Wissenswertes
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Digitalkamera
Eine Digitalkamera ist eine Kamera, die als Aufnahmemedium
anstatt eines Films einen elektronischen Bildwandler (Bildsensor) und ein
digitales Speichermedium enthält. Sie basiert auf der Videotechnik.
Funktionsweise einer Digitalkamera
Hauptbestandteile einer Digitalkamera: Speichermedium und
Batterie können meist gewechselt werden. Bei Systemkameras ist auch das
Objektiv und das Blitzlicht wechselbar. Die anderen Bestandteile Monitor,
Auslöser und Bildsensor sind in der Regel fest im Kameragehäuse eingebaut.
Das fotografische Bild entsteht in einer Digitalkamera in
folgenden Schritten:
- Scharfstellung des Bildes
- Abschätzen einer sinnvollen Belichtungszeit und Blende
- Optische Projektion durch das Objektiv auf den Bildsensor
- Optische Filterung durch Tiefpass-, Infrarot- und Farbfilter (meist im Bildsensor integriert)
- Wandlung der Lichtintensitäten in analoge elektrische Signale in diskreten Stufen (Diskretisierung)
- Digitalisierung der Signale durch Analog-Digital-Wandlung (Quantisierung)
- Bildverarbeitung der Bilddatei:
- Umrechnung von Signalen in Helligkeiten
- Farbrekonstruktion *
- Rauschunterdrückung *
- Entfernen bekannter korrigierbarer Fehler des Bildaufnahmesystems (defekte Pixel, Übersprechen, Nachschärfen, Randlichtabfall, Verzeichnung, chromatische Aberration) *
- Komprimierung der Bilddatei *
- Speicherung der Bilddatei.
Anmerkung:
* Entfällt bei einer Speicherung im Rohdatenformat.
Bei einer Digitalkamera gelangt Licht durch Linsen
(Objektiv), welche das Bild auf den Sensor werfen, in das Kameragehäuse. Vor dem
Sensor durchläuft das Licht in der Regel ein Infrarot-, ein Tiefpass- sowie ein
Farbfilter. In Kombination werden meist auch Mikrolinsen eingebaut, die das
Licht auf die empfindlichen Bereiche des nachfolgenden Bildwandlers
fokussieren.
Der A/D-Wandler führt eine Bildwandlung durch, die aus den
Schritten Diskretisierung und Quantisierung besteht. Die Diskretisierung
bezeichnet die Bilderzerlegung in diskrete, also nicht-kontinuierliche
Einheiten, bei der Quantisierung wird die Signalstärke durch eine natürliche
Zahl repräsentiert. Da bei Kameras, die den RGB-Farbraum verwenden, pro Pixel
außer bei der Rohdatenspeicherung drei Farbwerte gespeichert werden müssen,
findet nach der Transformation in den entsprechenden Farbraum in der Regel eine
Farbinterpolation statt (siehe Bayer-Sensor). Dabei werden die zwei nicht
registrierten Farbwerte aus den Werten der umliegenden Zellen interpoliert, das
heißt, nach einer Regel „geschätzt“ (educated guess).
Nach der optionalen Korrektur von Abbildungsfehlern erfolgt
die Kompression zur Reduktion des Datenvolumens, wenn das Bild wie im
allgemeinen nach der JPEG-Methode gespeichert wird. Inwieweit auch Rohdaten
(Raw-Format) komprimiert werden, hängt vom proprietären Format des jeweiligen
Herstellers ab.
Bildwandlung
Wie bei einer Analogkamera wird das einfallende Licht mit
einem Objektiv gesammelt und auf die Filmebene, in diesem Fall auf den Sensor,
scharfgestellt (fokussiert). Der Sensor ist ein elektronisches Bauelement, das
in der Regel eine deutlich kleinere Fläche hat als ein Bild auf dem analogen
35-mm-Film einer Kleinbildkamera; nur höherwertige Digitalkameras verfügen über
einen Sensor in Größe des APS-C-Negativs oder sogar über einen
Vollformatsensor. Im professionellen Mittelformatbereich werden auch größere
Sensoren eingesetzt. Grundsätzlich werden zwei Sensortypen unterschieden:
Flächensensor und Zeilensensor.
