Herausforderungen und Systemüberlegungen bei der 8K-Bildgebung

Der Wechsel zu einem 8K-Bildgebungssystem bringt weit mehr Herausforderungen mit sich, als nur die Anzahl der Pixel zu erhöhen. 8K bedeutet typischerweise eine horizontale Auflösung von rund 7680 Pixeln bei bis zu 60 Bildern pro Sekunde, was eine gigantische Datenmenge erzeugt, die das gesamte System an seine Grenzen bringt. Neben dem Sensor spielt jedes Element der Bildkette eine entscheidende Rolle: Optik, Schnittstellen, Bildsignalprozessor (ISP) und Kodierung müssen perfekt aufeinander abgestimmt sein, um die hohen Anforderungen an Leistung und Bildqualität zu erfüllen. In der Praxis ist ein 8K-System nicht eine einfache Skalierung von 4K, sondern ein komplexes Zusammenspiel verschiedenster Faktoren, die alle miteinander in Balance gebracht werden müssen.

Datenrate und Verarbeitungsaufwand

Da die Pixelanzahl von 4K auf 8K um den Faktor vier steigt, vervierfacht sich auch die Datenmenge, die pro Zeiteinheit verarbeitet werden muss. Typische Sensoren im 8K-Bereich erreichen über 30 bis 60 Megapixel und generieren damit riesige Datenmengen, die innerhalb von wenigen Millisekunden erfasst und verarbeitet werden müssen. Die herkömmlichen MIPI D-PHY-Schnittstellen, wie die verbreitete D-PHY-Version 1.2 mit 2,5 Gbit/s pro Lane, stoßen hier an ihre Grenzen. Zwar gibt es modernere Spezifikationen (z.B. D-PHY 2.1 mit 4,5 Gbit/s pro Lane), doch selbst damit sind die Anforderungen an die Übertragungsrate hoch, sodass nur etwa 30 bis 35 Bilder pro Sekunde bei 8K realistisch sind. Für Systemspezialisten heißt das: Nicht nur die Aufnahme, sondern auch die Datenübertragung und -verarbeitung müssen leistungsfähig und synchronisiert sein, um Verzögerungen oder Datenverluste zu verhindern.

Sensorgröße, Pixeldichte und Dynamikbereich

Die Größe des Sensors hat direkten Einfluss auf die Bildqualität und die Kosten des Systems. Große Sensoren mit einer Diagonale von über 40 mm, wie der Sony IMX455 mit 61 Megapixeln, bieten aufgrund ihrer großen Pixel eine hohe Lichtempfindlichkeit, einen großen Dynamikbereich und geringes Rauschen. Sie erfordern jedoch eine teure Optik und sind meist in professionellen DSLR-Kameras zu finden. Kleine Sensoren mit einer Diagonale von weniger als einem Zoll (25 mm) verwenden kleine Pixel von etwa. 0,8 µm, was kompakte Designs ermöglicht, aber ihre Lichtempfindlichkeit und Farbsättigung einschränkt. Für solche Sensoren sind spezielle Farbfilteranordnungen wie Quad Bayer oder Quad Color Filter Arrays erforderlich, was eine wesentlich komplexere Bildsignalverarbeitung erfordert, um Farbstiche und Artefakte zu vermeiden. Diese Kompromisse wirken sich daher sowohl auf die physikalischen Eigenschaften des Sensors als auch auf die Anforderungen an die nachgeschaltete Bildverarbeitung aus.

Optische Anforderungen

Hohe Auflösungen und kleine Pixel stellen sehr hohe Anforderungen an die Optik. Das Objektiv muss eine sehr hohe Modulationsübertragungsfunktion (MTF) haben, damit die feinen Details der Sensorpixel tatsächlich erfasst und abgebildet werden können. Die Größe des Beugungsscheibchens ist von entscheidender Bedeutung, insbesondere bei Pixelgrößen unter 1 µm, bei denen eine Blende kleiner als 1 oft als Richtwert verwendet wird, um den Zerstreuungskreis klein genug zu halten. Darüber hinaus benötigen Sensoren mit kleinen Pixeln oft kürzere Brennweiten, um den gleichen Bildwinkel zu gewährleisten, was zu Fischaugenverzerrungen führt, die wiederum durch komplexe Bildkorrekturalgorithmen kompensiert werden müssen. Außerdem ist der Hauptstrahlwinkel (CRA) des Sensors nicht unbedeutend: Sensoren mit einem großen CRA erfordern spezielle, maßgeschneiderte Objektive, um Randabschattung und Übersprechen zu vermeiden. Dies sind oft Herausforderungen, die beim Systemdesign von 8K-Kameras nicht trivial zu lösen sind.

ISP-Abstimmung und Artefaktverwaltung

Komplexe Filteranordnungen und Multi-Pixel-Technologien wie Quad Bayer stellen erhebliche Herausforderungen dar, wenn es um das Remosaicing geht, d.h. die Umwandlung der Multi-Pixel-Struktur in ein Standard-RGB-Bild. Klassische Demosaicing-Algorithmen sind oft unzureichend, da das Risiko von Farbartefakten, Aliasing und Geisterbildern hoch ist. Um ein sauberes, artefaktfreies Bild zu erhalten, ist eine tiefgreifende Abstimmung erforderlich, bei der hardwarebezogene Anpassungen auf dem Sensor eng mit den ISP-Algorithmen integriert werden. Diese intensive Feinabstimmung sorgt dafür, dass die Farbwiedergabe verbessert und das Rauschen und die Falschfarbenmerkmale deutlich reduziert werden. Dadurch wird die anspruchsvolle Bildqualität erreicht, die für professionelle 8K-Systeme erforderlich ist.

Praktische Systembeispiele bei FRAMOS

FRAMOS hat dies mit konkreten Prototypen unter Verwendung von Sony IMX586-Sensoren demonstriert und dabei das Design der Sensorplatine mit Drahtbonden, Spezialoptiken und Hochgeschwindigkeitsschnittstellen zu NVIDIA Jetson Plattformen kombiniert. Intensive Abstimmungs- und Testprozesse eliminierten Farbfehler und optimierten die Bilddarstellung erheblich, was zu einer höheren Detailgenauigkeit und einem besseren Kontrast im Vergleich zu 4K-Systemen führte. Solche vorvalidierten Systeme und Entwicklungskits ermöglichen es den Kunden, ihre eigenen 8K-Projekte schneller und zuverlässiger zu realisieren, was die Entwicklungskosten und die Zeit bis zur Markteinführung erheblich reduziert.

Die Entwicklung eines 8K-Bildverarbeitungssystems ist eine multidisziplinäre Herausforderung, bei der die Sensorauflösung nur ein Aspekt ist. Datenratenmanagement, optische Präzision, ISP-Tuning und Schnittstellenanforderungen müssen ganzheitlich betrachtet und optimiert werden, um eine hohe Bildqualität und Leistung zu gewährleisten. FRAMOS unterstützt seine Kunden mit vorvalidierten Lösungskits und kundenspezifischer technischer Unterstützung auf dem Weg dorthin.