In der Welt der Fotografie und Bildverarbeitung gibt es Konzepte, die das Potenzial haben, unsere Art zu sehen und Bilder zu manipulieren grundlegend zu verändern. Eines dieser wegweisenden Konzepte ist die plenoptische Funktion und die darauf basierende plenoptische Kamera, auch bekannt als Lichtfeldkamera. Diese Technologie unterscheidet sich maßgeblich von herkömmlichen Kameras, da sie nicht nur die Intensität des Lichts an einem Punkt aufzeichnet, sondern auch die Richtung, aus der das Licht kommt. Dies eröffnet völlig neue Möglichkeiten, insbesondere bei der Bearbeitung von Bildern nach der Aufnahme.
Die Plenoptische Funktion: Ein theoretisches Ideal
Die plenoptische Funktion ist ein idealisiertes Konzept, das in der Bildverarbeitung und Computergrafik verwendet wird, um die Verteilung der Strahldichte entlang von Lichtstrahlen in einem Bereich des dreidimensionalen Raums zu beschreiben. Diese Strahlen werden dabei von statischen, das heißt zeitlich unveränderbaren, Lichtquellen hervorgerufen. Im Wesentlichen beschreibt die plenoptische Funktion ein Bild zu einem bestimmten Zeitpunkt aus jeder beliebigen Position und aus jedem Blickwinkel. Das bedeutet, sie ist unabhängig von der Position des Betrachters und auch von den Parametern einer Kamera, wie beispielsweise der Blende oder der Entfernungseinstellung.
Eine Gerade, die einen Lichtstrahl repräsentiert, kann durch einen Punkt auf dem Strahl (drei Koordinatenwerte) und die Richtung des Strahls (zwei Winkel) beschrieben werden. Da der Punkt entlang des Strahls verschoben werden kann, steuern seine drei Koordinaten effektiv nur zwei Freiheitsgrade. Somit wird die plenoptische Funktion als vierdimensional betrachtet. Wenn man weitere Variablen wie die Wellenlänge, den Polarisationswinkel oder die Zeit berücksichtigt, können weitere Dimensionen hinzukommen, was das Konzept noch komplexer, aber auch vollständiger macht.
Obwohl die plenoptische Funktion in der Praxis nicht direkt genutzt wird, ist sie von großer Bedeutung. Sie dient als nützliches theoretisches Modell, um verschiedene andere Konzepte der Bildverarbeitung und der Computergrafik besser zu verstehen. Sie liefert die theoretische Grundlage für das, was plenoptische Kameras zu erreichen versuchen.
Die Plenoptische Kamera: Erfassung des Lichtfelds
Im Gegensatz zu herkömmlichen Kameras, die nur die Gesamthelligkeit eines Lichtstrahls auf dem Sensor registrieren, versucht eine plenoptische Kamera, die Informationen über die Richtung des einfallenden Lichts zu erfassen. Das Kernstück vieler plenoptischer Kameras ist ein Linsengitter, das sich vor dem Bildsensor befindet. Dieses Gitter besteht aus einer Vielzahl winziger Mikrolinsen.
Durch dieses Linsengitter wird jeder Lichtstrahl, der auf den Sensor trifft, nochmals gebrochen. Anstatt nur einen einzelnen Bildpunkt zu belichten, wird das Licht zu einem kleinen Kegel erweitert, der eine kreisförmige Fläche auf der Sensoroberfläche trifft. Die Position, an der dieser Kreis auf der Sensorfläche landet, verrät, aus welcher Richtung der Lichtstrahl ursprünglich kam. Ein Lichtstrahl, der senkrecht auf das Linsengitter trifft, landet im Mittelpunkt des Kreises auf dem Sensor. Ein schräg einfallender Lichtstrahl hingegen trifft weiter am Rand dieses Kreises auf.
Diese zusätzliche Information über die Richtung des Lichts ermöglicht es, die sogenannte Lichtfeldinformation zu erfassen. Mit einer speziellen Software können diese Daten nachträglich analysiert werden. Die Software kann die Schärfe neu berechnen und wie bei einem herkömmlichen Objektiv den Brennpunkt im Bild ändern. Dies ist einer der Hauptvorteile der plenoptischen Fotografie: die nachträgliche Fokussierung.
Allerdings hat diese Methode auch einen Nachteil. Damit die Informationen über die Richtung des einfallenden Lichtstrahls genutzt werden können, müssen die Informationen aus einer Szene auf mehreren Bildpunkten des Kamerachips abgebildet werden. Das bedeutet, dass jede Mikrolinse des Gitters nicht nur einen, sondern mehrere Pixel auf dem Sensor abdeckt. Dies führt zu einer Verringerung der effektiven Auflösung des Kamerasensors im Vergleich zu einer herkömmlichen Kamera mit demselben Sensor.
