Signalverarbeitung in der Kamera
Farbenblind
Die schlechte Nachricht zuerst: «Der Sensor Ihrer Digitalkamera ist farbenblind»
Wie? Was? Und woher stammen denn die farbigen Ferien-Bilder mit dem blauen Himmel, dem grünen Meer und dem gelben Sand?
Nur Halluzinationen? Nein. Aber bis dahin ist es ein langer Weg. In diesem Artikel möchte ich die wichtigsten Funktionen der Signalverarbeitung in einer Digitalkamera auf leicht verständliche Weise zusammenfassen und gleichzeitig einige Mythen und Missverständnisse - insbesondere im Bereich der RAW/JPG-Diskussionen - aus dem Weg räumen.
Wie? Was? Und woher stammen denn die farbigen Ferien-Bilder mit dem blauen Himmel, dem grünen Meer und dem gelben Sand?
Nur Halluzinationen? Nein. Aber bis dahin ist es ein langer Weg. In diesem Artikel möchte ich die wichtigsten Funktionen der Signalverarbeitung in einer Digitalkamera auf leicht verständliche Weise zusammenfassen und gleichzeitig einige Mythen und Missverständnisse - insbesondere im Bereich der RAW/JPG-Diskussionen - aus dem Weg räumen.
Die Bildebene
Die Kameraoptik projiziert das Bild auf den Sensor der Digitalkamera. Je nach Kamera ist der Sensor unterschiedlich gross und besitzt unterschiedlich viele lichtempfindliche Zellen - die sogenannten Pixel (Abkürzung von pictures element, abgekürzt px).
Gängige Sensorgrössen liegen zwischen 5.4 x 4 mm (billige Kompaktkameras) und 36 x 24 mm (Kleinbildformat). Die Anzahl der Pixel auf einem Sensor liegt heute zwischen 12 (Kompaktkameras) und 24 Mpx (Vollformat Kleinbild). Für die nachfolgenden Betrachtungen beschränken wir uns auf einen Standard-Sensor mit 4536 x 3024 px (CMOS, APS-C, ca. 14 Mpx).
Die einzelnen Pixel sind lichtempfindlich aber sie können keine Farben erkennen sondern nur Helligkeitsunterschiede - sie sind farbenblind. Die verschiedenen Helligkeiten erzeugen entsprechende elektrische Spannungen, welche in einem Digitalisierungsprozess (A/D-Wandlung) in diskrete Werte gewandelt werden. Die meisten Kameras arbeiten mit 12 Bit, das erlaubt 4096 diskrete Helligkeitswerte für jedes Pixel. Es gibt auch Systeme mit 10 (1024 Werte) oder 14 Bit (16384 Werte).
Zusammenfassung:
Unser Sensor enthält also 14 Millionen Pixel, der Helligkeitswert jedes einzelnen wird durch ein 12-Bit-Wort repräsentatiert.
Gängige Sensorgrössen liegen zwischen 5.4 x 4 mm (billige Kompaktkameras) und 36 x 24 mm (Kleinbildformat). Die Anzahl der Pixel auf einem Sensor liegt heute zwischen 12 (Kompaktkameras) und 24 Mpx (Vollformat Kleinbild). Für die nachfolgenden Betrachtungen beschränken wir uns auf einen Standard-Sensor mit 4536 x 3024 px (CMOS, APS-C, ca. 14 Mpx).
Die einzelnen Pixel sind lichtempfindlich aber sie können keine Farben erkennen sondern nur Helligkeitsunterschiede - sie sind farbenblind. Die verschiedenen Helligkeiten erzeugen entsprechende elektrische Spannungen, welche in einem Digitalisierungsprozess (A/D-Wandlung) in diskrete Werte gewandelt werden. Die meisten Kameras arbeiten mit 12 Bit, das erlaubt 4096 diskrete Helligkeitswerte für jedes Pixel. Es gibt auch Systeme mit 10 (1024 Werte) oder 14 Bit (16384 Werte).
Zusammenfassung:
Unser Sensor enthält also 14 Millionen Pixel, der Helligkeitswert jedes einzelnen wird durch ein 12-Bit-Wort repräsentatiert.
