Scanner und Digitalkamera Das Bild entsteht zunächst im Kopf! Objektive, Sensor, Auflösung, Farbtiefe 1
Camera obscura oder der Vorläufer aller Kameras Lange bevor es die ersten massentauglichen Kameras im 19. Jahrhundert gab, gab es schon ähnliche Instrumente - die camera obscura (lat. das dunkle Zimmer). Eine große leere Box mit einem winzigen Loch auf der einen, das auf die gegenüberliegenden Seite ein auf dem Kopf stehendes, gedrehtes Bild von dem was vor dem Loch zusehenden Bild warf. An diesem Prinzip hat sich bis heute nichts grundlegendes geändert. Die Kameras der Neuzeit haben nun mehr Eigenintelligenz sind anpassungsfähiger und geben dem Fotografen wesentlich mehr Kontrolle über das was er tut. Und das Lichtloch wurde aufgrund seiner lichtbrechenden Eigenschaften durch geschliffenes Glas ersetzt und erlaubt durch die höhrere Anpassungsmöglichkeiten beim Erfassen ein flexibleres Arbeiten. So bekam im erwähnten 19. Jahrhundert die Camera einen Sucher um das aufzunehmende Bild einfacher zu erfassen. Die Kamera Wir unterscheiden in erster Linie die vielen verschiedenen Kameratypen an zwei Merkmalen: der Film -typ: Minoxkameras Pocketkameras APS Kameras Kleinbildkameras Mittelformatkameras Großformatkameras Digitalkameras (mit vielen weiteren Untergruppen) der Suchertyp: Sucherkameras Spiegelreflexkameras Digitalkameras mit Display Suchertypen Fast jede Kamera hat einen Sucher, mit dem man mehr oder weniger genau bestimmen kann, was aufs Foto kommt. Für die unterschiedlichen Einsatzzwecke gibt es unterschiedliche Suchertypen. Da die meisten Kameras nur einen Suchertyp haben, können wir sie anhand dieses Merkmals unterscheiden und grob in die zwei Gruppen, in Sucher- und in Spiegelreflexkameras, einteilen. Bei den Sucherkameras sehen wir das Bild durch eine spezielle Vorrichtung, die sehr einfach, ähnlich dem Visier eines Gewehres, ist. Wie sehen dabei quasi über Kimme und Korn. Aufwendigere Sucher haben ein Linsensystem, also eine Art Zielfernrohr (aber meist ohne den Vergrößerungseffekt). Spiegelreflexkameras (genauer gesagt: einäugige Spiegelreflexkameras) ermöglichen es dem Fotografen, das Bild durch das (Aufnahme-) Objektiv zu sehen. Vornehmlich bei den High-Class kameras der Hersteller Nikon und Canon ist man in der Lage genau 100% des Bildes zu sehen und zu bestimmen. Was eine sehr genaue Aufnahme und professionelle Weiterbearbeitung erst möglich macht. Film -typen Filmformate Für unterschiedliche Aufgabengebiete und Qualitätsansprüche standen und stehen unterschiedliche Formate des Aufnahmematerials zur Verfügung. Die meisten Kameras kann man nur mit einem Filmformat benutzen, so dass die unterschiedlichen Kameratypen auch anhand des benutzten Filmformates unterschieden weden können. Typische Filmformate (in Millimeter des Negativformats) sind: 18 x 24 - Pocketformat 24 x 35 - Kleinbildformat 60 x 60, 60 x 70, 60 x 90 Mittelformat 9 x 12 (eig. 90 x 120), 13 x 18, 18 x 24 - Großformat 2
Objektive Objektive braucht jede Kamera. In den kleinen billigen Taschenkameras wie auch in den Höherwertigen. Zoomobjektiv/Festbrennweiten, Wir teilen die Objektive in folgende Gruppen: Normal-, Weitwinkel- und Fernobjektiven. Die oben genannten Kategorien gelten für Festbrennweiten-Objektive, im Gegensatz zu den in der Amateurfotografie heutzutage häufig gebrauchten Zoomobjektiven. Lässt sich die Brennweite des Objektivs ändern, spricht man von einem Zoomobjektiv, sonst von einer Festbrennweite. Weitere wichtige Unterscheidungsmerkmale sind die