Multi Slope - Die Idee

Die in der alltäglichen Praxis verwendeten Monochrom-Kameras bieten zumeist eine Grauwert-Dynamik von 8 Bit/Pixel. Der Grauwert 0 bedeutet üblicherweise 'Schwarz', 255 steht für 'Weiss'.

Der Grauwert eines Pixels repräsentiert die Anzahl der Fotonen ('Helligkeit'), die der Bildsensor an dieser Stelle eingesammelt hat Die vom Nutzer einstellbare Belichtungszeit bestimmt, wie lange der Bildsensor fotosensitiv ist.

Sämtliche CCD-Bildsensoren aber auch viele CMOS-Bildsensoren bieten ein lineares Verhältnis zwischen der Anzahl der Fotonen und dem Grauwert. Für viele Anwendungen ist diese Eigenschaft erwünscht.

Sind die Helligkeits-Unterschiede in einem Bild aber grösser als die übliche Grauwert-Dynamik von 8 Bit, bekommen wir die in den Bildern rechts oben gezeigten Probleme. Stimmt man die Belichtungszeit auf die dunklen Bildteile ab, sind die hellen überlichtet und umgekehrt.

Multi Slope Bildsensoren merken, welchen Pixeln die Überbelichtung droht. Sie setzen deren Grauwerte auf einen Wert zurück, den der Nutzer festgelegt hat und belichten dann NUR diese Pixel noch einmal. Die Länge dieser zweiten Belichtung muss ebenfalls vom Nutzer festgelegt werden. Sie stoppt idealerweise kurz bevor das hellste Pixel überbelichtet ist. Auf diese Weise erhält man das rechts im dritten Bild gezeigte Ergebnis.

Multi Slope - Die Realisierung

Zum Verständnis des Multi Slope Verfahrens reicht es, sich die Belichtung nur einer Bildzeile näher anzusehen (siehe Bild rechts). Die Zeile besteht lediglich aus 8 Pixeln mit den Indizes 0 bis 7. Auf diese Pixel trifft ein konstanter Strom von Fotonen mit Intensitäten von 12,5 prozent bis 100 prozent.

Wir nehmen an, dass die Pixel nach einer Belichtungszeit von 200µs Grauwerte von 50 bis 400 aufweisen. Da aber nur eine Grauwert-Dynamik von 8 Bit erlaubt ist, können die Pixel 5 bis 7 nicht die korrekten Grauwerte erreichen. Sie sind mit dem Grauwert 255 gesättigt.

Der erste Schritt des Multi Slope Verfahrens bestimmt daher eine verkürzte Belichtungszeit (Basis-Belichtungszeit). Für unser Beispiel stoppen wir die Belichtung nach 150µs. Nun sind nur noch Pixel 6 und 7 gesättigt.

Der zweite Schritt ist die Festlegung des Grauwerts, ab dem die zweite Belichtung beginnen soll (Reset-Wert). Grauwerte die höher als dieser Reset-Wert sind, werden auf ihn zurück gesetzt. Für unser Beispiel wählen wir einen Reset-Wert von 180.

Im dritten Schritt setzen wir die Belichtung der zurückgesetzten Pixel fort. Dabei müssen wir die Zeit so wählen, dass der hellste Pixel kurz unterhalb der Sättigung bleibt. Im Beispiel wären das 35µs.

Selbstverständlich wäre es auch möglich gewesen, die Basis-Belichtungszeit noch weiter zu verkürzen um dann zwei oder mehr Reset-Stufen zu durchlaufen. Für viele Anwendungen reicht allerdings (wie im Beispiel gezeigt) eine Reset-Stufe. Man spricht in diesem Fall auch von Dual Slope.

Bitte beachten Sie: Die Reset-Werte und die Belichtungszeiten müssen vom Nutzer an die Beleuchtungs-Bedingungen angepasst werden. Diese müssen also statisch sein. Bewegte Szenen oder Trigger mit variabler Belichtungszeit eignen sich daher nicht für das Multi Slope Verfahren.

Pixel-Index:
Anzahl der Fotonen (Helligkeit):
Grauwerte nach 200µs Belichtungszeit:
Grauwerte bei 8 Bit Dynamik:
Grauwerte nach einer Basis-Belichtungszeit von 150 µ:
Reset aller Grauwerte > 180 auf 180:
Grauwerte nach weiteren 35µs Belichtung der rückgesetzten Pixel: