Grundlagen der Fotografie - Schärfe TiefenschärfeAuflösung
Grundlagen der Fotografie - Belichtung
Grundlagen der Fotografie - Tages- und Kunstlicht
Grundlagen der Fotografie - Blitzlicht
eingescannte Negative als Digitalkameraersatz
Bilder für die Homepage erstellen
Chemische Limits
Schauen wir uns dazu zuerst einmal den guten alten chemischen Film
an, den die Digitalfotografie ja ersetzen möchte. Hier gibt es
drei
Qualitätsstufen, den Mittelformatfilm für die Profis, den
Kleinbildfilm
(KB) für normale Ansprüche und das trendige APS für
geringere
Ansprüche. Wenn man von einer maximalen Auflösung von
100..150
Linien/mm (lpm) ausgeht (guter ISO100
Film
schafft
das),
dann ergeben
sich
etwa folgende Zusammenhänge: (pro Linie benötigt man
durchschnittlich
etwa 1,7 Pixel)
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Alles unterhalb 25 Megapixel wäre also minderwertig? Nein, es gibt noch andere Limits. Die Optik der Kamera ist nicht in der Lage die Auflösung der chemischen Emulsion voll auszunutzen.
absolute optische Limits
Eine absolute Beschränkung für das
Auflösungsvermögen
eines Fotoapparates hängt vom Durchmesser der Objektivlinse ab.
Alles
Licht muss durch die Linse in den Apparat gelangen. An dieser
runden
Öffnung wird das Licht gebeugt. Jeder Lichtpunkt wird zu einem
Beugungsscheibchen
verzerrt. Was wir im täglichen Leben (sozusagen beim Blick durch's
Schlüsselloch) nicht bemerken, kann sich im mikroskopischen
Bereich
auf dem Film oder Fotochip im Extremfall auswirken. Ein heller Punkt
wird durch die Optik zu einem etwas unscharfen Fleck auf dem
Film/Sensor verzerrt, dessen Durchmesser etwas größer ist,
als die nach Dreisatz berechnete Punktgröße. Die Stärke
dieser Verzerrung/Unschärfe hängt vom Objektivdurchmesser ab.
Die maximale Winkelauflösung (also der Durchmesser der Beugungsscheibchen) einer Optik in Grad errechnet man mit ausreichender Genauigkeit nach folgender Formel A=Lambda / d / Pi *180. Wobei D der Durchmesser der Optik und Lambda die Lichtwellenlänge ist. Das lässt sich vereinfachen zu A=0.034/d wobei d der Durchmesser der Optik in Millimetern ist.
Ein größerer Linsendurchmesser führt zu geringeren
Beugungseffekten
und zu höheren Auflösungen. Weitwinkelobjektive leiden
weniger
unter diesem Problem als Teleobjektive. Wenn man die maximale
Winkelauflösung
für Blende f22
bei einem Normalobjektiv berechnet, so erhält
man etwa 0,015°. Das Abbild eines unendlich kleinen Lichtpunkes ist
auf dem Film/Chip ein Kreis mit immerhin 13 um Durchmesser. Damit
ergibt sich (auf KB-Film) eine nutzbare
Bildauflösung
von ca. 2300 x 1700 Punkten = 4 Megapixel. Ist die Blende weiter offen,
verbessert sich die nutzbare Auflösung natürlich dramatisch.
Bei Blende f2,8 liegt das Limit bei 750 MPixel. Das liegt sogar weit
jenseits
der Möglichkeiten des Films.
(Da die Bildsensoren digitaler Kameras meist deutlich kleiner sind,
als das analoge KB-Format, wirkt sich die Beugungsunschärfe hier
stärker
aus. Die meisten Digitalkameras haben deshalb keine Blendenwerte
über
f8, während analoge Kameras wenigstens bis f11 abblenden
können.)
Mit ausreichender Genauigkeit kann man den Durchmesser mit dem ein unendlich kleiner Punkt auf dem Chip projiziert wird mit D = 0.5um x K angeben, wobei K der Blendenwert des Objektivs ist. Eine 6-MPixel-Kompaktkamera hat Sensorzellen mit ca. 3um Kantenlänge. Schon beim Blendenwert K=8 erreicht man hier das optische Limit.
Wenn man diese Berechnungen mal für die Spionagesatelliten anwendet (z.B. KH-11) die hochauflösende Fotos der Erdoberfläche aus dem All schießen, dann erhält man übrigens eine maximale Auflösung von 10 cm (für ein Objektiv mit 4 m Durchmesser beim KH-11). Das Lesen von Autonummerschildern aus dem All ist also nur Phantasie.
Objektiv-Limits
Zu diesen theoretischen Grenzwerten kommen aber noch die realen Fehler
der eingesetzten Objektive hinzu. Da keine Linse perfekt ist, sind
diese
Fehler normalerweise viel größer.
Der chemische Film hat eine Auflösung von ca. 100 Linien/mm (lpm).
(Die Entwicklung neuer Farbfilmemulsionen für die kleinen
APS-Filme
führte inzwischen zu einer Verbesserung auf bis zu 150 l/mm - auch
für KB-Filme.) Daraus errechnete sich die oben angegebene
Kapazität
von 25 MPixel pro KB-Negativ. Leider können die eingesetzten
Optiken
da nicht mithalten. Typische Festbrennweiten schaffen etwa 50 lpm, aber
wer verwendet die noch? Eigentlich nur Profis. Der Fotoamateur setzt
auf
die bequemeren Zoomobjektive, die etwas schlechtere Werte bringen. Die
kleinen Optiken der Sucherkameras sehen noch schlechter aus. Setzen wir
also die reale Objektivauflösung mal mit optimalen 50 lpm und
billigen
25 lpm an:
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(Profi) |
(Amateur) |
(Amateur) |
(Knipser) |
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384 mm2 |
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Da CCD-Bildsensoren mit RGB-Pixeln arbeiten, aus denen der Kontrast interpoliert wird, muss ein CCD-Sensor etwa 30% mehr Pixel besitzen, um ein gleichscharfes Bild zu liefern, also muss man zu den errechneten Werten noch jeweils 30% hinzuschlagen. (die neuen vertikalen X3-Sensorzellen mögen das zukünftig verbessern). Folglich entspricht die Auflösung der KB-SLR-Kamera eines Fotoamateurs in etwa der Auflösung einer guten 4 MPixel Digitalkamera. Eine 8-MPixel-Kamera kann eine gute Amateur-KB-Kamera uneingeschränkt ersetzen, wenn die anderen Elemente der Kamera (Optik, Mechanik ...) auf dem technischen Niveau heutiger analoger KB-Kameras liegen.
Was braucht man wirklich?
Der Hobbyfotograf hatte bisher kaum die Möglichkeit vom alten
chemischen Film Ausschnitte vergrößern zu lassen. So gab es
dann die üblichen Papierabzüge von 9cmx13cm bis 20cmx30cm.
Nach meinen Erfahrungen werden beim Ausdruck auf Tintenstrahldrucker Digitaleffekte (wie z.B. Treppchenbildung) erst unter 150 dpi (Punkte pro Zoll) sichtbar. Das sollte also die unterste Grenze für einen Tintenstrahlausdruck sein. Wer angesichts seines 2800 dpi-Druckers das nicht glauben mag, der bedenken, dass der Bildschirm vor der eigenen Nase geradeeinmal 72 dpi bietet. Tintenstrahler benötigen die höhere Auflösung, da sie jeden Farbpunkt aus vielen Tröpfchen zusammen setzen. Auf der sicheren Seite ist man beim Ausdruck mit 300 dpi Bildauflösung.
Mit 300 dpi bzw. 400 dpi arbeiten auch die Belichter der
Fotodienste.
Wer also seine Fotos auf richtigem Fotopapier bekommen will, muss
300 dpi als Auflösung ansetzen
Daraus errechnen sich folgende nötige Auflösungen für
Papierabzüge:
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Im Prinzip reicht eine 3 MPixel-Kamera also aus. Mit 8 MPixel lassen
sich alle Ansprüche abdecken. Für tägliche
Schnappschüsse,
die nicht auf 20x30 vergrößert werden sollen ist
sogar 1 MPixel ausreichend, wenn die Optik der Kamera in der Lage ist,
dieses 1 MPixel richtig auszunutzen.
Im Folgenden möchte ich noch mal die unterschiedlichen
Sensorauflösungen
gegenüberstellen.
Die nebenstehende Grafik stellt relativ dar, wie groß man Fotos auf Papier ausbelichten kann (mit 300 dpi), ausgehend von verschiedenen Sensorgrößen. Die unten stehende Tabelle stellt die entsprechenden Zahlenwerte da. Es fällt auf, dass zwischen 2 MPixel und 3 MPixel nur ein
marginaler
Unterschied ist. Der Unterschied zwischen 4 MPixel und 5 MPixel ist
noch
kleiner. Wenn man also eine Kamera kauft, dann sollte man sich von
kleinen Unterschieden
in der Sensorauflösung nicht beirren lassen. Einen deutlichen
Qualitätsgewinn
erreicht man erst mit einer Verdoppelung der Sensorauflösung. |
Folgende Tabelle zeigt die Größe des ausbelichteten
Papierfotos
für verschiedene Sensorgrößen an, wenn man mit der
typischen
Belichterauflösung der meisten Fotolabore (300 dpi) belichtet.
Es spricht aber auch nichts dagegen, mit einer geringeren
Auflösung
deutlich größere Papierbilder belichten zu lassen.
Schließlich
hält der Betrachter zu einem Poster automatisch einen deutlich
größeren
Abstand als zu einem 10 cm x 15 cm Foto ein. Da kann dann auch ein
100-dpi-Foto
auf 60 cm x 90 cm (4 MPixel) sehr gut aussehen.
Für 20cmx30cm-Abzüge benutze ich z.B. eine Auflösung von
2500x1667, das entspricht 211 dpi.
Man darf dem Betrachter natürlich nicht verraten, dass das Foto
digital aufgenommen wurde, ansonsten schaltet er sein Auge in den
Makromodus,
zückt die Lupe und sucht nach Pixeln.
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12 MPixel |
3000 x 4000 |
25 x 34 |
Wer seine Digitalfotos bearbeiten will, oder auch Ausschnitte
vergrößern
will, kann das bei 4 MPixel-Kameras (spätestens bei
8-MPixel-Kameras)
bedenkenlos tun. Damit sind heutige Kameras in der Lage, eine
Auflösung
zu bieten, die dem Hobbyfotografen eigentlich ausreicht. Dann kann man
doch bedenkenlos kaufen, oder? Oder auch nicht!
Mitte 2007 sind bereits Kompaktkameras mit bis zu 12 MPixel
erhältlich. Die hochgezüchteten Sensoren halten aber nicht,
was sie versprechen. Die einzelnen Pixel (Sensorzellen) auf dem Chip
sind so klein, das sie ein recht verrauschtes Bild liefern. Das
versuchen die Prozessoren in der Kamera durch starke Entrauschverfahren
zu verstecken. Dadurch wirkt das ganze Bild platt und egalisiert, von
12 MPixeln ist dann nichts mehr zu sehen. Historisch gesehen stieg bei
Kompaktkameras die Bildqualität bis zum 6-MPixel-Sensor an. Die
danach blind weiterbetrieben Erhöhung der Auflösung
führte zu einer Verschlechterung der Bildqualität.Wer
wirklich mehr als 6 MPixel braucht, sollte zu einer Kamera mit
größerem Bildsensor (z.B. einer SLR) greifen.
Fotofilm ist da beständiger. Der Mittelformatfilm wird nur noch von Profis verwendet, und mit APS gibt es ein neues Format, aber die 35-mm-Filmpatrone mit ihren 12/24/36-Bildern ist seit Jahrzehnten im Angebot. Für 30 Jahre alte Fotoapparate findet man noch überall das richtige Futter.
Wie sieht es in der digitalen Fotografie aus? Ich habe den Überblick über die vielen verschiedenen Speicherkarten und -Sticks verloren (CF, SD, Micro-SD, Mini-SD, MMC, MMC-Mobile, RS-MMC, MMC-Plus, Memory-Stick, Memory-Stick-Pro, Memory-Stick-Duo, Memory-Stick-Duo-Pro, xD-Picture-Card, Smart-Media-Card ...). Anstatt sich auf ein Format zu einigen, entwickelt die Industrie immer neue, konkurrierenden Systeme. Dass die meisten davon auf der Strecke bleiben werden ist klar. Welches System Sieger wird und in 5 Jahren noch verfügbar ist, dass weiß noch keiner. Nun verschleißen Speicherkarten nicht so schnell wie Filme, aber was nützen einem die funktionierenden drei Speicherkarten, wenn man sie nirgendwo mehr auslesen kann, weil für den Kartenleser keine Treiber für Windows-2010 mehr programmiert werden?
