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Bilderfassung |
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Der Mensch nimmt seine Umwelt vor allem über das Auge wahr. Aus diesem Grund spielt seit jeher die Erfassung von Bildinformationen eine zentrale Rolle. Ziel war und ist dabei die Fixierung eines Zustands, eines Eindrucks oder einer Szenerie, sei es in Form von Gemälden, Portraits oder Fotografien. Auch in der modernen Wissenschaft und Messtechnik finden Bilderfassungssysteme ihre Anwendung. Für Schlagzeilen sorgte beispielsweise das „Bild“ eines Schwarzen Loches im Frühjahr 2019. Im Bereich der gegenwärtigen Bilderfassung unterscheidet man gerne zwischen analogen und digitalen Verfahren. Während im Analogbereich der Film für die Erfassung und Speicherung der Bildinformationen zuständig ist, findet die Erfassung des Bildes im Digitalbereich über einen Sensor statt. Anschließend können die Bildinformationen bei Bedarf am Computer bearbeitet und auf einem entsprechenden Speichermedium gespeichert werden. Zum besseren Verständnis dieser Bilderfassungstechniken ist ein Blick in die Farbenlehre von besonderer Bedeutung.
FarbmischungEine wichtige Erkenntnis aus dem Bereich der Farben geht auf Isaac Newton zurück. In Versuchen mit einem Glasprisma erkannte er, dass sich weißes Licht in verschiedene Farben, sogenannte Spektralfarben zerlegen lässt. Diese Farben lassen sich auch bei einem Regenbogen erkennen: Anstatt an einem Glasprisma wird hier das weiße Sonnenlicht an den einzelnen Regentropfen in die einzelnen Spektralfarben aufgeteilt. Versuche zeigen, dass sich Spektralfarben nicht mehr weiter zerlegen lassen.
Umgekehrt hat man festgestellt, dass sich weiß aus drei verschiedenen Farben, den sogenannten Grundfarben Rot, Grün und Blau mischen lässt. Auch die menschliche Netzhaut ist genau für diese Farben empfindlich. Alle Farbeindrücke beruhen also auf der Kombination der Intensitäten dreier Grundfarben. Licht einer bestimmten Farbe lässt sich dabei grundsätzlich auf zwei Wegen mischen.
Additive Farbmischung
Bei der additiven Farbmischung überlagert sich Licht aus unterschiedlichen farbigen Lichtquellen. Die Intensität der einzelnen Ausgangsfarben bestimmt dabei den Farbeindruck der Mischfarbe. Überlagert man beispielsweise das Licht einer roten und einer grünen Lichtquelle, so ergibt sich als Mischfarbe gelb. Durch das Mischen der drei Grundfarben rot, blau und grün ergibt sich weiß.
Subtraktive Farbmischung
Bei der subtraktiven Farbmischung wird Licht einer bestimmten Farbe entweder durch Filter herausgefiltert oder auf bestimmte Oberflächen absorbiert. Die Beschaffenheit der Farbfilter und das Licht der Ausgangslichtquelle bestimmen dabei den Farbeindruck der Mischfarbe. Wird beispielsweise ein Farbfilter cyan und ein Farbfilter gelb vor eine weiße Lichtquelle gehalten, so entsteht ein grüner Farbeindruck als Mischfarbe. Die Überlagerung von drei Farbfiltern Cyan, Magenta und Gelb „sperrt“ alles Licht – schwarz entsteht.
"Mit Licht schreiben oder malen", so könnte man das aus dem Altgriechischen stammende Wort "Fotografie" übersetzen. Bei der Fotografie werden also Bildinformationen gesammelt, erfasst, fixiert, gespeichert und dargestellt.
