Verarbeitung von RAW-Bilddaten im Medienvorstufen-Workflow

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1 Diplomarbeit Verarbeitung von RAW-Bilddaten im Medienvorstufen-Workflow Hochschule für Technik, Wirtschaft und Kultur Leipzig (FH) Fachbereich Polygrafische Technik Studiengang Verlagsherstellung vorgelegt von Steffi Ehrentraut, geboren am 03. November 1981 in Meißen Betreuer: Dipl.-Ing. (FH) Daniel Lowicki Leipzig,

2 Bibliografischer Nachweis Ehrentraut, Steffi Verarbeitung von RAW-Bilddaten im Medienvorstufen-Workflow Diplomarbeit Hochschule für Technik, Wirtschaft und Kultur Leipzig (FH) Fachbereich Polygrafische Technik Studiengang Verlagsherstellung Seiten, 18 Abbildungen, 5 Tabellen, 59 Quellenangaben, 1 Anlage (CD) Autorreferat Das Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, den Umgang mit RAW-Daten aus Digitalkameras in der Medienvorstufe darzustellen und die Eignung dieser Daten für die Branche zu beurteilen. Dazu werden branchenrelevante Programme vorgestellt und kritisch betrachtet, sowie Testaufnahmen ausgewertet. Die Basis der Untersuchungen ist die Erläuterung der technischen Funktionsweise anhand von Grundlagen und dem Vergleich zu herkömmlichen Bildformaten der Digitalfotografie.

3 Inhaltsverzeichnis Abbildungsverzeichnis 5 Tabellenverzeichnis 6 Abkürzungsverzeichnis 7 1. Einleitung 9 2. Entwicklungen in der Medienvorstufe Die Entwicklung der Digitalfotografie in der Medienvorstufe Anforderungen an die moderne Medienvorstufe Theoretische Grundlagen Kurzer Vergleich der Digital- mit der Analogfotografie Farbtiefe Bildaufzeichnung in der Kamera Sensor-Technologien Filtertechnik Technisch bedingte Fehler im digitalen Bild Kamerainterne Einflüsse auf die Bilddaten Herkömmliche Bilddatenformate in Digitalkameras JPEG TIFF RAW-Bilddaten RAW-Daten aus Digitalkameras RAW-Workflow RAW-Konverter Konverter-Software des Kameraherstellers Konverter-Software von Drittanbietern Ansatz zur Standardisierung: Adobe DNG 44

4 6. Beschreibung ausgewählter Konverter-Software Photoshop CS CaptureOne Pro SilverFast DC Pro Studio Auswertender Vergleich der Software Praktische Arbeit mit den RAW-Daten Testaufnahmen Verwendete Kameramodelle Aufnahmemotiv Aufnahmebedingungen Konvertierung Grundlagen Ablauf und Einstellungen in der Konverter-Software Auswertung Dateigrößenvergleich Beurteilung der bearbeiteten Aufnahmen Vergleich der Aufnahmeformate Schlussfolgerung Fazit Zusammenfassung Schlussfolgerung 94 Glossar 98 Quellenverzeichnis Selbstständigkeitserklärung Danksagung Thesen Anlage (CD)

5 Abbildungsverzeichnis Abb. Seite Beschreibung 1 16 Verlgeich der Tonwertumfänge verschiedener Eingabe- und Ausgabemedien [4. S. 18] 2 18 grafische Gegenüberstellung von 8 und 16 bit pro Farbkanal [4 S. 21] 3a 19 Tonwerthistogramm im Originalzustand [Screenshot: eigene Erstellung in Adobe Photoshop 7.0] 3b 19 Tonwertdiagramm nach Aufhellung im 8-bit-Modus [Screenshot: eigene Erstellung in Adobe Photoshop 7.0] 3c 19 Tonwertdiagramm nach Aufhellung im 16-bit-Modus [Screenshot: eigene Erstellung in Adobe Photoshop 7.0] 4 21 Anordnung der Fotodioden in einem herkömmlichen CCD-Sensor [19] 5 21 Anordnung der Fotodioden in Fujis SuperCCD-Sensor [19] 6 22 Schematischer Ausschnitt aus Fujis SuperCCD SR [23] 7 24 Die Mikrofilter-Konstellation entsprechend des Bayer-Mosaiks: Jeweils 25% der Fotodioden empfangen die Information für Rot und Blau, 50% für Grün.[55] 8 24 Der Aufbau des FoveonX3-Sensors: Drei Fotodiodenschichten nehmen jeweils 100% der jeweiligen Farbinformation auf. [55] 9 24 Gegenüberstellung des Aufbaus eines analogen Farbfilms, eines Sensors mit Bayer-Mosaik und eines FoveonX3-Sensors [27] Workflow-Vergleich: analoge Fotografie digitale Fotografie Reprografie [56 S. 31] Der Entwicklungsprozess in analoger und digitaler Fotografie [56 S. 32] Photoshop CS, Datei-Browser [Screenshot: eigene Erstellung] Photoshop CS, Camera-Raw-Dialog mit erweiterten Einstellungen [Screenshot: Eigene Erstellung] Capture One, gesamtes Fenster [Screenshot: eigene Erstellung] Silverfast DC Pro, VLT-Fenster [Screenshot: Eigene Erstellung] Abbildungsverzeichnis 5

