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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur automatischen Belichtungskorrektur
bei der digitalen Bildaufnahme, insbesondere für die digitale Fotografie,
unter Berücksichtigung
der Anforderungen in der elektronischen Reproduktionstechnik für die Weiterverarbeitung
der digitalen Bilddaten zur Herstellung von Druckvorlagen bzw. zum
Drucken.
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In
der Reproduktionstechnik werden Druckvorlagen für Druckseiten erzeugt, die
alle zu druckenden Elemente wie Texte, Grafiken und Bilder enthalten.
Im Fall der elektronischen Herstellung der Druckvorlagen liegen
diese Elemente in Form von digitalen Daten vor. Für ein Bild
werden die Daten z.B. erzeugt, indem das Bild in einem Scanner punkt-
und zeilenweise abgetastet wird, jeder Bildpunkt in Farbkomponenten
zerlegt wird und die Farbwerte dieser Komponenten digitalisiert
werden. Üblicherweise
werden Bilder in einem Scanner in die Farbkomponenten Rot, Grün und Blau
(R, G, B) zerlegt. Für
den Vierfarbdruck werden diese Komponenten dann weiter in die Druckfarben
Cyan, Magenta, Gelb und Schwarz (C, M, Y, K) transformiert.
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Die
Bilddaten können
auch direkt durch die Aufnahme einer Szene mit einer digitalen Kamera
erzeugt werden, wodurch die Zeit und der Arbeitsaufwand für die Entwicklung
des Filmmaterials und das nachträgliche Scannen
der entwickelten Bilder eingespart wird. Die digitale Bildaufnahme
ermöglicht
auch die sofortige Beurteilung des aufgenommenen Bildes auf einem
Farbmonitor, so dass bei Fehlern in der Aufnahme unmittelbar ein
neues Bild aufgenommen werden kann. Die digitale Bildaufnahme eignet
sich besonders für
die Aufnahme von unbewegten Szenen, z.B. für einen Produktkatalog, in
dem die Auswahl der angebotenen Produkte in verschiedenen Ansichten
dargestellt wird.
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Die
digitalen Bilddaten werden in der Regel korrigiert, um sie an die
Erfordernisse des Drucks anzupassen und um die Bildqualität zu verbessern.
Solche Korrekturen sind typischerweise Farbkorrekturen, mit denen
beispielsweise ein Farbstich besei tigt wird, eine Schärfekorrektur
zur Betonung der Helligkeitswechsel an Objektkanten im Bild und
eine Gradationskorrektur, um den Kontrast zu verbessern und um eine
ausgewogene Verteilung der tiefen Tonwerte, Mitteltonwerte und hellen
Tonwerte zu erreichen. Mit einer Gradationskorrektur werden häufig leichte
Belichtungsfehler korrigiert, die bei der Aufnahme der Bildvorlage
entstanden sind, z.B. eine Unterbelichtung, die eine nachträgliche Aufhellung
bildwichtiger Teile, die zu dunkel geworden sind, erfordert.
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Nach
dem Stand der Technik werden Gradationskorrekturen noch weitgehend
manuell von einem Bediener ausgeführt, der das Bild beurteilt
und aufgrund seiner Erfahrung die Korrekturparameter festlegt. Beispielsweise
legt der Bediener fest, ob und wie stark die tiefen Tonwerte, Mitteltonwerte
und hellen Tonwerte zu korrigieren sind und nach welchen Funktionen
die Gradationskurve für
die Helligkeit des Bildes bzw. die Gradationskurven für die Farbkomponenten
verändert
werden sollen. Das ist arbeitsintensiv und setzt sehr viel Erfahrung
voraus, um eine optimale Bildqualität aus einer gegebenen Bildvorlage
herauszuholen. Es sind auch automatische Verfahren zur Gradationskorrektur
bekannt. Ein klassisches Verfahren ist die Entzerrung des Histogramms
(engl. histogram equalization) durch eine Neuzuordnung der Tonwertstufen,
so dass nach der Korrektur alle Tonwertstufen im Bild etwa gleich
häufig
vorkommen. So werden beispielsweise großflächige unterbelichtete Bildbereiche,
die im Histogramm eine überproportional
große
Häufigkeit
der dunklen Töne
erzeugen, durch die Entzerrung zu helleren Tonwerten verschoben.
