Plenoptische Kamera

aus Wikipedia, der freien Enzyklopädie
Wechseln zu: Navigation, Suche
Plenoptische Funktion

Eine plenoptische Kamera, auch Lichtfeldkamera genannt, erfasst das 4-D-Lichtfeld eines Motivs. Im Gegensatz dazu erfasst eine konventionelle Kamera nur ein 2-D-Bild. Bei einem 4-D-Lichtfeld ist nicht nur die Position und Intensität eines Lichtstrahls auf dem Bildsensor bekannt, sondern auch die Richtung, aus der dieser Lichtstrahl eingefallen ist. Möglich wird die Lichtfeldmessung durch ein Gitter aus mehreren Mikrolinsen vor dem Bildsensor.

Die besonderen Fähigkeiten einer plenoptischen Kamera liegen darin, dass die maximale Schärfentiefe sehr hoch ist, kein Fokussiervorgang abgewartet werden muss und die Fokusebene eines aufgenommenen Bildes nachträglich angepasst werden kann. Aus den Bilddaten lassen sich auch Tiefeninformationen ermitteln, so dass eine plenoptische Kamera auch als 3D-Kamera geeignet ist. Mit den Aufnahmen ist dann auch eine nachträgliche Tiefenschärfenerweiterung (engl. Focus stacking ) möglich.

Die Entwicklung plenoptischer Systeme basiert auf theoretischen Überlegungen des Physikers Gabriel Lippmann, der das Konzept 1908 vorstellte.[1]

Plenoptische Funktion[Bearbeiten]

Die Verteilung der Strahldichte entlang von Lichtstrahlen in einem Bereich des dreidimensionalen Raums, die durch statische, zeitlich nicht veränderbare Lichtquellen hervorgerufen wird, bezeichnet man als plenoptische Funktion.[2] Die plenoptische Funktion ist eine idealisierte Funktion, die in der Bildverarbeitung und der Computergrafik genutzt wird, um ein Bild zu einem bestimmten Zeitpunkt aus jeder beliebigen Position aus jedem Blickwinkel zu beschreiben, also unabhängig von der Position des Betrachters und Kameraparametern wie Blende und Entfernungseinstellung.

Praktisch wird die plenoptische Funktion nicht genutzt, jedoch ist sie sinnvoll, um verschiedene andere Konzepte der Bildverarbeitung und der Computergrafik zu verstehen. Eine Gerade (Strahl) wird durch einen Punkt auf dem Strahl (drei Koordinatenwerte) und die Richtung des Strahls (zwei Winkel) beschrieben. Da der Punkt längs des Strahls verschoben werden kann, geben seine drei Koordinaten effektiv nur zwei Freiheitsgrade wieder. Daher ist die plenoptische Funktion vierdimensional. Wellenlänge, Polarisationswinkel und die Zeit können gegebenenfalls als weitere Variable betrachtet werden, wodurch weitere Dimensionen hinzukommen.

Plenoptische Kamera[Bearbeiten]

Linsengitter einer plenoptischen Kamera

Durch das Linsengitter wird jeder Bildpunkt nochmals gebrochen und zu einem Kegel erweitert, der kreisförmig auf die Sensorfläche trifft. Dies verrät, aus welcher Richtung der Lichtstrahl ursprünglich kam: Ein senkrecht auftreffender Lichtstrahl landet im Mittelpunkt des Kreises, ein schräg eintreffender weiter am Rand. So kann mit einer Software die Schärfe nachträglich neu berechnet und wie bei einem herkömmlichen Objektiv der Brennpunkt geändert werden. Die Informationen aus einer Szene müssen auf mehreren Bildpunkten des Kamerachips abgebildet werden, damit die Informationen über die Richtung des einfallenden Lichtstrahls genutzt werden kann. Daher geht mit dieser Methode eine Verringerung der effektiven Auflösung des Kamerasensors einher.

Umsetzungen[Bearbeiten]

Universität Stanford[Bearbeiten]

Ein Team an der Stanford University verwendet eine 16-Megapixel-Kamera mit einem 90.000-Mikrolinsen-Array, das heißt jede Mikrolinse belichtet etwa 175 Pixel.[3][4]

Adobe[Bearbeiten]

Ein Entwurf der amerikanischen Firma Adobe verwendet 19 Linsen in Kreisanordnung und belichtet damit einen 100-Megapixel-Sensor, so dass jedes Bild etwa 5-Megapixel-Auflösung erreicht.[5]

Raytrix[Bearbeiten]

Eine plenoptische Kamera für den Einsatz in Industrie und Forschung, die von der deutschen Firma Raytrix seit 2010 kommerziell vertrieben wird, verwendet ein Linsenraster aus drei unterschiedlichen Linsen, die sich in ihrer Brennweite unterscheiden. Jede Mikrolinse deckt dabei drei bis sechs Bildpunkte auf dem Kamerasensor ab. Dadurch ist die effektive Auflösung der Kamera nur um den Faktor drei bis sechs geringer als die Auflösung des Sensorchips.[6]

Lytro[Bearbeiten]

Lytro-Kamera

Von der amerikanischen Firma Lytro wird seit April 2012 eine Lichtfeldkamera für den Konsumentenbereich vertrieben.[7][8] Dieses Modell hat einen siebenfachen optischen Zoombereich, eine fest eingestellte, durchgehende Blendenzahl von 2,0, einen berührungsempfindlichen Bildschirm und einen internen Speicher von 8 bis 16 Gigabyte für farbige Einzelbildaufnahmen.[9] Die effektive Bildauflösung beträgt bei einer Dateigröße von zirka 20 Megabyte 540 mal 540 Bildpunkte (dies entspricht 0,29 Megapixel), was für Demonstrationszwecke, jedoch nicht für hochwertige Reproduktionen geeignet ist.[10] Bei rund 11 Millionen registrierten Bildpunkten[11] ergibt sich ein Verhältnis von sechs mal sechs (36) Lichtstrahlen pro Bildpunkt.