6 16 63 Silverfast DC Pro Hauptfenster [Screenshot: Eigene Erstellung] Aufnahmemotiv der Testaufnahmen [eigene Erstellung] Der Umfang des ECI-RGB-Farbraumes gegenüber dem srgb-farbraum und dem Offsetdruck. [54 S.132] Tabellenverzeichnis Tabelle Seite Beschreibung 1 15 Vergleich der Auflösung von analogem Filmmaterial mit digitalen Bildsensoren [6] 2 18 Gesamtanzahl darstellbarer Farben in RGB-Dateien in Abhängigkeit von der Farbtiefe [eigene Erstellung] 3 41 Gegenüberstellung der Aufnahmeformate: Die Bildeigenschaften werden entweder in direkt in der Kamera oder später in der Software bestimmt.[9 S. 134] 4 78 Übersicht, welche RAW-Daten der verwendeten Kameramodelle mit den getesteten Programmen konvertiert werden können.[eigene Erstellung] 5 80 Dateigrößenvergleich der Aufnahmen [eigene Erstellung] Tabellenverzeichnis 6

7 Abkürzungsverzeichnis % Prozent Euro AA Anti-Aliasing A/D Analog/Digital ASA American Standard(ization) Organization etc. EXIF ff franz. griech. et cetera Exchangeable Image File Format und folgende (Seiten) französisch griechisch bzw. beziehungsweise ICC International Color ca. circa Consortium CCD Charge Coupled Device IR Infrarot CCITT International Telegraph and ISO International Telephone Consultative Standard(ization) Committee Organization CD-ROM Compact Disc IPTC International Press Read Only Memory Telecommunications Council cm Zentimeter CMOS Complementary Metal JFIF JPEG File Interchange Format Oxide Semiconductor JPEG Joint Photographic Expert CS Creative Suite Group DC DCT d.h. DNG DSLR DTP ECI EBV engl. Digital Camera Discrete Cosinus Transformation das heißt Digital Negative Digital Single Lens Reflex Desktop Publishing European Color Initiative Elektronische Bildverarbeitung englisch lat. lateinisch LZW Lempel, Ziv, Welch m Meter mm Millimeter MB Megabyte MP Megapixel nm Nanometer o. ä. oder ähnliches Abkürzungsverzeichnis 7

8 PDF Portable Document Format RAM Read Access Memory RGB Rot, Grün, Blau RLE Run-Length-Encoding S. Seite SLR Single Lens Reflex TFT Thin Film Transistor TIFF Tagged Image File Format u. ä. und ähnliches UV Ultraviolett vgl. vergleiche vs. versus Ws Wattsekunde YUV Y (Helligkeitskomponente), U (Farbkomponente für Rot- Cyan-Balance), V (Farbkomponente für Gelb- Blau-Balance) z. B. zum Beispiel ZIP Zigzag Inline Package Abkürzungsverzeichnis 8

9 1. Einleitung Medien grob definiert als Vermittlungssysteme für Informationen aller Art [1] nutzen heute vorwiegend Bilder, um Botschaften zu übermitteln. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich ausschließlich mit unbewegten Bildern, hauptsächlich im Hinblick auf Printmedien*. Die Medienvorstufe ist in diesem Fall die Druckvorstufe, doch aufgrund vieler Gemeinsamkeiten im Arbeitsablauf (engl. Workflow) der Bildverarbeitung für die verschiedenen Ausgabemöglichkeiten ist der Titel allgemein gehalten. Die elektronische Bildverarbeitung (EBV) beinhaltet die Arbeitsschritte von der Erfassung/Erstellung über die Korrektur bzw. -modifikation der digitalen* Bilddaten bis hin zur Ausgabe [vgl. 2]. Als Möglichkeit der Bilderfassung wird die Digitalfotografie* betrachtet. Auch die Digitalisierung analog* vorliegender Bilder mittels Scanner* ist über die Verwendung von RAW-Daten möglich. Dieser Weg ist jedoch nicht Inhalt der Untersuchungen. Die Arbeit der Medienvorstufe endet mit der Erstellung der für die Ausgabe optimierten Daten, bezogen auf die Druckvorstufe mit der Erstellung der druckfertigen Daten. Die Anforderungen an die Unternehmen der Medienvorstufe sind in den letzten Jahrzehnten seitens der Kunden stark gewachsen: Alles soll möglichst schnell und preisgünstig sein, dennoch flexibel genug, um sich den schnell wechselnden Bedürfnissen anpassen zu können. Durch die Entwicklung der Digitalfotografie ist in der Medienvorstufe seit einigen Jahren ein vollständig digitaler Workflow möglich, der aufgrund seines Zeit- und Kostenersparnispotentials in der Wirtschaft auf großes Interesse stößt. Viele Unternehmen der Medienvorstufe arbeiten bereits überwiegend digital. Vor allem im Bereich der hochqualitativen Druckvorstufe stießen die digitalen Bilddaten, die bisher nur im TIFF- oder JPEG-Format aus der Kamera ausgegeben werden konnten, im Vergleich zur analogen Fotografie an ihre Grenzen. Es begann ein Kampf um ständig wachsende Auflösungen* der Digitalkameras, um zumindest in Bezug auf die Ausgabegröße die gewohnte Flexibilität zu erreichen. Schnell erreichten die digitalen Kameras diesbezüglich die Möglichkeiten der analogen. Das gesamte Potenzial einer gewohnten Filmvorlage, also eines Dias oder eines Negativs, besaßen die digitalen Bilddaten aufgrund der kamerainternen Verarbeitungsschritte jedoch nicht. In den letzten Jahren haben die Hersteller von Digitalkameras eine Möglichkeit entwickelt, den gesamten Leistungsumfang ihrer Bild-Sensoren* und damit die maximale Qualität der Kameras zu nutzen. Durch die Verwendung der RAW-Daten, so versprechen es die Hersteller, kann die Digitalfotografie endlich mit der Analogfotografie* Einleitung 9

