WO2007042171A1 - Verfahren zur spektralen, integrierten kalibrierung eines bildsensors mittels monochromatischer lichtquellen - Google Patents

Verfahren zur spektralen, integrierten kalibrierung eines bildsensors mittels monochromatischer lichtquellen Download PDF

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WO2007042171A1
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image sensor
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Stefan Steib
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Stefan Steib
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    • H04N23/84—Camera processing pipelines; Components thereof for processing colour signals
    • H04N23/88—Camera processing pipelines; Components thereof for processing colour signals for colour balance, e.g. white-balance circuits or colour temperature control

Definitions

  • the invention relates to a method for the spectral calibration of an image sensor in an image recording apparatus. More particularly, the invention relates to such a method in which the image sensor is illuminated with a plurality of predetermined light spectra. The invention further relates to an image pickup device with an image sensor.
  • analogue data are generated by photoelectrically sensitive circuits such as photodiodes, which are then converted into digital values by means of an AD (analog-to-digital) converter.
  • AD analog-to-digital
  • the intensity values are measured over an entire common spectrum.
  • different measurement spectra are measured by certain measures, for example by different photosensitive circuits. Each color corresponds to a measuring spectrum. The measurements of the different measurement spectra produce a color data set.
  • RGB red-green-blue
  • the calibration targets are usually made on photo paper, by printing or by manual application of pigments, thus acting subtractive, i. by mixing pigments on a carrier material.
  • both the maximum density, ie the color gamut, also called Farbgamut limited by the pigments used as well as the maximum brightness of the substrate.
  • These targets are therefore also called reflective. If, however, the color gamut of the template or scene to be recorded is larger than the gamut of the target, this target can only describe the colors used in sections.
  • the colors of the target by the light source of the prevailing lighting always white point dependent and metamerism-loaded, so do not necessarily describe the color properties of another material with other pigments but the same color readings with similar illuminants, so similar light source.
  • the well-known emissive target has the disadvantage, inter alia, that its use is only possible if the illumination surrounding the target is so far darker that the emitted light colors are not overexposed or falsified. In addition, it can lead to a falsification of colors through interchangeable lenses, especially in digital SLR cameras. Furthermore, reflections or scattered light effects on the target surface can falsify the measurement result. It can also be problematic that the emitting light sources generate different color values when voltage fluctuations occur. Achieving and measuring mixed colors and gray levels generally requires the most accurate and expensive spectral measurement equipment. It is also to be feared that the known target must constantly be checked for color retention during operation, which is less practical in everyday life, unlike in laboratory applications. In addition, there is a risk that the known target is dirty by handling, mechanically worn or damaged.
  • the invention is also based on the object to provide an improved image pickup device with an image sensor.
  • the invention has for its object to overcome one or more disadvantages of the cited prior art.
  • the object is achieved by a method for the spectral calibration of an image sensor in an image recording device having the features of patent claim 1.
  • the invention is based on the idea to preserve the advantages of the known spectral calibration, but to separate them from their disadvantages.
  • the object is also achieved by the image pickup apparatus having an image sensor according to claim 6.
  • the image recording device itself comprises the device for spectral calibration of the image sensor, it is an achievable advantage of the invention, the Calibration of external influences, especially stray light, reflections, too much ambient brightness, lens defects and / or voltage fluctuations better shield.
  • the invention can be achieved that a calibration with an external reflective or emissive target is unnecessary.
  • the invention is particularly suitable for portable imaging devices such as portable photographic and video cameras.
  • the measured values of the image sensor illuminated with the predetermined light spectra are read out, possibly stored as an image, compared with predetermined desired values, and subsequently corrected values are determined on the basis of the comparison between measured values and desired values.
  • the correction values together form one or more correction tables. It is an achievable advantage of the invention that with these correction values subsequent images can be linearized and / or calibrated independently of external light influences, errors by the optical system or other fluctuations.
  • the image capture device is set to perform calibration to achieve the highest quality at regular intervals or after a fixed number of images
  • the calibration is always performed after the image capture device is turned on.
  • calibration is performed before each new recording or series of pictures. It is also conceivable to combine the three mentioned embodiments.
  • the calculations necessary for calibration are performed in the image capture device by means of software. In another embodiment, the calculations are performed on an external computer. It is also conceivable to carry out a part of the calibration in the image recording device and another part outside the image recording device. It is an achievable advantage of the two last-mentioned embodiments that the calibration can also be carried out if the computing capacity of the computer used in the image recording device is not sufficient, for example, when with professional camera back very large image files are generated.
  • the correction values are appended to the image data set.
  • the RAW data is preferably not changed in this embodiment.
  • the correction values are treated as ICC profiles.
  • the correction values obtained are added to raw data, the so-called RAW data sets, of an image taken with the image recorder, more preferably as an EXIF tag.
  • the correction values are appended to an image data set as XML (eXtended Markup Language) data.
  • the correction data can also be integrated manufacturer-specifically into the respective RAW data set.
  • the correction values are applied to an image taken with the image capture device to transform it into a predetermined color of work. Particularly preferably, the transformed image is subsequently output by the image acquisition device, preferably in TIF or JPG format. It is also conceivable to combine the methods mentioned with each other.
  • the white point of the photographed scene is determined by means of full automatic with one of the methods known or to be known in the future.
  • the color information for example in the form of RAW data, is preferably available in every processing stage. It is an achievable advantage of this embodiment of the invention that the white point can be subsequently changed.
  • the invention with the model of the Windows Color System (WCS), which has presented the company.
