Digitaalikameran optiikka ja värinmuodostus

Transkriptio

1 Digitaalikameran optiikka ja värinmuodostus T Kuvaus- ja näyttötekniikka Mikko Nuutinen, Luennon sisältö: Optiikka: polttoväli, valovoima, linssivirheet Värillisyys: värisuodinmatriisi, Foveon, kolme sensoria, peräkkäinen kuvannus

2 Tyypillisen digitaalikameran komponenttidiagrammi Kameran optiikka koostuu objektiivista ja optisista suotimista. Valo tulee sensorille linssin tai peräkkäisten linssien systeemin eli objektiivin kautta. Kameran optiikka sisältää yleensä himmenninaukon sekä mahdollisesti sulkimen, joilla säädetään tulevan valon määrää. Optisia suotimia ovat infrapunasuodin, kuvaa epäterävöittävä alipäästösuodin sekä värisuotimet. Digital Color Image Handbook, CRC Press 2003

3 Tyypillisen digitaalikameran kuvausoptiikan rakenne f on polttoväli D on aukon halkaisija Linssin kirkkautta kuvaava F-luku voidaan laskea: F 1 2sin Koyama, T. Optics in Digital Still Cameras. Kirjassa Image Sensors and Signal Processing for Digital Still Cameras (Ed. Nakamura, J.). CRC Press ISBN

4 Objektiivien luokittelu polttovälien mukaan Objektiiveja voidaan luokitella polttovälin perusteella: Telefoto (suuri polttoväli: mm, pieni kulma) Laajakulma (pieni polttoväli: 18-35mm, suuri kulma) Kalansilmä (pieni polttoväli: 5-8mm, 180 astetta) Zoom (vaihtuva polttoväli)

5 Linssi valovoima: Aukkoluku Aukon koko vaikuttaa valotukseen sekä syvyysterävyyteen F-arvo kuvaa linssin valovoimakkuutta Usein F-arvo lasketaan suhteella D/f Tarkempi tapa on käyttää yhtälöä: F 1 2sin Tällöin F-arvon teoreettinen minimi on 0,5 Valovoimaisimmissa kaupallisissa linsseissä F-arvo on kuitenkin f/1,0 johtuen optisista vääristymistä sekä linssin fyysisistä rajoitteista Yleisesti laadukkaan kiinteäpolttovälisen objektiivin F-arvo on noin f/2 ja zoom-objektiivin f/2,8 esim: 25 mm / 100 mm = ¼ tai 50 mm/200 mm = ¼ tai 1 / (2*sin(7.5)) = ¼ (merkataan ¼, F4 tai f/4) Koyama, T. Optics in Digital Still Cameras. Kirjassa Image Sensors and Signal Processing for Digital Still Cameras (Ed. Nakamura, J.). CRC Press ISBN f/1.4 f/2 f/2.8 f/4 f/5.6 f/8 f/11.3 Aukkoa säädetään usein portaittain siten, että sen pinta-ala puolittuu tai kaksinkertaistuu valotuksen kannalta ei vaikutusta mikäli valotusaikaa tai vahvistusta säädetään vastakkaiseen suuntaan

6 Linssi valovoima: Optisten elementtien valonläpäisykyky F-arvon lisäksi valovoimaan vaikuttaa heijastukset linssien pinnoilla sekä valon absorboituminen optisiin elementteihin Esimerkkejä optisten elementtien läpäisykyvystä Kompaktikameran linssisysteemi jossa muutamia linssielementtejä ( 550nm) ~ 90-95% Niin sanottujen superzoom-kameroiden linssisysteemi ~ 80% Infrapunafiltteri ja optinen alipäästösuodin ~ 85-95% Kuvatason keskikohdan kirkkaus Ei voidaan laskea kun tunnetaan optisen systeemin läpäisykyky T, objektin luminanssi E0 sekä linssin suurennussuhde m Lisäksi kuvatason reunoilla valovoimakkuus laskee niin sanotun kosinilain mukaisesti (cos^4 ), jossa on valon tulokulma kuvatasoon nähden E i E0T 4 1 (1 m) F 2 Goldman, D.,B., Jiun-Hung, C. Vignette and exposure calibration and compensation, Tenth IEEE Int. Conf. on Computer Vision, IEEE 2005, vol. 1, s

