plenoptisch

Eine plenoptische Kamera oder ein plenoptischer Sensor erfasst das vollständige Lichtfeld einer Szene. Das heißt, sie registriert nicht nur die Intensität und Farbe des Lichts bei jedem Pixel, sondern auch die Richtung, aus der dieses Licht kommt. Das unterscheidet sich von einer konventionellen Kamera, die alle Lichtstrahlen, die auf einen bestimmten Punkt des Sensors treffen, zu einem einzigen Wert zusammenfasst. Der Name stammt vom griechischen plenum (Fülle) und optic (Licht).

Der Begriff geht auf die Arbeit des Physikers Donald Gershun in den 1930er-Jahren zurück, der ihn zur Beschreibung einer umfassenden Darstellung von Licht im dreidimensionalen Raum verwendete. In der praktischen Bildgebung nutzt eine plenoptische Kamera ein Feld aus winzigen Linsen (Mikrolinsengitter), das über dem Bildsensor angeordnet ist. Jede Mikrolinse fokussiert das Licht auf einen kleinen Pixelbereich darunter und erfasst dadurch effektiv Informationen über die Richtung der eintreffenden Lichtstrahlen.

Die Hauptanwendungen liegen in der computergestützten Bildgebung und der Flexibilität bei der Nachbearbeitung. Da Richtungsdaten erfasst werden, ermöglicht ein plenoptisches Bild eine Nachschärfung nach der Aufnahme; die Schärfenebene kann verschoben werden, ohne dass ein neues Foto gemacht werden muss. Dies ermöglicht auch eine Perspektivverschiebung, Tiefenschätzung und 3D-Rekonstruktion aus einer einzigen Aufnahme. Es gibt plenoptische Kameras in Profi- und Forschungsqualität, aber sie bleiben teuer und erfordern erhebliche Rechenressourcen, um die Rohdaten zu verarbeiten.

Der Nachteil liegt in der räumlichen und winkelabhängigen Auflösung. Das Mikrolinsengitter unterteilt den Sensor in Bereiche und verringert damit die effektive Pixelzahl für räumliche Details. Ein Sensor mit 100 Millionen Rohdaten-Pixeln könnte nur 10 bis 20 Millionen Richtungsmuster liefern. Die Verarbeitung von plenoptischen Rohdaten erfordert zudem erhebliche Rechenleistung, und die resultierenden Dateien sind groß. Diese Beschränkungen halten plenoptische Bildgebung auf spezialisierte Bereiche beschränkt: wissenschaftliche Metrologie, Forschung an volumetrischen Displays und fortgeschrittenes Computer Vision.

Verwandte Begriffe sind Light Field, das in den meisten Fällen gleichbedeutend ist, und Integralbildgebung, eine ältere Technik, die ähnliche Ergebnisse durch andere optische Anordnungen erreicht. Der plenoptische Ansatz liegt an der Schnittstelle zwischen optischer Technik und Computational Photography und erfordert Fachkenntnisse in Hardware-Design und Software-Nachbearbeitung.