  • Microsoft as a component of the future Windows "VISTA” - computer operating system, and which is best with fully automatic workflows to achieve Color accuracy employed without user control, compatible.
  • the WCS envisages that more sensor-specific information is introduced into the workflow and used in automation for further processing. With this embodiment of the invention, a high degree of automation and high color accuracy in the environment of the Windows operating system can be achieved.
  • the image sensor comprises photoelectrically sensitive circuits, for example photodiodes.
  • a particularly preferred image sensor is a two-dimensional CCD array or a CCD array.
  • the preferred image sensor includes an AD converter to convert analog measurements of the photosensitive circuits into digital values.
  • the spectra are preferably each substantially monochromatic.
  • the device provides three light spectra.
  • the spectra correspond to the primary colors red, green and blue.
  • the spectra are projected directly onto the image sensor.
  • the device is arranged relative to the image sensor so that the plurality of light spectra partially overlap upon impact with the image sensor and mix in the overlap regions.
  • the three overlap each other in substantially monochromatic red, green and blue spectra. It is thus achievable to produce any color gradations in the desired intensity.
  • the mixed colors yellow, cyan, magenta, all possible intermediate values and white can be generated with the invention.
  • the spectra overlap such that even color gradients and their uniformity can be represented and checked. It is an achievable advantage of the invention that the color gamut of these light colors produced by predetermined action and selection of the spectral range of the monochromatic light sources can be far greater than the color gamut of the readout sensor.
  • the light spectra are preferably not generated by reflection.
  • a preferred device for spectral calibration of the image sensor comprises a plurality of light sources, each of which generates a light spectrum.
  • the light source used is preferably substantially monochromatic emitter in the primary colors red, green and blue.
  • Preferred emitters are light-emitting diodes (LED 's ), diode lasers or small lasers, in particular tunable lasers, as well as all future-suitable light sources.
  • LED 's light-emitting diodes
  • the device preferably comprises at least 3 light sources.
  • the device preferably comprises at least 5 light sources.
  • the device comprises, in addition to the substantially monochromatic red, green and blue light sources, a light source which produces a substantially white light spectrum, preferably a white broadband LED.
  • a light source which produces a substantially white light spectrum, preferably a white broadband LED.
  • the light is projected by the device onto the sensor through lenses and / or mirrors.
  • microlenses and / or micromirrors as known from the DLP (Digital Light Processing) technique, may be used.
  • a laser with image control is used.
  • the device according to the invention for the spectral calibration of the image sensor is preferably arranged behind the objective, in each case directly in front of the image sensor.
  • the image capture device is a digital still camera or a video camera, particularly preferably a single-lens reflex camera.
  • the color source is preferably disposed within the mirror box.
  • the particular arrangement and number of light sources is also dependent on the positioning of the autofocus system, which works in some cameras with an auxiliary mirror mounted below the main mirror. It is also a projection from several angles conceivable.
  • the image capture device is a scanner that scans a document line by line.
  • the image sensor comprises a sensor line which resolves the image endang their longitudinal axis (main scan direction).
  • the sensor line is moved, preferably by means of a stepper motor, in the sub-scan direction in order to scan the image line by line.
  • five or more light sources are mounted below the sensor line in such a way that, instead of or in addition to the white balance, which is customary with scanners, a spectral calibration is carried out.
  • the LEDs are arranged in the housing, in another preferred embodiment in the template cover of the scanner.
  • the devices are manufactured with high precision as complete, in each case specially adapted to the conditions of the image recording device such as sensor size, sensor type or desired quality level emitter units and pre-calibrated. Since there are already exact standards and measuring specifications of the CIE and the ISO for the use of the LEDs, it is an achievable advantage of the invention that the calibration can be carried out according to already existing measuring device specifications. In addition, a virtually unlimited service life of this emitter unit can be achieved because, for example, LEDs in continuous light between 60'0OO and 100'0OO hours can work smoothly evenly.
  • FIG. 1a and 1b a front view of a first and second embodiment of an image pickup device according to the invention
  • FIG. 2 is a side view of a third embodiment of an image pickup device according to the invention
  • 3 is a front view of a fourth embodiment of an image pickup device according to the invention
  • FIG. 4 is a perspective view of a fifth embodiment of an image pickup device according to the invention.
  • FIG. 6 shows a second exemplary selection of measuring fields in a two-dimensional image sensor with lateral projection of the light spectra onto the sensor
  • FIG. 7 shows an exemplary selection of measuring points in a sensor line.
  • FIGS. 1a and 1b The exemplary embodiments of an image recording device 1 according to the invention shown in FIGS. 1a and 1b are a single-lens reflex camera with a camera housing and a lens mount 2.
  • the red, green and blue LEDs 3, 4 and 5 arranged in the camera housing as light sources project their light on both sides from the right and on the left side or on one side only from the right side silhouetted directly on the image sensor 6.
  • the circle-symmetrical Lichdcegel generate due to the lateral projection substantially egg-shaped color areas R, G and B on the surface of the image sensor (6).
  • the light cones of the individual light sources 3, 4 and 5 partially overlap and form mixed colors on the image sensor 6 in some areas.
  • the embodiment shown in Fig. 2 shows a single-lens reflex camera.
  • the camera is equipped, as usual, with a return oscillation mirror 7, which passes light incident through a lens system 8 of the objective lens to a pentaprism 9, from where it reaches the viewfinder 10.
  • the LEDs 3, 4 and 5 project from below via the rear side of the rear oscillation mirror 7, which is likewise mirrored, their light perpendicularly and centrally to the image sensor 6.
