DE102009029868B4

DE102009029868B4 - Bildaufnahmevorrichtung und Verfahren zum Erzeugen einer Aufnahme

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Publication number: DE102009029868B4
Application number: DE102009029868A
Authority: DE
Inventors: Michael Schöberl; André Prof. Dr. Kaup
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2009-06-22
Filing date: 2009-06-22
Publication date: 2011-03-24
Anticipated expiration: 2029-06-23
Also published as: DE102009029868A1; WO2010149591A1

Abstract

Bildaufnahmevorrichtung, die ausgebildet ist, eine Aufnahme in einem Belichtungszeitfenster zu erzeugen, mit
einem optoelektrischen Sensor (12);
einem Ausleser (14) zum im Wesentlichen lückenlosen Auslesen und Zurücksetzen des optoelektrischen Sensors (12) zumindest einmal innerhalb des Belichtungszeitfensters (30) und Auslesen des optoelektrischen Sensors am Ende des Belichtungszeitfensters (30), um zumindest zwei Auslesewerte für das Belichtungszeitfenster zu erhalten; und
einem Kombinierer (16) zum Erzeugen der Aufnahme durch Bilden einer Summe über die zumindest zwei Auslesewerte und Verkleinern der Summe um einen Faktor kleiner 1, so dass eine Empfindlichkeit der Bildaufnahmevorrichtung neutraldichtereduziert ist,
wobei der Ausleser ausgebildet ist, um das im Wesentlichen lückenlose Auslesen/Zurücksetzen und das Auslesen am Ende des Belichtungszeitfensters (30) mit gleichgroßen zeitlichen Abständen (τ_N) dazwischen und zu einem Beginn des Belichtungszeitfensters (30) durchzuführen, und
wobei eine Anzahl der zumindest zwei Auslesewerte einstellbar ist und der Kombinierer so ausgebildet ist, dass der Faktor 1/x beträgt, wobei x...

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Bildaufnahmevorrichtungen, wie z. B. Digitalkameras, wie z. B. wiederum digitale Standbild- oder Videokameras sowie ein Verfahren zum Erzeugen einer Aufnahme.
In der digitalen Bilderzeugung spielt die korrekte Belichtung eine entscheidende Rolle während der Bildaufnahme. Die empfangene Lichtmenge bzw. Lichtenergie Q_v sollte sich innerhalb eines bestimmten Bereiches befinden, denn elektronische Schaltungen erlauben lediglich einen bestimmten minimalen Wert (min) und einen maximalen Wert (max), die durch das Gesamtrauschen in dem System bzw. die Sättigungsladung (full well capacity) eines Sensors bestimmt sind. Objekte unterhalb eines bestimmten Pegels werden in dem Kamerarauschen nicht sichtbar sein und für Objekte Oberhalb des Maximums werden die entsprechenden Pixel geclippte bzw. abgeschnittene Werte liefern. In beiden Fällen werden alle Details dieser Bildbereiche verloren sein und es ist keine Wiederherstellung mittels Bildnachverarbeitung möglich. Das Verhältnis zwischen Dynamikbereich 900 einer Digitalkamera, der oberen Grenze max und der unteren Grenze min desselben sowie die Folgen für Bereiche eines Bilder, bei denen die entsprechenden Pixel zu hell oder zu dunkel ausgeleuchtet sind, für den Fall einer herkömmlichen Belichtung über ein Belichtungszeitfenster einer bestimmten Zeitdauer bzw. Belichtungszeit bezogen auf die Lichtenergie Q_v ist noch einmal in 12 gezeigt. Der Bereich 900 zwischen minimaler und maximaler Lichtenergie, der weder zu einer Sättigung des Energiespeichers bzw. Ladungsspeichers des Sensors führt noch zu einem nicht-sichtbaren, da im Rauschen untergehenden Ausschlag führt, wird Dynamikbereich 900 eines Kamerasystems genannt.
Für das Aufnehmen eines Bildes integriert ein Sensor den Lichtfluss F während der Belichtungszeit. Anders ausgedrückt, akkumuliert der Sensor eine dem einfallenden Lichtstrom F entsprechende Energiemenge, wie z. B. eine Ladungsmenge. Die so akkumulierte Lichtmenge ergibt sich zu Q_v = ∫Fdt (1)
Steht die Belichtungszeit fest, legen die Lichtenergiedynamikbereichsgrenzen max und min unmittelbar die Dynamikbereichsgrenzen bezogen auf den Lichtfluss fest. 13 zeigt die Lichtstromdynamikbereichsgrenzen bzw. den Dynamikbereich bezogen auf den Lichtstrom F am Beispiel einer kurzen und einer langen Belichtungszeit. Für eine gegebene Szene kann folglich eine korrekte Belichtung durch die Belichtungszeit gesteuert werden. Der Lichtfluss ist durch geeignetes Anpassen der Szene, durch zusätzliches optisches Filtern oder durch Einstellen der Apertur der Linse steuerbar.
Unglücklicherweise sind in dem Fall einer High-End-Bewegungsbildaufnahme viele dieser Faktoren zumeist festgelegt: die Linsenapertur stellt nämlich gleichzeitig den Tiefenschärfenbereich ein, der wiederum wichtig für die Szenenkomposition ist. Umgekehrt bestimmt die Belichtungszeit die Bewegungsverschmierung, die für eine natürlich aussehende Szene bei der Bewegungsbildaufzeichnung erforderlich ist. Eine „ISO-Einstellung” einer Kamera liefert Bilder mit unterschiedlicher Helligkeit, aber lediglich unter Verwendung einer internen Verstärkung, die die Bilddatenwerte umskaliert. Die zugrunde liegende Sensorempfindlichkeit bleibt bestehen, oder zumindest bleibt der Dynamikbereich unverändert, denn verlorengegangene Informationen aufgrund einer Über- und Unterbelichtung bleiben auch weiterhin verloren.
Es bleibt also lediglich die Menge an Licht aus der Szene, die für eine korrekte Belichtung einstellbar wäre. In einem Studio ist die Helligkeit des Lichtes vielleicht einstellbar. Bei Außenaufnahmen ist dies aber bereits nicht mehr möglich. Am häufigsten wird eine zusätzliche optische Filterung verwendet, um die Empfindlichkeit der Digitalkamera zu reduzieren. Spezielle Neutraldichte-(ND)Filter können verwendet werden, um eine bestimmte Menge des einfallenden Lichtes zu entfernen. Echt farbneutrale und homogene optische Filter sind aber teuer und stellen einen empfindlichen bzw. zerbrechlichen Ausrüstungsgegenstand dar. Solche Filter erhöhen das Gewicht und die Größe des Kamerasystems. Bisher existiert keine elektronische Option zum Einstellen der Empfindlichkeit auf eine neutraldichte Art und Weise.
Abgesehen von der optischen Filterung existieren einige andere Optionen zur Erfassung von Szenen mit einem höheren Dynamikbereich. Z. B. wird eine Kombination von Frames verwendet:
In MANN, Steve; MANDERS, Corey; FUNG, James: Painting with looks: photographic images from video using quantimetric processing. In: Proceedings of the tenth ACM international conference an Multimedia, New York, NY, USA: ACM, 2002, S. 117–126 wird beispielsweise die Kombination mehrerer linearer Aufnahmen zur Erzeugung von Standbildern mit einem höheren Dynamikbereich beschrieben. Dieses Vorgehen funktioniert allerdings lediglich für statische Szenen, da jedes sich bewegende Objekt ansonsten an unterschiedlichen Positionen aufgenommen wird. Dies würde wiederum zu Bildartefakten führen, wenn auf diese Art und Weise Bilder sich bewegender Szenen erzeugt werden würden.
In LIU, Xinqiao; Gamal, Abbas E.: Synthosis of high dynamic range motion blur free image from multiple captures. In: IEEE Transactions an Circuits and Systems I: Fundamental Theory and Applications 50 (2003), April, Nr. 4, S. 530–539 und KANG, S. B.; UYTTENDAELE, M.; WINDER, S.; SZELISKI, R.: High dynamic range video. In: ACM Transactions an Graphics 22 (2003), Nr. 3, S. 319–325 wird beispielsweise eine Nachverarbeitung von Videosequenzen zur Verbesserung bzw. Erhöhung des Dynamikbereiches beschrieben, wobei diese Verfahren auf eine Rekonstruktion ohne Bewegungsverschmierung abzielen. Dies ist aber für Bewegungsbilder nicht wünschenswert, da die korrekte Erzeugung der Bewegungsverschmierung für die wahrgenommene Natürlichkeit einer Szene essentiell ist.
In WANG, Hongcheng; RASKAR, Ramesh; AHUJA, Narendra: High dynamic range video using split aperture camera. In: IEEE 6^th Workshop an Omnidirectional Vision, Camera Networks and Non-classical Cameras OMNIVIS, 2005 werden wiederum Lösungsansätze beschrieben, die die Bewegungsverschmierung zwar bewahren, aber zumindest zwei Kameras, zusätzliche Optiken und eine Ausrichtung erfordern.
Spezielle Architekturen für Bildsensoren zum Erfassen eines höheren Dynamikbereiches einer Szene sind ebenfalls bereits bekannt.
In KAVUSI, Sam; GAMAL, Abbas E.: Quantitative study of high-dynamic-range image sensor architectures. In: SPIE Sensors and Camera Systems for Scientific, Industrial, and Digital Photography Applications V Bd. 5301, SPIE, 2004, S. 264–275 werden beispielsweise spezialisierte Sensoren zur Erfassung eines erhöhten Dynamikbereiches miteinander verglichen, darunter auch spezielle logarithmische Bildsensoren, die eine Szene direkt mit einem großen Dynamikbereich erfassen können. Leider lassen sich allerdings bei solchen Sensoren der Dunkelbildfehler bzw. das Festmusterrauschen (fixed Pattern noise = FPN) nur schwer kompensieren.
