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Digitalkamera

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Datei:Fd5 1.jpg
Sony Mavica FD5

Ein digitaler Fotoapparat, auch Digitalkamera genannt, ist ein Fotoapparat, bei dem das Aufnahmemedium Film durch einen elektronischen Bildwandler (Sensor) und ein digitales Speichermedium ersetzt wurde.

Funktionsweise

Das fotografische Bild entsteht in einer Digitalkamera in vier Schritten:

  1. optische Projektion durch das Objektiv;
  2. optische Filterung durch Infrarot- und RGB-Filter;
  3. Bildwandlung in elektrische Signale;
  4. Digitalisierung der Signale durch A/D-Wandlung
    1. Diskretisierung
    2. Quantisierung
  5. ggf. Farbinterpolation
  6. Bildverarbeitung der Bilddatei
  7. Komprimierung der Bilddatei
  8. Speicherung der Bilddatei

Bei einer Digitalkamera gelangt das Bild – zunächst also noch ganz analog – durch eine Linse in das Kameragehäuse; anschließend durchläuft es einen Infrarot- sowie anschließend einen RGB-Filter. Erst dann gelangt das Bild auf den Sensor, der die Helligkeit des einfallenden Lichts misst; die Photonen des Lichtes setzen Elektronen frei, deren Anzahl proportional zur Lichtintensität ist. Die Höhe der Spannung entspricht der Helligkeit des einzelnen Bildpunktes, Lichtsignale werden also in elektrische Signale umgewandelt; dieser Prozess ersetzt funktional den Film. Bis zu diesem Punkt der Bildverarbeitung handelt es sich also um einen vollständig analogen Prozess.

Die Digitalisierung erfolgt erst im A/D-Wandler, an den der CCD- bzw. CMOS-Sensor die analogen Signale weiterreicht; dabei stellt eine CCD-Zelle i.d.R. einen Pixel dar, deren Farbwert einzeln an den Wandler übertragen wird. Der A/D-Wandler führt eine Bildwandlung durch, die aus den Schritten Diskretisierung und Quantisierung besteht.

Die Diskretisierung bezeichnet die Bilderzerlegung in diskrete Einheiten. Da bei Kameras, die nach dem RGB-System arbeiten pro Pixel drei Farbwerte gespeichert werden müssen, findet eine Farbinterpolation statt. Dabei werden die zwei nicht registrierten Farbwerte aus den Werten der umliegenden Zellen interpoliert, d.h. nach einer Regel "geraten" (educated guess). Generell ist die Farbinterpolation eine Mittelwertbildung.

Anschließend erfolgt die Kompression zur Reduktion des Datenvolumens, wenn das Bild im JPEG- oder komprimierten TIFF-Datenformat gespeichert wird; inwieweit Rohdaten (Raw-Format) komprimiert werden, hängt vom proprietären Format des jeweiligen Herstellers ab.

Die digitale Bilddatei wird digital gespeichert und kann verlustfrei dupliziert und weiterverarbeitet werden. Die Digitalkamera verfügt über eine Schnittstelle, mit der die Bilder an andere digitale Geräte wie Computer sowie autarke Massenspeicher und Drucker übertragen werden können. Die digitale Bildbearbeitung ermöglicht es, die Bilder auf einem Personal Computer zu korrigieren oder zu verändern.

Bildwandlung

Wie bei einer Analogkamera wird das einfallende Licht mit einem Objektiv gesammelt und auf die Filmebene, in diesem Fall der Sensor, scharfgestellt (fokussiert). Der Sensor ist ein elektronisches Bauelement, das i.d.R. eine deutlich kleinere Fläche hat als ein Bild auf analogem 35-mm-Film einer Kleinbildkamera; nur höherwertige Digitalkameras verfügen über einen Sensor in Größe des APS-Negativs oder sogar über einen Vollformatsensor.

Es werden grundsätzlich zwei Sensortypen unterschieden: Flächensensor und Zeilensensor.