Anfangsöffnung, oder anders ausgedrückt: wie lichtstark ein Objektiv ist, und der Bildwinkel, in dem ein Objektiv ein scharfes Bild entwirft. Das Format der Objektive, auch der Digitalobjektive, ist heute immer noch bestimmt durch die ursprüngliche Spezifikation der 1. Leica, die das 35 mm Film-Format definierte. Grundkonstruktion eines Tessars. Der bekannteste Objektivtyp. Was ist ein Normalobjektiv? Als Normalobjektive gelten in der Fotografie Objektive mit einer Brennweite, die etwa der Diagonalen des Aufnahme-Bildformats entspricht. Damit ergibt sich unabhängig vom Aufnahmeformat ein diagonaler Bildwinkel von etwa 46 Grad. Objektive mit einer kürzeren Brennweite (und größerem Bildwinkel) als Normalobjektive werden je nach Bauart als Weitwinkel- oder Retroobjektive bezeichnet. Objektive mit längerer Brennweite (und kleinerem Bildwinkel) als Fern- oder Teleobjektive. Warum ein Normalobjektiv? Die Verwendung eines Normalobjektivs ergibt in vielen Aufnahmesituationen einen natürlichen perspektivischen Eindruck beim Betrachten des fertigen Fotos. Vor der massenhaften Verbreitung der Zoomobjektive wurden Spiegelreflexkameras meist zusammen mit einem Normalobjektiv verkauft. Aufgrund der hohen Stückzahlen und der unkomplizierten, optisch oft nahezu symmetrischen Konstruktion sind Normalobjektive die preiswertesten lichtstarken Objektive mit meist ausgezeichneten Abbildungseigenschaften. Bei Kleinbildkameras hat sich eine Brennweite von 50 mm in der Praxis durchgesetzt, obwohl die Diagonale des Aufnahmeformats (24 mm x 36 mm) 43,3 mm beträgt. Wenn man aber das Format quadratisch auffasst also 36 x 36 kommt als Diagonale 50,9 mm raus. Einzelne Hersteller bezeichnen auch Objektive mit 55 mm bis 60 mm Brennweite noch als Normalobjek- 3
Wie bestimme ich ein Normalobjektiv? tiv. Kompaktkameras mit fest montiertem Objektiv weisen dagegen häufig leichte Weitwinkel mit Brennweiten zwischen etwa 35 mm und 45 mm auf. Bei Mittelformatkameras mit einem Aufnahmeformat von 6 cm x 6 cm ergibt sich entsprechend etwa 85 mm als Normalbrennweite. Das früher häufig verwendete Rollfilmformat 6x9 cm mit 105 mm Normalbrennweite gilt heute als Großformat. Länge der Bilddigonale = Brennweite des Normalobjektives (Bildwinkel 46 ) Bei Großformatkameras, die es von 6 cm x 9 cm bis 18 cm x 24 cm Bildformat, aber auch mit nichtmetrischen Abmessungen, z.b. 8x10 (inch), gibt, wird der Zusammenhang deutlich: ein Normalobjektiv für das Bildformat 6 cm x 9 cm (Bilddiagonale = 10,8 cm) mit einer Brennweite von 105 mm wäre für das nächstgrößere Format 9 cm x 12 cm (Bilddiagonale = 15,0 cm) schon eher ein leichtes Weitwinkelobjektiv. Bei Digitalkameras gilt, unabhängig von der Pixelzahl, entsprechend die Diagonale der lichtempfindlichen Sensorfläche. Was ist ein Fernoder Teleobjektiv? Ein Fernobjektiv ist in der Fotografie ein Objektiv langer Brennweite mit einfachem Linsensystem (oft ein Triplet oder Achromat), das in der Baulänge ungefähr der Brennweite entspricht. Dagegen hat ein Teleobjektiv durch den Einsatz eines hinteren Zerstreuungsglieds, das wie ein integrierter Telekonverter wirkt, eine verkürzte Baulänge. Was ist ein Weitwinkelobjektiv? Gemäßigte Weitwinkelobjektive (Reportageobjektive) Ein Weitwinkelobjektiv ist ein Objektiv mit einer gegenüber dem Normalobjektiv kürzeren Brennweite und größerem Bildwinkel. Weitwinkelobjektive können als Wechselobjektiv an geeignete Kameras angeschlossen werden oder sind in diese fest integriert. Reportageobjektive sind Weitwinkelobjektive mit