler und CMOS - Pixel Schema
Über den Reset – FET wird eine Vorladung aufgebracht. Der Photostrom durch die Diode reduziert diese Ladung
(deshalb auch kein Blooming möglich).
Über den Shutter kann diese Entladung ‘abgekoppelt‘ werden. Die Ladung wird dann über den Kondensator
bereitgestellt und kann über die FETs als Spannung ausgelesen werden.
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Durch den Aufbau der CMOS Bildwandler ergeben sich Eigenschaften, die sich teilweise sowohl als Vor- auch Nachteile
gegenüber der CCD - Technik aufweisen bzw. bei näherer Betrachtung relativiert werden müssen :
Aufbau in CMOS - Halbleitertechnik
• Durch die Herstellung in Produktionsanlagen, die für die Fertigung von Halbleiternbausteinen (z.B. RAM)
in hohen Stückzahlen ausgelegt sind, ergibt sich ein theoretischer Kostenvorteil. Durch die Selektion der Halbleiter wg.
der wünschenswerten Rauscharmut entstehen aber wieder Kosten.
• geringer Energieverbrauch
Verwendung der APS - Technologie (Active Pixel Sensor Spannungsausgang für jedes Pixel)
+ direkter Zugriff auf jedes Pixel
+ durch ‘Windowing‘ extreme Steigerung der Bildrate (frame rate, frames per second fps)
+ A/D - Wandlung auf dem Chip möglich
+ Bildverarbeitung direkt am Pixel (Chip-On-Lens) z.B. Kennlinienanpassung, Empfindlichkeitseinstellung ...
+ kein Blooming, kaum Smear
- Verstärker verursachen immer Rauschen; mehr Verstärker bedeuten also mehr Rauschen
- Füllrate wird geringer
- Herstellungsprozess wird aufwändiger (Bonding)
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CMOS - Sensoren der Fa. Pixim
DPS Verfahren (digital pixel system)
A/D-Wandlung auf dem Chip; für jedes Pixel ein A/D-Wandler; Wandlung simultan
ein Pixel besteht aus ca. 50 Transistoren (MOS Photogate, Reset- u. Transfer-Gates, A/D-Wandler,
DRAM - Speicher für digitale Daten)
Jedes Pixel lässt sich (bei Bedarf) unterschiedlich betreiben
z.B. unterschiedliche Integrationszeit, Dunkelstromkompensation ...)
Sehr flexibel auch bei stark unterschiedlich hellen (kontrastreichen) Bereichen im betrachteten Bild
Abb. 2.5.7 Während beide Sensoren die Farbtafel gut wiedergeben, überstrahlt
der Hintergrund bei dem “Competitor“ - Sensor
Quelle : Photonik 4-2007 Belichtungsregelung individueller Pixel von CMOS - Sesnsoren
Stefan Tauschek, Scantec Microelektronic GmbH
Mit freundlicher Genehmigung und Unterstützung v. Hr. Tauschek
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High-Dynamic-Range CMOS (HDRC) der Fa. IMS Chips, Stuttgart
Logarithmische Kennlinie
Abb. 2.5.8 Kennlinie verschiedener Bildwandler
Quelle : Institut für Mikroelektronik Stuttgart IMS CHIPS
Mit freundlicher Genehmigung und Unterstützung v. Hr. Strobel
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Abb. 2.5.9 Vergleich CCD HDRC Sensoren in
verschiedenen Szenarien
Quelle : Institut für Mikroelektronik Stuttgart IMS CHIPS
Mit freundlicher Genehmigung und Unterstützung v. Hr. Strobel
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Abb. 2.5.10 CCD - Chip Sony ICX 285 (1.3 MPixel) und CMOS Chip Micron MV-13 (1.0 Mpixel)
Quelle : G. Holst PCO AG, Kelheim
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2.5.3 Gegenüberstellung CCD und CMOS Technologie in der Technischen Bildverarbeitung
Der Vergleich zwischen CCD und CMOS bzw. die Frage “was ist besser“ lässt sich so nicht beantworten. Jede
Technologie hat ihre Vor- und Nachteile. Durch Weiterentwicklungen und Modifikation sind die Vorteile verstärkt bzw.
Nachteile abgeschwächt worden. Dies bestätigt auch die nachfolgende Tabelle.
