Bayer - Lichtenergieausnutzung

Dukesim schrieb:

Meinst Du Abbildung 7?

Ich weiß noch nicht genau wie ich das lesen muss:

-Die Abszisse ist für mich klar: Wellenlänge

-Die Ordinate ist eine "Arbitrary Unit", frei übersetzt "beliebige Einheit", sprich eine willkürliche Skalierung. Was wir bräuchten ist eine Skalierung auf 100% der einkommenden Lichtenergie, was dann eine Transmissionskurve ergäbe. Es ist ja nicht gesagt, dass z.B. der blau-Flter am Höhepunkt wirklich einen Transmissionsgrad von 100% hat.

Wie muss das Ding also lesen, um an die Infos zu kommen?

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Ja, Abb.7 ist gemeint. Die Kurven werden beim Weißabgleich je nach Beleuchtungssituation unterschiedlich gewichtet. Gegeben ist eine auf ein flaches Spektrum normierte relative Transmissionskurve*, aus der Du erkennen kannst wie stark unterschiedliche Farben verstärkt werden.

*Eigentlich ist es die Antwort des Sensors, der ja je nach einfallender Wellenlänge eine unterschiedliche Quanteneffizienz hat.

Slowy schrieb:

Ja, Abb.7 ist gemeint. Die Kurven werden beim Weißabgleich je nach Beleuchtungssituation unterschiedlich gewichtet. Gegeben ist eine auf ein flaches Spektrum normierte relative Transmissionskurve*, aus der Du erkennen kannst wie stark unterschiedliche Farben verstärkt werden.

*Eigentlich ist es die Antwort des Sensors, der ja je nach einfallender Wellenlänge eine unterschiedliche Quanteneffizienz hat.

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Das ist mir soweit klar, aber was uns zur Aussage zur Unzulänglichkeit des Bayer-Sensors fehlt ist die Aussage nicht nur relativ unter den verschiedenen Kanälen sondern relativ zum Zustand ganz ohne Filter.

Dazu fehlt uns doch die Aussage, wie der Transmissionsgrad des Filter(z.B. grün) in seinem Höhepunkt in dem Diagramm ist? Diese fehlt weil der Autor nicht genau definiert was die Ordinate im Hinblick auf den tatsächlichen Transmissionsgrad aussagt?
Sind es 95% oder doch nur 70% Transmissionsgrad in diesem Höhepunk? Das käme ja zu den Verlusten durch die Abschirmung der anderen Wellenlängen dazu.

Wahrscheinlich >90% Transmission bei den optimalen Wellenlängen. Aber die Frage nach dem Problem der schräg einfallenden Strahlen ist doch eh ungeklärt, oder?

Slowy schrieb:

Wahrscheinlich >90% Transmission bei den optimalen Wellenlängen. Aber die Frage nach dem Problem der schräg einfallenden Strahlen ist doch eh ungeklärt, oder?

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Das Problem der Prismen das Du genannt hast ist plausibel, denke ich: Das Prisma braucht einen Lichtstrahl aus nur einer Richtung um sinnvoll arbeiten zu können, tatsächlich kommen aber Lichtstrahlen eines Objektpunktes aus verschiedenen Richtungen auf dem Sensor(eben wegen der Größe der Blendenöffnung), und damit auch auf dem Prisma an. Das würde zu einem ziemlichen durcheinander an Farben führen und in einem Subpixel Infos zu unterschiedlichen Wellenlängen verursachen, was dem Zweck der Farbmessung widerspricht.
Habe ich Dich richtig verstanden?

Im Moment finde ich persönlich interessanter zu klären, wie schlecht Bayer tatsächlich ist, um dann überhaupt Handlungsbedarf und Ziele von alternativen Verfahren feststellen zu können. Daher habe ich die Aussagen zu den Prismen erstmal links liegen lassen.

Jetzt brauchen wir nur eine etwas handfestere Aussagen bezüglich der ">90%". Also quasi ohne "vielleicht" oder "wahrscheinlich", sondern mit "so, weil nämlich, siehe hier". Für die Verteilung unter den Kanälen ist, da hast Du ja die Quelle sehr schön geliefert.

Vielleicht mal die Monochrome Leica zu rate ziehen: wieviel ist die Lichtstärker? Hat doch den gleichen Sensor wie die M9, nur ohne Bayer, oder?

