Was geschieht in einer Digitalkamera?

Worum es geht

Dieser Artikel bringt alle Vorgänge, die in einer Digitalkamera vom Andrücken des Auslösers bis zur Fertigstellung einer JPG-Datei mit Ihrem endgültigen Bild ablaufen, in eine Übersicht.

Es ist etwas gewagt, dies alles in eine so kompakte Darstellung zu bringen. Gleichzeitig ist es aber notwendig, um

• einen Gesamt-Überblick über das zu vermitteln, was in einer Digitalkamera geschieht
• herauszustellen, auf welche wenigen Größen es am Ende wirklich ankommt, um die Qualität Ihrer Bilder zu beeinflussen.

Dieser Artikel ist ein wichtiger Grundlagenartikel für das „Kompendium Digitalfotografie“; nicht nur, weil die beiden o.g. Punkte genau das Anliegen dieses Kompendiums unterstützen, sondern auch, weil er einen großen Bogen über eine Reihe von Einzelthemen spannt, an denen sich weitere Artikel orientieren werden.

Übersicht

Die Übersichtsgrafik zeigt alle die für das Praxis wichtigen Schritte, die in den folgenden Abschnitten – einer für jeden rot eingerahmten Kasten – Schritt für Schritt erläutert werden.

Vor der Aufnahme

Die einzigen entscheidenden Ergebnisse dessen, was vom Andrücken des Auslösers Ihrer Kamera bis zur eigentlichen Belichtung abläuft, sind:

• die Fokussierung = Scharfstellung des Objektivs auf eine bestimmte Entfernung
• Festlegung der Belichtung = Blende, Belichtungszeit, ggf. Blitzstärke und ISO-Empfindlichkeit

Für die Fokussierung muss die Kamera entscheiden,

• auf welchen Teil des Bildes (=welchen ihrer Autofokus-Sensoren) sie scharfstellt und
• wie ggf. die Schärfe bei bewegten Objekten nachgeführt wird.

Am Ende geht es aber ausschließlich darum, dass das Objektiv für eine bestimmte Entfernung scharf eingestellt wird.

Für die Festlegung der Belichtung muss die Kamera zwei Teilaufgaben erledigen:
Die Belichtungsmessung ermittelt die Helligkeit des Motivs – wie dies geschieht, ist ein Thema für sich.
Und die Belichtungssteuerung leitet aus der ermittelten Helligkeit ab, welche Kombination aus Blende und Belichtungszeit verwendet werden soll. Hinzu kommt ggf. die Wahl der ISO-Empfindlichkeit und die Helligkeit des Blitzes.

Alle Einstellungen, die Sie vor der Aufnahme vornehmen können und die ausgefeilten Fähigkeiten Ihrer Digitalkamera dienen letzten Endes nur dazu, diese wenigen Größen zuverlässiger, schneller oder irgendwie raffinierter zu ermitteln.
Das gilt für die digitale Fotografie ebenso wie für viele Jahre in der analogen.

Ein paar Beispiele sollen dies verdeutlichen:

• Einige Kameras bieten inzwischen Gesichtserkennung an. Dabei wird das Sucherbild in Echtzeit von der Software in der Kamera analysiert, um Gesichter ausfindig zu machen und die Aufnahme für diese zu optimieren. Letzten Endes bedeutet das aber lediglich, dass das Erkennen der Gesichter der Kamera einen Hinweis gibt, in welchem Teil des Bildes die Entfernung für die Scharfstellung ermittelt werden soll und dass sie bei der Ermittlung der Belichtung diesen Teil besonders stark gewichten soll.
• Sogenannte Motivprogramme bieten in vielen Kameras optimierte Einstellungen z.B. für Sport, Landschaften oder Porträts an. Im Grunde variieren sie aber nur die Kombinationen aus Blende und Belichtungszeit für verschiedene Anwendungszwecke, wie es jeder Fotograf auch selbst tun kann, der mit diesen Grundbegriffen vertraut ist:
  • Bei Motivprogrammen für „Sport“ (oder etwas moderner „Action“) geht es darum, bewegte Objekte scharf einzufangen – man muss also möglichst kurz belichten. Das erreicht man, indem man der Kamera eine möglichst große Blende vorgibt. Und wer weiß, was eine Zeitautomatik ist, kann seiner Kamera eine große Blende vorgeben und dasselbe erreichen.
    Es kann gleichzeitig der Autofokus so eingestellt werden, dass er sich kontinuierlich an bewegte Objekte anpasst.
  • Bei Motivprogrammen für Landschaften soll alles in Entfernung „unendlich“ scharf abgebildet werden und nach Möglichkeit auch ein näher liegender Vordergrund scharf erscheinen. Zu erreichen ist dies durch eine möglichst kleine Blende für möglichst große Schärfentiefe, die gerade noch eine verwackelungsfreie Belichtung ermöglicht und eine Fokussierung nicht auf unendlich, sondern etwas davor (so dass die Schärfentiefe gerade bis unendlich reicht).
    Auch hier: Wer mit Zeitautomatik vertraut ist und bei Bedarf den Fokus etwas manipuliert, wird mit einfachem Know How dasselbe erreichen.
  Für weitere Motivprogramme ließe sich die Aufzählung fortsetzen, die Aussage bliebe dieselbe: Es geht immer nur um Variationen, wie die passende Kombination aus Blende und Belichtungszeit ausgetüftelt wird und ggf. die Scharfstellung angepasst wird.
  Daher finden sich diese Motivprogramme auch in anspruchsvollen und teuren Kameras nicht wieder (und diese können in dieser Hinsicht „weniger“ als einfachere Modelle) – weil die Nutzer solcher Kameras in der Regel wissen, wie sie dieselben Ergebnisse durch Eingriffe in Blende und Belichtungszeit selbst erreichen und die manuelle Einstellung bevorzugen.

Dass es im Grunde nur um diese wenigen Einstellungen geht, erklärt, weshalb es bis heute Fotografen gibt, die gerne mit manuellen Kameras arbeiten und damit auch fantastische Ergebnisse erzielen können. Alle Elektronik hilft nur, die Ermittlung dieser Einstellungen schneller und einfacher vorzunehmen – und ermöglicht natürlich allen, die nicht wissen, wie man sie selbst vornimmt, überhaupt gute Bilder zu machen.
Noch einmal: Alle Elektronik und alle Einstellungsmöglichkeiten beeinflussen nur, wie diese wenigen Größen ermittelt werden.

Die Aufnahme des Bildes

Im Moment der Belichtung, wenn Ihre Digitalkamera das eigentliche Bild einfängt, tun alle Kameras das selbe:

• Es öffnet sich kurz – für die Dauer der Belichtungszeit –
• ein kleines Loch – die Blende –,
• so dass Licht durch das Objektiv
• und ggf. davorliegende Filter
• auf den Bildsensor fällt.
• Die Signale des Bildsensors werden verstärkt, um die ISO-Empfindlichkeit analoger Filme zu simulieren.

Nicht mehr und nicht weniger passiert in allen Kameras von der billigsten Kompaktkamera bis zum anspruchsvollen Profimodell. Dass es dabei selbstverständlich erhebliche Unterschiede in der Qualität des Objektivs und des Sensors gibt, ist ein anderes Thema.

Und diese Punkte waren auch bereits vor der digitalen Fotografie jahrzehntelang gültig bis auf zwei Ausnahmen: Dass das Licht auf einen Film anstelle eines elektronischen Bildsensors fiel und dass die Änderung der ISO-Empfindlichkeit das Einlegen eines anderen Films erforderte und dadurch nicht von Aufnahme zu Aufnahme möglich war.