12
Abb. 2.5.11 Technische Daten von ausgewählten CCD- und CMOS - Sensoren
Quelle : G. Holst PCO AG, Kelheim
emCCD (electron multiplying ccd), L3CCD, Impactron CCD -> CCD mit Ladungsträgerverstärkung d. Avalanche - Effekt
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Pixel Clock - Auslesegeschwindigkeit des Sensors
Bsp. pix.clock 30 MHz; 1.3 Mpixel -> Auslesen eines pix 33 ns
-> Auslesen eines Bildes (frame) 43.0 ms -> 23 Bilder pro sekunde (fps)
QE - Quantenwirkungsgrad
Phys. Größe; hier annähernd genau Füllgrad
readout noise - Ausleserauschen
Verursacht durch nicht-uniformität der Lichtwandler, defekte Pixel, Rauschen der Verstärker
dark current - Dunkelstrom
Ladungsträgererzeugung durch Wärmeeinwirkung
Fullwell Kapazität - Sättigung
Max. Elektronenzahl die ein Pixel “aufnehmen“ kann. Überschreiten verursacht bei CCD Überlauf,
also Blooming und bei CMOS Nichtberücksichtigung (Clipping) von Photonen (s. Abb. 2.5.6)
Dynamik
Quotient aus Fullwell – Kapazität und Ausleserauschen
quant. drive volt. - Anzahl der Treiberspannungen
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Eine Gegenüberstellung von CCD bzw. CMOS lässt sich besser als Vergleich der Eignung für verschiedene
Anwendungen durchführen
Photoapperate, Spielzeug, Handys
beide Sensoren werden eingesetzt
professionelle digitale Photoapperate
Nikon verwendet CCD und Canon CMOS
industrielle Bildverarbeitung
beide
wissenschaftliche Anwendungen
beide
Hochgeschwindigkeits-Aufnahmen
CMOS
“ultra low light“
CCD
Sicherheit, Nachtsicht
CCD
CCD und CMOS Sensoren teilen viele Eigenschaften und sind deshalb auch für ähnliche Anwendungen geeignet
CMOS Sensoren sind bisher nicht für extreme Niedriglicht - Anwendungen geeignet (Rauschen, Dunkelstrom)
CCD Sensoren sind nicht geeignet für extreme Hochgeschwindigkeitsanwendungen und Anwendungen, bei denen
Signalverarbeitung auf dem Chip erforderlich ist.
Diese Gegenüberstellung wurde einer Veröffentlichung von G. Holst PCO AG, Kelheim im Forum der Fa. FRAMOS Electronic Vertriebs GmbH,
Pullach entnommen.
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2.5.4 Geometrische Anordnung von Bildwandlern
Um eine Abbildung zu erhalten werden die Pixel zu Zeilen- bzw. Matrix Sensoren angeordnet.
Zeilensensoren
Meist einzeilig. Dies ermöglicht sehr schnelles Auslesen der Pixel. Durch fortwährendes Abtasten (scannen) kann ein
zweidimensionales Bild gewonnen werden.
Typische Anwendung ist die optische Kontrolle von schnell bewegtem Endlosmaterial
Abb. 2.5.12 Anwendungen
von Zeilenkamerasystemen
Quelle : Fa. NANOsystems, Bochum
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Zeilenkamera Pixelanzahl von 512 ... 32000 (Standard)
bei einer Zeilenlänge von ca. 5 ... 50 mm
und Zeilenfrequenzen von 0.2 ... 140 KHz
Bei z.B. 2588pe (8Bit/pe)und 5000 fps sind das ca. 12 MByte / s die zu
verarbeiten sind.
Matrixkamera : Anordnung der Pixel in Zeilen uns Spalten
Typische Anordnungen sind dabei :
Anordnung
Anzahl Pixel Bezeichnung
176 * 144
320 * 240
352 * 288
640 * 480
800 * 600
1024 * 768
1280 * 1024
1600 * 1200
2048 * 1536
25300
76800
101376
307200
480000
786400
1.3 mega
2.0 mega
3.2 mega
128 * 128
256 * 256
512 * 512
1024 * 1024
2048 * 2048
4096 * 4096
16400
65500
262100
1 mega
4 mega
16 mega
QCIF
QVGA
CIF
VGA
SVGA
XGA
SXGA
UXGA
QXGA
Video Graphics Array
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Formate der Matrixsensoren
(inches / Zoll)
Breite
(mm)
Höhe
(mm)
Diagonale
(mm)
1
2/3
1/2
1/3
1/4
12,8
8,8
6,4
4,8
3,6
9,6
6,6
4,8
3,6
2,7
16
11
8
6
4,5
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2.5.5 Abbildung und räumliche Auflösung
Abb. 2.5.13 Entstehung einer Abbildung mit räumlicher (ortsdiskreter) Auflösung
Quelle : FH Münster, Prof. Dr.-Ing. Fehn
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Der Begriff der Auflösung wird in der Technischen Bildverarbeitung in verschiedenen Zusammenhängen gebraucht :

Grauwertauflösung beschreibt
die kleinste Helligkeitsänderung, die eine Änderung in den auszuwertenden Daten hervorruft.
