Smear-Effekt

[Morbit]

Hallo,

ich habe mal eine Frage, ich weiß wie de Smear-Effekt zu stande kommt, aber ich frag mich warum der "Strich" einmal von oben bis unten ganz durch ist.

Hier einmal ein Beispielbild:
http://www.meister-klecksl.de/mediengestaltung/img/smear.jpeg

Der Strich müsste doch eigentlich 'nur' von der Lichtquelle zu einem Bildrand hin sein, wenn der belichtete Teil nach unten zur "Auswertung" transportiert wird.

Warum ist der Strich aber durchgängig von oben bis unten?
Mein Ansatz wäre ja, dass nach beiden Seiten abtransportiert wird, also nach oben und nach unten und dadurch der durchgängige Strich zustande kommt, aber ist es wirklich so? Oder warum ist der Strich durchgängig?

 

[freejack]

Warum ist der Strich aber durchgängig von oben bis unten?

Kann man sich an einem Modell gut erklären: stell Dir eine Rolle Klopapier vor. Jedes Blatt ist ein Bild, das mit dem CCD-Sensor aufgenommen wird. Das Abrollen entspricht der Eimerkettenschaltung.

Ein Stift wird so angebracht, das er auf der Mitte des Blattes schreibt (= Spitzlicht). Jetzt wird ein Blatt abgerollt -- auf dem geht der Strich halbseitig bis zum Rand. Auf allen folgenden Blättern geht der Strich ein mal quer drüber. Genau den Effekt hat man bei einer kontinuierlichen Videoaufzeichnung ohne mechanischen Verschluss.

 

[Morbit]

Kann man sich an einem Modell gut erklären: stell Dir eine Rolle Klopapier vor. Jedes Blatt ist ein Bild, das mit dem CCD-Sensor aufgenommen wird. Das Abrollen entspricht der Eimerkettenschaltung.

Ein Stift wird so angebracht, das er auf der Mitte des Blattes schreibt (= Spitzlicht). Jetzt wird ein Blatt abgerollt -- auf dem geht der Strich halbseitig bis zum Rand. Auf allen folgenden Blättern geht der Strich ein mal quer drüber. Genau den Effekt hat man bei einer kontinuierlichen Videoaufzeichnung ohne mechanischen Verschluss.

Jetzt seh ich's auch das bei dem linken Bild (mit dem Smear-Effekt) "Videoaufnahme" und nicht "Fotoaufnahme" steht
D.h. aber, wenn links auch eine Fotoaufnahme wäre (auch ohne mech. Shutter), wäre auf dem Bild nur ein Strich von der Lichtquelle zu einem Bildrand, richtig? Äquivalent zum ersten Klopapier, um bei dem Beispiel zu bleiben!?

 

[Knilch]

Hm, eigentlich nicht. Bei den "alten" Einsteiger-Nikons, D40/50/70(s) gibt es einen elektronischen Verschluß und auch dort tritt der Effekt sowohl nach oben als auch nach unten auf. Gibt es sicherlich Beispiele im Internet.

Dafür kann man mit diesen Kameras mit der kürzesten Belichtungszeit blitzen...

 

[zzzip]

Warum ist der Strich aber durchgängig von oben bis unten?

Vielleicht weil benachbarte Spalten im ersten Fall abwechselnd von oben nach unten und umgekehrt ausgelesen werden? Das im zweiten Bild kein Smearing auftritt, kann eine ganze Reihe von Gründe haben. Der Verschluß spielt vermutlich keine Rolle.

 

[marian255]

Smear: http://de.wikipedia.org/wiki/Smear

btw, bei CMOS Sensoren tritt es nicht auf.

 

[Morbit]

Vielleicht weil benachbarte Spalten im ersten Fall abwechselnd von oben nach unten und umgekehrt ausgelesen werden? Das im zweiten Bild kein Smearing auftritt, kann eine ganze Reihe von Gründe haben. Der Verschluß spielt vermutlich keine Rolle.

Natürlich spielt der (mechanische) Verschluß eine Rolle, dadurch das der schließt, kommt doch kein weiteres Licht mehr auf den CCD.

Smear: http://de.wikipedia.org/wiki/Smear

btw, bei CMOS Sensoren tritt es nicht auf.

Auf wiki hab ich auch schon gelesen, da ist mir aber nicht ersichtlich, warum der Strich komplett durch ist.