Auch wenn man jetzt zufällig auf das siegreiche Medium setzt, kann man reinfallen:
Beispiel:
Meine Firma stellt mir Mitte der 90er Jahre einen
digitale Spiegelreflexkamera mit PCMCIA-Festplatte leihweise zur
Verfügung.
Das Gerät soll damals 8000 DM gekostet haben. Die Festplatte
starb,
aber PCMCIA ist ja ein eingeführter Standard, da sollte die
Ersatzbeschaffung
eigentlich kein Problem sein. Die kleinste auf dem Markt
verfügbare
Festplatte hatte allerdings über 300 MB (die originale unter 200
MB).
Die Kamera weigerte sich, die neue Festplatte zu erkennen. Eine
Nachfrage
beim Kamerahersteller ergab, dass die Software der Kamera nur
Festplatten
bis zu einer Maximalgröße (ich glaube es waren 270 MB)
unterstützt.
So schnell verwandelt sich ein High-Tech-Gerät in Schrott. (Alle
Zahlenangaben
ohne Gewähr.)
Einige Digitalkameras der vorletzten Generation sind jetzt schon nicht mehr in der Lage die neuesten, größten Smart-Media-Karten zu benutzen.
Einige Fuji-Finepix-Modelle haben Probleme mit Microdrives, obwohl sie (die eigentlich voll kompatiblen) Compact-Flash-Karten unterstützen.
Wieviel Speicherplatz benötigt man eigentlich? Bilder werden in der Regel im JPEG-Format auf dem Speichermedium abgelegt. Dabei wird eine Kompression von 10:1 meist nicht überschritten, um Kompressionsartefakte zu vermeiden (das Kompressionsverhältnis hängt auch vom Bildinhalt ab). Aus einem Megapixel werden also etwa 300 kByte. Aus 4 MPixel werden ca. 1,2 MByte.
Ein 64-MByte-Speicher ist gut für 50 Fotos (a 4 MPixel).
Für
die Bilder eines ganzen Urlaubs würde ich 512 MByte
benötigen.
Allerdings verändert sie Digitalkamera das Fotografierverhalten
ihres
Besitzers. In der Praxis fülle ich z.Z. in einem 2-Wochen-Urlaub 2
GByte mit 800 Fotos! (Doppelt so viel, wie ich mit analogem Film
fotografierte.)
Man sollte also lieber eine Nummer größer kaufen.
Die meisten einfacheren Kameras arbeiten mit SD-Cards. Sony-Modelle bevorzugen Memory-stick-duo und Fuji/Olympus setzen auf xD-Card.
Im Moment sind wohl Compact-Flash-Medien
die
kompatibelste
Lösung. Hier muss die Kamera den Speicher nicht selbst
verwalten
können. Sie übergibt die Daten an einen Controller in der
Compact-Flash-Karte,
der den Rest der Arbeit übernimmt. Mit den recht preiswert
verfügbaren
1 GByte-Medien kommt man auch durch einen Urlaub. Die Bauform ist
robust,
und für eine solide Kamera immer noch klein genug.
CF-Karten gibt es übrigens in zwei unterschiedlichen Dicken und
vielen unterschiedlichen Geschwindigkeiten. CF-Karten vom Typ 1 sind
3,3
mm dick. CF-Karten vom Typ 2 bringen es auf 5 mm Dicke. Wer eine Kamera
mit einem Typ-2-Slot hat, kann beide Bauformen einsetzen. Wer nur einen
Typ-1-Slot in seiner Kamera findet, muss auf Typ-2 CF-Karten
verzichten.
(Praktisch alle handelsüblichen und bezahlbaren CF-Karten sind vom
Typ 1.)
Die Schreibgeschwindigkeit der CF-Karten reicht je nach Typ von 1,5
MB/s bis zu 40 MB/s. Dieser Wert entscheidet darüber, wie lange
die
Kamera nach dem Fotografieren braucht, um wieder für das
nächste
Foto einsatzbereit zu sein. Auch wenn viele Kameras einen internen
Puffer
für 1..3 Bilder besitzen, der dieses Problem etwas
entschärft,
kann sich der Mehrpreis für ein schnelleres Medium rentieren.
Anstelle
der exakten Geschwindigkeitsangabe in MB/s findet sich auf CF-Karten
manchmal
eine Angabe wie 'x40'. Das bedeutet 40-fache CD-ROM-Geschwindigkeit,
und
bezieht sich auf die einfache CD-ROM-Geschwindigkeit von 150kByte/s.
Eine
'x40' CF-Karte schreibt als mit 150kByte x 40 = 6MB/s.
Neben einer schnellen CF-Karte ist aber auch eine Kamera nötig, die die Geschwindigkeit der schnellen Karte auch nutzt. Die Kamerahersteller halten sich aber leider bedeckt, wenn es um die Schreibgeschwindigkeit auf die Speicherkarte geht. Da hilft nur der Selbstversuch. Mann schießt Serienbilder mit einer geborgten schnellen und einer normalen CF-Karte. Wenn sich die schnelle CF-Karte nicht deutlich schneller "anfühlt", kann man sich das Geld für eine "Professional"- oder "Ultra"-Karte sparen, und stattdessen lieber eine größere normalschnelle Marken-CF-Karte kaufen.
Von Hitachi (früher von IBM) und von Magicstore gibt es
Festplatten
im CF-Format (Typ 2 mit 5 mm Dicke). Sie bieten viel
Speicherplatz
für vergleichsweise
wenig
Geld. Allerdings sind sie weder besonders schnell noch sehr robust.
Negativ
ist auch der recht hohe Stromverbrauch, der auch zu einer deutlichen
Erwärmung
führt. Während Hitachi-Microdrives noch eine Überlegung
wert
sind, stellen die Magicstore-Festplatten der ersten Generation
akkufressende
Heizgeräte dar.
Hitachi hat die Microdrive-Produktion inzwischen eingestellt, da die
Flash-Konkurrenz zu stark war, auch für andere Hersteller von
Kleinstfestplatten sehe ich keine Zukunft.