10 auf gleichem Niveau konkurrieren und sie durch ihre bereits bekannten Vorteile sogar übertreffen. Es wird in dieser Arbeit von RAW-Daten bzw. RAW-Bilddaten gesprochen und nicht wie zur Vereinfachung oft genutzt vom RAW-Format. Es handelt sich aufgrund fehlender Standardisierung nicht um ein Format im engeren Sinn. Das Ziel der vorliegenden Diplomarbeit besteht darin, zu untersuchen, inwieweit die Arbeit mit RAW-Daten den bisherigen Medienvorstufen-Workflow verändert und ob sie Vorteile mit sich bringt, die diese Umstellung rechtfertigen. Es werden die nötigen Voraussetzungen für den neuen Workflow betrachtet, um daraus abzuleiten, für welche Unternehmen der Medienvorstufe der Umstieg lohnenswert ist. Des Weiteren gilt es, die veränderten Anforderungen an die Medienvorstufe im Allgemeinen herauszufinden, um schlussfolgern zu können, ob die Digitalfotografie mit Hilfe der RAW-Daten die Qualität Analogfotografie auf diesem Sektor erreichen kann. Für die weiteren Ausführungen ist es wichtig, die Begriffe Bildverarbeitung und Bildbearbeitung voneinander abzugrenzen: Die Bildbearbeitung ist ein Teil der Bildverarbeitung, der darauf abzielt, die Qualität der Daten für die Ausgabe zu optimieren. [vgl. 1] Erklärungen zum Text [ ] Die Nummern der Quellen stehen in eckigen Klammern. Das Quellenverzeichnis enthält detaillierte Angaben. * Themenspezifische Begriffe bzw. weiterführende Informationen werden im Glossar am Ende der Ausführungen erläutert. Sie werden im Text bei ihrer ersten Verwendung durch ein Sternchen gekennzeichnet. [ ] Abkürzungen werden gesammelt im Abkürzungsverzeichnis aufgeführt. Einleitung 10

11 2. Entwicklungen in der Medienvorstufe 2.1 Die Entwicklung der Digitalfotografie in der Medienvorstufe Der technische Workflow in den Medienvorstufenunternehmen unterlag während der letzten Jahrzehnte einer erheblichen Umwälzung. Die rein analoge Arbeitsweise, die Bildvorlagen durch das Abfotografieren mit einer speziellen Kamera reproduzierte, wurde im Zuge der DTP*-Entwicklung beginnend in den 80er Jahren vom hybriden* Weg abgelöst: Analoge Vorlagen werden mittels Scanner digitalisiert und können somit relativ schnell in die digitale Weiterverarbeitung integriert werden. Die moderne Nutzung digitaler Bilddaten direkt aus der Kamera unterscheidet sich nicht wesentlich vom Umgang mit gescannten Bilddaten. Der große Vorteil besteht im Wegfall sämtlicher analoger Arbeitsschritte und damit in einer enormen Zeitersparnis. Dieser offensichtliche Fortschritt wurde anfangs fast ausschließlich für digitale Medien wie das Internet genutzt, da die Qualität der Kameras und vor allem ihrer Sensoren die Verwendung für einen anschließenden Druck auf hochwertigem Niveau nicht zuließen. Diese Mängel hat die Digitalfotografie bereits größtenteils überwunden. Durch die Arbeit mit RAW-Daten sollen ihr in Zukunft im Bereich der Druckvorstufe alle Wege offen stehen. 2.2 Anforderungen an die moderne Medienvorstufe Die Arbeit der Medienvorstufe ist abhängig vom Verwendungszweck (Publizieren einer Zeitung, Verlegen eines Buches, Erstellung einer Website o. ä.), die Qualitätsanforderungen an die Bilddaten sind abhängig vom Ausgabemedium (Zeitungspapier, Kunstdruckpapier, Monitor o. ä.). Journalisten beispielsweise profitieren von der Digitalfotografie durch die erhöhte Aktualität: Die digitalen Daten können direkt vom Ort des Geschehens über das Internet an die Redaktion gesendet werden. Wichtiges Kriterium dabei ist die geringe Dateigröße der Bilder. Die technische Qualität der Fotos spielt zum Teil auch aufgrund der relativ schlechten Wiedergabeeigenschaften des Bedruckstoffes (Zeitungspapier) eine untergeordnete Rolle. Ähnliches gilt für Programmierer von Internetseiten oder CD-ROM: Um die Ladezeiten zu optimieren, wird mit geringen Entwicklungen in der Medienvorstufe 11