Über die ‘Wandlerkette‘ Photon -> Elektron -> analoge Spannung -> digitales Signal wird aus den Helligkeitsänderungen ein digitales
Signal, das von einem Rechner verarbeitet werden kann. Die Dynamik der Wandlerkette wird durch verschiedene Faktoren wie
z.B.Rauschen und Empfindlichkeit der Bildwandler, Bittiefe der A/D-Wandlung usw. beeinflusst.

Scanfrequenz beschreibt
das Messraster, das bei einer optischen Kontrolle über ein bewegtes Objekt gelegt wird. In Abhängigkeit von der Geschwindigkeit des
Bildverarbeitungssystems (FPS, Rechnerperformance), dem betrachteten Bildausschnitt und der Geschwindigkeit des bewegten Objekts
kann es zu einer lückenhaften Abtastung kommen. Die Lücken bestimmen die kleinste Merkmalsgröße, die in Transportrichtung erfasst
werden kann (Auflösung in Transportrichtung).
Beispiel : 10 Bilder / s (fps), Bildausschnitt 80 mm, Geschwindigkeit des Objekts 1m / s
10 fps -> 100 ms / Bild -> in 100 ms verfährt das Objekt 100mm -> 20 mm werden nicht kontrolliert -> Merkmale < 20mm werden
mit großer Wahrscheinlichkeit nicht detektiert

Räumliche oder Ortsauflösung beschreibt
das Raster, das die Abtastung mit ortsdiskreten Bildwandlern (Pixel) ergibt. Gegenstandsmerkmale die kleiner sind als die Fläche,
die ein Pixel repräsentiert (nicht die Pixelgröße), sind nicht mehr eindeutig darstellbar. Bei der Auslegung von optischen Systemen werden
deshalb Forderungen wie z.B. :
-
Anz. Pixel = Gegenstandsgröße / geforderte Auflösung oder
Anz. Pixel = (Gegenstandsgröße / geforderte Auflösung) * 2 (bei Abtastung von periodischen Informationen in Anlehnung
an das Abtasttheorem von Shannon und der Nyquistfrequenz)
gestellt.
Die besonderen Probleme mit der Ortsauflösung sollen die beiden folgenden Seiten verdeutlichen.
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Abb. 2.5.14 Subpixelalgorithmus, der von einem
linearem Grauwertverlauf zwischen zwei Pixeln ausgeht.
Durch Vorgabe eines Schwellwerts lässt sich ein Punkt
berechnen, an dem der zugehörige Grauwert dem
Schwellwert entspricht. Dieser berechnete Punkt wird
dann z.B. als ‘wahrer‘ Kantenpunkt übernommen.
Quelle : Firmenschrift Fa. Siemens AG, SIMATIC Sensors
Autor : Herr Kirsten Drews
Um, insbesondere bei der Optischen Messtechnik, die Ortsauflösung zu verbessern, werden sog. Subpixelalgorithmen angewendet. Dabei wird
versucht, die nicht vorhandenen Information über die Bereiche zwischen den Pixeln zu berechnen. Über die Annahme des Grauwertverlaufes wird
ein zu einem Grauwert gehörender Ort berechnet. Dieser Ort kann zwischen den Pixeln liegen. Es gibt verschiedene Berechnungsmethoden.
In der Theorie lassen sich fast beliebige Auflösungen berechnen. In der Praxis werden sehr selten stabile Auflösungen < 1/10 Pixel erzielt.
Oftmals sind die mit Subpixelalgorithmen erzielten Auflösungen bzw. Messergebnisse sehr empfindlich gegenüber äußeren Störeinflüssen wie z.B.
das Rauschen der Bildwandler und Schwankungen der Beleuchtungsstärke
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2.5.6 Farbkamerasysteme
CCD – bzw. CMOS Lichtwandler erzeugen eine Ladungsmenge, die der einfallenden Photonenmenge proportional ist. Obwohl die Menge der
erzeugten Elektronen abhängig ist von der Wellenlänge des einstrahlenden Lichts, ist keine Unterscheidung von Farben möglich.