Umsetzungen und Beispiele Plenoptischer Kameras
Die plenoptische Technologie wurde von verschiedenen Forschungseinrichtungen und Unternehmen aufgegriffen und in unterschiedlichen Ansätzen umgesetzt:
Universität Stanford
Ein Forschungsteam an der Stanford University nutzte eine 16-Megapixel-Kamera in Kombination mit einem Mikrolinsen-Array, das aus 90.000 Mikrolinsen bestand. Bei dieser Anordnung belichtete jede einzelne Mikrolinse etwa 175 Pixel des Sensors. Dies war ein früher wichtiger Schritt zur praktischen Umsetzung der Lichtfeldmessung.
Adobe
Die amerikanische Firma Adobe entwickelte einen Entwurf, der einen anderen Ansatz verfolgte. Sie verwendeten 19 Linsen, die in einer Kreisanordnung angeordnet waren, um einen 100-Megapixel-Sensor zu belichten. Mit diesem Aufbau erreichte jedes resultierende Bild eine effektive Auflösung von etwa 5 Megapixeln.
Raytrix
Das deutsche Unternehmen Raytrix vertreibt seit 2010 plenoptische Kameras speziell für den Einsatz in Industrie und Forschung. Ihr Ansatz verwendet ein Linsenraster, das aus drei unterschiedlichen Linsentypen mit verschiedenen Brennweiten besteht. Jede Mikrolinse deckt dabei zwischen drei und sechs Bildpunkte auf dem Kamerasensor ab. Dadurch ist die effektive Auflösung der Kamera bei Raytrix-Modellen nur um den Faktor drei bis sechs geringer als die native Auflösung des Sensorchips, was im Vergleich zu anderen frühen Ansätzen eine relativ hohe effektive Auflösung ermöglichte.
Lytro
Besonders bekannt im Konsumentenbereich wurde die Lichtfeldkamera der amerikanischen Firma Lytro. Ab April 2012 vertrieben sie ein Modell, das speziell für Endverbraucher konzipiert war. Dieses Modell verfügte über einen siebenfachen optischen Zoombereich und eine Besonderheit war die fest eingestellte, durchgehende Blendenzahl von 2,0. Die Kamera besaß einen berührungsempfindlichen Bildschirm und internen Speicher von 8 oder 16 Gigabyte für farbige Einzelbildaufnahmen.
Die effektive Bildauflösung des ersten Lytro-Modells war mit 540 mal 540 Bildpunkten (entspricht 0,29 Megapixel) bei einer Dateigröße von etwa 20 Megabyte eher gering. Dies war für Demonstrationszwecke geeignet, aber nicht für hochwertige Reproduktionen. Bei rund 11 Millionen registrierten Bildpunkten auf dem Sensor ergab sich ein Verhältnis von sechs mal sechs, also 36, Lichtstrahlen pro Bildpunkt, die erfasst wurden.
Im April 2014 stellte Lytro das Nachfolgemodell namens Illum vor, das in seinem Erscheinungsbild einer klassischen Kamera ähnelte. Dieses Modell sollte eine höhere Bildauflösung bieten, maximal 4 MP für 2D-Bilddateien.
Im April 2016 kündigte Lytro an, sich aufgrund mangelnder Absatzmöglichkeiten aus dem Endkundengeschäft für Lichtfeldkameras zurückziehen zu wollen. Das Unternehmen beschloss, sich fortan auf den professionellen TV- und Videomarkt zu konzentrieren. Für diesen Markt entwickelten sie die Lichtfeldkamera Lytro Cinema, die beeindruckende Spezifikationen aufwies: eine Auflösung von 755 Megapixeln, einen Dynamik-Umfang von 16 Blendenstufen, die Fähigkeit, 40k-Videos aufzunehmen, und eine Bildrate von 300 fps.
Trotz dieser beeindruckenden Entwicklungen gab die Firma Lytro am 28. März 2018 bekannt, ihre Geschäftstätigkeit komplett einzustellen.
Pelican Imaging
Das Unternehmen Pelican Imaging kündigte im Mai 2013 an, in Zusammenarbeit mit dem Mobiltelefonanbieter Nokia eine flache Lichtfeldkamera zu entwickeln, die direkt in ein Smartphone integriert werden sollte. Dieser Ansatz verwendete eine Matrix von vier mal vier Objektiven, um das Lichtfeld zu erfassen.