einer leichten bis mittleren Weitwinkelwirkung, die sich bei einem diagonalen Bildwinkel zwischen 60 und 75 und einer auf Kleinbild bezogenen Brennweite zwischen etwa 28 mm und 38 mm einstellt. Sie werden auf Grund der höheren Schärfentiefe und der noch relativ geringen Verzerrungen gerne für die Reportagefotografie verwendet. Typische Reportagebrennweiten werden auch von den meisten preiswerten Weitwinkelobjektiven und Universalzooms (oft als Kit-Objektiv bezeichnet) abgedeckt. In diesem Brennweitenbereich gibt es für analoge und digitale Spiegelreflexkameras auch Objektive mit sehr hohen Lichtstärken. Als gemäßigte Weitwinkelbrennweiten (auf Kleinbild bezogen) gelten: 35 mm (diagonaler Bildwinkel 63 ) und 28 mm (diagonaler Bildwinkel 75 ). Superweitwinkelobjektive Als Superweitwinkelobjektive werden Weitwinkelobjektive mit diagonalen Bildwinkeln über 80 angesehen. Superweitwinkelobjektive werden auch als Ultraweitwinkelobjektive bezeichnet, gängige Abkürzungen sind SWW und UWW. Solche Objektive werden gezielt beispielsweise in der künstlerischen und Naturfotografie, aber gelegentlich auch in der Aktfotografie eingesetzt, um spektakuläre Effekte durch die für diese Brennweiten typischen Verzerrungen zu erzielen. Das Superweitwinkelobjektiv mit der kürzesten Brennweite, das noch relativ verzerrungsfrei und scharf abbildet, ist das Goerz-Hypergon, das einen Bildwinkel von 130 abbilden kann. Typische Superweitwinkelbrennweiten für das Kleinbildformat sind: 24 mm (diagonaler Bildwinkel 84 ), 20 mm (diagonaler Bildwinkel 94 ), 4
Fischaugen-Objektive 17 mm (diagonaler Bildwinkel 104 ) und 14 mm (diagonaler Bildwinkel 114 ). Eine Sondergruppe unter den Objektiven. Das Fischaugen-Objektiv (engl. Fisheye) weist im Gegensatz zu Superweitwinkelobjektiven eine andere Art der Projektion auf. Damit verbunden sind folgende Unterschiede: Gerade Linien, die nicht durch den Bildmittelpunkt gehen, werden nach außen gebogen. Es sind Bildwinkel von bis zu 180, teilweise auch darüber hinaus, möglich, die bei normalen Objektiven prinzipiell nicht möglich sind. Starke Verzeichnungen und Verzerrungen sind möglich. der von der Optik abgebildete Winkelbereich (typisch sind 150 bis 180, Ausnahmen bis 220 ) Je nach verwendetem Sensor bzw. lichtempfindliche Filmfläche können folgende Fälle der Abdeckung zwischen Optik und Aufnahmefläche auftreten: der Sensor wird vollständig vom Objektiv belichtet (normales rechteckiges Bild). Bei Sensoren in Kleinbildgröße und 180 Bildwinkel ist das ab 14 mm Brennweite der Fall. der Sensor wird teilweise vom Objektiv belichtet, es geht gleichzeitig auch Licht am Sensor vorbei. Bei Sensoren in Kleinbildgröße und 180 Bildwinkel ist das zwischen 8 mm und 13,5 mm Brennweite der Fall. das gesamte von der Optik kommende Licht landet auf dem Sensor (rundes, zirkulares Bild). Bei Sensoren in Kleinbildgröße und 180 Bildwinkel ist das bis 7,5 mm Brennweite der Fall. 16 mm (diagonaler Bildwinkel 180, Vollformat) 7,5 mm oder 8 mm (rundes Bild) Ein Exot ist das Nikkor mit 6 mm Brennweite und 220 Bildwinkel, seit den 1960er Jahren in unterschiedlichen Versionen auf dem Markt, das ebenfalls ein rundes Bild erzeugt, aber dabei gewissermaßen ein Stück weit nach hinten schauen kann. Digitalkameras Historisches Auch hier gibt es die Unterscheidung in Spiegelreflex, Kompaktkamera und Hand oder Pocketkamera. Nur steht anstelle des Filmes ein lichtempfindlicher Sensor-Chip. Ende des 20. Jahrhunderts: Einführung der Digitalfotografie. Die erste CCD (Charge-coupled Device) Still-Video-Kamera wurde 1970 von Bell konstruiert und 1972 melden Texas Instruments das erste Patent auf eine filmlose Kamera an, welche einen Fernsehbildschirm als Sucher verwendet. 