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Artikel: Digitale Aufnahmen per CCD

Digitale Aufnahmen
per CCD-Chip

Der CCD-Chip einer digitalen Kamera ist im wesentlichen eine Matrix aus Sensoren, d.h. eine Fläche voller kleiner, lichtempfindlicher Elemente.

Trifft Licht auf einen solchen Sensor, dann ändert sich gleichsam auch sein elektischer Widerstand. Dieser läßt sich messen und liefert so ein sinnvolles Verhältnis zur Helligkeit.

Die Sensoren haben aber auch ihre Grenzen. Es ist eine gewisse Mindestmenge an Licht notwendig, damit die Sensoren reagieren, und es gibt einen Punkt an dem das Licht heller wird, als die Sensoren analog umsetzen können.

Wird der Auslöser einer digitalen Kamera betätigt und der Verschluss geöffnet, dann benötigen die Sensoren auch eine gewisse Zeit, um auf das Licht zu reagieren. Diese Zeit wird von der Qualität der Sensoren bestimmt und bestimmt ihrerseits die kürzeste Verschlußzeit der Kamera.

Die eigentliche Manifestation des Bildes entsteht erst dann, wenn die immer noch analogen Werte der Sensoren in den Zwischenspeicher der Kamera kopiert werden.

Bei dieser Digitalisierung werden die analogen Werte in ein lineares Raster übertragen, also in eine feste Anzahl von festen Werten. Bei den ersten digitalen Kameras geschah dies mit einer Farbtiefe (Rasterauflösung) von 8 Bit, was den bekannten Zahlenbereich von 0 bis 255 ergibt.

Probleme bei der
Digitalisierung

Das passiert natürlich nicht ungestraft, und so wirft die Digitalsierung auch einige Probleme auf:

- Wenn die dunkelste Stelle im Bild den unteren Grenzwert der Sensoren unterschreitet, dann werden die Werte abgeschnitten, das Bild wird dort schwarz.
- Wenn die hellste Stelle den oberen Grenzwert der Sensoren überschreitet, dann werden die Werte ebenso abgeschnitten, das Bild wird dort weiß.
- Wenn der Abstand zwischen der dunkelsten und der hellsten Stelle im Bild kleiner ist als die Grenzwerte der Sensoren erlauben, dann wird die verfügbare Bandbreite nicht ausgenutzt und es stehen entsprechend weniger Stufen zur Verfügung. Auch hierbei wird das Bild beschnitten weil Zwischenwerte verloren gehen - die ohnehin nicht zahlreich sind.

Abgeschnittene Grenzwerte kann man natürlich nicht wiederherstellen, aber wenn der zur Verfügung stehende Bereich nicht ausgenutzt wird, kann man die Werte durch eine Multiplikation leicht "dehnen", sodass der dunkelste und hellste Punkt des Bildes auch wirklich auf die digitalen Werte 0 und 255 fallen. Dieser Schritt kann auch automatisch ausgeführt werden und ist als "einfache Tonwertkorrektur" ein wesentlicher Schritt in der Bildverarbeitung.

Nun kann man sich leicht vorstellen, dass alle Geräte, die analoges in digitales wandeln müssen und umgekehrt, ihre eigenen Bereiche und Grenzwerte haben - und natürlich verschiedene.

Ob Scanner, Drucker, Monitor oder CCD-Chip, sie alle müssen eine solche Bereichsanpassung vornehmen und damit reduzieren und verändern sich auch die Daten. Das Resultat wird also auf dem Weg durch die Instanzen immer schlechter.

Ein schlichtes, aber effektives Verfahren dagegen ist die Überinformation. Wenn wir vorne viel mehr reinstecken als wir hinten rausholen, dann kann auf dem Weg dazwischen auch ruhig was verloren gehen.

Moderne CCD-Chips, die übrigens die Digitalisierung schon selbst übernehmen, verwenden deshalb heute Farbtiefen von 10, mittlerweile sogar 12-Bit, was 1024 bzw. 4096 Stufen ermöglicht.

Das Roh-Format

Doch kommen wir zurück zu unserer Aufnahme. Der CCD-Chip wandelt die analogen Werte in digitale 12-Bit und kopiert diese in einen schnellen Zwischenspeicher der Kamera. Dort liegen sie roh, d.h. unkomprimiert in voller Größe, ohne jede Korrektur oder Anpassung und mit 12-Bit Farbtiefe. An dieser Stelle erlauben einige Kameras das Bild in diesem Roh-Fomat zu belassen, dann wird es aus dem Zwischenspeicher ausgelesen, verlustfrei komprimiert und auf die Speicherkarte geschrieben.