Beim Flächensensor registriert der CCD entweder gleichzeitig die drei Grundfarben (One-shot-Kameras), oder nacheinander (Three-Shot-Kameras). Es existieren im Wesentlichen zwei verschiedene marktgängige Flächensensor-Typen, der CCD-Sensor (die meisten Digitalkameras von Sony, Nikon, Konica Minolta, Pentax, Olympus usw.) mit der Variante des Super-CCD-Sensor (nur Fujifilm) sowie der CMOS-Sensor (nur Canon und einige Low-end-Anbieter).

Zeilensensoren werden in Scannerkameras eingesetzt, die nach dem Scannerprinzip funktionieren, d.h. sie abeiten ähnlich wie ein Flachbettscanner.

Bildverarbeitung

In einem digitalen Fotoapparat führt die Elektronik eine Reihe bildverändernder Verarbeitung vor, während und nach der Aufnahme durch; diese werden unter dem Begriff der Bildverarbeitung zusammengefasst. Diese ist zu unterscheiden von der Bildbearbeitung, die an der fertiggestellten Aufnahme durchgeführt wird.

Die Digitalkamera beeinflusst durch den Weißabgleich – wie auch die Videokamera – die Farbtreue bei Tageslicht oder Kunstlicht.

Die Homogenität, d.h. gleichmäßige Schärfe und Helligkeit über das gesamte Bild insbesondere am Bildrand, ist abhängig von der Optik und muss bei Abbildungsfehlern durch die kamerainterne Software ausgeglichen werden.

Die Qualität der kamerainternen Elektronik entscheidet auch über die Signaldynamik, d.h. die von der Kamera unterscheidbaren Helligkeitsstufen, sowie den Kontrastumfang des digitalen Bildes.

Die Kameraelektronik beeinflusst auch die Bildreinheit bzw. den Grad an Bildfehlern, die sich beispielsweise als Rauschen oder Artefakte zeigen. Bei Kameras mit einer Auflösung von drei Megapixeln und mehr lassen sich CCD-Fehler nicht mehr vermeiden: Einzelne Zellen arbeiten möglicherweise überhaupt nicht, andere arbeiten dagegen mit unterschiedlicher Empfindlichkeit usw. Solche "Aussetzer" müssen ebenso wie das besonders bei Nachtaufnahmen auftretende Bildrauschen von der Kamera-Elektronik ausgeglichen werden.

Zur Verbesserung der subjektiven Bildwirkung führt die Kameraelektronik darüber hinaus noch diverse "Optimierungen" durch; dazu zählen beispielsweise:

  • Scharfzeichnung: Erkennen und Verstärken von Übergängen im Bild;
  • Kontrastanhebung: Anhebung des Kontrasts im Bild;
  • Farbsättigung: Erhöhen der Farbsättigung;

Bevor ein Foto ausgelöst wird, wird der Autofokus in Gang gesetzt, der die Scharfeinstellung übernimmt. Auch wenn mehrere Fotos vom gleichen Objekt gemacht werden, muss jeweils eine Scharfeinstellung erfolgen. Bei einigen Kameras kann der Autofokus abgestellt werden. Einen Schärfe-Einstellring sucht man bei den meisten Digitalkameras allerdings vergeblich. Lediglich über eine Menüstruktur kann eine manuelle Scharfeinstellung in Stufen erreicht werden, was die Einsatzmöglichkeiten von Digitalkameras begrenzt, zumal die manuelle Scharfeinstellung nur bei Spiegelreflexkameras funktioniert. Auch wenn der Autofokus abgeschaltet wird, findet vor dem Auslösen in der Kameraelektronik noch ein Weißabgleich statt. Und weil das nicht reicht, findet auch noch ein Schwarzabgleich statt (um das CCD-Rauschen und Fehlerpixel auszufiltern).

Optisches System

Konica Digital Revio KD-300Z mit ein- und ausgefahrenem Zoomobjektiv

Durch die gegenüber einer Kleinbildkamera abweichende Größe der Bildfläche des Sensors ergeben sich andere Brennweiten für die Objektive; dies bezeichnet man als Brennweitenverlängerung bzw. Verlängerungsfaktor. Um diese weiterhin mit dem herkömmlichen Kleinbildformat vergleichen zu können, geben viele Hersteller von kompakten Digitalkameras die Brennweite ihrer Objektive analog zu Kleinbild an.

