Kompakte Digitalkameras

Kompakte Digitalkameras sind relativ handliche, leichte und bedienerfreundliche Digitalkameras, für die mittlerweile sogar die Verwendung von Wechselobjektiven möglich ist. Die Auflösung liegt derzeit oft schon über 10 Megapixel, wobei aber der meist immer kleiner werdende Sensor sowie die immer kleiner werdenden Bildpunkte häufig ein deutlich sichtbares Bildrauschen erzeugen. Um dies abzustellen, verfügen viele Kameras bereits über ein Entrauschungsprogramm, welches diese Bildfehler auf Kosten der Bildschärfe korrigiert.
Gerade bei kompakten Digitalkameras kann die Auslöseverzögerung je nach Modell und Aufnahmebedingungen im Bereich bis zu über einer Sekunde liegen. Die für höherwertige Kameras speziell entwickelten leistungsfähigen Prozessoren sind sehr teuer, so dass diese für den Einbau in Kompaktkameras in der Regel nicht in Frage kommen.

Hybrid-Fokus nicht für den Nahbereich

Auch die als Hybrid-Fokus bezeichnete Technik, bei der ein weiterer Sensor, der sog. AF-Sensor, verwendet wird, ist nicht optimal, denn sie funktioniert im Nahbereich nicht. Leider sind gerade im Segment der kompakten Digitalkameras die technischen Möglichkeiten kostenbedingt stark eingeschränkt, so dass aufgrund der relativ langsamen Auslöseverzögerung spontanes Fotografieren, also Schnappschüsse, oft nur eingeschränkt möglich sind. Allerdings gibt es mittlerweile auch Kameras mit zweistufigen Auslösern. In der ersten Stufe werden Fokus und Belichtung bereits abgespeichert und in der zweiten Stufe wird die Aufnahme mit relativ geringer Verzögerung ausgelöst.

Kompakte Digitalkameras mit Schnappschuss-Einstellung

Einige Hersteller haben auch eine spezielle Schnappschuss-Einstellung entwickelt. Hier wird das Objektiv auf eine mittlere Entfernung eingestellt, so dass die Verzögerung praktisch entfällt. Allerdings muss man natürlich Abstriche bezüglich der Schärfe in Kauf nehmen. Generell ist auch das kleinere Aufnahmeformat der Kompaktkameras als Nachteil anzusehen. Häufig wird bei Kompaktkameras ein Weitwinkelobjektiv verwendet, um einen möglichst großen Aufnahmebereich zu erzeugen. Dies führt bei großem Bildwinkel oder kleinem Aufnahmeabstand letztlich zu einer unnatürlichen Verzerrung, was beispielsweise bei Porträtaufnahmen auffällt, denn die kameranahen Gesichtspartien wirken unverhältnismäßig groß. Von großem Vorteil sind hier die sich immer mehr durchsetzenden Zoomobjektive, die dieses Problem gar nicht erst entstehen lassen.

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HDR-Photographie

Bei der HDR-Photographie (HDR steht für „High Dynamic Range“) handelt es sich um eine Technik, mit deren Hilfe man ein digitales Bild erzeugen kann, das die natürlichen großen Helligkeitsunterschiede detailgetreu wiedergibt. Gelegentlich wird ein solches Bild auch als Hochkontrastbild bezeichnet. Im Gegensatz dazu heißen herkömmliche digitale Bilder oft LDR oder Low Dynamic Range.

HDR-Bilder mittels Tone Mapping angezeigt

Nicht alle Ausgabegeräte sind zur Anzeige der HDR-Bilder fähig. Auf normalen Bildschirmen erfolgt die Darstellung mittels Tone Mapping, die Bilder werden umgewandelt, indem man die Helligkeitskontraste des HDR-Bildes verringert. Es gibt derzeit nur wenige Kameras, die zur Erzeugung solcher Bilder geeignet sind. Problematisch ist hier vor allem der digitale Bildsensor, der ein Bild mit dem kompletten Dynamikumfang wirklich vollständig und direkt erfassen muss. Da professionelle Geräte extrem teuer sind, werden für den semiprofessionellen Markt Methoden entwickelt, die Dynamik mittels interner Nachbearbeitung der Bilder zu erzeugen, was zwar nicht ganz so gut, dafür aber wesentlich preiswerter ist. Grundsätzlich werden die meisten digitalen Bilder in 256 Helligkeitsstufen für jeden der Rot-, Grün- und Blau-Farbkanäle erzeugt, was zur optimalen Darstellung natürlicher Szenen allerdings nicht ausreicht. Höhere Dynamik (Verhältnis von größter und kleinster Leuchtdichte), wie sie die Natur bietet und mit HDR-Aufnahmen möglich sind, können heute Bildschirme und Druckmedien in der Regel nicht darstellen.

