Carsten Büttner, HAWK11. Workshop Farbbildverarbeitung

Dipl.-Ing. (FH) Carsten Büttner, MSc.

Parametrierung digitaler Kamerasauf Basis einer

spektralen Charakterisierung

Carsten Büttner, HAWK11. Workshop Farbbildverarbeitung

Gliederung

Ergebnisse am Farbkameramessplatz

Farbbildsensorik

Kameraparametrierung: modellbasierter Ansatz

Methode zur Spektralschätzung

Carsten Büttner, HAWK11. Workshop Farbbildverarbeitung

Farbbildsensorik

IT-Progressive-Scan-CCD

1004 x 1004 Bildpunkte

30 Vollbilder / Sekunde

36 MHz Datenfrequenz

mit RGB-Bayer-Mosaikfilter

Carsten Büttner, HAWK11. Workshop Farbbildverarbeitung

Kameraparametrierung:modellbasierter Ansatz

Lichtquelle Objekte Detektor Wiedergabe

Dermatoskopiesystem

weißeLED

Testkarten,Farbproben,

Haut,...Optik Sensor

Kamera-elektronik

DarstellungsRGB

Carsten Büttner, HAWK11. Workshop Farbbildverarbeitung

Kameraparametrierung:modellbasierter Ansatz

Physikalische Betrachtung: Für die Farbwahrnehmung werden drei spektrale Strahlungsverteilungen benötigt!

Lichtquelle S(λ) Objekte β(λ) Empfänger s(λ)

zusätzlich: chromatische Adaption, Wiedergabetransformation,...

Abbildungs-vorschrift?

Carsten Büttner, HAWK11. Workshop Farbbildverarbeitung

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, HAWK11. Workshop Farbbildverarbeitung

Spektrale Messverfahren

Monochromatische Messung (direkt):

Kamerareaktion= spektrale Stützstelle

Lichtquelle S(λ) Empfänger s(λ)

Methode zur Spektralschätzung

Carsten Büttner, HAWK11. Workshop Farbbildverarbeitung

Spektrale Messverfahren

Lichtquelle S(λ) Objekte β(λ) Empfänger s(λ)

Kamerareaktion

mit Farbprobenmatrix

Monochromatische Messung (direkt):

Breitbandige Messung (indirekt, Spektralschätzung):

Kamerareaktion= spektrale Stützstelle

Lichtquelle S(λ) Empfänger s(λ)

Methode zur Spektralschätzung

Carsten Büttner, HAWK11. Workshop Farbbildverarbeitung

Überblick: Methoden zur Spektralschätzung

Methode 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, HAWK11. Workshop Farbbildverarbeitung

Schätzung mittels Quadratischer Programmierung:

1. Kriterium: mittlere quadratische Abweichung

2. Kriterium: Glattheit

In Normalform für large-scale Algorithmus in MATLAB

Kriterien der verwendeten Methode

Methode zur Spektralschätzung

Carsten Büttner, HAWK11. Workshop Farbbildverarbeitung

Ideale RGB-Sensordaten

C - Farbprobenmatrix

Addition von Rauschen

Dunkelsignalrauschen mit

Photonenrauschen mit

PRNU mit

Mittelwertbildung über einen Bereich von 25x25 Bildpunkten

Umrechnung in Ladungsträger: Signalwert

Verrauschte RGB-Sensordaten

Simulationsmodell

Methode zur Spektralschätzung

Carsten Büttner, HAWK11. Workshop Farbbildverarbeitung

Ansatz:

Kriterium für Farbprobenauswahl:

Optimierungsalgorithmus (QP) liefert einenLagrange-Multiplikator für jede Nebenbedingung

Maß für den Einfluss der Nebenbedingung aufdas gefundene Optimum

Methode zur Farbprobenauswahl

Methode zur Spektralschätzung

(vgl. Extremwertbestimmung mehrdimensionaler Funktionen unter Nebenbedingungen)

Feststellung: Auswahl ist abhängig vom Rauschen statistische Auswertung

Carsten Büttner, HAWK11. Workshop Farbbildverarbeitung

Bewertungskriterien:

euklidischer Abstand im RGB-Farbraum des Sensors

geometrischer Abstand im rg-Diagramm (sensorbezogen)

Fehlerbewertung

Methode zur Spektralschätzung

Carsten Büttner, HAWK11. Workshop Farbbildverarbeitung

Ergebnisse am Farbkameramessplatz

LichtquelleSpektrale

Anpassungs-filter

FarbprobenAuswahl

Carsten Büttner, HAWK11. Workshop Farbbildverarbeitung

Ergebnisse am Farbkameramessplatz

LichtquelleSpektrale

Anpassungs-filter

FarbprobenAuswahl Strahlteiler

Spektrometer

Kamera

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Ergebnisse am Farbkameramessplatz

Spektralschätzung im Vergleich zum Datenblatt:

Kodak KAI-1020CM (Kappa DXc100) Sony ICX285AQ (Kappa DX40)

Optimierung der Messbedingungen:

Integrationszeitanpassung

zusätzliches IR-Sperrfilter

Korrektur der Nichtlinearität

Carsten Büttner, HAWK11. Workshop Farbbildverarbeitung

Ergebnisse am Farbkameramessplatz

Euklidischer Abstandim RGB-Farbraum

Geometrischer Abstandim rg-Diagramm

Kodak KAI-1020CM (Kappa DXc100) Sony ICX285AQ (Kappa DX40)

Carsten Büttner, HAWK11. Workshop Farbbildverarbeitung

Diskussion und Ausblick

Bewertung der Güte der Spektralschätzung

Vergleich zu monochromatischer Messung

Vergleich mit den Kamerareaktionen auf einen Referenzprobensatz

Kamera

Spektral-schätzung

MonochromatischeMessung

Fehlerbewertung der Reaktionen