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Empfindlichkeit

Die Empfindlichkeit kann ein kritischer Faktor bei der Auswahl der geeigneten Kamera sein, insbesondere wenn die Umgebung schlecht ausgeleuchtet ist.

Typische Beispiele hierfür sind Anwendungen, die mit Raumlicht arbeiten oder kurze Belichtungszeiten benötigen. Dabei beeinflussen hauptsächlich zwei Parameter die maximale Empfindlichkeit eines Sensors. Zum einen die Quanteneffizienz (Quantum Efficiency) bzw. der Wirkungsgrad eines Sensors, die den Prozentsatz angibt, mit dem Photonen einer bestimmten Wellenlänge in Elek tronen umgewandelt werden. Moderne Sensoren erreichen für bestimmte Wellenlängen Wirkungsgrade von über 60 %. Der zweite wichtige Parameter ist das Grundrauschen des Sensors (vgl. Dark Current - Dunkelstrom), das gemessen werden kann, ohne dass Licht auf dem Sensor auftrifft. Daraus folgt: Ein Sensor ist umso empfindlicher, je höher seine Quanteneffizienz und je niedriger sein Grundrauschen ist.

Die Empfindlichkeit wird fälschlicherweise oft mit der erreichten Helligkeit eines Bildes bei einer bestimmten Beleuchtung gleichgesetzt. Diese kann aber auch einfach durch eine Grauwertmanipulation, das sogenannte Gain (Verstärkung), erreicht werden. Der Nachteil ist, dass auch das Rauschen verstärkt wird und man tatsächlich nicht mehr »Nutzsignal« gewinnt. Da die Empfindlichkeit einer Kamera in der Regel von verschiedenen Kameraherstellern unterschiedlich definiert und angegeben wird, ist es oft schwierig, die Empfindlichkeit zu vergleichen.

Typische Angaben zur Empfindlichkeit von verschiedenen Kameraherstellern

Responsivity = 18.4 DN/(nJ/cm2)

Responsivity = 120x103 DN/(J/m2) @ 610nm / 8 Bit / gain = 1

Peak response = 400 LSB/nJ/cm2

Sensitivity on sensor = 0.3 Lux, Max gain, 50 % video

Sensitivity = F5.6 (400 lx with FIX Gain)

Sensitivity = 200 lx, F5.6, 3000 K

Dynamik

Die Dynamik bzw. der Dynamikumfang charakterisiert den Abstand zwischen der minimalen und der maximalen Amplitude eines Signals. Im Kontext der Bildverarbeitung bzw. als Eigenschaft einer Kamera ist Dynamik die theoretisch erreichbare maximale Abweichung des Signals. Zu beachten ist dabei, dass dies kein Maß für die tatsächliche Dynamik ist, da immer ein gewisser Rauschanteil zu berücksichtigen ist.

Signal to Noise Ratio (SNR)

Das Signal to Noise Ratio hingegen berücksichtigt den Rauschanteil. Das heißt, die SNR beschreibt den Abstand zwischen dem Nutzsignal und dem Rauschanteil. Der Rauschanteil ist eine Kombination aus Dunkelrauschen, Quantifizierungsrauschen und Photonenrauschen. Dieser Wert wird in dB ange geben. Der maximale Wert wird durch das Photonenrauschen limitiert und lässt sich näherungsweise gemäß der Definition aus dem EMVA 1288-Standard berechnen:

SNRmax= √(maximale Aufnahmekapazität von Elektronen pro Pixel)

Zum Beispiel: Die maximale Sättigungskapazität eines Pixels beträgt 20.000 Elektronen. √(20.000) = 141. Dieser Wert lässt sich in dB, gemäß Formel: 20*log(141) = 43 dB, umrechnen.

Im Gegensatz zum Dynamikbereich, dessen Angabe mehr oder weniger theoretischer Natur ist, beschreibt die SNR die Dynamik des tatsächlichen Signals nach A/D-Wandlung, das für die Auswerte algorithmik zur Verfügung steht. Zur präzisen Digitalisierung verfügen die Kameras zumeist über einen 14-Bit A/D-Wandler.

Hinweis: Für das menschliche Auge sind Unterscheidungen von Graustufen nur bis ca. 60 Grauwertstufen möglich, was ungefähr 6 Bit an Daten entspricht. Allerdings ist das menschliche Auge nicht linear empfindlich, so können dunkle Bereiche wesentlich feiner unterschieden werden als helle, wodurch selbst 8 Bit mit linearer Helligkeitsverteilung immer noch nicht dem menschlichen Auge entsprechen. Viele Kamerahersteller verwenden A/D-Konverter mit einer signifikant höheren Dynamik als die SNR des Sensors, in diesen Fällen sind die unteren Bits von Informationen jedoch nur Rauschen.

Verschiedene Graustufen