 

[freejack]

Jetzt seh ich's auch das bei dem linken Bild (mit dem Smear-Effekt) "Videoaufnahme" und nicht "Fotoaufnahme" steht
D.h. aber, wenn links auch eine Fotoaufnahme wäre (auch ohne mech. Shutter), wäre auf dem Bild nur ein Strich von der Lichtquelle zu einem Bildrand, richtig?

nein, bei CCD bekommt man die Ladungen ja nur per Eimerkette rausgeschoben. Ein einzelnes, erstes Bild und einen prinzipiellen Unterschied zur Video-Aufnahme gibt es somit gar nicht -- wenn man nicht laufend den CCD ausliest, läuft er eben komplett mit Ladungen über.

Gruß
Kai

 

[zzzip]

Natürlich spielt der (mechanische) Verschluß eine Rolle, dadurch das der schließt, kommt doch kein weiteres Licht mehr auf den CCD.

Und wenn er zu spät schliesst?

 

[Morbit]

Und wenn er zu spät schliesst?

Das ist ja wieder was anderes. Er soll halt rechtzeitig schließen, damit nicht weiteres Licht auf den Sensor fällt, welchen Sinn soll der (mechanische) Verschluss sonst haben?

nein, bei CCD bekommt man die Ladungen ja nur per Eimerkette rausgeschoben. Ein einzelnes, erstes Bild und einen prinzipiellen Unterschied zur Video-Aufnahme gibt es somit gar nicht -- wenn man nicht laufend den CCD ausliest, läuft er eben komplett mit Ladungen über.

Gruß
Kai

Versteh ich nicht ganz. Soll das heißen, die Kamera nimmt ohne den Auslöser jemals gedrückt zu haben, laufend das Bild auf den CCD auf? Bei einer kompakten Digitalkamera bzw. einer DSLR mit LiveView könnt ich das nachvollziehen, macht eine "normale" DSLR das auch? Also laufend Bild aufnehmen und die "Eimer" leeren?

 

[freejack]

Soll das heißen, die Kamera nimmt ohne den Auslöser jemals gedrückt zu haben, laufend das Bild auf den CCD auf? Bei einer kompakten Digitalkamera bzw. einer DSLR mit LiveView könnt ich das nachvollziehen, macht eine "normale" DSLR das auch? Also laufend Bild aufnehmen und die "Eimer" leeren?

Die Kamera muss nicht laufend ein Bild aufnehmen und weiterverarbeiten. Nur solange am CCD die Versorgungsspannungen anliegen, füllen sich auch durch Lichteinfall die Pixel mit Ladungen. Das ist ein physikalischer Effekt der natürlich unabhängig vom Kameratyp ist. Betroffen ist jede Kamera ohne mechanischem Verschluss.

Und wenn man nun per elektronischem Shutter ein Bild aufnehmen will, muss man mindestens ein mal den Sensor leeren, dann die Belichtungszeit abwarten und anschließend das Bild auslesen. Dies ist ja der Hauptunterschied zum CMOS-Sensor: beim CCD ist das einzelne Pixel ein ganz einfacher Ladungstopf ohne zusätzliche elektronische Elemente, in dem durch Licht Ladung rein kommt, die man nur per Eimerkette abtransportieren kann.

Und schon ein einmaliges Leeren vor der Aufnahme sorgt dafür, das der Smear-Streifen ein mal quer über's ganze Bild geht.

 

[zzzip]

Das ist ja wieder was anderes. Er soll halt rechtzeitig schließen,...

Wenn der Verschluß rechtzeitig geschlossen wird, dann gibt es ja kein Smearing, weil keine hinreichend extreme Überbelichtung stattfindet.

 

[laerche11]

Hier einmal ein Beispielbild:
http://www.meister-klecksl.de/mediengestaltung/img/smear.jpeg

Ist doch toll, wenn einer das Wort "Verschluss" nicht kennt...

 

[WelcheDigicam]

Kann man sich an einem Modell gut erklären: stell Dir eine Rolle Klopapier vor. Jedes Blatt ist ein Bild, das mit dem CCD-Sensor aufgenommen wird. Das Abrollen entspricht der Eimerkettenschaltung.
Ein Stift wird so angebracht, das er auf der Mitte des Blattes schreibt (= Spitzlicht). Jetzt wird ein Blatt abgerollt -- auf dem geht der Strich halbseitig bis zum Rand. Auf allen folgenden Blättern geht der Strich ein mal quer drüber. Genau den Effekt hat man bei einer kontinuierlichen Videoaufzeichnung ohne mechanischen Verschluss.

