\chapter{Bilderfassung}

\section{Natürliche Bilder}

Eine Beleuchtungsfunktion sit analog, kontinuierlich/stetig, sodass Intensität $I(x,y) \rightarrow$ 2D, kontinuierlich. Ein Sensor erfasst ein Bild und digitalisiert es, wodurch wir eine diskrete Funktion $g(m,n)$ erhalten.

\subsection{Sensoren}
Die Auflösung eines Sensors wird in \acs{dpi} (Punkte pro Länge) angegeben.
Wir unterscheiden zwischen:

\columnratio{0.4}
\begin{paracol}{2}
	\begin{itemize}[noitemsep]
		\item \textbf{Durchleuchtung}  (z.B. Röntgen, \autoref{fig:durchleuchtung})
		\begin{itemize}[noitemsep]
			\item Absorption
			\item Streuung              
			\item Rückstreuung
			\item Rauschen
		\end{itemize}
		\item \textbf{Beleuchtung} (\autoref{fig:beleuchtung})
		\begin{itemize}[noitemsep]
			\item Reflektion
			\item Schatten              
			\item Oberflächen
		\end{itemize}  
	\end{itemize}
	
	\switchcolumn
	\begin{figure}
		\begin{center}
			\includegraphics[width=40mm]{./Bilder/Sensor_Durchleuchtung.png}
		\end{center}
		\caption{Sensor -- Durchleuchtung (Röntgen)}
		\label{fig:durchleuchtung}
		\begin{center}
			\includegraphics[width=40mm]{./Bilder/Sensor_Beleuchtung.jpg}
		\end{center}
		\caption{Sensor -- Beleuchtung}
		\label{fig:beleuchtung}
	\end{figure}
\end{paracol}


\subsection{Sensor: CCD (Charge Coupled Device)}

Ein \ac{CCD} Sensor ist ein Halbleiter Bildsensor bestehend aus eine großen Anzahl an fotosensitiven Elementen (Zellen/Pixeln). Meist wird Silizium als Halbleiter verwendet. \autoref{fig:ccd_physik} zeigt die Physik hinter diesem Sensor.

\begin{figure}[h]
	\begin{center}
		\includegraphics[width=\textwidth - 4cm]{./Bilder/CCD_Physik.png}
	\end{center}
	\caption{CCD -- Physik}
	\label{fig:ccd_physik}
\end{figure}

Jedes Element (Pixel) sammelt elektrische Ladungen, die durch das Absorbieren von Photonen (also des einfallenden Lichts) erzeugt wird. Dies ist möglich, da die Photonen Elektronen des P-Dotierten Halbleiters vom Valenz- ins Leitungsband heben. Hierdurch entstehen Elektronen-Loch-Paare. Diese Ladungen werden nacheinander von Sensorelement zu Sensorelement über den Chip in einen mit schwarzer Folien abgedeckten Bereich transportiert (Stichwort Interline-CCD-Sensor). Dieser dient dazu, die Informationen zu schützen während sie ausgelesen werden.

\begin{figure}[h]
	\begin{center}
		\includegraphics[width=\textwidth - 5cm]{./Bilder/CCD_Elemente.png}
	\end{center}
	\caption{CCD -- Gitter}
	\label{fig:ccd_gitter}
\end{figure}

Es ist anzumerken, dass \ac{CCD} Sensoren anfällig sind für verschiedene Arten von Rauschen:

\begin{itemize}[noitemsep]
	\item Photonenrauschen $n(\gamma) \sim n(e)\pm\sqrt{n(e)}$ \newline
	 (poissonverteilt; Verbesserung durch gute Beleuchtung)
	\item \acs{CCD} Rauschen / Dunkelstromrauschen: Elektronen lösen sich ungewollt durch Wärmeeinfluss (Verbesserung durch Kühlen)
	\item Verstärker-Rauschen (Verbesserung durch geringere Verstärkung)
	\item Quantisierungs-Rauschen (Analog/Digital)
\end{itemize}

Wie können nun Farben auf dem \ac{CCD} unterschieden werden? Bei 1-CCD kann hierfür eine sogenannte Bayer-Maske verwendet werden\index{Bayer-Maske}, wie in \autoref{fig:bayer_maske} dargestellt. Bei dieser Maske ist jedes Pixel in 4 Subpixel eingeteilt, zwei davon grün und eins jeweils blau und rot. Hierdurch wird das einfallende Licht gefiltert und es ist möglich, Farben zu messen und zu speichern (siehe \autoref{sec:Farbsysteme}).

\begin{figure}[h]
	\begin{center}
		\includegraphics[width=6cm]{./Bilder/Bayer_Maske_2.png}
	\end{center}
	\caption{CCD -- Bayer Maske}
	\label{fig:bayer_maske}
\end{figure}

Dies führt uns zur Pixellüge: Bei 4~Mio. Pixel sind 2~Mio. grün, 1~Mio. rot und 1~Mio. blau. Es gibt somit doppelt so viele grüne wie rote und blaue Pixel.

Die andere Variante ist 3-CCD, wie in \autoref{fig:drei_ccd} gezeigt wird. Hierbei gibt es drei Sensoren, die jeweils für eine der Farben rot, blau und grün zuständig sind.

\begin{figure}[h]
	\begin{center}
		\includegraphics[width=\textwidth-4cm]{./Bilder/3-CCD.png}
	\end{center}
	\caption{3-CCD}
	\label{fig:drei_ccd}
\end{figure}


Was sollten wir Lernen?
TODO 
CCD Sensor, PhotoEffekt, Photonenrauschen (Poisson Statistik),, Phononen/CCD Rauschen, Verstärker/Quantisierungsrauschen, Bayer Maske,