1973 produzierte Fairchild Imaging das erste kommerzielle CCD mit einer Auflösung von 100 x 100 Pixel. Dieses CCD wurde 1975 in der ersten funktionstüchtigen digitalen Kamera von Kodak benutzt. Entwickelt hat sie der Erfinder Steven Sasson. Diese Kamera wog 3,6 Kilogramm, war größer als ein Toaster und benötigte noch 23 Sekunden, um ein Schwarzweiß-Bild mit 100x100 Pixeln Auflösung auf eine digitale Magnetbandkassette zu übertragen; um das Bild auf einem Bildschirm sichtbar zu machen, bedurfte es weiterer 23 Sekunden. 1986 stellte Canon mit der RC-701 die erste kommerziell erhältliche Still-Video-Kamera mit magnetischer Aufzeichnung der Bilddaten vor, Minolta präsentierte den Still Video Back SVB-90 für die Minolta 9000; durch Austausch der Rückwand der Kleinbild-Spiegelreflexkamera wurde aus der Minolta 9000 eine digitale Spiegelreflexkamera; gespeichert wurden die Bilddaten auf 2-Zoll- Disketten. 1987 folgten weitere Modelle der RC-Serie von Canon sowie digitale Kameras von Fujifilm (ES-1), Konica (KC-400) und Sony (MVC-A7AF). 1988 folgte Nikon mit der QV-1000C und 1990 bzw. 1991 Kodak mit dem DCS-System (Digital Camera System) sowie Rollei mit dem Digital Scan Pack. Ab Anfang der 1990er Jahre kann die Digitalfotografie im kommerziellen Bildproduktionsbereich als eingeführt betrachtet werden. Die Technik der Digitalen Fotografie revolutionierte auch die Möglichkeiten der Digitalen Kunst, insbesondere durch die Technik der Fotomanipulation. Auf der Photokina 2006 scheint die Zeit der Analogkamera endgültig vorbei zu sein. 5
Digitalkamera Der Sensor 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 analogem 35-mm-Film einer Kleinbildkamera; nur wenige 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. Es werden grundsätzlich zwei Sensortypen unterschieden: Flächensensor und Zeilensensor. Beim Flächensensor registriert der Bildwandler entweder gleichzeitig die drei Grundfarben (One-shot-Kameras) oder nacheinander (Three-Shot-Kameras). Es existieren im Wesentlichen zwei verschiedene marktgängige Flächensensor-Typen, der weit verbreitete CCD-Sensor (Canon, Hewlett-Packard, Kodak, Nikon, Olympus, Panasonic, Pentax, Samsung oder Sony) mit der Variante des Super-CCD-Sensor (nur Fujifilm) sowie der CMOS-Sensor (Canon, Leaf, Hasselblad, Kodak, Nikon und viele Billig Cameras ind Handys). Eine Sonderstellung nimmt 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. Vorteile CMOS gegenüber CCD Geringerer Stromverbrauch. Bei großen Stückzahlen billiger herzustellen. Es lassen sich mehrere Pixel gleichzeitig auslesen. Die Auslesesteuerung kann direkt auf dem Sensor integriert werden (System on Chip). Kaum Blooming. Flexibler auszulesen (schneller Preview, Video, Binning, mehrfaches Auslesen). Mit entsprechenden Pixel kann der Sensor gleichzeitig belichtet und ausgelesen werden. Nicht-rechteckige Pixel (Bienenwaben) möglich (Hinweis: auch Fujifilms Super-CCD-Sensor verwendet wabenförmige Pixel). Verschiedene Pixelarten (Größe, Empfindlichkeit) kombinierbar. Manche Verarbeitungsschritte können gleich im Pixel-Verstärker vorgenommen werden, z. B. Logarithmierung beim HDRC-Sensor (high dynamic range CMOS). Sehr hohe Bildraten im Vergleich zu einem CCD selber Größe. Nachteile CMOS gegenüber CCD geringerer Füllfaktor (Verhältnis der photoempfindlichen zur gesamten