Plenoptische Kamera

Plenoptische Funktion

Eine plenoptische Kamera, auch Lichtfeldkamera genannt, erfasst das 4-D-Lichtfeld einer Szene. Im Gegensatz dazu erfasst eine konventionelle Kamera nur ein 2-D-Bild. Bei einem 4-D-Lichtfeld ist nicht nur die Position und Intensität eines Lichtstrahls auf dem Bildsensor bekannt, sondern auch die Richtung, aus der dieser Lichtstrahl eingefallen ist. Möglich wird die Lichtfeldmessung durch ein Gitter aus mehreren Mikrolinsen vor dem Bildsensor.

Die besonderen Fähigkeiten einer plenoptischen Kamera liegen darin, dass die maximale Schärfentiefe sehr hoch ist, kein Fokussiervorgang abgewartet werden muss und die Fokusebene eines aufgenommenen Bildes nachträglich angepasst werden kann. Aus den Bilddaten lassen sich auch Tiefeninformationen ermitteln, so dass eine plenoptische Kamera auch als 3D-Kamera geeignet ist.

Plenoptische Funktion

Die Verteilung der Strahldichte entlang von Lichtstrahlen in einem Bereich des dreidimensionalen Raums, die durch statische, zeitlich nicht veränderbare Lichtquellen hervorgerufen wird, bezeichnet man als Plenoptische Funktion.^[1] Die Plenoptische Funktion ist eine idealisierte Funktion, die in der Bildverarbeitung und der Computergrafik genutzt wird, um ein Bild aus jeder beliebigen Position aus jedem Blickwinkel zu jedem Zeitpunkt zu beschreiben. Praktisch wird die Plenoptische Funktion nicht genutzt, jedoch ist sie sinnvoll, um verschiedene andere Konzepte der Bildverarbeitung und der Computergrafik zu verstehen. Da Geraden (Strahlen) im dreidimensionalen Raum durch vier Parameter beschrieben werden können, ist diese Funktion vierdimensional. Wellenlänge, Polarisationswinkel und die Zeit können gegebenenfalls als weitere Variablen betrachtet werden, wodurch weitere Dimensionen hinzukommen.

Plenoptische Kamera

Durch das Linsengitter wird jeder Bildpunkt nochmals gebrochen und zu einem Kegel erweitert, der kreisförmig auf die Sensorfläche trifft. Dies verrät, aus welcher Richtung der Lichtstrahl ursprünglich kam: ein senkrecht auftreffender Lichtstrahl landet im Mittelpunkt des Kreises, ein schräg eintreffender weiter am Rand. So kann mit einer Software die Schärfe nachträglich neu berechnet und wie bei einem richtigen Objektiv der Fokus geändert werden. Die Informationen aus einer Szene müssen auf mehreren Bildpunkten des Kamerachips abgebildet werden, damit die Informationen über die Richtung des einfallenden Lichtstrahls genutzt werden kann. Daher geht mit dieser Methode eine Verringerung der effektiven Auflösung des Kamerasensors einher.

Umsetzungen

• Ein Team an der Stanford University verwendet eine 16-Megapixel-Kamera mit einem 90.000-Mikrolinsen-Array, das heißt jede Mikrolinse belichtet etwa 175 Pixel.^[2][3]

• Ein Entwurf von Adobe verwendet 19 Linsen in Kreisanordnung, und belichtet damit einen 100-Megapixel-Sensor, so dass jedes Bild etwa 5 Megapixel Auflösung erreicht.^[4]

• Eine plenoptische Kamera für den Einsatz in Industrie und Forschung, die von einer deutschen Firma seit 2010 kommerziell vertrieben wird, verwendet ein Linsenraster aus drei unterschiedlichen Linsen, die sich in ihrer Brennweite unterscheiden. Jede Mikrolinse deckt dabei drei bis sechs Bildpunkte auf dem Kamerasensor ab. Dadurch ist die effektive Auflösung der Kamera nur um den Faktor drei bis sechs geringer als die Auflösung des Sensorchips.^[5]

• Von dem amerikanischen Start-up-Unternehmen Lytro wird seit Mitte 2011 eine Lichtfeldkamera für den Konsumerbereich in den USA angeboten, sie soll jedoch erst ab Anfang 2012 ausgeliefert werden.^[6]

Quellen

1. ↑ Edward H. Adelson, James R. Bergen: The plenoptic function and the elements of early vision. In: M. Landy, J. A. Movshon (Hrsg.): Computation Models of Visual Processing. MIT Press, Cambridge 1991, ISBN 0-262-12155-7, S. 3–20 (PDF, abgerufen am 23. Oktober 2011).
2. ↑ Ren Ng, Marc Levoy, Mathieu Brédif, Gene Duval, Mark Horowitz, Pat Hanrahan: Light Field Photography with a Hand-held Plenoptic Camera. In: Stanford Tech Report CTSR 2005-02. 2005 (Bericht über die Erstellung und nachträgliche Verarbeitung plenoptischer Kamerabilder, PDF, abgerufen am 23. Oktober 2011).
3. ↑ Video: Light Field Photography with a Hand-held Plenoptic Camera.
4. ↑ Jonathon Keats, Kris Holland, Gary McLeod: PopSci's How It Works - 100 Megapixel Camera. In: Popsci.com. Archiviert vom Original, abgerufen am 23. Oktober 2011 (englisch). 
5. ↑ Christian Perwaß, Lennart Wietzke: The Next Generation ofPhotography: An Introduction to Light Field Photography. Raytrix GmbH, Januar 2010, abgerufen am 23. Oktober 2011. 
6. ↑ https://www.lytro.com/camera