7 Syvyysterävyys ja hajontaympyrä D f sc( s f ) fa c( s f ) s kohteen etäisyys d sensoripinnan etäisyys c hajontaympyrä (circle of confusion) a aukon halkaisija f polttoväli Dr ja Df määrittävät etäisyyden tarkasta pisteestä, kun hajontaympyrä < c. Hajontaympyrän suuruus määritetään niin, että ihmissilmä ei erota vielä syntyvää epätarkkuutta

8 Syvyysterävyys ja hajontaympyrä Fyysisesti suurella aukolla on kapea syvyysterävyys, koska kohteesta tuleva valo taittuu suuremmalla säteellä

9 Syvyysterävyyden esimerkki 1

10 Syvyysterävyyden esimerkki 2 Kapeaa syvyysterävyysaluetta hyödynnetään usein esimerkikiksi muotokuvauksessa, jolloin kohde saadaan esille kuvassa

11 Syvyysterävyyden esimerkki 3 Kohteen etäisyys Aukkokoko Polttoväli

12 Hypeerfokaalinen etäisyys Hyperfokaalisella etäisyydellä tarkoitetaan etäisyyttä, johon tarkennettuna kaikki kauempana olevat kohteet kuvantuvat terävinä, eli kohteiden terävyys on hajontaympyrän sisäpuolella Kameran hyperfokaalinen etäisyys Dh voidaan laskea, kun kameran polttoväli f, aukkoluku F sekä sallittu hajontaympyrä tunnetaan Kun polttoväli pienenee, hyperfokaalinen etäisyys pienenee vastaavasti nopeasti 2 f D h F hajontaympyrä Hyperfokaalinen etäisyys Tarkennussyvyys (kuvatasolla) Koyama, T. Optics in Digital Still Cameras. Kirjassa Image Sensors and Signal Processing for Digital Still Cameras (Ed. Nakamura, J.). CRC Press ISBN

13 Linssin modulaation siirto (MTF) Modulaation siirtofunktio on yleinen työkalu linssien suorituskykyarvioon Vertikaalinen akseli esittää MTF:n prosentteina ja horisontaalinen akseli esittää spatiaalisen taajuuden (linjaparit/mm kuvapinnalla) MTF-käyrästä voidaan määrittää linssin erottelukykyä sekä kontrastintoistoa MTF M OUT / M IN M I I ) /( I ( max min max Imin ) Koyama, T. Optics in Digital Still Cameras. Kirjassa Image Sensors and Signal Processing for Digital Still Cameras (Ed. Nakamura, J.). CRC Press ISBN

14 Linssivirheitä: vignetti Valaistus kuva-alan reunoilla pienempi kuin kosinilain mukaan Tekijöitä jyrkemmässä kulmassa pikseliin tuleva valo saattaa absorboitua naapuripikseliin osa valosta blokkiutuu linssirakenteeseen mekaaniset esteet, linssisuojukset yms. Matherson, K., Wueller, D. The Image Pipeline and How It Influences Quality Measurements Based on Existing ISO Standards, Kurssimateriaali, IS&T/SPIE 19th Annual Symposium, , San Jose, Kalifornia Goldman, D.,B., Jiun-Hung, C. Vignette and exposure calibration and compensation, Tenth IEEE Int. Conf. on Computer Vision, IEEE 2005, vol. 1, s

15 Linssivirheitä: palloaberraatio Reaalimaailman sfäärisillä (pallomaisilla) linsseillä on paksuutta, mistä johtuen linssin reuna-alueelta tulevat valonsäteet taittuvat hieman eri polttopisteeseen kuin linssin keskialueelta tulevat valonsäteet Korjataan yhdistelmällä, jossa poikkeamat pyrkivät kumoamaan toisensa tai asfäärisillä linsseillä, jolloin linssin muoto ei ole enää pallon leikkauspinta Etenkin suurella aukkokoolla kuvasta voi tulla palloaberraation takia pehmeä