Beim Flächensensor registriert der Bildwandler entweder
gleichzeitig die drei Grundfarben (One-shot-Kameras) oder nacheinander
(Three-Shot-Kameras). Im Wesentlichen existieren zwei verschiedene marktgängige
Flächensensor-Typen, der weit verbreitete CCD-Sensor (zum Beispiel in Kameras
von Canon, Hewlett-Packard, Kodak, Nikon, Olympus, Panasonic, Pentax, Samsung
oder Sony) mit der Variante des Super-CCD-Sensor (nur Fujifilm) sowie der
CMOS-Sensor.
Eine Sonderstellung nimmt dabei der Foveon-Sensor ein, der
in Sigma-Kameras zum Einsatz kommt. Dabei handelt es sich um einen
dreischichtigen Sensor, der rotes, grünes und blaues Licht mit jedem Bildpunkt
aufzeichnet. Dem interessanten Prinzip zum Trotz hat auch die zweite mit
Mikrolinsen ausgestattete Generation nicht zum durchschlagenden Erfolg geführt.
Zeilensensoren werden in Scannerkameras eingesetzt, die nach
dem Scannerprinzip funktionieren, das heißt, sie arbeiten ähnlich wie ein
Flachbettscanner und tasten das Bild zeilenweise ab.
Bildverarbeitung
In einem digitalen Fotoapparat führt die Elektronik und die
Firmware eine Reihe bildverändernder Verarbeitungen vor, während und nach der
Aufnahme durch; diese werden unter dem Begriff der Bildverarbeitung
zusammengefasst. Davon zu unterscheiden ist die Bildbearbeitung, die an der
fertiggestellten Aufnahme durchgeführt wird.
Die Digitalkamera beeinflusst durch den Weißabgleich – wie
auch die Videokamera – die Farbtreue bei Tages- oder Kunstlicht.
Die Homogenität, das heißt die gleichmäßige Schärfe und
Helligkeit über das gesamte Bild, insbesondere am Bildrand, ist abhängig von
den Abbildungseigenschaften und kann teilweise durch die kamerainterne Software
ausgeglichen werden.
Die Qualität der kamerainternen Elektronik entscheidet auch
über die Signaldynamik, das heißt, die von der Kamera unterscheidbaren
Helligkeitsstufen sowie den Kontrastumfang des digitalen Bildes.
Die Kameraelektronik beeinflusst auch die Bildreinheit bzw.
den Grad an Bildfehlern, die sich beispielsweise als Bildrauschen oder
Kompressionsartefakte zeigen. Bei Kameras mit einer Auflösung von drei
Megapixeln und mehr lassen sich CCD-Fehler kaum vermeiden: Einzelne Zellen arbeiten
möglicherweise überhaupt nicht, andere arbeiten dagegen mit unterschiedlicher
Empfindlichkeit usw. Solche „Aussetzer“ können ebenso wie das besonders bei
Nachtaufnahmen auftretende Bildrauschen von der Kamera-Elektronik zumindest
vermindert werden. Dennoch bleibt für jede einzelne Kamera ein individuelles
Muster, das bei mindestens zwei vorliegenden Bildern als digitaler
„Fingerabdruck“ extrahiert werden kann.
