Smear-Effekt

[e-Pawel]

(...) Dabei kommt nun mal nur eine Linie an dem Spitzlicht vorbei und nicht der gesamte Sensorinhalt.

(...)

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

Ja klar. Doch dürften nur diejenigen Pixel davon "aufgehellt" sein (also diesen hellen Streif bilden), deren Ladungen während des Auslesevorganges das Spitzlicht passieren.

Ich verstehe auch wie ein CCD funktioniert, was "smear" und was "blooming" ist etc. Die von mir genannte "Verständniskleinigkeit" bezieht sich nur darauf, dass ich nicht verstehe, warum der Streifen quer durch die ganze Bildbreite geht

Ich habe eine Illustration angefertigt (wobei die 4 roten Bildpunkte das Spitzlicht sein soll):

Wie soll die Ladung des graumarkierten Pixels jemals an dem hellen Fleck vorbeikommen? Egal ob mit oder ohne Reset - die Ladung des grauen Pixels (und natürlich auch aller anderen, die in der Illustration rechts des hellen Fleckes liegen) kann das Spitzlicht gar nicht passieren...

Es dürften lediglich die rosanen Pixel den hellen Streif bilden. Du meintest jedoch:

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

Wie soll die Ladung des grauen Pixels jemals am Spitzlicht vorbeikommen? Und auch betrifft es nicht nur Videos (was aber ohnehin nicht so wesentlich sein dürfte, da ein Videoframe und ein Standbild von Prinzip her genauso entstehen, sprich genauso ausgelesen werden).

 

[Mi67]

Wie soll die Ladung des grauen Pixels jemals am Spitzlicht vorbeikommen? Und auch betrifft es nicht nur Videos (was aber ohnehin nicht so wesentlich sein dürfte, da ein Videoframe und ein Standbild von Prinzip her genauso entstehen, sprich genauso ausgelesen werden).

Beim Standbild wird der Sensor kurz vor Beginn der Belichtung per Reset komplett entladen. Bei Video wird hingegen in der nicht abgedunkelten Sensorzeile fortwährend belichtet, so dass der Sensor auch als Ganzes zwischen den Einzelbildern keinen Reset durchlaufen kann. Die Auslesezeile wird in diesem Fall nur dann komplett schwarz, wenn von hinten keine Ladungstrennungen nachgeschoben werden. Dies klappt auch so lange wunderbar, wie die Barriere zwischen hellen und abgedunkelten Pixeln dicht hält. Ist dem aber nicht so, dann werden die Pixel der Auslesezeile aus dem Auslesevorgang des vorherigen Bildes bereits Ladungen tragen, da sie im Rahmen der Ladungsverschiebungen bei Auslesen des vorherigen Bildes am Spitzlicht vorbeimarschierten.

Zur Gedanklichen Hilfe mal eine Grafik des Belichtungs- und Auslesevorganges von zwei aufeinanderfolgenden Bildern in einzelsegmente zerlegt, ohne dass ich diese jetzt erneut auserklären wollte.

Ergebnis: auch wenn nur die "jenseits des Ladungsüberlaufs" liegende Pixel physikalisch am Ladungsüberlauf vorbeimarschieren, so

 

[e-Pawel]

Danke schön

Jetzt glaube ich es doch zu verstehen. Habe mir erstmal die Illustration gut 5 Minuten lang angeschaut um zu begreifen, was was ist

So habe ich es aufgefasst:

Während des Auslesen (Schritte 1-4) aus den abgedunkelten Zwischenspeicherzellen, werden hintendran - so nenne ich es jetzt mal - "Leerpixel" (bzw. "Leerladungen") nachgeschoben, die jedoch durch das vorbeisausen am Spitzlicht (wahrscheinlich durch Beugung oder unzureichende "Abdunkelung" der Zwischenspeicherzellen (?) ) mitbelichtet werden. Nachdem alle Ladungen ausgelesen worden sind (Schritt 5) und eine "frischaufgenommene" Bildzeile in die Zwischenspeicherzellen verschoben wird, addieren sich die eigentlichen Ladungen zur "Leepixelzeile" (die bereits zur Hälfte aufhellt ist) - Schritt 6. Wenn jetzt anschließend diese Pixelzeile ausgelesen wird, wird auch noch der Rest der Ladungen "aufgehellt" (Schritt 7).

