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So entsteht ein digitales Bild
Haben Sie sich auch schon gefragt, wie so ein Bild in einer Kamera überhaupt entsteht? Basis der digitalen Bildgewinnung ist der Bild-Sensor. Hierbei gibt es unterschiedliche Technologien. Am Beispiel des CCD-Sensors erklären wir Ihnen, wie das Bild durch eine digitale Kamera entsteht.
Von den Lichtstrahlen zum Bild
Als Ausgangspunkt haben wir die Lichtstrahlen, die von den Objekten unseres Bildes (Landschaften, Blumen, Personen) ausgehen. Als Ergebnis erwarten wir eine Reihe von Zahlen, die die Farben der einzelnen Punkte des Bildes beschreiben. Das Bild wird gerastert, d.h., in einzelne, kleine Zellen, die als Pixel bezeichnet werden, aufgeteilt. Jedes dieser Pixel hat, nach der Belichtung, seinen eigenen Farb- bzw. Helligkeitswert und alle Pixel zusammengesehen ergeben so das Bild.
Der (Interline-) CCD-Sensor
Der CCD-Sensor (CCD: charge-coupled device; dt. ladungsgekoppeltes Bauteil) ist der am häufigsten verwendete Sensor der heutigen Digitalkameras.
Er besteht aus Millionen von Fotoelementen, die das auf sie fallende Licht in Ladungen umwandeln. Die CCDs transportieren diese Ladungen von den Fotoelementen zum Analog-Digital-Wandler (AD-Wandler). Dieser misst die Ladung und rechnet sie in einen digitalen Wert um.
Als Beispiel zur Veranschaulichung nehmen wir den Interline-CCD. Er hat den folgenden strukturellen Aufbau:
- Die leuchtend bunten Quadrate sind die Fotoelemente mit den entsprechenden Filtern. In einem Sensor kann es hiervon mehrere Millionen geben.
- Unten links ist der AD-Wandler, zu dem alle Ladungen transportiert werden müssen, um gemessen zu werden.
- Die abgeschatteten grauen waagerechten und senkrechten Register stellen die CCDs dar. Sie werden hier als Register bezeichnet
Von allen Bauteilen sind nur die Fotoelemente dem Licht zugänglich. Alle anderen Bauteile sind abgedeckt im Sensor eingegossen.
Das Fotoelement
Ein Fotoelement ist ein elektronisches Bauteil, das in der Lage ist, die darauf einfallende Lichtmenge zu messen. Dieser sogenannte Fotoeffekt beschreibt, wie durch die Bestrahlung mit Licht, Elektronen aus ihrem Bindungszustand gelöst und für den Ladungstransport verfügbar werden.
Das Lichtbündel, das auf den Sensor fällt, enthält immer Lichtstrahlen mit unterschiedlichen Wellenlängen. Jeder Lichtstrahl löst entsprechend seiner Farbe eine unterschiedliche Anzahl von Elektronen aus dem Siliziumkristall.
Die Empfindlichkeit eines Siliziumkristalls stimmt jedoch nicht mit der Farbempfindlichkeit des menschlichen Auges überein. Ein Bild, das diese Fotoelemente erzeugen, weicht erheblich von unserem Seheindruck ab. Es ist also erforderlich, die Farbempfindlichkeit des Fotoelementes an die Farbempfindlichkeit des Auges anzupassen. Beide Probleme werden dadurch gelöst, dass die lichtempfindliche Fläche des Fotoelements durch einen monochromen Farbfilter abgedeckt wird. Konkret werden Filter in den Farben rot, blau und grün verwendet.
Bekanntlich können aus den Farben Rot, Grün und Blau alle Farben des für uns sichtbaren Spektrums dargestellt werden.
Hierbei beschreiben die Bezeichnungen Rot, Grün und Blau nicht einzelne Farben, sondern vielmehr spezifische Empfindlichkeitsbereiche des menschlichen Auges.
Der Analog-Digital-Wandler
Als AD-Wandler bezeichnet man ein elektronisches Bauelement, das eine analoge Grösse wie die Ladung in eine digitale Zahl wie den RGB-Wert einer Farbe umwandelt. Die Grösse des AD-Wandlers legt fest, wie viele Farbabstufungen (256, 1024, 4096 bzw. 65536) das Bauelement liefert.