Die Einstellung der fotoseitigen Ladungskapazität, wie sie in DECKER, S.; MCGRATH, D.; BREHMER, K.; SODINI, C. G.: A 256 × 256 CMOS imaging array with wide dynamic range pixels and column-parallel digital Output. In: IEEE Journal of Solid-State Circuits 33 (1995), Dec, Nr. 12, S. 2081–2091 beschrieben wird, erzeugt ein ähnliches Verhalten. Eine solche Vorgehensweise erfordert modifizierte Sensoren und kann aufgrund des ungleichmäßigen Ansprechverhaltens auf Licht für unterschiedliche Belichtungszeiten zu zusätzlichen Artefakten bei sich bewegenden Objekten führen.
Räumlich variierende Belichtungen, wie sie in NAVAR, S. K.; MITSUNAGA, T.: High dynamic range imaging: spatially varying pixel exposures. In: Proceedings of IEEE Conference an Computer Vision and Pattern Recognition Bd. 1, 2000, S. 472–479 und US 5,789,737 beschrieben wird, reduziert die Empfindlichkeit für einige Pixel. Dies wiederum reduziert die Auflösung für alle Betriebsbedingungen und erfordert wiederum eine spezialisierte Sensorhardware und Einstellungen des Bildrekonstruktionsalgorithmus.
Wünschenswert wäre deshalb eine Möglichkeit zur Empfindlichkeitsverminderung oder Empfindlichkeitseinstellung, das eine breitere Einsatzmöglichkeit bezogen auf Sensortechnologie, anwendbare Bildnachverarbeitung und/oder Szenentyp liefert, eventuell sogar zu qualitativ besseren Aufnahmen führt, eine Empfindlichkeitseinstellung liefert, die weniger oder überhaupt nicht abhängig ist von Blenden-, Szenenhelligkeits- und/oder Belichtungszeiteinstellung und dabei leicht implementierbar ist.
Die DE 693 18 510 T2 beschreibt eine Bilderzeugungsvorrichtung für einen breiten Dynamikbereich und beschreibt insbesondere einen CCD-Aufbau, bei welchem Halbbildperioden noch einmal in unterschiedlich lange Signalladungsperioden unterteilt werden und der jeweilige CCD-Wert durch eine Kombination der beiden Werte aus den beiden unterschiedlich langen Ladungsanreichungsperioden erhalten wird. Insbesondere wird in einem Multiplikator das eine Ladungsanreichungsperiodensignal mit einem Faktor gewichtet, der das Signal an das andere Ladungsanreichungsperiodensignal hinsichtlich der Periodenlänge anpasst, worauf beide Werte mit Gewichtungen aufsummiert werden, die zusammen jeweils 100% ergeben und von jeweils 0 bis 100% reichen, je nachdem, ob es sich um eine helle Aufnahme oder eine dunkle Aufnahme handelt.
Die EP 0 476 936 A2 beschreibt eine Bildaufnahmevorrichtung, wonach die Frame- bzw. Feld-Rate weiter unterteilt wird, um zwischenzeitliche Ausleseergebnisse zu erhalten, die digitalisiert, digital addiert und daraufhin wieder in ein analoges Signal zurückgewandelt werden. Insbesondere wird beschrieben, dass die Ausleserate des CCD-Arrays auf das N-fache der Standardausleserate eingestellt wird, wenn die Lichtmenge groß ist, wobei N eine Ganzzahl größer 1 sei, während die Ausleserate auf die Standardausleserate eingestellt werde, wenn die Lichtmenge niedrig sei.
Die DE 40 41 312 A1 beschreibt eine elektronische Kameravorrichtung, die ein Bildaufnahmesignal zum Bedienen einer Bildanzeige durch einen Bildmonitor liefert. Ein Bildaufnahmeabschnitt weist zumindest ein Festkörperbildaufnahmeelement auf und erzeugt ein Bildsignal durch elektronisches Aufnehmen eines Bildes eines zu fotografierenden Zielobjektes. Ein Steuerabschnitt führt eine zeitlich unterteilte und wiederholte Bildaufnahmeverarbeitung des Zielobjektes in einer Vielzahl von Malen durch unter Verwendung des Bildaufnahmeabschnittes und eines Lesevorganges des durch die Bildaufnahmeverarbeitung erhaltenen Bildsignals. Ein akkumulierender Additionsabschnitt führt aufeinanderfolgend eine akkumulierende Addition der wiederholt von dem Bildaufnahmeabschnitt durch den Kontrollabschnitt gelesenen Bildsignale durch. Ein Verarbeitungsabschnitt bearbeitet das von dem akkumulierenden Additionsabschnitt erhaltene Bildsignal nach der aufeinanderfolgenden, akkumulierenden Addition derart, dass das Bildsignal für eine Bildanzeige durch den Bildmonitor verwendbar ist.
Die US 2007/0212045 A1 beschreibt eine elektronische Verschmierkorrekturvorrichtung, wonach nach einer optimalen Einstellung von Belichtungszeit und Apertur in den Schritten S201 und S202 eine entsprechende Unterteilung des Belichtungszeitfensters in kleinere Teilbelichtungszeitfenster durchgeführt wird, wobei die Bilder, die in den Teilbelichtungszeitfenstern erhalten werden, je nach Verschmierungsgrad einer Verschmierungskompensation unterzogen werden oder nicht, um anschließend durch Mittelung ein effektives Bild zu ergeben.
Die JP 2002/027328 A beschreibt ein Vorgehen, wonach zwei unterschiedlich lange Belichtungszeitdauern verwendet werden, um durch Kombination der beiden Belichtungsergebnisse zu einer Verbesserung des Dynamikbereiches zu gelangen.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht deshalb darin, eine Bildaufnahmevorrichtung und ein entsprechendes Verfahren zur Erzeugung von Aufnahmen zu schaffen, die diesem Wunsch nachkommen.
Diese Aufgabe wird durch eine Bildaufnahmevorrichtung gemäß Anspruch 1 und ein Verfahren gemäß Anspruch 12 gelöst.
Ein Kerngedanke der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass eine Empfindlichkeitsverringerung relativ unaufwendig, mit Dynamikbereichsvorteilen und mit wenig Auswirkungen auf restliche Bildaufnahmeeinstellungen durchgeführt werden kann, indem Auslesewerte durch mehrmaliges Auslesen des optoelektrischen Sensors, nämlich lückenloses Auslesen und Zurücksetzen des optoelektrischen Sensors der Bildaufnahmevorrichtung zumindest einmal während eines Belichtungszeitfensters und einmal Auslesen am Ende des Belichtungszeitfensters, zur Erzeugung einer Aufnahme verwendet werden, eine Summe über diese zumindest zwei Auslesewerte gebildet wird und die Summe um einen Faktor kleiner 1 verkleinert wird, so dass eine Empfindlichkeit der Bildaufnahmevorrichtung neutraldichtereduziert wird. Die Lückenlosigkeit garantiert, dass das Ergebnis der Aufnahme einer herkömmlichen Aufnahme mit kontinuierlicher Akkumulation innerhalb des Belichtungszeitfensters im Wesentlichen entspricht, da im Wesentlichen der gesamte Lichtstrom während der Belichtungszeitdauer zum Ergebnis beiträgt. Das FPN-Rauschen ist aufgrund der kürzeren Teilbelichtungsintervalle zwischen den Auslese/Rücksetz-Zeitpunkten reduziert. Es bleibt zudem korrigierbar. Das dynamische Rauschen wird aufgrund der eintretenden Mittelung über die Auslesewerte ebenfalls reduziert. Das Ergebnis ist eine reduzierte untere Schranke für den Lichtfluss, der noch in den Dynamikbereich fällt. Umgekehrt ist auch die obere Lichtstromschranke aufgrund der kürzeren Teilbelichtungsintervalle erhöht. Der Aufwand zur Implementierung ist einfach, da lediglich wenige Additionen und eine Multiplikation pro Bildpunkt ausreichend sind.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1 ein schematisches Blockschaltbild einer Bildaufnahmevorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel;
2 eine schematische Darstellung zum Vergleich einer durchgehenden Belichtung und einer Aufteilung einer Belichtung in Belichtungsteilintervalle gemäß einem Ausführungsbeispiel;
3 eine schematische Darstellung der sich ergebenden Dynamikbereiche für eine durchgehende Belichtung über ein langes Belichtungszeitfenster, eine durchgehende Belichtung über ein kurzes Belichtungszeitfenster und eine Unterteilung des langen Belichtungszeitfensters in kürzere Teilintervalle gemäß einem Ausführungsbeispiel;
4 ein Blockschaltbild einer Bildaufnahmevorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel;
5 einen Graphen zum Vergleich des dynamischen Rauschens kontinuierlicher Belichtung und Belichtung mit Einteilung des Belichtungszeitfensters in Teilintervalle;
6 einen Graphen zum Vergleich des FPN-Rauschens bei kontinuierlicher Belichtung und Einteilung des Belichtungszeitfensters in Teilintervalle;
7, 8 und 9 jeweils ein Frame von Testaufnahmen mit kontinuierlicher Belichtung in langen Belichtungszeitfenstern, kontinuierlicher Belichtung in kurzen Belichtungszeitfenstern bzw. mit Belichtung in Teilintervallen eines Belichtungszeitfensters;
10 eine schematische Darstellung einer Standbildkamera gemäß einem Ausführungsbeispiel;
11 eine schematische Darstellung einer Videokamera gemäß einem Ausführungsbeispiel;
12 eine schematische Darstellung zur Veranschaulichung eines Dynamikbereiches bei kontinuierlicher Belichtung; und
13 eine schematische Darstellung zum Vergleich der Dynamikbereiche bei langer und kurzer kontinuierlicher Belichtung.