Pixelfläche) größere Empfindlichkeitsunterschiede zwischen den Pixeln, was bei Bayer-Sensoren zu einem stärkeren Farbrauschen führt. übliche CMOS-Sensoren sind weniger lichtempflindlich als CCD-Sensoren (Ausnahme: teure Spezialsensoren) Einsatzgebiete Zeilensensoren werden in Scanner und in Scannerkameras eingesetzt, die nach dem Scannerprinzip funktionieren, das heißt, sie arbeiten ähnlich wie ein Flachbettscanner und tasten das Bild zeilenweise ab. Auf dem CCD-Chip einer Digitalkamera hat es nicht etwa rote, grüne und blaue CCD-Elemente zu je einem Drittel Zeile für Zeile abwechselnd. Vielmehr sind rote, grüne und blaue Filterelemente karoartig angeordnet (zu sogenannten Quadrupeln), wobei die Anzahl der grünen Elemente 50% beträgt, während von den roten und blauen Elementen nur jeweils 25% vorhanden sind. Der Grund für diese ungleichmäßige Verteilung liegt im Farbwahrnehmungsvermögen des menschlichen Auges. Wobei die Angabe zur Kameraauflösung die Gesamtanzahl der Pixel angibt, sind in Qadrupeln immer 4 Pixel angeordnet. Die Kameralogik errechnet dann wieder die Geamtauflösung. Fazit: die nominelle Kamerauflösung entspricht nur zu einem Drittel der echten Auflösung. Der Formatfaktor Durch die gegenüber einer Kleinbildkamera kleinere Bildfläche des Sensors ergeben sich für gleiche genutzte Bildwinkel scheinbar andere Brennweiten für die Objektive. Dies wird fälschlicherweise als Brennweitenverlängerung bezeichnet, da die Brennweite des Objektives natürlich nicht geändert ist. Um die Objektive weiterhin auf einfache Weise mit dem herkömmlichen Kleinbildformat vergleichen zu können, geben viele Hersteller von kompakten Digitalkameras zusätzlich zur realen Brennweite ihre Objektive auch mit der Brennweite an, welche im Kleinbildformat den gleichen Bildwinkel erreichen würde. Bei den Objektiven haben wir ja gesehen wie man sowas berechnen kann. 6
Kamerainterne Bildverarbeitung Neben der CCD-Auflösung entscheiden aber auch das optische System und die Elektronik über das Gesamtergebnis. Die Grenze der Auflösung wird sowohl bei der analogen als auch digitalen Fotografie durch die Objektive bestimmt. Beispiel: Die besten zur Zeit auf dem Markt verfügbaren Objektive wie zum Beispiel das Leica Summilux-R 1:1,4/80 mm (2003: 3.000 Euro) haben das Auflösungsvermögen von vergleichbaren 20 Megapixeln. Ein sehr gutes Zoom-Objektiv wie das Canon 28 70mm f/2.8 (2003: 1.000 Euro) hat eine Auflösung von ca. 61 lp/mm (Linienpaaren/Millimeter), was etwa 13 Megapixeln entspricht. Bei billigen Digitalkameras wird hauptsächlich an der Optik gespart. Für verschiedene Zielgruppen und -einsätze reichen bestimmte Auflösungen aus: 2 3 Megapixel: Schnappschüsse, Urlaubsfotos, Kompaktkameraersatz, 3 4 Megapixel: Abzüge bis maximal DIN A4-Größe, > 5 Megapixel: professioneller Einsatz durch Designer und Grafiker. Die Pixelanzahl gibt auch nur näherungsweise die Auflösung feiner Strukturen wieder. Bei der Digitalisierung gilt das Nyquist-Shannon-Abtasttheorem. Danach darf die maximale im Bild auftretende Frequenz maximal halb so groß sein, wie die Abtastfrequenz, weil es sonst zu unerwünschten Bildverfälschungen, zum Beispiel zu Moiréerscheinungen, kommt und das Originalsignal nicht wieder hergestellt werden kann. Jede Digitalkamera führt nach oder bereits während der Bildwandlung eine Reihe von Verarbeitungsprozessen wie Weißabgleich, Erhöhung der Farbsättigung, Anheben des Kontrasts, Tonwertkorrektur, Filterung, Schärfen, verlustbehaftete Komprimierung usw. durch; Consumer-Kameras schärfen auch dann noch nach, wenn man diese Funktion abgeschaltet hat. 7
