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Wie funktioniert die Kamera?

1. Die Spiegelreflex-Kamera

Die Wirkungsweise der Kamera entspricht im Prinzip dem Sehvorgang innerhalb des menschlichen Auges. Wie die obere Abbildung zeigt, trifft Licht auf ein Objekt, wird davon reflektiert und tritt durch die linsenförmig aufgewölbte Hornhaut, die Öffnung der Iris, und die von Muskeln scharf gestellte Linse des Auges und erzeugt auf der Netzhaut ein scharfes, kopfstehendes, seitenverkehrtes, verkleinertes und kugelschalenförmig gekrümmtes Abbild des Objektes. (Daß im weiteren Verlauf des Wahrnehmungsvorganges von unserem Gehirn das Bild sowohl als aufgerichtet als auch als seitenrichtig und nicht mehr gekrümmt empfunden wird, ist in diesem Zusammenhang im Augenblick bedeutungslos, da die Übereinstimmung zwischen Auge und Kamera ohnehin hier endet.) Die untere Abbildung illustriert die Arbeitsweise der Kamera. Licht trifft auf ein Objekt, wird davon reflektiert und durch das Kameraobjektiv auf den lichtempfindlichen Film aufgezeichnet. Bei exakter Einstellung entwirft das Objektiv ein getreues Abbild des Objektes und bildet es auf dem Film scharf, seitenverkehrt und kopfstehend und normalerweise verkleinert ab. Der Film reagiert im direkten Verhältnis auf die Intensität und Dauer der Belichtung. Die Belichtung verursacht in der fotografischen Schicht ein latentes (nicht sichtbares) Bild.
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Bei der Entstehung des Bildes im Auge trifft Licht (1) auf ein Objekt (2), wird davon reflektiert und durch die Hornhaut (3), Iris (4) und Augenlinse (5) auf die Retina (6) gelenkt, wo es ein kopfstehendes, gekrümmtes, seitenverkehrtes und verkleinertes Bild (7) erzeugt.
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Bei der Entstehung des Bildes in der Kamera fällt Licht (1) auf ein Objekt (2) und wird reflektiert. Das Objektiv (3) der Kamera (8) zeichnet mit seinen Linsen (4) und der Irisblende (5) bei exakter Scharfeinstellung, die über den Rückschwingspiegel (6), die Einstellscheibe (10), das Pentaprisma (11) und dasOkular (12) erfolgt, ein kopfstehendes, seitenverkehrtes und im Normalfall verkleinertes Abbild auf den Film. Gleichzeitig wird mit dem Belichtungsmesser (7) die Belichtung über den hinter dem teildurchlässigen Hauptspiegel angebrachten Hilfsspiegel (8) ermittelt. (Das Bild auf dem Film wurde so eingezeichnet, als ob der Spiegel hochgeklappt wäre.)

2. Digitalkamera

Die weltweit erste Digitalkamera wurde bereits 1963 von David Paul Gregg an der Standford Universität in den USA erfunden. Damals konnten die Bilder allerdings nur wenige Minuten gespeichert werden. Nach weiteren Forschungen gelang den beiden Wissenschaftlern Willard Boyle und George Smith der Durchbruch in der digitalen Fotografie.
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.

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Typischer Aufbau einer digitalen Spiegelreflexkamera mit Bayer-Sensor

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. 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.

Willard Boyle und George Smith entwickelten einen Chip, der sehr lichtempfindlich ist und nannten ihn CCD (charged coupled device - übersetzt etwa „ladungsgekoppeltes Bauteil“). Auch wenn es sich komisch anhört, aber es war wesentlich schwieriger ein einzelnes Bild zu speichern als einen kleinen Film. Aus diesem Grund wurde der Chip auch erstmals in einer Videokamera getestet. 1973 war es dann endlich soweit und man konnte die erste „richtige“ Digitalkamera, eine Fairchild MV-101 kaufen. Sie wog stolze vier Kilo und konnte Bilder mit einer Auflösung von 100 mal 100 Pixel, also 0,01 Megapixel, aufnehmen. Zum Vergleich: Eine handelsübliche digitale Kleinbildkamera schafft heutzutage bis zu 12 Megapixel. RTEmagicC Digicam CCD jpgHier sieht man einen modernen lichtempfindlichen Chip, einen so genannten CCD-Sensor.
Was sind Pixel?

