Was ist Moiré? Wie können wir das vermeiden?

Was ist der Bildfehler "Moiré"? Was verursacht es und wie können wir es vermeiden oder reduzieren? Handelt es sich um "falsche Farbe"?

Moiré ist eine Form von Aliasing, bei der in einem Bild falsche Muster beobachtet werden können.

Stellen Sie sich einen Leuchtturm vor, der alle 5 Sekunden einen Lichtimpuls aussendet, und eine Kamera (oder einen anderen Beobachter), die den Leuchtturm drei Sekunden lang sieht und dann drei Sekunden lang nicht sehen kann:

lighthouse:        *....*....*....*....*....*....*....*...
observer:          ***...***...***...***...***...***...***

observed pattern:  *...................*....*....*........

Was eigentlich ein regelmäßiges Pulsieren ist, wird aufgrund des zeitlichen Aliasing als ein sehr ungleichmäßiges Muster beobachtet, das dadurch verursacht wird, dass die Abtastfrequenz nahe an der Frequenz des beobachteten Phänomens liegt, sich jedoch von dieser unterscheidet. Dies ist der Grund, warum Wagenräder bei Betrachtung mit einer Filmkamera mit fester Bildrate so aussehen können, als ob sie sich rückwärts drehen.

Moiré ist genau dasselbe Phänomen, ist jedoch eher ein Beispiel für räumliches als für zeitliches Aliasing. Wenn ein Sensor mit einem festen Pixelmuster ein regelmäßiges Licht- und Dunkelmuster wie ein künstliches Fasertuch abbildet, weicht die Gleichmäßigkeit der Fasern einem künstlichen Muster mit einer viel niedrigeren Frequenz (mit größerem Abstand):

Bild von Fir0002 / Flagstaffotos. Lizenz

Aliasing ist am schlimmsten, wenn die Frequenz des Musters nahe an der Abtastfrequenz liegt (der Dichte der Pixel im Sensor). Niederfrequenzmuster sind kein Problem. Ein Anti-Aliasing-Filter verwischt das Bild, wodurch die Häufigkeit der Eingabe und die Wahrscheinlichkeit von Aliasing verringert werden. Der Nachteil ist, dass dadurch auch sich nicht wiederholende Muster verwischt werden, die kein wahrnehmbares Aliasing verursachen würden.

Anstatt die Bildfrequenz durch Unschärfe zu verringern, kann das Aliasing auch durch Erhöhen der Abtastfrequenz, dh mit mehr Megapixeln (ohne Erhöhung der Sensorgröße oder der Linsenschärfe) gemindert werden. Digitale Mittelformatkameras haben viele Megapixel, leiden aber aufgrund schärferer Objektive immer noch unter Aliasing.

Anti-Aliasing-Filter sind standardmäßig in fast allen 35-mm-DSLR-Sensoren eingebaut. Sie können entfernt werden; Ich kenne eine Firma, die das macht:

http://www.maxmax.com/hot_rod_visible.htm

Der Vorteil ist größere Schärfe, aber mehr Moiré. Wenn Sie nur zufällige natürliche Texturen aufnehmen, ist dies wahrscheinlich eine gute Idee. Bei einigen digitalen MF-Kameras und -Rücken fehlt ein AA-Filter. In Anbetracht der Tatsache, wie schlecht Aliasing auf Stoffen sein kann und dass der MF häufig für Mode verwendet wird, ist die Meinung geteilt. Ich bin der Ansicht, dass diese Bilder wahrscheinlich mit riesigen Beleuchtungsaggregaten bei 1: 32 – 1: 45 aufgenommen werden und die Beugung als AA-Filter fungiert.

Moiré kann in der Software reduziert werden, aber normalerweise ist es viel besser, einen AA-Filter zu verwenden. Sie können aufschraubbare Anti-Alias-Filter für Objektive erhalten, wenn Ihrem Sensor ein AA-Filter fehlt.

Moiré ist aufgrund des Demosiacing-Prozesses mit Falschfarben verwandt. Da (die meisten) digitalen Sensoren monochrome Geräte sind, werden über jedem Pixel abwechselnde Farbfilter platziert und die Farben interpoliert, um ein Vollfarbenbild zu erzeugen. Bei der Beobachtung eines Hochfrequenz-Monochrom-Musters können benachbarte Pixel mit unterschiedlichen Farbfiltern Spitzen und Täler im Signal sehen, und dies kann (fälschlicherweise) als unterschiedliche Farben interpretiert werden, die im Eingang vorhanden sind.

