Physical High Dynamic Range (HDR) Imaging with Conventional Sensors

// Elektronik und Elektrotechnik // Optik, Photonik und Lasertechnik // Physikalische Technik // Software
Ref-Nr: 16539

Einleitung / Abstract

Die Erfindung beschäftigt sich mit einer verbesserten Aufnahmevorrichtung für ein Digitalbild, das einen hohen Dynamikumfang („high dynamic range“, HDR) aufweist. Anhand der verbesserten Aufnahmevorrichtung lassen sich HDR-Digitalbilder mit den herkömmlich verbauten digitalen Bildsensoren erzeugen.

Abb.: Beispiel des Sampling-Verfahrens mit 10 Zwischen-Samplings ohne Zurücksetzen der Sensorpixel beim Zwischen-Sampling für den rauschfreien Fall. Ausgelesene Zwischen-Sampling-Werte können auf die Gesamtbelichtungszeit extrapoliert werden, solange sie zu einem bestimmten Zwischen-Sampling-Zeitpunkt noch nicht in Sättigung sind. Dadurch wird der Wertebereich des resultierenden HDR-Bildes entsprechend der Anzahl der Zwischen-Samplingschritte vergrößert, im Beispiel also auf einen Wertebereich von 0-2550 (anstelle von 0-255 im konventionellen Bild).

Hintergrund

Digitale Bildsensoren besitzen einen begrenzten Dynamikumfang („dynamic range“), wodurch das Verhältnis des dunkelsten zum hellsten Punkt in einer Szene bezeichnet wird. Bei fotografischen Szenen, die eine sehr starke unterschiedliche Ausleuchtung haben, können meist nicht alle Bildinformationen erfasst werden.

Problemstellung

Diverse Vorschläge existieren, die zumeist Veränderungen an der Hardware des Sensor-Aufbaus vorsehen. Solche Hardwaremodifikationen sind extrem aufwendig und teuer.

Lösung

Die Erfindung sieht ein algorithmus-kontrolliertes Zwischen-Sampling von Pixeln oder Pixelgruppen vor. Dabei werden ein Teil oder alle Bildsensorpixel mehrfach während eines vorgegebenen Belichtungszeitraumes (te in der Abb.) ausgelesen und verarbeitet. Das Verfahren "advanced pixel control" kann auch bei bereits existierenden CMOS-Sensoren angewandt werden, z.B. durch Firmware-Veränderungen.

Vorteile

Die "dynamic range" von Digitalkameras kann sehr stark erhöht werden. Auch in Wellenlängenbereichen außerhalb des sichtbaren Spektrums ist die Erfindung einsetzbar. Integrierte Pixel-Rauschreduzierung Nachweis der Funktionalität durch synthetische Testmuster

Anwendungsbereiche

Jegliche bildgebende Sensoren. Am Beispiel elektrooptischer CMOS-Sensoren im Bereich des sichtbaren Lichtes wurde die Funktionalität gezeigt. Beispiele für Anwendungsmöglichkeiten sind: • Jegliche Bildgenerierung, bei der Informationen (beispielsweise Helligkeitswerte) gespeichert werden. • Eine Adaption für Videokameras und Camcorder ist leicht möglich. Da keine Hardwaremodifikationen am eigentlichen Bildsensor notwendig sind, sollte das Verfahren durch Software- bzw. Firmwareänderungen realisierbar sein.

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