Slowy schrieb:

Vielleicht mal die Monochrome Leica zu rate ziehen: wieviel ist die Lichtstärker? Hat doch den gleichen Sensor wie die M9, nur ohne Bayer, oder?

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Vom Prinzip her schon. Interessant wäre es zu sehen was da raus kommt, aber es ist extrem schwierig aus solchen Vergleichen etwas zu sehen, da so viel anderes eine Rolle spielt. Wenn man sich die Entwicklung der Bayer-Sensoren ansieht, hat sich da ja viel mehr getan, als das worüber wir hier diskutieren. Da sind schon mehrere Blendenstufen an Entwicklung ins Land gegangen.

Daher sind grundlegendere wissenschaftliche Messungen etwas aufschlussreicher.

Diagramme unter folgenden Annahmen:

• Kamera sieht Farben und Helligkeiten (zumindest bei Tage) genauso wie das Auge. Keine Metameriefehler!
• Bezugnahme auf CIE 1931, 2° CMFs, siehe http://cvrl.ioo.ucl.ac.uk/cmfs.htm
• Es interessiert nicht, was derzeitig gemacht wird, sondern was die theoretischen Grenzen sind.

Die ersten fünf Diagramme:

• Monochrom
• Bayer mit genauso großen Pixeln für Rot, Grün und Blau.
• Bayer mit kleineren Pixeln für Rot und Blau und größeren Pixeln für Grün.
• Dichroit mit 3 Farben: Rot, Grün, Blau
• Dichroit mit 4 Farben: Rot, Gelb, Türkis, Blau

Bemerkungen:

• Was als Grün bezeichnet wird, ist an sich das Helligkeitssignal Y. Es ist das wichtigste Signal, was die Schärfe ausmacht und in dem eine Rauschfilterung sehr schnell auffällt!
• Was als Rot bezeichnet wird, ist an sich X, Blau an sich Z. Man kann es wesentlich aggressiver rauschfiltern, ohne daß das so schnell auffällt.
• Diagramm 1: Ja, auch bei Monochrom muß man viel wegwerfen, damit der Helligkeitseindruck stimmt. Sonst ist der blaue Himmel oder Grünzeug viel zu hell oder gar weiß!
• Diagramm 2: Klassisches Bayer. Alle Pixel gleich groß. Helligkeitssignal hat 50% der Empfindlichkeit eines Monochrom-Sensors.
• Bayer mit vergrößerten Grün-Pixeln: Helligkeitssignal hat 70% der Empfindlichkeit eines Monochrom-Sensors. Dafür mehr Farbrauschen.
• Dichroitischer Farbteiler, 3 Farben: Auf Grund des Kannibalismus von Rot und Grün kommt man bei er hier gewählten Aufteilung auf 75% im Helligkeitssignal.
• Dichroitischer Farbteiler, 4 Farben: Kannibalismus von Rot und Grün behoben. Man kommt dadurch auf etwa 99% beim Helligkeitssignal.
• Dichroitischer Farbteiler, 5 Farben: Man würde entweder die Türkis-Blau-Lücke schließen oder den Sensor im Roten erweitern (letzteres macht sich gut in der Dämmerung oder am Lagerfeuer).
• Dichroitischer Farbteiler, sehr viele Farben von UV bis IR: Hier bekommt man sehr viele und sehr interessante Effekte rein:
  • weitgehend verlustfreies Beheben von selst sehr starken chromatischen Querfehlern.
  • Kamera wird IR-empfindlich, ohne daß die Farbwidergabe darunter leidet. Ich kann eine Szene rein mit 850 nm ausleuchten. Das Bild sieht rot aus, die Kamera hat dort aber trotz perfekter Farbwiedergabe die volle native Empfindlichkeit.

Ausnutzung Helligkeit/Y:

• 100% bei Monochrome
• 50% bei Bayer 50/25/25
• 70% bei Bayer 70/15/15
• 75% bei Dichroit 3/40/75/80
• 99% bei Dichroit 4/98/98/100/68
• 138% beim digitalen Spektrometer (außer der Reihe hinzugefügt)

Ausnutzung Rot/X:

• 0% bei Monochrome
• 25% bei Bayer 50/25/25
• 15% bei Bayer 70/15/15
• 40% Dichroit 3/40/75/80
• 98% bei Dichroit 4/98/98/100/68

Ausnutzung Blau/Z:

• 0% bei Monochrome
• 25% bei Bayer 50/25/25
• 15% bei Bayer 70/15/15
• 80% bei Dichroit 3/40/75/80
• 68% bei Dichroit 4/98/98/100/68

Ausnutzung Durchschnitt 420...640 nm:

• 47% bei Monochrome
• 40% bei Bayer 50/25/25
• 43% bei Bayer 70/15/15
• 72% bei Dichroit 3/40/75/80
• 78% bei Dichroit 4/98/98/100/68

Ausnutzung Durchschnitt 400...680 nm:

• 38% bei Monochrome
• 33% bei Bayer 50/25/25
• 35% bei Bayer 70/15/15
• 59% bei Dichroit 3/40/75/80
• 65% bei Dichroit 4/98/98/100/68

Ausnutzung Durchschnitt 380...720 nm:

• 31% bei Monochrome
• 27% bei Bayer 50/25/25
• 29% bei Bayer 70/15/15
• 49% bei Dichroit 3/40/75/80
• 54% bei Dichroit 4/98/98/100/68

Was ist noch zu berücksichtigen?

• Ist einem Metamerie egal, kann man theoretisch mehr erreichen. Je schlechter die Farbtreue, um so mehr ist ereichbar.
• Monochrom-Sensoren können keine falschen Farben darstellen und Helligkeitsfehler kann man einfacher ignorieren.
• Bayer-Sensor ist nicht so schlecht, wie er meist dargestellt wird.
• Der Einsatz von Nicht-Bayer-Sensoren muß daher gut begründbar sein. Um wirklich Vorteile aus solchen Sensoren zu ziehen, dürfen sie technolgisch nur minimal schlechter als Bayer-Sensoren sein (remember X3) und sie dürfen auch keine aufwendige zusätzliche Optik benötigen (massive Strahlteiler).
• Farbteiler-Sensoren benötigen eigentlich mehr als 3 Farben, aber mit 4 kommt man schon gut hin ...

Ich bedanke mich bei allen, die bis hierher gelesen haben ...

Kurzbemerkung zum Spektrometer unter jedem Pixel:

Will man keine Spezialeeffekte bei komischer Beleuchtung (IR-Nachtsichtgerät) haben und will man keine Metameriefehler durch die Beleuchtung herausrechnen können (das geht bei Multispektralaufnahmen!), ist man mit 4 Farben schon gut aufgehoben.

Frank Klemm schrieb:

Will man keine Spezialeeffekte bei komischer Beleuchtung (IR-Nachtsichtgerät) haben und will man keine Metameriefehler durch die Beleuchtung herausrechnen können (das geht bei Multispektralaufnahmen!), ist man mit 4 Farben schon gut aufgehoben.

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Du meinst jetzt vier völlig getrennte Farbbereiche? Damit handelt man sich aber große Metamerieprobleme ein. Bei Tageslicht und normalen Farben mag das ja ausreichen. Je enger das Spektrum des fotografierten Objekts ist, desto schwieriger wird es. Zwei Objekte, deren Licht ausschließlich im selben Spektralbereich liegt, haben im Bild dieselbe Farbe.

Ich denke da an Straßenbeleuchtung bei Nacht, Energiesparlampen, LED-Licht, die im Spektrum i.d.R. recht intensive Spikes haben. Auch bei sehr intensiven Farben (außerhalb von sRGB) bei Tageslicht. Alles Situationen, mit denen auch schon die gutmütigeren Bayer-Sensoren tendenziell Schwierigkeiten haben.

L.G.

Burkhard.

Frank Klemm schrieb:

Diagramme unter folgenden Annahmen:

• Kamera sieht Farben und Helligkeiten (zumindest bei Tage) genauso wie das Auge. Keine Metameriefehler!
  (...)
• Es interessiert nicht, was derzeitig gemacht wird, sondern was die theoretischen Grenzen sind.

(...)

• Ist einem Metamerie egal, kann man theoretisch mehr erreichen. Je schlechter die Farbtreue, um so mehr ist ereichbar.
  (...)
• Bayer-Sensor ist nicht so schlecht, wie er meist dargestellt wird.
  (...)

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Noch einmal Fragen um zu klären ob ich auch alles richtig verstanden habe:

1. Metamerie ist bei diesen Diagrammen so zu sagen die Grundlage und für die Form der Kurven verantwortlich?

2. Und da es die bestmöglichen Ergebnisse bei gegebenen Pixelflächenverhältnissen findet man z.B. die Maximalwerte von rot und blau bei 0,25 und von grün bei 0,5?