Es gibt übrigens auch unredliche Menschen, die ihren Lebensunterhalt mit Diebstahl verdienen. Ein belichteter chemischer Film mit meinen wertvollen Urlaubserinnerungen interessiert einen Dieb nicht die Bohne. Eine teure digitale Flash-Speicherkarte ist dagegen immer ein attraktives Diebesgut. Auch das ist im Urlaub von Nachteil.
Digitale Kameras benutzen in der Regel Akkus. Dabei gibt es drei Varianten:
Im Interesse kleiner Bauformen geht der Trend aber eindeutig in die
Richtung integrierter oder speziell geformter Akkus, die es erlauben,
viel
Energie in der kleine Kamera zu speichern. Ein weiterer Trend ist der
Einsatz
von Lithium-Ionen-Akkus (LiIon). Deren höhere Energiedichte ist
prinzipiell
zu begrüßen. Aber jeder sollte berücksichtigen, dass
dieser
Akkutyp prinzipbedingt nach 3 Jahren verschlissen ist (egal wie gut man
ihn behandelt).
Die hohe Energiedichte des Lithium-Ionen-Akkus (etwa 3x so hoch wie
bei NiCd und 2x so hoch wie bei NiMh) muss man teuer bezahlen.
Während
die Preise von NiCd-Akkus und NiMh-Akkus bei etwa 2 .. 3 €/Wh liegen,
bezahlt man mit 5 €/Wh bei LiIon-Akkus das doppelte.
Original-LiIon-Akkus
der Hersteller schlagen auch schon mal mit mehr als 9 €/Wh zu Buche.
So kostete z.B. ein Original-Akku für eine Minolta Dimage A1 mit
einer
Kapazität von 11 Wh selbst beim deutschen Onlinediscounter anfangs
über 100€
!! (Der selbe Akku kostete in den USA übrigens nur 45 $.) (Stand:
Frühjahr
2004)
Ein weiteres Akkuproblem ist die Empfindlichkeit gegenüber Kälte. Bei geringen Temperaturen verringert sich die Akkukapazität deutlich. Da sollte man im Winterurlaub die Kamera in der warmen Jacken-Innentasche transportieren. Wenn man nach dem Fotografieren die kalte Kamera in die warme Tasche steckt, kann sich allerdings leicht Feuchtigkeit an (oder sogar in) der Kamera niederschlagen.
Auch große Wärme mögen Akkus nicht besonders. Bei steigender Temperatur nimmt die interne Selbstentladung des Akkus zu, was aber nur von Bedeutung ist, wenn man den geladenen Akku nach einigen Wochen spontan braucht: dann ist er nämlich überraschenderweise leer.
Rauschen
Es gibt eine Reihe verschiedener Rauscharten, die sich
schließlich alle im Foto wiederfinden, um uns den Bildgenuss zu
verderben. Da wären z.B.:
(Ich beschränke mich hier auf das thermische Rauschen. Gegen
Photonenrauschen
kann man nichts und gegen Quantisierungsrauschen wenig machen.
Fixed-pattern
Rauschen wird von guten Kameras automatisch eliminiert. Außerdem
ist das thermische Rauschen im Vergleich ohnehin am
größten.)
Der Bildsensor wandelt das einfallende Licht in ein elektrisches Signal
um. Dabei erzeugt er auch noch ein Rauschen, das dem Bild hinzugemischt
wird. Ist das Rauschen klein genug, dann bleibt es unsichtbar. Das
Signal/Rausch-Verhältnis
ist also für die Bildqualität wichtig. Der Rauschpegel des
Chips
ist von der Temperatur abhängig. Während eine Kamera in
gemäßigtem
Klima akzeptable Bilder liefert, kann die Bildqualität in den
Tropen
nachlassen. Die guten Lichtverhältnisse in den Tropen können
das aber wieder kompensieren. Ordentliches Licht sorgt für ein
starkes
Nutzsignal am Chip, das den Rauschpegel überdecken kann.
Das Rauschen tritt also besonders bei schlechten Lichtverhältnissen hervor. Eine lichtstarke Optik (großer Linsendurchmesser) führt hier zu einer deutlichen Besserung. Viele Kameras erlauben die Wahl der Kameraempfindlichkeit (entspricht der Wahl eines Films mit einem bestimmten Empfindlichkeit wie ISO100 oder ISO800). Dabei wird natürlich der selbe Chip verwendet, der natürlich nicht auf wundersame Weise empfindlicher geworden sein kann. Es wird einfach nur die Belichtungszeit verkürzt, wie man es auch bei empfindlicherem Film tun würde. Das nun kleinere Bildsignal muss deshalb verstärkt werden. Mit ihm wird auch das Sensor-Rauschen verstärkt. Folglich wird das Bildrauschen mit steigender 'Kameraempfindlichkeit' größer.
Natürlich verbraucht der Bildchip auch selber elektrische Energie, und erwärmt sich dadurch. Die Eigenerwärmung ist um so größer, je mehr Bildpunkte auf kleinstem Raum konzentriert werden. Von zwei Kameras mit gleicher Auflösung, aber unterschiedlich großen Chips, hat die Kamera mit dem kleineren Chip deshalb meistens die höhere Eigenerwärmung und das stärkere Bildrauschen.
Das Signal/Rausch-Verhältnis wird entscheidend durch die
Größe
der einzelnen Sensorzellen bestimmt. Kleine Sensorzellen liefern ein
kleineres
Bildsignal, und damit relativ ein größeres Rauschen.
Folglich
liefert ein 6-MPixel-Sensor ein höheres Rauschen als ein gleich
großer
3-MPixel-Sensor. Der Drang zu immer höheren Pixelzahlen geht also
mit einer Verstärkung des Rauschens einher. Ein Ausweg wäre
die
Vergrößerung des Sensorchips. Dadurch steigen aber die
Kosten
(es wird zusätzlich auch die Optik größer) und die
Kamera
wird nicht mehr so kompakt. Wer unbedingt eine Subminiaturkamera mit
hoher
Sensorauflösung haben will, kann also nicht erwarten, das sie bei
schlechten Lichtverhältnissen rauscharme Bilder liefert.
Historisch gesehen stieg z.B. bei Kompaktkameras die Bildqualität bis zum 6-MPixel-Sensor an. Die danach blind weiterbetrieben Erhöhung der Auflösung führte zu einer Verschlechterung der Bildqualität durch das höhere Rauschen und die deshalb eingesetzten Entrauschverfahren der Kameraprozessoren.