  • the light spots are therefore circular. Again, overlapping areas of the cones produce mixed colors.
  • Embodiment project the LEDs 3, 4 and 5 in the colors red, green and blue their light from obliquely below the remindschwingapts 7 almost perpendicular to the image sensor 6.
  • the light spots R, G and B are therefore almost circular to the same extent.
  • FIG. 4 shows a supervisory scanner 11, in which five LEDs in the colors red 3, green 4, blue 5 and once again blue 12 of the sensor row 13 are mounted opposite one another.
  • a white LED 14 is provided.
  • the array is located in the housing of the scanner above the platen glass 15, at the location where common white balance scanners are often located.
  • FIG. 7 shows how the color cones of the LEDs 3, 4, 5 and 14 also overlap in the exemplary embodiment of the supervisory scanner of FIG. 4.
  • the areas of overlap there are continuous gradations of mixed colors, including the colors cyan in the overlap area 16, magenta in the overlap area 17 and yellow in the overlap area 18.
  • the white LED produces a white spot of light.
  • predetermined mixing points of which in turn one representative of all designated by the reference numeral 21, selected certain mixed colors.

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Abstract

Ein Verfahren zur spektralen integrierten Kalibrierung eines Bildsensors (6) in einem Bildaufnahmegerät (1). Dabei wird der Bildsensor (6) mit einer Mehrzahl vorbestimmter, Lichtspektren beleuchtet, vorzugsweise durch monochromatische Lichtquellen. Das Verfahren umfasst die Schritte: Bereitstellen eines Bildaufnahmegeräts (1) mit einer darin integrierten Einrichtung zum Bereitstellen der Mehrzahl vorbestimmter Lichtspektren, und Beleuchten des Bildsensors (6) mit der Mehrzahl vorbestimmter Lichtspektren der Einrichtung. Außerdem ein Bildaufnahmegerät (1) mit einem Bildsensor (6), wobei das Bildaufnahmegerät (1) eine Einrichtung umfasst, die zur spektralen Kalibrierung des Bildsensors (6) eine Mehrzahl vorbestimmter Lichtspektren bereitstellt, mit denen der Bildsensor (6) beleuchtbar ist.

Description

Verfahren zur spektralen, integrierten Kalibrierung eines Bildsensors mittels monochromatischer Lichtquellen
Beschreibung
Hintergrund der Erfindung
[01] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur spektralen Kalibrierung eines Bildsensors in einem Bildaufnahmegerät. Genauer betrifft die Erfindung ein solches Verfahren, bei dem der Bildsensor mit einer Mehrzahl vorbestimmter Lichtspektren beleuchtet wird. Die Erfindung betrifft weiter ein Bildaufnahmegerät mit einem Bildsensor.
Stand der Technik
[02] Bei der digitalen Fotografie, Videoaufnahmen oder dem Scannen von Bildern werden von photoelektrisch sensitiven Schaltkreisen wie zum Beispiel Photodioden analoge Daten erzeugt, die anschließend mittels eines AD (Analog-Digital) -Wandlers in digitale Werte umgesetzt werden. Für Schwarz/Weiß-Aufnahmen werden die Intensitätswerte über ein gesamtes gemeinsames Spektrum gemessen. Für Farbaufnahmen werden durch bestimmte Maßnahmen, zum Beispiel durch unterschiedlich photosensitive Schaltkreise, unterschiedliche Messspektren gemessen. Dabei entspricht jede Farbe einem Messspektrum. Aus den Messungen der verschiedenen Messspektren entsteht ein Farbdatensatz. Dabei kommt in der digitalen Fotografie, bei Videoaufnahmen sowie beim Scannen das sogenannte RGB (Rot-Grün-Blau) -Verfahren zum Einsatz. Dieses beschreibt alle erfassbaren Farbwerte des verwendeten Sensors als eine Addition der Grundfarben Rot, Grün und Blau, womit sich dann alle innerhalb eines vorbestimmten Farbgamuts, also Farbumfangs, befindlichen Farben definieren lassen.
[03] Aufgrund unterschiedlicher Kennlinien der einzelnen photoelektrisch sensitiven Schaltkreise von unterschiedlichen digitalen Eingabegeräten und abhängig von der vorhandenen Beleuchtung ergeben sich bei dem in diesen Geräten üblichen RGB Verfahren für ein und das gleiche Objekt unterschiedliche Farbwerte. Für eine weitere Verarbeitung ist es aber notwendig unverfälschte Farben zu erhalten. Daher ist eine Kalibrierung der Kameras und Scanner notwendig. [04] Bisherige Verfahren sehen vor, dass eine Kalibriervorlage bzw. ein Kalibriertarget durch eine Kamera oder einen Scanner erfasst, das entstandene Bild mit Referenzwerten verglichen und daraus Korrekturwerte ermittelt werden, mit denen dann das farbkorrigierte Bild erstellt wird. Letzteres kann beispielsweise mittels der bekannten ICC (International-Color-Consortium)- Profile geschehen.
