Charakterisierung von Bildsensoren und Kameras

Der Standard EMVA 1288

Bei der Vielfalt an unterschiedlichen Bildsensortypen und Kameras ist es schwierig, den Überblick zu behalten und die richtige Auswahl zu treffen. Deshalb hat sich die European Machine Vision Association zusammen-gefunden und einen Standard entwickelt, der einen objektiven Vergleich ermöglicht - den Standard EMVA 1288.

Über zwei Jahrzehnte haben CCD-Bildsensoren den Markt dominiert und es gab eine überschaubare Anzahl von Bildsensortypen von wenigen Herstellern. Mit den Fortschritten der CMOS-Bildsensorik hat sich dies grundlegend geändert. Eine Fülle an Bildsensoren mit den unterschiedlichsten Eigenschaften sind inzwischen verfügbar. Erschwerend für eine Auswahl kommt hinzu, dass die Datenblätter der verschiedenen Hersteller kaum vergleichbar sind und wichtige Parameter oft nicht angegeben werden.

Über zwei Jahrzehnte haben CCD-Bildsensoren den Markt dominiert und es gab eine überschaubare Anzahl von Bildsensortypen von wenigen Herstellern. Mit den Fortschritten der CMOS-Bildsensorik hat sich dies grundlegend geändert. Eine Fülle an Bildsensoren mit den unterschiedlichsten Eigenschaften sind inzwischen verfügbar. Erschwerend für eine Auswahl kommt hinzu, dass die Datenblätter der verschiedenen Hersteller kaum vergleichbar sind und wichtige Parameter oft nicht angegeben werden.

Daher ist es eine wesentliche Aufgabe, Bildsensoren bzw. digitale Kameras mit einer möglichst kleinen Zahl an Parametern zu beschreiben, die alle wesentlichen Eigenschaften umfassen. Auf dieser Grundlage ist dann eine objektive Auswahl der für eine vorgegebene Anwendung am besten geeigneten Kamera möglich. Genau dies ist die Zielsetzung des 1288-Standards. Namhafte Hersteller, Distributoren und Forschungsinstitute haben sich unter dem Dach der European Machine Vision Association (EMVA) dazu zusammengefunden. Seit Ende 2010 ist der Standard 1288 in einer sorgfältig dokumentierten und ausgereiften Release 3.0 verfügbar. Er ist inzwischen global durch einen Vertrag zwischen der EMVA, der amerikanischen Imaging Association (AIA) und der japanischen Industrial Imaging Assocation (JIIA) anerkannt.

Grundprinzipien des 1288-Standards

Der Standard 1288 beruht auf einer Reihe einfacher Prinzipien:

Die Testgeräte sind nicht spezifiziert, nur die Messprinzipien sind festgelegt. Damit ist der Standard jederzeit offen für Fortschritte in der Messtechnik.

Der Standard 1288 sieht die Kamera als eine Komponente ohne Optik. Beschrieben wird daher der Zusammenhang zwischen dem Lichteinfall auf der Sensorebene und dem resultierenden Bildsignal. Damit wird den Bedürfnissen der Machine-Vision-Industrie Rechnung getragen, die sich aus Kameras, Optiken und Beleuchtung Systeme zusammenstellt und daher die Eigenschaften der einzelnen Komponenten kennen muss. Daher sind Standards, die das Gesamtsystem beschreiben, weniger geeignet. Solche Standards wurden zur Beschreibung digitaler Kamerasysteme mit Optik im Verbraucherbereich von der ISO entwickelt, z.B. ISO 14524 (Optoelectronic conversion function) und ISO 15739 (Noise and Signal to Noise Ratio, Dynamic Range).

Der Standard basiert auf einem universellen linearen Kameramodell. Damit ist gewährleistet, dass die wesentlichen Kameraparameter auf streng definierten, physikalischen Prinzipien basieren. Weiterhin ergeben sich daraus in logischer Weise die wesentlichen Parameter einer digitalen Kamera. Ein Satz von Parametern resultiert unmittelbar aus den Parametern des linearen Kameramodells (spektrale Empfindlichkeit, Rauschen, Dunkelstrom), die übrigen beschreiben die Abweichungen von diesem (Nichtlinearität und Inhomogenitäten inklusive der Charakterisierung defekter Pixel). Das lineare Kameramodell führt auch dazu, dass alle unbekannten Parameter des Modells durch eine einfache Input/Output-Relation nach der linearen Systemtheorie bestimmt werden kann. Die Kamera kann als „schwarzer Kasten“ (black box) betrachtet werden, von der nur die Belichtungszeit und die Pixelgröße bekannt sein müssen. Das Eingangssignal ist der Mittelwert und die Varianz der über die Belichtungszeit integrierten Photonenzahl, das Ausgangssignal Mittelwert und Varianz des digitalen Bildsignals. Dass keinerlei Interna über die Kameraelektronik bekannt sein müssen, ist ein essentieller

Vorteil des modellbasierten Standards: Nicht nur Kamerahersteller, sondern auch Testlabore, OEM-Integratoren, Distributoren und Endanwender können die Messungen durchführen.

Im folgenden werden einige Elemente des Standards beschrieben. Für eine umfassende Darstellung sei auf das Standarddokumet [1] nund weitere Dokumente auf der EMVA-Webseite verwiesen.

1. Teil: Der Standard EMVA 1288
2. Teil: Lineares Kameramodell
3. Teil: SNR und abgeleitete Parameter
4. Teil: Dunkelstrom