Quelltext der Seite Plenoptische Kamera

[[Datei:Plenoptic function b.svg|mini|hochkant|Plenoptische Funktion]]
Eine '''plenoptische Kamera''', auch '''Lichtfeldkamera''' genannt, erfasst neben den üblichen 2 Bilddimensionen eine weitere, nämlich die Richtung einfallender Lichtstrahlen. Durch die zusätzliche Dimension enthalten plenoptische Aufnahmen Informationen über die Bildtiefe.

Der besondere Vorteil plenoptischer Kameras liegt in der theoretisch unendlichen Schärfentiefe und der Möglichkeit der Refokussierung, also der nachträglichen Verschiebung der [[Schärfeebene]] im Objektraum ([[Fokusvariation]]). Durch die zusätzliche Tiefeninformation kann eine plenoptische Kamera auch als [[3D-Kamera]] verwendet werden.

Entscheidend für die Funktion plenoptischer Kameras ist, dass dieselbe Szene aus mehreren Blickwinkeln erfasst wird. Dabei ist es irrelevant, ob ein Array aus konventionellen Kameras die Szene erfasst, oder die verschiedenen Blickwinkel innerhalb der Kamera erzeugt werden – z.&nbsp;B. durch einen Array aus Mikrolinsen vor dem [[Bildsensor]].

Die Entwicklung plenoptischer Systeme basiert auf theoretischen Überlegungen des Physikers [[Gabriel Lippmann]], der das Konzept 1908 vorstellte.<ref>G. Lippmann: ''Épreuves réversibles donnant la sensation du relief''. In: ''Journal de Physique Théorique et Appliquée'', [http://jphystap.journaldephysique.org/articles/jphystap/abs/1908/01/contents/contents.html vol. 7 (1908)], S.&nbsp;821, [[doi:10.1051/jphystap:0190800700821009]]</ref>

== Plenoptische Funktion ==
Die Verteilung der Strahldichte entlang von Lichtstrahlen in einem Bereich des dreidimensionalen Raums, die durch statische, zeitlich nicht veränderbare Lichtquellen hervorgerufen wird, bezeichnet man als plenoptische Funktion.<ref>{{Literatur |Autor=Edward H. Adelson, James R. Bergen |Hrsg=M. Landy, J.&nbsp;A. Movshon |Titel=The plenoptic function and the elements of early vision |Sammelwerk=Computation Models of Visual Processing |Verlag=MIT Press |Ort=Cambridge |Datum=1991 |ISBN=0-262-12155-7 |Seiten=3–20 |Online=[http://web.mit.edu/persci/people/adelson/pub_pdfs/elements91.pdf PDF] |Abruf=2011-10-23}}</ref> Die plenoptische Funktion ist eine idealisierte Funktion, die in der [[Bildverarbeitung]] und der [[Computergrafik]] genutzt wird, um ein Bild zu einem bestimmten Zeitpunkt aus jeder beliebigen Position aus jedem Blickwinkel zu beschreiben, also unabhängig von der Position des Betrachters und Kameraparametern wie [[Blende (Optik)|Blende]] und [[Entfernungseinstellung]].

Praktisch wird die plenoptische Funktion nicht genutzt, jedoch ist sie sinnvoll, um verschiedene andere Konzepte der Bildverarbeitung und der Computergrafik zu verstehen. Eine Gerade (Strahl) wird durch einen Punkt auf dem Strahl (drei Koordinatenwerte) und die Richtung des Strahls (zwei Winkel) beschrieben. Da der Punkt längs des Strahls verschoben werden kann, geben seine drei Koordinaten effektiv nur zwei Freiheitsgrade wieder. Daher ist die plenoptische Funktion vierdimensional. [[Wellenlänge]], [[Polarisationswinkel]] und die Zeit können gegebenenfalls als weitere Variable betrachtet werden, wodurch weitere Dimensionen hinzukommen.