Zur Verbesserung der subjektiven Bildwirkung führt die
Firmware darüber hinaus noch diverse Optimierungen durch. Dazu zählen
beispielsweise:
- Scharfzeichnung: Erkennen und Verstärken von Übergängen im Bild
- Kontrastanhebung: Anhebung des Kontrasts im Bild
- Farbsättigung: Erhöhen der Farbsättigung
Bevor ein Foto ausgelöst wird, wird gegebenenfalls der
Autofokus in Gang gesetzt, der die Scharfstellung übernimmt. Auch wenn mehrere
Fotos vom selben Objekt gemacht werden, muss jeweils eine Scharfstellung
erfolgen. Bei einigen Kameras kann der Autofokus ausgeschaltet werden. Außer
bei digitalen Spiegelreflex-Kameras sucht man bei den meisten Digitalkameras
einen Schärfe-Einstellring allerdings vergeblich. Lediglich über eine
Menüstruktur kann eine manuelle Scharfstellung in Stufen erreicht werden, was
die Einsatzmöglichkeiten der meisten Digitalkameras begrenzt. Auch wenn der
Autofokus abgeschaltet wird, findet vor dem Auslösen in der Kameraelektronik
noch ein Weißabgleich statt. Weil das jedoch nicht ausreichend ist, findet
zusätzlich ein Schwarzabgleich statt, um das elektronische Rauschen des Sensors
und Fehlerpixel herauszufiltern.
Optisches System
Alle digitalen Kompaktkameras und auch viele digitale
Spiegelreflexkameras verwenden einen Bildsensor mit einer teils erheblich
kleineren Fläche als Kameras, die mit Filmen im weit verbreiteten und für viele
gewohnten Kleinbildformat arbeiten. Durch die kleinere Bildfläche des Sensors
ergibt sich bei gleicher Brennweite des Objektivs ein kleinerer Bildwinkel,
oder anders gesagt, um den gleichen Bildwinkel zu erhalten, muss die Brennweite
entsprechend kleiner werden. Der Zusammenhang wird bei verzeichnungsfreien
Objektiven durch die Formel beschrieben. Dabei ist f die Brennweite, α der
halbe Bildwinkel (von der optischen Achse aus gemessen) und h die Bildhöhe
(Abstand der Bildecke von der Bildmitte).
Dass bei gleicher Brennweite der Bildwinkel gegenüber dem
Kleinbildformat kleiner wird, bezeichnet man häufig fälschlicherweise als
Brennweitenverlängerung. Fotografen sind es gewohnt, die Brennweite als Maß für
den Bildwinkel zu sehen (je größer die Brennweite, desto kleiner der
Bildwinkel), aber das funktioniert nur, solange sich das Bildformat nicht
ändert. Damit diese Zuordnung weiterhin funktioniert wie vom Kleinbildformat
her gewohnt, geben viele Hersteller von kompakten Digitalkameras zusätzlich zur
realen Brennweite ihrer Objektive auch die Brennweite an, die im
Kleinbildformat den gleichen Bildwinkel ergeben würde (KB-äquivalente
Brennweite).
Bei digitalen Spiegelreflexkameras mit Wechselobjektiven
wird zumeist ein Umrechnungsfaktor angegeben – der Formatfaktor –, mit dem die
Brennweite eines Objektivs multipliziert werden muss, um die Brennweite zu
errechnen, die auf Kleinbild den gleichen Bildwinkel aufnimmt. Bei
Spiegelreflexkameras mit Vollformatsensor 36x24 mm beträgt der Formatfaktor
demzufolge 1,0. Weit verbreitet sind Kameras mit kleineren Bildaufnehmern, die
zum traditionellen Kleinbildformat im Verhältnis 1:1,3, 1:1,5, 1:1,6 oder wie
beim Four-Thirds-System im Verhältnis 1:2 stehen.
Zusätzlich zu dem bei den meisten digitalen Kompaktkameras eingebauten
optischen Zoom besitzen viele Modelle noch einen sogenannten digitalen Zoom.