Im April 2014 wurde das Nachfolgemodell Illum vorgestellt, das einer klassischen Kamera ähnelt.[12] Sie soll eine höhere Bildauflösung von maximal 4 MP bei 2D-Bilddateien haben.[13]

Beispielaufnahmen[Bearbeiten]

Eine Nahaufnahme einer Tastatur mit einer plenoptischen Kamera mit Reproduktionen bei vier verschiedenen Entfernungseinstellungen:[14]

Eine Aufnahme einer Klaviatur mit einer plenoptischen Kamera mit Reproduktionen bei fünf verschiedenen Entfernungseinstellungen:[15]

Pelican Imaging[Bearbeiten]

Das Unternehmen Pelican Imaging hat im Mai 2013 angekündigt, zusammen mit dem Anbieter von Mobiltelefonen Nokia eine flache, in ein Smartphone integrierte Lichtfeldkamera mit einer Matrix von vier mal vier Objektiven auf den Markt zu bringen.[16][17]

HTC[Bearbeiten]

Das HTC One M8 benutzt zur Simulation des Funktionsprinzipes neben dem eingebauten 4 MP-Bildchip einen zweiten Kamera-Chip zum Erfassen der Tiefeninformationen. Mit dieser U-Fokus genannten Funktion ist ebenfalls das nachträgliche Ändern von Tiefenschärfe und Fokusbereichen möglich.[18]

Google[Bearbeiten]

Googles seit April 2014 für Android-Geräte verfügbare Kamera-App ermöglicht im Fotomodus "Lens Blur" ("Fokuseffekt") das nachträgliche Setzen und Bearbeiten von Tiefenschärfe bei Foto.[19] Dafür werden keine zusätzliche Sensoren oder Optiken benötigt. Stattdessen wird aus den dafür notwendigen automatischen Mehrfachaufnahmen eine 3D-Positionierung der Elemente im Bild berechnet, die dann die nachträgliche Bearbeitung erlaubt. [20]

Weblinks[Bearbeiten]

  • Ein Musterbild, in dem man die Schärfenebene durch Klicken auf einzelne Stellen im Bild verändern kann, etwa Vorder- oder Hintergrund, findet sich z. B. auf der Lytro-Website.
  • Plenoptische Kameras, Wikibook Digitale bildgebende Verfahren, Kapitel Bildaufnahme

Einzelnachweise[Bearbeiten]

  1. G. Lippmann, Épreuves réversibles donnant la sensation du relief, Journal de Physique Théorique et Appliquée, vol. 7 (1908), p. 821
  2.  Edward H. Adelson, James R. Bergen: The plenoptic function and the elements of early vision. In: M. Landy, J. A. Movshon (Hrsg.): Computation Models of Visual Processing. MIT Press, Cambridge 1991, ISBN 0-262-12155-7, S. 3–20 (PDF, abgerufen am 23. Oktober 2011).
  3.  Ren Ng, Marc Levoy, Mathieu Brédif, Gene Duval, Mark Horowitz, Pat Hanrahan: Light Field Photography with a Hand-held Plenoptic Camera. In: Stanford Tech Report CTSR 2005-02. 2005 (Bericht über die Erstellung und nachträgliche Verarbeitung plenoptischer Kamerabilder, PDF, abgerufen am 23. Oktober 2011).
  4. Video: Light Field Photography with a Hand-held Plenoptic Camera. (WMV; 9,3 MB)
  5. Jonathon Keats, Kris Holland, Gary McLeod: PopSci's How It Works – 100 Megapixel Camera. In: Popsci.com. Archiviert vom Original, abgerufen am 23. Oktober 2011 (englisch).
  6. Christian Perwaß, Lennart Wietzke: The Next Generation ofPhotography: An Introduction to Light Field Photography. Raytrix GmbH, Januar 2010, abgerufen am 4. Februar 2014.
  7. https://www.lytro.com/camera
  8. http://www.heise.de/artikel-archiv/ct/2012/10/98_kiosk Scharfmacher – Lytro Lightfield Camera im Test
  9. Lichtfeldkamera von Lytro, test.de vom 28. Juni 2012, online abgerufen am 19. November 2012
  10. Lichtfeldkamera von Lytro: Vorbote der Revolution, test.de vom 28. Juni 2012, online abgerufen am 19. November 2012
  11. Lytro - Camera Specs - Light field resolution, Lytro, online abgerufen am 20. November 2012
  12. Lytro Illum camera lets users refocus blurred photos after shooting, veröffentlicht am 22. April 2014 auf theguardian.com, abgerufen am 23. April 2014
  13. Technische Daten Lytro Illum, abgerufen am 23. April 2014
  14. Vergleiche auch: Nahaufnahme von Tasten einer Computer-Tastatur mit einer Lichtfeldkamera von Lytro
  15. Vergleiche auch: Lytro light field camera - Piano Player
  16. Technology, Pelican Imaging, online abgerufen am 7. Mai 2013
  17. Nokia investiert in Lichtfeld-Kameratechnik, heise.de. Meldung vom 2. Mai 2013, online abgerufen am 7. Mai 2013
  18. HTC launches One M8 with new 'Duo Camera', dpreview 15. März 2014, online abgerufen am 18. April 2014
  19. Google Kamera: Schärfentiefe nachträglich verstellbar, heise.de. Meldung vom 17. April 2014, online abgerufen am 18. April 2014
  20. Lens Blur in the new Google Camera app Google-Research-Blogeintrag vom 16. April 2014, online angerufen am 18. April 2014