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Technik Wissen von CANON

Das CANON Handbuch über die Optik von TV-Systemen. Diese Artikel sind mit freundlicher Genehmigung der CANON Deutschland hier übernommen bzw. überarbeitet und ergänzt. Die sauberen und verständlichen Darstellungen und Erklärungen sind aussergewöhnlich detailliert und informativ.

7.6 Pixelreihenversatz ("Pixel-Offset")

Bei 3-CCD-Kameras sind die CCDs für den Blau- und Rot-Kanal gegenüber dem CCD für den Grün-Kanal um eine halbe Pixel-Rasterweite horizontal versetzt, weil die visuell wahrnehmbare Auflösung bei Anwendung dieser Technik verbessert er­scheint. Das Funktionsprinzip soll an Bild 103 erläutert werden.

Bild 102 Kristallscheibe als Tiefpaßfilter

In Bild 103 zeigt oben (a) die horizontale Pixelanordnung im CCD des Grün-Kanals und darunter in den CCDs des Blau- und Rot-Kanals. Das Bild eines schwarz-weißen Liniengitters mit der doppelten Rasterweite (bzw. der halben Ortsfrequenz) der Pixel­struktur ist darübergelegt.

Die Linien sind gegenüber den Pixeln im Grün-Kanal um eine halbe Pixel-Rasterweite verschoben, so daß jede Linie zur Hälfte auf zwei benach­barte Pixel fällt und jedes Pixel das gleiche Signal von 50 % der Maximalhelligkeit lie­fert. Im Grün-Kanal kann also kein die Git­terstruktur repräsentierendes Signal entste­hen (b). Wären die Pixel der CCDs für den Blau- und Rot-Kanal in gleicher Flucht angeordnet, könnte auch dort die Gitterstruk­tur im Signal nicht sichtbar werden.

Bild 103 Auflösungsverbesserung durch Pixelreihenversatz ("Offset")

Wenn jedoch die Pixelreihen der CCDs für den Blau- und Rot-Kanal um eine halbe Pixel-Rasterweite gegenüber denen des Grün-Kanals versetzt (engl. "offset") ange­ordnet sind, sind die Ausgangssignale des Blau- und Rot-Kanals jeweils ein getreues Abbild (b) des sich auf jedem Paar benach­barter Pixel Wiederholenden schwarz-wei­ßen Musters. Da das Luminanzsignal Y als Summe der im Intensitäts- verhältnis 6:3:1 gewichteten Signale der drei Farbkanäle Grün, Rot und Blau gebildet wird, zeigt es die Struktur des Liniengitters (c).


Wäre das Liniengitter jedoch so (gegen­über der Darstellung in Bild 103 um eine halbe Pixel-Rasterweite verschoben) abge­bildet worden, daß die Linien voll auf jedes zweite Pixel im CCD des Grün-Kanals fielen und dort ein dem Muster entsprechen­des Signal lieferten, aber auf den versetzten Pixeln der CCDs des Blau- und Rot-Kanals keine Struktur hinterließen, würde sich im Luminanzsignal Y auch wieder die Gitter­struktur zeigen.

Wie dieses Beispiel zeigt, hilft der Pixel­versatz, die Strukturauflösung im Lumi­nanzsignal zu verbessern.

7.7 Artefakte - und wie sie zu beseitigen sind . . .

=== Bild 104 ===

Weil sich die Farbteilerprismen nahe an den Bildsensoren (Röhrentarget bzw. CCD-Oberfläche) befinden und zahlreiche reflek­tierende Flächen besitzen, neigen sie dazu, "Geisterbilder" zu erzeugen, die auch als Artefakte bezeichnet werden.

Da die zu den Artefakten führenden Re­flexionen innerhalb des Prismensystems nach der Farbaufspaltung entstehen, sind die Artefakte an ihren verschiedenen Far­ben zu erkennen. Die Prismen erzeugen je nach Art der ver­ursachenden Reflexion zwei grundsätzlich verschiedene Artefakttypen.

Der erste Typ

entsteht durch Lichtstrah­len, die innerhalb des Prismensystems einen anderen als den vorgeschriebenen Weg neh­men, beispielsweise so wie in Bild 104. Der normale Weg führt über zwei Reflexionen zur Bildebene des Blau-Kanals. Die Licht­strahlen, die das Geisterbild erzeugen, neh­men einen Weg mit drei Reflexionen. Das in diesem Beispiel entstandene Artefakt er­scheint ausschließlich im Blau-Kanal, und zwar als blaues Lichtband im Monitorbild.

Das Artefakt läßt sich durch eine Maske vor der Eintrittsfläche des Prismas und ei­nen gleichfalls als Maske wirkenden Ein­schnitt im Prisma verhindern.


