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Fahrerassistenz

Bildaufnehmer mit hohem Dynamikbereich für Nachtsichtsysteme

31. Januar 2011, 16:22 Uhr | Von Dr. Dirk Hertel

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Fortsetzung des Artikels von Teil 1

Großer Dynamikbereich nächtlicher Szenen

Welcher Dynamikbereich benötigt wird, wird mithilfe eines quantitativen Modells der Bilderfassungsumgebung ermittelt. Dabei wird die Helligkeit von verschiedenen Bildelementen wie etwa Lichtquellen (Scheinwerfer, Rückleuchten, Ampeln) und angestrahlten Objekten (Verkehrszeichen, Fahrbahnmarkierungen, Fußgänger, Fahrbahnoberfläche) photometrisch vermessen. Bild 1 (oben) zeigt, dass das Helligkeitsverhältnis zwischen Autoscheinwerfern und Fußgängern zwischen 100 und mehr als 500.000 liegen kann. Aus den Messungen werden Wahrscheinlichkeitsverteilungen für die Helligkeit verkehrsrelevanter Bildelemente erstellt. Es zeigt sich, dass das Helligkeitsverhältnis bei Dunkelheit mit 106 deutlich größer ist als bei Tageslicht (104 bis 105). Damit eine Kamera sowohl sehr helle Bilddetails als auch dunkle Objekte gleichzeitig zuverlässig erfassen kann, benötigt sie einen Dynamikbereich von 106:1 (120 dB).

Der Dynamikbereich eines Bildaufnehmers gibt an, über welchen Helligkeitsbereich hinweg Details sowohl in hellen als auch in dunklen Zonen des Bildfelds unterschieden werden können. Voraussetzung hierfür ist ein Schwellenwert des inkrementellen Signal-Rausch-Abstands (incremental Signal-to-Noise Ratio; iSNR), der vom eingangsseitigen Intensitätssignal (L), dem ausgangsseitigen Bildsignal D(L), der inkrementellen Verstärkung g(L) = dD(L)/dL sowie dem Bildrauschen σ_D(L) abhängt.

Mit Verringerung des Eingangssignals geht auch der iSNR immer mehr zurück, bis schließlich Details in dunklen Zonen wegen des Eigenrauschens des Bildsensors nicht mehr erkannt werden. Wird die Helligkeit umgekehrt immer weiter erhöht, verhindert irgendwann die Sättigung des Bildsensors eine weitere Zunahme des Ausgangssignals, sodass die inkrementelle Verstärkung Null wird.

Der Dynamikbereich lässt sich vergrößern, indem man sowohl das Eigenrauschen absenkt als auch dafür sorgt, dass die Sättigung erst bei höherer Signalstärke einsetzt. Erreichen lässt sich dies durch eine nichtlineare Kennlinie des Bildsensors. Ab einem bestimmten Punkt verläuft die Kennlinie flacher, sodass die Sättigung später einsetzt (Bild 1, unten). Man erkauft sich dies allerdings mit einem abrupten Rückgang des iSNR ab dem Knickpunkt. Da der Schwellenwert des iSNR für jede Intensität innerhalb des Dynamikbereichs einschließlich der Knickpunkte erreicht sein muss, ist für den mit nichtlinearen WDR-Bildsensoren erreichbaren Dynamikbereich eine Grenze gesetzt.