Da ich zum Smearing ein paar Infos suche, möchte ich nur nochmal sicher gehen, ob ich das richtig verstanden habe:

Die Pixel oberhalb der Lichtquelle werden deshalb aufgehellt, weil sie an der Stelle des starken Lichteinfalls vorbeikommen und zusätzlich belichtet werden.
Die Pixel unterhalb der Lichtquelle werden deshalb aufgehellt, weil die Pixel, die die Stelle des starken Lichteinfalls darstellen, an ihnen vorbeikommen und etwas Ladung abgeben.

Wäre nett, wenn mir jemand diese "alltagstaugliche" Erklärung bestätigt oder verbessert.

 

[Ausloeser]

Wenn beim CCD trotzdem was smeart und man hat einen Verschluss wurde mir beigebracht, können Ladungen in die benachbarten Pixel in einer Reihe überlaufen. Und dort Effekte verursachen

 

[Mi67]

Der Strich müsste doch eigentlich 'nur' von der Lichtquelle zu einem Bildrand hin sein, wenn der belichtete Teil nach unten zur "Auswertung" transportiert wird.

Warum ist der Strich aber durchgängig von oben bis unten?
Mein Ansatz wäre ja, dass nach beiden Seiten abtransportiert wird, also nach oben und nach unten und dadurch der durchgängige Strich zustande kommt, aber ist es wirklich so? Oder warum ist der Strich durchgängig?

Wir sprechen hier natürlich von interline-transfer-Sensorarchitekturen. Ladungen werden durch den "elektronischen Verschluss" in eine benachbarte, abgedunkelte Sensorlinie verschoben, aus der sie dann ausgelesen werden, während der Sensor bereits eine Folgeaufnahme aufzeichnen kann. Klar ist ebenso, dass durch Ladungsüberlauf in den aktiven Pixeln die gerade am Spitzlicht vorbeiwandernden Ladungen der Dunkelzeile zusätzliche Signale erhalten, also ein Smear von der Lichtquelle ausgehen bis zu dem Bildrand hin entsteht, der als letztes am Ausleseregister ankommt. Bei Videoaufnahmen ist es nun aber so, dass der Sensor nie einen Reset durchläuft. Daher trifft beim Folgebild die neue Bildinformation beim nächst folgenden "elektronischen Verschlussvorgang", d.h. dem Verschieben in die Dunkelzeile auf die dort bereits vorhandene "Überlaufladung" des vorangegangenen Bildes und der Smear kann sich nun über die gesamte Bildbreite (oder -länge) erstrecken.

Bei interline-CCD-Fotoapparaten ist hingegen ein Sensor-Reset möglich und der Smear betrifft tatsächliche komplett oder zumindest präferentiell von der Spitzlicht-Quelle nur eine Bildseite.

Beispiel für "einseitigen Smear":
http://static.photo.net/attachments/bboard/00A/00AAM0-20520484.jpg

Beispiel für "präferentiell einseitigen Smear":
http://farm1.static.flickr.com/133/393058378_670a8cddd3.jpg

 

[WelcheDigicam]

Beispiel für "einseitigen Smear":
http://static.photo.net/attachments/bboard/00A/00AAM0-20520484.jpg

Genau das hätte ich erwartet - und zwar auch bei Videos.

Da bei Videos der Smear-Effekt aber über die ganze Höhe zu sehen ist, war das mein Erklärungsversuch:

Die Pixel oberhalb der Lichtquelle werden deshalb aufgehellt, weil sie an der Stelle des starken Lichteinfalls vorbeikommen und zusätzlich belichtet werden.
Die Pixel unterhalb der Lichtquelle werden deshalb aufgehellt, weil die Pixel, die die Stelle des starken Lichteinfalls darstellen, an ihnen vorbeikommen und etwas Ladung abgeben.

Anschaulich an einem Bild (siehe Anhang):
Wenn in Pixel (1|1) sehr viele Lichtstrahlen/Photonen auftreffen während im schwarzen, vertikalen Interline-Bereich die Ladung abtransportiert wird, wird nach meinem Erklärungsversuch die Ladung im Pixel (1|0) durch Beugung des Lichtes und/oder durch einen Ladungsüberlauf in (1|1) beim Vorbeischieben erhöht.
Jetzt fehlt aber noch die Erklärung, warum der Smear-Effekt auch in (1|2) und (1|3) auftritt. Das habe ich mir so erklärt, dass das Pixel (1|1) beim Abtransport im Interline-Bereich Ladung an die gerade belichteten (grünen) Pixel (1|2) und (1|3) abgibt - sie also aufhellt (beim nächsten Frame bei einer Videoaufnahme). Das habe ich mir jetzt so ausgedacht, und wollte fragen, ob das stimmt. Und wenn nicht, wie man dann bei einer Videoaufnahme erklären kann, dass auch die "unteren" Pixel vom Smear-Effekt betroffen sind.
Das mit der bisher erwähnten Eimerkettenschaltung habe ich nicht ganz verstanden.

