Luft- und weltraumgestützte Bildgebung erfordert eine besondere Funktionalität und Leistungsfähigkeit der eingesetzten Luftbildkameras. Doch wie sehen die Anforderungen an solche Hochleistungskameras genau aus?  Und was tun Kamerahersteller, die solche Kamerasysteme konstruieren und fertigen, um mit der Entwicklung Schritt zu halten?

Luftgestützte Systeme gibt es, je nach Anwendung, in den verschiedensten Implementierungen. Für ein Langzeit-Überwachungssystem braucht man zum Beispiel ein Cluster von sechs bis acht Kameras und einen großen Server mit viel Speicherplatz. Die Kameras sind so synchronisiert, dass sie ein Bild mit mehr als 100 Megapixel produzieren, das einen Bereich von 4 x 4 Meilen mit einer Auflösung von 1 Fuß (30,48 cm) abdeckt; das Bild wird komprimiert und lokal auf dem Server gespeichert. Dieses System zeichnet während der gesamten Dauer des Flugs auf und kann dabei mehrere Objekte erkennen und verfolgen. Durch spezielle Software werden dann die benötigten Informationen aus der Aufzeichnung extrahiert. Bei einer anderen Implementierung besteht das System aus einer Einzelkamera oder mehreren unabhängigen Kameras, die, angeschlossen an einen gemeinsamen Computer bzw. Server, jeweils einen unabhängigen Video-Stream erzeugen. Allen Anwendungen ist gemeinsam, dass die Kameras nicht passiv sind und es ständige Kommunikation zwischen Kamera und Computer wie auch zwischen Kamera und Objektiv gibt. Bei den meisten Implementierungen verwenden die Kameras einen GEV Output, mit oder ohne Unterstützung durch Bildkompression direkt in der Kamera.

Drei Arten von Luftbildkameras
Früher hat man bei Kameras für bildgebende Verfahren in der Luft- und Raumfahrt drei Kategorien unterschieden: Imager mit geringer Auflösung (weniger als 16 Megapixel), Imager mit mittlerer Auflösung (16 bis 50 Megapixel) und Imager mit hoher Auflösung (mehr als 50 Megapixel).
Diese Abgrenzung beginnt zu verwischen, weil die Kosten für den Start kleiner Satelliten sinken und es immer mehr Anwendungen für die weltraumgestützte Bildgebung gibt. Wegen ihres Preises und ihrer Komplexität wurden Imager mit mehr als 50 Megapixel in der Regel für Anwendungen in großer Höhe bzw. für hochprofilierte Weltraumanwendungen verwendet (etwa durch die NASA und Google). Für die übrigen Anwendungen wurden Sensoren mit geringer Auflösung mit weniger als 16 Megapixel verwendet. Imperx, selbst ein Unternehmen, das Hochleistungskameras konstruiert und fertigt, stellt gegenwärtig fest, dass für fast alle seine neuen Projekte Imager mit 29 oder 47 Megapixel gewählt werden, unabhängig davon, ob diese weltraum- oder luftgestützt sind.

Vorteile bei der Verwendung hochauflösender Kameras
Für luftgestützte Anwendungen werden stets Kameras mit hoher Bildqualität und Hochauflösung bevorzugt. Bei Anwendungen für militärische Zwecke bietet ein Sensor mit höherer Auflösung zahlreiche Vorteile im Hinblick auf Betrieb und Kosten, weil die Flugzeuge weniger Überflüge brauchen bzw. in größerer Höhe fliegen können. Beim Einsatz in feindlicher Umgebung ist es zum Beispiel ganz wichtig, dass ein luftgestütztes System möglichst viele Informationen in möglichst kurzer Zeit erfasst. Haben bei einem solchen System die Kameras eine geringe Auflösung, so müsste man für dieselben Informationen in geringerer Höhe fliegen und mehr Überflüge machen. Dann ist natürlich die Wahrscheinlichkeit, erkannt und abgefangen zu werden, viel größer. Für zivile Anwendungen sind Sensoren mit hoher Auflösung gleichermaßen vorteilhaft. Da die Kosten der Kamera nur einen Bruchteil des Gesamtsystems ausmachen, ist es auch hier wichtig, die erforderlichen Informationen schnellstmöglich zu erfassen.

Auflösung oder Geschwindigkeit?
Bei luftgestützten Anwendungen gibt es stets einen Konflikt zwischen Auflösung und Geschwindigkeit. Dabei ist auch zu berücksichtigen, was abgebildet wird. Bei vielen Lufteinsätzen ist die Auflösung wichtiger, weil die Leistungsfähigkeit der Hardware an Bord eingeschränkt ist. Wenn das Flugzeug relativ langsam fliegt, bietet die höhere Bildfrequenz keinen signifikanten Vorteil. So verwenden zum Beispiel die meisten der eingesetzten Imperx-Systeme 29-Megapixel-Kameras mit 4 fps bzw. zuweilen 1 oder 2 fps, weil der Bordrechner die Daten nicht schneller verarbeiten kann.
Ist die Plattform eine Trägerrakete, so ist die Bildfrequenz sehr wichtig, aufgrund dessen, was abgebildet wird. Zumeist arbeitet Imperx mit den Kunden zusammen, um das Ziel der Mission zu verstehen und den Kameraeinsatz auf die Kundenanforderungen bezüglich Auflösung und Geschwindigkeit abstimmen zu können.    