Einfacher softwarebasierter Weißabgleich

HDR-Aufnahmen vermeiden Über- und Unterbelichtungen, somit wird ein sehr einfacher softwarebasierter Weißabgleich möglich. Mit einigem Aufwand ist es allerdings auch möglich, HDR-Bilder mit normalen Digitalkameras zu erzeugen. Man nimmt von dem Objekt bzw. der Szene eine Belichtungsreihe auf, bei der jeder Bildabschnitt in mindestens einem der Einzelbilder richtig belichtet worden sein muss. Diese Einzelbilder werden nachfolgende mittels einer entsprechenden Software zu einem HDR-Bild zusammengefügt. Natürlich darf das Objekt zwischen den einzelnen Aufnahmen nicht bewegt worden sein. Aus der Belichtungsreihe müssen die Helligkeitswerte aufgrund der Lichtdaten der Einzelbilder berechnet werden, was nicht ganz trivial ist, da die Kamerahersteller die Übertragungsfunktionen nicht veröffentlichen.

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Digitale Spiegelreflexkamera

Als digitale Spiegelreflexkameras werden Digitalkameras bezeichnet, die einen Spiegel verwenden, mit dessen Hilfe das zu photografierende Objekt betrachtet wird. Das Motiv wird vom Objekt über den Spiegel umgelenkt und auf einer Mattscheibe abgebildet bzw. direkt mit dem Auge betrachtet. Digitale Spiegelreflexkameras sind eher im mittleren bis höheren Preisbereich der Digitalkameras anzutreffen und sind ihren analogen Vorfahren bzw. Gegenstück, der analogen Spiegelreflexkamera, vom Aufbau her sehr ähnlich. Als Bildsensoren werden – wie bei Kompaktkameras – CCD- und CMOS-Sensoren sowie neuerdings auch spezielle APS-Sensoren verwendet.

Digitale Spiegelreflexkamera: Daten schnell verfügbar

Ein wesentlicher Vorteil ist jedoch die direkte Verfügbarkeit der Bilddaten sowie die häufig vorhandene graphische Darstellung der Helligkeitsverteilung, mit deren Hilfe eine sofortige Beurteilung der Bildqualität möglich wird. Auch Hilfestellungen bei Über- und Unterbelichtung in Form entsprechender Warnfunktionen sind sehr hilfreich. Digitale Spiegelreflexkameras verfügen meist über größere Bildsensoren als Kompaktkameras. Daher haben Spiegelreflexkameras nicht das Problem der immer kleiner werdenden Bildpunkte, wodurch das problematische Bildrauschen erzeugt wird. Auch bei einer sehr großen Auflösung von beispielsweise mehr als 35 Megapixeln sind die Bildpunkte so groß wie bei einer Kompaktkamera mit etwa drei Megapixeln. Daher ist das Bildrauschen für digitale Spiegelreflexkameras eigentlich nicht wichtig.

Objektivsysteme nicht kompatibel

Leider werden Sensoren dieser Baugröße für Kompaktkameras nur selten eingesetzt, nicht zuletzt aufgrund des Preises und der deutlich größeren Baumaße. Auch für digitale Spiegelreflexkameras sind gemäßigte Weitwinkelobjektive mit sehr hohen Lichtstärken verfügbar. Die meisten Hersteller verwenden eigene, speziell entwickelte Objektivsysteme, die oft nicht mit anderen Bautypen kompatibel sind. Grundsätzlich hat die digitale Spiegelreflexkamera oft mit Staub und anderen Verschmutzungen des Bildsensors zu kämpfen. Beim Objektivwechsel besteht immer die Gefahr, dass Staub in den Spiegelkasten eindringt und sich später auf dem Aufnahmesensor ablagert. Auch winzige Tröpfchen der Schmierung und mechanischer Abrieb können zu solchen Problemen führen. Gerade bei kleinen Blenden sind diese Ablagerungen oft recht deutlich auf den Bildern erkennbar, was die Bildqualität doch erheblich beeinträchtigen kann.