 

[Mi67]

Genau das hätte ich erwartet - und zwar auch bei Videos.

Nö, denn bei Videos kommt jedes Pixel der abgedunkelten Auslesezeile irgendwann einmal an dem gerade überlaufenden Sensorpixel vorbei.

Bei Einzelbildaufnahmen kann die Ladung im Sensor ein Mal komplett abgeleitet werden (Sensor reset), so dass in der ersten darauf folgenden Aufnahme eine unidirektionale Smear-Bildung erzeugt werden kann.

Bei sehr schnellen Reihenaufnahmen kann der Sensor nie komplett "entleert" werden und die Pixel der Auslesezeile werden fortwährend am überlaufenden Pixel vorangeschoben. Der Smear oberhalb des Lichtpunktes kommt dann vom Bild x, der Smear unterhalb von Bild x-1.

Anschaulich an einem Bild (siehe Anhang):
Wenn in Pixel (1|1) sehr viele Lichtstrahlen/Photonen auftreffen während im schwarzen, vertikalen Interline-Bereich die Ladung abtransportiert wird, wird nach meinem Erklärungsversuch die Ladung im Pixel (1|0) durch Beugung des Lichtes und/oder durch einen Ladungsüberlauf in (1|1) beim Vorbeischieben erhöht.
Jetzt fehlt aber noch die Erklärung, warum der Smear-Effekt auch in (1|2) und (1|3) auftritt. Das habe ich mir so erklärt, dass das Pixel (1|1) beim Abtransport im Interline-Bereich Ladung an die gerade belichteten (grünen) Pixel (1|2) und (1|3) abgibt - sie also aufhellt (beim nächsten Frame bei einer Videoaufnahme). Das habe ich mir jetzt so ausgedacht, und wollte fragen, ob das stimmt. Und wenn nicht, wie man dann bei einer Videoaufnahme erklären kann, dass auch die "unteren" Pixel vom Smear-Effekt betroffen sind.
Das mit der bisher erwähnten Eimerkettenschaltung habe ich nicht ganz verstanden.

Nein, denn das was Du hier beschreibst, ist ganz allgemeines "blooming" und nicht der Sonderfall des Smears. Das so genannte anti-Blooming der CCD-Sensoren sorgt dafür, dass erst nach x-fachem Ladungsüberschuss die Barriere zum Nachbarpixel überschritten wird. Bis dieser Nachbarpixel dann seinerseits wiederum überläuft und in weitere Pixel einbricht, wird eine sehr starke Dämpfung erzeugt. Dieser Effekt ist daher stark lokal begrenzt und führt nicht zu Streifenbildung bis zu Bildrändern.

Weiterhin vom Smear zu unterscheiden sind "banding-Artefakte", die in extremen Fällen auch bei full-frame-Sensoren (z.B. in der Leica M8 = KAF-10500 Sensor) auftreten können und andere Ursachen (z.B. Beeinflussung der Vorverstärkerstufe durch extremen Ladungsüberschuss, elektronische Effekte der "Drain-Leitung") haben.

 

[e-Pawel]

Da ich nach der Suche einer Erklärung für das vom Themenstarter angesprochene Phänomen bin, habe ich alles mit großem Interesse durchgelesen. Doch keine plausible Erklärung gefunden

Ich möchte auf das Modell mit der Klopapierrolle eingehen...:

Ein Stift wird so angebracht, das er auf der Mitte des Blattes schreibt (= Spitzlicht). Jetzt wird ein Blatt abgerollt -- auf dem geht der Strich halbseitig bis zum Rand. Auf allen folgenden Blättern geht der Strich ein mal quer drüber. Genau den Effekt hat man bei einer kontinuierlichen Videoaufzeichnung ohne mechanischen Verschluss.

...und hier in etwa der gleiche Ansatz:

Nö, denn bei Videos kommt jedes Pixel der abgedunkelten Auslesezeile irgendwann einmal an dem gerade überlaufenden Sensorpixel vorbei.