Den erzeugten Elektronen lässt sich nicht ansehen, welche Wellenlänge die generierenden Photonen hatten.
Zur Farberkennung muss eine Möglichkeit gefunden werden, die Photonen / Lichtwellen spektralabhängig zu selektieren.
Abb. 2.5.15 Spektrale Empfindlichkeit Sony CCD – Chip ICX 205AL,
Sony Corporation Datenblatt
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2.5.6.1
Drei- CCD/CMOS -Chip Farbkamerasysteme
Bei den 3 CCD/CMOS Farbkamerasystemen wird das
einfallende Licht durch ein Prisma in Rot-,Grün- und Blauanteile
zerlegt. Diese Anteile beleuchten jeweils ein einzelnes CCD /
CMOS – Array. In der Kamera- bzw. Rechnerelektronik können
daraus Farbinformationen im RGB – Farbraum für jedes Pixel
berechnet werden.
Dieses Verfahren liefert sehr gute Bilder, ist aber durch das
aufwändige Herstellungsverfahren und die Vielzahl an
Komponenten (Prisma, 3 Array) sehr teuer.
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2.5.6.3
Ein- CCD/CMOS -Chip Farbkamerasysteme
Bei den 1 CCD/CMOS Farbkamerasystemen wird über die
Pixel ein Mosaik- oder Bayer Filter gelegt. Ein Pixel liefert nur
einen ‘Grauwert‘ (R oder G oder B).
Zur Visualisierung werden die jeweils fehlenden Farbwerte
durch unterschiedliche Verfahren aus den Nachbarpixeln
berechnet. Die Berechnung geschieht meist innerhalb der
Kamera und ist über Parameter (Sharpness, Hue, Saturation)
beeinflussbar.
Die so erzeugten Bilder zeigen eine erstaunlich gute Qualität.
Bei Vergrößerungen oder kontrastreichen Bildern zeigen sich
aber doch erhebliche Qualitätsmängel.
Für messtechnische Applikation ist die Werteergänzung durch
Berechnung (Schätzung) nicht akzeptabel. Deshalb werden im
Bereich der Technischen Bildverarbeitung die Daten oftmals als
‘raw - data‘ übertragen. Die auswertende Recheneinheit kann
die Daten dann applikationsspezifisch verarbeiten.
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2.5.6.3
Foveon X3 Image Sensor
Foveon ist ein Unternehmen in den USA das 1997 von Carver Mead (US-amerikanischer Informatiker und Pioneer der modernen
Mikroelektronik, Bachelor-of-Science, Master-of-Scinence, Doktor, Prof. am California Institute of Technology) gegründet wurde.
Die Fa. Foveon entwickelte den CMOS – Bildsensor Foveon X3, bei dem drei übereinander liegende Sensorelemente auf jedem Pixel
alle drei Grundfarben aufzuzeichnen. Damit ist keine Interpolation fehlender Farbwerte nötig. Die Bilder haben nur eine geringe Neigung
zu Farbrändern und Moireebildung. Leider ist die Farbsättigung nicht sehr hoch. Durch die dadurch notwendige hohe Verstärkung nimmt das
Bildrauschen zu. Der Foveon X3 – Sensor ist in Ausführungen von 4.5,10.2 und 14.1 MPixel (20,7*13,8 mm !) erhältlich.
Abb. 2.5.16 Aufbau des Foveon X3 Bildsensors
Quelle : Foveon, Inc., San Jose, USA http://www.foveon.com/article.php?a=63
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Bildvergleich zwischen Bayer – Mosaik Farbkamera und Kamera mit Foveon X3 Chip
Bayer - Mosaik
Foveon X3
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Weitere Informationen finden Sie hier :
CCD – und CMOS - Sensoren
http://de.wikipedia.org/wiki/Charge-coupled_Device
http://de.wikipedia.org/wiki/CMOS-Sensor
http://www.micro.magnet.fsu.edu/primer/digitalimaging/concepts/concepts.html
Subpixel - Algorithmen
http://www.wiley-vch.de/berlin/journals/op/07-03/OP0703_S49_S52.pdf
Farbkameras
http://www.theimagingsource.com/de/resources/whitepapers/
http://www.foveon.com
Kapitel 2.4 Seite
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