[05] Die Kalibriertargets werden meist auf Fotopapier, durch Druckverfahren oder manuelles Auftragen von Pigmenten hergestellt, wirken also subtraktiv, d.h. durch Mischen von Pigmenten auf einem Trägermaterial. So wird aber sowohl die maximale Dichte, also der Farbumfang, auch genannt Farbgamut, durch die verwendeten Pigmente als auch die maximale Helligkeit durch das Trägermaterial begrenzt. Diese Targets nennt man daher auch reflektiv. Ist nun aber das Farbgamut der aufzunehmenden Vorlage oder der Szene größer als das Gamut des Targets, kann dieses Target nur ausschnittsweise die verwendeten Farben beschreiben. Weiterhin sind die Farben des Targets durch die Lichtquelle der herrschenden Beleuchtung immer Weißpunkt- abhängig und Metamerie-belastet, beschreiben also nicht notwendigerweise die Farbeigenschaften eines anderen Materials mit anderen Pigmenten aber gleichen Farbmesswerten bei ähnlichem Illuminanten, also ähnlicher Lichtquelle.
[06] Im Dezember 2004 wurde als Entwicklung der Firma HP ein emissives, also ein farbiges Licht emittierendes Target vorgestellt, das beschrieben ist in "Emissive Chart for Imager Calibration", Jeffrey M. DiCarlo et al., in Twelfth Color Imaging Conference: Color Science and Engineering Systems, Technologies, Applications, Scottsdale, AZ; 9. November 2004, Seiten 295 bis 301, ISBN/ISSN: 0-89208-254-2. Es soll benutzt werden, um das spektrale Verhalten des Bilderfassungsgerätes zu ermitteln und es dann durch die erhaltenen Korrekturwerte spektral zu kalibrieren. Somit soll vermieden werden, dass der Weißpunkt der verwendeten Beleuchtung für die weitere Verarbeitung definiert werden muss, was eines der Hautprobleme bei ICC-Profilen darstellt. Auch das Metamerie-Problem soll entfallen, da nur Lichtfarben mit absoluten Werten gemessen und danach kalibriert werden. Im optischen Aufbau ähnelt das bekannte emissive Target dem sogenannten Colorchecker, das von Gretag Macbeth als Aufsichtstarget entwickelt worden ist.
[07] Das bekannte emissive Target weist unter anderem den Nachteil auf, dass seine Verwendung nur möglich ist, wenn die das Target umgebende Beleuchtung soweit dunkler ist, dass die emittierten Lichtfarben nicht überbelichtet oder verfälscht werden. Außerdem kann es zu einer Verfälschung der Farben durch Wechseloptiken kommen, insbesondere bei digitalen Spiegelreflexkameras. Weiterhin können Spiegelungen oder Streulichteinwirkungen auf der Targetfläche das Messergebnis verfälschen. Problematisch kann es außerdem sein, dass die emittierenden Lichtquellen bei Spannungsschwankungen andere Farbwerte erzeugen. Die Erzielung und Messung von Mischfarben und Grauwerten erfordert im Allgemeinen genaueste und teure Spektralmessgeräte. Es ist auch zu befürchten, dass das bekannte Target im Betrieb ständig auf Farbhaltigkeit überprüft werden muss, was im Alltag, anders als bei Laboranwendungen, wenig praktikable ist. Darüber hinaus besteht die Gefahr, dass das bekannte Target durch die Handhabung verschmutzt, mechanisch abgenutzt oder beschädigt wird.
Der Erfindung zugrundeliegendes Problem
[08] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Verfahren zur spektralen Kalibrierung eines Bildsensors in einem Bildaufnahmegerät bereitzustellen. Der Erfindung liegt außerdem die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Bildaufnahmegerät mit einem Bildsensor bereitzustellen. Insbesondere liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen oder mehrere Nachteile des genannten Standes der Technik zu überwinden.
Erfindungsgemäße Lösung
[09] Die Aufgabe wird durch ein Verfahren zur spektralen Kalibrierung eines Bildsensors in einem Bildaufnahmegerät, mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Dabei liegt der Erfindung der Gedanke zugrunde, die Vorteile der bekannten spektralen Kalibrierung zu bewahren, sie aber von ihren Nachteilen zu trennen. Dadurch, dass die Einrichtung zum Bereitstellen der vorbestimmten Lichtspektren in dem Bildaufnahmegerät integriert ist, ist es ein erreichbarer Vorteil der Erfindung, dass die Kalibrierung von äußeren Einflüssen, insbesondere Streulicht, Reflexionen, zu großer Umgebungshelligkeit, Linsenfehlern und/oder Spannungsschwankungen weniger stark beeinflusst wird oder im Wesentlichen unberührt bleibt.
[10] Die Aufgabe wird außerdem durch das Bildaufnahmegerät mit einem Bildsensor nach Anspruch 6 gelöst. Dadurch, dass das Bildaufnahmegerät selbst die Einrichtung zur spektralen Kalibrierung des Bildsensors umfasst, ist es ein erreichbarer Vorteil der Erfindung, die Kalibrierung von äußeren Einflüssen, insbesondere Streulicht, Reflexionen, zu großer Umgebungshelligkeit, Linsenfehlern und/oder Spannungsschwankungen besser abzuschirmen. Mit der Erfindung kann erreicht werden, dass eine Kalibrierung mit einem externen reflektiven oder emissiven Target überflüssig wird. Die Erfindung eignet sich besonders für tragbare Bildaufnahmegeräte wie zum Beispiel tragbare Foto- und Videokameras.
Λuß?au und Weiterbildung der erfindungsgemäßen ΪJosung
[11] Bei einer bevorzugten Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die Messwerte des mit den vorbestimmten Lichtspektren beleuchteten Bildsensors ausgelesen, gegebenenfalls als Bild gespeichert, mit vorbestimmten Sollwerten verglichen, und anschließen Korrekturwerte auf Grundlage des Vergleichs zwischen Messwerten und Sollwerten ermittelt. Besonders bevorzugt bilden die Korrekturwerte zusammen eine oder mehrere Korrekturtabellen. Es ist ein erreichbarer Vorteil der Erfindung, dass mit diesen Korrekturwerten darauf folgende Bilder unabhängig von äußeren Lichteinflüssen, Fehlern durch das optische System oder anderen Schwankungen linearisiert und/oder kalibriert werden können.