Bildformate Bei den Kameradateiformaten haben wir momentan 3 Formate: als verlustbehafteter Modus nach EXIF-Standard das JPEG-Format als verlustfreier Modus TIFF. Daneben gibt es bei höherwertigen Kameras das proprietäre Rohdatenformat (RAW). Digitalkameras betten in die Bilddaten auch so genannte Metainformationen ein, die im EXIF-Standard spezifiziert sind. Diese EXIF-Metadaten finden sich im so genannten Header der Bilddatei. Viele Bildbearbeitungsprogramme sowie spezielle Tools können diese Daten auslesen und anzeigen. Sie können auch Anwendung finden bei der Ausbelichtung des digitalen Bildes auf Fotopapier im Fotolabor. Das EXIF-Format Zu den via EXIF automatisch für jede Aufnahme gespeicherten Parametern gehören beispielsweise: Datum und Uhrzeit Belichtungszeit Blendeneinstellung Belichtungsprogramm Sensor-Empfindlichkeit (in ASA) Blitzverwendung Das Exchangeable Image File Format (EXIF) ist ein Standard der Japan Electronic and Information Technology Industries Association (JEITA) für das Dateiformat, in dem moderne Digitalkameras ihre Daten speichern. EXIF-Daten werden nicht unmittelbar in einer eigenen Datei abgelegt, sondern vielmehr in den Header (Bereich am Anfang der Bilddatei noch vor der eigentlichen Bildinformation) von Bildern der Formate JPEG oder TIFF geschrieben. Mittlerweile legt so gut wie jede Digitalkamera diese zusätzlichen Informationen zu der Aufnahme im Bild ab, was zum Teil auch schon bei Kameras von Mobiltelefonen der Fall ist. Zahlreiche Bildbearbeitungsprogramme sowie andere Software können auf diese Daten zugreifen und sie ausgeben. Auch bei Audiodateien kommen EXIF-Daten zum Einsatz. Die Farbtiefe Bezeichnet die Anzahl der Bits, die für die Speicherung der Farbinformation eines Pixels verwendet werden. Wenn jeder Pixel mit nur einem Bit dargestellt wird, sind nur 2 Farben möglich (Standard schwarz und weiß) 1 Bit Farbtiefe = Farbanzahl 2 pro Pixel - 2 hoch 1 4 Bit Farbtiefe = Farbanzahl 16 pro Pixel - 2 hoch 4 8 Bit Farbtiefe = Farbanzahl 256 pro Pixel - 2 hoch 8 15 Bit Farbtiefe = Farbanzahl 32768 pro Pixel - 2 hoch 15 (Highcolor) 16 Bit Farbtiefe = Farbanzahl 65536 pro Pixel - 2 hoch 16 (Directcolor) 24 Bit Farbtiefe = Farbanzahl 16,7 Mio. pro Pixel - 2 hoch 24 (Truecolor) 32 Bit Farbtiefe = Farbanzahl 4295 Mio. pro Pixel - 2 hoch 32 Unter dem Begriff Farbtiefe versteht man also die Anzahl der pro Pixel zur Verfügung stehenden Bits zur Speicherung der Farbinformationen. Die Anzahl der möglichen Farbtöne berechnet sich wie folgt: N Farbtöne = 2 Farbtiefe Professioneller Standard ist Truecolor mit einer Farbtiefe von 24 Bit, da mit 16,7 Mio. Farbnuancen weit mehr Farbnuancen darstellbar sind, als das menschliche Auge wahrnehmen kann. Daneben bibt es noch die Graustufenbilder mit 8 Bit Farbtiefe und die Gruppe der sogenannten Bitmaps mit 1 oder 4 Bit Farbtiefe. Die anderen Standards wie High- oder Directcolor haben keine so große Bedeutung mehr. Sie waren in der Anfangszeit der digitalen Bildverarbeitung notwendige Zwischenstadien mit wechselnder Bedeutung. Speicherbedarf Die Farbtiefe bestimmt zusammen mit der gewählten Auflösung (Anzahl der Pixel in der Horizontalen mal Anzahl der Pixel in der Vertikalen) den Speicherbedarf des Bildes in Bytes. Aber dazu später mehr (Seite 10). 8