Tatsächlich handelt es sich dabei um eine Ausschnittvergrößerung, bei dem nur
ein Teil aus der Mitte der Sensorfläche genutzt wird mit entsprechend
verminderter Bildauflösung. Dieser Ausschnitt wird in der Kamera auf die
jeweils eingestellte Auflösung vergrößert. Digitalzooms können für Fotografen
nützlich sein, die ihre Bilder nicht nachbearbeiten wollen oder können. Sie
sind kein Ersatz für ein optisches Zoomobjektiv, das dieselbe Vergrößerung
bieten würde, da die Interpolation je nach Zoomstufe meist nur sehr
unbefriedigende Ergebnisse erzielt. Eine nachträgliche digitale Vergrößerung
mit einer geeigneten Bildbearbeitungssoftware ist in der Regel qualitativ
mindestens gleichwertig und gleichzeitig flexibler, da beispielsweise der
Bildausschnitt noch verschoben werden kann.
Suchersysteme
Digitale Kameras verfügen über unterschiedliche
Suchersysteme, die eine Gestaltung des Bildes vor der Aufnahme ermöglichen.
Grundsätzlich wird zwischen optischen und elektronischen Suchern unterschieden.
Die optischen Sucher arbeiten wie bei herkömmlichen
filmbasierten Kameras entweder mit einem Spiegelreflexsystem oder als separater
Durchsichtsucher, wobei nur wenige digitale Sucherkameras einen hochwertigen
Messsucher bieten. Der weit überwiegende Teil digitaler Kompaktkameras wie auch
Fotohandys werden ohne optischen Sucher angeboten und sind ausschließlich mit
einer elektronischen Anzeige ausgestattet.
Elektronische Sucher nutzen entweder direkt das Signal des
Kamerasensors oder, wie bei einigen Spiegelreflexkonstruktionen, einen
zusätzlich eingebauten Sensor. Die Anzeige erfolgt auf einem auf der
Kamerarückseite angebrachten LC-Display (also einer Monitoranzeige), zusätzlich
kann ein zweiter Monitor im Gehäuse integriert sein, der mit einem
herkömmlichen Suchereinblick kombiniert ist.
Alle elektronischen Sucher zeigen weitestgehend exakt den
Bildausschnitt, der beim Auslösen der Kamera gespeichert würde. Eine genaue
Beurteilung der Bildschärfe und insbesondere das Schärfeverlaufs ist wegen des
kleinen Formats und der meist relativ geringen Auflösung der Monitore nicht
einfach. Abhilfe schaffen Hilfsfunktionen wie beispielsweise eine digitale
Sucherlupe. Zusätzlich können auch teils umfangreiche Statusinformationen oder
beispielsweise Gitterlinien zur exakten Kameraausrichtung eingeblendet werden.
Der Aufbau elektronischer Sucher erfordert, dass der
Aufnahmesensor, außer bei einigen Sonderkonstruktionen, permanent aktiv sein muss.
Dies führt zu vergleichsweise hohem Stromverbrauch und zu einer Erwärmung von
Kamera und Aufnahmesensor, was sich ungünstig auf das Bildrauschen auswirken
kann. Dies gilt auch für die meisten Geräte in Spiegelreflexbauweise, wenn die
Live-View-Funktion genutzt wird. Spiegelreflexkameras, die herkömmlich
betrieben werden, zeigen diesen Effekt nicht bzw. nur bei Langzeitbelichtungen,
da der Aufnahmesensor nur während der eigentlichen Aufnahme aktiv ist.
Bauformen einer Digitalkamera
Die aus der filmbasierten Fotografie bekannten Bauformen
Kompaktkamera und Spiegelreflexkamera sind auch in der digitalen Fotografie
vertreten.
Kompaktkameras
Während sich Spiegelreflexkameras in äußerer Gestalt und
Aufbau wenig von den filmbasierten Vorgängern unterscheiden, fällt bei den
Kompaktkameras vor allem die extreme Miniaturisierung auf, die durch die starke
Verkleinerung des Aufzeichnungsformates (Formatfaktor etwa 6 gegenüber
Kleinbild) ermöglicht wird. Der inzwischen nur noch selten verbaute optische
Sucher wurde durch großformatige Displays zur Bildgestaltung ersetzt.
