Dipl.-Ing. (FH) Carsten Büttner, MSc. Parametrierung digitaler Kameras auf Basis einer spektralen Charakterisierung Dipl.-Ing. (FH) Carsten Büttner, MSc. Carsten Büttner, HAWK

Gliederung Farbbildsensorik Kameraparametrierung: modellbasierter Ansatz Methode zur Spektralschätzung Ergebnisse am Farbkameramessplatz Carsten Büttner, HAWK

Farbbildsensorik mit RGB-Bayer-Mosaikfilter IT-Progressive-Scan-CCD 1004 x 1004 Bildpunkte 30 Vollbilder / Sekunde 36 MHz Datenfrequenz Carsten Büttner, HAWK

Kameraparametrierung: modellbasierter Ansatz Lichtquelle Objekte Detektor Wiedergabe Dermatoskopiesystem weiße LED Testkarten, Farbproben, Haut,... Optik Sensor Kamera- elektronik Darstellung sRGB Carsten Büttner, HAWK

Kameraparametrierung: modellbasierter Ansatz Physikalische Betrachtung: Für die Farbwahrnehmung werden drei spektrale Strahlungsverteilungen benötigt! Lichtquelle S(λ) Objekte β(λ) Empfänger s(λ) Abbildungs- vorschrift? zusätzlich: chromatische Adaption, Wiedergabetransformation,... Carsten Büttner, HAWK

Kameraparametrierung: modellbasierter Ansatz Physikalische Betrachtung: Für die Farbwahrnehmung werden drei spektrale Strahlungsverteilungen benötigt! Lichtquelle S(λ) Objekte β(λ) Empfänger s(λ) Abbildungs- vorschrift? zusätzlich: chromatische Adaption, Wiedergabetransformation,... Carsten Büttner, HAWK

Spektrale Messverfahren Methode zur Spektralschätzung Spektrale Messverfahren Monochromatische Messung (direkt): Kamerareaktion = spektrale Stützstelle Lichtquelle S(λ) Empfänger s(λ) Carsten Büttner, HAWK

Spektrale Messverfahren Methode zur Spektralschätzung Spektrale Messverfahren Monochromatische Messung (direkt): Kamerareaktion = spektrale Stützstelle Lichtquelle S(λ) Empfänger s(λ) Breitbandige Messung (indirekt, Spektralschätzung): Kamerareaktion Lichtquelle S(λ) Objekte β(λ) Empfänger s(λ) mit Farbprobenmatrix Carsten Büttner, HAWK

Überblick: Methoden zur Spektralschätzung Methode zur Spektralschätzung Überblick: Methoden zur Spektralschätzung Methoden: Pseudo-Inverse der Farbprobenmatrix C Singulärwertzerlegung Lineare Programmierung Quadratische Programmierung Kriterien: mittlere/maximale absolute Abweichung relative Abweichung mittlere/maximale Glattheit Uni-Modalität Positivität Basis-Funktionen (z.B. Fourier) Carsten Büttner, HAWK

Kriterien der verwendeten Methode Methode zur Spektralschätzung Kriterien der verwendeten Methode Schätzung mittels Quadratischer Programmierung: 1. Kriterium: mittlere quadratische Abweichung 2. Kriterium: Glattheit In Normalform für large-scale Algorithmus in MATLAB Carsten Büttner, HAWK

Methode zur Spektralschätzung Simulationsmodell Ideale RGB-Sensordaten C - Farbprobenmatrix Umrechnung in Ladungsträger: Signalwert Addition von Rauschen Dunkelsignalrauschen mit Photonenrauschen mit PRNU mit Mittelwertbildung über einen Bereich von 25x25 Bildpunkten Verrauschte RGB-Sensordaten Carsten Büttner, HAWK

Methode zur Farbprobenauswahl Methode zur Spektralschätzung Methode zur Farbprobenauswahl Ansatz: Optimierungsalgorithmus (QP) liefert einen Lagrange-Multiplikator für jede Nebenbedingung (vgl. Extremwertbestimmung mehrdimensionaler Funktionen unter Nebenbedingungen) Maß für den Einfluss der Nebenbedingung auf das gefundene Optimum Feststellung: Auswahl ist abhängig vom Rauschen statistische Auswertung Kriterium für Farbprobenauswahl: Carsten Büttner, HAWK

Methode zur Spektralschätzung Fehlerbewertung Bewertungskriterien: euklidischer Abstand im RGB-Farbraum des Sensors geometrischer Abstand im rg-Diagramm (sensorbezogen) Carsten Büttner, HAWK

Ergebnisse am Farbkameramessplatz Farbproben Auswahl Lichtquelle Spektrale Anpassungs- filter Carsten Büttner, HAWK

Ergebnisse am Farbkameramessplatz Spektrometer Farbproben Auswahl Strahlteiler Kamera Lichtquelle Spektrale Anpassungs- filter Carsten Büttner, HAWK

Ergebnisse am Farbkameramessplatz Spektralschätzung im Vergleich zum Datenblatt: Sony ICX285AQ (Kappa DX40) Kodak KAI-1020CM (Kappa DXc100) Optimierung der Messbedingungen: Integrationszeitanpassung zusätzliches IR-Sperrfilter Korrektur der Nichtlinearität Carsten Büttner, HAWK

Ergebnisse am Farbkameramessplatz Kodak KAI-1020CM (Kappa DXc100) Sony ICX285AQ (Kappa DX40) Euklidischer Abstand im RGB-Farbraum Geometrischer Abstand im rg-Diagramm Carsten Büttner, HAWK

Diskussion und Ausblick Bewertung der Güte der Spektralschätzung Vergleich zu monochromatischer Messung Vergleich mit den Kamerareaktionen auf einen Referenzprobensatz Kamera Fehlerbewertung der Reaktionen Spektral- schätzung Monochromatische Messung Carsten Büttner, HAWK