\chapter{Bilderfassung}

\section{Natürliche Bilder}

Eine Beleuchtungsfunktion ist 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 Fullframe/Interline-CCD-Sensor). Dieser dient dazu, die Informationen zu schützen während sie ausgelesen werden.

\begin{figure}[h]
	\begin{center}
		\includegraphics[width=\textwidth - 4cm]{./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: \newline
		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. Eine Alternative ist CMOS, bei dem die Eindringtiefe für den Farbwert verwendet wird.

\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,

\section{Farbsysteme}\label{sec:Farbsysteme}

Wir unterscheiden zwischen zwischen RGB und CMYK. Setzt man rot, grün und blau auf das Maximum, ergibt sich weiß (Emission). Setzt man Cyan, Magenta und Gelb auf das Maximum, ergibt sich schwarz (Absorption).

Für eine Umrechnungsformel zwischen RGB und CMYK siehe \newline
\url{https://www.rapidtables.com/convert/color/rgb-to-cmyk.html}
