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Digital Fotografie - Wie funktioniert eine Digitalkamera? |
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Einleitung,
Digital Fotografie - Wie funktioniert eine Digitalkamera?
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So, wie Licht bisher eine lichtempfindliche Emulsion chemisch verändert, was durch einen nachgelagerten Entwicklungsprozeß sichtbar gemacht wird, trifft es bei der Digitalfotografie auf empfindliche Halbleiterelemente, deren elektrischer Widerstand sich je nach Einstrahlung ändert. Sie werden CCDs genannt (Charge-Coupled Device) und können aufgrund ihrer sehr geringen Größe zeilenweise oder flächig zu tausenden auf einem Siliziumträger verschaltet werden. Man redet entsprechend von Zeilen- oder Flächensensoren.
Zeilensensoren sitzen beispielsweise in Flachbettscannern, wo eine Leuchte die einzuscannende Fläche entlangwandert, um dem darunterliegenden Sensor die nötigen, von der Vorlage reflektierten Lichtimpulse zu verschaffen. Der Sensor wandert praktischerweise gleich mit und die erhobenen Daten werden an den Computer weitergereicht, wo sie gespeichert und weiterverarbeitet werden können. Auch in Fotostudios werden Mittel- und Großformatkameras mit digitalen Rückteilen versehen, in denen ein Zeilensensor arbeitet. Der erhält das nötige Licht natürlich nicht durch eine Lampe im Rückteil, sondern, wie es sich in der Fotografie gehört, durchs Objektiv. Da Zeilensensoren theoretisch eine beliebig große Fläche abfahren und dabei fleißig Daten sammeln können, lassen sich mit ihnen sehr große Bildformate relativ günstig realisieren.
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Ihr Nachteil: Sie können nur unbewegte Motive aufnehmen, denn sie benötigen so lange zum Einlesen des gewünschten Bereichs, daß man sich an die Kindertage der Fotografie erinnert fühlt, in denen minutenlange Belichtungszeiten schon einmal zum Stand der Technik gehörten. Im Studio bereiten die langen Belichtungszeiten und die dabei anfallende Datenmenge keine Probleme, weil die Kamera auf dem Stativ steht und direkt an den PC angeschlossen ist.
Soll das Aufnahmesystem aber schnell, kompakt und mobil sein, muß es auf möglichst kompakte Datenspeicher und auf Batteriestrom zurückgreifen. Das setzt den Möglichkeiten transportabler Systeme Grenzen. Zeilen-CCDs scheiden für ihre Zwecke aus.
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Flächensensoren haben den Vorteil, daß sie das ganze Bild auf einmal erfassen können. Obendrein entfällt bei einer Kamera mit Flächen-CCD die mechanisch sehr aufwendige Konstruktion zur präzisen Führung eines Zeilenchips, der aus weiter unten beschriebenen Gründen drei mal ganz exakt denselben Weg zurücklegen muß, bis das Bild im Kasten ist. Daher arbeiten alle Kameras, die für mobilen Einsatz gedacht sind, mit Flächensensoren - von der billigen Miniknipse mit Gummilinse bis zum Profimodell.
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CCD-Sensoren bereiten den Ingenieuren aber noch weitere Schwierigkeiten. Einmal ist ihr Wahrnehmungskeitsbereich weit ausgedehnter als der des menschlichen Auges. Das Auge sieht den Bereich zwischen ca. 400 nm (blau) und 700 nm (rot). Ein CCD-Chip ''sieht'' zwischen 400 und etwa 2400 nm, also bis weit in den Infrarotbereich hinein. Daher wird die spektrale Empfindlichkeit der CCDs mit Hilfe von Infrarotfiltern künstlich auf die Wellenlängen des für Menschen sichtbaren Lichts begrenzt. Und noch eine Eigenschaft des CCD muß überlistet werden: CCDs sind farbenblind. Eine Farbaufnahme muß also durch drei sogenannte Farbauszugsfilter erfolgen - Rot, Grün und Blau - und hinterher zusammengesetzt werden. Hierzu gibt es unterschiedliche Verfahren.