Auf analoge Weise kann auch im Prisma des Rot-Kanals ein Artefakt - hier natürlich als roter Streifen - entstehen, und deshalb wird auch dieses Prisma mit einem maskie­renden Einschnitt versehen.

=== Bild 105 ===

Der zweite Artefakttyp

hat seine Ursa­che in gestreut reflektiertem Licht, das an zahlreichen Seitenflächen und Kanten der Prismen entstehen kann. Das entstehende Artefakt ist ebenfalls blau, grün oder rot, aber hat im allgemeinen eine unregelmäßi­ge Form, die sich in vertikaler Richtung über das Bild erstreckt. Bild 105 zeigt ein solches Artefakt, das durch Streulicht von der obe­ren Seitenfläche des letzten Prismas verur­sacht wird. Auch zur Vermeidung solcher Artefakte werden Masken und Einschnitte in den Prismen benutzt.

Wenn die Masken oder Einschnitte wie hier sehr nahe an der Bildebene liegen, muß auch das wenige an den Kanten der Masken oder Einschnitte gestreute Licht als Stör­faktor beachtet werden. Seine Beseitigung erfordert große Sorgfalt sowohl bei der Kon­struktion als auch in der Fertigung.


Das dabei benötigte Know-how muß sehr vielseitig sein und sich auf Form und Lage der Masken und Einschnitte, auf die Bear­beitungsmethoden (z. B. das Fräsen des Ein­schnitts und seine Oberflächenbearbeitung), auf die Auswahl der optimalen reflexions-mindernden Beschichtungen und des Mas­kenmaterials erstrecken.

=== Bild 106 ===

Ähnliche weitere Artefakte

können auch von den CCDs oder Aufnahmeröhren oder von Tei­len in ihrer Umgebung ausgehen und verschiedenartige Ursachen haben.

 

Beispiels­weise kann auf der CCD-Oberfläche, auf einer Elektrode (Bild 106) oder Halterung Licht so reflektiert werden, daß es - eventu­ell nach weiteren Reflexionen an anderen Teilen - als Artefakt zur Bildfläche gelangt.

 

Je höher hier der Aufwand der Entspiegelung getrieben wird, um so sauberer ist die Bildwiedergabe und damit das resultierende Bild.

7.8 Diffuse Vorbelichtung (Bias-Licht)

Eine diffuse Vor- oder Grundbelichtung, auch "Bias-Licht" genannt, wird in TV-Ka­meras nicht mehr benötigt, wenn diese mit CCDs statt mit Aufnahmeröhren arbeiten.

 

Allerdings arbeiten bestimmte Spezialkameras, beispielsweise hochempfindliche Kameras für extrem niedrige Beleuchtungs­stärken oder HDTV-Kameras, noch immer mit Aufnahmeröhren. Bei solchen Kameras hat das optische Farbteilersystem die wich­tige zusätzliche Aufgabe, das Bias-Licht in den Strahlengang einzuspeisen. Das Bias-Licht sorgt für eine genau defi­nierte Grundbelichtung der Bildfläche zur Verminderung des Nachzieheffekts.

Das Bias-Licht muß 1. eine konstante In­tensität und 2. das richtige Intensitätsver­hältnis zwischen den drei Aufnahmeröhren gewährleisten. Zur Einspeisung des Bias-Lichts sind verschiedene Methoden vorge­schlagen worden, darunter die mit Hilfe in­nenbeschichteter hohler Lichtleitstäbe ("clad rods"), die direkte Einspeisung am ersten Prisma und die Einspeisung über eine plan­parallele Glasplatte ("dummy").

 

Die erstgenannte Methode der Bias-Be-leuchtung mit innen- beschichteten Lichtleit­stäben (Bild 107) war als erste entwickelt worden und zeichnet sich durch eine sehr konstante Beleuchtung und die Möglichkeit einer einfachen elektronischen "Shading"-Kompensation aus. Von Nachteil sind die hohen Kosten und der Platzbedarf. In gro­ßen Studiokameras, die eine Reduzierung des "Shadings" erfordern, wird diese Me­thode aber noch immer verwendet.

 

Die Methode der direkten Einspeisung des Bias-Lichts ins erste Prisma benötigt keinen zusätzlichen Platz und eignet sich deshab besonders für Kompaktkameras. Die "Dummy"-Glas- Methode stützt sich auf die Besonderheiten der beiden anderen genannten Methoden. Die richtige Farbbalance wird zwar mit Hilfe von Filtern erzielt, doch wurden erst in jüngster Vergangenheit Systeme mit drei Lampen entwickelt, die eine individuelle Re­gelung der roten, grünen und blauen Farb­anteile des Bias-Lichts ermöglichen.

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