Fehlinterpretationen mit der Bayer-Maske

peter-h · Februar 12, 2011, 14:53:22 NACHMITTAGS

Liebe Mikrofotografen,

die heutige Technik der so geliebten Farbkameras mit CCD- oder CMOS Chips beherbergt manchmal auch listige Fehler. Gerade im Bereich der extremen Kontrastverfahren können so Fehlinterpretationen sehr leicht erfolgen.
Hier ein nettes Beispiel wie aus Infrarot -> Blau wird.

Zunächst ein Bild mit autom. Weissabgleich. Halogenleuchte 20 Watt, Zeiss PlanApo 10/0,32 , Kamera DFK72.

Die dazugehörige Auswertung der 3 Farbkanäle als Histogramm.

Ohne Veränderung des Weissabgleichs eine Aufnahme mit einem IR-Durchlaßfilter Schott RG 830 auf der Bildfeldblende. Es dürfte kein Bild möglich sein, denn die Kamera besitzt ein IR-Sperrfilter und durch die Bayermaske vor dem Chip sollte auch keine IR-Strahlung erkannt werden. Aber das Ergebnis sieht anders aus !

Die zugehörige Histogrammauswertung.

Nun viel Spass bei der Durchsicht der Bilder und ...... grübel , grübel ...... was zeigen unsere Bilder wirklich

Schönes Wochenende
Peter H.

treinisch · Februar 12, 2011, 17:57:28 NACHMITTAGS

Hallo,

entspricht es der Erwartung, dass gerade Blau so
stark anspricht?

Viele liebe Grüße

Timm

Chipart · Februar 12, 2011, 18:17:33 NACHMITTAGS

Interessant wären die Belichtungsdaten (also Belichtungszeit und gain). Die hellen Streifen im Histogramm deuten darauf hin, dass das Bild sehr stark unterbelichtet ist. Das würde auch die Blaufärbung erklären, da die Quanteneffizienz der CCD-Sensoren im blauen Bereich am besten ist.

Ich vermute, durch die reguläre Beleuchtung ist tatsächlich praktisch kein Licht durchgekommen und alles was man sieht kommt letztendlich von Streulicht.

Gruss,
Chip

peter-h · Februar 12, 2011, 23:55:16 NACHMITTAGS

Es sollte ein Denkanstoß sein, mehr nicht !

Jede Kamera, bzw. jeder Chip, ob CCD oder CMOS hat andere Eigenschaften in der Bayer-Maske. Dann noch das IR-Sperrfilter, welches ebenfalls sehr unterschiedlich sein kann. Es würde den Rahmen sprengen, wenn nun diverse Kameras "gegeneinander" antreten würden. Und was wäre daraus abzuleiten ?

Einzig , jeder sollte sein System so gut wie möglich kennen!

Meine ersten Fehlschläge kamen in der Sonnenfotografie mit einer monochromen CCD-Kamera und einem Baader Kontiuumfilter. Dieses Filter http://www.sonnen-filter.de/Filter-1/Ba-Cont-lin.gif
soll eine Verbesserung der Schärfe und des Kontrasts bei Sonnenaufnahmen bringen. Macht es auch, ABER nur, wenn man es in Kombination mit einem IR-Sperrfilter benutzt um den IR-Anteil zu blocken. Und so habe ich zunächst ohne Wissen des Transmissionsspektrums miserabele Aufnahmen produziert. Daher traue ich heute keiner Werbung für ein Filter.
Und so wird das Filter vom Händler gezeigt ! http://www.baader-planetarium.de/sektion/s37a/bilder/solarc_transmission_gross.jpg

Ich hoffe mein Mißtrauen wird verständlich.

Gute Nacht
Peter H.

smashIt · Februar 13, 2011, 01:04:25 VORMITTAG

Zitat von: peter-h in Februar 12, 2011, 14:53:22 NACHMITTAGS
Es dürfte kein Bild möglich sein, denn die Kamera besitzt ein IR-Sperrfilter und durch die Bayermaske vor dem Chip sollte auch keine IR-Strahlung erkannt werden.

allso die lücken im roten und blauen histogramm sind mMn eindeutig ein software-problem, und keins der kamera
da wurden die kanäle nachträglich stark aufgehellt
sicher das du da nicht eine automatik übersehn hast?

Bernhard Kaiser · Februar 13, 2011, 09:16:27 VORMITTAG

@Chip

ZitatInteressant wären die Belichtungsdaten (also Belichtungszeit und gain).

was heißt gain?

Bernhard Kaiser

Chipart · Februar 13, 2011, 10:36:54 VORMITTAG

Mit gain bezeichnet man bei einem CCD das Verhältnis zwischen Anzahl der detektierten Elektronen und dem Ausgabewert für dieses Pixel. Ein gain von 10 bedeutet also, dass 10 Elektronen (bei einer Quanteneffizienz von 50% also 20 Photonen) notwendig sind, um den Ausgabewert für dieses Pixel um 1 zu erhöhen.