[12] Da das Kalibrieren vorzugsweise nur so lange dauert, wie eine Belichtung durchgeführt wird und die Korrekturwerte ausgelesen werden, ist es erreichbar, dass dies sekundenschnell und vollautomatisch, aber auch auf Benutzeranforderung, erfolgt. Bei einer ersten Ausführung der Erfindung ist das Bildaufnahmegerät so eingestellt, dass zum Erzielen höchster Qualität in regelmäßigen Zeitabständen oder nach einer festgelegten Anzahl von Bildern immer wieder eine Kalibrierung durchgeführt wird, bei einer zweiten Ausführung wird die Kalibrierung immer nach dem Einschalten des Bildaufnahmegeräts durchgeführt. Bei einer dritten Ausführung wird die Kalibrierung vor jeder neuen Aufnahme oder Aufnahmeserie durchgeführt. Es ist auch denkbar, die drei genannten Ausführungen zu kombinieren.
[13] Bei einer Ausführung der Erfindung werden die zur Kalibrierung notwendigen Berechnungen in dem Bildaufnahmegerät mittels Software ausgeführt. In einer anderen Ausführung werden die Berechnungen auf einem externen Rechner durchgeführt. Es ist auch denkbar, einen Teil der Kalibrierung in dem Bildaufnahmegerät und einen anderen Teil außerhalb des Bildaufnahmegeräts auszuführen. Es ist ein erreichbarer Vorteil der beiden letztgenannten Ausführungen, dass die Kalibrierung auch ausgeführt werden kann, wenn die Rechenkapazität des in dem Bildaufnahmegerät verwendeten Rechners dazu nicht ausreicht, zum Beispiel, wenn bei professionellen Kamerarückteilen sehr große Bilddateien erzeugt werden.
[14] In einer Ausführung der Erfindung werden die Korrekturwerte dem Bilddatensatz angehängt. Die RAW-Daten werde bei dieser Ausführung vorzugsweise nicht verändert. Bei einer ersten besonders bevorzugten Ausführung werden die Korrekturwerte wie ICC Profile behandelt. Bei einer zweiten besonders bevorzugten Ausführung werden die erhaltenen Korrekturwerte zu Rohdaten, den sogenannten RAW-Datensätzen, eines mit dem Bildaufnahmegerät aufgenommenen Bildes hinzugefügt, besonders bevorzugt als EXIF-Tag. Bei einer dritten besonders bevorzugten Ausführung werden die Korrekturwerte einem Bilddatensatz als XML (eXtended Markup Language)-Daten angehängt. Alternativ können die Korrekturdaten auch herstellerspezifisch in den jeweiligen RAW-Datensatz integriert werden. Bei einer anderen Ausführung der Erfindung werden die Korrekturwerte auf ein mit dem Bildaufnahmegerät aufgenommenes Bild angewandt, um es in einen vorbestimmten Arbeitsfarbrautn zu transformieren. Besonders vorzugsweise wird das transformierte Bild anschließend von dem Bildaufnahmegerät ausgegeben, vorzugsweise im TIF- oder JPG-Format. Es ist auch denkbar, die genannten Verfahren miteinander zu kombinieren.
[15] Es ist ein erreichbarer Vorteil der Erfindung, dass im Arbeitsablauf beim Fotografieren zum Erzielen einer optimalen Farbgenauigkeit durch Kalibrieren keinerlei Targets mehr verwendet werden müssen. Besonders vorzugsweise geschieht die Kalibrierung vollautomatisch. Es ist ein erreichbarer Vorteil der Erfindung, dass der Anwender beim normalen Gebrauch des Bildaufnahmegeräts die Kalibrierung und/oder deren Anwendung nicht bemerkt.
[16] Bei einer bevorzugten Ausführung der Erfindung wird der Weißpunkt der fotografierten Szene mittels Vollautomatik mit einem der dazu bekannten oder zukünftig bekannt werdenden Verfahren festgelegt. Vorzugsweise stehen die Farbinformationen, zum Beispiel in Form von RAW-Daten, in jeder Bearbeitungsstufe zur Verfügung. Es ist ein erreichbarer Vorteil dieser Ausführung der Erfindung, dass der Weißpunkt nachträglich noch geändert werden kann.
[17] In einer bevorzugten Ausführung ist die Erfindung mit dem Modell des Windows-Color- Systems (WCS), das die Fa. Microsoft als Komponente des zukünftigen Windows "VISTA"- Computerbetriebssystems vorgestellt hat, und das sich mit vollautomatischen Workflows zur Erzielung bester Farbgenauigkeit ohne Benutzersteuerung beschäftigt, kompatibel. Das WCS sieht vor, dass verstärkt sensorspezifische Informationen in den Workflow eingebracht werden und bei der Weiterverarbeitung zu Automatisierung benutzt werden. Mit dieser Ausführung der Erfindung ist eine weitgehende Automatisierung und hohe Farbgenauigkeit im Umfeld des Windows-Betriebssystems erreichbar.
[18] In einer bevorzugten Ausführung des erfindungsgemäßen Bildaufnahmegeräts umfasst der Bildsensor photoelektrisch sensitive Schaltkreise, zum Beispiel Photodioden. Ein besonders bevorzugter Bildsensor ist ein zweidimensionales CCD-Feld oder eine CCD-Zeile. Der bevorzugte Bildsensor umfasst einen AD-Wandler, um Analoge Messwerte der photosensitiven Schaltkreise in digitale Werte umzusetzen.