Die Auflösung Absolute Auflösung Es existieren zwei Angabemöglichkeiten: absolute und relative Auflösung. Bei der absoluten Auflösung gibt es in zwei Varianten : Die erste Variante gibt einfach nur die Gesamtanzahl der Bildpunkte an; dies ist z.b. in der Digitalfotografie mit der Einheit Megapixel üblich. Die Zweite gibt die Anzahl Bildpunkte pro Spalte (vertikal) und Zeile oder Linie (horizontal) an, wie bei Grafikkarten und Bildschirmen üblich, z.b. 1024 768; ebenso in der Fernsehtechnik die Anzahl der Zeilen und die der Punkte pro Zeile. Die Zweite dieser beiden Möglichkeiten, absolute Bildauflösungen anzugeben, hat den Vorteil, dass sie auch das Verhältnis zwischen der Anzahl der Bildpunkte pro Spalte und Zeile angibt, man also eine Vorstellung vom Seitenverhältnis bekommt. Es kann aber auch vorkommen, dass die Bildpunkte unförmig und willkürlich angeordnet sind oder das Bild selbst gar keine Rechteckform besitzt. In diesem Fall ist eine Angabe der Form Breite Höhe nicht sinnvoll und man begnügt sich mit der Angabe der Gesamtzahl der Bildpunkte wie in der ersten Variante. Relative Auflösung Die relative Auflösung gibt die Anzahl der Bildpunkte im Verhältnis zu einer physikalische Längeneinheit an (z.b. angegeben in dpi, dots per inch; ppi, pixel per inch; lpi, lines per inch). Sie heißt auch Punkt-, Pixel- bzw. Zeilendichte. Alternativ kann die Größe (Kantenlänge, Durchmesser oder Fläche) eines Bildpunktes angegeben werden (z.b. in Mikrometern). Als Pixel wird aber auch ein Farbpunkt eines Bildpunkts bezeichnet. Ein Bildpunkt hat 3 Farbpixel. Bei Digitalkameras werden die Farbbildpunkte als Pixel angegeben. Hat ein Chip je 33% rote, blaue und grüne Pixel, muss die Zahl der Pixel durch drei geteilt werden um die Bildpunkte zu errechnen. Ausnahme: Beim häufig anzutreffenden Bayer-Sensor wird ausgenutzt, dass das menschliche Auge auf grün empfindlicher reagiert als auf die anderen Farben. Aus 50% grünen und je 25% roten und blauen Farbpixeln werden die Bildpunkte berechnet (interpoliert). Die so entstehenden Einheiten aus 4 Farbpixel nennt man auch Quadrupel! Bei Spitzenkameras werden so weniger als 50% der Farbpixel in Bildpunkte umgesetzt. Consumer Modelle berechnen dagegen mehr Bildpunkte unter höherem Verlust von Farbinformationen. Bei 3-Chip-Kameras, wird der Lichtstrahl über ein Prisma auf drei Chips (pro Farbe einer) verteilt. Das ermöglicht eine hohe Farbauflösung bei hoher Bildauflösung. Bei 3-Chip-Kameras stimmt die Pixelangabe in der Regel mit den Bildpunkten überein. Analoge Fotografie (zum Vergleich) 35mm Kleinbildfilm hat eine Auflösung von rund 13 bis 200 Mega-Pixeln. Die besten Objektive erreichen aber nur etwa 20 Millionen Pixel. Gute Zooms haben ca. 13 Millionen Pixel. Dias werden mit ca. 10 Millionen Pixeln (2700dpi) gescannt. Digitalfotografie In der Digitalfotografie wird meist nur die gerundete Gesamtzahl der Bildpunkte in Megapixeln (MP) angegeben, was unter anderem darin begründet ist, dass es anfangs fast nur das Seitenverhältnis 4:3 gab. Zunehmend gibt es aber auch das Format 3:2 der klassischen, analogen Fotografie. 9
Typische Bildauflösungen in der Digitalfotografie Name Auflösung Verhältnis Pixel Druckgröße (c m) bei 150 dpi 300 dpi 600 dpi 0,3 MP 640 480 4:3 307 200 10 8 5 4 2 2 1 MP 1152 864 4:3 995 328 19 14 9 7 4 3 1,3 MP 1280 960 4:3 1 228 800 21 16 10 8 5 4 2 MP 1600 1200 4:3 1 920 000 27 20 13 10 6 5 2,1 MP 1720 1280 4:3 2 201 600 29 21 14 10 7 5 3 MP 1984 1488 4:3 2 952 192 33 25 16 12 8 6 3 MP 2016 1512 4:3 3 048 192 34 25 17 12 8 6 3,3 MP 2048 1536 4:3 3 145 728 34 26 17 13 8 6 3,3 MP 2080 1560 4:3 3 244 800 35 26 17 13 8 6 4 MP 2272 1704 4:3 3 871 488 38 