Forscher am Massachusetts Institute of Technology (MIT) haben eine Sensortechnologie entwickelt, die überbelichtete Bildpartien sicher verhindert. Dabei wird die Belichtungszeit einer jeden Photozelle auf dem Bildwandler automatisch reduziert, sobald diese ihre Sättigungsgrenze erreicht hat. Ein sehr ähnliches Verfahren hat Sony im vergangenen Jahr in den USA patentieren lassen.

Heutige Digitalkameras können einen Dynamikumfang von gut 10 Lichtwertstufen (EV) reproduzieren. Das stellt zwar einen großen Fortschritt gegenüber einem Diafilm dar, der nur eine Dynamik von ca. 6 EV verkraftet, bleibt aber noch weit hinter den Fähigkeiten des menschlichen Auges zurück. Das kann nämlich bereits ohne Adaption einen Kontrastunterschied von ca. 14 EV verarbeiten. Um bei sehr kontrastreichen Motiven zulaufende Schatten oder ausfressende Lichter zu vermeiden, hilft in der Fotografie heute nur ein recht umständliches Verfahren: die Szenerie wird mit einer Belichtungsreihe erfasst, und die so gewonnenen Aufnahmen werden zu einem HDR-Bild mit Zeichnung von den tiefsten Schatten bis in die hellsten Lichter vereint.

Modula Camera: HDR-Bild

Im Gegensatz zu einer (a) herkömmlichen Kamera kann die (b) „Modulo Camera“
einen nahezu unbegrenzten Dynamikumfang aufzeichnen und daraus ein
(c) HDR-Bild generieren.
 

Zwar bieten heute viele Digitalkameras eine HDR-Automatik, die das Verfahren deutlich vereinfacht. Es setzt aber nach wie vor statische Motive sowie eine fixierte Kamera voraus. Forscher am MIT in Boston haben nun eine Technologie vorgestellt, die es ermöglicht, ein HDR-Bild quasi in einem Durchgang aufzunehmen. Dabei wird, grob gesagt, eine Sensorzelle entladen, sobald sie maximal gesättigt ist; unmittelbar danach beginnt die Aufzeichnung erneut. Auf diese Weise stößt eine Sensorzelle niemals an ihre Ladungsgrenze, ausgefressene Lichter werden vermieden. Eine intelligente Signalverarbeitung muss jetzt nur noch festhalten, wie oft die entsprechende Sensorzelle entladen wurde, um aus diesen Daten im Verein mit dem zuletzt gelieferten Spannungswert den endgültigen Helligkeitswert zu berechnen.

Modulo Camera: Blockschaltbild

Herzstück des „Modulo Sensors“ ist ein Pulsfrequenzgenerator, der für jede Photozelle
einen Impuls an den Signalprozessor weiterleitet, sobald deren Sättigung nach Erreichen
ihrer Grenze zurückgesetzt wurde.
 

Die Forscher am MIT haben eine auf diesem Verfahren basierende „Modulo Camera“ entwickelt, eine Bezeichnung, die dem Begriff „modulare Arithmetik“ entlehnt ist. Gegenüber den heutigen HDR-Verfahren erlaubt es die am MIT entwickelte Technologie, ein HDR-Bild aus nur einer Aufnahme zu erzeugen – ein immenser Vorteil bei der Fotografie kontrastreicher Sport- und Actionmotive. Die Forscher am MIT betonen jedoch, dass bis zur Serienreife der neuen Technologie noch einige Jahre ins Land gehen können.

Sony: Sensortechnologie

Auch Sony arbeitet an einem Bildsensor, bei dem die einzelnen Photodioden
unterschiedlich lange belichtet werden können.
 

Für ein ähnliches Verfahren wie am MIT wurde Sony im letzten Jahr in den USA ein Patent erteilt. Dabei besteht allerdings der Sensor nicht aus Photodioden, die ihre Belichtungszeit dynamisch ändern können, sondern aus zwei verschiedenen Arten von Zellen: Die einen dienen der Belichtung auf einen Mittelwert, zusätzliche Sensorzellen zeichnen mit einer stark verkürzten Belichtungszeit auf. Ein nachgeschalteter Prozessor sorgt dann dafür, dass die jeweils korrekt belichteten Pixel als Bild gespeichert werden. Das Verfahren ist sicherlich um einiges simpler als das der Modulo Camera, ließe sich dafür jedoch deutlich schneller realisieren. Zudem beschreibt das Sony-Patent auch, wie sich die Technologie zur nachträglichen Reduktion von Bewegungsunschärfe einsetzen lässt.

Weiterführende Informationen:
Unbounded High Dynamic Range Photography using a Modulo Camera
Patentveröffentlichung von Sony

(Martin Vieten)