Was ist Weißabgleich-Kalibrierung? Welche sind die beeinflussenden Faktoren?

Automatische Weißabgleich (AWB) ist eine Schlüsseltechnologie in modernen Vision-Systemen. Egal ob drinnen oder draußen, bei unterschiedlichen Lichtverhältnissen, eine konsistente Farbgenauigkeit ist immer eine Herausforderung. Das Verständnis und die korrekte Kalibrierung des AWB sind entscheidend für die Ausgabegüte eines eingebettetes Kameramodul . Dieser Artikel wird die Arbeitsprinzipien des AWB, die wichtigsten Einflussfaktoren, präzise Kalibrierungsmethoden sowie seinen praktischen Nutzen erläutern. Unser Ziel ist es, Ingenieuren zu helfen, eine hervorragende, naturgetreue Farbwiedergabe in Bildern zu erreichen.

Was ist Weißabgleich in einer Kamera?

Automatische Weißabgleich (AWB) ist eine wesentliche Funktion in digitalen Kameras. Ihre Hauptaufgabe besteht darin, den Farbhaushalt eines Bildes automatisch anzupassen. Dadurch wird sichergestellt, dass Weißtöne und andere neutrale Farben unter verschiedenen Lichtbedingungen naturgetreu erscheinen. Der automatische Weißabgleich gleicht Verschiebungen in der Farbtemperatur der Lichtquelle aus. Dies ermöglicht es der Kamera, Farben aufzunehmen, die dem menschlichen Auge ähnlicher sind. Zudem trägt er dazu bei, die Farben auch bei gemischten Lichtquellen oder extremen Lichtverhältnissen natürlich und konsistent zu halten.

Wie funktioniert die AWB-Funktion?

Die prinzip des automatischen Weißabgleichs konzentriert sich auf die Identifizierung und Anpassung weißer oder neutraler Farbbereiche in einem Bild. Wenn die kameramodul diese Bereiche erkennt, justiert sie die Intensität der Rot-, Grün- und Blaukanäle (RGB). Dadurch wird sichergestellt, dass diese Bereiche im fertigen Bild neutral wirken. Dieser komplexe Prozess basiert auf fortschrittlichen Algorithmen, die Bilddaten analysieren und automatisch die erforderlichen Farbkorrekturen berechnen. Einige fortschrittliche Kamera-Systeme können sogar mehrere Lichtquellen erkennen und anpassen, wie z. B. Tageslicht, Leuchtstoffröhren oder Glühlampen. Dies führt zu einer präziseren Farbdarstellung.

AWB ist ein wesentlicher Bestandteil der Kamera- Bildsignalprozessor (ISP) . Die Hauptaufgabe des ISP besteht darin, die tatsächlichen Farben einer Szene auch bei veränderten Lichtverhältnissen originalgetreu wiederzugeben. Eine korrekte AWB-Konfiguration ist für ein integriertes Kameramodul von großer Bedeutung die Ausgabegüte. Sie beeinflusst Dinge wie die Sensorauflösung, die Pixelgröße, Lichtverhältnisse und die Wahl des Objektivs. Im Gegensatz zum menschlichen Auge, das sich automatisch an Farbveränderungen anpasst, benötigen Kameraobjektive ein 'Weißabgleich', um diesen Prozess nachzuahmen. Dadurch wird sichergestellt, dass das Ausgabebild so natürlich und realistisch wie möglich wirkt.

Welche Faktoren beeinflussen die Implementierung des automatischen Weißabgleichs (AWB)?

Für die AWB-Funktion damit die Kamera gut funktioniert, muss sie genau verstehen, wie sich Farben bei unterschiedlichen Farbtemperaturen verändern. Die Idee des farbtemperatur stammt von der Farbe des Lichts, das von theoretischen Schwarzkörper-Strahlern bei verschiedenen Temperaturen ausgestrahlt wird. Sie wird üblicherweise in Kelvin gemessen. Unterschiedliche Kelvin-Werte entsprechen verschiedenen Lichtquellen und deren typischen Farbatmosphären. Beispielsweise beträgt die Farbtemperatur von natürlichem Tageslicht etwa 5500 K, während das wärmere Licht von Glühlampen bei etwa 2800 K liegt. Der Haupt zweck des automatischen Weißabgleichs (AWB) besteht darin, sicherzustellen, dass weiße Objekte, die von der Kamera aufgenommen werden, bei diesen unterschiedlichen Farbtemperaturen auf dem Bild tatsächlich weiß erscheinen.

Neben der Farbtemperatur, AWB-Implementierung hängt auch von den Algorithmen des ISPs ab. Sie wird zudem stark von den spezifischen Eigenschaften des Objektivs beeinflusst. Um somit optimale AWB-Ergebnisse zu erzielen, ist eine synergische Kalibrierung zwischen Objektiv und Kamera-Sensor erforderlich. Diese entscheidende Zusammenarbeit umfasst Faktoren wie das Objektivmaterial, eingebaute Filter, den Chief Ray Angle (CRA) sowie die antireflektierenden Beschichtungen des Objektivs.