Als Gehäuseformate haben sich für Ultra-Kompakte
Quaderformate mit den Abmessungen einer Zigarettenschachtel durchgesetzt, wobei
das Objektiv im Ruhezustand vollständig in der Front verschwindet und
automatisch verschlossen wird. Manche Kompaktkameras sind mit innenliegendem
Objektiv aufgebaut: Die Frontlinse ist starr im Gehäuse, das Licht wird mittels
Prisma auf die senkrecht zur Aufnahmerichtung angeordneten beweglichen Linsenelemente
für Zoom und Fokus im Gehäuseinneren gelenkt. Diese „Periskopobjektiv“ genannte
Bauform ermöglicht besonders robuste Kameras, die sogar unter Wasser verwendbar
sind.[4]
Für etwas ambitioniertere Modelle ist eine Bauform ähnlich
den klassischen Kompaktkameras mit vorstehendem Objektiv und Griffwulst üblich.
Neuartige Sonderbauformen, zum Beispiel mit verdrehbaren Gehäusehälften wie die
Pentax Optio X, haben sich nicht durchgesetzt.
Bridgekameras
Eine am Markt etablierte Mischform zwischen Kompakt- und
Spiegelreflexkamera ist die sogenannte Bridgekamera mit festem Objektiv und
elektronischem Sucher, ähnlich dem optischen Sucher einer Spiegelreflexkamera.
Üblicherweise besitzen Bridgekameras Superzoom-Objektive.
Spiegellose Systemkameras
Auf der Basis des Anfang 2008 vorgestellten
Micro-Four-Thirds-Standard der Hersteller Olympus und Panasonic wurde mit der
LUMIX DMC-G1 erstmals eine Kamera mit Wechselbajonett, aber ohne Schwingspiegel
vorgestellt. Damit wurde eine neue Gattung von digitalen Systemkameras
begründet, die unter anderem als EVIL- (EVIL: Abkürzung für englisch electronic
viewfinder interchangeable lens) oder allgemeiner als CSC (CSC: Abkürzung für
engl. compact system camera) bezeichnet wird.[5] Samsung hat Anfang 2010 mit
der NX10 ein spiegelloses System vorgestellt, das einen Sensor in der Größe
APS-C einsetzt.
Spiegelreflexkameras
Mehrere Hersteller bieten Systemkameras mit einem
Spiegelreflexsystem an, bei denen gegenüber der herkömmlichen Kamera der Film
durch den Bildsensor ersetzt ist. Entsprechend ist eine große Auswahl an
Wechselobjektiven verfügbar. Ähnlich wie bei herkömmlichen Systemkameras gibt
es auch Ausführungen mit digitaler Kamerarückwand, die an den Kamerabody
angesetzt wird. Es gab auch schon Kameras mit wahlweise analoger oder digitaler
Rückwand.
Bildpunkte und Auflösung
Die Anzahl der Bildpunkte ist bei heutigen Kompaktkameras
mehr als ausreichend. Eine geringe Pixelzahl stellt heute nicht mehr den
Flaschenhals hinsichtlich der Auflösung und damit das wichtigste Kriterium zur
Beurteilung der Gesamtqualität einer Kamera dar. Käuferbewusstsein und
Marketing stellen sich auf diese Tatsache zunehmend ein. Eine höhere Auflösung
führt nicht zwangsläufig zu einem höheren Schärfeeindruck. Wichtiger ist
vielmehr die Größe der Bildpunkte und damit eine der Pixelzahl angemessene
Fläche des Bildsensors. Eine 2008 typische Kompaktkamera mit 8 Megapixeln auf
einem sogenannten 1/2,5″-Sensor hat eine Sensorgröße von 5,8 × 4,3 mm,
was zu etwa 1,7 µm großen Pixeln führt. Durch die Beugung am Objektiv mit
typischer größter Blende von 1/2,8 wird ein Lichtpunkt auf ein
Beugungsscheibchen von etwa 3 µm Durchmesser abgebildet. Das bedeutet, dass bei
diesen Sensorgrößen ein Lichtpunkt niemals nur ein einzelnes Pixel belichten
kann, auch wenn man von einem Objektiv ohne Abbildungsfehler ausgeht, wobei
hier bei billigen Kameras häufig gespart wird. Bei den deutlich größeren
Sensoren der digitalen Spiegelreflexkameras sind die physikalisch sinnvollen
Grenzen bei der Pixelgröße derzeit noch nicht erreicht.
