3. Digitale Aufnahme

Digitalkameras sind echte High-Tech-Produkte. Es würde den Rahmen dieses Handbuchs sprengen und meine Fähigkeiten überfordern, die Funktionsweise dieser Kameras in allen Einzelheiten und Verästelungen darzustellen. Es gibt jedoch einige Grundprinzipien, deren Verständnis auch für den Fotografen hilfreich sein können.

Fotodiode

Ausgangspunkt jeder digitalen Fotografie ist der Sensor der Kamera. Unabhängig vom jeweiligen Sensortyp finden sich auf allen Sensoren meist mehrere Millionen winzig kleiner Silizium-Dioden, die sog. Fotozellen. Trifft Licht auf die Diode entstehen durch die Interaktion der Lichtquanten (Photonen) mit den Siliziumatomen freie Elektronen. Diese Elektronen werden in einem Ladungspool (Change Well) als Ladungspaket gesammelt, das schließlich als analoges Signal (elektronischer Impuls) ausgelesen wird.

LadungspoolDen Ladungspool der Diode kann man sich bildlich als einen Trichter vorstellen, in dem die Elektronen (in der Grafik bildlich als rote Kugeln dargestellt) gesammelt und zu einem elektrischen Impuls zusammengefasst werden.

Je mehr Licht auf die Diode trifft, um so mehr Elektronen werden gesammelt und um so stärker ist der elektrische Impuls. Fällt nur sehr wenig Licht auf die Diode, wird auch nur ein sehr schwacher Impuls erzeugt. Ist der Impuls so schwach, dass er trotz Verstärkung nicht weiterverarbeitet werden kann, wird der entsprechende Bildpunkt im Foto rein Schwarz wiedergegeben (Wert: 0).

kleine DiodeWie viel Licht auf eine Diode trifft, das in Elektronen umgewandelt wird, hängt nicht allein von der vorhandenen Lichtmenge ab. Entscheidend ist auch die Größe der Diode, genauer gesagt die Größe der lichtempfindlichen Oberfläche der Diode. Eine Diode mit große Oberfläche fängt mehr Licht ein als eine Diode mit kleiner Oberfläche und erzeugt entsprechend mehr Elektronen.

Die Größe der Dioden hängt zum einen von der Größe des Sensors und zum anderen von der Anzahl der Dioden auf dem Sensor ab. Je mehr Dioden auf einem Sensor untergebracht sind, umso kleiner ist der Platz für die einzelne Diode. Mit zunehmender Megapixelzahl bei gleichbleibender Sensorgröße nimmt dementsprechend die Lichtempfindlichkeit ab. Andererseits wird bei gleichbleibender Pixelzahl der Platz für die einzelne Diode kleiner, je kleiner der Sensor ist. Bei gleicher Megapixelzahl ist der regelmäßig größere Sensor einer Spiegelreflexkamera lichtempfindlicher als der kleinere Sensor einer Kompaktkamera.

BloomingAuch nach oben ist die Leistungsfähigkeit der Diode nicht grenzenlos. Trifft sehr viel Licht auf die Diode, werden entsprechend viele Elektronen erzeugt. Allerdings kann der Ladungspool nur eine begrenzte Anzahl an Elektronen aufnehmen. Ist er vollständig "gefüllt", erzeugt die Diode ihr stärkstes Signal. Selbst wenn noch weitere Elektronen vorhanden sind, kann kein stärkeres Signal mehr erzeugt werden. Die überzähligen Elektronen verstärken das Signal nicht weiter (sog. Clipping).

Insbesondere bei CCD-Sensoren kann es bei Überbelichtung auch zu Wechselwirkungen zwischen den einzelnen Dioden kommen, dem sog. Blooming. Werden durch das Licht mehr Elektronen erzeugt, als der Pool der einzelnen Diode fassen kann, kann der Pool "überlaufen" und sich in benachbarte Dioden ergießen. Der Ladungspool der benachbarten Diode wird durch die "fremden" Elektronen zusätzlich gefüllt, die Diode erzeugt entsprechend ein stärkeres Signal.

Signalverstärkung/Bildrauschen

Die von den Sensorelementen erzeugten Signale werden von der Kameraelektronik ausgelesen, wobei sich die dabei verwandten Verfahren je nach Sensortyp stark unterscheiden können.

Vor der eigentlichen Umwandlung des analogen Signals der Diode in einen digitalen Wert muss das Signal noch verstärkt werden. Wie stark das Signal verstärkt wird, kann über die ISO-Einstellung an der Kamera eingestellt werden. Leider ist die praktische Umsetzung dieser Theorie deutlich schwieriger als es auf dem ersten Blick scheinen mag.

BildrauschenDas größte Problem ist hier das sog. "Rauschen". Dabei handelt es sich um unerwünschte Störstrukturen, die das von den Sensorelementen gelieferte Signal überlagern und verfälschen. Diese Störsignale sind konstruktionsbedingt und treten insbesondere bei schwachen Lichtverhältnissen oder hoher Umgebungstemperatur während der Aufnahme auf. Im Foto wird das Rauschen in Form von störenden Klecksen oder Farbtupfern sichtbar (sog. Bildrauschen). Im Wesentlichen lassen sich drei Arten des Rauschens unterscheiden:

Als Dunkelstromrauschen (Dark Current Noise) wird die unabhängig von der Belichtung des Sensors entstehende Hintergrundladung bezeichnet. Sie wird durch lange Belichtungszeiten und Erwärmung zusätzlich verstärkt.

