Spektralsensoren für den automatischen Weißabgleich (AWB) verbessern die Farbkonsistenz

Die heutigen Smartphone-Kameras lassen sich in manchen Situationen durch die Farben täuschen. Mehrkanal-Farbsensoren von ams OSRAM sorgen dafür, dass die Bilder bei jeder Aufnahme farblich perfekt sind.

AWB (Automatischer Weißabgleich) ist eine der wesentlichen Techniken, die in Smartphone-Kameras eingesetzt werden, um Farbkonsistenz zu erzielen: Was man auf dem Display des Telefons sieht, sollte der tatsächlichen Szene entsprechen. Nun entdecken Smartphone-Hersteller, dass spektrale Sensorik ein Problem beim automatischen Weißabgleich lösen kann, das in bestimmten, schwer zu handhabenden Szenen aufgetreten ist.
 

Warum Farbkonsistenz für Smartphone-Nutzer wirklich wichtig ist

Erst seit 2007, dem Jahr, in dem Apple sein iPhone® auf den Markt brachte, ist es für Verbraucher ganz normal geworden, eine Digitalkamera überallhin mitzunehmen. Die Kamera entwickelte sich schnell zu einer „Killer-App“ für Smartphones. Dann kamen bildbasierte Apps wie Instagram und TikTok, und was die Fotografie angeht, ist der Rest Geschichte.

Unterstützt durch die beeindruckende Rechenleistung der Prozessoren in heutigen Smartphones kann die Kamera in vielen Innen- und Außenaufnahmen Bilder in nahezu professioneller Qualität liefern. Doch die gestochen scharfe Auflösung und die hohe Farbsensibilität der Kamera betonen nur die Schwächen in der Funktionsweise der Kamera. Eine solche Schwäche, die Smartphone-Nutzern zunehmend auffällt, ist die mangelnde Farbkonsistenz in bestimmten Aufnahmesituationen.

Wenn der Weißpunktbezug falsch ist

Smartphone-Nutzer reagieren besonders empfindlich auf ungenaue Farbwiedergabe bei Fotos von Personen, da Farbabweichungen bei Hauttönen und der Farbe von Kleidung besonders deutlich sichtbar sind.

Im Allgemeinen möchte der Nutzer in einem Bild „naturgetreue“ Farben sehen: Die Objekte im Bild sollten für das menschliche Auge natürlich wirken, wenn sie auf einem hochwertigen Display dargestellt werden. Manche Lichtverhältnisse verzerren jedoch das Erscheinungsbild von Farben und lassen sie unnatürlich aussehen. In der Dämmerung beispielsweise nehmen weiße Farben einen unnatürlich goldenen Farbton an. Unter typischer LED-Beleuchtung im Büro wirken dieselben Farben bläulicher als normal.

Daher wenden Smartphone-Kameras einen Farbkorrekturprozess an, der als automatischer Weißabgleich (AWB) bezeichnet wird und dazu dient, die durchschnittliche Farbe in der Szene neutral erscheinen zu lassen, so wie sie unter typischem natürlichem Licht (d. h. Tageslicht) wirken würde. Um den AWB durchzuführen, muss die Kamera einen Referenzweißpunkt festlegen, oft indem sie ein weißes Objekt in der Szene findet oder eine Technik wie den „Grey-World-Algorithmus“ verwendet. In letzter Zeit werden für den AWB zunehmend Techniken eingesetzt, die auf maschinellem Lernen basieren.

Ein typischer Fall, in dem eine Smartphone-Kamera (Bild links) durch einen einfarbigen Hintergrund in die Irre geführt wird. Das Bild auf der rechten Seite, aufgenommen mit einer Kamera, deren automatischer Weißabgleich durch einen Spektralsensor gesteuert wird, weist die korrekte Farbbalance auf, was sich am natürlichen Aussehen der Blumen zeigt.

Doch diese Techniken, mit denen die Kamera den Farbstich schätzt, können in bestimmten Situationen getäuscht werden, was dazu führt, dass die AWB-Funktion eine falsche Farbkorrektur vornimmt und somit unnatürlich wirkende Farben erzeugt. Dieser Effekt ist besonders deutlich in Aufnahmen vor einem einfarbigen blauen, braunen, violetten oder rosa Hintergrund zu erkennen.

