Spektrale Charakterisierung von Farbbildsensoren zur anwendungsspezifischen Kameraparametrierung

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Beschreibung

Die Bestimmung der spektralen Empfindlichkeit eines Farbbildaufnahmesystems, beispielsweise
einer digitalen Kamera, ist eine wichtige Voraussetzung für die modellbasierte Anpassung der
Farbkorrektur an die Beleuchtungsbedingungen in speziellen Anwendungen oder zur Generierung
von Geräteprofilen für ein Farbmanagementsystem.
In dieser Arbeit wurde erstmalig ein Verfahren zur indirekten Bestimmung der spektralen Empfindlichkeit
entwickelt, in die Praxis umgesetzt und untersucht, welches auf einem geringen mittels
Optimierungsmethoden selektierten Farbprobensatz basiert. Das indirekte Verfahren besitzt
gegenüber einem direkten die Vorteile, dass die verwendeten breitbandigen Farbproben zu einer
vergleichsweise höheren Strahlungsleistung am Bildsensor führen, dass diese Proben eher den im
praktischen Einsatz auftretenden Bedingungen entsprechen und dass das Verfahren in der Umsetzung
kostengünstiger ist. Ein wesentlicher Beitrag zur Verbesserung des indirekten Messverfahrens
liegt in der neuen Methode zur automatischen Selektion der für das Verfahren am besten
geeigneten Farbproben. Dieser als Lagrange-Multiplikator-Methode bezeichnete Ansatz zur Selektion
basiert auf einer analytischen Untersuchung des quadratischen Optimierungsproblems und
liefert einen optimalen Probensatz für die gewählte Messaufgabe. Die Ergebnisse des indirekten
Verfahrens wurden denen eines direkten Verfahrens gegenübergestellt. Die beiden Ergebnisse weisen
eine sehr hohe Ähnlichkeit auf und können im Rahmen der Messungenauigkeit als identisch
betrachtet werden. Eine weitere Bestätigung der Ergebnisgüte wurde durch einen Vergleich basierend
auf einem Testfarbprobensatz geliefert. Die gezeigten Resultate qualifizierten das entwickelte
indirekte Messverfahren zum Einsatz in der täglichen Praxis. Dabei ließ sich der zusätzliche Vorteil
eines geringen Kalibrieraufwands nachweisen.
Als weiterer Kernpunkt wurden neue Methoden zur modellbasierten Optimierung von Farbkorrektur-
Transformationen entwickelt und bisherigen Ansätzen aus der Literatur gegenübergestellt.
Das angesetzte spektrale Modell erlaubt unter Nutzung der indirekt bestimmten Empfindlichkeiten
eine hohe Flexibilität in der Berücksichtigung realer Lichtquellen, definierter Normlichtarten,
Testkarten und vermessener realer und generierter virtueller Objektspektren zur optimalen Anpassung
der Farbreproduktion an bestimmte Anwendungsbedingungen. Um neben der Farbtreue
auch die Wirkung einer Transformation auf das Signal-Rausch-Verhältnis in den Bilddaten zu
optimieren, wurde ein neuer Ansatz zur Integration einer empfindungsgemäßen Bewertung des
Rauschens in die quadratische Optimierung präsentiert. Des Weiteren wurde eine neue als Triplematrix
bezeichnete Methode zur optimalen Farbkorrektur für mehrere und variierende Aufnahmebeleuchtungen
vorgestellt. Zur dynamischen Anpassung der Farbkorrektur, einem automatischen
Weißabgleich, lässt sich die Triplematrix in direkter Verbindung mit verschiedenen veröffentlichten
Farbkonstanzalgorithmen nutzen. Die praktische Anwendbarkeit der entwickelten Methoden
wurde beispielsweise anhand eines Dermatoskopiesystems gezeigt.