Bildentstehung und Sensoren

Dieses Thema behandelt die physikalischen und technischen Grundlagen der Bilderfassung, von der Blendenöffnung über Bildsensoren bis hin zu aktiven 3D-Sensoren. Es legt das Fundament für das Verständnis, wie Kameras die Realität als digitale Daten abbilden.

Relevanz: Prüfungsrelevant sind konzeptionelle Erklärungen und die Abgrenzung der Sensor-Typen mit ihren Vor- und Nachteilen sowie typischen Anwendungen. Keine Detail-Formeln erforderlich.

• Blendenöffnung (Aperture): Eine grosse Blende lässt mehr Licht herein (helles Bild) und erzeugt eine geringe Tiefenschärfe (Bokeh). Eine kleine Blende ergibt ein dunkleres Bild, aber eine grosse Tiefenschärfe.
• Bayer-Sensor & Demosaicing: Ein einzelner Sensor mit RGGB-Farbfilter-Mosaik (50% Grün, 25% Rot, 25% Blau) erfasst pro Pixel nur eine Farbe. Demosaicing interpoliert die fehlenden Farbwerte aus benachbarten Pixeln, was zu einem leichten Auflösungsverlust führt.
• CCD vs. CMOS: CCD liest Ladungen zentral aus (höherer Stromverbrauch, langsamer, teurer). CMOS hat pro Pixel eine eigene Ausleseschaltung (geringer Stromverbrauch, schneller, günstiger) – heute der Standard.
• Aktive 3D-Sensoren: Im Gegensatz zu passiven Kameras senden aktive Sensoren selbst Energie aus (Licht, Radar), um Tiefeninformation zu gewinnen. Beispiele: LiDAR, Time-of-Flight, Structured Light.

• Blendenöffnung (Aperture)Öffnung des Objektivs, die bestimmt, wie viel Licht auf den Sensor fällt; beeinflusst Helligkeit und Tiefenschärfe.
• Tiefenschärfe (Depth of Field)Der Bereich vor und hinter dem Fokuspunkt, der scharf abgebildet wird; wird durch die Blende gesteuert.
• Bayer-SensorBildsensor mit einem RGGB-Farbfiltermuster, bei dem jedes Pixel nur eine einzige Farbe (R, G oder B) misst.
• Demosaicing (Debayering)Algorithmus zur Interpolation der fehlenden Farbwerte auf einem Bayer-Sensor aus den Werten benachbarter Pixel.
• CCD (Charge Coupled Device)Bildsensor-Technologie, bei der gesammelte Ladungen zeilenweise zu einem zentralen Analog-Digital-Konverter weitergereicht werden.
• CMOS (Complementary Metal-Oxide Semiconductor)Bildsensor-Technologie, bei der jedes Pixel eine eigene Verstärker- und Ausleseschaltung besitzt; heute dominierender Standard.
• LiDAR (Light Detection and Ranging)Aktiver 3D-Sensor, der Laserpulse aussendet und deren Laufzeit misst, um präzise Distanz- und Punktwolkendaten zu erzeugen.
• Time-of-Flight (ToF)Aktives Sensorprinzip, das die Laufzeit von ausgesendetem (Infrarot-)Licht misst, um pro Pixel eine Tiefeninfo zu berechnen (z.B. iPhone LiDAR, Face ID).
• Structured LightAktives 3D-Verfahren, das ein bekanntes Lichtmuster auf die Szene projiziert und dessen Verformung auswertet, um Tiefe zu berechnen (z.B. Kinect v1, Industriescanner).
• RADARAktiver Sensor, der Radiowellen aussendet; robust gegenüber Wetter und Dunkelheit, typisch in der Fahrzeugumfelderkennung. ---