CCD´s in der E-10 und E-20

1. CCD´s in der E-10 und E-20 Klaus Schräder Dipl. Ing. Klaus Schräder

2. 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 Spannung U Photonen I Klaus Schräder

3. 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 Klaus Schräder

4. CCDs Funktionsweisefrüher 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 Konden- satoren sequentiell in horizontaler und vertikaler Richtung, bis sie den Ausleseverstärker erreicht haben. Dessen Signal wird dann digitalisiert und liegt als Bit-Strom zur Weiter- verarbeitung vor Klaus Schräder

5. 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 Klaus Schräder

6. 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 Klaus Schräder

7. Interline Transfer CCD Belichten Speicher schieben Vertikal schieben Horizontal schieben und seriell auslesen Vorteil: benötigt keinen mechanischen Verschluss Nachteil: grosse Chipfläche Klaus Schräder

8. 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 Klaus Schräder

9. 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=120 R=180 G=140 G=100 G=140 B=100 B=80 R=210 G=200 B=110 R=240 G=185 B=125 R=180 G=200 R=240 G=220 B=140 G=180 B=180 G=160 R=220 G=160 R=200 G=140 Klaus Schräder

10. Farbinterpolation (2) • Durch diese Farbinterpolation wird das CCD Bild in 3 Dingen grund- • sätzlich 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. Klaus Schräder

11. E-20 Sensor Sony ICX 282 24 PIN Gehäuse Spektrale Empfindlichkeit Sony‘s Super HAD • Die gleichmässige spektrale Empfindlichkeit wird • erreicht durch: • Verstärkungserhöhung des Blaukanals (Rauschen!) • Doppelte Anzahl grün empfindlicher Dioden (weil • hier das Maximum der Augenempfindlichkeit liegt) Hole Accumulation Diode, soll die Empfindlichkeit erhöhen durch Micro-Linsen, die das Licht genau auf die Fotodiode fokussieren Klaus Schräder

12. 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 °) Klaus Schräder

13. Vergleich CMOS/CCD CMOS CCD Direkte Adressierung wie bei DRAM Keine Adressierung, sequ. Auslesen Höhere Integration ökonomische Chipfläche Standard DRAM Prozess-kostengünstig Spezieller Analog/Digital Prozess Kein Blooming Blooming Gefahr durch Überlaufen Schnelles Auslesen 18 Frames/sec Relativ langsam 4 Frames/sec Geringe Stromaufnahme Höhere Stromaufnahme Klaus Schräder

14. Bild eines CMOS SensorsLM 9648, National Semiconductor Klaus Schräder

15. Foveon X3 Sensor Foveon (National) hat eine 3-dimensionale 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 unter- schiedlicher Eindringtiefe (Energie) der Photonen. Trotz lang zurückliegender Ankündigung noch keine Massenfertigung. ? Klaus Schräder

16. Foveon X3 Sensor (2) Wenn es funktioniert und fertig- bar 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 Klaus Schräder

17. JPEG • Konvertierung des Bildes in den Y,Cb,Cr-Farbraum • Farb-Subsampling • Diskrete Kosinustransformation (DCT) • Quantisieren der DCT-Koeffizienten • Codieren der Koeffizienten Alles klar???? Klaus Schräder

18. 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) Klaus Schräder

19. JPEGBeispiel 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 Klaus Schräder

20. 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. Klaus Schräder

21. JPEG Vergleichjeweils 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“ Klaus Schräder

22. JPEGsieht man es denn? TIFF 400% Ausschnitt JPEG 1:8 400% Ausschnitt Klaus Schräder

23. JPEGsieht man es denn wirklich? Der vorhergehende Ausschnitt ist der Stecknadelkopf Klaus Schräder