Einen guten Eindruck vom Rauschen einer Kamera bekommt man bei einer
Langzeit-Aufnahme in absoluter Dunkelheit. Dazu lässt man den
Objektivdeckel vor der Linse, dunkelt zusätzlich den Raum ab und
schießt
ein Foto. Wenn möglich sollte man dazu den manuellen Fokus
einstellen,
und mit manueller Belichtung die längstmögliche
Belichtungszeit
auswählen. Das so
entstandene Foto sollte eigentlich rein-schwarz
sein, ist es aber nicht. Man sieht einzelne graue, weiße und auch
farbige Pixel. Das ist das Bildrauschen, das der Sensor von sich aus
produziert.
Eine Minolta Dimage A1 liefert bei ISO100 und 30 Sekunden
'Dunkel-Belichtung'
schon eine ganze Menge Rauschpixel, das Ergebnis ist kaum noch
erträglich.
Wiederholt
man das Ganze in der ISO800-Einstellung, erhält man ein hellblaues
extrem verrauschtes Bild. Lange Belichtungszeiten sind also nur bei
ISO100
sinnvoll.
Übrigens hat die Kamera vorher einen großen Teil des
Rauschens
(das Fixed -Pattern-Rauschen) automatisch eliminiert, denn diese Kamera
nimmt für jedes Foto zwei Bilder auf. Zunächst fotografiert
sie
die abzulichtende Szene, danach schließt sie den Verschluss
in der Optik, und fotografiert mit den identischen Einstellungen
(Belichtungszeit
und ISO) die Dunkelheit. Das beim zweiten Foto entstehende Rauschen
subtrahiert
sie automatisch vom vorher aufgenommenen Realbild, um das
Sensorrauschen
zu eliminieren (dark frame subtraction). Auf diese Art und Weise
eliminiert sie das
Fixed-Pattern-Rauschen,
das durch Unterschiede der einzelnen Sensorzellen eines CCD-Sensors
auftritt,
und in beiden Fotos identisch ist. Das thermische Rauschen ist aber ein
Zufallsprodukt, und auf beiden Bildern unterschiedlich. Dieses
thermische
Rauschen kann durch diesen Trick nicht eliminiert werden, es
könnte
sich sogar verstärken.
Herkömmliche Bildsensoren verschwenden 2/3
des
mühsam eingefangenen Lichtes. Die Aufteilung in rote, grüne
und
blaue Lichtsensoren erfolgt mit Lichtfiltern, die jeweils nur den
entsprechenden
Anteil hindurchlassen. Chemischer Film arbeitet anders. An jedem Punkt
des Films liegen mehrere lichtempfindliche Schichten übereinander,
die das einfallende Licht nach Farben sortiert auffangen. Nichts wird
verschwendet.
Eine neue Generation von Bildsensoren (X3) ahmt das
nach. Untereinander liegende lichtempfindliche Elemente empfangen
jeweils
nur noch Licht einer bestimmten Wellenlänge. Die Eindringtiefe des
Lichts in das Substrat dient zur Aufspaltung nach Farben. So ein
Chip könnte deutlich lichtempfindlicher sein, als
herkömmliche
Lösungen. Da hofft man auf geringes Rauschen.
Der Bildsensor bezahlbarer digitaler Kameras ist deutlich
kleiner als
das analoge Kleinbildformat. Um den gleichen Bildausschnitt abzubilden,
muss der Chip viel dichter
an
der Objektivlinse platziert werden als bei KB-Kameras. Die Folge
ist
eine deutlich höhere Tiefenschärfe.
Das
klingt
zwar
gut, aber z.B. die Portraitfotografie lebt davon, die
abgelichtete
Person scharf vom unscharfen Hintergrund abzuheben. Man stelle sich
z.B.
nebenstehendes Bild (KB-Foto) mit einem scharfen Hintergrund vor. Das
Foto
würde seinen Reiz verlieren, da der Blick vom Wesentlichen
abgelenkt
werden würde.
Man kann versuchen, das durch einen hohen Blendendurchmesser
(also kleinen
Blendenwert) zu kompensieren, aber die meisten preiswerten
Digitalkameras
haben dafür zu kleine Objektivdurchmesser. Eine verringerte Sensorgröße wirkt sich negativ auf
die Lichtempfindlichkeit aus,
wie
hier
beschrieben
ist. |
Auf dem Sensor einer 8 MPixel-Kamera ist ein einzelnes Pixel gerade
noch 0,003 mm x 0,003 mm (also weniger als 8 Quadratmikrometer)
groß.
Ein
Kameraobjektiv, das diesen Sensor ausnutzen soll, muss eine
optische
Auflösung von über 200 lpm erreichen. Das ist 4 mal besser
als
bei hochwertigen Profilinsen aus der Analogtechnik! Diese
optische
Leistungsfähigkeit kostet Geld!
Kompaktkameras mit 12 MPixel haben Sensorzellen von nur 3
Quadratmikrometern. Keine dieser Kameras hat eine Optik mit
ausreichender Auflösung!
Die Größe eines Bildsensors (Chip Format) wird meistens
in Zoll angegeben. Dabei entspricht dann die echte Diagonale des
Sensors etwa 2/3 des angegebenen Zoll-wertes (aus historischen
Gründen). Es gibt eine Vielzahl von Sensorgrößen, von
denen ich hier einige aufliste. Als Vergleichswert gebe ich die
Größe eines Pixels für einen 5-MPixel-Sensor dieser
Größe an. Die aufgelisteten Beispielkameras dienen nur zur
Orientierung, und haben nicht 5 MPixel. Eine höhere MPixelzahl
bedeutet natürlich automatisch eine geringere Empfindlichkeit.
Die relative Empfindlichkeit
beschreibt die Stärke des Bildsignals bei Sensoren gleicher
Auflösung und bei gleicher Blendeneinstellung. Daraus ergibt sich
das Signal-Rausch-Verhältnis.
Die beste Auflösung
ist die maximale Sensorauflösung, bei der die Fläche eines
Pixels nicht kleiner als 9 qum (Quadratmikrometer) ist. Bei kleineren
Pixelgrößen sinkt die Bildqualität.