 

Erkennung einer einzigartigen Lichtsignatur

Dank modernster Spektralsensor-Hardware von ams OSRAM können Smartphone-Kameras nun den Weißabgleich verbessern, indem sie wertvolle Zusatzinformationen zu den Lichtverhältnissen liefern.

Jede Lichtquelle hat ihre eigene „spektrale Signatur“: Die spektrale Leistungsverteilung (SPD-Kurve) einer kaltweißen LED-Lampe unterscheidet sich beispielsweise deutlich von der einer warmweißen LED oder von hellem Sonnenlicht.

Spektralsensoren können diese spektrale Signatur erfassen, wodurch die Kamera die Lichtquelle identifizieren und anschließend den entsprechenden Weißabgleich vornehmen kann. Spektralsensoren ermöglichen zudem eine sehr genaue Messung des Farbwerts der fotografierten Szene.

Wenn die Kamera die Lichtquelle kennt, kann sie eine auf diese Lichtquelle abgestimmte Farbkorrektur anwenden. Sie benötigt weder eine Weißpunktreferenz noch überhaupt Informationen, die von den Objekten in der Szene stammen. Alles, was sie benötigt, ist die spektrale Signatur, die die Lichtquelle oder deren entsprechende Farbkoordinaten identifiziert. Die Kamera nutzt dann vorprogrammierte Informationen über die Eigenschaften dieser Lichtquelle, um die entsprechende Korrekturverschiebung auf alle Farben in der Szene anzuwenden.

Zusätzlich zum Weißabgleich helfen spektrale Informationen über die Lichtquelle der Kamera dabei, eine genauere Farbkonvertierungsmatrix (CCM) zu berechnen sowie eine bessere Korrektur von Objektivschatten durchzuführen – beides wesentliche Bestandteile der Bildverarbeitungskette.

Spektralmessungen dieser Art stehen Spezialisten und Fachleuten schon seit langem zur Verfügung: Sie werden mit einem Spektrometer durchgeführt, einem Laborgerät, das viele Tausend Dollar kostet. ams OSRAM hat eine Spektralsensor-Technologie entwickelt, die auf Chip-Ebene implementiert werden kann, wodurch es für Hersteller physikalisch möglich und wirtschaftlich erschwinglich wird, einen Spektralsensor neben dem Bildsensor in die Kamera eines Smartphones zu integrieren.

Durch die Aufteilung des Lichtspektrums in bis zu acht Kanäle kann der Spektralsensor der Kamera den charakteristischen blauen Peak einer kaltweißen LED bei etwa 450 nm oder den charakteristischen roten Peak einer warmweißen LED bei etwa 650 nm erkennen. So kann die Kamera die einzigartige Signatur jeder gängigen Lichtquelle identifizieren und die entsprechenden Farbkorrekturwerte anwenden.

Das Ergebnis? Jedes Mal farbperfekte Bilder, selbst in Szenen, die die Einschätzung des neutralen Weißpunkts durch heutige Kameras täuschen.

Für Smartphone-Hersteller, die das AWB-Problem lösen, winkt eine enorme Belohnung: DXOMARK hat Testergebnisse von Smartphones veröffentlicht, die nach Farbkonstanz und Kameraleistung bewertet wurden: Es hat sich gezeigt, dass Verbraucher Smartphone-Modelle mit überlegener Bildqualität und Farbkonsistenz deutlich bevorzugen.

Genau das bietet die Spektralsensorik von ams OSRAM, sowohl für die AWB-Funktion der Kamera als auch für das Display: Auch hier ermöglicht die Identifizierung der Lichtquelle ein präzises Farbmanagement, sodass die von der Kamera erfassten naturgetreuen Farben auch vom Display naturgetreu wiedergegeben werden – was als „Glass-to-Glass“-Farbkonsistenz bezeichnet wird.

Sprechen Sie noch heute mit ams OSRAM über spektrale Sensorik und erfahren Sie, wie echte Farbkonsistenz den Wert von Smartphone-Kameras der nächsten Generation steigert.

Registrieren Sie sich für unser White Paper

Form wird geladen...

\n