Die effektive Auflösung, die sich im Zusammenspiel von Optik
und Sensorik ergibt, kann nur anhand von Testbildern, zum Beispiel mit dem
Auflösungs-„Chart“ nach ISO 12233, festgestellt werden.
Ein zusätzliches Problem der kleinen Sensoren, bzw. kleiner
Pixel, ist das Bildrauschen. Da auf kleinere Pixel auch nur eine entsprechend
kleinere Menge an Licht trifft, wird auch ein geringeres Nutzsignal erzeugt,
das entsprechend verstärkt werden muss, wobei es zu Bildfehlern in Form höheren
Rauschens kommt. Eine softwareseitige Rauschunterdrückung soll dem
entgegenwirken, sie retuschiert aber lediglich das aufgenommene Bild und neben
dem Rauschen werden feine Strukturen ebenfalls geglättet, da die
Rauschunterdrückung als Tiefpassfilter funktioniert. Durch den Pixel-Trend
werden ferner die Bilddateien unnötig groß, das Dunkelstromverhalten wird
negativ beeinflusst, und die Datenübertragung sowie das Kopieren der Bilder
werden verlangsamt.
Dateiformat
Damit ein Bild mit einer Auflösung von zehn Megapixeln und
drei Farben pro Pixel nicht dreißig Megabyte (unkomprimierte Dateigröße) auf
der Speicherkarte benötigt, wird es meist komprimiert.
Als verlustbehafteter Modus steht nach EXIF-Standard JFIF
zur Verfügung, als verlustfreier Modus wurde häufiger auch TIFF angeboten. Bei
höherwertigen Kameras können die digitalen Bilder auch verlustfrei in einem
proprietären Rohdatenformat (RAW, von englisch raw für ‚roh‘) gespeichert
werden.
Da für dieses Format kein etablierter Standard existiert
(siehe auch Digital Negative), sind die Bilddaten unterschiedlicher
Kamerahersteller und sogar unterschiedlicher Baureihen eines Herstellers
untereinander meist nicht kompatibel und müssen vor der Betrachtung oder
Bearbeitung mit einem meist vom Kamerahersteller bereitgestellten Programm oder
einem sogenannten Plug-In für Bildbearbeitungsprogramme in ein
Standard-Bildformat (meist TIFF oder JPG) konvertiert werden.
RAW-Daten werden auch als digitales Negativ bezeichnet.
Davon ausgehend lassen sich viele Parameter der Bilddaten beeinflussen:
Gammakorrektur, Weißabgleich, Helligkeit, Kontrast, Schärfeeindruck. Aufgrund
ihrer verlustlosen Speicherung weisen RAW-Daten keine Kompressionsartefakte
auf. Ein weiterer wichtiger Vorteil ist der potentiell größere Farbumfang.
Während JPEG-Bilder mit 8 Bit (= 256 Stufen) je Farbkanal gespeichert werden,
liegen RAW-Daten in 12 Bit (= 4096 Stufen) oder sogar 14 Bit (= 16.384 Stufen)
vor. Die Bilder können somit unter Umständen in feinerer Farbabstufung
ausgegeben werden.
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