Bezug nehmend auf 1 wird zunächst eine Bildaufnahmevorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung beschrieben. Die Bildaufnahmevorrichtung von 1 umfasst einen optoelektrischen Sensor 12, einen Ausleser 14 und einen Kombinierer 16. Die Bildaufnahmevorrichtung von 1 ist dazu da, in einem Belichtungszeitfenster eine Aufnahme 18 zu erzeugen und an einem Ausgang 20 auszugeben. Dazu sind der Ausleser 14 und der Kombinierer 16 in der genannten Reihenfolge zwischen den optoelektrischen Sensor 12 und den Ausgang 20 geschaltet.
Der optoelektrische Sensor 12 ist beispielsweise ein Bildsensor mit einem Array von Pixeln 22. Der optoelektrische Sensor 12 bzw. dessen Bildpunkte oder Pixel 22 sind dazu ausgelegt, während einer Belichtungszeit einfallendes Licht zu inegrieren, und zwar durch Umwandlung des Lichts in elektrische Energie und Akkumulation letzterer. Beispielsweise werden Elektronen-Loch-Paare in pn-Übergängen der Bildpunkte 22 erzeugt und kapazitiv gespeichert. Die Beziehung zwischen akkumulierter Ladung und eingefallener Lichtmenge kann linear sein oder eine andere Funktion aufweisen. Vorzugsweise ist die vorerwähnte Beziehung für alle Bildpunkte 22 gleich. Fertigungsbedingt bestehen aber zwischen den einzelnen Bildpunkten 22 Unterschiede, die zu einem für den optoelektrischen Sensor 12 typischen Dunkelbild oder FPN-Rauschen führen. Daneben tritt ein dynamisches Rauschen auf, das bei aufeinanderfolgenden Belichtungen im Wesentlichen statistisch unabhängig voneinander ist.
Die Bildaufnahmevorrichtung von 1 ist dazu ausgelegt, die Aufnahme 18 in einem vorbestimmten Belichtungszeitfenster zu erzeugen. Das Belichtungszeitfenster kann beispielsweise durch einen Shutter bzw. Verschluss 24 jenseits des optoelektrischen Sensors 12 festgelegt werden als ein Zeitraum, bei dem in die Bildaufnahmevorrichtung einfallendes Licht 26 auf den optoelektrischen Sensor 12 treffen kann, wohingegen der Shutter 24 dieses Auftreffen ansonsten verhindert. Der Shutter 24 kann beispielsweise ein mechanischer Verschluss sein, wie z. B. ein Spiegel in dem Fall einer digitalen Spiegelreflexkamera oder eine Umlaufblende in dem Fall einer Videokamera. Ein solcher zu dem optoelektrischen Sensor 12 externer Verschluss 24 ist aber nicht notwendigerweise vorhanden. Der optoelektrische Sensor 12 selbst kann so steuerbar sein, dass die Bildpunkte 22 während des Belichtungszeitfensters ihre Lichtempfindlichkeit aufweisen und ansonsten lichtunempfindlich sind.
Der Ausleser 14 ist dazu ausgebildet, den optoelektrischen Sensor innerhalb des Belichtungszeitfensters mehrmals einem im Wesentlichen lückenlosen Auslese- und Zurücksetzvorgang zu unterziehen, um zumindest zwei Auslesewerte pro Belichtungszeitfenster und für jeden Bildpunkt 22 zu erhalten. Anders ausgedrückt, ist der Ausleser 14 dazu ausgebildet, das Belichtungszeitfenster in Teilbelichtungsintervalle zu unterteilen, und den optoelektrischen Sensor 12 am Ende jedes Teilbelichtungsintervalles auszulesen und im Anschluss daran wieder zurückzusetzen. Für das Auslesen und Zurücksetzen benötigt der Ausleser 14 eine gewisse Zeit, während der keine Akkumulation lichtinduzierter elektrischer Energie stattfindet. Da der Ausleser 14 allerdings im Wesentlichen lückenlos ausliest und rücksetzt, liegt das Verhältnis zwischen einer Summe der Zeitdauer der Teilbelichtungsintervalle und einer Zeitdauer des gesamten Belichtungszeitintervalls, das sich vom Anfang des ersten Teilbelichtungsintervalls bis zum Ende des letzten Teilbelichtungsintervalls erstreckt, beispielsweise zwischen 1 einschließlich und 0,9 einschließlich.
Der Kombinierer 16 ist dazu ausgebildet, die Aufnahme 18 und durch Bilden einer Summe über die zumindest zwei Auslesewerte pro Bildpunkt 22 und Verkleinern der Summe um einen Faktor kleiner 1 zu erzeugen, so dass eine Empfindlichkeit der Bildaufnahmevorrichtung neutraldichtereduziert ist. Es kann sein, dass der Kombinierer 16 die Auslesewerte von dem Ausleser 14 in analoger Form erhält, digitalisiert und anschließend addiert, um die Summe in digitaler Form zu erhalten, und zwar verkleinert um den Faktor kleiner 1 durch beispielsweise wiederum anschließendes Multiplizieren mit dem Faktor. Ein Beispiel dafür wird später noch Bezug nehmend auf 4 erläutert. Der Kombinierer 16 kann die Summe in der digitalen Form durch den zuvor erwähnten Faktor verkleinern und beim Ausgang 20 ausgeben. Alternativ könnte der Kombinierer 16 ausgebildet sein, um die Addition bzw. Summe in analoger Form zu bilden und die Digitalisierung erst später vorzunehmen.
Aufgrund der Einteilung des Belichtungszeitraums in Teilbelichtungsintervalle gerät, wie es im Folgenden noch näher erläutert werden wird, jeder Auslesewert verglichen zu einer Aufintegration über den gesamten Belichtungszeitraum hinweg erst später, d. h. bei einem höheren Lichtstrom, an einen Sättigungsschwellwert, der beispielsweise durch den Analog/Digital-Wandler zur Digitalisierung der Auslesewerte in dem Kombinierer 16 (nicht gezeigt in 1) festgelegt sein kann oder durch die Größe der Kapazität zur Akkumulation der der einfallenden Lichtmenge entsprechenden elektrischen Energie bzw. elektrischen Ladung innerhalb des optoelektrischen Sensors 12 oder Auslesers 14. Bei dieser Gelegenheit wird darauf hingewiesen, dass sich der zuvor erwähnte Energiespeicher wahlweise in dem optoelektrischen Sensor 12 befinden kann oder im Ausleser 14, oder aber dass sich in beiden ein entsprechender Energiespeicher befindet, wobei eine Umspeicherung bzw. Umladung an den Auslese/Rücksetz-Vorgängen stattfindet.
Aufgrund der kürzeren Teilbelichtungsintervalle macht sich auch das FPN-Rauschen des optoelektrischen Sensors 12 weniger bemerkbar. Ferner wird aufgrund der mittelwertartigen Berechnung der Auslesewerte in dem Kombinierer 16 das dynamische bzw. statistische Rauschen verringert. Dies wiederum lässt die entstehende Aufnahme 18 empfindlicher sein für lichtschwache Signale. Insgesamt ist die Empfindlichkeit der Bildaufnahmevorrichtung von 1 reduziert gegenüber einer durchgängigen Belichtung in dem Belichtungszeitfenster. Eine solche Neutraldichtereduzierung der Empfindlichkeit hätte ansonsten eine der komplizierteren Maßnahmen aus der Beschreibungseinleitung erforderlich gemacht, wie z. B. das Verbauen eines optischen Neutraldichtefilters. Umgekehrt sind die anderen Bildeigenschaften, wie z. B. die Bewegungsverschmierung, in der aus den Teilbelichtungswerten gewonnenen Aufnahme die gleichen wie bei einer Aufnahme mit kontinuierlicher Belichtung über das Belichtungszeitfenster hinweg, da im Wesentlichen die gesamte Lichtmenge verwendet wird.
Die Bildaufnahmevorrichtung von 1 kann beispielsweise eine Standbildkamera sein, wobei ein Beispiel hierfür in 10 gezeigt ist, oder eine Videokamera, was Bezug nehmend auf 11 beschrieben wird. Allerdings kann die Bildaufnahmevorrichtung von 1 natürlich auch in anderen elektronischen Geräten integriert sein, wie z. B. in ein Handy, einen Laptop, einen PDA, eine Spielekonsole usw., oder aber in optischem oder medizinischen Messgeräten.
Es wurde in 1 noch nicht darauf eingegangen, dass die Anzahl der Auslesevorgänge pro Belichtungszeitfenster natürlich auch einstellbar sein könnte. Auf diese Weise wäre es möglich, für die Bildaufnahmevorrichtung von 1 eine Einstellbarkeit ihrer Empfindlichkeit zu realisieren, wobei die Einstellbarkweit kaum Zusatzmaßnahmen erfordert, da die erforderlichen Operationen im Wesentlichen die gleichen bleiben, wie z. B. Summenbildung und Verkleinerung um einen Faktor. Der Faktor, um den die Summe der Auslesewerte verkleinert wird, fällt vorzugsweise monoton mit der Anzahl der Auslesevorgänge. Gemäß einem Beispiel beträgt der Faktor beispielsweise 1/x, wobei x = N ± 5% von N oder x = √N ± 5% von √N, wobei N die Anzahl der Auslesevorgänge ist.