Der Bayer-Sensor
Die einzelnen Zellen (Pixel) sind zwar lichtempfindlich und können Helligkeitsunterschiede, aber keine Farben erkennen - sie sind farbenblind. Dazu braucht es ein Verfahren, welches die auf den Sensor auftreffenden Farbwerte identifiziert und einer der drei RGB-Grundfarben (Rot, Grün, Blau) zuordnet. Dazu gibt es verschiedene Methoden, die häufigste und in den meisten Digitalkameras eingesetzte Methode wollen wir hier besprechen. Bryce E. Bayer hat 1975 das nach ihm benannte Bayer-Filter erfunden, welches nach folgendem Prinzip funktioniert:
Um die Farbinformationen zu identifizieren und den Grundfarben zuzuordnen, wird vor jeder einzelnen Zelle ein winziger Farbfilter in einer der drei Grundfarben Rot, Grün oder Blau aufgebracht. Jeder Farbpunkt (Pixel) liefert dementsprechend nur Informationen für eine einzige Farbkomponente. 50 % aller Pixel erkennen die Helligkeitswerte der grünen Farbe, je 25% aller Pixel erkennen Helligkeitswerte der Farben Rot und Blau. Das menschliche Auge reagiert auf Grün empfindlicher als auf andere Farben, deshalb dieses Ungleichgewicht.
Die Anordnung der winzigen Filter vor jedem einzelnen Pixel geschieht nach folgendem Muster:
Diese Aufteilung erstaunt schon, wenn man sieht, dass nur ein Viertel des Sensors für die Farben Blau oder Rot empfindlich ist. Wo kommen denn die anderen drei Viertel her? Wenn ich zum Beispiel eine rein blaue Fläche fotografiere, kommt nur Licht auf die Zellen mit den blauen Filtern (25%), der Rest bleibt dunkel. Das ist noch weit entfernt von einem guten Farbbild. Aber lasst uns weiter gehen, irgendwie geht das schon.
Um die Farbinformationen zu identifizieren und den Grundfarben zuzuordnen, wird vor jeder einzelnen Zelle ein winziger Farbfilter in einer der drei Grundfarben Rot, Grün oder Blau aufgebracht. Jeder Farbpunkt (Pixel) liefert dementsprechend nur Informationen für eine einzige Farbkomponente. 50 % aller Pixel erkennen die Helligkeitswerte der grünen Farbe, je 25% aller Pixel erkennen Helligkeitswerte der Farben Rot und Blau. Das menschliche Auge reagiert auf Grün empfindlicher als auf andere Farben, deshalb dieses Ungleichgewicht.
Die Anordnung der winzigen Filter vor jedem einzelnen Pixel geschieht nach folgendem Muster:
Diese Aufteilung erstaunt schon, wenn man sieht, dass nur ein Viertel des Sensors für die Farben Blau oder Rot empfindlich ist. Wo kommen denn die anderen drei Viertel her? Wenn ich zum Beispiel eine rein blaue Fläche fotografiere, kommt nur Licht auf die Zellen mit den blauen Filtern (25%), der Rest bleibt dunkel. Das ist noch weit entfernt von einem guten Farbbild. Aber lasst uns weiter gehen, irgendwie geht das schon.
Vom Sensor zu den RGB-Kanälen
| Alle folgenden Bilder sind unter der Lizenz CC-SA (Creative Commons Share Alike) lizenziert. |
Nehmen wir als Beispiel folgende farbige Grafik und verfolgen, wie sie der Sensor sieht und ausgibt.
Der Sensor «sieht» durch die vielen kleinen Farbfilter ein gerastertes Abbild des Originals, wobei jedes Pixel nur die Helligkeitswerte seiner eigenen Farbe aufnimmt. Das heisst, in den schwarzen Bereichen dringt kein Licht auf die einzelnen Zellen, deshalb ist das Resultat ebenfalls minimal (Helligkeit der jeweiligen Farbe = 0). In den weissen Bereichen dringt die maximale Lichtmenge auf die Zellen (Helligkeit der jeweiligen Farbe = Maximum).
Die Helligkeitsinformationen werden nun separat in drei RGB-Kanälen für die weitere Verarbeitung gespeichert.
Allerdings besitzen wir nun erst 50% der grünen und je 25% der roten und blauen Bildinformation. Es ist wichtig zu verstehen, dass bis zum jetzigen Zeitpunkt noch kein explizites Abbild des Originals vorliegt, sondern lediglich Helligkeitswerte der drei RGB-Kanäle.
Wie kommen wir nun zum Rest, damit ein vollständiges Farbbild rekonstruiert werden kann? Das Zauberwort heisst Demosaicing. Dies ist eine spezielles Interpolations-Verfahren, welches nach verschiedenen mehr oder weniger geeignete Algorithmen durchgeführt werden kann. Doch davon mehr im nächsten Abschnitt.
Das RAW-Bild
Fortsetzung folgt