3. Das heißt wiederum, dass in dieser Diagrammen keine Aussage zu realen Filtern und deren Transmissionsgrad bei diesen Maximalwerten vorhanden ist? Hast Du eventuell Aussagen dazu aus anderen Quellen?

4. Kann man an Hand von Diagramm 2 grob sagen, dass der metamerisch optimale Bayer-Sensor ca. 45% der Lichtenergie ausnutzt(Wellenlängen im sichtbaren Bereich)?

5. Kann man sagen, dass die dichroitischen Farbteiler das Optimum an Lichtenergieausnutzung bei metamerischerer Richtigkeit schaffen(theoretisch, da ja die Wirkungsgrade der Teiler nicht berücksichtigt sind)?

6. Kann man dabei sagen, dass die Bereiche die hier nicht so groß sind(z.B. der Bereich zwischen dem blauen und dem grünen Hügel), auch für die Farbwidergabe weniger uninteressant sind, und ähnlich wie IR und UV wegbleiben/kleiner sein können?

7. Bayer-Sensoren sind nicht so schlecht? Gilt das, wenn man diese filterbasierten Verfahren vergleicht, oder auch im Vergleich zu den Farbteilern?

burkhard2 schrieb:

Du meinst jetzt vier völlig getrennte Farbbereiche?

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Zerlegen des Spektrums mittels Dichroiten und Absorptionsfilter in vier Teile:

[ATTACH_ERROR="dslrToolsAttachRewrite"]2379554[/ATTACH_ERROR]

Kanal 1: der rote Kanal, der zwischen 390 und 480 nm und zwischen 580 und 700 nm empfindlich ist.
Kanal 2: der gelbe Kanal, der bei 480 nm und 580 nm eine Spitze hat.
Kanal 3: der türkisfarbene Kanal, der zwischen 480 nm und 580 nm empfindlich ist.
Kanal 4: der blaue Kanal, der zwischen 390 nm und 540 nm empfindlich ist.

Schwarz ist die Summe alle Kanäle (muß <=1 sein), die Fläche darüber muß wegabsorbiert werden.
X = (rot + gelb)/0.98
Y = gelb/0.98 + grün
Z = blau/0.68

Damit handelt man sich aber große Metamerieprobleme ein. Bei Tageslicht und normalen Farben mag das ja ausreichen.

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Die Farbwiedergabe entspricht genau dem, was das Auge zum Zeitpunkt der Fotografie sieht. 100,0% Farbtreue.
Heutige Kameras sehen da ziemlich alt aus.

Je enger das Spektrum des fotografierten Objekts ist, desto schwieriger wird es. Zwei Objekte, deren Licht ausschließlich im selben Spektralbereich liegt, haben im Bild dieselbe Farbe.

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Nö.

Es ging mir um folgendes. Ein vollständiges Spektrometer kann wesentlich mehr als ein Fotoapparat. Bei rein reflektierenden Motiven kann man nicht nur bestimmen, wie das Bild tatsächlich aussah, sondern man könnte auh für andere Beleuchtungen das entstehende Bild berechnen. Wie hätte das Neonlichtmotiv bei Glühlampenlicht ausgesehen? Das geht mit den 4 Kanälen so gut wie gar nicht.

Ich denke da an Straßenbeleuchtung bei Nacht, Energiesparlampen, LED-Licht, die im Spektrum i.d.R. recht intensive Spikes haben. Auch bei sehr intensiven Farben (außerhalb von sRGB) bei Tageslicht. Alles Situationen, mit denen auch schon die gutmütigeren Bayer-Sensoren tendenziell Schwierigkeiten haben.

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Das hat nichts mit Bayersensor zu tun.
Räumliche Auflösung und spektrale Empfindlichkeit sind beim Bayer-Sensor gerade 100% entkoppelt (bei Dichroiten übrigens nicht mehr).

Frank Klemm schrieb:

Zerlegen des Spektrums mittels Dichroiten und Absorptionsfilter in vier Teile:

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OK, also kein "Spektrometer", das in separate Teilspektren zerlegt, sondern Zerlegung in überlappende Bereiche. Solange man XYZ wiederherstellen kann, gibt es natürlich kein Problem mit Metamerie.

L.G.

Burkhard.