Nachdem nun im Vorhergehenden ein Ausführungsbeispiel für eine Bildaufnahmevorrichtung beschrieben worden ist, werden im Folgenden Ausführungen zum zugrunde liegenden Prinzip, den resultierenden Vorteilen und zu den zugrunde liegenden physikalischen Gegebenheiten gemacht, die ein Verständnis der Vorteile und der nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispiele erleichtern.
Wie in Bezug auf 1 beschrieben, ist es möglich, eine Neutraldichtereduzierung auf elektronischem Wege zu realisieren, wie z. B. sogar rein digital, wenn man annimmt, dass die Digitalisierung der Auslesewerte in Bildaufnahmevorrichtungen zumeist ohnehin schon vorgesehen ist. Die in 1 beschriebene Unterteilung eines Belichtungszeitfensters in Teilbelichtungsintervalle mit anschließender Summenbildung und Verkleinerung der Summe ermöglicht eine Reduktion der Empfindlichkeit der Bildaufnahmevorrichtung, während der dynamische Bereich verschoben und ggf. sogar erhöht wird, wie es im Folgenden noch erörtert wird. Im Folgenden wird kurz erläutert, wieso sich eine Verschiebung der oberen sowie der unteren Grenze des dynamischen Bereiches ergibt. Insbesondere ergibt aus den folgenden Erläuterungen, dass sich
eine reduzierte Sensorempfindlichkeit,
ein reduziertes dynamisches Rauschen mit demzufolge vergrößertem Dynamikbereich,
ein reduziertes FPN-Rauschen mit dementsprechend vergrößertem Dynamikbereich,
eine korrekte Wiedergabe einer Bewegungsverschmierung von sich bewegenden Objekten in der Aufnahme,
eine gleichmäßige Empfindlichkeit für verschiedene Belichtungszeiten,
im Wesentlichen keine zusätzlichen Artefakte, sowie
Realisierungsmöglichkeiten unter Verwendung ganz normaler, herkömmlicher Bildsensoren ergeben.
All diese Vorteile lassen sich, wie im Vorhergehenden und im Folgenden noch beschrieben, durch Einstellung des Sensorauslesemusters und Durchführen zusätzlicher Pixelbasierter Bildverarbeitung erzielen. Um das zu erläutern, wird auf 2 Bezug genommen. Bei a) ist in 2 die Aufnahme eines einzelnen Frames mit ununterbrochener Belichtung im Belichtungszeitfenster 30 gezeigt. Die Belichtung startet bei dem Zeitpunkt t₁ und endet nach einer Zeitdauer τ_exp bei dem Zeitpunkt t₂. D. h., vor dem Zeitpunkt t₁ ist beispielsweise der Bildshutter 24 der Bildaufnahmevorrichtung geschlossen, zwischen den Zeitpunkten t₁ und t₂ geöffnet und nach dem Zeitpunkt t₂ wieder geschlossen. Während des Belichtungszeitfensters 30 ergibt die Lichtintegration den Pixelwert I.
Bei b) ist in 2 ein Vorgehen gezeigt, wonach während des Belichtungszeitfensters 30 vier im Wesentlichen lückenlose Auslese/Rücksetz-Vorgänge 321–324 durchgeführt werden, und zwar um genau zu sein drei innerhalb des Belichtungszeitfensters 30 und einer am Ende beim Zeitpunkt t₂, wodurch das Belichtungszeitfenster 30 in vier Teilbelichtungsintervalle τ_N unterteilt wird. Wie es zu sehen ist, kann der letzte Vorgang auf ein Auslesen begrenzt sein und zu Beginn des Belichtungszeitfensters zum Zeitpunkt t₁ wird oder ist des Sensor noch zurückgesetzt. Das Zurücksetzen bewirkt ein Voreinstellen des vorerwähnten Akkumulationsspeichers des optoelektrischen Sensors, der dann mit einer Rate, die dem momentan einfallenden Lichtstrom entspricht, entladen oder aufgeladen wird. Das Auslesen ergibt einen Auslesewert des momentanen Ladezustands des Akkumulationsspeichers. Das Auslesen kann destruktiv sein, d. h. den Ladezustand verändern, da ja im Anschluss wieder ein Zurücksetzen erfolgt.
In 2 wird das Belichtungszeitfenster 30 exemplarisch in vier Teilbelichtungsintervalle 341–344 der Länge τ_N unterteilt, aber natürlich ist auch eine feinere oder gröbere Unterteilung mit N ≥ 2 möglich.
Zwischen den Teilbelichtungen 341–344 wird jeweils der Auslese/Rücksetz-Vorgang 321– 323 durchgeführt. Die Auslesevorgänge können dabei destruktiv sein, d. h. den Inhalt des vorerwähnten Energiespeichers bzw. Ladungsspeichers zerstören. Die Auslese/Rücksetz-Vorgänge 321–323 im Inneren des Belichtungszeitfensters 30 weisen, wie es in 2 gezeigt ist, jeweils einen Auslesevorgang und einen Rücksetzvorgang auf, die im Wesentlichen unmittelbar aufeinander stattfinden. Zwischen denselben tritt keine Lichtakkumulation auf. Das Verhältnis zwischen der Summe dieser zeitlichen Lücken und der Zeitdauer t_exp beträgt beispielsweise gleich oder weniger als 9/10 oder sogar noch bevorzugter weniger als 99/100. Wie es ferner in 2 gezeigt ist, sind die Teilbelichtungsintervalle 341– 344 vorzugsweise gleichlang, nämlich τ_N = 1/N·τ_exp. Der schließliche Wert 1 für das augenblickliche Frame ergibt sich dann beispielsweise gemäß Mittelwertbildung auf einer pro-Pixel-Basis gemäß
Die Einstellung von N benötigt vorteilhafterweise keine Einstellung irgendeiner Kameramechanik. Es ändern sich auch keine optischen Eigenschaften der Kameras durch eine Verstellung von N. Das gilt sowohl für die Tiefenschärfe, die durch die Linse und die Apertur der Bildaufnahmevorrichtung bestimmt ist sowie die Farbcharakteristik und Auflösung der Kamera bzw. der Bildaufnahmevorrichtung. Folglich wirkt die Intervallunterteilung des Belichtungszeitfensters 30 mit Summenbildung und Verkleinerung wie im Vorhergehenden beschrieben wie ein digitales Neutraldichtefilter mit echtem Neutralverhalten.
Im Folgenden wird kurz auf physikalische Grundlagen bei der Bilderfassung eingegangen, die zum Verständnis der Vorteile der Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung beitragen. Der Vorgang der Bilderfassung ist nicht-ideal und unterschiedliche Typen von Bildstörungen werden das Signal unweigerlich verschlechtern. Insbesondere kann zwischen zwei Typen von Rauschen unterschieden werden, die das Erfassen eines Pixelwertes I beeinflussen:
Die eigentliche Bildinformation wird beispielsweise durch Integration eines dem einfallenden Lichtstrom entsprechenden Photostrom i_ph über die Belichtungszeit τ_exp erfasst. Sich bewegende Objekte werden verschmiert erscheinen, was für eine natürliche Szenenerscheinung wesentlich ist. Die Entstehung bzw. naturgetreue Wiedergabe der korrekten Bewegungsverschmierung ist wesentlich für hochqualitative Bewegungsbildaufnahmen.
Das statische oder FPN-Rauschen N_FPN beschreibt systematische Störungen, die in einem gewissen Rahmen prädiziert und nachträglich wieder entfernt bzw. subtrahiert werden können, wie es beispielsweise im MALUEC, R. M.: Detector Array Fixed-Pattern Noise Compensation. April 6 1976. – US Patent 3,949,162 beschrieben wird. Dieses Rauschen besteht hauptsächlich aus Offset-Rauschen N_offset und Dunkelstromrauschen N_dunkel. Die Belichtungszeitabhängigkeit kann mit einem konstanten Wert für den Dunkelstrom i_dunkel für jedes Pixel moduliert werden, wie es beispielsweise in US 7,092,017 beschrieben wird.
Die lineare Abhängigkeit des Dunkelstromes von der Belichtungszeit resultiert in erheblichen Bildstörungen in dem Fall von langen Belichtungszeiten. Selbst unter Kompensation des FPN-Rauschens und der FPN-Kompensation gemäß Gleichung (4) für jedes Pixel mit Pixel-individuellem Dunkelstrom i_dunkel verbleiben zwei Probleme: selbst mit einer perfekten Schätzung und Entfernung des FPN-Rauschens wird der Dynamikbereich des Bildes reduziert sein. Dies limitiert wiederum die maximal zugelassene Belichtungszeit. Zweitens ist bei einer echten Kamera die Schätzung von i_dunkel für jedes Pixel sehr wahrscheinlich nicht perfekt, was weiterhin dazu führt, dass ein erhöhtes Rauschen bei langen Belichtungszeiten auftritt. In der Praxis wird sich deshalb das FPN-Rauschen trotz einer FPN-Kompensation mit der Länge der Belichtungszeit erhöhen.