Besitzt man eine digitale Spiegelreflexkamera mit Wechselobjektiven, wird zumeist ein Umrechnungsfaktor angegeben – der so genannte Verlängerungsfaktor – mit dem die Brennweite des Objektivs multipliziert werden muss, um die neue Brennweite zu erhalten. Dies hat Nachteile im Weitwinkelbereich, da sich dort die Brennweite in Richtung Normalobjektiv verlängert, Vorteile dagegen im Telebereich, da sich dort die Brennweite in Richtung Supertele verlängert.

Zusätzlich zu einem bei digitalen Kompaktkameras meist eingebauten optischen Zoom besitzen viele Modelle noch einen digitalen Zoom. Dabei handelt es sich um eine Interpolation, die das Bild zwar größer erscheinen läßt, tatsächlich findet jedoch eine Ausschnittsvergrößerung mit verringerter Auflösung statt. Digitalzooms sind ein reines Marketing-Konstrukt und haben keinen fotografischen Wert; der funktional identische Effekt lässt sich mit jeder Bildbearbeitungssoftware nachträglich und mit jedem beliebigen Vergrößerungs bzw. "Zoomfaktor" realisieren.

Leistungsklassen und Auflösung

Digitalkameras mit Auflösungen unter zwei Megapixel gelten heute als Fun- bzw. Spielzeugkameras oder werden für spezielle Anwendungen (z.B. schnelle Serienbildfolgen) eingesetzt. Darunter fallen auch Mikrokameras mit VGA-Auflösung (0,3 Megapixel), die als Schlüsselanhänger benutzt werden können, sowie nahezu alle derzeit verfügbaren Handy-Kameras (Stand: 2004).

Digitalkameras mit einer Auflösung von drei Megapixeln gelten heute (2004) als Einsteigerklasse. Sie sind ausgereift, preiswert und leicht zu bedienen. Sie genügen für Papierabzüge bis 10x15 cm.

Auflösungen von vier bis fünf Megapixeln gelten als Mittelklasse, High-End-Geräte verfügen derzeit (Stand: 2004) über Auflösungen von 8 bis 16 Megapixeln; bei diesen Auflösungen sind problemslos Ausbelichtungen im Format 20x30 cm (DIN A4) möglich.

Die Profiklasse bietet Spiegelreflexkameras mit Wechselobjektiven, erweiterten Einstellungsmöglichkeiten sowie mit CCD- bzw. CMOS-Sensoren mit Auflösungen ab etwa 6 Megapixeln zu Preisen von unter 1000 EUR (Stand: 2004). Die Anzahl der Pixel ist in der Profiklasse von untergeordnetem Rang; entscheidend sind vielmehr die Qualität des Objektivs und der Bildwandlung sowie Einstellungsmöglichkeiten und Aufnahmegeschwindigkeit.

Zum Vergleich: Bei der herkömmlichen analogen Kleinbild-Fotografie spricht man von 30 Megapixeln, die mit einem guten Film erzielt werden können. Diese Auflösung wird z.B. von dem Diafilm Kodachrome 25 erreicht. Nahezu jeder fotografische Film bietet heute eine Auflösung von zumindest 100 Linien pro Millimeter, ein Kleinbildfilm hat daher eine Auflösung von mindestens 3600x2400 Pixeln, also etwa 8,6 Megapixel; derartige Vergleiche sind jedoch aus verschiedenen Gründen problematisch; vgl. hierzu Ausbelichtung.

Neben der CCD-Auflösung entscheiden aber auch das optische System und die Elektronik über das Gesamtergebnis. Diese drei "Säulen" zusammen ergeben die eigentlich relevante Effektivauflösung, die nur anhand von Testbildern, z.B. nach dem Auflösungschart ISO 12233, festgestellt werden kann. Die Effektivauflösung wird von der jeweils schwächsten "Säule" bestimmt.