Damit ist das gain in etwa Vergleichbar der Empfindlichkeit von chemischen Bildgebungsverfahren. Ändert man bei Consumer-Kameras die ISO-Einstellung, so wird (bei guten) das gain des CCD-Chips entsprechend angepasst. Bei Mikroskopie- oder Astro-CCDs kann man es meist direkt einstellen - dann typischerweise aber als Verstärkungsfaktor in dB gemessen.

Nun ist bei vielen CCD-Kameras auch möglich, einen gain-Faktor zu wählen, der kleiner als 1 ist. Das ist bei sehr speziellen Anwendungen mit sehr ungünstigen S/N-Verhältnissen auch manchmal hilfreich. Da hierdurch aber theoretisch schon Bruchteile eines Elektrons ausreichen, um den Zähler um 1 zu erhöhen - und es bekanntlich keine Bruchteile von Elektronen gibt - entstehen im Histogramm die auch im geposteten Bild zu sehenden charakteristischen Lücken.

Gruss,
Chip

peter-h · Februar 13, 2011, 11:04:23 VORMITTAG

Die Streifen im Histogramm sind reine Darstellungsprobleme von der Kamerasoftware.
Alle Spekulationen führen nicht weiter. Wer nicht schon selbst diverse Filter gemessen hat wird immer dem Hersteller glauben.

Daher habe ich auf meiner Sonnenfilter HP Messungen eingestellt, die etwas mehr zeigen als nur Hochglanzprospekte drucken.

Viele Grüße
Peter H.

Bernhard Kaiser · Februar 13, 2011, 12:13:05 NACHMITTAGS

Danke Chip,

Grüße
Bernhard Kaiser

Michael Plewka · Februar 13, 2011, 12:29:40 NACHMITTAGS

hallo Herr Kaiser, hallo Chip,

der Begriff "gain" bezeichnet zunächst einmal den "Verstärkungsfaktor". Da ich stark vermute, dass Herr Kaiser noch die Analogzeit des Rundfunks erlebt hat, möchte ich hier einen Vergleich zu einem Radio wählen. "Gain" kann man sich in erster Näherung als Lautstärkeregler an einem Radio vorstellen (der Vergleich ist elektrotechnisch nicht korrekt, ich weiß): es gab "starke" und "schwache" Sender; vor allem im Bereich Kurzwellen-Sender . Um diese in gleicher Lautstärke hören zu können, musste man am Lautstärkeregler drehen. Hierbei wurden dann bei schwachen Sendern mehr Störgeräusche ("Rauschen") hörbar.

Das ist bei elektronischen BildSensoren nicht anders. Diese entsprechen der Rundfunkantenne (auf Empfängerseite). Die schwachen Sender entsprechen dunklen Lichtquellen. Man hat also im einfachsten Fall folgende Signalkette: Licht---->Optik----> IR-Filter---->Bayermaske----> Sensor----> Verstärker----> Speicherchip. Um in angemessener Weise ein Bild zu erzeugen, muss deshalb das schwache elektronische Signal, das vom Sensor kommt, mehr verstärkt werden, als wenn eine helle Lichtquelle auf den Sensor strahlt. Hierzu ist also ein Verstärker nötig. Dessen Verstärkung wird neudeutsch als "gain" bezeichnet. Als Benutzer stelle ich die ISO-Empfindlichkeit an der Kamera ein (ISO-Wert hoch= hohe Empfindlichkeit= hohe elektronische Nachverstärkung des Bildsensorsignals). Diese Erhöhung der Verstärkung führt analog zur Rundfunktechnik zu einer Erhöhung der Störsignale, in diesem Fall Bildrauschen genannt.

Demnach ist die Definition falsch. Ein Gain von 10 bedeutet eine 10fache Verstärkung eines Signals, d.h. ist der Quotient aus Ausgangssignal (Zähler) und Eingangssignal (Nenner) eines Verstärkers und nicht umgekehrt. Das entspricht im übrigen einer Verstärung von 20dB. Um in der Fotografie zu bleiben: eine Verstärkung um den Faktor 2 (= 6db) entspricht ebenfalls einer Verdopplung der ISO-Empfindlichkeit. Umgekehrt bedeutet ein gain <1 einer Abschwächung des Signals, d.h. das Einganssignal ist größer als das Ausgangssignal, was bei starken Lichtquellen Sinn macht, wenn die Gefahr der Überbelichtung besteht.

Geht man also von den Lichtquanten als Verursacher der im Sensor erzeugten elektrischen Spannung aus, so gehen die im Histogramm zu erkennenden Lücken wahrscheinlich darauf zurück, dass neben dem Restlicht das thermische Eigenrauschen des Sensors und der Verstärkertransistoren durch die (wahrscheinlich maximal mögliche) hohe Verstärkung mitverstärkt wird und ein Nutzsignal "vortäuscht". Dieser Effekt ist möglicherweise bei dem Histogramm für "grün" deshalb nicht erkennbar, da hier die doppelte Anzahl von Sensoren vorhanden ist, dh. nominell das aufaddierte Signal von zwei Pixeln auf einen Verstärker geschaltet wird. Der Gain ist also für den Grün-Kanal nicht so hoch wie für den Blau- und Rot-Kanal.

beste Grüße Michael Plewka

treinisch · Februar 13, 2011, 13:36:10 NACHMITTAGS

Hallo Peter,

ich habe mir die Messungen auf Deiner Homepage angeschaut. Eigentlich logisch, aber dennoch überraschend. Besonders die Polfilter. Sind denn die eingebauten Wärmeschutzfilter bei den Zeiss Halogenbeleuchtungen wenigstens IR-dicht?