(http://6mpixel.org/)
Kameratyp |
Chip-Format |
Sensor-Abmessungen |
Pixel- abstand |
Größe
der
Sensorzelle (bei 5 MPixel) |
beste Auflösung |
Sensor- Diagonale |
Brennweiten- verlängerung |
relative
Empfindlichkeit (5 MPixel, gleiche Blende) |
Beispiel zur Orientierung (nicht 5 MPixel) |
High-end-SLR |
KB (2,6") |
36 mm x 24 mm |
13 µm |
170 qum |
96 MPixel |
43,26 mm |
1 |
100 % |
Canon EOS-1Ds Mark III |
SLR |
1.8" (APS-C) |
24 mm x 16 mm |
9 µm | 75 qum |
42 MPixel |
28,8 mm |
1,5 |
44 % |
Nikon D2X |
-"- | 1.7" (APS-C) |
22.4 mm x
14,8
mm |
8 µm | 65 qum |
37 MPixel | 27 mm |
1,6 |
39 % |
Canon EOS 40D |
4/3-SLR |
4/3" |
18 mm x 13,5
mm |
7 µm | 45 qum |
27 MPixel | 22,5 mm |
2 |
25 % |
Olympus E-400 |
micro 4/3 |
4/3" |
17,3 mm x 13
mm |
7 µm | 45 qum | 27 MPixel | 21,6 mm |
2 |
25% |
Panasonic G1 |
Brige-Kamera |
2/3" |
8,8 mm x 6,6 mm | 3,5 µm | 12 qum | 7 MPixel | 11 mm |
4 |
6 % |
Konica Minolta Dimage A2 |
-"- | 1/1.8" | 7,2 x 5,3 mm | 2,7 µm | 7,5 qum | 4 MPixel | 9 mm |
4,8 | 4 % |
PowerShot S500 |
Kompakt-Kamera | 1/2" | 6,4 mm x 4,8 mm | 2,2 µm | 5 qum | 4 MPixel | 8 mm |
5.4 | 3 % |
|
-"- |
1/2.5" |
5,7 mm x 4,3
mm |
2,2 µm | 4,9 qum |
3 MPixel | 7,14 mm |
6 |
3 % |
Nikon Coolpix L14 |
-"- | 1/2.7" | 5,37 mm x 4 mm | 2 µm | 4,2 qum | 3 MPixel |
6,7 mm |
6.4 | 2 % |
Konika Minolta DiMAGE Xg |
Handy-Kamera | 1/3" |
4,8 mm x 3,6
mm |
1,7 µm | 3 qum |
2 MPixel | 6 mm |
8 |
1 % |
|
-"- | 1/3.2" |
2 MPixel | 1 % |
||||||
-"- | 1/3.6" |
4 mm x 3 mm |
1,3 µm | 2 qum |
2 MPixel | 5 mm |
9 |
1 % |
|
-"- | 1/4" |
3,2 mm x 2,4
mm |
1,3 µm | 2 qum | 1 MPixel |
4 mm |
11 |
1 % |
Hinweis zur Sensordiagonalen:
Aus historischen Gründen
hat spricht man von einem 1"-Sensor bei einer Sensordiagonalen von nur
16,8mm (und nicht etwa 25,4 mm).
Die meisten Kompaktkameras haben einen 1/2.5"-Sensor, der sich aber leider nicht auf 3 MPixel beschränkt, sondern bis zu 12 MPixel aufweist. Die daraus resultierenden Abbildungsprobleme (Rauschen, Beugung ...) versucht die Kameraelektronik durch gezielte Nachbearbeitung des Bildes zu verschleiern. Das Ergebnis ist von minderer Qualität.
Kompaktkameras mit einem 1/1,8" oder 2/3" Sensor und 6 MPixel
stellen für diese Kameraklasse das Optimum da, sie sind aber am
Markt leider nicht mehr vertreten (Stand 2008).
reale Auflösung
Jeder Bildsensor-Chip besteht aus Millionen lichtempfindlicher Zellen. Auf einem 6 MPixel-Chip sind in etwa 6 Millionen Zellen in 2000 Zeilen zu je 3000 Zellen angeordnet. Es gibt gegenwärtig drei unterschiedliche Arten von Bild-Sensoren
Inzwischen kann aber auch der Sensor in CMOS-Technologie hergestellt werden. Dadurch kann man Sensor, Steuerlogik und ADC auf einem Chip vereinen. Das senkt die Kosten, und außerdem verbraucht ein CMOS-Sensor nur einen Bruchteil des Stromes, den ein CCD-Sensor benötigt. Die Herstellungstechnologie dieses Chips ist nun aber nicht ausschließlich auf die Bildqualität des Sensors optimiert, die anderen Teile des Chips sollen ja auch gut funktionieren. Als Folge dessen, ist die Bildqualität eines CMOS-Sensors schlechter als die eines CCD-Sensors. Spezielle Rauschunterdrückungsschaltungen sind nötig um das Rauschen eines CMOS-Sensors auf einen vertretbaren Level zu senken.
CMOS-Sensoren finden sich vor allem in Billigkameras. aber auch in teuren SLR-Kameras von Canon (z.B. EOS-1Ds mit 11 MPixel oder EOS-300D mit 6,3 MPixel). Die vergleichsweise großen Sensor-Chips der High-End-Kamera lassen sich offensichtlich in CMOS einfacher herstellen, und bei Preisen von einigen tausend Euro, kann man die Steuerelektronik dann kostendeckend auf einen 2. Chip auslagern. Das vermeidet Kompromisse.
Farbumfang
Kein Medium kann den gesamten Umfang aller Farben die in der Natur vorkommen Speichern oder wiedergeben. Die Sensoren der meisten Fotokameras haben z.B. eine Rot-Schwäche. Das fällt auf, wenn man z.B. bei einem Gartenbesuch ein paar besonders schöne rote Rosen fotografiert. Das Rot des Fotos hat mit dem originalen Rot der Rosen nicht mehr viel gemein.
Ein weiteres Problem ist Violett. Das Violett am Rand des
Regenbogens
entsteht
eigentlich durch einen "Fehler" des menschlichen Auges. Die für
die
Farbe Rot zuständigen Sehzellen sind auch im hohen Blau-Bereich
etwas
empfindlich. Dadurch erscheint uns kurzwelliges Bau (zwischen Blau und
Ultraviolett) etwas rotstichig.
