Digitale Aufnahmesysteme

Inhalte
 Photogram. Aufnahmesysteme
– Metrische Kameras
(Definition der Inneren Orientierung)
– Analoge Messkameras
– Fotografische Aspekte
– Digitalisierung analoger Bilder
– Digitale Aufnahmesysteme (Grundlagen)
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Photogrammetrische
Aufnahmesysteme
Digitale Aufnahmesysteme
(Grundlagen)
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Digitale Aufnahmesysteme
 Digitale Aufnahmesysteme erfassen die Bildinformation
mit Hilfe opto-elektronischer Sensoren, die anstelle
einer Filmschicht im Bildraum angebracht sind.
 Sie liefern unmittelbar ein elektronisches Bild, das durch
geeignete Komponenten digitalisiert und in einen
Rechner übertragen werden kann.
 Der Begriff „Digitales Aufnahmesystem“ umfasst daher
alle an der Erzeugung beteiligten Systemkomponenten.
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Digitale Aufnahmesysteme
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Einleitung
 CCD - Charged Coupled Device (Ladungsgekoppeltes Bauelement)
 CMOS - Complementary Metal Oxide Semiconductor (paarweise
komplementär zueinander angeordnete Transistoren )
– Anfänge der Technologien: 60er und 70er Jahren
– CMOS: damals zu langsam, Schwierigkeiten mit Herstellung
– bis 1990 fast ausschließlich CCD-Chips
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Opto-elektronische Bildsensoren
 In photogrammetrischen Aufnahmesystemen werden
ausschließlich Festkörper Bildsensoren (solid state sensor)
eingesetzt.
 Jedes Detektorelement (Sensorelement) erzeugt
proportional zur einfallenden Lichtmenge elektrische
Ladung, die anschließend elektronisch ausgelesen,
aufbereitet und digitalisiert wird.
 Die Dektektorelemente in den CCD-Sensoren werden
durch MOS-Kondensatoren (metal oxid semiconductor)
gebildet.
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CCD-Sensor
 Detektorelemente werden durch MOS-Kondensatoren (metaloxide semiconductor) gebildet
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Opto-elektronische Bildsensoren
Aktivierung der Ladungen im Halbleiter durch
unterschiedliche Strahlungsintensitäten (Photonen) des
einfallenden Lichtes.
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Opto-elektronische Bildsensoren
Transfer- und Ausleseregister neben den aktiven Detektoren
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Opto-elektronische Bildsensoren
Ausleseprinzip mittels CCD-Technik:
Die Ladungszustände verschieben sich von Takt zu Takt (t0, t1, t2,…)
jeweils um ein Element nach rechts und werden im letzten
Element quantifiziert.
CCD- oder Eimerketten-Prinzip
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CCD-Sensor
 Ursprünglich 1969 von Forschern der
Bell Laboratorien in den USA für die
Datenspeicherung entwickelt
 Bereits 1970 wurde ein CCD-Bildsensor
gebaut
 1975 Digitalkamera mit Fairchild-CCDBildsensor mit 0.01 MP und 4 kg
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Opto-elektronische Bildsensoren
 CCD-Zeilensensoren können bis 10000 und mehr
Sensorelemente besitzen.
 Bei einem Abstand zwischen 4 µm und 20 µm erreichen
Zeilensensoren somit eine Gesamtlänge bis über 100 mm.
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CCD-Sensor
 Flächensensoren
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CCD-Sensor
 Flächensensoren
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CCD-Sensor
 Flächensensoren
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CMOS-Sensor
 Standard CMOS-Technologie
 Die Technik wurde 1963 bei Fairchild Semiconductor
entwickelt und patentiert
 In den 1970er und 1980er Jahren noch bedeutungslos, da die
notwendige Integrationsdichte noch nicht erreicht war
 Der Anteil der lichtempfindlichen Fläche an der Gesamtfläche
eines Pixels lag anfänglich bei nur 30
 Ab 1998 erste marktreife Active Pixel-Sensoren (APS)
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CMOS-Sensor
 CMOS-Bildsensoren nach dem APS Prinzip:
– Zu jeder Fotodiode ist ein Kondensator parallel geschaltet,
der durch den Fotostrom aufgeladen wird
– Jedem einzelnen Bildelement ist ein Verstärker
zugeordnet, der die Kondensatorspannung dem
Analogsignalprozessor direkt zur Verfügung stellt
– Neben der Pixelmatrix und den Auslesestrukturen können
ohne Weiteres Kamerafunktionen auf dem Sensor
integriert werden, so dass mit der CMOS-Technologie
Einchip-Lösungen realisiert werden können.