HTC
Das Smartphone HTC One M8 nutzte zur Simulation des plenoptischen Prinzips einen anderen Ansatz. Neben dem eingebauten 4-MP-Bildchip verwendete es einen zweiten Kamera-Chip, der ausschließlich Tiefeninformationen erfasste. Mit dieser Funktion, die als U-Fokus bezeichnet wurde, war es ebenfalls möglich, die Tiefenschärfe und die Fokusbereiche nachträglich zu ändern, wenn auch durch eine andere technische Methode als die reine Lichtfelderfassung.
Auch Google griff das Prinzip der nachträglichen Fokusänderung auf, allerdings rein softwarebasiert. Die Google Kamera App, die seit April 2014 für Android-Geräte verfügbar ist, bietet im Fotomodus „Lens Blur“, auch bekannt als „Fokuseffekt“, die Möglichkeit, die Tiefenschärfe bei Fotos nachträglich zu setzen und zu bearbeiten. Hierfür werden keine zusätzlichen Sensoren oder speziellen Optiken benötigt. Stattdessen berechnet die Software aus den notwendigen automatischen Mehrfachaufnahmen eine 3D-Positionierung der Elemente im Bild. Diese berechnete Tiefenkarte ermöglicht dann die nachträgliche Bearbeitung des Fokus.
K|Lens
Das Unternehmen K|Lens aus Saarbrücken entwickelt einen innovativen Ansatz für ein plenoptisches Wechselobjektiv, das für Standard-DSLRs und spiegellose Systemkameras konzipiert ist. Die Grundlage für diese Entwicklung sind Forschungen aus dem Max-Planck-Institut für Informatik. Im Gegensatz zu vielen anderen plenoptischen Verfahren, die Mikrolinsen verwenden, nutzt K|Lens den sogenannten Kaleidoskop-Effekt, um das Lichtfeld abzutasten.
Vergleich verschiedener Plenoptischer Ansätze
Die verschiedenen Umsetzungen der plenoptischen Technologie oder ähnlicher Effekte zeigen eine Vielfalt an technischen Wegen, um die Richtungsinformation des Lichts zu nutzen oder zu simulieren. Hier ist ein Überblick basierend auf den verfügbaren Informationen:
| Unternehmen/Ansatz | Kerntechnologie | Sensor/Optiken | Effektive Auflösung (Info aus Text) | Anwendungsbereich |
|---|---|---|---|---|
| Stanford University | Mikrolinsen-Array | 16 MP Sensor, 90.000 Mikrolinsen | ~175 Pixel pro Linse | Forschung |
| Adobe | 19 Linsen (Kreisanordnung) | 100 MP Sensor | ~5 MP | Entwurf/Forschung |
| Raytrix | Linsenraster (3 Brennweiten) | Sensor + Linsenraster | Faktor 3-6 geringer als Sensorauflösung | Industrie, Forschung |
| Lytro (erste Generation) | Lichtfeldkamera (Mikrolinsen) | 11 Mio registrierte Bildpunkte | 0.29 MP (540x540) | Konsumenten (eingestellt) |
| Lytro (Illum) | Lichtfeldkamera | Sensor + Linsenraster | max 4 MP (für 2D) | Konsumenten (eingestellt) |
| Lytro (Cinema) | Lichtfeldkamera | 755 MP Sensor | 40k Video, 300 fps | Professioneller Markt (eingestellt) |
| Pelican Imaging | Matrix von 4x4 Objektiven | Smartphone-Integration | Keine Angabe | Mobile Geräte (angekündigt) |
| HTC One M8 | Zweiter Chip für Tiefeninfo | 4 MP Sensor + Tiefen-Chip | Keine Angabe (Simulation) | Smartphone (Simulation) |
| Google Kamera ('Lens Blur') | Software-Analyse (Mehrfachaufnahmen) | Standard Smartphone Sensor | Keine Angabe (Simulation) | Smartphone App (Simulation) |
| K|Lens | Kaleidoskop-Effekt | Wechselobjektiv für Standardkameras | Keine Angabe | Standardkameras (Wechselobjektiv) |
Häufig gestellte Fragen zur Plenoptischen Technologie
Hier finden Sie Antworten auf einige gängige Fragen im Zusammenhang mit der plenoptischen Funktion und Kameras, basierend auf den uns vorliegenden Informationen:
Was genau ist die plenoptische Funktion?
Die plenoptische Funktion beschreibt die Verteilung der Strahldichte von Lichtstrahlen im Raum, die von statischen Lichtquellen ausgehen. Sie ist ein idealisiertes Modell in der Bildverarbeitung und Computergrafik, das ein Bild unabhängig von Betrachterposition und Kameraparametern beschreibt.
Wie viele Dimensionen hat die plenoptische Funktion?
Die plenoptische Funktion wird als vierdimensional betrachtet, da ein Lichtstrahl im Wesentlichen durch vier Freiheitsgrade beschrieben werden kann (zwei für die Position auf einer Ebene und zwei für die Richtung). Zusätzliche Variablen wie Wellenlänge, Polarisation oder Zeit können weitere Dimensionen hinzufügen.