Richtig?

"Beidseitiger" Smear ist also nur bei Interlinetransfer- bzw. Frame-Interlinetransfer-CCDs möglich, bei Frametransfer- und Fullframe-CCDs nur der einseitige, oder?

 

[Mi67]

Richtig?

Ab-so-lut rischtisch!

"Beidseitiger" Smear ist also nur bei Interlinetransfer- bzw. Frame-Interlinetransfer-CCDs möglich, bei Frametransfer- und Fullframe-CCDs nur der einseitige, oder?

Jein, denn bei jeglicher Sensorarchitektur müssen "Leerladungen" an der Rückseite nachgeschoben werden. Verzichtet man also auf einen mechanischen Shutter, so kommt es bei Frame-transfer- und Full-frame-Sensoren noch viel mehr und bei deutlich weniger kritischen Bedingungen (einfache Lichter) zu einem Smearing, als bei den Interline-transfer-Sensoren, die ja nur bei Extremkonditionen (Barrieredurchbruch bei extremer Pixel-Überladung) mit Smearing beginnen. Dies ist ja auch der Grund, warum Frame-transfer- und Full-frame-Sensoren quasi stets mit mechanischem Verschluss arbeiten müssen, wobei der Auslesevorgang mit geschlossenem Verschluss läuft, gerade um die Leerladungen auch wirklich als leere Ladungstöpfe an ihre Position bringen zu können.

BTW: Frame-transfer wird m.W. bei Fotoapparaten ohnehin nicht eingesetzt

 

[Mi67]

Habe mir erstmal die Illustration gut 5 Minuten lang angeschaut ...

Tröste Dich, denn ich habe etwas länger als 5 min gebraucht, um sie zu erstellen.

 

[e-Pawel]

Danke

Tröste Dich, denn ich habe etwas länger als 5 min gebraucht, um sie zu erstellen.

Ist auch sehr gut geworden, nochmal danke

 

[gemuetlich]

Ab-so-lut rischtisch!
Jein, denn bei jeglicher Sensorarchitektur müssen "Leerladungen" an der Rückseite nachgeschoben werden.

Vielen Dank für die Erklärungen und die Zeichnung! Es scheint verständlich und logisch zu sein. Um das zu überprüfen habe ich ein Experiment gemacht mit sich bewegenden Objekten und muss sagen dass ich glaube, es doch nicht verstanden zu haben.

Folgendes habe ich gemacht: Ich habe eine Kamera aus meinem Bürofenster auf den Parkplatz gerichtet. Wir haben da ein Fenster, wo die Autos direkt unten drunter herfahren. Gerade die Firmenfahrer haben da oft ziemliche Geschwindigkeiten drauf. Anbei ist ein Bild, das ich auf diese Weise geschossen habe. Um das Smearing deutlicher hervorzuheben habe ich die Belichtungszeit auf 100 Mikrosekunden herunter gesetzt. Die Auslesezeit bei diesem Sensor beträgt mindestens 200ms, also einen Faktor 2000 länger.

Man sieht zweierlei:
1. Das Smearing ist sehr deutlich, auch an Stellen, die nicht sonderlich hell sind. Das Fahrzeug hat auf dem weißen Dach einen schwarzen Gepäckträger, der sich deutlich im Smearing zeigt. Auch die Motorhaube ist gut zu sehen.
2. Da sich das Fahrzeug bewegt, ist das Smearing nicht vertikal sondern diagonal.

Es handelt sich hier um eine Einzelbelichtung, die ich manuell ausgelöst habe.

Wie kann in diesem Fall das Smearing sowohl nach unten als auch nach oben gehen? Im vorherigen Bild war das Fahrzeug ja nicht zu sehen. Wenn das Fahrzeug nach links fährt, sollte das Smearing sich dann nicht nach oben links statt nach oben rechts erstrecken?

Vielen Dank für Eure Hife!
Marcus

 

[Mi67]

... habe ich die Belichtungszeit auf 100 Mikrosekunden herunter gesetzt. Die Auslesezeit bei diesem Sensor beträgt mindestens 200ms, also einen Faktor 2000 länger.