16 Linssivirheitä: koma ja astigmatismi Komalla viitataan ilmiöön, joka tuottaa komeettatyyppisen hännän optisen akselin ulkopuolelta projisoidulle valopisteelle Astigmatismi aiheuttaa että valopiste projisoituu linjan tai ellipsin muotoisena ennemmin kuin pisteenä Sekä komaa että astigmatismia voidaan korjata pienentämällä aukon kokoa

17 Linssivirheitä: kromaattinen aberraatio Kromaattinen aberraatio johtuu siitä, että valo taittuu materiaalien välillä aallonpituusriippuvaisesti Kromaattinen aberraatio esiintyy optisen keskipisteen ympärillä pitkittäisenä aiheuttaen resoluution laskua ja kuvan reunoilla poikittaisena aiheuttaen valon väristä riippuvan suurennuskertoimen

18 Linssivirheitä: diffraktio Perinteisesti valoa on määritetty ainoastaan säteittäisenä ilmiönä, mutta todellisuudessa sillä on myös aaltoluonne Valon aaltoluonteen seurauksena valo taittuu objektin ympärillä Pienen reiän läpi tuleva valopiste ei tarkennu pisteeksi vaan saa ympärilleen renkaita Ensimmäisen renkaan säde, r = 1,22* *F, eli säde riippuu voimakkaasti aukkoluvusta

19 Linssivirheitä: diffraktio Diffraktion vaikutus eri F-luvuilla Aukon fyysistä kokoa pienentämällä (aukkolukua kasvattamalla) voidaan useita eri linssivääristymiä korjata, mutta tällöin diffraktio voi olla ongelma Koyama, T. Optics in Digital Still Cameras. Kirjassa Image Sensors and Signal Processing for Digital Still Cameras (Ed. Nakamura, J.). CRC Press ISBN

20 Linssivirheitä: geometriset vääristymät Tynnyri- (a) ja tyynyvääristymä (b) ovat tyypillisiä geometrisiä vääristymiä Kiinteäpolttovälisessä optiikassa vääristymät saavat vakioarvon, mutta vaihtuvapolttovälisessä optiikassa vääristymät riippuvat linssien asennosta

21 Optinen alipäästösuodin Alipäästösuodin sijaitsee usein kuvasensorin ja objektiivin välissä Alipäästösuodin suodattaa liian korkeat taajuudet eli käytännössä pehmentää kuvatasolle tulevaa kuvaa ja estää Moiré-ilmiötä Moiré-ilmiö syntyy, jos kuvatason näytteenottotaajuus on matalampi kuin kohteen spatiaalinen taajuus Koyama, T. Optics in Digital Still Cameras. Kirjassa Image Sensors and Signal Processing for Digital Still Cameras (Ed. Nakamura, J.). CRC Press ISBN

22 Etsimet (viewfinder) Eye-level etsin lasi näyttö (elektroninen etsin) Erillinen näyttö LCD; näkyvyys huono auringonpaisteessa TTL-etsin (Through the lens) Kääntyvä peili järjestelmäkameroissa (SLR, single lens reflex), jonka kautta todellinen kuva heijastetaan katsojan silmään

23 Etsimet (viewfinder) Uudempi kameratyyppi on peilitön järjestelmäkamera (vaihdettava objektiivi + fyysisesti iso sensori)

24 Värillisyyden aikaansaaminen Kuvasensori ei erottele valon eri aallonpituusalueita Perusperiaate on näytteistää eri aallonpituusalueet eri pikselisijainneilla tai sensoreilla Yksi sensori vierekkäiset värilliset pikselit (värisuodinmatriisi) päällekkäiset pikselit (Foveon) peräkkäinen kuvaus eri väristen suodinten läpi (väripyörä) Useampi sensori valo ohjataan sensoreihin prisman kautta tai valo ohjataan puoliläpäisevillä peileillä värisuotimien läpi

25 Värisuodinmatriisi (color filter array, CFA) Useimmissa digitaalikameroissa mosaiikkimatriisi Vastavärikuviolla korkea signaalitaso, koska syaanin ja keltaisen suotimen valon läpäisykyky korkea korkea SNR Kun valaistustaso on korkea, mosaiikkimatriisilla kuitenkin korkeampi SNR, koska väriprosessointi tuottaa vähemmän kohinaa RGB-mallille (digitaalinen ulostulokuva RGB-muodossa) G M G M C Y C Y M G M G C Y C Y Bayer eli mosaiikkimatriisi vastavärikuvio juovamatriisi

26 Värisuodinmatriisi (color filter array, CFA) Bayer-matriisi oli alunperin Kodakin patentoima keksintö. Patentin raukeamisen jälkeen siitä tuli teollisuusstandardi.

27 Värisuodinfiltterien läpäisykyky Tehokkailla interpolointitekniikoilla voidaan pienentää oleellisesti värisuodinmatriisin vaikutusta kuvan resoluutioon (aiheesta lisää kuvanprosessoinnin osassa) Joka tapauksessa värisuodinmatriisi vaikuttaa aina alentavasti kameran herkkyyteen SNR laskee Huom 1: värisuotimet läpäisevät myös infrapunavaloa tarvitaan IR-suodin (IR blocking filter) Absorption filters: IEEE Signal Processing Magazine 22(2005)1, pp

28 Digitaalikameran herkkyys infrapuna-alueella Oman kameran infrapunasuotimen läpäisykykyä voi testata kaukosäätimen avulla

29 Värisuodinfiltterien läpäisykyky Digitaalikamerat eivät tuota tarkkoja värejä Silmän värihavainto voidaan tuottaa vain, jos sensoriherkkyydet saataisiin vastaamaan (lineaarisella muunnoksella) värinsovitusfunktioiden vastetta -> kuvanprosessointi pyrkii säilyttämään kuvanlaadun kannalta tärkeät värit (iho, kasvillisuus, taivas, jne.) CIE värinsovitusfunktiot Tyypillisen CCD-sensorin herkkyydet (jatkuvat viivat) ja pienin saavutettava virhe CIE värinsovitusfunktioiden lineaaristen kombinaatioiden välillä (katkoviivat) SPIE M

30 Foveon-sensori Kolme pinottua CMOS-kerrosta Lyhyen aallonpituuden fotonit (sininen valo) absorboituu lähempänä pikselin pintaa kuin pidemmän aallonpituuden fotonit (punainen valo) Analogiaa värifilmin kanssa IS&T/SID Tenth Color Imaging Conference, pp

31 Foveon-sensori Pikselissä kolme erillistä PN-sidosta eri syvyyksillä (fotodiodidetektori) Fotonin absorboitumissyvyys riippuu absorptiovakiosta IS&T/SID Tenth Color Imaging Conference, pp

32 Foveon vs. mosaiikki 9/14/2011

33 US Patent 7,138,663 Nikonin patentoima menetelmä tuottaa yhdellä pikselisijainnilla koko RGBinformaation Kuitenkin matala täyttöaste sekä korkea valmistuksen kompleksisuus

34 Kolme kennoa ja prisma Valo jaetaan aallonpituuskaistoiksi, jotka ohjataan eri sensoreille Ongelmia: kustannukset (3 x sensori), lisäksi prisman ja sensorien kohdistus vaatii tarkkuutta Käyttöalue: ammattitason video- ja televisiokamerat

35 Peräkkäinen kuvaus Valo ohjataan kaistanpäästöominaisuuksia muuttavan suodattimen tai suodinpyörän läpi Mahdollistaa kaikkien pikselien käytön kaikkien värikomponenttien näytteistämiseen Ongelmia: liikkuvan kohteen kuvaus ei mahdollista Käyttöalue: tutkimustason stillkuvakamerat

36 Tutkimustason still-kuvakamerat Diagnostic Instruments Spot RT SE6 mikroskooppikameran eri värikanavien sekä monokromaattisen tilan herkkyydet

37 Värinmuodostustapa erilaisissa kuvauslaitetyypeissä Mosaiikki Canon PowerShot A520 Foveon Nokia N70 Canon EOS-1D Mark II N Prisma Väripyörä Sigma SD10 Sony DSR-570WSP Spot RT SE6 Slider