== Plenoptische Kamera ==
[[Datei:Ars Electronica Festival 2013 Lytro light-field photography 03.jpg|mini|Linsengitter einer plenoptischen Kamera]]
Durch ein Linsengitter vor dem Bildsensor wird jeder [[Pixel|Bildpunkt]] nochmals gebrochen und zu einem Kegel erweitert, der kreisförmig auf die Sensorfläche trifft. Dies verrät, aus welcher Richtung der [[Lichtstrahl]] ursprünglich kam: Ein senkrecht auftreffender Lichtstrahl landet im Mittelpunkt des Kreises, ein schräg eintreffender weiter am Rand. So kann mit einer Software die Schärfe nachträglich neu berechnet und wie bei einem herkömmlichen Objektiv der Brennpunkt geändert werden. Die Informationen aus einer Szene müssen auf mehreren Bildpunkten des Kamerachips abgebildet werden, damit die Informationen über die Richtung des einfallenden Lichtstrahls genutzt werden kann. Daher geht mit dieser Methode eine Verringerung der effektiven Auflösung des Kamerasensors einher.

== Umsetzungen ==
=== Universität Stanford ===
Ein Team an der [[Stanford University]] verwendet eine 16-[[Megapixel]]-Kamera mit einem 90.000-Mikrolinsen-Array, das heißt, jede Mikrolinse belichtet etwa 175 Pixel.<ref>{{Literatur |Autor=Ren Ng, Marc Levoy, Mathieu Brédif, Gene Duval, Mark Horowitz, Pat Hanrahan |Titel=Light Field Photography with a Hand-held Plenoptic Camera |Sammelwerk=Stanford Tech Report CTSR 2005-02 |Datum=2005 |Kommentar=Bericht über die Erstellung und nachträgliche Verarbeitung plenoptischer Kamerabilder |Online=[http://graphics.stanford.edu/papers/lfcamera/lfcamera-150dpi.pdf PDF] |Abruf=2011-10-23}}</ref><ref>[http://graphics.stanford.edu/papers/lfcamera/lfcamera.wmv Video: Light Field Photography with a Hand-held Plenoptic Camera.] ([[Windows Media Video|WMV]]; 9,3&nbsp;MB)</ref>

=== Adobe ===
Ein Entwurf der amerikanischen Firma [[Adobe Inc.|Adobe]] verwendet 19 Linsen in Kreisanordnung und belichtet damit einen 100-Megapixel-Sensor, so dass jedes Bild etwa 5-Megapixel-Auflösung erreicht.<ref>{{Internetquelle |archiv-url=https://web.archive.org/web/20080117075834/http://www.time4.com/time4/microsites/popsci/howitworks/lightfield_camera.html |archiv-datum=2008-01-17 |url=http://www.time4.com/time4/microsites/popsci/howitworks/lightfield_camera.html |werk=Popsci.com |titel=PopSci’s How It Works – 100 Megapixel Camera |autor=Jonathon Keats, Kris Holland, Gary McLeod |sprache=en |zugriff=2011-10-23}}</ref>

=== Raytrix ===
Eine plenoptische Kamera für den Einsatz in Industrie und Forschung, die von der deutschen Firma Raytrix seit 2010 kommerziell vertrieben wird, verwendet ein Linsenraster aus drei unterschiedlichen Linsen, die sich in ihrer Brennweite unterscheiden. Jede Mikrolinse deckt dabei drei bis sechs Bildpunkte auf dem Kamerasensor ab. Dadurch ist die effektive Auflösung der Kamera nur um den Faktor drei bis sechs geringer als die Auflösung des Sensorchips.<ref>{{Internetquelle |autor=Christian Perwaß, Lennart Wietzke |url=http://www.raytrix.de/tl_files/downloads/Raytrix_Intro_LightField_100124_web.pdf |titel=The Next Generation of Photography: An Introduction to Light Field Photography |hrsg=Raytrix GmbH |datum=2010-01 |zugriff=2014-02-04 |format=PDF |archiv-url=https://web.archive.org/web/20111027071447/http://raytrix.de/tl_files/downloads/Raytrix_Intro_LightField_100124_web.pdf |archiv-datum=2011-10-27 |offline=ja }}</ref>