Theoretisch ergibt sich also durch die beschriebene Maßnahme der Intervallteilung des Belichtungszeitfensters kombiniert mit der Summe über die resultierenden Auslesewerte und der Verkleinerung der Summe eine Bildaufnahme mit einer reduzierten Empfindlichkeit, reduziertem dynamischen Rauschen sowie reduziertem FPN-Rauschen. Das zeigt auch die Tabelle (1), die im Folgenden erläutert wird. Eine um den Faktor N kürzere Belichtungszeit bewirkt, dass lediglich 1/N des einfallenden Lichtes bei der Belichtung wirksam ist. Dies verringert die Empfindlichkeit effektiv um einen Faktor 1/N. Eine Mittelung über die Abtastwerte ändert nichts an der Menge des Lichtes. Werden alle Bildinformationen aller Belichtungsteilintervalle 341–344 verwertet bzw. bei der Summenbildung umfasst und dabei gleich gewichtet, so garantiert dies ein gleichmäßiges Verhalten über die Belichtungszeit. Insbesondere wird die erzeugte Bewegungsverschmierung zu derjenigen einer einzelnen ununterbrochenen langen Belichtung gleich sein.
3 zeigt beispielsweise bezogen auf den Lichtstrom F, der während des Belichtungszeitfensters auf den optoelektrischen Sensor fällt, den Dynamikbereich 40 in dem Fall einer durchgehenden langen Belichtung, den Dynamikbereich 42 in dem Fall einer durchgehenden kurzen Belichtung und verglichen dazu den Dynamikbereich 44 in dem Fall eines Dynamikbereiches, wie er sich durch das beschriebene digitale ND-Filter, d. h. durch Aufteilung des Belichtungszeitfensters in mehrere Teilbelichtungsintervalle mit Summenbildung über die Teilbelichtungswerte und Verkleinerung der Summe um die Anzahl der Teilbelichtungsintervalle ergibt.
Das dynamische Rauschen bei ununterbrochener Belichtung über das Belichtungszeitfenster hinweg betrage beispielsweise σ_a. Wenn eine Mittelung über N unkorrelierte Zufallsvariablen a durchgeführt wird, wird der Mittelwert ā den Wert
annehmen. Dies reduziert direkt das dynamische Rauschen um √N, wie es in der Tabelle 1 gezeigt ist.
Das FPN-Rauschen für eine kurze Belichtungszeit ergibt eine Reduktion des Dunkelstrom-FPN-Rauschens N_dunkel um einen Faktor 1/N. Das Offset-Rauschen N_offset bleibt hingegen konstant, was aber lediglich die Gesamtreduktion des FPN-Rauschens limitiert. Eine Mittelung über den resultierenden gleichen Betrag des FPN-Rauschens bei den einzelnen Teilbelichtungswerten beeinflusst den Rauschpegel nicht.
Das Ergebnis dieser theoretischen Betrachtungen ist in Tabelle (1) gezeigt. Table 1: Erwartetes Verhalten
D. h., eine Unterteilung des Belichtungszeitfensters in N gleichgroße Teilbelichtungsintervalle mit Bildung einer Summe über die Teilbelichtungswerte und Reduktion der Summe um einen Faktor 1/N, mit N der Anzahl der Teilbelichtungsintervalle, führt relativ zu einer durchgehenden Belichtung mit der Belichtungszeitdauer N mal der Teilbelichtungszeitdauern zu einer um 1/N reduzierten Empfindlichkeit, einem um 1/√N reduzierten dynamischen Rauschen N_dyn und einem um 1/N reduzierten Dunkelstrom-FPN-Rauschen N_dunkel.
Die Anwendbarkeit dieser Vorgehensweise ist sogar für große Werte von N unbegrenzt. Allerdings ist die Zunahme der Bildqualität durch die Reduktion des dynamischen Rauschens durch das konstante Offset-FPN-Rauschen begrenzt.
Bezug nehmend auf 1 wurde bereits auf ein paar Möglichkeiten der Integration in ein existierendes Kamerasystem eingegangen. Im Grunde ist eine Ergänzung eines existierenden Kamerasystems um eine Vorrichtung gemäß 1 nicht schwierig. Die Aufteilung des Belichtungszeitfensters in Teilbelichtungsintervalle mit anschließender mittelwertartiger Verarbeitung der Teilbelichtungswerte bedarf lediglich einer sehr geringen Rechenkomplexität und kann einfach in ein existierendes Kamerasystem integriert werden. N – 1 Additionen und eine einzige Multiplikation pro Pixel pro erzeugtes Frame bzw. pro erzeugter Aufnahme sind beispielsweise ausreichend. Zur Integration in ein existierendes Kamerasystem ist lediglich die Existenz einer intern höheren Framerate als die eigentliche Kameraframerate erforderlich und der Sensor muss zu einem im Wesentlichen lückenlosen Auslese/Rücksetz-Modus in der Lage sein.
Beispielsweise müssen alle Komponenten in Verarbeitungsrichtung vor der Summenbildung, wie z. B. der Sensor und der Analog/Digital-Konverter, zu einer N-mal höheren Verarbeitungsrate in der Lage sein als die Framerate. Bei einem typischen Kamerasystem ist eine erhöhte interne Framerate unmittelbar möglich: ein Kamerasystem arbeitet nicht immer bei der höchstmöglichen Framerate. Das ist insbesondere wahr, falls eine reguläre Kamera zur Zeitrafferaufzeichnung verwendet wird oder falls eine Hochgeschwindigkeitskamera für reguläre Frameraten verwendet wird. Zweitens erzeugen einige Kamerasysteme eine Ausgabeframerate, die niedriger als die maximale interne Sensorauslesegeschwindigkeit ist. Dies wird beispielsweise bei Drehshutterkameras verwendet, wo eine Auslese so schnell wie möglich durchgeführt wird. Dies reduziert Shutterartefakte ohne das Erhöhen der erforderlichen Verarbeitungsleistung und Speicherdatenrate.
Die Art und Weise, wie ein lückenloser und verschachtelter Auslese/Rücksetz-Sensorauslesemodus realisiert ist, hängt bezüglich seiner Details von dem Sensortyp ab. Typische High-End-Sensoren unterstützen aber diesen Modus. Für einige Sensoren erfordert das lückenlose Auslesen einen Betriebsmodus, der ein höheres dynamisches Rauschen nach sich zieht. Sogar in diesen Fällen ist aber das hier beschriebene Aufteilen des Belichtungszeitfensters in mehrere Teilbelichtungsintervalle mit anschließender mittelwertartiger Verarbeitung der Teilbelichtungswerte vorteilhaft, da eine äquivalente Rauschreduktion auch bei N = 2 erzielbar ist.
Für eine korrekte Bewegungsverschmierungsrekonstruktion wird die Mittelwertbildung oder allgemeiner die mittelwertartige, da nicht unbedingt mit der Summenteilung mittels N durchgeführte Verarbeitung der Teilbelichtungswerte vorzugsweise in einem linearen Datenraum durchgeführt. Dies kann beispielsweise dadurch bewerkstelligt werden, dass die Teilbelichtungsbilder kurz nach der A/D-Wandlung addiert bzw. der Summenbildung unterzogen werden. Eine mögliche Ausführung ist in 4 gezeigt.
4 zeigt eine Bildaufnahmevorrichtung mit einem Sensor 52, einen A/D-Wandler (Analo-to-digital converter = ADC) 54, einen Teilbelichtungswertzwischenspeicher 56, wie z. B. einen RAM, wie es in 4 exemplarisch gezeigt ist, einen Addierer 58, einen Multiplizierer 60 und eine Weiter- bzw. Nachverarbeitungseinrichtung 62. Einander entsprechende Komponenten aus 4 und 1 sind in 4 entsprechend gekennzeichnet. Demnach umfasst der Sensor 52 von 4 intern einen optoelektrischen Sensor 12 und einen entsprechenden Ausleser 14. Die von dem Ausleser 14 pro Pixel und Belichtungszeitintervall sequenziell ausgegebenen Teilbelichtungswerte 64 werden von dem A/D-Wandler 54 digitalisiert. Die so digitalisierten Teilbelichtungswerte 66 werden von dem Addierer 58 der Reihe nach mit dem in dem Zwischenspeicher 56 zwischengespeicherten Zwischenergebnis verrechnet bzw. summiert, wobei das Summenergebnis wieder in dem Zwischenspeicher 56 abgelegt wird bzw. der Inhalt des Zwischenspeichers 56 mit dem Ergebnis der aktuellen Addition aktualisiert wird, wie es mit dem Pfeil 68 angezeigt ist. Sobald die N Teilbelichtungswerte summiert worden sind, gelangt die Summe, wie es mit dem Pfeil 70 gezeigt ist, zu dem Multiplizierer 60. Dort wird die Summe mit dem Faktor 1/N 72 multipliziert bzw. reduziert. Das Ergebnis der Multiplikation stellt den entsprechenden Pixelwert 74 dar, der dann zusammen mit den anderen Pixelwerten das Rohbild darstellt, das der Weiterverarbeitung 62 zugeführt wird, um an dem Rohbild beispielsweise eine FPN-Kompensation mit Pixel-individueller FPN-Korrekturfunktion durchzuführen, eine Farbkorrektur durchzuführen und/oder eine Farbinterpolation durchzuführen. Also wird gemäß 4 jegliche Weiterverarbeitung, wie z. B. die FPN-Entfernung oder eine Bayer-Farbrekonstruktion, erst dann durchgeführt, wenn für jedes Pixel die Summenbildung der Teilbelichtungswerte und der Reduktion mit einem Faktor kleiner 1 durchgeführt worden ist. Die Operationen der Einrichtung 62 müssen also nur einmal durchgeführt werden für das Rohbild bzw. bei der Integration der Vorrichtung von 4 in ein existierendes Kamerasystem müssen diese Operationen weiterhin nur einmal pro erzeugtes Frame durchgeführt werden und nicht etwa N mal. Die Integration bleibt also hinsichtlich seiner Komplexität gering.