Bei Blitzaufnahmen lässt sich die ebenfalls komplexe Blitzbelichtungsmessung und -steuerung ebenfalls auf zwei Ergebnisse reduzieren, die am Ende für die Aufnahme entscheidend sind:

• Wann der sehr kurze Blitz innerhalb der längeren Belichtungszeit gezündet wird – die Blitzsynchronisation –
• und wie hell er leuchtet – die Blitzbelichtung.

Während der Aufnahme kann ein Verwackelungsschutz dafür sorgen, dass Unschärfen durch Kamerabewegungen, wie sie zwangsläufig beim freihändigen Halten der Kamera auftreten, vermindert oder sogar eliminiert werden.
Dies geschieht, indem entweder die Linsen des Objektivs oder der Bildsensor beweglich gelagert sind und Bewegungssensoren die Linsen bzw. den Sensor entgegengesetzt zur Bewegung der Kamera verschieben.

Bei der Aufnahme des Bildes entstehen durch das Objektiv (auch hier: ebenso wie seit Jahrzehnten in der analogen Fotografie) Abbildungsfehler. Die wichtigsten sind:

• Vignettierung = ein Helligkeitsabfall zu den Bildecken hin
• Verzeichnung = eine Verzerrung, die in Wirklichkeit gerade Linien gekrümmt abbildet
  Man unterscheidet tonnen- und kissenförmige Verzeichnung, je nachdem ob Linien nach außen oder nach innen gekrümmt werden.
• Unschärfe = eine leicht verschwommene Abbildung feiner Details
  Im Unterschied zur oben beschriebenen Scharfzeichnung würde eine gezielte Korrektur der Objektiv-Unschärfe aber erfordern, dass in verschiedenen Bildteilen die Schärfe unterschiedlich scharf korrigiert wird.
• chromatische Aberration = eine falsche Farbwiedergabe an Stellen mit plötzlichen Helligkeitsänderungen, vor allem sichtbar durch rosa- oder violettfarbene Streifen an schwarz-weißen Kanten.
  Sie entsteht im Objektiv durch unterschiedlich starke Brechung des Lichtes mit unterschiedlicher Wellenlänge; die Details (und die beiden Ausprägungen der axialen und lateralen chromatischen Aberration) gehört nicht in diesen Überblicksartikel.

Kamerainterne Bildverarbeitung

Die Bilddaten sind so, wie sie nach der Belichtung vom Sensor kommen, nicht sofort für die Wiedergabe geeignet, da in der digitalen Welt für jeden Bildpunkt ein Rot-, Grün- und Blauanteil nötig ist und Bildsensoren aber an jeder Stelle nur einen der drei Anteile messen. Für jeden Punkt des fertigen Bildes müssen also die jeweils nächstliegenden Rot-, Grün- und Blauanteile gesucht und zusammengerechnet werden (Ausnahme: sog. Foveon-Sensoren, auf die hier nicht näher eingegangen werden soll).

Dieses Verfahren nennt sich Bayer-Interpolation und wird in jeder Kamera automatisch durchgeführt, wenn sie ein fertiges JPG-Bild erzeugt. Es ist wichtig für das Verständnis, was in der Digitalkamera geschieht, aber es läuft im Hintergrund ab, ohne dass Sie es beeinflussen können.

Die Bayer-Interpolation ist der Grund, weshalb ein gescanntes Dia oder Negativ schärfer erscheinen wird als eine digitale Aufnahme mit gleicher Anzahl an Megapixeln - beim Scannen wird für jeden Pixel des Bildes einzeln der Rot-, Grün-, und Blauanteil abgetastet; bei der Aufnahme mit dem Bildsensor einer Digitalkamera wird jeder Pixel des fertigen Bildes aus benachbarten Punkten des Sensors errechnet und das Bild dadurch leicht verwischt.