Wird die plenoptische Funktion praktisch genutzt?
Die plenoptische Funktion selbst wird in der Praxis nicht direkt zur Bilderzeugung genutzt. Sie ist jedoch ein wichtiges theoretisches Konzept, das hilft, verschiedene andere Konzepte der Bildverarbeitung und Computergrafik zu verstehen, einschließlich der Funktionsweise plenoptischer Kameras.
Was ist eine plenoptische Kamera oder Lichtfeldkamera?
Eine plenoptische Kamera ist ein Kameratyp, der das Lichtfeld erfasst, also nicht nur die Intensität, sondern auch die Richtung der einfallenden Lichtstrahlen. Dies wird oft durch ein Linsengitter vor dem Sensor erreicht.
Wie funktioniert das Linsengitter in einer plenoptischen Kamera?
Ein Linsengitter vor dem Bildsensor bricht jeden einfallenden Lichtstrahl erneut und erweitert ihn zu einem kleinen Lichtkegel, der auf eine Fläche des Sensors trifft. Die Position, an der dieser Kegel auf dem Sensor landet, gibt Aufschluss über die ursprüngliche Richtung des Lichtstrahls.
Welchen Nachteil hat die plenoptische Kamera typischerweise?
Ein Hauptnachteil ist die Verringerung der effektiven Auflösung des Kamerasensors. Da jede Mikrolinse des Linsengitters mehrere Pixel auf dem Sensor benötigt, um die Richtungsdaten zu erfassen, ist die resultierende Bildauflösung geringer als die native Auflösung des Sensors.
Ermöglichen plenoptische Kameras die nachträgliche Fokussierung?
Ja, dies ist einer der Hauptvorteile. Da die Kamera die Richtung des Lichts erfasst, kann eine spezielle Software diese Informationen nutzen, um den Fokuspunkt im Bild nach der Aufnahme digital zu verschieben und die Schärfe neu zu berechnen.
Welche Unternehmen waren in der Entwicklung plenoptischer Kameras aktiv?
Laut den vorliegenden Informationen waren unter anderem die Universität Stanford (Forschung), Adobe (Entwurf), Raytrix (Industrie/Forschung), Lytro (Konsumenten/Profi), Pelican Imaging (Mobile), HTC (Simulation) und Google (Software-Simulation) in diesem Bereich tätig. K|Lens entwickelt ein plenoptisches Wechselobjektiv.
Was war die Lytro Kamera?
Lytro war ein Unternehmen, das Lichtfeldkameras für Konsumenten und später für professionelle Anwendungen (Lytro Cinema) entwickelte und vertrieb. Ihre Kameras waren besonders für die Möglichkeit der nachträglichen Fokusänderung bekannt, stellten aber 2018 den Betrieb ein.
Gibt es plenoptische oder ähnliche Ansätze für Smartphones?
Ja, Pelican Imaging kündigte eine Integration in Nokia-Smartphones an. HTC nutzte einen zusätzlichen Chip für Tiefeninformationen zur Fokus-Simulation, und die Google Kamera App bietet eine softwarebasierte Simulation des Effekts durch Analyse von Mehrfachaufnahmen.
Gibt es plenoptische Wechselobjektive für herkömmliche Kameras?
Ja, das Unternehmen K|Lens entwickelt ein solches Objektiv, das für Standard-DSLRs und Systemkameras konzipiert ist und den Kaleidoskop-Effekt nutzt.
Zusammenfassung
Die plenoptische Technologie, basierend auf dem theoretischen Konzept der plenoptischen Funktion, stellt einen bedeutenden Fortschritt in der Bildgebung dar. Durch die Erfassung des gesamten Lichtfelds, also nicht nur der Intensität, sondern auch der Richtung der Lichtstrahlen, ermöglichen plenoptische Kameras Funktionen wie die nachträgliche Änderung des Fokus. Verschiedene Unternehmen und Forschungseinrichtungen haben unterschiedliche technische Wege beschritten, um diese Technologie oder ähnliche Effekte zu realisieren, von spezialisierten Kameras mit Linsengittern über Objektiv-Arrays bis hin zu softwarebasierten Simulationen. Obwohl die Technologie noch mit Herausforderungen wie der reduzierten effektiven Auflösung konfrontiert ist und einige prominente Anbieter wie Lytro den Betrieb eingestellt haben, zeigen die fortlaufende Forschung und neue Entwicklungen, wie beispielsweise plenoptische Wechselobjektive, das anhaltende Potenzial dieses Ansatzes für die Zukunft der Fotografie und Bildverarbeitung.
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