Wie beeinflusst das Objektiv die AWB?

Das Objektiv ist mehr als nur ein optisches Bauteil zur Bildgebung. Es spielt eine entscheidende Rolle bei der Erzielung genauer Farben. Das Material, das Design und die Beschichtung des Objektivs beeinflussen das Licht, das hindurchtritt. Dies wirkt sich wiederum direkt auf die Lichtfarbe aus, die der Kamera-Sensor empfängt. Letztendlich bestimmt dies, wie gut die AWB-Algorithmen farbkorrekturen vornehmen können.

Linsenmaterial

Das Linsenmaterial kann aus Kunststoff oder Glas sein. Verschiedene Materialien brechen und streuen das Licht unterschiedlich. Diese Eigenschaften können die Verteilung der Lichtwellenlängen verändern und somit die Gesamtfarbdarstellung beeinflussen. Beispielsweise können Kunststofflinsen stärkere Farbverzerrungen (chromatische Aberration) verursachen als Glaslinsen. Das bedeutet, dass AWB-Algorithmen speziell dafür eine Kompensation leisten müssen.

Farbspektralfilter

In die Linsen eingebaute Filter steuern genau, welche Lichtwellenlängen den Sensor erreichen. Die Qualität und Art dieser Filter beeinflussen direkt das Farbgleichgewicht, insbesondere während der automatischen Weißabgleich-Justierung prozess.

Hauptstrahlwinkel (cra)

CRA beschreibt den Winkel, unter dem Lichtstrahlen die Linse durchdringen und den Sensor treffen. Bei Weitwinkellinsen ist CRA besonders wichtig. Dies liegt daran, dass es die Lichtverteilung und Farbgleichmäßigkeit beeinflusst, insbesondere an den Bildrändern. AWB-Algorithmen müssen CRA berücksichtigen, um sicherzustellen, dass die Farbkorrektur im gesamten Bild einheitlich ist.

Antireflexbeschichtungen

Spezielle antireflektierende Beschichtungen auf Linsen zielen darauf ab, interne Reflexe zu minimieren. Diese Beschichtungen verbessern die Lichtdurchlässigkeit, steigern den Kontrast und reduzieren unerwünschtes Blendlicht und Ghosting. Die Qualität dieser Beschichtungen wirkt sich direkt auf die Menge und Qualität des Lichts aus, das den Sensor erreicht. Dies beeinflusst wiederum die AWB-Leistung . Für optimale AWB-Ergebnisse benötigt das Objektiv eine präzise Kalibrierung mit dem Kamera-Sensor und ISP.

Wie führt man die automatische Weißabgleich-Kalibrierung in einem Embedded-Vision-System durch?

Auto-Weißabgleich-Kalibrierung haben beinhaltet eine sorgfältige Feinabstimmung des Bildsignalprozessors (ISP) der Kamera und der zugehörigen Linsen. Das Ziel ist es, Farbtemperaturveränderungen verschiedener Lichtquellen sowie die subtilen Effekte, die Linsen auf die Farbwiedergabe haben, zu korrigieren. Hier sind die detaillierten Schritte, die typischerweise im AWB-Kalibrierungsprozess durchgeführt werden.

Auswahl der Farbtemperatur und Aufnahme von Bildern

Zunächst werden unter spezifischen, vorab festgelegten Farbtemperaturen eine Reihe von Testbildern aufgenommen. Dazu gehören in der Regel gängige Beleuchtungsarten wie Tageslicht, Leuchtstofflicht und Glühlampenlicht. Dieser Schritt simuliert die unterschiedlichen realen Beleuchtungsumgebungen, mit denen die Kamera möglicherweise konfrontiert wird, und liefert wichtige Daten für die spätere Kalibrierung.

Weißabgleich-Algorithmus anwenden

Als Nächstes wird der ausgewählte AWB-Algorithmen auf die aufgenommenen Testbilder angewendet. Das Ziel des Algorithmus besteht darin, weiße oder neutrale Bereiche innerhalb des Bildes zu erkennen. Anschließend werden die Verstärkungswerte der Roten, Grünen und Blauen (RGB) Kanäle so angepasst, dass diese Bereiche bei unterschiedlichen Farbtemperaturen neutral erscheinen.

Kompensation von Objektiv-Eigenschaften

Da Objektiv-Eigenschaften wie Material, Filter und entspiegelnde Beschichtungen den Farbeindruck subtil beeinflussen können, müssen diese Faktoren berücksichtigt werden. Dies bedeutet in der Regel, Parameter innerhalb des AWB-Algorithmus anzupassen, um spezifisch Farbabweichungen zu korrigieren, die durch das Objektiv verursacht werden.

