Echtzeit bei HDR-Imaging

Adaptiver Lichtmengen-Algorithmus

Aufnahmen von Szenen mit großen Helligkeitsunterschieden sind häufig mit Informationsverlust verbunden. Helle Bereiche zeigen sich im Bild als überstrahlte Flächen, während dunkle Bereiche unterbelichtet sind, so dass in diesen Bereichen keine Details erkennbar sind. Allein über die Steuerung der Belichtungszeit kann keine Verbesserung des Gesamtbildes gleichzeitig in beiden Bereichen erreicht werden.
Der Dynamikumfang kann mit verschiedenen Techniken erhöht werden. HDR-Imaging (High Dynamic Range) wird auf die jeweilige Anwendung abgestimmt. Als Ableitungen aus den verschiedenen Algorithmen hat Kappa einen zusätzlichen komplexen Algorithmus kombiniert. Der adaptive Lichtmengen-Algorithmus HDRadapt ist perfekt geeignet für alle Outdoor-Livemonitoring Applikationen und meistert alle Lichtsituationen in Echtzeit: Sonnenaufgang, Sonnenhöchststand, Sonnenuntergang, Szenen in Parkgaragen und Tunneln, bei Nacht sowie bei Spitzlicht und Gegenlicht. Egal wie extrem das Licht ist oder wie extrem es wechselt, dank des neuen Regelalgorithmus ist das Ergebnis ein optimales Bild. Mit viel Fingerspitzengefühl hat das Entwicklerteam für alle Lichtsituationen einen Algorithmus definiert, der aus Verstärkungsregelung, Belichtungszeitregelung und Blendenmengenregelung das Beste rausholt, sogar mit Wechselwirkungen untereinander. Die Verstärkungsregelung arbeitet in einem weiten Umfang, der elektronische Shutter bedient kürzeste Belichtungszeiten und die kombinierte externe Lichtmengenregelung ist präzise positionierbar. Im Ergebnis werden in einem maximalen Dynamikbereich von 1:1.000.000 (entsprechend 120dB) alle Bildinformationen erfasst, um diese dann perfekt darzustellen. Der adaptive Algorithmus ist als Modul implementiert in FPGA und Microcontroller, das für alle Kappa Kameraprofile zur Verfügung steht. Andere Methoden basieren auf dem Einsatz von Sensoren mit nicht-linearer Kennlinie, so dass das Erreichen der Sättigungskapazität hinausgezögert wird und erst bei sehr großen Helligkeiten eine Überstrahlung auftritt. Die Auswahl des geeigneten Verfahrens, infrage kommender Sensoren sowie deren Parametrierung wird mit der jeweiligen Anwendung entschieden. Neben der eigentlichen Erzeugung von HDR-Bildern kommt auch dem Tone Mapping eine besondere Bedeutung zu. Ziel des Tone Mappings ist, den Dynamikumfang eines HDR-Bildes so zu reduzieren, dass es auf einem Monitor darstellbar ist. Die Herausforderung hierbei ist, die für den Anwender interessanten Bilddetails zu erhalten und zugleich ein realistisch aussehendes Bild hervorzubringen.

Automatische Kontrastanpassung

Für kontrastschwache Szenen – etwa bei Dunst/Nebel oder während Long Range Observation aufgenommene Bilder – wurde ein weiterer spezieller Algorithmus zur automatischen Kontrastanpassung (Automatic Contrast Control, ACC) entwickelt. So gelingt es, auch in Aufnahmen kontrastschwacher Szenen viele Bildinformationen darzustellen und die Bildqualität deutlich zu erhöhen. Bei diesem in Echtzeit arbeitenden Verfahren werden die Helligkeitsanteile (Luminance) und die Farbanteile (Chrominance) eines Bildes getrennt betrachtet. Die eigentliche Kontrastanpassung wird am Helligkeitssignal durchgeführt. Sie ist histogrammbasiert und skaliert die Helligkeitsanteile so, dass der Minimalwert bei 0% (schwarz) und der Maximalwert bei 100% (weiß) liegt. Auf diese Weise wird der komplette Bereich verfügbarer Helligkeitswerte ausgenutzt und der Schärfeeindruck eines kontrastschwachen Bildes erheblich erhöht. Bei der Bearbeitung der Farbanteile liegt der Fokus hingegen auf einer möglichst realitätsnahen Farbwiedergabe der aufgenommenen Szene. Für die Abbildung von Szenen, die sowohl dunkle als auch helle Bereiche mit wenig Kontrast enthalten, ist der ACC-Algorithmus allerdings nur eingeschränkt wirksam. Hierfür bieten einige Kameramodelle alternativ die Funktion ‚Dynamischer Histogramm-Ausgleich‘. Bei diesem Verfahren erfolgt eine von der Helligkeitsverteilung abhängige, nichtlineare Veränderung des Kontrasts, so dass gleichzeitig in den dunklen wie auch in den hellen Bildbereichen eine Kontrastverbesserung erzielt wird. Die Kontrastanpassung kann im Gesamtbild oder innerhalb eines frei wählbaren Fensters erfolgen.