Das Charge Coupled Device
Unter einem CCD versteht man ein Bauelement, das Ladungspakete räumlich transportieren kann, ohne die bewegten Ladungen zu verändern.
Grundlage ist eine steuerbare Struktur von Ladungssenken und Ladungsbarrieren, mit der ein Siliziumkristall versehen wird. In eine Ladungssenke fliessen Ladungen hinein, eine Ladungsbarriere hält sie auf. Durch Anlegen von positiven oder negativen Spannungen können diese Senken und Barrieren gezielt auf- und abgebaut werden. Durch einen Takt gesteuert wird jede Ladung in die jeweils nächste Zelle verschoben.
Die Belichtung eines Bildes
Betätigt man den Auslöser der Kamera, um ein Bild zu machen, so laufen im CCD-Sensor die folgenden Aktionen ab:
Belichtung
- Alle Fotoelemente werden entleert.
- Sobald die Ladungsmenge in den Fotozellen gleich Null ist, beginnt die Belichtungszeit.
- Während der Belichtung füllen sich die einzelnen Fotoelemente gemäss dem auf sie einwirkenden Licht.
- Nach Ablauf der Belichtungszeit wird das Gate geöffnet, und die angesammelte Ladung eines jeden Fotoelements fliesst vollständig in die beigeordnete Zelle des vertikalen Registers.
- Das Gate wird wieder geschlossen, und die Ladungen sind in den vertikalen Registern gefangen.
Transport und Messung
- Nun beginnt, gesteuert von einem zentralen Takt, der Transport der Ladungen hin zum AD-Wandler. Im ersten Schritt werden alle Ladungen in den vertikalen Registern eine Zelle nach unten geschoben.
- Die Ladungen aus den untersten Zellen werden in das horizontale Register geschoben. In diesem gibt es für jedes vertikale Register eine Zelle.
- Dann werden die sich jetzt im horizontalen Register befindlichen Ladungen jeweils um eine Zelle nach links geschoben.
- Die Ladung der Zelle ganz links aussen wird dabei aus dem Horizontalregister heraus geschoben und zum AD-Wandler zugeführt.
- Im AD-Wandler wird die Ladung gemessen und als eine Zahl in der Speicherzelle eines Halbleiterspeichers abgelegt, die der Position des Ausgangsfotoelements entspricht.
- Mit jedem weiteren Takt wird eine weitere Ladung aus dem horizontalen Register dem AD-Wandler zugeführt, gemessen und abgelegt, bis das Register leer ist.
- Dann werden die Ladungen in den vertikalen Registern wieder um eine Zelle nach unten geschoben. Dadurch gelangen wieder Ladungen in das horizontale Register. Diese werden nach und nach dem AD-Wandler zugeführt.
- usw.
Am Ende sind alle Ladungen gemessen und abgelegt.
Im Speicher befindet sich jetzt ein erstes Bild.
Ein Beispiel
Als Beispiel wird das Bild mit den Pilzen verwendet. Dieses ist hier (links) stark verkleinert und bearbeitet dargestellt. Das Ausgangsbild hat eine Grösse von 2376x1728 Pixel. Das RAW-Bild (rechts) enthält für jedes Pixel nur einen gemessenen Helligkeitswert, deswegen ist ein Graustufen-Bild entstanden.
Jede Fotozelle des Sensors ist durch Farbfilter abgedeckt. Gemessen wurden also auch Intensitätswerte für die Farben Rot, Grün und Blau. Allerdings ist für jedes Fotoelement, also auch für jeden Bildpunkt, nur eine dieser Grundfarben vermessen worden. Jeweils vier ein Quadrat bildende Zellen sind in diesem Zusammenhang als eine Einheit zu sehen. Davon sind die Zellen links oben und rechts unten mit einem Grünfilter, die beiden anderen je mit einem Rot- bzw. Blaufilter versehen. Diese Anordnung wird als Bayer-Muster (links) bezeichnet.
Wird nun jeder Bildpunkt als farbig gemäss seinem Filter interpretiert und werden die Bildpunkte entsprechend eingefärbt, so ergibt sich ein Bild wie im Abschnitt (Mitte).
Eine 10-fache Vergrösserung dieses Bildes am Rand des Pilzes bringt das zu Grunde liegende Bayer-Muster zum Vorschein (rechts).