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Eine
wichtige Anforderung der Reproduktionstechnik ist, dass die digitalen
Bilddaten den möglichen Wertebereich
der Tonwertstufen einerseits gut ausnutzen, andererseits aber für extrem
helle Bildstellen, sogenannte Spitzlichter, noch einen Spielraum
lassen, um den Tonwertabstand zwischen den Spitzlichtern und der Mehrzahl
der weißen
bzw. hellen Bildpunkte nachträglich
noch verändern
zu können.
Dazu wird ein Weißpunkt des
Bildes festgelegt, der ein Stück
unter der maximal möglichen
Tonwertstufe liegt. Für
Bilder, die mit 8 Bit je Farbkomponente digitalisiert werden, liegt
der Wertebereich der Tonwertstufen z.B. zwischen 0 für schwarz und
255 für
weiß.
Der Weißpunkt
wird beim Scannen eines Bildes entsprechend eingestellt.
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Bei
der digitalen Bildaufnahme ist es jedoch schwierig, die Aufnahmeparameter
wie beispielsweise die Beleuchtung, die Blende und die Verschlusszeit
so zu wählen,
dass der Tonwertebereich der digitalen Bilddaten gut ausgesteuert
ist und der Weißpunkt
optimal im Sinne der Reproduktionstechnik eingestellt ist. Ein für die Anforderungen
der Drucktechnik nicht optimal belichtetes Bild muss mit diesen
ungünstigen
Eigenschaften weiterverarbeitet werden. Eine Lösung dieses Problems ist die
nachträgliche
Einstellung des Weißpunktes durch
eine Gradationskorrektur der digitalen Bilddaten. Normalerweise
wird dadurch die Tonwertauflösung
in den helleren Tonwerten oder in den dunkleren Tonwerten verschlechtert,
je nachdem, ob das Bild überbelichtet oder
unterbelichtet war. Das gilt besonders für die geringe Tonwertauflösung von
8 Bit, entsprechend 256 Tonwertstufen, wie sie für digitale Kameras üblich ist.
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Das
Problem wird noch durch die Fehler und die Nichtlinearität der Sensoren
in den digitalen Kameras verschärft,
die das von der Aufnahmeszene kommende Licht in elektrische Signale
umwandeln. Diese Fehler machen sich besonders im Bereich der dunklen
und der hellen Tonwerte bemerkbar. Bei den dunklen Tonwerten werden
die Sensorsignale durch Rauschen verfälscht, bei den hellen Tonwerten
tragen Sättigungseffekte und Übersprechen
zwischen benachbarten Sensorelementen zu den Fehlern bei. Im Bereich
der mittleren Tonwerte haben die Sensoren ihre größte Linearität.
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In
der
US 6,295,415 B1 wird
eine Fotokamera beschrieben, die Informationen über die Kameraeinstellungen
bei der Aufnahme und weitere Aufnahmebedingungen auf eine Magnetspur
aufzeichnet, die in den Film integriert ist. Insbesondere wird aufgezeichnet,
ob aufeinanderfolgende Aufnahmen eine Aufnahmeserie bilden, z.B.
wenn das gleiche Motiv mehrfach mit absichtlich unterschiedlichen
Blendeneinstellungen aufgenommen wurde oder wenn die Belichtungseinstellung
der Kamera bewusst für
die ganze Aufnahmeserie auf die Werte der ersten Aufnahme eingefroren
wurde. Diese Zusatzinformation kann dann bei der Herstellung von Papierabzügen verwendet
werden, um die dabei üblicherweise
ablaufenden automatischen Belichtungskorrekturen zu unterbinden.
Ohne die Zusatzinformation würde
das Gerät,
das Papierabzüge
herstellt, versuchen, die vom Fotografen bewusst vorgenommenen Unter-
oder Überbelichtungen
wieder zu kompensieren. In einer besonderen Ausführungsform der Kamera wird
auch die Beleuchtung der fotografierten Szene gemessen, nach Tageslicht,
Leuchtstofflampenlicht und Glühlampenlicht
klassifiziert und diese Information ebenfalls auf die Magnetspur
des Films aufgezeichnet. Die Angaben zur Art der Beleuchtung bei
der Aufnahme des Bildes können
dann ebenfalls bei der Herstellung der Papierabzüge berücksichtigt werden, um die Qualität der Abzüge zu verbessern.