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Megapixel

Die gerundete Anzahl Bildpunkte wird in der Regel in Megapixeln angegeben („MP“ u. a.), um einen Anhaltspunkt für die theoretisch erreichbare Auflösung zu erhalten. Im Gegensatz dazu ist die tatsächliche Auflösung von zahlreichen Faktoren abhängig. Es kommt auch auf Kontrast, Empfindlichkeit, Dynamik, Farbseparation und viele andere Faktoren an, um ein gutes Bild zu erzeugen.

Megapixel: Gibt die Auflösung an

Megapixel ist mittlerweile die gebräuchliche Einheit, um die Sensor- und Bildauflösung einer Digitalkamera anzugeben. Um die Megapixel zu bestimmen, wird jeder farbige (Sub-)Pixel einzeln gezählt, mit einer höheren Bildauflösung sind größerformatige Fotoabzüge oder Poster möglich, weil die Zahl der Bildpunkte pro Fläche größer ist. Heute gibt es viele Kameras mit 10, 12 oder mehr Megapixeln Auflösung, gleichzeitig werden die verwendeten Sensoren immer kleiner und die einzelnen Bildpunkte werden immer kleiner. Leider fangen kleinere Bildpunkte auch viel mehr Fehlinformation auf als größere, so dass ein sogenanntes Bildrauschen entsteht. Als Bildrauschen wird die Verschlechterung der Bildqualität bezeichnet, die durch Pixelstörungen erzeugt wird. Gerade bei dunklen Bildflächen ist das Bildrauschen oft problematisch. Um diesen Effekt zu umgehen, werden Kameras immer häufiger mit sog. „Entrauschungsprogrammen“ ausgerüstet, die diese Bildfehler korrigieren sollen. Allerdings geht das auf Kosten der Bildschärfe.

Nur selten größere Sensoren

Die Verwendung größerer Sensoren, wie beispielsweise in digitalen Spiegelreflexkameras, vermeidet das Problem aufgrund der deutlich größeren Bildpunkte. Leider werden solche Sensoren aufgrund des hohen Preises nur ausgesprochen selten in anderen Kameras verwendet. Neuerdings versucht man mit einer Technik, die als „Four-Thirds-Standard“ bezeichnet wird, die Schwierigkeiten zu umgehen. Hierbei wird eine Diagonale von 4:3, also eine Fläche von 225 m² verwendet, was die Möglichkeit zur Herstellung preiswerter und gleichzeitig rauscharmer Kameras bietet. Eine vergleichbare Entwicklung zeigt sich bei Camcordern, auch hier werden die Bildsensoren ständig verkleinert, was auf Kosten der Bildqualität geht. Ziel ist hier ein immer größerer Zoombereich mit kleinen und preiswerten Objektiven. Auch hier sind Profikameras aufgrund ihrer besseren Technologie weit im Vorteil.

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Brennweite

Als Brennweite versteht man in der Optik die Entfernung einer Linse von ihrem Brennpunkt oder – genauer gesagt – den Abstand des Brennpunktes von der Hauptebene einer Linse bzw. eines Hohlspiegels. Der Brennpunkt wird auch als Fokus bezeichnet und ist eine Eigenschaft des optischen Systems, also unabhängig von der jeweiligen Aufnahmesituation oder Fokussierung. Man unterscheidet Sammellinsen (und Hohlspiegel) mit positiver Brennweite von Zerstreuungslinsen mit negativer Brennweite. Sammellinsen bündeln alle parallel zur optischen Achse einfallenden Lichtstrahlen im Brennpunkt.

Brennweite definiert den Bildwinkel

Die Brennweite eines Objektivs definiert gemeinsam mit dem Aufnahmeformat den Bildwinkel und damit natürlich den darstellbaren Bildausschnitt. Man bezeichnet ein Objektiv, dessen Brennweite ungefähr so groß ist wie die Diagonale des Aufnahmeformats als Normalobjektiv für das betreffende Format. Die Brennweite ist abhängig von der Form der verwendeten Linse, sie verändert sich bei einer sphärischen Linse vom Randbereich zum Zentralbereich. Dieser Effekt kann durch Abblenden, durch Verwenden asphärischer Linsen oder Spiegel oder auch durch Kombination mehrerer Linsen, die den Fehler ausgleichen, behoben werden. Auch die Farbe (d. h. Wellenlänge) des Lichtes verändert die Brennweite. Hieraus resultieren Abbildungsfehler wie u. a. Farbsäume oder unscharfe Stellen. Ausgeglichen werden kann das Problem durch die Verwendung achromatischer oder apochromatischer Linsenkombinationen. Führt man vom selben Standort Aufnahmen mit unterschiedlichen Brennweiten durch, so erreicht man eine Änderung des Abbildungsmaßstabes, die Perspektive bleibt gleich, es ändert sich allerdings der Bereich der Schärfentiefe.

