Digitale Aufnahmesysteme - Grundlagen

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.
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CCD‐Sensor
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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‐
CCD‐Bildsensor mit 0.01 MP und 4 kg
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CCD‐Sensor
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CCD‐Sensor
 Detektorelemente werden durch MOS‐Kon‐
densatoren (metal‐oxide semiconductor) gebil‐
det.
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Opto‐elektronische Bildsensoren
Aktivierung der Ladungen im Halbleiter durch
unterschiedliche Strahlungsintensitäten (Pho‐
tonen) 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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Interline Transfer Architektur
[Th. Luhmann: Nahbereichsphotogrammetrie]
 Die lichtempfindlichen Sensor‐
elemente sind getrennt ange‐
ordnet und weisen zum Nach‐
barelement eine Lücke von etwa
der Größe eines Elements auf.
 Die Ladungsträger werden in
eine Transferspalte verschoben
und in einer vertikalen, optisch
verdeckten CCD‐Eimerkette zum
Ausleseregister transportiert.
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Interline Transfer Architektur
[http://micro.magnet.fsu.edu/primer/digitalimaging/concepts/interline.html]
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Frame Transfer Architektur
[Th. Luhmann: Nahbereichsphotogrammetrie]
 Der Sensor besteht aus einer
lichtempfindlichen Sensorzone
und einer gleich großen,
abgedeckten Speicherzone, die
aus CCD‐Eimerketten bestehen.
 Nach der Belichtung werden die
Ladungsträger vertikal aus der
Sensorzone in die Speicherzone
transportiert.
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Frame‐Transfer Architektur
[http://micro.magnet.fsu.edu/primer/digitalimaging/concepts/frametransfer.html]
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Full‐Frame Transfer Architektur
[Th. Luhmann: Nahbereichsphotogrammetrie]
 Der Sensor besitzt nur noch eine
Sensorzone,
aus
der
die
Ladungen direkt in ein Auslese‐
register übertragen werden.
 Während des Auslesevorgangs
darf die Sensorzone nicht wieder
belichtet werden.
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Full‐Frame Architektur
[http://micro.magnet.fsu.edu/primer/digitalimaging/concepts/frametransfer.html]
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Farbsensoren
 Für die Detektion von Farbbildern werden
Sensoren mit Pixeln unterschiedlicher
spektraler Empfindlichkeit benötigt .
 Nach der notwendigen Verrechnung von
Pixeln gleicher oder benachbarter Positionen
werden Helligkeits‐ und Farbinformationen
erhalten.
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Farbsensoren: Verfahren
 Drei‐Chip‐CCD‐Sensor: Systeme, die unter
Verwendung eines Dichroitisches Prismas
das Spektrum aufspalten und drei
getrennten CCD‐Sensoren zuführen.
[http://de.wikipedia.org/wiki/Dichroitisches_Prisma]
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Farbsensoren: Verfahren
 Bayer Matrix: Systeme, die einen Sensor
benutzen, der mit einer absorbierenden
Farbmaske versehen ist.
[http://de.wikipedia.org/wiki/Bayer‐Sensor]
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Farbsensoren: Verfahren
 Foveon‐X3‐Sensor: System, das die unter‐
schiedliche Eindringtiefe von roten und
blauem Licht in Silicium ausnutzen. Ist bei
CCD‐Sensoren nicht üblich.
[www.imaging‐resource.com]
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CMOS‐Sensor
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CMOS‐Sensor –
Active Pixel Sensor (APS)
 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%.
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CMOS‐Sensor –
Active Pixel Sensor (APS)
[Foto: Canon]
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CMOS‐Sensor
 Ein Active Pixel Sensor (APS) ist ein
Halbleiterdetektor zur Lichtmessung, der in
CMOS‐Technik gefertigt ist und deshalb oft als
CMOS‐Sensor bezeichnet wird.
 Die CMOS‐Technologie ist eine bewährte
Technik zur Herstellung von Rechner‐
prozessoren und Speicherbausteinen.
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CMOS‐Sensor
 Detektorelemente werden durch komple‐
mentäre Metall‐Oxid Halbleiter (Comple‐
mentary metal‐oxide‐semiconductor) gebildet.
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CMOS‐Sensor
 CMOS‐Sensoren basieren auf Fotodioden oder
Transistorelementen.
 Die durch das einfallende Licht entstehende
Ladung wird direkt durch einen in jedem Pixel
integrierten Verstärker und Digitalisierbau‐
stein verarbeitet.
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CMOS‐Sensor
 Es findet kein sequentieller Ladungstransport
statt.
 Pixel lassen sich einzeln schalten oder
auslesen.
 Es besteht eine deutliche geringere Stör‐
anfälligkeit gegenüber Blooming und Trans‐
portverlusten.
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CMOS‐Sensor
 Neben der Pixelmatrix und den Auslese‐
strukturen können ohne Weiteres Kamera‐
funktionen auf dem Sensor integriert werden,
so dass mit der CMOS‐Technologie Einchip‐
Lösungen realisiert werden können.
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CMOS‐Sensor
[http://micro.magnet.fsu.edu/primer/digitalimaging/cmosimagesensors.html]
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CMOS‐Sensor: Vorteile gegenüber CCD‐Sensor
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Nur 1/10 bis 1/3 des Energieverbrauchs
Geringere Herstellungskosten
Direkt adressierbare Sensorelemente Hohe Bildfrequenzen > 1000 Bilder/sec
Sensorsteuerung und Bildverarbeitung direkt auf dem Chip
 Hoher Dynamikumfang und geringes Rauschen
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DIN‐Formate
 Diverse Formatangaben für Sensoren etc.
unter:
www.din‐formate.info
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Digitale Aufnahmesysteme ‐ Zeilen‐ und 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 Bild‐Zeile.
 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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