Man sieht zweierlei:
1. Das Smearing ist sehr deutlich, auch an Stellen, die nicht sonderlich hell sind. Das Fahrzeug hat auf dem weißen Dach einen schwarzen Gepäckträger, der sich deutlich im Smearing zeigt. Auch die Motorhaube ist gut zu sehen.
2. Da sich das Fahrzeug bewegt, ist das Smearing nicht vertikal sondern diagonal.

Es handelt sich hier um eine Einzelbelichtung, die ich manuell ausgelöst habe.

Wie kann in diesem Fall das Smearing sowohl nach unten als auch nach oben gehen? Im vorherigen Bild war das Fahrzeug ja nicht zu sehen. Wenn das Fahrzeug nach links fährt, sollte das Smearing sich dann nicht nach oben links statt nach oben rechts erstrecken?

Belichtungszeit von 100 µs? Was für eine Kamera ist es denn? Ich schätze fast, dass es sich hier um gar keine DSLR handelt!?

Falls es eine Kamera aus dem Bereich wiss. CCD, Überwachungskamera, Machine Vision sein sollte, handelt es sich um eine progressive scan-Kamera? Könnte es sein, dass die Kamera bei Abrufen eines Einzelbildes dennoch Kamera/Framegrabber einfach ein Bild aus einem kontinuierlichen Videosignal abgreifen?

 

[Frank Klemm]

Man sieht zweierlei:
1. Das Smearing ist sehr deutlich ...

Ich sehe nur eine versiffte Frontlinse. Sobald man es mit höheren Kontrasten zu tun hat, ist eine penibel saubere Optik das A und O.

Ich kenne selbst das Problem, bei Nachtaufnahmen reichen schon kleinste Fettreste auf der Frontlinse aus, um in beliebige Richtungen gehende Flares zu bekommen.

 

[Gast_142630]

Wenn das Fahrzeug nach links fährt, sollte das Smearing sich dann nicht nach oben links statt nach oben rechts erstrecken?

Das Bild wird durch die Linsen 'auf den Kopf' gestellt.

 

[violaceus]

OK, also, wenn mich nicht alles täuscht, dürfte das Smearing dadurch eintstehen, dass der elektronische Verschluss nicht 100%ig lichtdicht ist (ähnlich gekreuzte Polfilter). Man kann das sogar noch weiter treiben, indem man eine mit PWM angesteuerte LED fotografiert oder als Video aufnimmt. Dann sind die Streifen unterbrochen.

Ergänzung: http://www.youtube.com/watch?v=lC8wYtw5KJw - da ists recht gut drauf zu sehen.

 

[e-Pawel]

Könnte es sein, dass die Kamera bei Abrufen eines Einzelbildes dennoch Kamera/Framegrabber einfach ein Bild aus einem kontinuierlichen Videosignal abgreifen?

Meines (auch dank dir ) erlangten Wissens nach dürfte dies die einzige Erklärung sein. Es kann kein beidseitiger Smear entstehen, wenn die CCD resetet wurde.

Allerdings wundert mich warum die Streifen diagonal über das Bild laufen - da würde die Erklärung von Frank Klemm passen. Es sei denn das Bild wurde gedreht.

 

[violaceus]

Na ja, wenn das Auto während der Aufnahme "über den Sensor" fährt - das würde auch zu meiner Erklärung mit dem nicht ganz lichtdichten Verschluss passen.

 

[gemuetlich]

Belichtungszeit von 100 µs? Was für eine Kamera ist es denn? Ich schätze fast, dass es sich hier um gar keine DSLR handelt!?

Ich habe zuhause eine DSLR, aber du hast recht, für diesen Versuch habe ich eine Machine Vision Kamera verwendet, bei der ich so ziemlich alle Parameter einstellen kann.

Falls es eine Kamera aus dem Bereich wiss. CCD, Überwachungskamera, Machine Vision sein sollte, handelt es sich um eine progressive scan-Kamera? Könnte es sein, dass die Kamera bei Abrufen eines Einzelbildes dennoch Kamera/Framegrabber einfach ein Bild aus einem kontinuierlichen Videosignal abgreifen?

Es gibt keinen Framegrabber. Es handelt sich um eine Gigabit Ethernet Kamera. Die Belichtung wird über die Ethernet Schnittstelle ausgelöst und die Bilder werden dann über die gleiche Schnittstelle abgeholt.

