CCD in der E-10 und E-20 - oly-e.de
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CCD´s in der E-10 und E-20 Klaus Schräder Dipl. Ing. oly-e 4. Usertreffen Mallorca Klaus Schräder Aufbau von CCDs = Charge Coupled Devices, Ladungsträgergekoppelte Bauelemente Fotodiode Photonen treffen auf Fotodiode, lösen Elektronen & Löcher aus, die als Strom I den Kondensator Q aufladen, an diesem entsteht die Spannung U, die weiterverarbeitet wird. hv Kondensator Q Photonen I oly-e 4. Usertreffen Mallorca Klaus Schräder Spannung U CCD Spektrale Eigenschaften Spektrum Auge/ Silizium Sensoren Silizium hat das Maximum der spektralen Empfindlichkeit bei ca 800 nm –nahes Infrarot und, verglichen mit dem Auge, eine geringe Empfindlichkeit im grünen Bereich Bayern Pattern Auf dem CCD sitzt ein Mosaikfilter mit dem Bayern-Pattern: jedes Pixel genau 1 Farbe 25% rot, 25 % blau, 50 % grün Grün häufiger, weil hier das Maximum der Augenempfindlichkeit liegt. Blau muss elektronisch verstärkt werden oly-e 4. Usertreffen Mallorca Klaus Schräder CCDs Funktionsweise früher auch „Eimerketten-Prinzip“ genannt Viele (bei der E-10 4 Mio, bei der E-20 5 Mio) Photodioden und gleichviele Speicherkondensatoren werden Matrixförmig auf einem CCD chip angeordnet. Geeignete Transfer-Mechanismen bewegen die Ladungsmengen der Kondensatoren sequentiell in horizontaler und vertikaler Richtung, bis sie den Ausleseverstärker erreicht haben. Dessen Signal wird dann digitalisiert und liegt als Bit-Strom zur Weiterverarbeitung vor oly-e 4. Usertreffen Mallorca Klaus Schräder Frame Transfer CCD 1 2 3 Out 1 Belichten 2 Alle Ladungen in den abgedunkelten Speicherbereich schieben 3 Zeile für Zeile seriell auslesen Nachteil: grosse Chipfläche Vorteil: kein Verschluss notwendig oly-e 4. Usertreffen Mallorca Klaus Schräder Full Frame CCD Sensor Der Full-Frame Sensor besitzt keinen eigenen Speicherbereich wie die Frame Transfer oder Interline CCDs. Die Daten werden direkt ausgelesen. Vorteil: geringe Fläche- geringste Kosten Nachteil: mechanischer Verschluss benötigt, da sonst während des Auslesens weiter belichtet würde oly-e 4. Usertreffen Mallorca Klaus Schräder Interline Transfer CCD Belichten Speicher schieben Vertikal schieben Horizontal schieben und seriell auslesen Vorteil: benötigt keinen mechanischen Verschluss Nachteil: grosse Chipfläche oly-e 4. Usertreffen Mallorca Klaus Schräder E-10/E-20 Sensor Der CCD Sensor der E-xx ist ein Interline-Transfer, der 2 Halbbilder nacheinander ausgibt: „Interlaced“ Da das 2. Halbbild nicht im Register gespeichert wird: Verschluss im IS! Kein Verschluss im PS nötig. (E-20) Blockdiagramm des E-10 CCDs Vorteil: 2 Modi möglich (nur E-20) ökonomische Chipfläche, Kombination Frame Transfer/IL oly-e 4. Usertreffen Mallorca Klaus Schräder Farbinterpolation Zunächst ist jedem Pixel auf dem CCD genau eine Farbe nach dem Bayern Pattern zugeordnet. Die Kamera interpoliert nun Nachbarpixel in der Art und Weise, dass jedem Pixel ein Triplett aus R,G,B mit je 8 bit Farbtiefe zugeordnet wird, zusammen also pro Pixel 24 bit=3 byte. Das Beispiel unten ist nur exemplarisch, nicht „Truepic“ R=150 G=100 R=180 G=160 R=220 G=120 B=80 R=180 G=140 G=200 R=240 B=140 G=180 G=160 R=200 G=140 B=100 R=210 G=200 B=110 G=220 B=180 G=140 oly-e 4. Usertreffen Mallorca Klaus Schräder R=240 G=185 B=125 Farbinterpolation (2) Durch diese Farbinterpolation wird das CCD Bild in 3 Dingen grundsätzlich geändert: • die Dateigrösse steigt an : CCD Daten 4,915 MPixelx10 bit= 6,14 MB jedoch werden die RAW Daten im 16 bit Modus ausgegeben, also beträgt die Raw Dateigrösse 4,915 x 16 bit = 9,8 MB im TIFF Mode 14,745 MB plus EXIF Daten Total 15,616 MB • die Farbtiefe wird von 10 bit auf 8 bit reduziert in TIFF und JPEG • die Schärfe nimmt ab, da nicht reale Zwischenwerte gerechnet werden. Hinweis: Wenn eine Bildbearbeitung vorgenommen wird, sollten die Einstellungen der Kamera wie folgt sein: Contrast:“Low“, Sharpness „Soft“. Photoshop und andere können besser „tonwertkorrigieren“und „schärfen“ als die Kamera! Ohne Bildbearbeitung: Contrast „normal“ oder „high“, Sharpness „normal“ oder „sharp“. Jedes interpolierte Bild sollte geschärft werden. oly-e 4. Usertreffen Mallorca Klaus Schräder E-20 Sensor Sony ICX 282 24 PIN Gehäuse Spektrale Empfindlichkeit Die gleichmässige spektrale Empfindlichkeit wird erreicht durch: •Verstärkungserhöhung des Blaukanals (Rauschen!) •Doppelte Anzahl grün empfindlicher Dioden (weil hier das Maximum der Augenempfindlichkeit liegt) oly-e 4. Usertreffen Mallorca Klaus Schräder Sony‘s Super HAD Hole Accumulation Diode, soll die Empfindlichkeit erhöhen durch Micro-Linsen, die das Licht genau auf die Fotodiode fokussieren E-20 Sensor Sony ICX 282 (2) Interessante Daten • • • • • • • • Chipgrösse: 9,74 mm x 7,96 mm Bilddiagonale 11 mm (2/3 Zoll in Fototechnologie) Gesamtpixel: 5,24 Mio, Aktive Pixel 5,02 Mio Pixelgröße 3,4 micrometer x 3,4 micrometer Horizontale Taktfrequenz 22,5 MHz (0,25 sec/Bild) Max. Übertragungsrate 3,57 frames/sec Empfindlichkeit 365 mV/Full well Dunkelsignal max 16 mV (4,4%), Rauschen 8 mV (2,2%) (bei 60 °) oly-e 4. Usertreffen Mallorca Klaus Schräder Vergleich CMOS/CCD CMOS CCD Direkte Adressierung wie bei DRAM Höhere Integration Standard DRAM Prozess-kostengünstig Kein Blooming Schnelles Auslesen 18 Frames/sec Geringe Stromaufnahme oly-e 4. Usertreffen Mallorca Klaus Schräder Keine Adressierung, sequ. Auslesen ökonomische Chipfläche Spezieller Analog/Digital Prozess Blooming Gefahr durch Überlaufen Relativ langsam 4 Frames/sec Höhere Stromaufnahme Bild eines CMOS Sensors LM 9648, National Semiconductor oly-e 4. Usertreffen Mallorca Klaus Schräder Foveon X3 Sensor Foveon (National) hat eine 3dimensionale Struktur in den Chip gegraben, je 3 Fotodioden pro Pixel. Ihr 3 MP CMOS Sensor benötigt daher keine Farbinterpolation. Die Auflösung soll damit einem 9 MP Sensor entsprechen ? Aber: sehr schwer zu beherrschende Technologie wegen unterschiedlicher Eindringtiefe (Energie) der Photonen. Trotz lang zurückliegender Ankündigung noch keine Massenfertigung. oly-e 4. Usertreffen Mallorca Klaus Schräder Foveon X3 Sensor (2) Wenn es funktioniert und fertigbar wäre, könnte dies in der Tat viele Schärfeprobleme, die durch