Ein Bild mit einer Farbtiefe von 12-Bit ist aber in der Bildverarbeitung sehr unüblich, deshalb muss das das Roh-Format erst in ein nutzbares Format konvertiert werden.

Dazu nimmt man logischerweise ein Format mit der nächsthöheren Farbtiefe, was 16-Bit wären. Das Bild gewinnt dadurch nicht an Information, aber es wird auch garantiert nicht beschnitten, weil der Farbraum größer ist.

Erst im nächsten Schritt wird dann ausgeführt, was der eigentliche Grund dafür ist, ein Bild im Roh-Format zu erstellen:
Die Tonwertkorrektur.
Wir sind damit die Ersten und Einzigen die bestimmen, wo volles Schwarz und reines Weiß liegen, und wo, wenn überhaupt, etwas beschnitten wird. Erst danach(!) wird das Bild in 8-Bit umgewandelt, von Farbstichen befreit (Weißabgleich) und kann dann sogar im JPEG-Format gespeichert werden.

Das ist auch der Grund dafür, warum Bilder im Roh-Format oft ganz anders aussehen, als die üblichen Jpeg-Bilder: Es fehlen schlicht sämtliche notwendigen Korrekturen.

Eine Speicherung im Roh-Format macht nur dann Sinn, wenn man sämtliche Bildanpassungen und -korrekturen selbst vornimmt und dabei den größeren Farbraum auch ausnutzt.

Das Roh-Format macht keinen Sinn, wenn es nur darum geht die JPEG-Kompression zu vermeiden, denn mit einer hohen Qualitätseinstellung sind auch beim vergrößerten Druck keine Artefakte auszumachen.
Das Raw-Format macht auch keinen Sinn, wenn es nicht erst in ein 16-Bit-Format gespeichert wird, sondern gleich nach 8-Bit. Ebenso, wenn die Umwandlung in einem Bildverarbeitungsprogramm getätigt wird, bevor die Bildkorrekturen gemacht sind. Da in allen Fällen die gleiche Methode zum Einsatz kommt, kann der Schritt auch gleich zu Beginn von der Kamera ausgeführt werden. Es macht keinen Sinn das "mehr" an Informationen bis in die Bildverarbeitung zu schleusen, wenn sie dort nicht auch genutzt wird.

Bildkorrekturen im
Normalfall

Werden die Daten nicht im Roh-Format gespeichert, dann verläuft der Weg etwas anders.

Die Daten bleiben im Zwischenspeicher und werden genau so korrigiert, wie man dies beim Roh-Format selber täte.

Zuerst wird eine Tonwertkorrektur vorgenommen, die die Daten auf den ganzen 12-Bit-Bereich ausdehnt. Dabei werden oben und unten ein halbes oder mehr Prozent des Raumes abgezogen, damit die Berechnung nicht auf Spitzlichtern oder winzigen Schwarzpunkten basiert. Trotzdem kann diese Automatik versagen, nämlich immer dann wenn keine erkennbaren sinnvollen Schwarz- und Weißpunkte vorhanden sind.

In der Regel wird direkt nach der Tonwertkorrektur die Konvertierung nach 8-Bit durchgeführt, was alle folgenden Operationen vereinfacht und den Speicherbedarf reduziert. Es ist aber vorstellbar das hochwertige und/oder kommende Kameras auch alle Korrekturen zuerst im größeren Farbraum ausführen, bevor sie konvertiert werden.

Anhand der Farbwerte des hellsten und dunkelsten Punktes (Reinheit) wird dann ein Weißabgleich vorgenommen. Die Tonwerte für Rot, Grün und Blau werden dabei so korrigert, das Schwarz und Weiß aus gleichen Farbanteilen bestehen. Wenn die Kamera eine einstellbare Farbtemperatur unterstützt, dann ist dies nur eine vorgespeicherte RGB-Kombination für ein bestimmtes Weiß.

Welche Schritte dann noch im folgenden ausgeführt werden, läßt sich nur sehr schwer ermitteln. Man kann davon ausgehen, dass im Prinzip alles angewendet wird, was die Palette der Bildverarbeitung hergibt: Verstärkung des Kontrastes, Änderung der Helligkeit (Gamma), Anhebung der Sättigung, Filterung wie unscharfes Maskieren, Convolve-Filter zur Rauschunterdrückung, aber auch Anwender-Funktionen wie Einfärben, Umfärben, S/W, Sepia und viele weitere Effekte.

Erst dann wird das Ergebniss komprimiert und als die übliche Jpeg-Datei auf die Speicherkarte geschrieben.