Analog
Bei einer analogen Kamera erfolgt die Speicherung der Bildinformationen auf einem lichtempfindlichen Film. Dabei durchdringen die Lichtbündel, die von einem Motiv ausgehen ein System aus Linsen im Objektiv und werden so auf die Filmebene projeziert. Dort löst diese Energiezufuhr in Form von Licht chemische Reaktionen aus, der Film wird belichtet. Die Auflösung des Bildes wird dabei von der Empfindlicheit des eingelegten Films festgelegt: Ein hochempflindlicher Film ist grobkörniger und vermindert somit die Auflösung. Bei einem Farbfilm liegen die lichtempfindlichen Schichten für die Grundfarben Gelb, Purpur und Blaugrün hintereinander.
Nach jeder Aufnahme muss der Film mechanische auf den neuen Belichtungsbereich weitertransportiert werden bis nach etwa 36 Aufnahmen der Film voll ist und in einem Labor entwickelt werden kann. Diese zeitliche Verzögerung schließt eine direkte Kontrolle der Aufnahme aus. Diese Einschränkung mindert die Experimentierfreudigkeit des Fotografen sorgt aber auch für eine sorgfältigere und vorausschauendere Vorbereitung der Bildkomposition, was wiederum auch einen positiven Einfluss auf die Bildqualität hat. Des weiteren müssen Filter, etc. vor der Aufnahme ausgewählt werden. Ein Bearbeiten nach der Entwicklung ist bei der analogen Bilderfassung nicht mehr möglich.
Weit mehr als 100 Jahre war die Fotografie auf lichtempfindliche Materialien angewiesen. Erst die Entwicklung der Fotodiode gegen Ende des 20. Jahrhunderts führte zu digitalen Bildsensoren, die die Bilderfassung revolutionierten.
Digital
Digitale Bildsensoren bestehen aus lichtempfindlichen Fotozellen, die flächenmäßig in Reihen und Spalten angeordnet sind und die mit Hilfe des pysikalischen Fotoeffekts Helligkeiten in elektrische Spannungen umsetzen. Sie bilden die zentrale Komponente von Digitalkameras und können je nach Qualität mal kleiner oder größer ausfallen. Bei einem kleineren Sensor von beispielsweise 13,2 mm Länge und 8,8 mm Breite mit 20 Megapixeln befinden sich etwa 172 000 Fotodioden auf einem Quadratmillimeter Sensorfläche.
Die heutzutage in Digitalkameras verbauten Bildsensoren haben häufig einen ähnlichen Aufbau. Herzstück ist dabei die Fotodiode, die bei Eintreffen des Lichts eines Motivs die elektrische Ladung ändert. Diese Ladungsmenge wird nach der Belichtung ausgelesen und als Helligkeitswert digital gespeichert. Keine Ladung bedeutet dabei Schwarz, die maximale Ladungsmenge der Fotodiode steht für Weiss. Je nach Farbtiefe sind dann weitere Graustufen als Zwischenwerte unterscheidbar. Bei der gängigen 8-Bit Farbtiefe sind also insgesamt 28 = 256 Helligkeitswerte pro Pixel möglich, die zu einem Schwarzweiss-Bild zusammengefügt werden können.
Bei Bildsensoren für Farben wird über die Fotodioden ein schachbrettartiges Muster von grünen, roten und blauen Farbfiltern angebracht und zwar so, dass sich in einer Zeile Blau und Grün, in der folgenden Rot und Grün wiederholen. Durch diese drei Grundfarben lassen sich alle Farbbilder aufbauen. Dabei bildet eine 2 x 2 Quadrat mit einem blauen, einem roten und zwei grünen Farbfiltern eine Einheit, sodass insgesamt doppelt so viele grüne wie rote oder blaue Filter verwendet werden. Für diese Farbgewichtung beim sogenannten Bayer-Filter hat man sich entschieden, da das menschliche Auge besonders gut grüne Farbwerte unterscheiden kann und man deshalb besonders viele Informationen im grünen Spektralbereich speichern möchte. Der Farbsensor wandelt also Ladungsmengen in Helligkeitswerte für die drei Grundfarben Rot, Blau und Grün um.