die beschriebene Interpolation auftreten, eliminieren. Aber: der Chip wird von National Semiconductor exklusiv für Foveon gefertigt, und die haben einen Vertrag mit Sigma. Andere Hersteller können frühestens in 3 Jahren darauf zugreifen. Vergleichsbilder: Foveon Standard mit Mosaik Filter Foveon X3 oly-e 4. Usertreffen Mallorca Klaus Schräder JPEG 1.Konvertierung des Bildes in den Y,Cb,Cr-Farbraum 2.Farb-Subsampling 3.Diskrete Kosinustransformation (DCT) 4.Quantisieren der DCT-Koeffizienten 5.Codieren der Koeffizienten Alles klar???? oly-e 4. Usertreffen Mallorca Klaus Schräder JPEG (2) Etwas vereinfacht, und nicht ganz korrekt: (die Vereinfachung liegt Im Ignorieren der Frequenzumwandlung der Diskreten Cosinus Transformation) •Das Bild wird in 8x8 Pixel Blöcke unterteilt (daher die komischen Formate wie 2560x1920 Pixel = 320x240 64er Blöcke = 76800 Blöcke) •Es wird ein Mittelwert gebildet, (DC) der steht oben links •In einer Zick-Zack Kurve werden die Abweichungen von DC festgehalten und in eine Matrix geschrieben •Diese Matrix wird durch eine Quantisierungsmatrix geteilt. Mit der Angabe vom Kompressionsfaktor (1:2,7….1:8) bestimmen wir die Werte der Quantisierungsmatrix. Die neuen Werte werden als Integer abgelegt •Dabei entstehen viel kleinere Werte, z.B. nur 3 bit Werte, und viele Nullen •Dadurch wird die Datei viel kleiner, aber leider auch ein bisschen ungenauer beim Rekonstruieren •Je stärker komprimiert wird, desto mehr Nullen entstehen, und damit sehen die Werte gleich aus = JPEG Artefakte (Blockbildung) oly-e 4. Usertreffen Mallorca Klaus Schräder JPEG Beispiel an einer 4x4 Matrix Dies sei eine Original 4x4 Pixel Tabelle Resultat nach Mittelwertbildung und Zick-Zack Eine Quantisierungsmatrix, links mit niedriger Komprimierung, rechts mit höherer Die entstehenden Resultate in Integer Format. Das wird gespeichert. Das rekonstruierte Bild. Blockbildung und Überhöhung zu erkennen Absolutfehler zwischen Original und Rekonstruktion Niedrige Hohe Komprimierung oly-e 4. Usertreffen Mallorca Klaus Schräder JPEG (3) • Aus dem vorigen Beispiel ergeben sich folgende Dateireduzierungen für ein 8x8 Pixel Feld (nur eine Farbe!) Original: 64 x 8 bit = 512 bit Gesamt E-20 76800 x3x512/8= 14,9 MB 8 bit + (63 x 3 bit) = 197 bit 8 bit + (63 x 2 bit) = 134 bit 76800x3x197/8= 5,7 MB 76800x3x134/8= 3,8 MB Niedrige Komprimierung Höhere Komprimierung Eine weitere Datenreduzierung findet in beiden Fällen durch die Huffmann Kodierung statt, bei der viele Nullen zusammengefasst werden. oly-e 4. Usertreffen Mallorca Klaus Schräder JPEG Vergleich jeweils 10x10 Pixel B B TIFF unkomprimiert JPEG niedrig kompr JPEG hoch kompr Man erkennt, wie auch schon bei JPEG mit niedriger Komprimierung die Strukturen eingeebnet werden und bei hoher Komprimierung die Blockbildung einsetzt : „JPEG Artefakte“ oly-e 4. Usertreffen Mallorca Klaus Schräder JPEG sieht man es denn? TIFF 400% Ausschnitt JPEG 1:8 400% Ausschnitt oly-e 4. Usertreffen Mallorca Klaus Schräder JPEG sieht man es denn wirklich? Der vorhergehende Ausschnitt ist der Stecknadelkopf oly-e 4. Usertreffen Mallorca Klaus Schräder