12 Dateigrößen gearbeitet. Die begrenzte Monitorauflösung hält die Ansprüche an die Kameraauflösung und Bildqualität niedrig. Für die bisher genannten Anwender ist die Entwicklung der Digitalfotografie ein Segen und nicht mehr wegzudenken. In der Druckvorstufe ist die Akzeptanz hingegen schwierig. Einerseits profitiert man auch hier von der Tatsache, dass die Digitalisierung der Vorlagen über den Scanner entfällt. Doch im Bereich der hochwertigen Printprodukte (z. B. Kunstdrucke) wird oftmals an der herkömmlichen Fotografie festgehalten, weil die digitalen Aufnahmen die gewohnte Qualität und das Potenzial für die Bildverarbeitung vermissen ließen. Die tendenzielle Entwicklung der Vorstufenbetriebe geht allerdings in dieselbe Richtung: Um am Markt bestehen zu können, muss vor allem schnell und preisgünstig produziert werden. Ein zunehmend an Bedeutung gewinnendes Kriterium ist heutzutage zudem die Flexibilität. Unternehmen müssen deshalb flexibel sein, weil die Bedürfnisse der Kunden oft einem schnellen Wechsel bzw. Wachstum unterliegen. Im Unterschied zur Analogfotografie müssen vor der digitalen Aufnahme entscheidende Parameter, wie Dateiformat*, Kompression* und Bildgröße (Auflösung), festgelegt werden. Die Auswirkungen der getroffenen Einstellungen sind in der herkömmlichen anschließenden Bearbeitung nur mit Qualitätseinbußen zu verändern. Somit ist es im Hinblick auf eine qualitativ gute Wiedergabe kaum möglich, aus einem für eine Website optimierten Bild ein Poster zu drucken. Dem Kunden allerdings ist dieser Hintergrund selten bekannt und nur wenige Unternehmen können es sich leisten, dessen Wünsche unerfüllt zu lassen. Für einige Bereiche in der High-End*-Fotografie sind die Bilddaten, die kamerainternen Signalverarbeitungsprozessen unterliegen, völlig unbrauchbar. So zum Beispiel in der Porträtfotografie: Durch zum Teil extreme Scharfzeichnung seitens der Kamera, die oftmals nicht beeinflusst werden kann, entstehen Artefakte* in den homogenen Flächen, wodurch die Bilder den Anforderungen professioneller Fotografen nicht gerecht werden können. Um unvorhersehbaren Anforderungen der Kunden gewachsen zu sein, ist eine neutrale Bilddatenarchivierung Voraussetzung. Neutrale Bilddaten erfüllen folgende Kriterien: Medienneutralität Austauschbarkeit zwischen unterschiedlichen Plattformen* und Programmen. Farbneutralität Farbraumunabhängigkeit bzw. ein Farbraum*, der die Farbräume sämtlicher Ausgabemöglichkeiten abdeckt. Ausgabegrößenunabhängigkeit Ausreichende Auflösung, um sämtliche Ausgabegrößen hochwertig realisieren zu können. Entwicklungen in der Medienvorstufe 12

13 Diese Kriterien gelten für ideale neutrale Bilddaten. Reell ist es nicht möglich, sie vollständig zu erfüllen. Filmvorlagen erfüllen die Kriterien der Medien- und Farbneutralität aufgrund ihrer analogen Form. Sie können mit den gewünschten Parametern digitalisiert werden. Die maximale Ausgabegröße ist abhängig vom Aufnahmeformat (hier: Größe des Filmmaterials) und der Leistung des Scanners. Herkömmliche Digitalfotografien sind durch einen von der Kamera vorgegebenen Farbraum charakterisiert, die Medienunabhängigkeit ist im TIFF-Format gegeben, nicht aber im JPEG-Format. Die Ausgabegröße ist wie bei analogem Material von der Größe des Aufnahmemediums (Bildsensor) abhängig, die Auflösung ist vorgegeben. Im Gegensatz dazu kann die Eingabeauflösung bei der Digitalisierung von Analogmaterial durch die Scannereinstellungen bzw. die Wahl des Scanners variiert werden. Mit RAW-Daten soll es nun möglich sein, ähnlich neutral wie mit analogem Filmmaterial arbeiten zu können. Die Digitalfotografie hat insgesamt sehr entscheidende Vorteile in der Medienvorstufe mit sich gebracht. Leider konnten diese bisher kaum mit dem Qualitätspotenzial der Analogfotografie kombiniert werden. Die RAW-Datenverarbeitung soll nun der Schlüssel dazu sein. Entwicklungen in der Medienvorstufe 13