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In
der
US 5,828,793 wird
ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erhöhung des Dynamikbereichs eines digitalen
Bildes beschrieben. Dazu werden mehrere Aufnahmen des Bildes, die
mit verschiedenen Belichtungseinstellungen gemacht wurden, gewichtet
kombiniert. Die Gewichtungswerte werden aus den Film- bzw. Sensor-Empfindlichkeitskurven,
die für
die verschiedenen Belichtungseinstellungen gelten, gewonnen. Dabei werden
aus jeder Aufnahme jeweils die Pixelwerte höher gewichtet, die in einem
Bereich großer
Steilheit der Empfindlichkeitskurve der Aufnahmeliegen.
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In
der
DE 3750919 T2 wird
ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Tonwertkorrektur eines Videobildes beschrieben,
das mittels einer Bildröhre
und Farbfiltern auf Farbfotopapier aufgezeichnet wird. Aus den RGB-Signalen
wird ein Luminanzsignal L erzeugt, und für alle vier Signale (RGBL)
wird dann ein Summenhistogramm erzeugt. Durch Vergleich der Histogrammwerte
für einen
Weißpunkt,
z.B. bei 99%, und für
einen Schwarzpunkt, z.B. bei 1%, für die Farbsignale RGB einerseits
und für
das Luminanzsignal L andererseits wird entschieden, ob das Bild
einen "sicheren" Weißpunkt bzw.
Schwarzpunkt enthält.
Abhängig
davon werden für die
RGB Signale Tonwertkorrekturkurven durch Histogrammausgleich (Equalization)
berechnet. Wenn ein sicherer Weißpunkt bzw. Schwarzpunkt vorhanden
ist, werden die Tonwertkorrekturkurven aus den Histogrammen der
Farbsignale RGB ermittelt. Wenn ein sehr unsicherer Weißpunkt bzw.
Schwarzpunkt vorhanden ist, werden die Tonwertkorrekturkurven aus
dem Histogramm des Luminanzsignals L ermittelt. In dazwischen liegenden
Fällen
werden zur Berechnung der Tonwertkorrekturkurven Mischsignale aus
den Farbsignalen RGB und dem Luminanzsignal L herangezogen.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei der digitalen Bildaufnahme
eine optimale Aussteuerung der Bilddaten zu erreichen und besonders
die Anforderungen der Reproduktionstechnik bezüglich der Einstellung des Weißpunktes
zu berücksichtigen.
Weiterhin wird eine Verbesserung des Rauschens und der Linearität der aufgenommenen
Bilddaten erreicht.
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Diese
Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte
Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand der 1 bis 4 erläutert. Es
zeigen
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1 ein
Ablaufdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens,
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2 Histogramme
der Farbkomponenten und der Luminanzkomponente,
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3 eine
Bewertungsfunktion, und
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4 ein
Rechenbeispiel.
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Zur
Beschreibung der Erfindung werden die physikalischen Größen Lichtstrom
E und Sensorsignal S verwendet. Der Lichtstrom E fällt bei
der digitalen Bildaufnahme auf die Fläche eines Bildpunktes des Sensors. Im
Sensor wird dadurch ein elektrisches Sensorsignal S(E) erzeugt,
das anschließend
digitalisiert wird. Für
die Farbbildaufnahme gibt es für
jeden Bildpunkt Sensorelemente mit vorgeschalteten Farbfiltern,
so dass für
jede der Farbkomponenten Rot, Grün,
Blau ein entsprechendes Sensorsignal SRot(E),
SGrün(E)
und SBlau(E) erzeugt wird. Die Sensorsignale
S haben einen normierten Aussteuerungsbereich zwischen 0 und 1.
Das Sensorsignal S = 0 bedeutet, dass vom Sensor kein Lichtstrom
E registriert wurde. Das Sensorsignal S = 1 bedeutet, dass der Sensor
mit dem maximalen Lichtstrom E beleuchtet wurde.
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1 zeigt
ein Ablaufdiagramm der Verarbeitungsschritte, die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren
durchgeführt
werden. Im Schritt S1 werden mit der Digitalkamera mehrere Aufnahmen
Ai einer unbewegten Szene mit abgestuften Blendeneinstellungen durchgeführt. Die
erhaltenen Aufnahmen werden in der Fachsprache auch als Blendenfächer bezeichnet.
Die folgenden Schritte S2 bis S7 werden für jede Aufnahme Ai des Blendenfächers separat
durchgeführt.