=== Lytro ===
[[Datei:Ars Electronica Festival 2013 Lytro light-field photography 05.jpg|mini|Lytro-Kamera]]
Von der amerikanischen Firma [[Lytro Inc.|Lytro]] wurde ab dem April 2012 eine Lichtfeldkamera für den Konsumentenbereich vertrieben.<ref>{{Webarchiv|url=https://www.lytro.com/camera |wayback=20111104052005 |text=lytro.com }}</ref><ref>[https://shop.heise.de/katalog/scharfmacher-5 ''Scharfmacher – Lytro Lightfield Camera im Test''.] heise.de</ref> Dieses Modell hat einen siebenfachen optischen Zoombereich, eine fest eingestellte, durchgehende [[Blendenzahl]] von 2,0, einen berührungsempfindlichen Bildschirm und einen internen Speicher von 8 oder 16 Giga[[byte]] für farbige Einzelbildaufnahmen.<ref>[https://www.test.de/Lichtfeldkamera-Lytro-Vorbote-der-Revolution-4405889-4405895/ Lichtfeldkamera von Lytro], [[test.de]] vom 28.&nbsp;Juni 2012, abgerufen 19.&nbsp;November 2012</ref> Die effektive [[Bildauflösung]] beträgt bei einer [[Dateigröße]] von zirka 20 Megabyte 540 mal 540 Bildpunkte (dies entspricht 0,29 Megapixel), was für Demonstrationszwecke, jedoch nicht für hochwertige Reproduktionen geeignet ist.<ref>[https://www.test.de/Lichtfeldkamera-Lytro-Vorbote-der-Revolution-4405889-0/ Lichtfeldkamera von Lytro: Vorbote der Revolution], [[test.de]] vom 28.&nbsp;Juni 2012, abgerufen 19.&nbsp;November 2012</ref> Bei rund 11&nbsp;Millionen registrierten Bildpunkten<ref>{{Webarchiv|url=https://www.lytro.com/specs |wayback=20121120111022 |text=Lytro – Camera Specs – Light field resolution }} Lytro, abgerufen 20.&nbsp;November 2012</ref> ergibt sich ein Verhältnis von sechs mal sechs (36) Lichtstrahlen pro Bildpunkt.

Im April 2014 wurde das Nachfolgemodell Illum vorgestellt, das einer klassischen Kamera ähnelt.<ref>[https://www.theguardian.com/technology/2014/apr/22/lytro-illum-camera-refocus-blurred-photos ''Lytro Illum camera lets users refocus blurred photos after shooting''.] theguardian.com, 22. April 2014, abgerufen am 23. April 2014</ref> Sie soll eine höhere Bildauflösung von maximal 4&nbsp;MP bei 2D-Bilddateien haben.<ref>{{Webarchiv|url=https://support.lytro.com/hc/en-us/articles/201825730-What-are-the-specs-on-the-Lytro-ILLUM-camera- |wayback=20140424092755 |text=Technische Daten Lytro Illum }}, abgerufen am 23. April 2014</ref>

