mini|hochkant|Plenoptische Funktion Eine plenoptische Kamera, auch Lichtfeldkamera genannt, erfasst neben den üblichen 2 Bilddimensionen eine weitere, nämlich die Richtung einfallender Lichtstrahlen. Durch die zusätzliche Dimension enthalten plenoptische Aufnahmen Informationen über die Bildtiefe.
Der besondere Vorteil plenoptischer Kameras liegt in der theoretisch unendlichen Schärfentiefe und der Möglichkeit der Refokussierung, also der nachträglichen Verschiebung der Schärfeebene im Objektraum (Fokusvariation). Durch die zusätzliche Tiefeninformation kann eine plenoptische Kamera auch als 3D-Kamera verwendet werden.
Entscheidend für die Funktion plenoptischer Kameras ist, dass dieselbe Szene aus mehreren Blickwinkeln erfasst wird. Dabei ist es irrelevant, ob ein Array aus konventionellen Kameras die Szene erfasst, oder die verschiedenen Blickwinkel innerhalb der Kamera erzeugt werden – z. B. durch einen Array aus Mikrolinsen vor dem Bildsensor.
Die Entwicklung plenoptischer Systeme basiert auf theoretischen Überlegungen des Physikers Gabriel Lippmann, der das Konzept 1908 vorstellte.G. Lippmann: Épreuves réversibles donnant la sensation du relief. In: Journal de Physique Théorique et Appliquée, vol. 7 (1908), S. 821, doi:10.1051/jphystap:0190800700821009
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. Die plenoptische Funktion ist eine idealisierte Funktion, die in der Bildverarbeitung und der Computergrafik genutzt wird, um ein Bild zu einem bestimmten Zeitpunkt aus jeder beliebigen Position aus jedem Blickwinkel zu beschreiben, also unabhängig von der Position des Betrachters und Kameraparametern wie Blende und Entfernungseinstellung.
Praktisch wird die plenoptische Funktion nicht genutzt, jedoch ist sie sinnvoll, um verschiedene andere Konzepte der Bildverarbeitung und der Computergrafik zu verstehen. Eine Gerade (Strahl) wird durch einen Punkt auf dem Strahl (drei Koordinatenwerte) und die Richtung des Strahls (zwei Winkel) beschrieben. Da der Punkt längs des Strahls verschoben werden kann, geben seine drei Koordinaten effektiv nur zwei Freiheitsgrade wieder. Daher ist die plenoptische Funktion vierdimensional. Wellenlänge, Polarisationswinkel und die Zeit können gegebenenfalls als weitere Variable betrachtet werden, wodurch weitere Dimensionen hinzukommen.
Plenoptische Kamera mini|Linsengitter einer plenoptischen Kamera Durch ein Linsengitter vor dem Bildsensor 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 herkömmlichen Objektiv der Brennpunkt 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 Universität Stanford 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.Video: Light Field Photography with a Hand-held Plenoptic Camera. (WMV; 9,3 MB)
Adobe Ein Entwurf der amerikanischen Firma Adobe verwendet 19 Linsen in Kreisanordnung und belichtet damit einen 100-Megapixel-Sensor, so dass jedes Bild etwa 5-Megapixel-Auflösung erreicht.
Raytrix Eine plenoptische Kamera für den Einsatz in Industrie und Forschung, die von der deutschen Firma Raytrix 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.
Lytro mini|Lytro-Kamera Von der amerikanischen Firma Lytro wurde ab dem April 2012 eine Lichtfeldkamera für den Konsumentenbereich vertrieben.Scharfmacher – Lytro Lightfield Camera im Test. heise.de Dieses Modell hat einen siebenfachen optischen Zoombereich, eine fest eingestellte, durchgehende Blendenzahl von 2,0, einen berührungsempfindlichen Bildschirm und einen internen Speicher von 8 oder 16 Gigabyte für farbige Einzelbildaufnahmen.Lichtfeldkamera von Lytro, test.de vom 28. Juni 2012, abgerufen 19. November 2012 Die effektive Bildauflösung beträgt bei einer Dateigröße von zirka 20 Megabyte 540 mal 540 Bildpunkte (dies entspricht 0,29 Megapixel), was für Demonstrationszwecke, jedoch nicht für hochwertige Reproduktionen geeignet ist.Lichtfeldkamera von Lytro: Vorbote der Revolution, test.de vom 28. Juni 2012, abgerufen 19. November 2012 Bei rund 11 Millionen registrierten Bildpunkten Lytro, abgerufen 20. November 2012 ergibt sich ein Verhältnis von sechs mal sechs (36) Lichtstrahlen pro Bildpunkt.
