Objektiver Kameravergleich
Objektive Messdaten zur Bildqualität (EMVA1288)-Teil 2/3
Der erste Teil (inVision 2/15) hat die technischen Grundlagen und wesentlichen Leistungsmerkmale von Bildsensoren gemäß des EMVA1288-Standards erläutert. In diesem Artikel wird eine Methode vorgestellt, mit der ein objektiver Vergleich von Kameras und ihre Bildqualität bei schwachen Lichtverhältnissen möglich ist.
Dies ist besonders relevant bei Anwendungen wie dem automatischen Lesen von Nummernschildern mittels optischer Zeichenerkennung (OCR), sowie Szenarien in denen Kameras schnell bewegte Objekte aufnehmen. Hier muss die Kamera mit kurzen Belichtungszeiten und geringem Lichteinfall möglichst scharfe, kontrastreiche und rauscharme Grauwertbilder liefern. Zur Lösung eines Bildverarbeitungsproblems ist es vergleichsweise einfach, die benötigte Auflösung, Bildrate und das Sichtfeld einer Kamera zu bestimmen. Die Abschätzung, ob eine Kamera auch die notwendige Bildqualität liefert, ist dagegen schon schwieriger. Üblicherweise half hier bisher nur das Vorgehen nach dem Prinzip ‚try & error‘. Nehmen wir z.B. an, ein Entwickler eines Bildverarbeitungssystems hat errechnet, dass eine VGA-Kamera mit einem 1/4″-CCD Sensor und 30fps für seine Anwendung ausreichend ist. Weiterhin würden die initialen Tests mit stationären Objekten zeigen, dass die Kamera für Belichtungszeiten von 10ms empfindlich genug ist. Bild 1 zeigt ein Beispiel mit den Textzeichen B und 8 sowie D und 0, die jeweils von einem Bildverarbeitungsalgorithmus zur Zeichenerkennung leicht miteinander verwechselt werden können. Das Bild links oben stammt von einer Kamera mit einem 1/4″ CCD-Sensor und ist für die automatische Bildanalyse geeignet. Für die Aufnahme von bewegten Objekten müssen die Belichtungszeiten jedoch reduziert werden, damit die Aufnahme durch die Bewegung nicht verschmiert. Bei 2,5ms Belichtungszeit liefert die 1/4″-Kamera (Bild 1, links unten) nicht mehr die benötigte Bildqualität, um zuverlässig ein B von einer 8 und ein D von einer 0 zu unterscheiden. Die Anwendung in diesem Beispiel bedarf keiner großen Tiefenschärfe, weswegen die Objektivblende bei den Testaufnahmen bereits maximal geöffnet war. Somit kann auch auf diesem Wege der Lichteinfall und damit die Bildqualität nicht erhöht werden. Der Entwickler muss also eine andere Kamera auswählen, wobei sich die Frage stellt, welche Kamera am wahrscheinlichsten zu einer Verbesserung der Systemleistung führt. Ein größerer Sensor dürfte generell bessere Ergebnisse bei Schwachlicht liefern. Somit könnte eine Kamera mit einem 1/2″-Sensor eine gute Wahl sein. Anstatt nun weiter Kamera für Kamera zu beschaffen und zu testen ist es hilfreich, einfach die Leistungsdaten der Bildqualität nach dem EMVA1288-Standard zu betrachten (Tabelle 1). Die Daten nach EMVA1288 zeigen, dass der 1/4″-Sensor eine höhere Quanteneffizienz besitzt und geringeres Dunkelrauschen aufweist. Der 1/2″-Sensor bietet jedoch größere Pixel und eine höhere Sättigungskapazität. Im Folgenden wird gezeigt, wie man anhand dieser Daten beurteilen kann, ob die 1/2″-Kamera bessere Ergebnisse liefert. Bild2 vergleicht die Kameras, indem sie die Signalstärke als Anzahl der Elektronen (e-) über die Leuchtdichte (engl.: Light Density) in Photonen pro Fläche (µm²) aufträgt. Die folgende Formel bestimmt die Signalstärke als Funktion der Leuchtdichte:
Signal = Leuchtdichte x Pixelfläche x Quanteneffizienz
Für diese Betrachtung gehen wir von einem identischen Sichtfeld, identischer Blendenzahl und gleichen Kameraeinstellungen aus. Bild 2 zeigt, dass der 1/2″-Sensor bei gleicher Leuchtdichte ein stärkeres Signal liefert als der 1/4″-Sensor. Weiterhin ergibt sich daraus, dass die Sättigung beider Sensoren bei einer Leuchtdichte von ungefähr 700 Photonen/µm² eintritt, der 1/2″-Sensor jedoch eine deutlich größere Sättigungskapazität aufweist.
Rauschverhalten
In diesem Artikel wird vor allem der Vergleich von Kameras bei geringem Lichteinfall betrachtet. Daher ist es besonders wichtig, das Rauschverhalten zu untersuchen. Bild 3 zeigt das Signal und das Rauschen bei geringer Leuchtdichte. Der Rausch-Level in dem Diagramm entspricht in etwa dem quadratischen Mittel aus Dunkelrauschen und Schrotrauschen und wurde nach folgender Formel berechnet:
Rauschen = (Dunkelrauschen)² + (Schrotrauschen)²
In Bild 3 sind zudem für beide Sensoren jeweils die absoluten Empfindlichkeitsschwellen eingezeichnet, d.h. die Leuchtdichten, bei denen Signal und Rauschen gleich stark sind. Dies verdeutlicht, dass der 1/2″-Sensor die absolute Empfindlichkeitsschwelle bereits mit weniger Licht erreicht als der 1/4″-Sensor. Generell ist das Signal- Rauschverhältnis (SNR) entscheidend, um zu beurteilen, welche Kamera bei wenig Licht bessere Ergebnisse liefert. In Bild 4 wurde das SNR beider Kameras über der Leuchtdichte aufgetragen. Mit Blick auf das größere Signal-Rausch-Verhältnis sollte speziell bei schwachem Lichteinfall die 1/2″-Kamera theoretisch besser sein als die 1/4″-Kamera. Auch der praktische Test aus Bild 1 belegt, dass der 1/2″-Sensor die Konturen der Buchstaben und Zahlen bis hinunter zu einer Belichtungszeit von 2,5ms bewahrt, während der 1/4″-Sensor die Unterscheidung der Zeichen erschwert. Somit bestätigt der 1/2″-Sensor auch in der Praxis seine mit EMVA1288-Daten theoretisch hergeleitete Überlegenheit. Kameravergleich nach EMVA1288
