Verschlusszeit: HDR und schlechte Lichtverhältnisse
Die Verschlusszeit (oder die Pixelintegrationsdauer) ist ein entscheidender Faktor bei der Festlegung der erforderlichen Low-Light-Fähigkeiten einer Sensor-Objektiv-Kombination für eine neue Robotik-Kamera. Die wichtigsten Kompromisse, die bei der Betrachtung der Verschlusszeit zu berücksichtigen sind, sind Bewegungsunschärfe und zeitliches Rauschen im Bild:
- Bewegungsunschärfe führt zu einer Verringerung des Kontrasts (Raumfrequenz) im gesamten Objektraum. Leider lässt sich Bewegungsunschärfe mit herkömmlichen Bildgebungsverfahren nicht korrigieren, außer durch die Anpassung der Verschlusszeit. Für menschliche Betrachter führt Bewegungsunschärfe zu verringerten JND-Werten bei sich bewegenden Objekten; sie kann jedoch auch für künstlerische „Langzeitbelichtungs“-Fotografie mit Stativen und Neutraldichtefiltern genutzt werden. Bei Robotersystemen können neuere, hochmoderne CNN-Ansätze verwendet werden, um das ursprüngliche, von Bewegungsunschärfe befreite Objekt zu rekonstruieren; diese Netzwerke erfordern jedoch immense Mengen an stationären Ground-Truth-Daten, die mit genau derselben Kamera- und ISP-Konfiguration erfasst wurden.
- Zeitliches Rauschen ist eine numerische Abweichung im Ausgabewert eines einzelnen Pixels, die sich als weiße „Fleckchen“ oder als mäßige Verschiebung in Richtung Weiß, Grau oder Schwarz äußern kann. Zeitliches Rauschen ist das Ergebnis zahlreicher Komponenten innerhalb des Bildgebungssystems, wie beispielsweise Halbleitermaterialien, die Pixelarchitektur, Analog-Digital-Wandler und Lithografietechnologien. Viele Sensorhersteller versuchen, ihre Ergebnisse in einem einzigen Dynamikbereichswert zusammenzufassen, der auf Raumtemperatur basiert. Zum Vergleich: Das menschliche Sehvermögen weist aufgrund der räumlichen Dichte der Stäbchen und Zapfen im Auge sowie der komplexen Verarbeitung im Gehirn scheinbar kein Rauschen auf (bei keiner Temperatur!). Falls Sie Literaturhinweise zu diesem Thema haben, wäre ich Ihnen sehr dankbar!
Im Bereich der Robotik verdeutlicht die Verschlusszeit eine der größten Diskrepanzen in der Branche, da Hardware- und Software-Ingenieure ihre Entscheidungen auf der Grundlage subjektiver Schätzungen treffen. Durch die digitale Verstärkung verursachte Bildrauschen können katastrophale Auswirkungen auf die Genauigkeit von Algorithmen zur Einzelbilderkennung haben; im schlimmsten Fall ist dies vergleichbar mit einem „Single-Pixel-Angriff“, und im besten Fall führt die Rauschunterdrückung zu einer geringeren Genauigkeit.
Für Verbraucher hat die Verschlusszeit (1/30 s – 1/1000 s) einen wesentlich größeren praktischen Einfluss, da sie in der Regel deutlich kürzer ist als der taktile Reflex des Menschen (1/4 s), sodass es naturgemäß zu einer zeitlichen Verschiebung zwischen der Aufnahme und der Wahrnehmung durch den Menschen kommt. Wer sich im Alltag besonders dafür interessiert, kann die direkte Auswirkung der Verschlusszeit auf seinem Smartphone beobachten, wenn er zwischen HDR- und Normalmodus wechselt. Bei jedem Smartphone ist die Benutzerinteraktion ein wenig anders konfiguriert; bei einigen wird der tatsächliche Zeitabschnitt bei der Pixelintegration der HDR-Mehrfachbelichtung besser wiedergegeben. Achten Sie im HDR-Modus darauf, dass das „Klicken“ im Vergleich zum Nicht-HDR-Modus leicht verzögert ist – die Hersteller von Consumer-Smartphones müssen dies während der Produktion mühsam einstellen; eine interessante Erkenntnis dazu finden Sie weiter unten!
„Digitalkameras bieten ihren Nutzern im Allgemeinen ein besseres Feedback als Filmkameras. Nach jeder Aufnahme kann der Fotograf eine (kleine) Version des gerade aufgenommenen Bildes sehen. Dadurch werden alle Arten von Fehlern vermieden, die in der Ära der Filmkameras häufig auftraten – angefangen beim nicht ordnungsgemäßen (oder gar fehlenden) Einlegen des Films über das Vergessen, den Objektivdeckel abzunehmen, bis hin zum Abschneiden des Kopfes der Hauptperson auf dem Bild. Allerdings versagten frühe Digitalkameras in einem entscheidenden Punkt der Rückmeldung. Wenn ein Bild aufgenommen wurde, gab es kein akustisches Signal, das anzeigte, dass die Aufnahme erfolgt war. Moderne Modelle verfügen nun über ein sehr befriedigendes, aber völlig künstliches „Auslösegeräusch“, wenn ein Bild aufgenommen wurde. (Einige Mobiltelefone, die sich an ältere Menschen richten, verfügen aus ähnlichen Gründen über ein künstliches Wählton.)“
Aus: Richard Thaler und Cass Sunstein, „Nudge“, Seite 92.