Das Wort Pixel ist ein Kunstwort und setzt sich zusammen aus dem englischen „picture“ für Bild und „element“. Damit gibt man die Auflösung von Bildschrimen an, aber auch die Größe von Bilddateien am Computer und eben die Abbildungsleistung von digitalen Kameras.

Prinzipiell gilt, dass ein Bild umso detaillierter ist, je mehr Pixel es hat. So gibt es professionelle Kameras, die 40 Megapixel und mehr haben. Bei Kleinbildkameras, wie sie üblicherweise von Privatleuten gekauft werden, führt die Jagd nach immer mehr Pixeln sogar zu Bildverschlechterungen!
Wie kommt das Bild in die Kamera?

Durch die Linsen des Objektivs fällt das Licht des fotografierten Objekts in die Kamera. Wo sich früher der zu belichtende Film befand, findet sich heute ein elektronischer, lichtempfindlicher Chip, auch Sensor genannt..
Dieser Sensor ist, ähnlich wie ein Schachbrett, in viele kleine lichtempfindliche Zellen aufgeteilt – die einzelnen Pixel. Ein in die Kamera eingebauter Computer, der Bildprozessor, errechnet nun für jede dieser Zellen einen Zahlwert. Je nachdem wie hell ein Pixel ist und welche Farbe das auftreffende Licht hat, ergibt sich eine andere Zahl.
Nachdem das Bild nun in digitaler Form im Speicher der Kamera liegt, wird das Bild durch den Bildprozessor noch bearbeitet. Er bügelt kleine Fehler aus, etwa wenn das Bild stark verrauscht ist, was bei Aufnahmen ohne genug Licht vorkommt. Auch Staub auf der Linse kann durch den Prozessor aus dem Bild herausgerechnet werden.
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Damit die Bilddatei nicht zu groß wird, wird das Bild schließlich noch komprimiert. Dabei werden ähnliche Bildbereiche zusammengefasst. Heraus kommt dann eine JPG-Datei, die auf den Speicherchip der Kamera geschrieben wird – fertig ist das digitale Foto. Je nach Kamera geschieht das mehr oder weniger schnell, meist aber innerhalb einer Sekunde.
RTEmagicC Digicam Karten jpg
Wie kommt es zur Bildverschlechterung durch zu viele Pixel?

Wie beschrieben befindet sich dort, wo früher der Film war, in digitalen Kameras ein Chip. Ein Kleinbildfilm hat eine lichtempfindliche Fläche von 36 Millimeter Breite und 24 Millimeter Höhe. Bei den Chips variieren die Größen, doch im allgemeinen sind Sensoren in der Größe von 1/1.8“ eingebaut, das entspricht gut 7 mal 5 Millimeter. Die Fläche ist also deutlich kleiner als bei einem Kleinbildfilm.

Die Hersteller haben nun seit geraumer Zeit immer mehr Pixel auf diese kleine Fläche gequetscht, im Fall einer 9 Megapixelkamera sind das immerhin 3000 mal 3000 Pixel auf 35 Quadratmillimetern! Für einen einzelnen Pixel bleiben also nur Bruchteile eines Millimeters.

So dicht gepackt, beeinflussen sich die Pixel allerdings gegenseitig, was zu negativen Effekten führt: Das Bildrauschen und andere Fehler nehmen zu, was wieder durch einen leistungsfähigeren Prozessor ausgeglichen werden muss. Mehr ist selten besser, so auch im Bereich der Digitalen Fotografie
Dieser Artikel wurde uns von Peter Eckardt (Braunschweig) www.peter-eckardt.de zur Verfügung gestellt


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