Systemtechnik der Bildverarbeitung:Fragenkatalog: Unterschied zwischen den Versionen
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* begrenzte Aufnahmegeschwindigkeit: Integrationszeit und Auslesezeit | * begrenzte Aufnahmegeschwindigkeit: Integrationszeit und Auslesezeit |
Version vom 15. Juli 2008, 08:56 Uhr
Nennen Sie Parameter, von denen die notwendige Rechenleistung eines Bildverarbeitungssystems abhängt!
- Datenmenge
- Größe des Objektes (zB 300mm Si-Wafer)
- Auflösung (Strukturen bis 100 nm auf dem Wafer sollen erkennbar sein) -> das bestimmt Anzahl der Pixel auf dem Sensor
- Farbe? Graustufen? Auflösung von Farbe und Graustufen (8 Bit, 4 Bit, ...)
- Geschwindigkeit
- Wie oft sollen Bilder aufgenommen werden, zB 50x pro Sekunde oder einmal pro Stunde?
Schätzen Sie anhand eines selbstgewählten Beispiels aus der Automatisierungstechnik die Größenordnung der notwendigen Rechenleistung ab!
- Werkstück aus Box nehmen: 128x128 Pixel, 16 Bit Daten
Erläutern Sie die Phänomene „innerer photoelektrischer Effekt“ und „äußerer photoelektrischer Effekt“ !
- Innerer: Photonen dringen in ein Material, zB einen Halbleiter, ein und lösen dort Elektronen aus den Atomen. Somit entstehen freie Ladungsträger. Wird eine Spannung angelegt, ist daher ein Stromfluss möglich.
- Äußerer: Photonen treffen auf die Oberfläche eines Materials, zB eines Metalls, auf und schlagen Elektronen heraus, die dann außerhalb des Materials als freie Ladungsträger zur Verfügung stehen. Ordnet man Elektroden um das Material an, kann ein Stromfluss beobachtet werden.
Wie kann man mit Einzelsensoren ortsaufgelöste Bilddaten gewinnen ?
- Indem man sie über das zu vermessende Objekt bewegt. Beispiel: CCD-Zeile über Müll bewegen zur Mülltrennung. (jaja, eine Zeile ist kein Einzelsensor...)
Erläutern Sie das Grundprinzip von CCD-Bauelementen !
- Anordnung von Einzelsensoren in einer Matrix, jeder dieser Sensoren generiert Elektronen mit innerem fotoelektrischen Effekt
- Ladungen müssen transportiert werden:
- Verschieben von Ladungen durch Aneinanderreihung von Elektroden über Halbleitern -> jede Elektrode erzeugt ein elektrisches Feld
- Elektronen sammeln sich an Elektrode -> Elektronenwolke
- Erzeugen eines niedrigeren Potentials an einer Nachbar-Elektrode veranlasst die Elektronenwolke, sich zu dieser Nachbar-Elektrode zu bewegen
- somit analoges Schiebereigster realisiert
- Möglichkeit der mehrstufigen Relisierung
Erläutern Sie die Funktionsweise von CCD-Zeilen !
Nennen Sie Vor- und Nachteile von CCD-Zeilen und -Matrizen bei der 2-D-Bilddatengewinnung!
Vorteile:
- regelmäßige Anordnung der Einzelsensoren
- Alle Pixel gleichzeitig ausgelesen, daher kein Verwischeffekt wie bei CMOS [Imho ist das Mumpitz - Bei CMOS können alle Speicherzellen gleichzeitig ausgelesen werden. Bei CCD müssen sie erst über den halben Chip geschoben werden bis zum Auslesepunkt, von daher würde ich die Aussage negieren und als Nachteil hinschreiben. Korrigiert mich, wenn ich falsch liege, das war mir nur grad ins Auge gesprungen ohne lange drüber nachzudenken. Pale 07:56, 15. Jul. 2008 (UTC)]
Nachteile:
- begrenzte Aufnahmegeschwindigkeit: Integrationszeit und Auslesezeit
Erläutern Sie die Grundprinzipien von Interline- und Frame-Transfermatrizen!