In der weiteren Aufbereitung sind zunächst drei Vorgänge nötig, um das aufgezeichnete Bild an die Wahrnehmung des menschlichen Auges und Gehirns anzupassen, bei der auch eine komplexe „Bildverarbeitung“ geschieht:

Weißabgleich – Der Weißabgleich ist entscheidend für die Farbwiedergabe; die Kamera korrigiert dabei die aufgenommenen Farben so, dass sie möglichst der menschlichen Wahrnehmung entsprechen. Für das Verständnis ist es wichtig, dass das menschliche Auge und Gehirn die Farbwahrnehmung ebenfalls korrigiert. Glühlampenlicht ist z.B. wesentlich gelber als Tageslicht und wenn wir ein weißes Blatt Papier trotzdem als weiß wahrnehmen, so liegt es daran, dass das unser an diese Farbe gewöhntes menschliches Gehirn die Farbwahrnehmung entsprechend verschiebt. Ein unter Glühbirnenlicht aufgenommenes Foto mit Gelbstich hat also keineswegs „falsche“ Farben – es hat lediglich nicht die gleiche Korrektur in der Farbwahrnehmung angewendet.

Kontrast (mitunter auch Tonwertumfang) – dies ist der Farb- und Helligkeitsunterschied innerhalb des Bildes. Auch bei dieser Einstellung geht es darum, das fertige Bild der Wahrnehmung des menschlichen Auges anzupassen, das auf Helligkeitsunterschiede anders als ein Bildsensor reagiert.

Sättigung – Die Sättigung lässt Farben mehr oder weniger intensiv erscheinen, indem die Unterschiede der Rot-, Grün- und Blauanteile vergrößert oder verkleinert werden. Gleiche Rot-, Grün-, und Blauanteile ergeben alle möglichen Grautöne; Unterschiede zwischen den einzelnen Farbanteilen leuchtendere Farben.

Scharfzeichnung – Scharfzeichnung bedeutet, dass der Kontrast an Kanten mit Farbübergängen erhöht wird; kontinuierliche Farbübergänge erscheinen dadurch auf kleinerem Raum und das Bild erscheint schärfer. Die rein rechnerische Scharfzeichnung ist streng zu trennen von „echter“ Bildschärfe durch eine exaktere Abbildungsleistung durch bessere Objektive und Bildsensoren. Letzteres bringt wirklich zusätzliche Bilddetails zum Vorschein, ersteres (nachträgliche Scharfzeichnung) nicht. Bei der Scharfzeichnung kommt es sehr auf das richtige Maß an – leichte Scharfzeichnung kann ein Bild erheblich verbessern, zu starke lässt es unnatürlich erscheinen und verstärkt auch Bildstörungen, so dass z.B. vorher gleichmäßig einfarbige Flächen eine raue Struktur bekommen.

Rauschreduzierung – Rauschen ist eine Art von Abbildungsfehler digitaler Kameras, bei der gleichmäßige Flächen eines Motivs auf ungleiche Pixel abgebildet werden. Man unterscheidet das so genannte Farbrauschen und Helligkeitsrauschen für die unregelmäßigen Schwankungen in der Farb- bzw. Helligkeitswiedergabe, im Ergebnis sieht beides ähnlich „grisselig“ aus Bildrauschen ist vor allem ein Problem höherer ISO-Empfindlichkeiten und kleiner Sensoren (Kompaktkameras!). Und es ist ein sichtbares Problem in der Bildqualität kleiner Digitalkameras, bei denen aus Marketinggründen viele Megapixel auf einen kleinen Sensor gequetscht werden. Auch bei der Rauschreduzierung kommt es aus das richtige Maß an – Rauschreduzierung kann den Bildeindruck durch Glätten der Farb- und Helligkeitsschwankungen zwischen einzelnen Pixeln reduzieren, aber auch Details verschmieren und geht also zu Lasten der Schärfe. Die Software-Logik, um zufällige Helligkeits- und Farbschwankungen von echten, zum Bild gehörenden Strukturen zu unterscheiden, lässt sich beliebig komplex machen, so dass es Rauschreduzierung sowohl als einfache Funktion in Bildbearbeitungsprogrammen oder sogar als eigenständige Software gibt, die nichts anderes tut.