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CMOS-Sensor
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Timing
Analog-Digital-Wandlung
Bildkontrolle
Verschlussautomatik
Taktung
Weissabgleich
Erste Bildverarbeitungsschritte
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CMOS-Sensor
 Aufbau
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Vergleich
 CCD:
– Hohe
Ausgangsuniformität
(geringe Empfindlichkeitsunterschiede
zwischen den Pixeln)
– Füllfaktor
– Bessere Lichtausbeute
– Geringeres Bildrauschen
– Keine Fixed Pattern
Noise-Effekte
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 CMOS:
Geringere Baugröße
geringer Stromverbrauch
keine Bloomingeffekte
Windowing: einzelne
Bildbereiche können
direkt adressiert werden
– Geringere
Herstellungskosten
– Hohe Bildfrequenzen
–
–
–
–
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Photogrammetrische
Aufnahmesysteme
Digitale Aufnahmesysteme (Zeilenund Flächensensoren)
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Zeilensensoren / -kameras
 Auf dem Prinzip der
Zeilensensoren bauen
Zeilenkameras auf.
Prinzip einer Zeilenkamera
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Zeilenkameras
 Zeilenkameras – auf bewegten Plattformen –
(Bildflugzeugen) weisen eine Besonderheit auf:
 für jede Bild-Zeile gibt es eigenständige Elemente der Äußeren
Orientierung (ÄO),
 d. h., die 6 Elemente der ÄO ändern sich von Bild-Zeile zu BildZeile.
 Im Gegensatz dazu haben Flächensensoren pro
Bildaufnahme eine ÄO.
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Zeilenkameras
 Für die räumliche Erfassung eines Objektes sind
mindestens 2 Aufnahmestrahlen aus unterschiedlichen
Richtungen notwendig.
 Eine digitale Zeilenkamera innerhalb eines Flugstreifens
bietet diese Voraussetzungen nicht.
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Zeilenkameras
 Wird eine so genannte 3-Zeilen-Kamera eingesetzt, wird
jeder Objektpunkt innerhalb eins Flugstreifens aus drei
unterschiedlichen Richtungen aufgenommen.
 Auf diese Weise kann ein Objekt räumlich rekonstruiert
werden.
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Dreizeilenkamera
Prinzip einer Dreizeilenkamera
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Flächensensoren
 Neben den Zeilenkameras werden in der
Photogrammetrie Flächensensoren eingesetzt, die
matrixförmige Sensoraufbau besitzen.
 Das Kameraprinzip entspricht dabei dem klassischen
Aufbau analoger Systeme.
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Radiometrische Eigenschaften
 Die spektrale Empfindlichkeit von CCD-Sensoren liegt
deutlich über der analogen Filmmaterials.
 Der Spektralbereich der verwendeten
Siliziumsensoren reicht von 400–1100 nm.
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Farbaufnahmen
 Um Echtfarbbilder zu erzeugen, ist das einfallende
Licht in die 3 Spektralbereiche ROT, GRÜN, BLAU zu
zerlegen.
alternativ:
bewegter Sensor
Digitale
Luftbildkamera
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Digitale
Consumerkamera
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Farbaufnahmen
 Eine Filtermaske vor dem Sensor sensibilisiert für eine
der 3 Grundfarben.
 Als Folge sinkt die geometrische Auflösung um
mindestens Faktor 2.
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Farbaufnahmen
 Um Echtfarbbilder zu erzeugen, ist das einfallende
Licht in die 3 Spektralbereiche ROT, GRÜN, BLAU zu
zerlegen.
alternativ:
bewegter Sensor
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Farbaufnahmen
 Die Firma Foveon stellt einen
hochauflösenden 1-ChipVollfarbsensor her, der drei
übereinander liegende unterschiedlich sensibilisierte
Sensorschichten besitzt.
 Es wird die Eigenschaft von Silizium
genutzt, Licht unterschiedlicher
Wellenlänge verschieden tief ins
Material eindringen zu lassen.
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