Konstruktionsbedingt können sich die Signale einzelner Sensorelemente trotz gleicher Belichtung stark voneinander unterscheiden (sog. Fixed-Pattern-Noise). Diese Unterschiede treten bei jeder Aufnahme vor allem im Blaukanal auf.

Als Hot Pixel werden vereinzelt auftretende weiße Bildpunkte bezeichnet, die durch einen Sensorfehler verursacht werden.

Durch das Verstärken der Sensorsignale werden gleichzeitig auch diese Störsignale verstärkt, oft werden sie erst durch das Verstärken im späteren Foto sichtbar. Je höher der ISO-Wert an der Kamera eingestellt wird, umso mehr werden Sensor- und Störsignale verstärkt. Deshalb wird Bildrauschen oft erst bei hohen ISO-Einstellungen im Bild sichtbar.

Bei modernen Spiegelreflexkameras wird Bildrauschen oft erst an einem ISO-Wert von über 400 sichtbar. Aufgrund der kleineren Sensorgröße und der deshalb kleineren Fotodioden müssen die Signale in Kompaktkameras zusätzlich verstärkt werden. Bei ihnen wird Bildrauschen oft schon ab einem ISO-Wert von 200 erkennbar.

Natürlich sind Kamerahersteller bemüht, das Problem des Rauschens möglichst gering zu halten. Dabei setzen ihre Bemühungen zum einen bereits bei der Konstruktion des Sensors an, um Störsignale möglichst gering zu halten. Zugleich wird aber auch versucht, das vorhandene Rauschen während der Weiterverarbeitung der Aufnahme wieder heraus zu rechnen. Insbesondere die Beseitigung des Dunkelstromrauschens kann aber die Bildqualität erkennbar beeinträchtigen. Besser ist es deshalb Bildrauschen möglichst zu vermeiden und mit niedrigen ISO-Einstellungen zu fotografieren.

Analog-Digital-Wandler

Im Analog-Digital-Wandler (A/D-Wandler) werden die verstärkten Signale der Sensorelemente schließlich in einen digitalen Wert umgewandelt. Je stärker das analoge Signal, um so größer wird der digitale Wert.

Wie viele unterschiedliche Tonwerte digitalisiert werden können, hängt nicht allein von der Leistungsfähigkeit des Bildsensors, sondern auch davon ab, mit welcher Daten- bzw. Bittiefe die Kameraelektronik arbeitet. Bei einer Datentiefe von 8 Bit können beispielsweise nur 254 Tonwertabstufungen zwischen Schwarz (0) und Weiß (255) erfasst werden. Bei 12 Bit sind es bereits 4.094 und bei 16 Bit sogar 65.534.

nichtlineare WahrnehmungDie Kameraelektronik registriert Helligkeitsunterschiede (Tonwertabstufungen) jedoch anders als sie der Mensch wahrnimmt. Verdoppelt sich beispielsweise die Lichtmenge (doppelte Anzahl an Photonen), die auf das menschliche Auge treffen, so empfinden wir das Licht zwar als heller, aber nicht exakt als doppelt so hell. Umgekehrt empfinden wir eine Halbierung der Lichtmenge (halbe Anzahl an Photonen) als dunkler aber nicht als doppelt so dunkel. Diese nichtlineare Wahrnehmung schützt unsere Sinnesorgane vor Überbelastung.

lineare WahrnehmungDie Kameraelektronik zeichnet Helligkeitsunterschiede hingegen linear auf. Grob vereinfacht könnte man sagen, dass die Photonen gezählt werden: 1 Photon ist dunkel, 2 Photonen sind doppelt so hell, 4 Photonen sind wiederum doppelt so hell, 8 Photonen sind noch mal doppelt so hell, 16 Photonen sind wiederum doppelt so hell usw.

Diese lineare Tonwerterfassung führt dazu, dass die Elektronik in den hellen Tonwertbereichen deutlich stärker differenzieren kann als in den dunklen. In den Tiefen stehen für die Erfassung der Tonwerte der ersten Blendenstufe theoretisch gerade einmal zwei Tonwertstufen zur Verfügung, nämlich 0 (Schwarz) und 1. Für die Tonwerte der ersten beiden Blendenstufen stehen nur vier Tonwertstufen (0 bis 3) zu Verfügung, für die ersten drei Blendenstufen acht (0 bis 7) usw.

Bei 8 Bit-Datentiefe beispielsweise repräsentiert der Tonwert 127 nicht etwa die mittlere Helligkeit, sondern die Hälfte der von der Elektronik erfassbaren Anzahl an Photonen. Die Verdoppelung der Anzahl der Photonen ergibt reines Weiß. In den Lichtern stehen also allein für die letzte Blendenstufe bis reinem Weiß noch weiter 128 Tonwertabstufen zur Verfügung.

Eine Aufnahme mit dieser Tonwertverteilung wäre wenig ansprechend; sie wäre viel zu dunkel und würde in den Schatten kaum differenzieren. Deswegen müssen die erfassten Daten durch die sog. Gamma-Korrektur verändert werden. Dabei geht es zum einem darum, die dunklen Tonwerte deutlich aufzuhellen, zugleich wird aber auch die Tonwertverteilung geändert, um eine differenzierte Tonwertabstufung auch in den Tiefen zu erhalten. Diese Bearbeitung erfolgt in der späteren RAW-Konvertierung.

Das Aufhellen der dunklen Tonwerte durch die Gamma-Korrektur ist der Grund dafür, dass Bildrauschen meist zuerst in den dunklen Bildbereichen sichtbar wird.