In der Digitalfotografie beruht der Moiré-Effekt auf einer Interferenz zwischen feinen Details in der Szene und dem Sensenraster im Sensor. Sie können auch ein Moiré-Muster erhalten, wenn Sie ein Bild für die Anzeige verkleinern. In diesem Fall tritt die Interferenz zwischen den feinen Details im Bild und dem Pixelraster in der Anzeige auf.

In beiden Fällen können Sie mehrere verschiedene Effekte erzielen. Eines ist das Auftreten gekrümmter Linien, selbst wenn die ursprünglichen Daten nur gerade Linien enthalten. Hier ist zum Beispiel ein synthetisches "Bild", das vollständig mit geraden Linien gezeichnet ist, aber fast überall das Aussehen gekrümmter Linien aufweist:

In diesem Fall entstehen gekrümmte Linien hauptsächlich durch die "Treppenstufen" in den Linien, die auftreten, weil eine diagonale Linie in Pixel umgewandelt wird, die in einem horizontalen / vertikalen Raster angeordnet sind. In der Anzeige kann dies (weitgehend) durch Anti-Aliasing verhindert werden - Anti-Aliasing glättet diese Übergänge mithilfe von Pixeln, die teilweise beleuchtet sind. Wenn wir uns einen kleinen Abschnitt der obigen Zeilen ansehen würden, würde einer der Übergänge ungefähr so ​​aussehen:

Dies kann durch Antialiasing der Linie behoben werden, wodurch dieser scharfe Übergang mit einigen mittleren Grauwerten wie folgt gefüllt wird:

So vergrößert sieht die Linie wahrscheinlich nicht viel glatter aus, aber bei normaler Größe gibt es (normalerweise) eine deutliche Verbesserung. Hier ist ein Beispiel von drei Linien, die im selben Winkel gezeichnet wurden: Die obere ohne Antialiasing und die mittlere und die untere ohne Antialiasing mit zwei verschiedenen Algorithmen:

Die meisten Digitalkameras machen ungefähr das Gleiche und filtern das einfallende Licht nur geringfügig. Wenn das Originalbild also scharfe Übergänge wie diese enthält, wird ein kleines Stück Licht in benachbarte Pixel gestreut, damit sie die "Treppenstufen" a ausfüllen können wenig, und vertuschen Sie die Übergänge ähnlich.

Durch diese Lichtstreuung wird das Bild (geringfügig) verwischt und das sichtbare Detail reduziert. Unabhängig von der Menge an AA, die der Hersteller verwendet, wird jemand damit unzufrieden sein. Ein starker AA-Filter stellt sicher, dass Sie keine Details sehen, die im Original nicht vorhanden waren, sondern einige der Details verlieren, die vorhanden warenim Original vorhanden. Mit einem schwächeren AA-Filter können Sie mehr Details vom Original sehen, auf Kosten von (möglicherweise) Details, die im Original jedoch nicht wirklich vorhanden sind. Es ist im Grunde unmöglich, einen "perfekten" AA-Filter herzustellen, der gegen mögliche falsche Details schützt, ohne echte Details zu verlieren. Die meisten gehen Kompromisse ein, verlieren ein wenig echte Details, lassen aber auch ein wenig falsche Details zu. Nicht wenige Online-Foren haben lange Diskussionen darüber geführt, wie stark der AA-Filter in einer bestimmten Kamera oder in einer anderen verwendet wird, normalerweise mit der Behauptung (zumindest impliziert), dass schwächere AA-Filter besser sind.

Für eine lange Zeit enthielten alle Kameras mit Sensoren der Größe APS-C (oder kleiner) einen AA-Filter. Vor einiger Zeit wurden jedoch einige eingeführt, die entweder überhaupt keinen AA-Filter haben oder eine Optik enthalten, um dessen Wirkung zu negieren. Im Moment (Juli 2017) sind dies:

• Nikon D7200, D5500, D5300 und D3300
• Pentax K3 II, KP, K-S2

Die meisten aktuellen Kameras mit 35-mm-Sensoren enthalten auch AA-Filter. Lange Zeit waren die einzigen, die dies nicht taten, die Kodak DSLR / n und DSLR / c. Dann, vor ein paar Jahren, kam Nikon mit dem D800E heraus. Dies hatte keinen AA-Filter ¹ und war erfolgreich genug, so dass der Trend einsetzte, sie aus einigen der High-End-Kameras zu streichen, wie zum Beispiel:

• Canon 5DS R
• Nikon D810, D810A
• Pentax K1
• Sony A7R, A7R II, A99 II

Hinweis: Einige der Pentax-Kameras (sowohl mit APS-C- als auch mit Vollbild-Sensoren) verfügen über einen Sensor-Shift-Bildgebungsmodus, bei dem (mit der Kamera auf einem Stativ) vier Belichtungen ausgeführt werden, wobei der Sensor um die Größe eines Sensors verschoben wird Nun, es sammelt also an jedem Sensorort vollständige Farbinformationen, wodurch die Notwendigkeit einer (meist?) Bayer-bezogenen Demosaikierung entfällt.

Größerer Format - Digitalkameras (zB Blatt, Hasselblad, Pentax 645D, etc.) normalerweise tun nicht haben einen physikalischen AA - Filter. Bei diesen Kameras erfolgt die gesamte AA-Verarbeitung in Software. Abhängig von der verwendeten Software (und manchmal den Parametern, die der Software zur Verfügung gestellt werden) können (und werden) viele von diesen falsche Details erzeugen, die im ursprünglichen Gegenstand überhaupt nicht vorhanden sind.

Falsche Farbe ist eng verwandt. Betrachten Sie eine extrem dünne weiße Linie im Bild - aber sie ist so dünn, dass sie nur einen Sinn an einem bestimmten Punkt entlang der Linie aufleuchtet. Bei einem typischen Bayer-Layout-Sensor sind die Sensorvertiefungen so angeordnet, dass nur eine Farbe an einem bestimmten Ort erfasst wird. Da unsere dünne weiße Linie an jedem Punkt nur eine Sensorwanne beleuchtet, wird sie als Farbe dieser Sensorwanne und nicht als Weiß angezeigt (was das Aufleuchten von mindestens drei Sensorwannen erfordern würde). Der AA-Filter beugt diesem Problem ebenfalls vor, indem er das Licht so weit verteilt, dass sichergestellt ist, dass das einfallende Licht in etwa gleichmäßig über genügend benachbarte Sensortöpfe beleuchtet wird, damit es in etwa der ursprünglichen Farbe entspricht.

Wiederum kann (und wird) die Demosaikierungssoftware, die versucht, maximale Details wiederherzustellen, dies bis zu einem gewissen Grad nicht tun. Bei der Suche nach den feinsten Details kann eine Linie bis zu dem Punkt eingegrenzt werden, an dem sie sich so verhält, als ob sie nur einen einzelnen Sensorbrunnen beleuchtet. In diesem Fall nimmt die Linie die Farbe dieses Sensorsbrunnen anstelle des an Echtfarbe der Linie selbst, für die mindestens drei Sensorkanäle erforderlich wären. Unterschiedliche Algorithmen erzeugen in unterschiedlichem Maße Falschfarben. In der Regel ist es jedoch auch wahrscheinlicher, dass Algorithmen, die mehr Details wiederherstellen, aus mindestens einigen Bildern Falschfarben erzeugen.

^{1. Technisch gesehen hat es tatsächlich einen AA-Filter, aber dahinter befindet sich ein zweiter Filter, mit dem die Auswirkungen des AA-Filters rückgängig gemacht werden können. Dieses eher runde Verfahren ist anscheinend etwas einfacher herzustellen. Nicht wenige der anderen Kameras ohne AA-Filter tun dasselbe.}

Und es ist nicht nur ein Imaging-Artefakt. Sie kann auftreten, wenn feine Linien in einer Ausrichtung feine Linien in einer anderen Ausrichtung schneiden. Dies ist bei Stoffen üblich, bei denen die Abstände zwischen den Fäden größer sind als die Fäden, wodurch Licht durch andere Teile des Stoffes hindurchtreten und mit dem Fadenmuster in Wechselwirkung treten kann.

Das Moire in diesem Stoff ist tatsächlich für das Auge sichtbar und nicht nur für eine Kamera.

Moiré ist ein Interferenzmuster . In der Fotografie wird es oft an feinen Details der Kleidung einer Frau oder an sich wiederholenden Mustern in der Architektur bemerkt.

Moiré kann durch eine Szene verursacht werden, die Bereiche mit sich wiederholenden Details enthält , die die Auflösung der Kamera überschreiten.

Anti-Alias-Filter reduzieren oder eliminieren Moiré, verringern aber auch die Bildschärfe.