Im April 2016 hatte die Firma Lytro angekündigt, sich aus dem Endkundengeschäft für Lichtfeldkameras wegen mangelnder Absatzmöglichkeiten zurückziehen zu wollen<ref>{{Internetquelle |autor=Christoph Jehle |url=https://www.heise.de/newsticker/meldung/Lytro-gibt-Endkundengeschaeft-fuer-Lichtfeldkameras-auf-3164182.html |titel=Lytro gibt Endkundengeschäft für Lichtfeldkameras auf |werk=Heise Online |hrsg=Heise Medien |datum=2016-04-07 |zugriff=2016-04-07 |format=}}</ref> und sich von nun an auf den professionellen TV- und Video Markt zu konzentrieren. Die neue Lichtfeldkamera Lytro Cinema ermöglicht eine Auflösung von 755 Megapixeln, einen Dynamik-Umfang von 16 Blendenstufen, 40k-Videos und 300 fps<ref>{{Internetquelle |autor=Christoph Jehle |url=https://www.heise.de/newsticker/meldung/Lytro-Cinema-Lichtfeld-Kamera-mit-755-Megapixel-und-40k-Video-3171998.html |titel=Lytro Cinema – Lichtfeld-Kamera mit 755 Megapixel und 40k-Video |werk=Heise Online |hrsg=Heise Medien |datum=2016-04-13 |zugriff=2016-04-13 |format=}}</ref>. Die Firma gab am 28. März 2018 bekannt, die Geschäftstätigkeit einzustellen.<ref name="Blog-Auflösung">{{Internetquelle |url=http://blog.lytro.com/to-the-cinematic-and-vr-community-live-long-and-prosper/ |titel=To the Cinematic and VR Community, Live Long and Prosper |zugriff=2018-03-29 |sprache=en |archiv-url=https://web.archive.org/web/20180327233115/http://blog.lytro.com/to-the-cinematic-and-vr-community-live-long-and-prosper/ |archiv-datum=2018-03-27 |offline=ja |archiv-bot=2022-12-28 14:05:30 InternetArchiveBot }}</ref>

==== Beispielaufnahmen ====
Eine Nahaufnahme einer Tastatur mit einer plenoptischen Kamera mit Reproduktionen bei vier verschiedenen Entfernungseinstellungen:<ref>Vergleiche auch: [https://www.youtube.com/watch?v=D67UN7PeE4E Nahaufnahme von Tasten einer Computer-Tastatur mit einer Lichtfeldkamera von Lytro]</ref>

<gallery widths="270" heights="270">
   AltGr1.jpg
   AltGr2.jpg
   AltGr3.jpg
   AltGr4.jpg
</gallery>

Eine Aufnahme einer Klaviatur mit einer plenoptischen Kamera mit Reproduktionen bei fünf verschiedenen Entfernungseinstellungen:<ref>Vergleiche auch: [https://www.youtube.com/watch?v=68zrZiKGN2k Lytro light field camera – Piano Player]</ref>

<gallery widths="270" heights="270">
   Pianist.1.jpg
   Pianist.2.jpg
   Pianist.3.jpg
   Pianist.4.jpg
   Pianist.5.jpg
</gallery>

=== Pelican Imaging ===
Das Unternehmen Pelican Imaging hat im Mai 2013 angekündigt, zusammen mit dem Anbieter von Mobiltelefonen [[Nokia]] eine flache, in ein [[Smartphone]] integrierte Lichtfeldkamera mit einer Matrix von vier mal vier Objektiven auf den Markt zu bringen.<ref>[http://www.pelicanimaging.com/technology/index.html Technology] Pelican Imaging, abgerufen 7.&nbsp;Mai 2013</ref><ref>[https://www.heise.de/newsticker/meldung/Nokia-investiert-in-Lichtfeld-Kameratechnik-1854624.html ''Nokia investiert in Lichtfeld-Kameratechnik''.] heise.de, 2. Mai 2013, abgerufen am 7. Mai 2013</ref>

=== HTC ===
Das HTC One M8 benutzt zur Simulation des Funktionsprinzipes neben dem eingebauten 4-MP-Bildchip einen zweiten Kamera-Chip zum Erfassen der Tiefeninformationen. Mit dieser U-Fokus genannten Funktion ist ebenfalls das nachträgliche Ändern von Tiefenschärfe und Fokusbereichen möglich.<ref>[http://connect.dpreview.com/post/9386067747/htc-launches-one-m8 HTC launches One M8 with new ‘Duo Camera’], dpreview 15. März 2014, online abgerufen am 18. April 2014</ref>

=== Google ===
Googles seit April 2014 für [[Android (Betriebssystem)|Android]]-Geräte verfügbare Kamera-App [[Google Kamera]] ermöglicht im Fotomodus „Lens Blur“ („Fokuseffekt“) das nachträgliche Setzen und Bearbeiten von Tiefenschärfe bei Foto.<ref>[https://www.heise.de/foto/meldung/Google-Kamera-Schaerfentiefe-nachtraeglich-verstellbar-2172915.html Google Kamera: Schärfentiefe nachträglich verstellbar], heise.de. Meldung vom 17.&nbsp;April 2014, online abgerufen am 18.&nbsp;April 2014</ref> Dafür werden keine zusätzlichen Sensoren oder Optiken benötigt. Stattdessen wird aus den dafür notwendigen automatischen Mehrfachaufnahmen eine 3D-Positionierung der Elemente im Bild berechnet, die dann die nachträgliche Bearbeitung erlaubt.<ref>[http://googleresearch.blogspot.de/2014/04/lens-blur-in-new-google-camera-app.html Lens Blur in the new Google Camera app]
Google-Research-Blogeintrag vom 16.&nbsp;April 2014, online abgerufen am 18.&nbsp;April 2014</ref>

=== K{{!}}Lens ===
Das Saarbrücker Unternehmen K{{!}}Lens entwickelt ein plenoptisches Wechselobjektiv für Standard-DSLRs und Systemkameras.<ref>{{Internetquelle |url=https://www.k-lens-one.com/ |titel=K{{!}}Lens GmbH - The third dimension in image acquisition |abruf=2021-12-01}}</ref><ref>{{Internetquelle |autor=<!--markus--> |url=http://lightfield-forum.com/2019/04/klens-presents-first-sample-photos/ |titel=K{{!}}Lens presents first sample photos |werk=LightField Forum |datum=2019-04-19 |sprache=en-US |abruf=2021-12-01}}</ref> Grundlage dafür bilden Forschungen aus dem [[Max-Planck-Institut für Informatik]].<ref>{{Literatur |Autor=Alkhazur Manakov, John Restrepo, Oliver Klehm, Ramon Hegedus, Elmar Eisemann |Titel=A Reconfigurable Camera Add-On for High Dynamic Range, Multispectral, Polarization, and Light-Field Imaging |Sammelwerk=ACM Transactions on Graphics |Band=32 |Nummer=4 |Datum=2013-07-07 |DOI=10.1145/2461912.2461937 |Seiten=47:1 |Online=https://hal.inria.fr/hal-00835898 |Abruf=2021-12-01}}</ref> Im Gegensatz zu anderen plenoptischen Verfahren benutzt K{{!}}Lens den Kaleidoskop-Effekt statt Mikrolinsen, um das Lichtfeld abzutasten.

== Weblinks ==
* [[b:Digitale bildgebende Verfahren: Bildaufnahme#Plenoptische Kameras|Plenoptische Kameras]], [[Wikibook]] ''Digitale bildgebende Verfahren'', Kapitel ''Bildaufnahme''
* [http://www.3sat.de/page/?source=/nano/technik/199767/index.html Die Kamera der Zukunft. Alle Perspektiven einnehmen bei Filmaufnahmen im Lichtfeld] [[3sat|3Sat]]: [[Nano (Fernsehsendung)|nano]], Sendung vom 30. April 2019
* [https://github.com/hahnec/plenopticam/releases Plenopticam], quell-offene Applikation zur Bildverarbeitung von Lichtfeld-Aufnahmen (beispielsweise Lytro-Bilder)

== Einzelnachweise ==
<references responsive />

[[Kategorie:Kameratechnik]]
[[Kategorie:Computergrafik]]
[[Kategorie:Bildverarbeitung]]