Wir sehen hier die Farbe Violett. Der Rot-Sensor der Fotokamera ist
dagegen
im Blau-Bereich unempfindlich. Hochfrequentes Blau (am Ende des
Regenbogens)
wird deshalb von der Kamera auch als Blau (und nicht als Violett)
wiedergegeben.
Mischt man dagegen violettes Licht aus blauem und rotem Licht
zusammen,
wird diese echte Mischung vom Auge wie auch von der Kamera violett
wiedergegeben.
(analoge) KB-Kamera
KB-Kameras mit Sucher sind einfach aufgebaut und billig. Der einfache Sucher hat aber mindestens vier Nachteile.
digital-Kamera
Digitalkameras mit Sucher haben die selben Nachteile, die auch Sucher-KB-Kameras haben. Trotzdem macht ein Sucher an einer Digitalkamera Sinn (Jetzt fange ich auch schon an deutsche Sätze mit englischem Satzbau abzusondern :-( ). Er benötigt nicht den Strom, den ein LCD-Display verbrauchen würde. Dadurch reicht eine Akkuladung länger, wenn man das LCD-Display abschaltet und dafür den Sucher benutzt.
Die meisten Digitalkameras verfügen über ein LCD-Display, mit dem der anvisierte Bildausschnitt begutachtet werden kann. Mit so einem Display kann man fast wie mit einem SLR arbeiten. Im Gegensatz zur herkömmlichen SLR, erlaubt das Display auch eine Einschätzung der Belichtung und (in Grenzen) der Tiefenschärfe. Außerdem kann man damit bereits aufgenommene Fotos begutachten.Das ist ein deutlicher Vorteil im Vergleich zu herkömmlichen Fotoapparaten. Nachteilig ist der hohe Stromhunger des LCD-Displays. Außerdem ist auch auf einem guten Display bei Sonnenlicht kaum noch etwas zu erkennen. Ein Sucher als Alternative ist also wirklich sinnvoll..
Digitale SLR-Kameras sind
hochpreisige
Exoten. Außerdem macht das SLR-Prinzip den
Digitalkameraentwicklern
Probleme. Zur Scharfeinstellung des Bildes wird bei 'normalen'
Digitalkameras
der Bildsensor verwendet. Der liegt bei SLR-Kameras aber im Dunkeln,
solange
der Fotograf durch den SLR-Sucher schaut. Deshalb wird bei digitalen
SLR-Kameras
genau wie bei analogen SLR-Kameras ein zusätzlicher
Scharfstell-Sensor
eingebaut, der unabhängig vom Bildsensor arbeitet. Der positive
Effekt
ist eine extrem kleine Auslöseverzögerung. Vom Drücken
des
Auslösers bis zum 'Schießen' des Fotos ist (im Gegensatz zu
digitalen Sucherkameras) kaum eine Verzögerung festzustellen, da
die
SLR-Kamera das Fokussieren ja bereits im Vorfeld erledigte. Das
große
Plus der SLR-Kameras ist die Qualität des optischen Suchers, der
weder
Rauschen noch Pixel kennt (aber auch keine Einschätzung der
Belichtungseinstellung
erlaubt). Außerdem besitzen die großen SLR-Kameras
zwangsläufig
große Bildsensoren, die dadurch sehr rauscharm sind. Solche
"Riesensensoren"
haben einen großen Stromverbrauch und würden sich im
Dauerbetrieb
stark aufheizen. Durch das Spiegelreflexprinzip wird der Sensor aber
nur
kurz während des Fotografierens eingeschaltet (in einer
Sucherkamera
mit LCD-Display-Vorschaubild ist der Sensor immer im Betrieb, wenn man
das LCD-Display verwendet).
Prinzipbedingt können SLR-Kameras keine
Videos aufnehmen, und zeigen im LCD-Display kein Vorschaubild.
Der
Einsatz eines halbdurchlässigen Spiegels wäre ein
Kompromiss,
der bei schlechten Lichtverhältnissen weder genug Licht für
die
Scharfeinstellung zum Sensor lässt, noch ein helles
Sucherbild
garantiert. Er wurde nur bei einer älteren Olympus Kamera
angewendet.
Die Olympus E-330 hat neben dem typischen SLR-Sensor einen zweiten
Sensor, der dauerhaft für das Vorschaubild eingesetzt wird. Seine
Nutzung ist aber mit Einschränkungen verbunden. (Das Livebild
zeigt
nur 92% des Bildes, und der Prismensucher ist recht dunkel und erlaubt
keinen Autofokus während der Motivwahl.)
Ein konsequenter Umstieg auf den 'four-thirds'-Standard könnte handliche, preiswerte Kameras hervorbringen.
Eine gute Lösung wäre wohl eine Pseudo-SLR-Kamera, die nur
ein SLR-Prinzip vortäuscht, in Wirklichkeit aber durch den
SLR-Sucher
den Blick auf ein hochwertiges kleines LCD-Display (elektronischer
Sucher)
freigibt. Dieser Sucher (electronic view finder -EVF) sollte aber eine
Auflösung von mindestens 1 MPixel haben, damit man die
Fokussierung
beurteilen kann.
Solch einen Sucher bietet z.B. die Minolta-Konika Dimage A2. Das ist
die erste Kamera mit deren EVF ich sicher die Schärfe
beurteilen
bzw. manuell einstellen konnte. Der 1-MPixel-EVF ist kein Overkill.
Schließlich
verteilen sich die Pixel auf die drei Grundfarben, und so entspricht
das
1 MPixel gerade einmal der Auflösung 640x480.
Mit "micro-four-thirds" gibt es einen Standard, der einen EVF mit Wechselobjektiven verbindet. Das erlaubt kompakte Kameras mit guter Bildqualität (vergleichsweise großer Sensor).
Ebenfalls ein guter Weg ist der Einsatz getrennter Sensoren (einer
für das Foto und einer für das Vorschaubild) in einer echten
SLR, wie es in der
Olympus
E-330 praktiziert wird.
Tintenstrahler
Die Zeit der fototauglichen Tintenstrahler begann vor Jahren mit 720
dpi-Druckern. Inzwischen sind 4800 dpi-Drucker auf dem Markt. Zusammen
mit der richtigen Tinte und dem richtigen Papier lassen sich Bilder
ausdrucken,
die von richtigen Fotos kaum zu unterscheiden sind. Dafür
muss
man allerdings ein wenig Geduld und Experimentierfreude aufbringen. Das
Farbmanagement am PC ist nicht problemlos. Wenn man aber erst mal alle
Einstellungen optimiert hat, ist der Tintenstrahler der schnelle Weg
zum
guten Foto.