[19] Die Spektren sind vorzugsweise jeweils im Wesentlichen monochromatisch. Vorzugsweise stellt die Einrichtung drei Lichtspektren bereit. Besonders vorzugsweise entsprechen die Spektren den Grundfarben Rot, Grün und Blau.
[20] Es ist ein erreichbarer Vorteil der Erfindung, dass eine rein spektrale Kalibrierung und Linearisierung vorgenommen werden kann. Vorzugsweise werden die Spektren direkt auf den Bildsensor projiziert. In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung ist die Einrichtung relativ zum Bildsensor so angeordnet, dass die Mehrzahl von Lichtspektren sich beim Auftreffen auf den Bildsensor teilweise überlappen und sich in den Überlappungsbereichen mischen. Besonders vorzugsweise überlappen sich die drei jeweils im wesentlichen monochromatischen roten, grünen und blauen Spektren. Es ist so erreichbar, beliebige Farbabstufungen in der gewünschten Intensität zu erzeugen. Insbesondere können die Mischfarben Gelb, Cyan, Magenta, alle möglichen Zwischenwerte und Weiß mit der Erfindung erzeugt werden. In einer bevorzugten Ausführung überlappen sich die Spektren derart, dass auch Farbverläufe und deren Gleichmäßigkeit darstell- und überprüfbar sind. Es ist ein erreichbarer Vorteil der Erfindung, dass das erzeugte Farbgamut dieser Iichtfarben durch vorbestimmte Einwirkung sowie Auswahl des Spektralbereiches der monochromatischen Lichtquellen weit größer sein kann als das Farbgamut des auslesenden Sensors.
[21] Die Lichtspektren werden vorzugsweise nicht durch Reflexion erzeugt. Eine bevorzugte Einrichtung zur spektralen Kalibrierung des Bildsensors umfasst eine Mehrzahl von Lichtquellen, von denen jede ein Lichtspektrum erzeugt. Als Lichtquelle kommen vorzugsweise im Wesentlichen monochromatische Emitter in den Grundfarben Rot, Grün und Blau zum Einsatz. Bevorzugte Emitter sind Leuchtdioden (LED 's), Diodenlaser oder Kleinlaser, insbesondere abstimmbare Laser, sowie alle zukünftig geeigneten Lichtquellen. Handelt es sich bei dem Bildsensor um ein zweidimensionales Sensor- Array, umfasst die Einrichtung vorzugsweise mindestens 3 Lichtquellen. Bei einer eindimensionalen Sensorzeile umfasst die Einrichtung vorzugsweise mindestens 5 Lichtquellen.
[22] Die Einrichtung umfasst in einer bevorzugten Ausführung zusätzlich zu den im Wesentlichen monochromatischen roten, grünen und blauen Lichtquellen eine Lichtquelle, die ein im Wesentlichen weißes Lichtspektrum erzeugt, vorzugsweise eine weiße Breitband-LED. Hierdurch kann insbesondere ein maximaler Helligkeitswert zum Kalibrieren zur Verfügung gestellt werden.
[23] In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung wird das Licht durch Linsen und/oder Spiegel von der Einrichtung auf den Sensor projiziert. Zum Beispiel können Mikrolinsen und/oder Mikrospiegel, wie sie aus der DLP (Digital Light Processing)-Technik bekannt sind, verwendet werden. In einer anderen Ausführung der Erfindung kommt ein Laser mit Bildsteuerung zum Einsatz.
[24] Die erfindungsgemäße Einrichtung zur spektralen Kalibrierung des Bildsensors ist vorzugsweise hinter dem Objektiv, jeweils unmittelbar vor den Bildsensor angeordnet. In einer Ausführung der Erfindung ist das Bildaufnahmegerät eine digitale Fotokamera oder eine Videokamera, besonders bevorzugt eine Spiegelreflexkamera. Hier ist die Farbquelle vorzugsweise innerhalb des Spiegelkastens angeordnet. Die jeweilige Anordnung und Anzahl der Lichtquellen ist auch abhängig von der Positionierung des Autofocussystems, das bei manchen Kameras mit einem unterhalb des Hauptspiegels befestigten Hilfsspiegel arbeitet. Es ist auch eine Projektion aus mehreren Winkeln denkbar.
[25] In einer anderen Ausführung der Erfindung ist das Bildaufnahmegerät ein Scanner, der eine Vorlage zeilenweise abtastet. Der Bildsensor umfasst eine Sensorzeile, die das Bild endang ihrer Längsachse (Haupt-Scan-Richtung) auflöst. Die Sensorzeile wird, vorzugsweise mittels eines Schrittmotors, in die Sub-Scan-Richtung bewegt, um das Bild so zeilenweise abzutasten. Vorzugsweise werden fünf oder mehr Lichtquellen, besonders vorzugsweise Leuchtdioden, unter der Sensorzeile so angebracht, dass statt oder zusätzlich zu dem ohnehin bei Scannern üblichen Weißabgleich eine spektrale Kalibrierung vorgenommen wird. In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung sind die Leuchtdioden im Gehäuse, in einer anderen bevorzugten Ausführung im Vorlagendeckel des Scanners angeordnet. [26] Es ist ein erreichbarer Vorteil der Erfindung, dass die zusätzlichen Kosten für den Einbau einer erfϊndungsgemäßen Einrichtung zur spektralen Kalibrierung in eine hochwertige digitale Fotokamera, eine Videokamera oder einen Scanner selbst bei anfänglich niedrigen Stückzahlen nur wenige Euro betragen. Es ist außerdem erreichbar, dass bei einer Massenfertigung solche Emittereinheiten vorgefertigt und für wenige Eurocent hergestellt werden.
