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Auswirkung von Vibrationen auf den Bildsensor

In der Bildverarbeitung wird grundsätzlich zwischen zwei Arten von Lichtsensoren unterschieden. Es gibt CMOS-Sensoren (complementary metal-oxide-semiconductor) und CCD-Sensoren (charge-coupled device). Neben vielen technischen Unterschieden, Vor- und Nachteilen differenzieren sich beide Sensortypen insbesondere bei der Erzeugung der Abbildungsinformationen. Ein CCD-Sensor verfügt meist über einen „Global Shutter“, bei dem die gesamte Bildfläche zeitgleich über die Belichtungsdauer belichtet wird und die Informationen parallel zur Weiterverarbeitung übermittelt werden. Verwendet werden CCD-Sensoren heute meist nur in Spezialbereichen.

CMOS in aktueller Technik

Die in heutiger Zeit vermehrt verbreitete Bildsensortechnologie ist als CMOS-Sensor bekannt. Hier kommt ein „Rolling-Shutter“ zum Einsatz. Bei diesem Prinzip wird der Bildsensor zeilenweise ausgelesen. Dies ist vergleichbar mit der Verschlussmechanik einer Spiegelreflexkamera. In fast allen modernen Kameras, insbesondere in Spiegelreflex-, Smartphone- und Videokameras werden solche Sensoren verbaut. Die Bildinformationen werden dann seriell, also nacheinander, an die Elektronik übertragen und weiter verarbeitet.

Rolling-Shutter-Effekt

Hierbei stoßen wir auf eine Problematik, die sich wie folgt begründet. Wenn sich das abzubildende Objekt bewegt, verändert es über die Belichtungsdauer seine Position im Bildausschnitt und dadurch auch auf dem Bildsensor. Üblicherweise würde hier bei längeren Belichtungszeiten ein verwaschenes Abbild entstehen, welches mittels extrem kurzer Belichtungszeiten (1/1000s – 1/8000s) eingefroren werden kann. Da ein CMOS-Sensor teilweise kürzere Belichtungszeiten nutzen kann, als die Abfrage des gesamten Bildes über die einzelnen Zeilen andauert, ist es möglich, dass sich Objekte auf dem Bild verschieben können.

Während der Bildsensor die Informationen zeilenweise nacheinander aufzeichnet, befindet sich das Objekt, z. B. ein Fahrzeug welches von links nach rechts fährt, erst in der linken Hälfte des Ausschnittes. Über den Zeitraum des Auslesens hat das Fahrzeug aufgrund seiner hohen Geschwindigkeit seine Position verändert und ist nun in der rechten Hälfte des Bildes. Es wird immer die aktuell abgebildete Position des Objektes auf dem Bildsensor zum Zeitpunkt der Zeilenverarbeitung ausgelesen. Dementsprechend wird das Fahrzeug realitätsfremd abgebildet und wirkt verzerrt. Dieses Phänomen ist als „Rolling-Shutter“-Effekt bekannt.

Auswirkung von Vibrationen

Eine ähnliche Auswirkung haben Vibrationen auf die Kamera. Hierbei wird jedoch nicht das Objekt verändert, sondern die Ausrichtung und Position des Bildsensors selbst, z. B. ein auf einem Flugroboter montiertes Sensorsystem. Beispielsweise kann der Bildausschnitt durch hohe Vibrationsfrequenzen hoch und runter schwanken. Diese Vibrationen sind meist bedeutend höherfrequent als die Belichtungszeiten der Bildsensoren. Über den zeitlichen Verlauf der Aufnahme bewegt sich das Motiv auf bzw. ab und nimmt entsprechende Bereiche (horizontale Streifen) des Bildes öfter und weniger oft auf, als es tastsächlich der Fall sein sollte. Hierbei wirken Bereiche der Aufnahme gestaucht und andere gestreckt. In einem Foto ist dieses Phänomen selten zu erkennen, aber bei einer Videoaufnahme fällt es besonders stark auf, da sich die Einzelbilder einer Videoaufnahme voneinander stark unterscheiden.

Stehende Welle

Erläutern kann man die Auswirkungen an einer stehenden Welle. Hierbei ist die horizontale Achse der Zeichnung mit der Position auf dem Bild von oben nach unten vergleichbar. Der Ausschlag der Welle, die Amplitude, entspricht dem Verhältnis der Maßstabstreue zwischen Bild und Realität. Das jeweilige Maximum bzw. Minimum sind die Bereiche, in denen das Bild am stärksten gestaucht oder gestreckt ist. Die Schnittpunkte sind die horizontalen Streifensegmente auf dem Bild, bei denen die Abbildung maßstabsgetreu ist. Hier sind auch die Schärfe und das Detailreichtum gewährleistet. In einem statischen Einzelbild wirkt das Bild unförmig und in einer dynamischen Darstellung der Aufnahme als Video lassen sich die Schwingungsbereiche erkennen, da es zwischen einer Stauchung und einer Streckung der Abbildung schwankt. Vergleichbar ist das Ganze mit einem „Wackelpudding“ (engl. „jello“) und hat daher auch die Bezeichnung „Jello“-Effekt erhalten.

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