Oberhalb der Schicht aus Farbfiltern befindet sich üblicherweise eine Mikrolinsenstruktur. Die Mikrolinsen haben die Aufgabe, das eintreffende Licht des Motivs zu bündeln und optimal zur eigentlichen Fotodiode zu leiten. Dadurch kann die Lichtausbeute eines Bildsensors zusätzlich gesteigert werden.
Weitere Filterschichten können Spektralanteile, etwa im Infrarot herausfiltern um so die Bildqualität weiter zu steigern und ungünstige Effekte zu vermeiden.
Interpolation und Komprimierung
Die vom Bildsensor erzeugten Rohdaten im sogenannten RAW-Format ergeben aber noch kein übliches Bild. Diese unverarbeiteten Helligkeitswerte können jedoch an einem PC von einem RAW-Konverter verlustfrei korrigiert und bearbeitet werden. Algorithmen berechnen dabei durch Interpolation aus den einzelnen Sensorwerten bestimmte Werte für die Helligkeit, den Kontrast, den Farbton und die Schärfe. Die Qualität des so umgerechneten Bildes hängt in besonderer Weise von der Güte der Interpolation ab.
Bei der Komprimierung wird die Datenmenge zusätzlich reduziert. In aufwändigen Studien wird dabei untersucht, welche Bildinformationen nicht oder nur von wenigen Menschen wahrgenommen werden können und somit unwichtig sind. Diese unwichtigen Informationsanteile werden dann beim Speichern verringert, sodass Bilddateien mit kleineren Datenmengen entstehen. Zur Weiterverabeitung eignen sich solche komprimierten Bilder jedoch nicht, da die Grundinformationen der einzelnen Fotodioden nicht mehr detailgenau vorhanden sind.
RastergrafikenRastergrafiken bestehen aus einer schachbrettartigen Anordnung der Bildelemente, wobei jedem Element genau ein Farb- oder Helligkeitswert zugeordnet wird. Die Bildgröße, also die Höhe und die Breite des Bildes sowie die Farbtiefe sind wichtige Parameter der Rastergrafiken, die im sogenannten Dateikopf mitgespeichert werden. In der ersten Zeile des Kopfes steht dann ein Kennzeichen für das jeweilige Format. Anschließend folgen zwei Zahlen, die für die Anzahl der Bildelemente in der Breite und in der Höhe des Bildes stehen.
Portable Bitmap (.pbm)
Mit einem Bit lassen sich genau zwei Abstufungen unterscheiden: 0 steht dann für Weiß und 1 für Schwarz. Für jedes Pixel ist genau ein Bit zur Speicherung notwendig. Ohne Datenkopf hat das Schwarzweissbild im Format P1 also eine Datenmenge von 6 x 8 x 1 Bit = 48 Bits.
Portable Graymap (.pgm)
Bei Grausstufenbildern wird für jedes Bildelement ein Grauwert abgespeichert. Der im Dateikopf angegebene Wert „255“ steht für Schwarz. Es lassen sich also zusammen mit der 0 für Weiß 256 verschiedene Grausstufen darstellen, für die pro Bildelement 8 Bits (28 = 256) notwendig sind. Ohne Datenkopf hat dieses Graustufenbild im Format P2 also eine Datenmenge von 6 x 8 x 8 Bits = 384 Bits.
Portable Pixmap (.ppm)
Bei farbigen Rasterbildern sind zur Speicherung 3 unterschiedliche Farbwerte für die Grundfarben Rot, Grün und Blau notwendig. Im Dateikopf kann man ablesen, dass für jede Farbe des RGB-Farbraums jeweils 256 verschiedene Farbwerte unterschieden werden können. Ein Pixel hat also einen Speicherbedarf von 3 x 8 Bits = 24 Bits. Ohne Datenkopf hat dieses Rasterbild im Format P3 also eine Datenmenge von 6 x 8 x 24 Bits = 1152 Bits.