14 3. Theoretische Grundlagen Das Kapitel 3 enthält das theoretische Wissen, das die Basis für das Verständnis der Digitalfotografie und speziell für die Funktionsweise der RAW-Daten darstellt. 3.1 Kurzer Vergleich der Digital- mit der Analogfotografie Die Analogfotografie basiert auf der Lichtempfindlichkeit von Silbersalzkristallen. Trifft Licht auf diese Substanz, entsteht in einer chemischen Reaktion Silber, das im anschließenden Entwicklungsprozess sichtbar gemacht wird. Die Lichtempfindlichkeit eines analogen Fotofilms ist abhängig von der Größe der Silbersalzkristalle: Je größer diese sind, desto lichtempfindlicher ist er. Die Lichtempfindlichkeit wird in der Fotografie in ISO* bzw. ASA angegeben. Ein Film mit ISO 200 zum Beispiel ist zweimal so empfindlich wie ein Film mit ISO 100. Durch die größeren Silbersalzkristalle sind Filme mit hoher Lichtempfindlichkeit grobkörniger als solche mit niedriger Lichtempfindlichkeit, woraus eine geringere Schärfe resultiert. Die Lichtempfindlichkeit bestimmt somit unter anderem das Auflösungsvermögen des Films. In der Fotografie bezeichnet Auflösung oder Auflösungsvermögen die Fähigkeit eines Bildaufzeichnungssystems, feine Details zu erfassen. Je feiner die erkennbaren Details, desto höher die Auflösung. Zur Erzielung optimaler Ergebnisse sollte die Auflösung des Objektivs mindestens gleich oder besser als die Auflösung des Aufnahmemediums sein. Beim Film wird die Auflösung durch Faktoren wie die Größe des Silberkorns und die Stärke der Lichtbrechung in der Emulsion begrenzt, wodurch Details unscharf werden können. Bei einem statischen Bildsensor ist der Abstand zwischen dem Mittelpunkt eines Elementes und dem des nächsten (= Pitch) der entscheidende Faktor. Auch Fehler wie (Signal-)Rauschen können dazu führen, dass einzelne Elemente ein bestimmtes Detail nicht registrieren und sich dadurch die Auflösung verringert. Die kleinsten Details, die mit den Objektiven normaler Kleinbild-Fotokameras aufgelöst werden können, haben eine Größe von 20 bis 30 Mikrometer. Bei den heutigen Bildsensoren liegt der Pitch zwischen 7 und 25 Mikrometer. Das zeigt, dass die digitalen Aufzeichnungssysteme den bisherigen Optiken überlegen sind und es somit spezieller Objektive für die Digitalfotografie bedarf. [vgl. 3] Die Auflösung in der Digitalfotografie steht weiterhin für die Gesamtanzahl der lichtempfindlichen Elemente des Sensors und somit für die Anzahl der Pixel*, aus denen das Bild maximal aufgebaut werden kann. Theoretische Grundlagen 14