[27] Vorzugsweise werden die Einrichtungen mit hoher Präzision als komplette, jeweils speziell auf die Gegebenheiten des Bildaufnahmegeräts wie Sensorgröße, Sensortyp oder gewünschte Qualitätsstufe angepasste Emittereinheiten hergestellt und vorkalibriert. Da für die Benutzung der LEDs bereits genaue Normen und Messvorschriften der CIE und der ISO existieren, ist es ein erreichbarer Vorteil der Erfindung, dass die Kalibrierung nach schon vorhandenen Messgerätespezifikationen durchgeführt werden kann. Darüber hinaus kann eine praktisch unbeschränkte Lebensdauer dieser Emittereinheit erreicht werden, weil zum Beispiel LEDs bei Dauerlicht zwischen 60'0OO und 100'0OO Stunden gleichmäßig störungsfrei funktionieren können.
[28] Es ist ein erreichbarer Vorteil der Erfindung, dass die Fertigungskosten digitaler Fotokameras, Videokameras und Scanner gesenkt werden, da durch die individuelle Kalibrierung der verwendeten Bildsensoren auch solche Sensoren verwendet werden können, die normalerweise außerhalb gewisser Qualitätsspezifikationen liegen. Es ist deshalb denkbar, dass eine diesbezügliche Endkontrolle entfallt, und sich die Kamera oder der Scanner selbst auf optimale Qualitätswerte einstellt, sobald der Kalibrierungssensor in Betrieb ist.
Kurφeschreibung der Zeichnungen
[29] Die Erfindung wird im Folgenden anhand schematischer Zeichnungen einiger Ausführungsbeispiele näher erläutert.
[30] Es zeigen
Fig. Ia und Ib eine Vorderansicht eines ersten und zweiten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Bildaufnahmegeräts,
Fig. 2 eine Seitenansicht eines dritten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Bildaufnahmegeräts, Fig. 3 eine Vorderansicht eines vierten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Bildaufnahmegeräts,
Fig. 4 eine perspektivische Ansicht eines fünften Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Bildaufnahmegeräts,
Fig. 5 eine erste beispielhafte Auswahl von Messfeldern bei einem zweidimensionalen Bildsensor bei zentraler Projektion der Lichtspektren auf den Sensor,
Fig. 6 eine zweite beispielhafte Auswahl von Messfeldern bei einem zweidimensionalen Bildsensor bei seitlicher Projektion der Lichtspektren auf den Sensor, und
Fig. 7 eine beispielhafte Auswahl von Messpunkten bei einer Sensorzeile.
Ausführliche Beschreibung eines Ausführungsbeispiels
[31] Die in Fig. Ia und Ib dargestellten Ausführungsbeispiele eines erfindungsgemäßen Bildaufnahmegeräts 1 ist eine Spiegelreflexkamera mit einem Kameragehäuse und einer Objektivfassung 2. Die im Kameragehäuse angeordneten roten, grünen und blauen LEDs 3, 4 und 5 als Lichtquellen projizieren ihr Licht beidseitig von rechts und links bzw. einseitig nur von rechts seidich direkt auf den Bildsensor 6. Die kreis symmetrischen Lichdcegel erzeugen aufgrund der seitlichen Projektion im Wesentlichen eiförmige Farbflächen R, G und B auf der Oberfläche des Bildsensors (6). Außerdem überlappen sich die Lichtkegel der einzelnen Lichtquellen 3, 4 und 5 teilweise und bilden auf dem Bildsensor 6 in einigen Bereichen Mischfarben.
[32] Auch das in Fig. 2 dargestellte Ausführungsbeispiel zeigt eine Spiegelreflexkamera. Die Kamera ist wie üblich mit einem Rückschwingspiegel 7 ausgestattet, der durch ein Linsensystem 8 des Objektivs einfallende Licht zu einem Pentaprisma 9 leitet, von wo es den Sucher 10 erreicht. In der Ausführung der Fig. 2 projizieren die LEDs 3, 4 und 5 von unten über die hierzu ebenfalls verspiegelte Rückseite des Rückschwingspiegels 7 ihr licht senkrecht und mittig auf den Bildsensor 6. Die Lichtflecken sind daher kreisförmig. Wiederum entstehen in Überlappungsbereichen der Lichtkegel Mischfarben. In dem in Fig. 3 dargestellten Ausführungsbeispiel projizieren die LEDs 3, 4 und 5 in den Farben Rot, Grün und Blau ihr Licht von schräg unterhalb des Rückschwingspiegels 7 fast senkrecht auf den Bildsensor 6. Die Lichtflecken R, G und B sind daher im selben Maße fast kreisförmig.
[33] Das Ausführungsbeispiel der Fig. 4 zeigt einen Aufsichtsscanner 11 , bei dem fünf LEDs in den Farben Rot 3, Grün 4, Blau 5 und noch einmal Blau 12 der Sensorzeile 13 gegenüberliegend angebracht sind. Außerdem ist eine weiße LED 14 vorgesehen. Die Anordnung befindet sich im Gehäuse des Scanners oberhalb des Vorlagenglases 15, an der Stelle, an der sich bei gewöhnlichen Scannern häufig eine Einrichtung für einen Weißabgleich befindet.