Der Sensor ist ein Progressive Scan Interline Transfer CCD Array von Kodak.

Schöne Grüße,
Marcus

 

[gemuetlich]

Ich sehe nur eine versiffte Frontlinse. Sobald man es mit höheren Kontrasten zu tun hat, ist eine penibel saubere Optik das A und O.

Ich kenne selbst das Problem, bei Nachtaufnahmen reichen schon kleinste Fettreste auf der Frontlinse aus, um in beliebige Richtungen gehende Flares zu bekommen.

Allerdings hängt die Neigung der Flares von der Geschwindigkeit der Fahrzeuge ab. Bei stehendem Fahrzeug sind sie senkrecht und werden bei zunehmender Geschwindigkeit immer stärker geneigt.

Schöne Grüße,
Marcus

 

[gemuetlich]

Das Bild wird durch die Linsen 'auf den Kopf' gestellt.

Du hast völlig recht, das erklärt, warum das Smearing nach rechts oben und nicht nach links oben geht. Das Auslesen erfolgt hier somit eigentlich nach oben anstatt nach unten.

Schöne Grüße,
Marcus

 

[gemuetlich]

Man kann das sogar noch weiter treiben, indem man eine mit PWM angesteuerte LED fotografiert oder als Video aufnimmt. Dann sind die Streifen unterbrochen.

Ich habe mal die Kamera gegen eine Leuchtstoffröhre gehalten. Da sieht man das gepulste Licht tatsächlich sehr schön: Das Smearing ist gestreift.

Die Frage ist aber trotzdem, warum das Smearing sich in beide Richtungen erstreckt.

Schöne Grüße,
Marcus

 

[gemuetlich]

Allerdings wundert mich warum die Streifen diagonal über das Bild laufen - da würde die Erklärung von Frank Klemm passen. Es sei denn das Bild wurde gedreht.

Nein, das passt schon. Wenn sich das Objekt während der Auslesezeit bewegt, wird das Smearing aus der Senkrechten geneigt. Insofern passt die Erklärung von Frank Klemm gerade nicht: Die Neigung des Smearing hängt von der Geschwindigkeit des Fahrzeugs ab.

Schöne Grüße,
Marcus

 

[gemuetlich]

Die Frage ist aber trotzdem, warum das Smearing sich in beide Richtungen erstreckt.

So, ich habe jetzt beim Hersteller der Kamera jemanden mit genügend technischem Verständnis an die Strippe bekommen, der mir den Sachverhalt erklären konnte.

Im Grunde ist es so: Das Reset Signal, welches die Belichtung einleitet, ist nur mit den Photodioden verbunden. Das vertikale Ausleseregister wird dadurch nicht zurückgesetzt. Statt dessen wird das vertikale Ausleseregister quasi in einem Dauerbetrieb gehalten. Die Ladungen werden ständig nach unten geschoben.

Es passiert also folgendes: Wie in einem Paternoster fahren in dem vertikalen Ausleseregister ständig Ladungen nach unten. Die Photodioden stellen quasi die Stockwerke dar. Solange keine Ladungen aus den Photodioden in das Ausleseregister verschoben werden (also keiner einsteigt), sollte der Paternoster normalerweise immer leer bleiben. Allerdings, da eben doch etwas Licht hineinstreut, kommen eben doch ab und zu Ladungen in den Paternoster hinein. Dadurch entsteht das Smearing nach unten.

Wird nun ein Bild aufgenommen, werden zunächst die Photodioden zurückgesetzt. Während der Belichtungszeit sammeln die Photodioden Ladungen auf. Gleichzeitig fährt der Paternoster munter weiter. Wenn die Belichtung zu Ende ist, steigen die Ladungen aus den Stockwerken (Photodioden) in den Paternoster (Ausleseregister) ein und fahren nach unten in das horizontale Ausleseregister. Dabei können allerdings noch immer ab und zu weitere Ladungen mit einsteigen. Das ist dann das Smearing nach oben.

Warum der Sensor das vertikale Ausleseregister nicht mit den Photodioden zurücksetzt weiß ich nicht, das konnte mir auch der gute Herr am Telefon nicht beantworten.

Schöne Grüße,
Marcus