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TeX
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\chapter{Bilderfassung}
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\section{Natürliche Bilder}
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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.
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\subsection{Sensoren}
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Die Auflösung eines Sensors wird in \acs{dpi} (Punkte pro Länge) angegeben.
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Wir unterscheiden zwischen:
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\columnratio{0.4}
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\begin{paracol}{2}
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\begin{itemize}[noitemsep]
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\item \textbf{Durchleuchtung} (z.B. Röntgen, \autoref{fig:durchleuchtung})
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\begin{itemize}[noitemsep]
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\item Absorption
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\item Streuung
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\item Rückstreuung
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\item Rauschen
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\end{itemize}
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\item \textbf{Beleuchtung} (\autoref{fig:beleuchtung})
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\begin{itemize}[noitemsep]
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\item Reflektion
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\item Schatten
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\item Oberflächen
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\end{itemize}
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\end{itemize}
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\switchcolumn
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\begin{figure}
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\begin{center}
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\includegraphics[width=40mm]{./Bilder/Sensor_Durchleuchtung.png}
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\end{center}
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\caption{Sensor -- Durchleuchtung (Röntgen)}
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\label{fig:durchleuchtung}
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\begin{center}
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\includegraphics[width=40mm]{./Bilder/Sensor_Beleuchtung.jpg}
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\end{center}
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\caption{Sensor -- Beleuchtung}
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\label{fig:beleuchtung}
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\end{figure}
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\end{paracol}
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\subsection{Sensor: CCD (Charge Coupled Device)}
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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.
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\begin{figure}[h]
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\begin{center}
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\includegraphics[width=\textwidth - 4cm]{./Bilder/CCD_Physik.png}
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\end{center}
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\caption{CCD -- Physik}
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\label{fig:ccd_physik}
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\end{figure}
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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.
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\begin{figure}[h]
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\begin{center}
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\includegraphics[width=\textwidth - 5cm]{./Bilder/CCD_Elemente.png}
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\end{center}
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\caption{CCD -- Gitter}
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\label{fig:ccd_gitter}
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\end{figure}
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Es ist anzumerken, dass \ac{CCD} Sensoren anfällig sind für verschiedene Arten von Rauschen:
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\begin{itemize}[noitemsep]
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\item Photonenrauschen $n(\gamma) \sim n(e)\pm\sqrt{n(e)}$ \newline
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(poissonverteilt; Verbesserung durch gute Beleuchtung)
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\item \acs{CCD} Rauschen / Dunkelstromrauschen: Elektronen lösen sich ungewollt durch Wärmeeinfluss (Verbesserung durch Kühlen)
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\item Verstärker-Rauschen (Verbesserung durch geringere Verstärkung)
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\item Quantisierungs-Rauschen (Analog/Digital)
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\end{itemize}
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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}).
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\begin{figure}[h]
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\begin{center}
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\includegraphics[width=6cm]{./Bilder/Bayer_Maske_2.png}
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\end{center}
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\caption{CCD -- Bayer Maske}
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\label{fig:bayer_maske}
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\end{figure}
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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.
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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.
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\begin{figure}[h]
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\begin{center}
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\includegraphics[width=\textwidth-4cm]{./Bilder/3-CCD.png}
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\end{center}
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\caption{3-CCD}
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\label{fig:drei_ccd}
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\end{figure}
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Was sollten wir Lernen?
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TODO
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CCD Sensor, PhotoEffekt, Photonenrauschen (Poisson Statistik),, Phononen/CCD Rauschen, Verstärker/Quantisierungsrauschen, Bayer Maske,
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