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Im
Schritt S2 wird aus den Sensorsignalen der Farbkomponenten durch
gewichtete Mittelung ein Luminanzsignal SLum(E)
berechnet. SLum(E) = 0,299 × SRot(E)
+ 0,587 × SGrün(E)
+ 0,114 × SBlau(E) (1)
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Im
Schritt S3 wird für
die nunmehr vier Komponenten zunächst
je ein Histogramm ermittelt. 2 zeigt ein
Beispiel für
die Histogramme. Auf der horizontalen Achse sind die Sensorsignale
aufgetragen. Auf der vertikalen Achse sind die Häufigkeiten aufgetragen, mit
denen die jeweiligen Werte des Sensorsignals im Bild vorkommen.
Aus jedem Histogramm wird ein Weißpunkt WP bestimmt, beispielsweise
als der Sensorsignalwert, bei dem das kumulierte Histogramm den
Wert 95% erreicht hat. Zur Bildung der Histogramme können alle
Bildpunkte des Bildes herangezogen werden oder auch nur eine repräsentative
Auswahl der Bildpunkte, beispielsweise jeder n-te Bildpunkt aus
jeder n-ten Zeile, um die Berechnung zu beschleunigen.
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Im
Schritt S4 wird das Maximum der zuvor für die drei Farbkomponenten
und für
die Luminanzkomponente bestimmten Weißpunkte bestimmt. WPMax =
max {WPRot, WPGrün,
WPBlau, WPLum} (2)
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Im
Schritt S5 wird für
die Aufnahme Ai ein Belichtungs-Korrekturfaktor B
Korr berechnet,
mit dem die Sensorsignale so verstärkt bzw. abgeschwächt werden,
dass der Weißpunkt
WP
Max nach der Korrektur eine halbe Blendenstufe
unter der maximalen Aussteuerung der Sensorsignale liegt. Einer
halben Blendenstufe entspricht der Faktor 1/√
2,
d.h. der Belichtungs-Korrekturfaktor B
Korr ergibt
sich aus:
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Die
Festlegung des korrigierten Weißpunktes
bei einer halben Blendenstufe unter der Vollaussteuerung lässt genügend Spielraum
für weitere
Korrekturen der Bilddaten in der elektronischen Reproduktion und ermöglicht besonders,
dass die Spitzlichter noch genügend
weit über
den Weißpunkt
hinaus ausgesteuert werden können.
Andererseits ist eine halbe Blendenstufe unter der Vollaussteuerung
ein willkürlich
festgelegter Punkt des Aussteuerungsbereichs. Das erfindungsgemäße Verfahren
kann auch mit einer anderen Festlegung des korrigierten Weißpunktes arbeiten,
z.B. bei 80% unter der Vollaussteuerung. Wichtig ist nur, dass ein
genügend
großer
Abstand zwischen dem korrigieren Weißpunkt und der maximalen Aussteuerung
vorhanden ist.
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In
einer vereinfachten Anwendungsform der Erfindung kann der Belichtungs-Korrekturfaktor BKorr in einen äquivalenten Blenden-Korrekturwert
BLKorr umgerechnet werden.
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Der
Blenden-Korrekturwert BLKorr gibt an, um
wie viele Blendenstufen die ursprünglich bei der Aufnahme Ai
verwendete Blende verändert
werden muss, damit der Weißpunkt
eine halbe Blendenstufe unter der Vollaussteuerung liegt. Der Blenden-Korrekturwert
BLKorr kann dann direkt angewendet werden,
um eine neue Aufnahme der Szene mit der korrigierten Blendeneinstellung
zu machen oder um aus dem Blendenfächer die Aufnahme Ai auszuwählen, deren
Blendeneinstellung der korrigierten Blende am nächsten kommt. Mit dieser vereinfachten
Anwendungsform der Erfindung kann zwar eine digitale Bildaufnahme
erzeugt bzw. ausgewählt werden,
deren Weißpunkteinstellung
die Anforderungen der Reproduktionstechnik erfüllt, die Anforderungen bezüglich eines
rauscharmen Bildes mit einer linearen Tonwertabstufung sind aber
noch nicht optimal gewährleistet.
Diese Qualitätsmerkmale
werden erst durch die weiteren Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens verbessert.