Wichtigkeit der Bildqualität
Bei luftgestützten Systemen ist die Bildqualität sehr wichtig, weil es darum geht, aus den Bildern wertvolle Informationen über Zielorte zu gewinnen, Gegenstände zu erkennen, Entfernungen zu messen etc. Bildrauschen ist hier ein kritischer Faktor, der die Leistungsfähigkeit, Zuverlässigkeit und Wiederholgenauigkeit dieser Systeme beeinträchtigt. Je mehr Grundrauschen es gibt, desto schwieriger ist es, Gegenstände und Muster zu erkennen oder Analysedaten zu gewinnen. Die Kamerahersteller verwenden deshalb verschiedene Methoden zur Rauschunterdrückung. Die Kamera muss so gestaltet sein, dass das Bildrauschen sehr gering ist, damit die Leistungsfähigkeit auch in einem breiten Temperaturspektrum erhalten bleibt. Die Implementierung von automatischer Belichtung, Verstärkung und Blendensteuerung, gefolgt von nichtlinearen Transformationen, Bildausgleich und  Verbessrungen sind wichtige Tools, die zu einer besseren Bildqualität beitragen.  

Schnell wechselnde Lichtbedingungen
Wenig Licht oder veränderliche Lichtbedingungen sind erhebliche Herausforderungen für die luft- und weltraumgestützte Bildgebung. Luftbildkameras müssen unbedingt in der Lage sein, sich solchen schnell veränderlichen Bedingungen anzupassen. Wie bereits erklärt wurde, verwenden die Kamerahersteller verschiedene Techniken zur Optimierung der Bildqualität. Die dynamische Blendensteuerung ist eine dieser von Imperx eingesetzten Methoden, wobei eine solche Steuerung jedoch nicht bei allen Linsen möglich ist. Der Algorithmus für die adaptive automatische Belichtung und Verstärkung ist ein wesentlicher Teil der selbst entwickelten fluggestützten Systeme. Im Flug ist der effektive Belichtungsbereich sehr eingeschränkt, denn nach oben hin wird er durch Bewegungsunschärfe (ca. 2,5 ms) begrenzt und nach unten hin durch einen vertikalen Smear-Effekt (ca. 700 μs).
Ähnlich sieht es bei der automatischen Verstärkungsregelung aus: Wegen der erwähnten Belichtungseinschränkungen muss eine dynamische Verstärkungsregelung einsetzen werden. Die höhere Verstärkung kann jedoch zu mehr Bildrauschen führen, wodurch sich die Dynamikbereich-Performance reduziert. Außerdem muss der Algorithmus schnell genug sein, um auf rasche Szenenwechsel zu reagieren. Sensitivität und Dynamik einer Kamera sind auch sehr wichtig für die Bildqualität, insbesondere bei schlechten Lichtverhältnissen. Imperx entwickelt deshalb zurzeit eine Restlichtkamera mit einem Dynamikbereich > 80 dB. Bei allen luftgestützten Anwendungen werden die Algorithmen gemeinsam mit den Kunden sehr genau angepasst, damit das Verhältnis zwischen Belichtung und Verstärkung stimmt. Was bei statischen Anwendungen auf dem Boden funktioniert, funktioniert in der Luft meist nicht.

Herausforderungen durch Umwelt und Betrieb
Bei Luftbildkameras gibt es viele umwelt- und betriebsbedingte Herausforderungen, die von der Art der Anwendung und der Flughöhe abhängen. Die Kamera muss robust sein, also Stößen, Vibration, Extremtemperaturen und Extremwetter standhalten. Dieser Faktor ist nicht nur für militärische, sondern auch für zivile Anwendungen enorm wichtig. Bei luftgestützten Anwendungen muss die Kamera Start, Landung und Turbulenzen überstehen und auch noch funktionieren, wenn es bei schnellem Steig- bzw. Sinkflug zu großen Temperaturänderungen kommt. Wenn zum Beispiel die Temperatur am Boden +40°C beträgt, kann sie schon weniger Minute später, wenn das Flugzeug 10.000 m Höhe erreicht, bei –50°C liegen. Beim Sinkflug ist die Kamera durch den schnellen Temperaturwechsel sehr hoher Kondensation ausgesetzt. Bei weltraumgestützten Anwendungen müssen Kamera und Objektiv nicht nur den Start überstehen, bei dem die Vibration bis zu 70 g beträgt, sondern auch extreme Tiefsttemperaturen vertragen. Handelt es sich bei der Anwendung um ein Weltraumteleskop, so muss die Kamera bei extremer Hitze und Kälte in einem Vakuum funktionieren. Bei den meisten Weltraumanwendungen ist die Stromversorgung der Kamera wichtig, weil die Solarflächen des Satelliten nur wenig Strom erzeugen.        

Die Zukunft der Luftbildkameras
Für die Zukunft ist mit steigendem Bedarf für Luftbildkameras mit immer höherer Auflösung zu rechnen. Weil diese Kameras in einer Umgebung mit geringem bis mittlerem Vakuum eingesetzt werden, bleibt die Stromversorgung jedoch eine Herausforderung. Es wird auch Bedarf für kleine, leichtgewichtige Kameras geben, die in einem breiten Temperaturspektrum betrieben werden können und so stabil konstruiert sind, dass sie auch einen heftigen Start überstehen.