Zur Simulation bzw. zum experimentellen Test des oben skizzierten digitalen ND-Filters wurden Testsequenzen mit verschiedenen Frameraten und Kameramodi aufgenommen. Die Testszene umfasste eine rotierende Scheibe mit einem schmalen Schlitz zur Überprüfung der Bewegungsartefakte und zur Überprüfung des lückenlosen Auslesens. Zur Bewahrung des originären Kamerarauschens wurden unkomprimierte Sequenzen in Voll-AD-Auflösung, d. h. 1920×1080 Pixel, von einem High-End-Kamerasystem aufgezeichnet.
Zur Auswertung der wahren Leistungsfähigkeit des digitalen ND-Filters wurde eine FPN-Kompensation gemäß US 7,092,017 , ein Demosaiking bzw. eine Farbinterpolation durchgeführt und eine Sicht-Gamma-Korrektur angewendet.
Insbesondere wurde eine Bildsequenz mit τ_exp = 16.6 Millisekunden bei durchgängiger Belichtung über die Belichtungszeitfenster pro Frame hinweg aufgezeichnet. Anschließend wurde die Belichtungszeit verdoppelt, wobei eine äquivalente Lichtreduktion in dem optischen Pfad durchgeführt wurde. Für die Digital-ND-Sequenzen wurde eine einzige Bildsequenz mit lückenloser Auslese/Rücksetzung mit Belichtungsintervallen τ_N = 16,6 Millisekunden aufgezeichnet, wobei aus den Bildern dieser Bildsequenz Digital-ND-Sequenzen mit N = 2, 3, 4, ..., 8 erzeugt wurden.
In allen aufgezeichneten und erzeugten Sequenzen wurde das FPN-Rauschen und das dynamische Rauschen in einem homogen Bereich des Bildes analysiert. Das Ergebnis der Analyse des dynamischen Rauschens ist in 5 gezeigt. Es ist zu erkennen, dass die herkömmliche Auslese mit ununterbrochener Belichtung während des Belichtungszeitfensters ein im Wesentlichen konstantes dynamisches Rauschen zeigt. Für die lückenlose Auslese benötigt der verwendete Sensor in etwa 2 dB mehr dynamisches Rauschen. Mit größer werdendem N ist unmittelbar eine Reduktion der Rauschpegel verbunden, und zwar nahe an der erwarteten idealen Kurve. Das Ergebnis der Analyse des FPN-Rauschens ist in 6 gezeigt. Für die herkömmliche Belichtung mit ununterbrochener Belichtung während des Belichtungszeitfensters ist eine Erhöhung des FPN-Rauschens mit größer werdender Belichtungszeit erkennbar, und das trotz der verwendeten linearen FPN-Kompensation. Eine in SCHÖBERL, Michael; SENEL, Cihan; BLOSS, Hans; FOESSEL, Siegfried; KAUF, André;: Non-linear Dark Current Fixed Pattern Noise Compensation for Variable Frame Rate Moving Picture Cameras. In: 17th European Signal Processing Conference EUSIPCO 2009, Glasgow, Scotland, United Kingdom, 8 2009 postulierte Ungenauigkeit des linearen Modells wird hier also bestätigt. Mit der Digital-ND-Bildaufnahme mit Unterteilung des Belichtungszeitfensters in Teilbelichtungsintervalle und anschließender Mittelwertbildung der Teilbelichtungswerte bleibt, wie es in 6 zu sehen ist, das FPN-Rauschen sowohl niedrig als auch konstant. Auch hier folgt der Rauschpegel der erzeugten Sequenzen eng der idealen Kurve.
Die Beispiele in den 7, 8 und 9 zeigen ein einzelnes Bild aus der Sequenz für τ_exp = Millisekunden mit N = 4. Die oberen Bilder dieser Figuren zeigen jeweils die vollständige aufgenommene Szene, wohingegen in den jeweiligen Figuren die unteren Bilder eine vergrößerte Region der Testschablone aus der linken Seite der Szene zeigen. Die herkömmliche Bildaufnahme mit durchgehender Belichtung im Belichtungszeitfenster ist in 7 dargestellt. Sie zeigt viel Rauschen. Eine optische Filterung wurde verwendet, um die Lichtmenge um einen Faktor von 4 zu reduzieren. In 8 ist das Ergebnis mit einer einzelnen kurzen Belichtung gezeigt. Die Bildaufnahme weist ein niedrigeres FPN-Rauschen auf. In 9 ist das Ergebnis unter Verwendung der Einteilung in vier Teilbelichtungsintervalle mit Mittelwertbildung über die Teilbelichtungswerte gezeigt. Wie es in 9 zu sehen ist, ist auch zusätzlich zu dem Fall von 8 auch das dynamische Rauschen reduziert, also zusätzlich zu der Reduktion des FPN-Rauschens. Das erzeugte Bild weist zudem die gleiche Bewegungsverschmierung auf wie die herkömmliche Belichtung mit durchgehender Belichtung im Belichtungszeitfenster. Die Szenenhelligkeit in dem Fall der digitalen ND-Filterung gemäß 9 ist identisch zu dem Ergebnis durch die optische Filterung, wie sie bei 7 verwendet worden ist. D. h., die Empfindlichkeit konnte um einen Faktor von 4 reduziert werden, wobei sowohl das dynamische als auch das statische Rauschen um 4 dB bzw. 9 dB verbessert worden ist. Diese Reduktion des Rauschens entspricht einer Erhöhung des Dynamikbereiches, wie es im Vorhergehenden beschrieben worden ist.
Die im Vorhergehenden beschriebene digitale ND-Filterung weist also gegenüber der herkömmlichen langen ununterbrochenen Belichtung eine Vielzahl von Vorteilen auf: zur Reduzierung der Lichtmenge ist kein optisches Filter nötig. Die Handhabung, das Gewicht der Ausrüstung und schließlich die Kosten eines Kamerapaketes können verbessert werden. Die digitale Implementierung ist zudem rechenunaufwendig und kann einfach in ein Kamerasystem integriert werden und bedarf keiner spezialisierten Sensoren. Die beschriebene Auslese kann auch für Standbildphotokameras im Consumer-Bereich verwendet werden und ermöglicht noch eine weitere Option zur Einstellung der Lichtmenge in einer Szene. Dies könnte direkt eine Langbelichtungsphotographie während Tageslicht ermöglichen, wo eine typische Aperturblende immer noch zu viel Licht durchlässt.
Die Bildrauschpegel werden zudem reduziert, anstatt wie bei der herkömmlichen Belichtung sich zu erhöhen. Dies liefert schließlich einen höheren Dynamikbereich. Ein FPN-Kompensationsalgorithmus ist lediglich im Hinblick auf einen kleineren Bereich von Belichtungszeitdauern erforderlich. Die Kalibrierungs- und Kompensationsanforderungen bezüglich des Dunkelstromes sind folglich geringer als bezüglich der breiten Bandbreite von Belichtungszeitdauern. Die aufeinanderfolgenden kurzen Belichtungen leiden nicht an den dynamischen Bereichsgrenzen durch Dunkelstrom und Belichtungszeitdauern sogar über die maximal nützliche Belichtung des Sensors können erzeugt werden.
Die beschriebenen Ausführungsbeispiele können somit durch Kombination eines lückenlosen Sensorauslesemodus mit der Bildverarbeitung realisiert werden, und zwar unter Reduktion einer Bildsensorempfindlichkeit. Die erzeugten Bilder können eine erhöhte Bildqualität und die korrekte Bewegungsverschmierung zeigen. Diese Verschiebung des Dynamikbereiches ist ohne die Notwendigkeit einer zusätzlichen Mechanik möglich. Die erzeugten Bilder liefern zudem einzigartige Eigenschaften, wie z. B. die Bewahrung der Bewegungsverschmierung, eine reduzierte Empfindlichkeit ohne Hardwaremodifikation und/oder eine verbesserte Bildqualität.
Eine Bildaufnahmevorrichtung gemäß 1 oder 4 mit den Abwandlungen, wie sie im Vorhergehenden beschrieben worden sind, können sowohl für Videos bzw. Bewegungsbilder als auch Standbilder eingesetzt werden. Für Videokameras bieten die Ausführungsbeispiele eine Möglichkeit für einen Benutzer-auswählbaren Betriebsmodus zur Reduktion der Empfindlichkeit der Kamera. Die Implementierung ist lediglich Firmware-basiert und stört nicht den regulären Kamerabetrieb. Dies ermöglicht die Aufzeichnung von Zeitrafferszenen sogar während Sonnenlichtes. Die beschriebene Bildaufnahme kann auch für Hochgeschwindigkeitskameras verwendet werden, die bei niedrigeren Frameraten betrieben werden. Eine optische Filterung ist nicht notwendig, und trotzdem können jedwede Belichtungszeiten und Linsenaperturen verwendet werden.
Für digitale Standbildkameras kann die vorgestellte digitale ND-Filterung auch verwendet werden. Sie liefert eine noch weitere Möglichkeit zur Bestimmung der besten Belichtungseinstellung, zusätzlich zur Einstellung vermittels der Linsenapertur und der Belichtungszeit. Falls beispielsweise die durch die Linsenapertur und Belichtungszeit einstellbare Sensitivitätsspanne nicht ausreicht, kann die Variation der Anzahl der vorbeschriebenen Teilintervalle zur Einstellung der Belichtung verwendet werden. Die Spanne von Aperturstopps für eine Linse könnte sogar reduziert werden, was Kosten einsparen würde, und die digitale Empfindlichkeitsreduktion, wie sie im Vorhergehenden beschrieben wurde, könnte stattdessen verwendet werden.
