Diplomarbeit Matthias Milke

Titel:

Automatische Bestimmung des Auflösungsvermögens von Kameras mit Hilfe von Testmustern

Beschreibung:

In der Nahbereichsphotogrammetrie finden neben hochwertigen Messkameras zunehmend preiswertere Kamerakomponenten Verwendung, die sorgfältig kalibriert eine hohe Messgenauigkeit bieten. Eine wichtige Rolle spielt dabei das Auflösungsvermögen solcher Kameras, welches mittels verschiedener Testverfahren bestimmt werden kann. Oft führen Tests eines Objektivs oder einer Kamera zu unterschiedlichen Ergebnissen, was nicht zuletzt an den höheren Fertigungstoleranzen preiswerterer Produkte liegt. Werden in photogrammetrischen Anwendungen hohe Ansprüche an ein solches System gestellt, ist eine individuelle Beurteilung der verwendeten Komponenten wichtig. Das Auflösungsvermögen wird mit dem Verlauf der Kontrastübertragungsfunktion (KÜF) beschrieben. Durch die Abbildung eines einfachen Musters aus schwarzen und weißen Linien gleicher Breite wird der Kontrast einer bestimmten Linienpaarfrequenz in der Abbildung berechnet. Werden immer schmalere Linien abgebildet, die Linienpaarfrequenz also erhöht, führt dies zu einer Kontrastabnahme im Bild (Abb. 1).

Bei der Darstellung des Auflösungsvermögens eines Objektivs werden die Kontrastwerte von 10, 20 und 40 Linienpaaren pro Millimeter (Lp/mm) in Abhängigkeit ihres Abstandes zum Aufnahmezentrum dargestellt (Abb. 2). Hierzu müssen die Kontrastwerte aus verschiedenen Abständen zwischen Bildzentrum und Bildrand ermittelt werden. Zudem wird zwischen den zum Zentrum der Aufnahme gerichteten Linienpaaren (sagittal) und den rechtwinklig dazu orientierten Linienpaaren (tangential) unterschieden. 

Neben zum Teil sehr aufwendigen oder rechenintensiven Testverfahren zur Ermittlung des Auflösungsvermögens existiert auch eine recht einfache anschauliche Methode, die als „Kontrastmessung im Bild eines Testmusters“ bezeichnet wird und in dieser Arbeit angewendet wurde. Die Bestimmung der Kontrastübertragungsfunktion erfolgt dabei nahezu automatisch mit Hilfe eines Matlab - Programms aus der Bilddatei der Kamera. Als Testmuster dient das mit codierten Zielmarken versehene Testchart USAF 51 (Abb. 3 links), welches Bestandteil des hier verwendeten Testfeldes (Abb. 3 rechts) ist. Die Zielmarken werden hier zur automatischen Auswertung der Bilddateien genutzt.

An diesem Testfeld wurden zwei Kameras mit verschiedenen Objektiven bzw. Blendeneinstellungen getestet. Dabei konnten die Kameras vor dem Testfeld durch horizontale bzw. vertikale Verschiebungen und in jede beliebige Position gebracht werden. So war es möglich, Kontrastwerte auch aus randnahen Bereichen der Abbildung zu gewinnen. Durch das Testverfahren konnten Verbesserungen bzw. Verschlechterungen des Auflösungsvermögens bei der Verwendung unterschiedlicher Kameraeinstellungen oder Kamerakomponenten nachgewiesen werden. Für eine Beurteilung der Abbildungsqualität eines Objektivs reichen die Ergebnisse aber noch nicht aus. Die nur aus 2,5 Linienpaaren bestehenden Blöcke des Testcharts sind besonders bei höheren Linienpaarfrequenzen stark abhängig von der Phasenlage auf dem Pixelraster. Dies führt zu größeren Streuungen der Werte. Durch die Zielmarken auf den Testcharts können keine Werte nahe den Bildrändern und aus den Bildecken gewonnen werden. Auch ergaben sich Probleme bei der gleichmäßigen Ausleuchtung des Testfeldes. Durch die Verwendung anderer Testmuster und Beleuchtungspraktiken kann jedoch eine Verbesserung des Testverfahrens erreicht werden.