Die Grenze der Auflösung wird sowohl bei der analogen als auch digitalen Fotografie durch die Objektive bestimmt. Die besten zur Zeit (2003) auf dem Markt verfügbaren Objektive wie z.B. das Leica Summilux-R 1:1,4/80 mm (2003: 3000 Euro) haben das Auflösungsvermögen von vergleichbaren 20 Megapixeln. Ein sehr gutes Zoom-Objektiv wie das Canon 28-70mm f/2.8 (2003: 1000 Euro) hat eine Auflösung von ca. 61 lp/mm (Linienpaaren/Millimeter), was etwa 13 Megapixeln entspricht. Leider wird bei billigen Digitalkameras 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.

Geschwindigkeit

Drei wichtige Merkmale einer Digitalkamera sind die Aufnahmebereitschaft, die Auslöseverzögerung und die Bildfolgezeit.

Aufnahmebereitschaft

Als Aufnahmebereitschaft bezeichnet man die Zeitspanne, die der digitale Fotoapparat nach dem Einschalten benötigt, um eine Fotografie anfertigen zu können. Während fast alle analogen Kameras sofort nach dem Einschalten aufnahmebereit sind, benötigt eine Digitalkamera dafür in ungünstigen Fällen einige Sekunden.

Auslöseverzögerung

Als Auslöseverzögerung bezeichnet man die Zeitspanne die zwischen Drücken des Auslösers und tatsächlicher Bildaufzeichnung verstreicht. Während fast alle analogen Kameras eine kaum wahrnehmbare Auslöseverzögerung oder sogar eine Spiegelvorauslösung bieten, benötigt eine Digitalkamera kostbare Sekundenbruchteile, um mit der Aufnahme zu beginnen.

Bildfolgezeit

Als Bildfolgezeit bezeichnet man die Zeitspanne nach einer Aufnahme, nach der die Kamera ein Folgebild anfertigen kann. Die Bildfolgezeit ist u.a. abhängig von der Geschwindigkeit der kamerinternen Bildverarbeitung und Dateikompression, der Dateigröße der Bilddatei, der Größe eines kamerainternen Pufferspeichers sowie der Geschwindigkeit des Speichermediums.

Für Schnappschüsse oder schnelle Serienbildfolgen bei Sportveranstaltungen, womöglich noch in einer hohen Auflösung oder im Rohdatenformat, sind die meisten heutigen Digitalkameras noch viel zu langsam (Stand: 2004).

Energieversorgung

Jede Digitalkamera benötigt eine kontinuierliche Energieversorgung, die i.d.R. über ein Netzteil oder einen Akku gewährleistet wird; daneben gibt es auch einige Spezialkonstruktionen, die beispielsweise auf Solarenergie basieren.

Digitalkameras brauchen bei weitem mehr Energie als analoge Fotoapparate. Dies ist ein großer Nachteil der Geräte und beim Umstieg auf die digitale Fotografie zu beachten.

Die Kapazität des Akkus bestimmt – in Verbindung mit der Leistungsaufnahme der Kameraelektronik und deren Stromsparfunktionen – über die maximale Betriebsdauer der Kamera, bis ein Akkuwechsel nötig wird.

Proprietäre Akkutypen sind deutlich teurer als Standard-Akkus (Mignon etc.), aber häufig auch leistungsfähiger. Ein durchschnittlicher Akku versorgt eine Digitalkamera für Energie zum Aufnehmen von rund 200 Bildern.

Dateiformat

Damit ein Bild mit einer Auflösung von zwei Megapixeln und drei Farben pro Pixel nicht sechs Megabyte (unkomprimierte Dateigröße) auf die Speicherkarte schreiben muss, wird es komprimiert.

Als verlustbehafteter Modus steht nach EXIF-Standard das JPEG-Format zur Verfügung, als verlustfreier Modus wird TIFF angeboten; daneben können höherwertige Kameras die digitalen Bilder in einem proprietären Rohdatenformat speichern.

Die von den einzelnen Kameraherstellern für diesen Modus verwendeten Dateiformate sind untereinander nicht kompatibel und es existiert auch kein Standard für diese Dateien, daher müssen RAW-Dateien vor der Betrachtung oder Bearbeitung mittels einer vom Kamerahersteller bereitgestellten Anwendung in ein Standard-Bildformat (meist TIFF) konvertiert werden.