[34] Wie in Fig. 5 und 6 zu sehen, überlappen sich die Lichtkegel der einzelnen LEDs 3, 4 und 5, in den Ausführungsbeispielen der Fig. 1 bis 3, wobei die Ränder der Kegel allerdings nicht scharf sind, sondern die jeweilige Lichtintensität in einem Übergansbereich auf im Wesentlichen Null abfällt. Dadurch bilden sich in den Überlappungsbereichen 16, 17, 18 und 19 kontinuierlich verlaufende Abstufungen von Mischfarben, einschließlich der Farben Cyan im Überlappungsbereich 16, Magenta im Überlappungsbereich 17, Gelb im Überlappungsbereich 18, und Weiß im Überlappungsbereich 19. Einige dieser Mischfarben werden durch vorbestimmte Messfelder, von denen eines stellvertretend für alle mit dem Bezugszeichen 20 bezeichnet ist, für die Kalibrierung ausgewählt.
[35] Fig. 7 zeigt, wie sich die Farbkegel der LEDs 3, 4, 5 und 14 auch im Ausführungsbeispiel des Aufsichtsscanners der Fig. 4 überlappen. Wiederum entstehen in den Überlappungsbereichen kontinuierlich verlaufende Abstufungen von Mischfarben, einschließlich der Farben Cyan im Überlappungsbereich 16, Magenta im Überlappungsbereich 17 und Gelb im Überlappungsbereich 18. Weiterhin erzeugt die weiße LED einen weißen Lichtfleck. Zur Kalibrierung werden durch vorbestimmte Messpunkte, von denen wiederum einer stellvertretend für alle mit dem Bezugszeichen 21 bezeichnet ist, bestimmte Mischfarben ausgewählt.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur spektralen Kalibrierung eines Bildsensors (6) in einem Bildaufnahmegerät (1, 11), wobei der Bildsensor (6) mit einer Mehrzahl vorbestimmter Lichtspektren beleuchtet wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren die Schritte umfasst:
Bereitstellen eines Bildaufnahmegeräts (1, 11) mit einer darin integrierten Einrichtung zum Bereitstellen der Mehrzahl vorbestimmter Lichtspektren, und
Beleuchten des Bildsensors (6) mit der Mehrzahl vorbestimmter Lichtspektren der
Einrichtung.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren außerdem die Schritte umfasst:
Auslesen von Messwerten des mit den vorbestimmten Lichtspektren beleuchteten
Bildsensors (6),
Vergleichen der Messwerte mit vorbestimmten Sollwerten, und
Ermitteln von Korrekturwerten auf Grundlage des Vergleichs zwischen Messwerten und Sollwerten.
3. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren außerdem den Schritt des Hinzufügens der Korrekturwerte zu Rohdaten eines mit dem Bildaufnahmegerät (1 , 11) aufgenommenen Bildes umfasst.
4. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren außerdem die Schritte umfasst: Anwenden der Korrekturwerte auf ein mit dem Bildaufnahmegerät (1, 11) aufgenommenes Bild, um es in einen Arbeitsfarbraum zu transformieren, und Ausgeben des Bildes.
12
5. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es außerdem den Schritt des Fesdegens eines Weißpunktes umfasst.
6. Bildaufnahmegerät (1, 11) mit einem Bildsensor (6), dadurch gekennzeichnet, dass das Bildaufnahmegerät (1, 11) eine Einrichtung umfasst, die zur spektralen Kalibrierung des Bildsensors (6) eine Mehrzahl vorbestimmter Lichtspektren bereitstellt, mit denen der Bildsensor (6) beleuchtbar ist.
7. Bildaufnahmegerät (1, 11) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung mindestens drei im Wesentlichen monochromatische Lichtspektren bereitstellt, die den Grundfarben Rot, Grün und Blau entsprechen.
8. Bildaufnahmegerät (1, 11) nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung relativ zum Bildsensor (6) so angeordnet ist, dass die Mehrzahl von Lichtspektren sich beim Auftreffen auf den Bildsensor (6) mindestens teilweise überlappen und sich in den Überlappungsbereichen mischen.
9. Bildaufnahmegerät (1, 11) nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung eine Mehrzahl von Lichtquellen (3, 4, 5, 12, 14) umfasst, von denen jede ein Lichtspektrum der Mehrzahl von Lichtspektren erzeugt.
10. Bildaufnahmegerät (1, 11) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung eine Lichtquelle (14) umfasst, die ein im Wesendichen weißes Lichtspektrum erzeugt.
11. Bildaufnahmegerät (1, 11) nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Licht durch mindestens eine Linse und/oder mindestens einen Spiegel (7) von der Einrichtung auf den Sensor projiziert wird.
13
12. Bildaufnahmegerät (1, 11) nach einem der Ansprüche 6 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung innerhalb eines Gehäuses des Bildaufnahmegeräts angeordnet ist.
13. Bildaufnahmegerät (1) nach einem der Ansprüche 6 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Bildaufnahmegerät (1) eine Fotokamera oder eine Videokamera ist.
14. Bildaufnahmegerät (1) nach einem der Ansprüche 6 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Bildaufnahmegerät (1) eine Spiegelreflexkamera mit einem Spiegelkasten ist, und die Einrichtung innerhalb des Spiegelkastens angeordnet ist.
15. Bildaufnahmegerät (11) nach einem der Ansprüche 6 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Aufnahmegerät (11) ein Scanner ist, der eine Vorlage zeilenweise abtastet.
14
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