28 19 14 9 7 4 MP 2304 1728 4:3 3 981 312 39 29 19 14 9 7 5 MP 2560 1920 4:3 4 915 200 43 32 21 16 10 8 5 MP 2576 1932 4:3 4 976 832 43 32 21 16 10 8 5 MP 2592 1944 4:3 5 038 848 43 32 21 16 10 8 5,6 MP 2720 2040 4:3 5 548 800 46 34 23 17 11 8 6,1 MP 2848 2136 4:3 6 083 328 48 36 24 18 12 9 6,3 MP 2880 2160 4:3 6 220 800 48 36 24 18 12 9 7,1 MP 3072 2304 4:3 7 077 888 52 39 26 19 13 9 8 MP 3264 2448 4:3 7 990 272 55 41 27 20 13 10 9 MP 3488 2616 4:3 9 124 608 59 44 29 22 14 11 12 MP 4048 3040 4:3 12 305 920 68 51 34 25 17 12 22 MP 5344 4008 4:3 21 418 752 90 67 45 34 23 17 0,9 MP 1134 756 3:2 857 304 19 12 9 6 4 3 1,4 MP 1440 960 3:2 1 382 400 24 16 12 8 6 4 1,5 MP 1504 1000 3:2 1 504 000 25 16 12 8 6 4 1,6 MP 1536 1024 3:2 1 572 864 26 17 13 8 6 4 2 MP 1752 1168 3:2 2 046 336 29 19 14 9 7 4 2,8 MP 2032 1352 3:2 2 747 264 34 22 17 11 8 5 2,8 MP 2048 1360 3:2 2 785 280 34 23 17 11 8 5 3,3 MP 2240 1448 3:2 3 243 520 37 24 18 12 9 6 3,5 MP 2268 1512 3:2 3 429 216 38 25 19 12 9 6 3,5 MP 2304 1536 3:2 3 538 944 39 26 19 13 9 6 3,8 MP 2400 1600 3:2 3 840 000 40 27 20 13 10 6 4,3 MP 2544 1696 3:2 4 314 624 43 28 21 14 10 7 4,5 MP 2592 1728 3:2 4 478 976 43 29 21 14 10 7 6 MP 3008 2000 3:2 6 016 000 50 33 25 16 12 8 6 MP 3008 2008 3:2 6 040 064 50 34 25 17 12 8 6,1 MP 3024 2016 3:2 6 096 384 51 34 25 17 12 8 6,3 MP 3072 2048 3:2 6 291 456 52 34 26 17 13 8 6,5 MP 3104 2072 3:2 6 431 488 52 35 26 17 13 8 7,1 MP 3264 2176 3:2 7 102 464 55 36 27 18 13 9 8,2 MP 3504 2336 3:2 8 185 344 59 39 29 19 14 9 12 MP 4256 2848 3:2 12 121 088 72 48 36 24 18 12 12,8 MP 4368 2912 3:2 12 719 616 74 49 37 24 18 12 14 MP 4536 3024 3:2 13 716 864 76 51 38 25 19 12 16,7 MP 4992 3328 3:2 16 613 376 84 56 42 28 21 14 10
Speicherbedarf Wie bestimmt man den Speicherbedarf eines Bildes bei einer zu erzeugenden Datei? Der Speicherbedarf hängt ab von: Farbtiefe und der Auflösung des Bildes. Farbtiefe mal Pixelanzahl Daneben ist noch wichtig die Größe. Aus der vorstehenden Tabelle kann man ersehen wie relative und absolute Angaben die Größe der Auflösung beeinflussen. Schauen wir uns zunächst die Farbtiefe an. Bei normalen Schwarz/Weissbildern haben 2 8 Grauabstufungen also 256 verschiedenen Graustufen (inclusive Weiss und Schwarz) oder 8 Bit Farbtiefe. Diese 8 Einzelinformationen (Bits) ergeben ein Byte. Bei einem Bild mit 1.000 x 1.000 Pixeln Auflösung ergibt sich also rechnerisch: 1.000 x 1.000 x 1 Byte = 1.000.000 Byte = 1 Mbyte. Dieses Bild hat also einen Speicherbedarf von 1 MB. Bei einem Farbbild mit 24 Bit Farbtiefe haben wir 3 Farbkanäle nebeneinander liegen, nämlich Rot, Grün, Blau (RGB): 1.000 x 1.000 x 3 Byte = 3.000.000 Byte = 3 MByte, jetzt sind es durch die Farbe schon 3 MB Speicherbedarf. Neben der elektronischen Größe haben die Bilder auch eine physikalische Größe sprich Abmessungen. Diese beeinflussen die Bildgröße ebenso. Um diese dann zu errechnen benötigen noch eine weitere Angabe die relative Auflösung oder Druckauflösung (Angaben in dpi, dots per inch; ppi, pixel per inch; lpi, lines per inch; umrechenbar in Zentimeter durch Division mit 2,54). Ein Bild mit einer Kantenlänge von 30 x 40 cm und 24 Bit Farbtiefe benötigt bei 150 dpi: 30 x ( 150 : 2,54 ) x 40 x ( 150 : 2,54 ) x 3 Byte = 12.555.025,11 Byte = 12,6 Mbyte Bei 200 dpi: 30 x ( 200 : 2,54 ) x 40 x ( 200 : 2,54 ) x 3 Byte = 22.320.044,6 Byte = 22,3 Mbyte Bei 300 dpi: 30 x ( 300 : 2,54 ) x 40 x ( 300 : 2,54 ) x 3 Byte = 50.220.100,4 Byte = 50,2 Mbyte 11
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