In 10 ist exemplarisch eine digitale Standbildkamera 80 gezeigt, in die die Vorrichtung von 1 oder 4 integriert sein soll, wobei diese Komponenten in 10 der Übersichtlichkeit halber aber nicht dargestellt sind. Die Kamera 80 kann eine Spiegelreflexkamera oder eine Sucherkamera sein. Sie weist ein Objektiv 82, eine Blende 84, wie z. B. eine Lamellenblende, und eine Steuerung zur manuellen und/oder automatischen Einstellung der Blendenöffnung bzw. Blendenzahl, der Belichtungszeit τ_exp und der Anzahl N der Teilbelichtungsintervalle und somit zur Einstellung der Empfindlichkeit auf. In dem Fall von 10 weist die Steuerung exemplarisch drei vom Benutzer bedienbare Drehregler 86, 88 und 90 als Eingabeschnittstellen auf. Über die Regler 86 und 88 könnte der Benutzer beispielsweise manuell Blendenöffnung und Belichtungszeitdauer τ_exp einstellen, wobei es ihm über den Regler 90 möglich wäre, unabhängig von diesen Einstellungen die Kameraempfindlichkeit einzustellen, indem er über den Regler 90 die Anzahl N einstellt. Zusätzlich oder alternativ könnte die Kamera 80 einen oder mehrere der folgenden Automatikprogramme aufweisen. Gemäß einer ersten Art von Automatikprogramm ist es dem Benutzer über einen Drehregler oder einer alternativen Eingabe möglich, einen der Parameter Blendenöffnung, Belichtungszeitdauer τ_exp und Anzahl von Teilbelichtungsintervallen N einzustellen, wobei die Steuerung die anderen beiden Parameter automatisch einstellt. Gemäß einer zweiten Art von Automatikprogramm ist das Verhältnis zwischen automatisch eingestellten Parametern und manuell eingestelltem Parameter umgekehrt, d. h. zwei stellt der Benutzer manuell ein und der verbleibende wird von der Steuerung automatisch eingestellt. Gemäß einer Vollautomatik würden alle drei Parameter von der Steuerung automatisch eingestellt werden. Wie es in 10 ferner gezeigt ist, weist die Kamera 80 einen Auslöser 92 auf, bei Betätigung dessen der Benutzer die Belichtung auslöst bzw. den Beginn des Belichtungszeitfensters festlegt.
Natürlich existieren zu den in 10 gezeigten Drehreglern verschiedenste Alternativen, wie z. B. Kippschalter oder andere Benutzereingabeschnittstellen. Insbesondere bei einer Vollautomatikkamera können die Regler gänzlich fehlen und die Steuerung umfasste lediglich einen in 10 nicht näher gezeigten Prozessor zur automatischen Einstellung der drei Parameter Blendenöffnung, Belichtungszeitdauer und Anzahl an Teilbelichtungsintervallen.
11 zeigt eine Videokamera 100, in die eine Vorrichtung gemäß 1 oder 9 integriert ist, wobei wiederum die Komponenten aus diesen Figuren in 11 der Übersichtlichkeit halber nicht gezeigt sind. In 11 wurden aber die gleichen Bezugszeichen wie diejenigen aus 10 für Elemente verwendet, die eine gleiche Funktion ausüben. So umfasst die Digitalkamera 100 ein Objektiv 82, eine Blende 84, und eine Steuerung zur Steuerung der Blendenöffnung, Belichtungszeit τ_exp und der Anzahl N, wozu die Steuerung wiederum Benutzereingabeschnittstellen 86, 88 und 90 aufweisen kann.
In den 10 und 11 ist jeweils durch gestrichelte Linien angedeutet, dass Blendenöffnung, Belichtungszeitdauer τ_exp und Anzahl an Teilbelichtungsintervallen N manuell einstellbar sein könnten. Wie oben erwähnt, wäre auch eine automatische oder gemischt automatisch-manuelle Einstellbarkeit dieser drei Parameter möglich. In dem Fall von 11 ist dargestellt, dass die Belichtungszeitdauer τ_exp kleiner sein kann als die Bild- bzw. Framewiederholzeitdauer t_frame, so dass zwischen den Belichtungszeitfenstern Dunkelphasen bzw. belichtungsfreie Phasen 102 vorliegen. Ggf. kann bei der Kamera 100 auch die Bildwiederholzeitdauer bzw. die Framerate bzw. Bildfrequenz einstellbar sein.
Bezogen auf beide Ausführungsbeispiele von 10 und 11 kann die Kamera beispielsweise eine automatische Einstellung auf die Helligkeit der Szene vornehmen. Dazu stellt eine Vollautomatik beispielsweise nicht nur Belichtungszeit und Blende geeignet ein, sondern Belichtungszeit, Blende und Zahl N bzw. den Faktor 1/x, mit dem die Summe der Teilbelichtungswerte multipliziert wird.
Bei einer manuellen Veränderung einer der Werte, wie z. B. eine Änderung der Belichtungszeit oder der Framerate, könnten die anderen Werte durch die Steuerung (nicht gezeigt) so angepasst werden, dass die Bildhelligkeit gleich bleibt. Bei einer Geschwindigkeitsrampe beim Filmen mit der Videokamera von 11, d. h. einer kontinuierlichen Veränderung der Framerate, könnte somit die Bildhelligkeit konstant gehalten werden. Wird beispielsweise die Framerate verringert und somit inhärent die Belichtungszeit τ_exp vergrößert, sorgt beispielsweise die Steuerung (nicht gezeigt) für eine automatische Anpassung der Blende. Ebenso ist es denkbar, dass bei einem Photoapparat, wie z. B. demjenigen von 10, ein Parameter durch den Benutzer auswählbar ist, wie z. B. Belichtungszeit oder Blende, wobei die anderen dann durch die Steuerung angepasst werden. Eine automatische Anpassung von N und 1/x in Abhängigkeit der manuell gewählten anderen Parameter ist ebenfalls denkbar. Ebenso andere Kombinationen, wie z. B. die manuelle Auswahl einer der Parameter und Anpassung der anderen.
Zu den 10 und 11 wird noch darauf hingewiesen, dass einige der oben als variabel beschriebenen Einstellungen auch fest sein könnten, wie z. B. Blende und/oder Blendenzeit.
Vergleicht man die oben präsentierten Ausführungsbeispiele mit optischen ND-Filtern ergibt sich Folgendes. Typische optische ND-Filter weisen Dichten von d = 0,3 und größer auf. Diese erzielen eine Lichtdämpfung um einen Faktor von 10^d. Die Lichtreduktion wird auch manchmal in f-Stopps gemessen. Jede Reduktion um einen Faktor von 2 entspricht einer Reduktion um einen f-Stopp. Die Tabelle (2) zeigt für den Fall einer digitalen ND-Filterung mit Aufteilung des Belichtungszeitfensters in N gleichgroße Teilbelichtungsintervalle und Mittelwertbildung der entstehenden Teilbelichtungswerte, welches N für ein zu bestimmten optischen ND-Filtern äquivalentes Digital-ND-Verhalten notwendig ist.
Zusätzlich zu diesen optischen Standarddichten ist es möglich, eine Reduktion um jeglichen ganzzahligen Faktor zu erzielen. Beispielsweise ergibt sich eine optische Dichte von 0,48, wenn bei dem digitalen ND-Filter N = 3 eingestellt wird. Zusätzlich ist es möglich, Zwischenwerte der Dämpfung zu erzielen: die Multiplikation der Teilbelichtungswertsumme mit einem Faktor von 1/N, wie sie bei dem vorhergehenden Ausführungsbeispielen größtenteils verwendet worden ist, kann beispielsweise mit einer Multiplikation von 1/√N ersetzt werden. Dies führt zu einem konstanten Rauschpegel und einer Dämpfung von lediglich √N. Der Dynamikbereichgewinn geht aufgrund des Clippens verloren, aber dieses Vorgehen würde auf der anderen Seite eine Dämpfung von 1,41, 1,73, 2,33, 2,45 usw. ermöglichen. Die folgende Tabelle (2) fasst die typischen optischen Dichten und die entsprechend erforderlichen Einstellungen von N für das digitale ND-Filter zusammen.

optische Dichte Dämpfungsfaktor N für digitales-ND-Filter f-Stopp-Reduktion

0,3 2 2 1

0,6 4 4 2

0,9 8 8 3

1,8 64 64 6

2 100 100 6,66

3 1000 1000 10
Die obigen Ausführungsbeispiele liefern also viele Vorteile: sie lassen sich digital in bestehende Systeme einbauen und erfordern nicht zusätzlich Hardware oder Optiken. Zudem lasst sich die realisierte Empfindlichkeitsreduktion an- und ausschalten. Die Farb- bzw. Helligkeitsabhängigkeit ist rein neutral: anders als optische Filter, die eine Verschiebung der Farben vom infraroten Licht erzeugen können, besitzt das digitale Filter, wie es im Vorhergehenden beschrieben worden ist, keines dieser Probleme. Schließlich sind die obigen Ausführungsbeispiele für jeden Typ von integrierenden Sensor einsetzbar, also auch für Anwendungen ohne optische Abbildung, vorausgesetzt, das lückenlose Auslesen ist möglich.