Feinabstimmung und Optimierung

Während der Kalibrierung kann es erforderlich sein, die Schritte mehrfach zu wiederholen, um die Parameter des AWB-Algorithmus präzise abzugleichen. Dies umfasst häufig die Anpassung von Farbtemperaturschwellen, die Verbesserung der Reaktionsgeschwindigkeit des Algorithmus und die Gewährleistung einer konsistenten Farbdarstellung über eine breite Palette von Lichtbedingungen hinweg.

Validierung und Test

Zum Abschluss bestätigen wir die Wirksamkeit der AWB-Kalibrierung, indem wir die Kamera unter realen Lichtbedingungen testen. Dazu gehören die Aufnahme von Bildern sowohl im natürlichen als auch im künstlichen Licht sowie die sorgfältige Prüfung der Farbgenauigkeit und der allgemeinen Bildqualität.

Für welche Anwendungen ist die Auto-White-Balance-Kalibrierung erforderlich?

Auto-Weißabgleich-Kalibrierung haben ist in vielen Bereichen unerlässlich, insbesondere in eingebetteten Visionssystemen wo eine genaue Farbdarstellung entscheidend ist.

Innenaufnahmen

Bei der Innenraumfotografie arbeiten Profis häufig mit gemischten Lichtquellen – wie natürlichem Licht kombiniert mit künstlicher Beleuchtung. Die Rolle der Automatischen Weißabgleich- (AWB-) Funktion ist hier entscheidend, um sicherzustellen, dass Hauttöne und die Farben der Szene natürlich und harmonisch wirken. Durch eine präzise Kalibrierung des AWB-Algorithmus können Fotografen den Aufwand für umfangreiche Nachbearbeitung stark reduzieren. Sie erhalten Bilder mit exzellenter Farbbalance direkt beim Shooting.

Car Reversing Camera

Rückfahrkameras in Fahrzeugen arbeiten unter ständig wechselnden Lichtbedingungen – von hellem Tageslicht bis hin zu schwachem Licht in der Nacht oder an bewölkten Tagen. AWB-Kalibrierung verbessert die Bildschärfe und Farbgenauigkeit beim Rückwärtsfahren erheblich, insbesondere in herausfordernden Situationen mit schwachem Licht. Die Optimierung des AWB sorgt für eine stets klare und einheitliche Sicht nach hinten und erhöht dadurch direkt die Sicherheit.

Industrielle Prüfung und Sicherheitsüberwachung

In industrielle Inspektion , ist eine präzise Farbwiedergabe entscheidend, um Fehler korrekt zu erkennen. Selbst kleine Farbunterschiede in Textilien oder elektronischen Bauteilen können auf einen Produktfehler hinweisen. Ebenso ist dies in sicherheitsüberwachung , genaue Farbdarstellung hilft dabei, Ziele zu erkennen und Szenen zu analysieren. AWB-Kalibrierung gewährleistet Bildstabilität und Zuverlässigkeit. Es liefert auch in sich dynamisch ändernden Lichtumgebungen hochwertige visuelle Daten.

Welches Standard-Weißabgleichsprofil sollte verwendet werden?

Die meisten mit einem Gehalt an Strom von mehr als 10 W bieten verschiedene standard-Weißabgleich einstellungen, wie z. B. 'Auto', 'Tageslicht', 'Bewölkt', 'Glühlampe' und 'Leuchtstofflampe'. Für die meisten alltäglichen Situationen ist Automatische Weißabgleich (AWB) normalerweise die beste Wahl. Dies liegt daran, dass es intelligent an das Umgebungslicht anpasst. Allerdings kann man in sehr spezifischen und stabilen Lichtverhältnissen durch die manuelle Auswahl eines Standardvorgabeprofils genauere Ergebnisse erzielen. Beispielsweise ist in einem Raum, der nur von Glühbirnen beleuchtet wird, das Vorgabeprofil 'Glühlampe' oft genauer als der Automatikmodus. Für professionelle Anwendungen mit sehr konsistenten Farbanforderungen oder spezifischen Testumgebungen ist es ebenfalls üblich und empfehlenswert, den Weißabgleich manuell festzulegen und zu sperren.

Fazit

Automatische Weißabgleich (AWB) ist ein zentraler und komplexer Teil von eingebetteten Visionssystemen . Sein Erfolg hängt nicht nur von fortschrittlichen ISP-Algorithmen ab, sondern auch von engagierter Teamarbeit und präziser Kalibrierung mit linsen . Ingenieure müssen alles genau verstehen, von der prinzip des automatischen Weißabgleichs bis zu AWB-Kalibrierung schritten, und ihrer entscheidenden Rolle in verschiedenen Anwendungen aus dem realen Leben. Da sich die Technologie ständig verbessert, wird eine präzise AWB weiterhin zu großen Fortschritten bei kameramodul farbwiedergabe. Dies wird zu realistischeren und verlässlicheren visuellen Erlebnissen für Produkte führen – von Verbraucherprodukten bis hin zu komplexen industriellen Systemen.

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