Ich finde das kann nicht stimmmen. Denn dieser "Stift" bzw. die helle Stelle ist nichts, sage ich mal "übergeordnetes", sondern einfach ein Bereich des Bildes wie jeder andere, nur halt heller. Wenn also - dem Modell nach - der helle Punkt (also der Stift) einen Schleier bildete, so müssten es auch alle anderen Bildpixel tun, sprich die ganze Aufnahme verschwommen sein (aus horizontalen bzw. vertikalen Strichen bestehen). Denke ich da soweit richtig?

Ich meine... die Kamera liest die Ladungen nicht einfach drauf los aus, sondern nach einem bestimmten Takt - der Bildprozessor muss ja genau wissen, von welchem Bildpunkt auf dem Sensor die gerade einkommende Ladung stammt: wenn ein Bildpixel hinter (oder andersrum gesehen "vor") der hellen Bildstelle liegt und dessen Ladung geradewegs zum Ausleseregister "sausen" kann, so wird sie nie und nimmer an dieser besagten hellen Stelle vorbeikommen und sich zusätzlich belichten lassen, ganz gleich ob die Ladungen fortlaufend entstehen oder zwischen den Auslesevorgängen ein Reset durchgeführt wird.

Bin echt ratlos... Und dabei ist die Funktionsweise von Bildsensoren das Thema meiner Abipräsentation... Klar ist es nur eine fast unwichtige Kleinigkeit, aber da ich damit rechnen kann, dass eine solche Frage kommt "Nanu warum geht denn der helle Strich quer durchs ganze Bild??", will ich, dass sie Präsentation perfekt wird

 

[Mi67]

Da ich nach der Suche einer Erklärung für das vom Themenstarter angesprochene Phänomen bin, habe ich alles mit großem Interesse durchgelesen. Doch keine plausible Erklärung gefunden

Du hast sie zwar gefunden, aber offensichtlich nicht kapiert.

Ich finde das kann nicht stimmmen. Denn dieser "Stift" bzw. die helle Stelle ist nichts, sage ich mal "übergeordnetes", sondern einfach ein Bereich des Bildes wie jeder andere, nur halt heller. Wenn also - dem Modell nach - der helle Punkt (also der Stift) einen Schleier bildete, so müssten es auch alle anderen Bildpixel tun, sprich die ganze Aufnahme verschwommen sein (aus horizontalen bzw. vertikalen Strichen bestehen). Denke ich da soweit richtig?

Nope. Die Ladungen werden nicht zweidimensional zum Ausleseregister verschoben, sondern lediglich in einer Richtung vom Flächensensor in die Auslesezeile verschoben. Dabei kommt nun mal nur eine Linie an dem Spitzlicht vorbei und nicht der gesamte Sensorinhalt.

Ich meine... die Kamera liest die Ladungen nicht einfach drauf los aus, sondern nach einem bestimmten Takt - der Bildprozessor muss ja genau wissen, von welchem Bildpunkt auf dem Sensor die gerade einkommende Ladung stammt: wenn ein Bildpixel hinter (oder andersrum gesehen "vor") der hellen Bildstelle liegt und dessen Ladung geradewegs zum Ausleseregister "sausen" kann, so wird sie nie und nimmer an dieser besagten hellen Stelle vorbeikommen und sich zusätzlich belichten lassen, ganz gleich ob die Ladungen fortlaufend entstehen oder zwischen den Auslesevorgängen ein Reset durchgeführt wird.

Ja, der Takt heisst:
1. Gesamten Sensor um ein Pixel gen Ausleseregister (der Einfachheit halber sei dies die "X-Richtung") verschieben, so dass die Ladungen der Bildrand-Pixel nun im Ausleseregister liegen.
2. Ausleseregister in Y-Richtung auslesen
3. Gesamten Sensor wieder ein Pixel in X-Richtung weiterschieben
4. Ausleseregister in Y-Richtung auslesen
...

Auf dem Sensor selbst wird also nur in "X-Richtung" geschoben.

Bin echt ratlos... Und dabei ist die Funktionsweise von Bildsensoren das Thema meiner Abipräsentation... Klar ist es nur eine fast unwichtige Kleinigkeit, aber da ich damit rechnen kann, dass eine solche Frage kommt "Nanu warum geht denn der helle Strich quer durchs ganze Bild??", will ich, dass sie Präsentation perfekt wird

Diese Verständniskleinigkeit ist so unwesentlich nicht, zumal die "Eimerkettenschaltung" namensgebend für CCDs ist:
http://de.wikipedia.org/wiki/Charge-coupled_Device