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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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