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Im
Schritt S6 wird der Belichtungs-Korrekturfaktor BKorr auf
die Sensorsignale der drei Farbkomponenten der Aufnahme Ai angewendet,
wobei die korrigierten Sensorsignale SKorr entstehen. SKorr(E)
= S(E) × BKorr (5)
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Im
Schritt S7 wird ein Bewertungsfaktor FBew(S)
berechnet, mit dem die Sensorsignale bezüglich ihrer Rauschfreiheit
und Linearität
bewertet werden. Dabei wird davon ausgegangen, dass die Rauschfreiheit
und Linearität
der Sensorsignale in der Mitte des Aussteuerungsbereiches am besten
ist und zum unteren und oberen Rand des Aussteuerungsbereiches schlechter
wird. Dementsprechend wird eine Bewertungsfunktion gewählt, die
die Sensorsignale am Rand des Aussteuerungsbereiches geringer bewertet
als in der Mitte. Die folgende Bewertungsfunktion erfüllt diese
Bedingung.
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Die 3 zeigt
diese Funktion. Es muss nicht genau diese Bewertungsfunktion gewählt werden.
Jede Funktion mit einer ähnlichen
Form, beispielsweise eine Parabelfunktion, ist ebenso geeignet.
Die Bewertungsfunktion wird auf die ursprünglichen unkorrigierten Sensorsignale
S(E) angewendet.
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Nach
der Ausführung
der Schritte S2 bis S7 für
jede der Aufnahmen Ai des Blendenfächers werden im letzten Schritt
neue korrigierte und bewertete Sensorsignale SNeu aus
den Sensorsignalen aller Aufnahmen Ai des Blendenfächers berechnet.
Diese Berechnung erfolgt getrennt für die drei Farbkomponenten
Rot, Grün, Blau
des Bildes.
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Damit
wird ein bezüglich
des Weißpunktes
korrigiertes aus allen Aufnahmen Ai des Blendenfächers gemitteltes Bild berechnet,
das ein geringeres Rauschen und eine größere Linearität aufweist,
als jede der einzelnen Aufnahmen Ai. Dies wird durch die Bewertungsfunktion
erreicht, die für
jeden Bildpunkt die Aufnahmen Ai höher bewertet, bei denen die
Sensorsignale S(E) des Bildpunktes im mittleren Aussteuerungsbereich
liegen, und die Aufnahmen Ai geringer bewertet, bei denen die Sensorsignale
S(E) des Bildpunktes am Rand des Aussteuerungsbereiches liegen.
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4 zeigt
in einer Tabelle beispielhaft die Rechenergebnisse für einen
Spitzlicht-Bildpunkt.
Für die Szene
wurden drei Aufnahmen A1, A2, A3 mit den relativen Blendenstufen –1, + 0,5
und +1 gemacht. Die Aufnahme A2 erfordert keine Belichtungskorrektur,
da ihr Weißpunkt
bereits um den Faktor 1/√2 unter der Vollaussteuerung
liegt. Bei der Aufnahme A1 liegt der Weißpunkt wesentlich tiefer, d.h.
die Aufnahme ist unterbelichtet. Dem entsprechend müssen die
Sensorsignale mit einem hohen Belichtungs-Korrekturfaktor BKorr verstärkt werden. Die Aufnahme A3
ist etwas überbelichtet
und muss mit dem Belichtungs-Korrekturfaktor BKorr etwas
abgeschwächt
werden. Entsprechend den Blendeneinstellungen variieren die Sensorsignale
S(E) des Spitzlicht-Bildpunktes sehr stark. Sie liegen jedoch alle über dem
entsprechenden Weißpunkt,
da es sich um einen Spitzlichtwert handelt. Die mit dem Belichtungs-Korrekturfaktor
BKorr korrigierten Sensorsignale SKorr(E) haben vergleichbar große Werte.
Der Bewertungsfaktor FBew(S) zeigt, dass
das korrigierte Sensorsignal SKorr(E) der
unterbelichteten Aufnahme A1 bei der Berechnung des gemittelten
neuen Sensorsignals SNeu(E) am höchsten bewertet
wird, da das ursprüngliche
Sensorsignal S(E) dieser Aufnahme im mittleren Aussteuerungsbereich
liegt. Die korrigierten Signalwerte SKorr(E)
der beiden anderen Aufnahmen A2 und A3 werden geringer bewertet,
da ihre ursprünglichen
Sensorsignale S(E) dichter am Rand des Aussteuerungsbereiches liegen.
Für einen
Bildpunkt mit einem dunklen Tonwert würde die überbelichtete Aufnahme A3 bei
der Berechnung des gemittelten neuen Sensorsignals SNeu(E)
höher bewertet
als die beiden anderen Aufnahmen A1 und A2, da das ursprüngliche
Sensorsignal S(E) des Bildpunktes bei der Aufnahme A3 mehr in der
Mitte des Aussteuerungsbereiches liegen würde.