Für die Ansammlung von Helligkeitswerten muss man mehr als eine Informationssammlung zum Erzeugen eines Bildes sehen. Ein Foto entsteht erst durch die aufwendige Anwendung verschiedener Bildbearbeitungs-Algorithmen. Welche Algorithmen zur Anwendung kommen und wie sie parametriert werden, ist das Geheimnis eines jeden Kameraherstellers.
Man kann aber davon ausgehen, dass in einem ersten Schritt bei jedem Pixel die fehlenden Farbanteile der nicht vorhandenen Grundfarben dazu interpoliert werden – für einen grünen Punkt also die Rot- und Blauanteile, für einen blauen die Grün- und Rotanteile usw.
Der Algorithmus für dieses Vorgehen ist nicht offengelegt. Es ist aber wohl so, dass dadurch etwas flaue Bilder entstehen, die anschliessend der Nachschärfung bedürfen.
Weitere Sensor-Typen
CMOS-Sensoren
Neben den CCD-Sensoren, finden besonders die so genannten CMOS-Sensoren Verwendung in digitalen Kameras. Bei diesen Sensoren besitzt jedes Fotoelement einen eigenen AD-Wandler. Die CMOS-Technik macht eine solche dichte Integration von Bauelementen möglich.
Vorteile: Jedes Element kann direkt ausgelesen werden, der aufwendige Ladungstransport entfällt. Ausserdem ist die Herstellung dieser Sensoren mit geringeren Kosten verbunden.
Nachteile: Diese ergeben sich aus den Fertigungstoleranzen der vielen integrierten AD-Wandler. Dadurch werden für gleiche Ladungen in unterschiedlichen Zellen unterschiedliche Werte geliefert. Das Ergebnis waren zu Beginn ungleichmässige Bilder. Später wurden die Messdifferenzen der verschiedenen AD-Wandler bei der Auswertung der Ladungen berücksichtigt.
Der Foveon-Chip
Eine höchst interessante Entwicklung hat im Jahr 2002 den Markt erreicht – der X3-Chip der Firma Foveon. Er enthält Bauelemente, die wie ein Film in mehreren sich überlagernden Schichten an jeder Stelle alle 3 Grundfarben misst.
Vorteile: Für eine Anordnung gemäss dem Bayer-Muster besteht hier also keine Notwendigkeit mehr. Auch eine Interpolation von Farbwerten mit Hilfe der Nachbarpunkte entfällt.
Weitere Bauformen von CCD-Sensoren
Neben dem Interline-CCD-Sensor gibt es noch zwei weitere Bauprinzipien von Bedeutung:
Full-Frame-CCD-Sensor
Beim Full-Frame-Sensor dient die Matrix der Fotoelemente selbst als CCD, also zum Ladungstransport. Eine zusätzliche CCD-Zelle neben jedem Fotoelement entfällt somit.
Vorteile: Der Vorteil liegt darin, dass man die gesamte Fläche des Chips als Lichtempfänger verwenden kann, da der abgedeckte Teil für das Nachbar-CCD entfällt.
Nachteile: Der Nachteil ist, dass man bei dieser Bauform einen externen mechanischen Verschluss vorsehen muss, da sonst der Lichteinfall während des Ladungstransports das Messergebnis verfälschen würde.
Frame-CCD-Sensor
Der Frame-CCD-Sensor ist in zwei zusammenhängende Blöcke eingeteilt. Im Fotoelementeblock reihen sich die Fotoelemente ohne dazwischen liegende CCD-Register direkt aneinander. Im danebenliegenden CCD-Block gibt es für jedes Fotoelement eine CCD-Zelle an entsprechender Position. Der Fotoblock ist für das Licht frei zugänglich, der CCD-Block ist abgedeckt. Am Ende der Belichtung werden die Ladungen in einem Taktschritt in den CCD-Block befördert. Der Rest läuft so ab, wie für den Interline-Sensor beschrieben.
Vorteile: Auch hier ist der Vorteil darin zu sehen, dass jedes Fotoelement die gesamte Fläche bis zu seinen Nachbarn nutzen kann.
Nachteile: Der Nachteil ergibt sich aus der vergrösserten Bauelementefläche des Sensors. Der CCD-Block benötigt auch seinen Platz. Das Bauelement wird dadurch teurer.