15 Analog Digital KB-Negativ ISO Bildpunkte Kameratyp Sensorgröße Bildpunkte Mio. All-in-one 1/1,7-2/3 Zoll 3-8 Mio Mio. semiprofessionell 2/3 Zoll 5-8 Mio. Mittelformat (6 x 4,5 cm) 50 > 10 Mio Mio. DSLR (KB-Teilformat) DSLR (KB-Vollformat) DSLR (Mittelformat) 22,7 x 15,1 mm 6 Mio. 36 x 24 mm Mio. 50 x 39 mm Mio. Tabelle 1 Vergleich der Auflösung von analogem Filmmaterial mit digitalen Bildsensoren KB = Kleinbild 24 x 36 mm; DSLR = Digitale Spiegelreflexkamera; 1 Zoll = 2,54 cm [6] In den letzten Jahren haben die Hersteller der Digitalkameras stets Sensoren mit höherer Auflösung höherer Pixelanzahl entwickelt, um die Qualität der digitalen Bilddaten zu verbessern und die der analogen Aufnahmen zu erreichen. Tabelle 1 zeigt die Auflösung von Analog- und Digitalaufnahmen in Abhängigkeit von Aufnahmeformat und Filmempfindlichkeit bzw. von der Sensorgröße. Tabelle 1 macht deutlich, dass die Auflösungsgrößen semiprofessioneller Digitalkameras die des analogen Kleinbildformats bereits erreicht haben. Die Bildpunktanzahl in der Analogfotografie ist abhängig von der Filmempfindlichkeit, während in der Digitalfotografie aufgrund der hohen Herstellungskosten noch die Größe des Sensors, der hauptsächlich für die Auflösung verantwortlich ist, variiert. Es ist zu erkennen, dass eine digitale Spiegelreflexkamera, die mit einem Sensor von der Größe des herkömmlichen Kleinbildformates arbeitet, bereits Auflösungen erreicht, die dem analogen Mittelformat entsprechen. Im Auflösungsvergleich hat die Digitalfotografie somit die analoge bereits ein- bzw. überholt. Es muss allerdings erwähnt werden, dass die volle Kapazität des Films bzw. des Sensors nur mit sehr guten, teuren Optiken (Objektiven) genutzt werden kann. Das wesentliche Qualitätsmerkmal in der digitalen Fotografie ist nicht allein die Chipgröße. Entscheidend sind auch die Fertigungsqualität des Sensors sowie die elektronische Signalverarbeitung und die Filter-Algorithmen* in der Kamera. Die Abbildung 1 zeigt, dass der Dynamikumfang* von digitalen Bildsensoren die Leistung analogen Filmmaterials ebenfalls erreicht hat. Verglichen werden die erfassten bzw. reproduzierten Tonwertumfänge von Printprodukten, Fotopapier, Film, CCD-Sensoren und dem menschlichen Auge, wie in der Fotografie üblich gemessen in Blendenstufen*. Zudem Theoretische Grundlagen 15

16 wird deutlich, dass der im Druck reproduzierbare Tonwertumfang kleiner als der ist, der fotografisch erfasst werden kann zu druckende Bilddaten müssen dementsprechend optimiert werden. Abb. 1 Verlgeich der Tonwertumfänge verschiedener Eingabe- und Ausgabemedien. Die relativen Positionen untereinander sind nicht fest. [4. S. 18] Der Dynamikumfang wird auch als Dichteumfang bezeichnet. Der Begriff Dichte* bezieht sich auf physikalische Medien. Der Übergang von einem Original zu einem gedruckten Farbbild geht stets mit einer Verringerung des Dichteumfangs einher. Ein Originalbild hat einen Dichteumfang von 4,0, der Dichteumfang eines Dias liegt zwischen 3,0 und 3,5, der einer 24-bit*-TIFF-Datei bei 2,4 1, während im Farbdruck lediglich ein Dichteumfang von 1,5 bis 2,0 wiedergegeben werden kann. [vgl. 5 S. 22] Insgesamt gibt es zwei grundlegende Kenngrößen für die digitale Bilderfassung: Zum einen die Anzahl der Messungen bezogen auf eine Längeneinheit, welche in der Digitaltechnik als Sampling-Rate oder Abtastfrequenz bezeichnet wird. In der Digitalfotografie wird wie bereits erwähnt vorwiegend der aus der Analogfotografie entlehnte Begriff Auflösung verwendet. Zum anderen der Wertevorrat bei der Quantisierung*, aus dem die Anzahl möglicher Farbstufen resultiert. In der Digitaltechnik wird diese Größe als Signal-Auflösung bezeichnet. Um Verwechslungen mit der (Abtast-)Auflösung zu vermeiden, wird diese Größe in der Digitalfotografie als Farbtiefe bezeichnet. [vgl. 7 S. 169] 1 Der Dichteumfang wird bei digitalisierten Bildern als Zehnerlogarithmus der Anzahl der möglichen Graustufen definiert. 24 bit pro Pixel: log = 2,4. Theoretische Grundlagen 16