Die schnelle Lösung ist leider auch vergänglich, mit der
Lichtbeständigkeit der Tinten ist es nicht zum Besten bestellt,
auch
wenn einige Hersteller hier in den letzten Jahren ein gutes Stück
vorangekommen sind.
Ein weiterer Makel des Tintenstrahlers sind die hohen Tinten- und
Papierkosten.
Der Tintenstrahler eignet sich also für das schnelle Bild, das
nicht Jahre überdauern soll, nicht aber für den Ausdruck
einer
großen Zahl von Urlaubsfotos, die über viele Jahre
aufgehoben
werden sollen.
Zukünftig könnten neue Tinten entwickelt werden, die in der
Langzeitstabilität dem echten Papierfoto überlegen sind, das
scheint aber im Moment keine Priorität zu genießen.
Fotodienst
Ob man einen Internet-Fotodienst oder einen Belichter beim
örtlichen
Supermarkt bemüht ist egal. Hier erhält man auf Fotopapier
ausbelichtete
Digitalfotos. Das ist eine dauerhaftere Lösung. Die Preise sind
zwar
höher als KB-Abzüge, aber garantiert niedriger als
Tintenstrahlerdruckkosten.
Außerdem kann man die Fotos schon vor dem Druck sichten,
sortieren,
bearbeiten und retuschieren. Das spart einen Teile der Kosten wieder
ein.
Ewig halten Papierabzüge aber auch nicht. Je nach Qualität
und Lagertemperatur können nach 10 Jahren schon erste
Farbverfälschungen
sichtbar werden.
Das Formatproblem (aspect ratio)
Das typische Papierbild hat ein Seitenverhältnis von 3:2 (z.B.
15 cm : 10 cm). Die meisten Kameras nehmen aber die Bilder im
Seitenverhältnis
von 4:3 auf. Um sie verlustfrei im Labor als Papierfoto auszugeben sind
sie also nicht breit genug bzw. etwas zu hoch. Die Fotolabore
beschneiden
dann den Bildinhalt oben und unten etwas, um das Papierformat zu
füllen.
Das sollte man berücksichtigen, wenn man beim Fotografieren das
Objekt im Sucher der Kamera platziert.
Beispiel:
Die Minolta Dimage A1 hat eine maximale Bildauflösung von 1920
Zeilen a 2560 Pixeln. Das sind 4,9152 MPixel im Format 3:4. Bei einer
Ausbelichtung
auf einen 15 cm x 10 cm Papierabzug, werden nur 1707 Zeilen auf dem
Papier
wiedergegeben. Das Labor schneidet oben und unten jeweils ca. 100
Zeilen
ab. Effektiv nutzt man dadurch nur 4,37 MPixel, das sind 89% des
Sensors.
In einigen Labors werden alle Fotos auf die gleiche Höhe
gestreckt
(z.B. 10 cm wenn man 10x15cm bestellt) und die Bildbreite variiert dann
je nach Fotoformat. Ein Bild kann dann also auch breiter oder schmaler
als bestellt sein. ein 10x15cm-Foto wird dann z.B. nur 10x13,3 cm
groß.
Dieses Verfahren ist keine schlechte Lösung, jedenfalls geht dabei
kein Bildinhalt verloren.
Der Knipser
Knipskameras gibt es genug, aber ihr Preis ist noch nicht
knipskameramäßig.
Der Hobbyfotograf
Für den ambitionierten Hobbyfotografen, fehlt ein
Gerätestandard,
der den Einsatz von Wechselobjektiven ermöglicht. Man sollte sich
weltweit (oder wenigstens Japanweit) auf eine einheitliche
Bildsensorgröße
sowie einheitliche Brennweiten und Objektiv-Wechselverschlüsse
einigen.
Dann ließen sich wieder Body und Objektiv verschiedener
Hersteller
problemlos kombinieren. Die Folge wären bezahlbare Apparate mit
guten
Parametern, die nicht nach 4 Jahren moralisch verschlissen wären.
Die Sensorauflösung sollte je nach Preis 6 MPixel bis 12 MPixel
betragen. Die Speicherkapazität der Speicherkarten muss
demzufolge
wenigstens 128 MByte betragen (50 Bilder a 12 MPixel im JPEG-Format).
Die
Datentransferrate beim Beschreiben der Medien sollte nicht unter 3
MByte/s
liegen (1 s für ein 12 MPixel-Bild).
Dann würden viele Hobbyfotografen umsteigen, die jetzt noch keinen bezahlbaren Ersatz für ihre KB-SLR-Apparate sehen, aber trotzdem die Digitalgemeinde um ihre Bildbearbeitungsmöglichkeiten beneiden.
Ich hoffe, das sich der von Kodak und Olympus in's Leben gerufene 'four-thirds'-Standard (siehe c't 2002, Heft 25, Seite 28) durchsetzt. Mit einer Sensordiagonalen von 22,5 mm und einer Normalobjektiv-Brennweite von 25 mm bietet er alle Voraussetzungen für handliche leistungsstarke SLR-Kameras. Eine four-thirds-SLR-Kamera einschließlich Objektiv könnte im Vergleich zu einer herkömmlichen SLR-Kamera voraussichtlich 1/3 kleiner und 50% leichter ausfallen.
was zu befürchten ist
Vermutlich wird die digitale Einfachknipskamera mit mit Handy und
Organiser
verschmelzen. Kein Massenmarktbediener wird es sich leisten
können,
ein Handy oder einen Organiser ohne Fotofunktion anzubieten. Auf diesem
Markt werden sich vor allem Hersteller bewegen, die kaum Erfahrung mit
Kameratechnik haben. Die Bildqualität dieser Gimmiks wird schlecht
sein, da sich dieses Extra nicht wesentlich auf den Preis auswirken
darf.
Als Spaßknipse für unterste Ansprüche mag das aber
genügen,
Lomographie ist ja auch Kult geworden.
Wer digital fotografiert sollte nicht vergessen, ab und zu auch Abzüge auf Fotopapier belichten zu lassen. Vielleicht ist das alles, was in 10 Jahren noch an Bildmaterial auswertbar ist.