Der Vorteil der RAW-Speicherung besteht darin, dass beispielsweise eine Gammakorrektur, ein Weißabgleich, eine Anpassung der Helligkeit und des Kontrasts sowie das Nachschärfen des Bildes durch den Anwender kontrolliert werden können.

Neuere Kameras bieten auch die Möglichkeit, kurze Videosequenzen aufzunehmen, die meist im Motion JPEG- oder Apple Quicktime-Format gespeichert werden.

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.

Zu den via EXIF automatisch für jede Aufnahme gespeicherten Parametern gehören beispielsweise:

Speichermedien

Gespeichert werden die Bilder in der Kamera auf verschiedenen Speichermedien. Gebräuchlich sind vor allem SmartMedia, CompactFlash, Microdrive, xD-Picture Card, Multimedia Card sowie Memory Stick; ältere Digitalkameras verwendeten daneben auch Floppy Disks oder PCMCIA-/PC Cards.

Weitere Ausstattungsmerkmale

Weitere relevante Ausstattungsmerkmale sind:

  • Bedienung,
  • Abmessungen,
  • Gewicht
  • Lichtstärke des Objektivs
  • Sonnenlichtabdeckung des Displays,
  • Digitaler Sucher
  • Optischer Zoom,
  • Anschlußmöglichkeit für externen Blitz,
  • Systemgeschwindigkeit (Serienbildfunktion, Auslöseverzögerung etc.),
  • Akkuart und -kapazität,
  • Schnittstellen,
  • Speichermedium,
  • Dokumentation,
  • Service und Garantie,
  • Zusatzfunktionen wie Sprachaufzeichnung, Videoaufnahme, Selbstauslöser, Fernbedienung, Belichtungskorrektur, einstellbare Empfindlichkeit, Akku-Restanzeige.
  • Integration in ein bestehendes Kamerasystem.

Geschichte und Entwicklung

Digitalkameras wurden ab Mitte der 80er Jahre zunächst vorwiegend von professionellen Fotografen im Bereich der Studio-, Mode- und Werbefotografie sowie ab Mitte der 90er Jahre auch in der Reportagefotografie eingesetzt. Frühe serienreife Modelle wurden von Sony (Mavica) und Canon (Ion) angeboten; Minolta (Dimage), Nikon (Coolpix) und Olympus (Camedia) u.a. folgten mit eigenen Modellreihen. 2002 wurde erstmals eine digitale Spiegelreflexkamera mit einem Sensor in voller Kleinbildgröße vorgestellt.

Im Heimanwenderbereich setzen sich Digitalkameras ab Ende der 90er Jahre durch und erzielen aufgrund rapide fallender Preise mittlerweile höhere Umsätze als analoge Fotogeräte.

Digitalkameras werden seit Anfang des 21. Jahrhundert zunehmend in andere Geräte integriert:

  • Einige moderne Mobiltelefone besitzen eine eingebaute Digitalkamera.
  • Für Personal Digital Assistants sind externe Handy-Module verfügbar, oder eine einfache Digitalkamera ist in den PDA integriert.
  • Video-Camcorder besitzen Fotofunktionen, die ähnlich wie Digitalkameras arbeiten.

Andererseits verfügen viele digitale Fotoapparate über die Möglichkeit, Filme in VHS-Qualität mit Ton aufzunehmen oder die digitalen Signale ohne Zwischenspeicherung direkt an die Schnittstelle zu übertragen. Damit kann die Digitalkamera auch als Webcam genutzt werden.

Anbieter

Die größten Hersteller der digitalen Fotoapparate sind: Canon, Sony, Konica Minolta, Nikon, Olympus und Kodak. Auch verbreitet sind Kameras von Agfa, Casio, Contax, Epson, Fujifilm, HP, JVC, Kyocera, Leica, Panasonic, Praktica, Ricoh, Samsung, Sanyo, Sigma und Toshiba.

Siehe auch

Literatur

  • N.N.: Digitale Fotografie. Elektronik ersetzt Film (Info & Grundlagen). In: Elektor 10/98, S. 54-58
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