17 3.2 Farbtiefe Die Farbtiefe (Bittiefe) einer Datei gibt die Anzahl der darstellbaren Intensitätsstufen pro Farbkanal* an. Die Angabe erfolgt in bit, genauer in bit pro Farbkanal die Gesamtfarbtiefe ergibt sich aus der Summe der Farbtiefen der Farbkanäle. Die Farbtiefe eines Bildes entscheidet somit, wie viele Farben in diesem Bild maximal dargestellt werden können. Je höher die Farbtiefe, desto größer ist die Datei und desto exakter ist die Farbdarstellung möglich. Aufgrund des in der digitalen Druckvorstufe geltenden PostScript*-Standards ist die maximale Farbtiefe eines Farbkanals bei der Bildausgabe oft auf 8 bit beschränkt. Das bedeutet, dass die Pixel eines Farbkanals je einen von 256 möglichen Helligkeitswerten annehmen können. [vgl. 8 S. 62] Für eine RGB*-Datei ergeben sich durch die drei Farbkanäle insgesamt 24 bit, die die Darstellung von etwa 16,7 Mio. Farben ermöglichen. Dieser 24-bit-Modus wird auch True Color genannt. Das menschliche Auge kann nur eine begrenzte Anzahl an Farbunterschieden auflösen. Die genaue Angabe differiert in den Quellen: Sie reicht von maximal 20 Millionen [9] über 10 Mio. [19 S. 11] bis hin zu 2,6 Mio. [11] bzw. 2 Mio. [12] Farben. Lediglich der erste Wert erreicht die Farbanzahl einer 24-bit-Datei, während die restlichen recherchierten Angaben stark davon abweichen. 256 Graustufen reichen normalerweise aus, um das Gehirn dahingehend zu täuschen, dass ein gedruckter Schwarzweiß-Stufenkeil stufenlos sei, auch wenn einige Ausgabegeräte diesen Umfang nicht voll nutzen oder reproduzieren können. [vgl. 4 S. 20 f.] Technisch gesehen ist es nicht möglich, eine höhere Farbtiefe als 256 Tonwerte pro Farbauszug im Druck zu reproduzieren, auch Computerbildschirme können Farbbilder nur mit maximal 8 bit pro Grundfarbe darstellen. Tatsächlich ist das menschliche Auge kaum fähig, mehr Tonwertabstufungen zu unterscheiden. Wissenschaftliche Untersuchungen gehen davon aus, dass in der Regel 100 Abstufungen pro Farbkanal für eine optisch einwandfreie Wiedergabe ausreichend sind, [vgl. 8 S. 62] da das menschliche Auge beim Tagessehen etwa 100 Helligkeitsstufen unterscheiden kann 2. Dennoch haben die Hersteller von Digitalkameras erkannt, dass eine höhere Farbtiefe bei der Bilderfassung von großem Vorteil sein kann, auch wenn sie letztendlich für die Wiedergabe im Druck oder auf einem Bildschirm auf 8 bit reduziert wird. Höhere Farbtiefen bieten einen größeren Spielraum bei der anschließenden Farb- und Tonwertkorrektur. Die Software (sowohl in der Kamera als auch am Rechner) nutzt die höhere Farbtiefe, um eine bessere und ausgewogenere Tonwertverteilung zu erreichen als bei 2 Der CIE-Lab*-Farbraum basiert auf der menschlichen Wahrnehmung. Die L-Achse ist eingeteilt in Werte von L = 0 bis L = 100. Zwei Farben, deren Helligkeitswerte im CIE-Lab-System einen Delta-E-Wert von 1 aufweisen, können visuell gerade noch als unterschiedlich hell erfasst werden. [vgl. 7 S. 172]. Theoretische Grundlagen 17

18 einer vergleichbaren 8-bit-Aufnahme. [vgl. 8 S. 62] An 8-bit-Daten ausgeführte Veränderungen von Kontrast oder Helligkeit führen normalerweise zu einem Verlust an Daten, weil ein Teil der verfügbaren 256 Graustufen zu Schwarz oder Weiß hin abgeschnitten wird ( Clipping ) [vgl. 4 S. 20 f.]. Auch durch andere Korrekturen erfahren die Bildinformationen Rundungsfehler, was ebenfalls zu einer Reduzierung der effektiven Farbtiefe führt. Arbeitet man von Anfang an nur mit 8 bit, so endet man häufig mit einer realen Farbtiefe von lediglich 6 bit oder sogar weniger bit pro Kanal. [vgl. 13 S. 38] Mehr als 8 bit pro Kanal bezeichnet man als Supersampling*. [vgl. 4 S. 20 f.] Dadurch, dass der Tonwertumfang während der Bearbeitung größer ist als letztendlich umsetzbar, kann man sich in Hinblick auf die Ausgabe für die besten 256 Tonwerte des Bildes entscheiden. Tabelle 2 zeigt in der Bildverarbeitung verwendete Farbtiefen. 8 bit pro Farbkanal sind das Minimum, um eine naturgemäße Darstellung der Bilder zu erhalten. 16 bit pro Farbkanal stellen das momentane Maximum dar. Deutlich wird grafisch unterstützt durch Abbildung 2 die erhebliche Differenz der Anzahl der Farben, die mit den verschiedenen Farbtiefen möglich sind. Farbtiefe pro Farbkanal 8 bit (256 Tonwerte) 10 bit (1024 Tonwerte) 12 bit (4096 Tonwerte) 16 bit (65536 Tonwerte) Gesamtfarbtiefe RGB-Datei 24 bit 30 bit 36 bit 48 bit Anzahl darstellbarer Farben ca. 16,7 Millionen ca. 1,1 Milliarden ca. 68,7 Milliarden ca. 280 Billionen Tabelle 2 Gesamtanzahl darstellbarer Farben in RGB-Dateien in Abhängigkeit von der Farbtiefe [eigene Erstellung] Der Zusammenhang zwischen der Anzahl maximal darstellbarer Farben (m) und der Gesamtfarbtiefe (n) wird durch folgende Potenzbeziehung dargestellt: m = 2 n (z.b = ). [10 S. 5] Abb. 2 grafische Gegenüberstellung von 8 und 16 bit pro Farbkanal [4 S. 21] Zur Quantisierung eines Dynamikumfangs, der dem von Analogfilmen entspricht, sind 12 bit nötig. Da die EDV mit ganzzahligen Mehrfachen von 8 bit rechnet, wird mit 16- bit-dateien gearbeitet. [vgl. 10 S. 12] Theoretische Grundlagen 18