Im April 2014 wurde das Nachfolgemodell Illum vorgestellt, das einer klassischen Kamera ähnelt.Lytro Illum camera lets users refocus blurred photos after shooting. theguardian.com, 22. April 2014, abgerufen am 23. April 2014 Sie soll eine höhere Bildauflösung von maximal 4 MP bei 2D-Bilddateien haben., abgerufen am 23. April 2014
Im April 2016 hatte die Firma Lytro angekündigt, sich aus dem Endkundengeschäft für Lichtfeldkameras wegen mangelnder Absatzmöglichkeiten zurückziehen zu wollen und sich von nun an auf den professionellen TV- und Video Markt zu konzentrieren. Die neue Lichtfeldkamera Lytro Cinema ermöglicht eine Auflösung von 755 Megapixeln, einen Dynamik-Umfang von 16 Blendenstufen, 40k-Videos und 300 fps. Die Firma gab am 28. März 2018 bekannt, die Geschäftstätigkeit einzustellen.
Beispielaufnahmen Eine Nahaufnahme einer Tastatur mit einer plenoptischen Kamera mit Reproduktionen bei vier verschiedenen Entfernungseinstellungen:Vergleiche auch: Nahaufnahme von Tasten einer Computer-Tastatur mit einer Lichtfeldkamera von Lytro
Eine Aufnahme einer Klaviatur mit einer plenoptischen Kamera mit Reproduktionen bei fünf verschiedenen Entfernungseinstellungen:Vergleiche auch: Lytro light field camera – Piano Player
Pelican Imaging Das Unternehmen Pelican Imaging hat im Mai 2013 angekündigt, zusammen mit dem Anbieter von Mobiltelefonen Nokia eine flache, in ein Smartphone integrierte Lichtfeldkamera mit einer Matrix von vier mal vier Objektiven auf den Markt zu bringen.Technology Pelican Imaging, abgerufen 7. Mai 2013Nokia investiert in Lichtfeld-Kameratechnik. heise.de, 2. Mai 2013, abgerufen am 7. Mai 2013
HTC Das HTC One M8 benutzt zur Simulation des Funktionsprinzipes neben dem eingebauten 4-MP-Bildchip einen zweiten Kamera-Chip zum Erfassen der Tiefeninformationen. Mit dieser U-Fokus genannten Funktion ist ebenfalls das nachträgliche Ändern von Tiefenschärfe und Fokusbereichen möglich.HTC launches One M8 with new ‘Duo Camera’, dpreview 15. März 2014, online abgerufen am 18. April 2014
Google Googles seit April 2014 für Android-Geräte verfügbare Kamera-App Google Kamera ermöglicht im Fotomodus „Lens Blur“ („Fokuseffekt“) das nachträgliche Setzen und Bearbeiten von Tiefenschärfe bei Foto.Google Kamera: Schärfentiefe nachträglich verstellbar, heise.de. Meldung vom 17. April 2014, online abgerufen am 18. April 2014 Dafür werden keine zusätzlichen Sensoren oder Optiken benötigt. Stattdessen wird aus den dafür notwendigen automatischen Mehrfachaufnahmen eine 3D-Positionierung der Elemente im Bild berechnet, die dann die nachträgliche Bearbeitung erlaubt.Lens Blur in the new Google Camera app Google-Research-Blogeintrag vom 16. April 2014, online abgerufen am 18. April 2014
KLens Das Saarbrücker Unternehmen KLens entwickelt ein plenoptisches Wechselobjektiv für Standard-DSLRs und Systemkameras. Grundlage dafür bilden Forschungen aus dem Max-Planck-Institut für Informatik. Im Gegensatz zu anderen plenoptischen Verfahren benutzt KLens den Kaleidoskop-Effekt statt Mikrolinsen, um das Lichtfeld abzutasten.
Weblinks Plenoptische Kameras, Wikibook Digitale bildgebende Verfahren, Kapitel Bildaufnahme Die Kamera der Zukunft. Alle Perspektiven einnehmen bei Filmaufnahmen im Lichtfeld 3Sat: nano, Sendung vom 30. April 2019 Plenopticam, quell-offene Applikation zur Bildverarbeitung von Lichtfeld-Aufnahmen (beispielsweise Lytro-Bilder)
Einzelnachweise
Kategorie:Kameratechnik Kategorie:Computergrafik Kategorie:Bildverarbeitung