Schiebt man Ladungen durch den Sensor, gibts smear-Effekt und außerdem dauerts lange. Zwei Ansätze: Interline:
- für jedes Pixel ein lichtunempfindliches Schieberegister (oder ein Register für zwei Pixel), in das die Ladungen nach der Integrationszeit reingeschoben werden (parallel für alle Pixel, also sehr schnell)
- dann in Ruhe die Schieberegister auslesen, währenddessen können die lichtempfindlichen Pixel schon wieder Ladungen generieren
- Nachteil: Verringerung der Auflösung, umgehen zB mit Mikrolinsen
Frame:
- Hälfte der CCD-Matrix abdecken und Daten in den "dunklen" Bereich schieben
- Nachteile: Halbierung der Aufnahmefläche, smear wird nicht beseitigt
Was versteht man unter einer Shutterkamera? Erläutern Sie das Grundprinzip! Wo kann man solche Systeme sinnvoll einsetzen?
- bevor man neues Bild auslesen kann, muss das alte fertig ausgelesen sein - und das kann lange dauern
- also eigentlich keine Integrationszeiten möglich, die kürzer als die Auslesezeit sind
- Lösung: shuttern.
- dabei werden die in den Pixeln generierten Ladungen regelmäßig ins Substrat abgeführt, nur kurz vorm Auslesen werden die Ladungen bis zum Auslesen gehalten.
- sozusagen ein invertierter Refresh ;)
Wie kann man mit Interline-Transfermatrizen videonormgerechte Signale, d.h. nach dem interlaced-Prinzip zur Verfügung stellen ?
- Wenn ein Schieberegister für zwei Pixel zur Verfügung steht, kann man bei Bild n Pixel gerader Zeilen auslesen, bei Bild n+1 Pixel ungerader Zeilen
Wie kann man bei CCD-Matrixsensoren Hochgeschwindigkeitskameras realisieren.?
- mehrere parallele Ein- und Ausgänge
- mit Frame-Transfer-Matrizen, die mehrere Bilder speichern können (zB 90% des Sensors lichtunempfindlich, nur zum Speichern genutzt)
Welche Vor- und Nachteile haben CMOS-Sensoren gegenüber CCD-Sensoren ?
Vorteile:
- Kamera on-a-chip möglich, da Zusatzelektronik direkt mit droffgepappt werden kann
- beliebiges Auslesen der Pixel (ansprechen wie RAM mit Adressierungsmatrix)
- Vorverarbeitung direkt in den Pixeln, zB Verstärkung (aktive Pixel) oder logarithmische Kennlinien
- schnelleres Auslesen, da paralleles Auslesen möglich: n AD-Wandler
- billiger
Nachteile:
- stärkeres Rauschen durch mehr analoge Bauelemnte (zB ein Transistor pro Pixel, mehrere AD-Wandler)
- da Pixel zu beliebigen Zeiten ausgelesen werden können, kann es zu Bewegungsunschärfen kommen
Was muss man bei der Realisierung von Farbaufnahmesystemen beachten ?
- Farbe ist nur im Zusammenhang mit dem menschlichen Sehsystem definiert
- Sensoren sind für größere Wellenlängenbereiche als das Auge empfindlich
- mit drei Farbkanälen können nicht alle Farben dargestellt werden, mehr Kanäle -> höhere Kosten
Geben Sie Möglichkeiten der Aufnahme und Wiedergabe von Farbbildern an!
Welche Möglichkeiten zur Erfassung von Farbinformationen ergeben sich, wenn die Aufgabenstellung Verarbeitung der Farbinformation (Informationsextraktion) und nicht Wiedergabe von Farbbildern lautet.
Erläutern Sie die Unterschiede zwischen 1- und 3-Chip-CCD-Farbkameras?
- 3 Farbkanäle: R,G,B
- 3-Chip:
- drei verschiedene CCD-Sensoren mit gleicher Größe benutzen, je einer für R,G und B
- Strahlteilung durch halbdurchässige Spiegel
- Genaue Positionierung der CCDs nötig
- teuer
- 1-Chip:
- Gruppen von jeweils 4 Pixeln werden für verschiedene Farbkanäle genutzt: 1 Pixel R, 2 Pixel G, 1 Pixel B
- Filterung mit Farbfiltern
- Verlust von Auflösung
Erläutern Sie, wie die Aufnahme hochaufgelöster Bilder mit Mikro- bzw. Makroscanningkameras erfolgt!
Wodurch wird die reale photometrische Auflösung (Anzahl realistischer Graustufen) von CCD-Sensoren bestimmt?
- Güte des AD_Wandlers
- Dunkelsignal (zu hohes Dunkelrauschen macht hohe Auflösung des AD-Wandlers sinnlos)
Nennen Sie Parameter, die die Abweichung vom idealen Verhalten bei CCD-Matrizen beschreiben!
Was versteht man unter Transferineffektivität? Wie wirkt sie sich aus?
- Beim Schieben der Ladungen werden nicht alle Elektronen bewegt, ein kleiner Teil bleibt "hängen"
- Grund: Abstoßung der Elektronen untereinander
- Daher gehen Informationen über die Leuchtstärke, die auf das entsprechende Pixel wirkte, verloren
Was wird mit dem Begriff Shading bei CCD-Kameras erfasst? Wie kann man die Auswirkungen korrigieren?
- Objektiv leuchtet nicht den gesamten Bereich des Sensors gleich gut aus, vor allem am Rand
- Lösung: bessere bzw. größere Objektive
Was versteht man unter Smear bei Frame-Transfermatrizen ? Welche Möglichkeiten zur Verminderung werden eingesetzt ?
- Ladungen von unten werden nach oben durchgereicht, sie passieren also lichtempfindliche Pixel
- passieren Ladungen aus unbeleuchteten Pixeln beleuchtete Pixel, werden im Zuge der Ladungsverschiebung neue Elektronen generiert
- dunkle Pixel werden von der Auswerte-Logik also heller interpretiert, als sie eigentlich sind
- Gesamtbild sieht dann aus wie verwischt -> smear
Nennen Sie einige Anforderungen an Szenenbeleuchtung am Beispiel einer selbst gewählten Bildverarbeitungsaufgabenstellung !
Welche Rolle spielt die spektrale Verteilung der Strahlung bei der Szenenbeleuchtung für Bildverarbeitungssysteme?
- Si ist zB im infrarot-Bereich empfindlich, das menschliche Auge nicht
- beleuchtet man eine Szene, weil man etwas messen will, nimmt der Sensor auch Informationen über IR-Strahlung auf, die man garnicht sehen kann
- Verfälschung der Messung.
- Lösung: Filter
Erläutern Sie die Grundaussage des photometrischen Grundgesetzes!
Welche physikalischen Effekte werden zur Erzeugung von Licht eingesetzt ?
Nennen Sie einige Lampentypen und erläutern Sie die Prinzipien der Lichterzeugung ?
- Wärmestrahlung: Material erwärmen, bis es Strahlung im Wellenlängenbereich von Licht abstrahlt, zB Elektronen durch Wolframdraht drängeln
- kontinuierliches Spektrum
- Entladungslampen: Anregung von Atomen, zB Gasatomen, Elektronen von hohen auf niedrige Energieniveuas fallen zu lassen, dabei Abgabe von Quanten
- diskretes Spektrum, kontinuierlich nur mit Beschichtungen (Anregung von Leuchtstoffen)
- Halbleiter: Rekombination am PN-Übergang, damit wieder die Energieniveaugeschichte
- diskretes Spektrum, kontinuierlich nur mit Beschichtungen (Anregung von Leuchtstoffen)
Nennen Sie Eigenschaften unterschiedlicher Lampentypen !
Was versteht man unter dem Flimmerfaktor von Lampen? Welche Rolle spielt er für CCD-Bildaufnahmesysteme (Zeilen, Matrizen)?
- Lampen werden mit Wechselstrom oder gepulster Gleichspannung betrieben, geben daher nicht kontinuierlich die gleiche Strahlung ab sondern mit bestimmter Frequenz -> Flimmern
- CCD: so kurze Integrationszeiten, dass dieses Flimmern die Bildaufnahme beeinflusst
- Abtastung immer zum gleichen Zeitpunkt: kein Problem
- Abtastung zu verschiedenen Zeitpunkten: Bei einem Bild Lampe hell, beim anderen Lampe gerade dunkel: Müst
Wie kann man eine näherungsweise gleichmäßige Ausleuchtung einer ebenen Fläche erreichen?
Wie wirken sich Modulationstransferfunktion, Verzeichnung, Randabfall von Objektiven auf die resultierenden Eigenschaften eines Bildaufnahmekanals aus!
Nennen Sie Anforderungen aus der Bildverarbeitung, die Einfluss auf die Auswahl von Objektiven haben!
Was versteht man unter telezentrischem Strahlengang? Welche Vorteile bringt er? Wie ist er erreichbar?
- Öffnungsblende im Brennpunkt der Bildseite -> lässt nur Brennpunktstrahlen durch, die auf Objektseite Parallelstrahlen sind
- keine Verzeichnung des Objektes, unabhängig vom Abstand des Objektes zur Linse -> ideal zur Längenmessung