Mit Hilfe von einfachen elektronischen Schaltungen kann auch im Schulunterricht die prinzipielle Funktionsweise digitaler Bildsensoren veranschaulicht werden. Dazu benötigt man verschiedene elektrische Bauteile, die im folgenden etwas genauer beschrieben werden.
Widerstand R
Widerstände sind Bauteile, die den Stromfluss behindern. Je stärker die Behinderung, desto größer der Widerstand. Jedes elektrische Bauteil hat grundsätzlich einen Widerstand, der den Stromfluss reduziert. Die Größe des Widerstandes bestimmt auch die Spannung, die an ihm anfällt.
Übertragen kann man sich den elektrischen Widerstand wie die mechanische Reibung oder eine mechanische Bremse vorstellen: Denn sie behindern die Bewegung eines Körpers und wandeln mechanische Energie in thermische Energie. Genause wandeln Widerstände elektrische Energie in thermische Energie.
Fotowiderstände, kurz LDRs, deren Bezeichnung aus dem Englischen für "Light Dependent Resistor" (lichtempfindlicher Widerstand) stammt, sind besondere Widerstände: Je mehr Licht auf den empflichen Bereich eines Fotowiderstandes fällt, desto kleiner wird sein elektrischer Widerstand, der Stromfluss wird also weniger stark behindert.
LED
Leuchtdioden, kurz LEDs, deren Bezeichnung aus dem Englischen für „Light-Emitting Diode“ (lichtemittierende Diode) stammt, sind Bauelemente, die genau dann Licht ausstrahlen, wenn elektrischer Strom in Durchlassrichtung fließt. Die Farbe des ausgesendeten Lichts hängt dabei von der Bauweise der LED ab. LEDs haben eine hohe Energieeffizienz: Ihr Stromverbrauch ist bei gleicher Leuchtkraft um 80% bis 90% geringer als bei der Glühlampe.
Transistor
Transitoren, deren Bezeichnung aus dem Englischen für "Transfer" (Übertragung) und "Resistor" (Widerstand) stammt, sind Steuerbauteile, die als Schalter, Regler oder Verstärker in Stromkreisen zahlreiche Anwendungen finden. Sie haben meistens drei Anschlüsse: Kollektor (C), Basis (B) und Emitter (E). Der Hauptstrom, der gesteuert werden soll, ist der Arbeitsstrom zwischen Kollektor (C) und Emitter (E). Dieser Arbeitsstrom wird durch den so genannten Steuerstrom zwischen Basis (B) und Emitter (E) beeinflusst:
| • | Ist der Steuerstrom sehr gering (kleine Spannung zwischen Basis (B) und Emitter (E)), so wird der Hauptstromkreis "gesperrt". Das entspricht einem offenen Schalter im Arbeitsstromkreis. |
| • | Fließt hingegen ein schwacher Steuerstrom durch die Basis (B) zum Emitter (E), so wird der Hauptstromkreis leitfähig. Das entspricht einem geschlossenen Schalter im Arbeitsstromkreis. |
Transistoren können also stark vereinfacht als elektrisch steuerbare Schalter aufgefasst werden, bei denen ein kleiner Basisstrom einen großen Arbeitsstrom schaltet.
Hellschaltung – Ein "1-Bit-Lichtsensor"Mit Hilfe einer einfachen elektrischen Schaltung kann prinzipiell die Funktionsweise eines einfachen Lichtsensor veranschaulicht werden. Dabei bestimmt der Lichteinfall auf einen Fotowiderstand (LDR), ob eine LED leuchtet oder nicht. Die LED kann also genau zwei Zustände ("an" oder "aus") einnehmen, die als kleinste Informationseinheit genau einem Bit ("1" oder "0") entsprechen.
Trifft Licht auf den LDR, so sinkt dessen elektrischer Widerstand. Dadurch kann ein kleiner Strom in technischer Stromrichtung vom Pluspol über den LDR und über die Basis (B) des Transistor zum Emitter (E) und zum Minuspol der Quelle fließen. Dieser Steuerstrom schaltet den Transistor, ein Arbeitsstrom kann über die LED und den Kollektor (K) zum Emitter (E) fließen. Die LED beginnt zu Leuchten. Das "Bit" nimmt den Zustand "1" an.