Korrektur von Abbildungsfehlern und allgemeine Bildverbesserung – Diese fortgeschrittenen Funktionen bietet nicht jede Kamera und sind auch nicht vollständig von den Herstellern dokumentiert. (Stattdessen scheinen sie in marketing-getriebenen Bezeichnungen z.B. für eine moderne „Bildverarbeitungs-Engine“ aufzugehen.) Tatsache ist aber, dass bei neuen Modellen die kamerainterne Logik zur Bildaufbereitung immer ausgeklügelter zu werden scheint. Bei modernen Nikon-Modellen verschwinden zum Beispiel wie von Geisterhand feine Farbfehler (siehe die „chromatische Aberration“ oben) und das sogenannte „Active D-Lighting“ verbessert sichtbar die Helligkeitsverteilung im Bild. Bei Canon-Modellen kann ich mangels eigener Erfahrung nichts Vergleichbares berichten, unterstelle aber Canon-Ingenieuren, dass sie nicht minder clever sind und Vergleichbares bieten oder bieten werden.

In der kamerainternen Aufbereitung steckt herstellerspezifisches Know-How steckt und diese Funktionen sind inzwischen sehr ausgeklügelt, so dass man bei der eigenen Aufbereitung von RAW-Dateien nicht zwangsläufig bessere Ergebnisse erzielt, als der, der dem Hersteller vertraut und fertige JPEGs aus der Kamera nimmt – auch dies wieder ein Thema für sich.

Das Ergebnis: eine fertige JPG-Datei

Zu guter Letzt wird das Bild evtl. in der Auflösung angepasst und üblicherweise im JPG-Format komprimiert gespeichert. Dabei wird die Farbdarstellung auf 8 Bit je Farbanteil (rot, grün, blau) reduziert und ein komplexes mathematisches Verfahren reduziert den benötigten Speicherplatz. Es lässt sich die Stärke der Komprimierung und der damit verbundene Qualitätsverlust verschieden wählen.
Manche Kameras bieten auch das TIFF-Format an, das im Unterschied zu JPG verlustfrei komprimiert.

Zusammenfassung

Vor der Aufnahme muss die Kamera die richtige Belichtung und Scharfstellung ermitteln. Die Logik und die Einstellungsmöglichkeiten dafür, wie dies geschieht, sind zahlreich und komplex sein, am Ende (=bei der eigentlichen Belichtung) zählt aber nur:

• auf welche Entfernung die Kamera scharfgestellt hat
• mit welcher Belichtungszeit und welcher Blende sich der Kameraverschluss öffnet
• mit welcher ISO-Empfindlichkeit der Bildsensor die Signale verarbeitet
• ob mit Blitz fotografiert wird – und wenn ja: wann dieser wie hell gezündet wird.

Nach der Aufnahme erzeugt die kamerainterne Bildverarbeitung aus den Daten des Bildsensors das Bild in einem Standardformat – üblicherweise JPG.

Die wichtigsten Elemente der kamerainternen Bildverarbeitung sind:

• Weißabgleich
• Kontrast
• Sättigung
• Scharfzeichnung
• Rauschreduzierung
• Korrektur von Abbildungsfehlern

Anspruchsvollere Kameras können auch die Bilddaten als RAW-Datei so speichern, wie sie vom Bildsensor kommen; in einer Bildverarbeitungs-Software lassen sich dann die bei der Umwandlung benutzten Einstellungen selber beeinflussen und es gibt andere Funktionen, die mit RAW-Daten etwas besser funktionieren als mit JPG.
Man muss dafür aber schon genau wissen, was man tut, um wirklich bessere Ergebnisse zu erzielen und wann sich die eigene Verarbeitung der RAW-Dateien überhaupt lohnt.