Die sogenannte ''three shot'' - Methode besteht darin, die drei Filter nacheinander vor den Sensor zu bringen. Entsprechend muß er das Motiv drei mal aufnehmen. Dieser Nachteil verdammt die ''three shot'' - Technik ins Studio. Macht nichts - dort wird der Umstand, daß durch das dreimalige Aufnehmen die Nennauflösung und die tatsächliche Auflösung des Chips gleich sind, besonders geschätzt. In Verbindung mit den langsamen Zeilensensoren einer digitalen Studiokamera führen drei Aufnahmen für ein einziges Motiv allerdings gelegentlich zu extrem langen Belichtungszeiten.
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Zweite Möglichkeit: um es bei einer einzigen Aufnahme (''one shot'') belassen zu können, teilt man bei der Aufnahme das Licht mittels einer Prismen- oder Spiegelkonstruktion in drei Teile auf. Jeder Teil belichtet eine eigene CCD-Fläche, vor der ein rotes, grünes oder blaues Auszugsfilter fest angebracht ist. Von Vorteil für die Bildauflösung ist dabei, daß man die Sensoren leicht versetzt anordnen kann, um mehr Informationen über das Motiv zu erhalten. Die drei Teilbilder werden anschließend rechnerisch wieder richtig zusammengesetzt.
Drei CCD-Sensoren sind natürlich recht teuer und deshalb hat sich eine andere ''one shot''-Methode inzwischen als Standard etabliert: Auf das CCD-Feld wird ein Mosaikfilter mit den Auszugsfarben Rot, Grün und Blau aufgetragen. Die physikalische Auflösung des Sensors wird dadurch zunächst um 2/3 reduziert, denn jedes Pixel kann nur noch eine von drei Farbauszugs-Informationen aufnehmen. Durch Interpolation wird die Auflösung des Sensors allerdings wieder angehoben.
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Die Qualität einer digitalen Aufnahme hängt nicht nur von der Auflösung des CCD-Chips ab. Ein weiteres wichtiges Kriterium ist die Bittiefe, auch Farbtiefe genannt. Sie bestimmt, aus wie vielen Farben das fertige Bild sich zusammensetzt. Moderne Kameras bieten eine Farbtiefe von 8 bit pro Farbkanal (Rot, Grün, Blau).
Damit ist ''Echtfarben''-Standard von ca 16,7 Millionen Farben (3x8=24 bit) möglich: Jeder der drei RGB-Farbkanäle kann mit 8 bit Farbtiefe 256 unterschiedliche Farbinformationswerte angeben. Die drei Farbkanäle zusammengenommen können 256 Rot- 256 Grün- und ebensoviele Blautöne mischen.
256 x 256 x 256 = 16.777.216 Farben
Einige Kameras unterstützen auch 30 oder sogar 36 bit Farbtiefe. Theoretisch wären damit etwa 36 Milliarden (!) Farben darstellbar. Das ist weit mehr, als als das Auge unterscheiden oder irgend ein Bildschirm oder Drucker darstellen könnte. Der große Vorteil der größeren ''Farbtiefe'' liegt in
der feineren Differenz pro Farbe. Während bei 24 bit wie gesagt der Motivkontrast in 256 Abstufungen pro Farbe aufgezeichnet werden kann, sind bei 10 bit 1024 Abstufungen und bei 12 bit 4096 Abstufungen möglich.
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Hochwertige Kameras zeichnen sich jedoch auch dadurch aus, daß sie die Wahl zwischen verschiedenen Möglichkeiten zur Komprimierung der aufgenommenen Bilddaten erlauben: Da das Interesse an möglichst großen Datenbeständen pro Bild mit dem, möglichst viele Aufnahmen vor Ort machen zu können kollidiert, sind Möglichkeiten zum Speichern gefragt, die es erlauben, je nach dem Verwendungszweck des Bildes unterschiedliche Kompressionsverhältnisse zu wählen.
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Auch das Motiv spielt eine Rolle. Bilder von großen Flächen mit wenig Differenzierungen lassen sich ohne sichtbaren Qualitätsverlust stärker komprimieren als Aufnahmen fein abgestufter detailreicher Motive. Kameras, die mehrere Wahlmöglichkeiten anbieten, erlauben es dem erfahrenen Fotografen, stets die optimale Datenreduktion vorzunehmen und so im Zweifelsfalle noch ein paar Bilder mehr aufzunehmen oder zugunsten besserer Qualität auf das eine oder andere Bild zu verzichten.
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Einleitung,
Digital Fotografie - Wie funktioniert eine Digitalkamera?
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