Ohne Lichteinfall ist der Widerstand des LDRs sehr hoch, der Stromfluss in technischer Stromrichtung vom Pluspol über den LDR zum Minuspol wird also stark behindert. Der Stromfluss wird sogar so stark eingeschränkt, dass er nicht mehr ausreicht, um den Arbeitsstrom durch den Transistor frei zu schalten. Der Arbeitsstromkreis ist also "offen", wodurch die LED nicht leuchten kann. Das "Bit" nimmt den Zustand "0" an.
Ein "flächiger" Lichtsensor lässt sich aufbauen, indem man die einfache Hellschaltung vervielfältigt und die LDRs zu einem Quadrat anordnet. Nun sind auch 9 Transistoren zur Schaltung der ebenso quadratisch angeordneten LEDs notwendig. So entsteht eine sehr vereinfachte Rastergrafik der Datenmenge 9 Bits im Format P1, die sich in diesem Fall jedoch noch nicht speichern lässt.
Auch wenn wir uns tagtäglich auf unseren Sehsinn verlassen, so gibt es doch eine große Menge von visuellen Illusionen, optischen Täuschungen und Fehlsichtigkeiten, die die Wahrnung unseres Auges in die Irre führen lassen. In all diesen Fällen scheint das Sehsystem falsche Annahmen über die wahre Wirklichkeit zu machen, die systematisch unter anderem in der Psychologie der Wahrnehmung untersucht werden. Im folgenden sind einige dieser Phänomene aufgelistet. Die rot gefärbten externen Links führen zu Wikipedia-Einträgen zum Thema und zu zugehörigen Suchergebnissen bei der Bildersuche von Google.
| Magisches Auge | |
| „Magic-Eye“-Bilder sind sogenannte Autostereogramme, bei denen zwei verschiedene Bilder übereinander gelegt werden. Die beiden Augen fixieren das gleiche Objekt, aber sie empfangen durch den Abstand zwischen den Augen zwei verschiedene, leicht versetzte Bilder. Bei Betrachten fixiert man einen fiktiven Punkt hinter dem eigentlichen Bild, um das verborgene 3D-Bild zu sehen, das vom menschlichen Gehirn entwickelt wird. | |
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| Ishihara-Farbtafel | |
| Farbenfehlsichtigkeiten sind weit verbreitet; Männer sind davon deutlich häufiger betroffen als Frauen. Zur Diagnose von Farbsehschwächen benutzt man häufig die Farbtafeln des japanischen Augenarztes Shinobu Ishihara. | |
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| Unmögliche Figur | |
| Besonders bekannt sind die Grafiken und Zeichnungen des Niederländers M. C. Escher. Er beschäftigte sich mit Darstellungen, die auf den ersten Blick natürlich zu sein scheinen, auf den zweiten Blick aber vollkommen unmöglich waren. Besonders bekannt ist eine Darstellung eines Wasserlaufs, der ununterbrochen im Kreis bergab zu laufen scheint. | |
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| Ouchi-Illusion | |
| Bei diesen Täuschungen scheint sich alles zu "bewegen". Beim Betrachten entsteht die faszinierende Illusion der Bewegung, die sich allerdings nur im Kopf abspielt. Der japanischen Künstler Hajime Ouchi gestaltete einige dieser "Bewegten Bilder". | |
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| Hermann-Gitter | |
| Diese bemerkenswerte Täuschung hat etwas mit Kontrast zu tun und geht auf den Physiker Ludimar Hermann zurück. Bei Betrachtung der Täuschungsbilder entstehen schwarze Flimmerpunkte, die aber sofort verschwinden, falls man einen Flimmerpunkt fixieren möchte. | |
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Aufgaben zu Farben:
Aufgabe 1: RegenbogenAufgaben zu Rasterbildern:
Aufgabe 6: Fahne