19 Vorteile höherer Farbtiefen: sattere Farben realistischere helle und dunkle Töne Vermeidung von Tontrennungen größere Flexibilität in der Bildbearbeitung Besonders für Aufhellungen bedarf es einer höheren Farbtiefe, da es sonst zu Lücken im Histogramm* und somit zu Abrissen im Bild kommt (siehe Abbildungen 3a, b, c). Original Abb. 3a, b, c a: Tonwerthistogramm im Originalzustand b: Tonwerthistogramm nach Aufhellung im 8-bit-Modus c: Tonwerthistoramm nach Aufhellung im 16-bit-Modus [alle Abb.: eigene Erstellung in Adobe Photoshop 7.0] 8 Bit 16 Bit Durch die Aufhellung büßt das Bild im 8-bit-Modus etliche der möglichen 256 Tonwerte für die Ausgabe ein, was z. B. zu sichtbaren Übergängen in Verläufen führen kann. Verfügt das Bild hingegen über eine Farbtiefe von 16 bit pro Farbkanal und wird in diesem Modus bearbeitet, sind ausreichend Tonwerte vorhanden, so dass sich auch für die Ausgabe ein kontinuierlicher, geschlossener Verlauf der 256 Tonwertstufen im Histogramm ergibt. 3.3 Bildaufzeichnung in der Kamera Dieser Abschnitt dient dazu, sowohl die allgemeinen technischen Grundlagen der Digitalfotografie zu betrachten, sowie die Basis für das Verständnis der im Praxisteil verwendeten Kameras zu schaffen. Obwohl es im Rahmen dieser Diplomarbeit nicht möglich war, Kameramodelle mit sämtlichen Chip-Technologien zu testen was auch nicht das primäre Ziel dieser Arbeit ist, wird als Ausblick auf Neuerungen eingegangen. Theoretische Grundlagen 19

20 Die Betrachtungen umfassen lediglich sogenannte One-Shot-Kameras* mit Flächensensor (Sensor-Chip), die im Gegensatz zu Three-Shot*- oder Scan-Kameras* das Bild inklusive seiner gesamten Farbinformation in einem Aufnahmevorgang aufzeichnen, was kurze Belichtungszeiten und eine Anwendung über die Still-life-Fotografie* hinaus ermöglicht Sensor-Technologien In der analogen Fotografie ist es die Aufgabe des Films, Aufnahmen aufzuzeichnen und zu speichern. Digitalkameras arbeiten mit einem lichtempfindlichen Sensoren zur Bildaufzeichnung und einem internen Speicher zur Datensicherung. In der Praxis finden verschiedene Chips Anwendung, die jedoch auf demselben Funktionsprinzip beruhen: Kleine, lichtempfindliche Zellen (Fotodioden), die in einer Matrix angeordnet sind, absorbieren das Licht (Photonen*) und wandeln es in elektrische Ladung um (Photoeffekt oder lichtelektrischer Effekt). Diese entstandenen Ladungen als analoge Werte werden im A/D-Wandler (Analog-/Digital-Wandler) in digitale Werte transformiert, die in der Kamera gespeichert werden. [vgl. 14a] Die Sensoren besitzen jeweils eine Nenn-Empfindlichkeit, ähnlich der des analogen Films, angegeben durch die ISO-Zahl. Die Möglichkeit, diesen Wert in der Kamera zu erhöhen, basiert lediglich auf einer nachgeschalteten Signalverstärkung, die meist zu Qualitätsverlusten im Bild führt. Es existieren zwei grundsätzliche Varianten der Sensor-Chips: und CMOS. CCD-Chip: Der Großteil der in den Kameras verwendeten Sensor-Chips arbeitet mit CCD-Elementen. CCD steht für Charge Coupled Devices und bedeutet ladungsgekoppelte Bauelemente. Die Basis dieser Technologie sind einzelne Fotodioden, die über ladungsgekoppelte Kondensatoren jeweils zeilenweise miteinander verbunden sind. Auftreffendes Licht erzeugt in den Fotodioden freie Ladungsträger, die in den Kondensatoren zwischengespeichert werden. Beim Auslesen der Daten werden die Ladungen schrittweise von Zelle zu Zelle verschoben und am Rand des CCD von einer empfindlichen Elektronik als Folge analoger Spannungswerte ausgelesen und anschließend digitalisiert. Das bedeutet, dass die Ladungen analog innerhalb des Sensors transportiert werden. Die Ausgangsuniformität und die Bildqualität sind sehr hoch, weil die Ladungen von wenigen Verstärkern in Spannungen umgewandelt werden. Diese weisen durch ihre Theoretische Grundlagen 20