Viele liebe Grüße

Timm

peter-h · Februar 13, 2011, 14:26:13 NACHMITTAGS

Bevor die Spekulationen über Gain zu hoch kochen und auch noch falsch interpretiert werden, hier ein Histogramm.
Dabei war Gain voll am Anschlag mit einem Wert 31, der was immer auch die Zahl sein soll, die höchste Verstärkung bei dieser Kamera incl. Software ist und der längsten Belichtungszeit. Es zeigen sich keine Striche !!! Also ist die Erklärung schlicht falsch gewesen.

Das zugehörige Bild war eine graue, sehr dunkele Fläche ohne Bildinhalt.

@ Timm,
kann zu den Zeiss IR-Filtern nichts sagen, kenne ich nicht.

Grüße
Peter H.

Chipart · Februar 13, 2011, 14:50:29 NACHMITTAGS

Lieber Peter,

irgendwie verstehe ich Dein Ziel nicht. Einerseits sagst Du selber, dass man seine Ausrüstung so gut wie möglich verstehen muss - was ich übrigens voll unterstütze - und andererseits verbittest Du Dir "Spekulationen" darüber, wie bestimmte von Dir beobachtete Ergebnisse zu Stande kommen.

Deine Beobachtung, dass viele Filter die suggerieren, dass sie nur in engen Spektren des sichtbaren Lichts durchlässig sind, in Wirklichkeit im ferneren Bereich des nahen Infrarots weitgehend transparent sind ist sicher richtig - und ein guter Hinweis für jeden den das überrascht. Ob das für eine bestimmte praktische Anwendung am Ende relevant ist muss jeder selbst entscheiden. Hierbei mag insbesondere auch die Tatsache nicht irrelevant sein, dass die allermeisten praktisch verwendeten CCDs im Infraroten eine stark abfallende Empfindlichkeit haben und jenseits der 1000nm quasi blind sind (einer der Gründe warum man für echte IR-Sensoren die technisch weit aufwendigeren QWIPs nutzt).

Daher finde ich es schon interessant, zu ergründen, warum Dein Versuchsaufbau ausgerechnet dein blaues Bild erzeugt. Dafür ist eine mögliche Erklärung sicher, dass zufällig sowohl der von Dir verwendete IR-Sperrfilter, als auch der blaue Filter der Bayer-Maske an der gleichen Stelle im nahen Infraroten einen transparenten Fleck haben (und der Rot- und Grünfilter an dieser Stelle nicht). Da aber selbst dann die Quanteneffizienz des CCD im Infraroten immer noch relativ viel schlechter ist, als im Blauen halte ich Streulicht dennoch für eine weitere valide Möglichkeit.

In diesem Sinne,
Chip

Bernhard Kaiser · Februar 13, 2011, 15:50:39 NACHMITTAGS

Hallo Herr Plewka,

auch Ihnen besten Dank für Ihre Mühe. Ob ich damit klarkomme ist noch fraglich. Ich werde es jedenfalls versuchen.

Freundliche Grüße
Bernhard Kaiser

peter-h · Februar 13, 2011, 15:51:50 NACHMITTAGS

Hallo Chip,

ich glaube wir reden aneinander vorbei. Mit der Histogrammauswertung wollte ich zeigen, dass man sich nicht auf landläufige Aussagen von Filterhersteller, Kameraprospekten usw. verlassen sollte. Der Hintergrund war die Fluoreszenzbeobachtung ohne übliche Fluoreszenzeinrichtung mit gekreuzten Polfiltern. Daher auch mein Versuch.
Ich kenne sehr gut das nutzbare Spektrum von Si-Bauteilen und den Abfall bei 1040nm. Aber auch immer wieder verwundert, dass es z.B. sogar gelingt eine heiße Lötkolbenspitze ~ 350°C mit einer einfachen CMOS-Kamera aufzunehmen.

Bei einer alten Olympus C 2020 mit einem extrem engen Interferenzfilter bei 656nm (Sonnenfotografie bei Ha) wurde der Grünkanal noch gut belichtet und der interen Bildprozessor hat den Blaukanal zum Invertieren veranlaßt.
D.h. jede Kamera hat ihre eigenen Schwächen und Stärken und viele Vergleiche hier im Forum sind bezüglich exotischer Beleuchtungen sehr vorsichtig zu werten.

Grüße
Peter Höbel

P.S. ich habe in keinem Satz mir "etwas verbeten"