Im vorhergehenden wurde ohne gesonderte Erwähnung davon ausgegangen, dass es sich bei den Auslesewerten um lineare Auslesewerte handelt, also solche, die linear von der integrierten Menge einfallenden Lichtstromes abhängen. Vorzugsweise weisen der optoelektrische Sensor 12, der Ausleser 14 und, wenn vorhanden, der ADC innerhalb des Kombinierers deshalb im wesentlichen lineare Kennlinien auf, d. h. eine lineare Abhängigkeit zwischen Eingangsvariable, nämlich Lichtstrom, integrierte Lichtmenge bzw. analoger Auslesewert, und Ausgangsvariable, nämlich analoger elektrischer Auslesewert bzw. digitalisierter Wert, zumindest soweit der Wertebereich betroffen ist, der in dem resultierenden Dynamikbereich liegt. Sie können auch nicht-lineare Kennlinien aufweisen, die sich einander zu einer linearen Gesamtkennlinie ausgleichen, die einen integrierten Lichtstrom auf den zu summierenden Auslesewert abbildet. Der Kombinierer könnte zudem ein eigens vorgesehenes nichtlineares Modul zur Linearisierung aufweisen, wie z. B. einen Abbilder (nicht gezeigt) zwischen ADC 54 und Addierer 58 in 4. Er könnte in Form einer Nachschlagtabelle gebildet sein oder die Linearisierung analytisch vornehmen. Die Linearisierung könnte für alle Pixel identisch sein, wohingegen die Weiterverarbeitungseinrichtung beispielsweise noch eine pixelindividuelle und von τ_N abhängige FPN-Korrektur vornimmt, wie es bereits beschrieben wurde. Allerdings ist es nicht unbedingt zwingend erforderlich, dass lineare Auslesewerte im Gesamten Dynamikbereich vorliegen. Durch die Anwendung könnte von extern, wie z. B. durch den Benutzer, sichergestellt werden, dass die einfallende Lichtmenge nicht nur in einem Maße variiert, so dass innerhalb dieser Variation die resultierende Kennlinie der Bilderzeugungsvorrichtung mit digitalem ND Filter annähernd linear ist.
Insbesondere wird darauf hingewiesen, dass abhängig von den Gegebenheiten das erfindungsgemäße Schema auch in Software implementiert sein kann. Die Implementierung kann auf einem digitalen Speichermedium, insbesondere einer Diskette oder einer CD mit elektronisch auslesbaren Steuersignalen erfolgen, die so mit einem programmierbaren Computersystem zusammenwirken können, dass das entsprechende Verfahren ausgeführt wird. Allgemein besteht die Erfindung somit auch in einem Computerprogrammprodukt mit auf einem maschinenlesbaren Träger gespeicherten Programmcode zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, wenn das Computerprogrammprodukt auf einem Rechner abläuft. In anderen Worten ausgedrückt kann die Erfindung somit als ein Computerprogramm mit einem Programmcode zur Durchführung des Verfahrens realisiert werden, wenn das Computerprogramm auf einem Computer abläuft.

Claims

Bildaufnahmevorrichtung, die ausgebildet ist, eine Aufnahme in einem Belichtungszeitfenster zu erzeugen, mit einem optoelektrischen Sensor (12); einem Ausleser (14) zum im Wesentlichen lückenlosen Auslesen und Zurücksetzen des optoelektrischen Sensors (12) zumindest einmal innerhalb des Belichtungszeitfensters (30) und Auslesen des optoelektrischen Sensors am Ende des Belichtungszeitfensters (30), um zumindest zwei Auslesewerte für das Belichtungszeitfenster zu erhalten; und einem Kombinierer (16) zum Erzeugen der Aufnahme durch Bilden einer Summe über die zumindest zwei Auslesewerte und Verkleinern der Summe um einen Faktor kleiner 1, so dass eine Empfindlichkeit der Bildaufnahmevorrichtung neutraldichtereduziert ist, wobei der Ausleser ausgebildet ist, um das im Wesentlichen lückenlose Auslesen/Zurücksetzen und das Auslesen am Ende des Belichtungszeitfensters (30) mit gleichgroßen zeitlichen Abständen (τ_N) dazwischen und zu einem Beginn des Belichtungszeitfensters (30) durchzuführen, und wobei eine Anzahl der zumindest zwei Auslesewerte einstellbar ist und der Kombinierer so ausgebildet ist, dass der Faktor 1/x beträgt, wobei x abhängig von und monoton steigend mit der Anzahl ist.
Bildaufnahmevorrichtung gemäß Anspruch 1, bei der der Ausleser (14) ausgebildet ist, die zumindest zwei Auslesewerte in analoger Form auszugeben, und der Kombinierer (16) ausgebildet ist, die zumindest zwei Auslesewerte zu digitalisieren (54) und anschließend zu addieren (58), um die Summe in digitaler Form zu erhalten, und die Summe in der digitalen Form durch den Faktor zu verkleinern (60).
Bildaufnahmevorrichtung gemäß Anspruch 1 oder 2, bei der der optoelektrische Sensor (12), der Ausleser (14) und der Kombinierer (16) so ausgebildet sind, dass die Summe über die zumindest zwei Auslesewerte im Wesentlichen linear von einem auf den optoelektrischen Sensor einfallenden Lichtstrom abhängt.
Bildaufnahmevorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, die ferner einen Weiterverarbeiter aufweist, der ausgebildet ist, um an der Aufnahme, die durch die verkleinerte Summe erhalten worden ist, eine FPN-Kompensation, eine Farbinterpolation, und/oder eine Farbkorrektur durchzuführen.
Bildaufnahmevorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, bei der der Kombinierer so ausgebildet ist, dass der Faktor 1/x beträgt, wobei x in einem Bereich von ±5% um eine Anzahl der zumindest zwei Auslesewerte herum oder ±5% um die Wurzel der Anzahl der zumindest zwei Auslesewerte herum liegt.
Bildaufnahmevorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, bei der die Bildaufnahmevorrichtung eine Standbildkamera (80) ist und eine Steuerung zur manuellen und/oder automatischen Einstellung von zumindest einem von einer Blendenöffnung der Bildaufnahmevorrichtung und einer Zeitdauer des Belichtungszeitfensters aufweist, die ausgebildet ist, eine manuelle und von der manuellen und/oder automatischen Einstellung des zumindest einem der Blendenöffnung und der Zeitdauer des Belichtungszeitfensters unabhängige Einstellung der Anzahl der zumindest zwei Auslesewerte durch einen Benutzer der Bildaufnahmevorrichtung zu ermöglichen, oder eine automatische Einstellung der Anzahl der zumindest zwei Auslesewerte durchzuführen.
Bildaufnahmevorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Bildaufnahmevorrichtung eine Videokamera (100) ist und eine Steuerung zur manuellen und/oder automatischen Einstellung von zumindest einem von einer Blendenöffnung der Bildaufnahmevorrichtung und einer Zeitdauer des Belichtungszeitfensters in Frames der Videokamera aufweist, die ausgebildet ist, eine manuelle und von der manuellen und/oder automatischen Einstellung des zumindest einen von der Blendenöffnung und der Zeitdauer des Belichtungszeitfensters unabhängige Einstellung der Anzahl der zumindest zwei Auslesewerte durch einen Benutzer der Bildaufnahmevorrichtung zu ermöglichen, oder eine automatische Einstellung der Anzahl der zumindest zwei Auslesewerte durchzuführen.
Bildaufnahmevorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5 und 7, wobei die Bildaufnahmevorrichtung eine Videokamera (100) ist, die ausgebildet ist, eine Folge von Aufnahmen in einer Folge von Frames zu erzeugen, wobei eine Zeitdauer des Belichtungszeitfensters in jedem Frame kleiner als eine Framewiederholzeitdauer ist, so dass zwischen dem Belichtungszeitfenster der Frames jeweils eine Dunkelphase (102) liegt.
Bildaufnahmevorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der ein Verhältnis zwischen einer Summe der Zeitdauer von Teilbelichtungsintervallen zwischen dem zumindest einmaligen im Wesentlichen lückenlosen Auslesen und Zurücksetzen des optoelektrischen Sensors innerhalb des Belichtungszeitfensters und dem Beginn und dem Ende des Belichtungszeitfensters relativ zu einer Zeitdauer des Belichtungszeitfensters zwischen 1 einschließlich und 9/10 einschließlich liegt.
Bildaufnahmevorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einem Shutter (24) zur Festlegung des Belichtungszeitfensters.
Computer oder Mobiltelefon mit einer Bildaufnahmevorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10.
Verfahren zum Erzeugen einer Aufnahme in einem Belichtungszeitfenster, das folgende Schritte aufweist: im Wesentlichen lückenlosen Auslesen und Zurücksetzen des optoelektrischen Sensors zumindest einmal innerhalb des Belichtungszeitfensters und Auslesen des optoelektrischen Sensors am Ende des Belichtungszeitfensters, um zumindest zwei Auslesewerte für das Belichtungszeitfenster zu erhalten; und Erzeugen der Aufnahme durch Bilden einer Summe über die zumindest zwei Auslesewerte und Verkleinern der Summe um einen Faktor kleiner 1, so dass eine Empfindlichkeit der Aufnahmeerzeugung neutraldichtereduziert wird, wobei das im Wesentlichen lückenlose Auslesen und Zurücksetzen und das Auslesen am Ende des Belichtungszeitfensters (30) mit gleich großen zeitlichen Abständen (τ_N) dazwischen und zu einem Beginn des Belichtungszeitfensters durchgeführt werden, und eine Anzahl der zumindest zwei Auslesewerte einstellbar ist und der Faktor 1/x beträgt, wobei x abhängig vom und monoton steigend mit der Anzahl ist.
Computerprogramm mit einem Programmcode zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 12, wenn das Computerprogramm auf einem Computer abläuft.