Individuelle, perspektivische Darstellungen

Umgekehrt führt die Durchführung von Aufnahmen mit unterschiedlichen Brennweiten und gleichem Abbildungsmaßstab zu verschiedenen perspektivischen Darstellungen. Ursache ist der unterschiedliche Aufnahmeabstand. Beispielsweise wird bei der Aufnahme mit einem Weitwinkelobjektiv der Vordergrund des jeweiligen Objektes stark betont, wohingegen bei Aufnahmen mit dem Teleobjektiv der Hintergrund stärker betont wird. Dieser Effekt entsteht aufgrund unterschiedlicher Brennweiten bei gleichem Abbildungsmaßstab, wofür allerdings unterschiedliche Entfernungen zum Objekt nötig sind. Daher verändert sich schließlich die Perspektive, was bei Verwendung eines Weitwinkelobjektivs gerade bei großen Bildwinkeln oder kleinen Aufnahmeabständen unnatürlich oder verzerrt wirken kann.

Ein gutes Beispiel für die Qualität der Aufnahmen ist die Casio Exilim EX-H100.

Bildsensor

Als Bildsensor bezeichnet man die Vorrichtung zur Aufnahme zweidimensionaler Abbilder aus Licht. Dies kann auf elektrischem oder mechanischem Weg erfolgen. Um ein Bild im sichtbaren Bereich aufnehmen zu können, werden häufig zweidimensionale Anordnungen von Strahlungssensoren eingesetzt. Die Signale werden elektronisch ausgelesen. In der Regel werden Halbleiterdetektoren für diesen Zweck verwendet, wie beispielsweise CCD- und CMOS-Sensoren.

Bei diesen Sensoren handelt es sich um Silizium-Sensoren mit relativ geringem Bildrauschen. CCD-Sensoren gibt es mit Filterrad oder farbsensitiven Sensoren auch für Farbbilder. CMOS-Sensoren beruhen auf der CMOS-Technologie, hierbei handelt es sich um Halbleiterbauelemente, bei denen sowohl p-Kanal als auch n-Kanal Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekt-Transistoren (sog. MOSFETs) auf einem gemeinsamen Substrat verwendet werden. Hier liegen die farbsensitiven Sensoren entweder neben – oder übereinander. Beide Systeme nutzen den inneren fotoelektrischen Effekt, sie arbeiten im Prinzip wie eine Anordnung von Solarzellen – mehr Licht bedeutet hier mehr Ladung bzw. mehr Strom. Es ist auch möglich, spezielle Sensoren für mittleres und fernes Infrarot, wie beispielsweise in Wärmebildkameras, zu konstruieren.

Bildsensor: Wichtig ist die Auflösung

Meist werden Restlichtverstärker nicht als Bildsensoren bezeichnet, obwohl sie der Definition genügen und die entsprechenden Merkmale aufweisen. Generell werden in der Digitalphotographie unterschiedliche Sensorgrößen verwendet. Wichtig sind hierbei die erreichte Auflösung, die i. d. R. in sog. „Megapixeln“ angegeben wird, und das Seitenverhältnis des Bildes, gängige Seitenverhältnisse sind 4:3 und 3:2 (3:2 entspricht dem Kleinbildfilm-Format). Beide Größen beeinflussen die Bildqualität erheblich und stellen wichtige Qualitätsmerkmale für Digitalkameras dar. Allgemein sind CMOS-Sensoren weniger lichtempfindlich als CCD-Sensoren und rauschen stärker.

Allerdings haben sie eine deutlich geringere Leistungsaufnahme, da sie im Gegensatz zu den CCD-Sensoren oft nur eine Versorgungsspannung benötigen und nicht mehrere. Erschwerend kommt hinzu, dass CCD-Technologie nur von sehr spezialisierten Halbleiterherstellern beherrscht wird, Prinzip-bedingt sinkt die Ausbeute mit steigender Pixelzahl dramatisch. CMOS-Sensoren basieren hingegen auf einer wesentlich gängigeren Technologie, daher sind sie leichter und mit geringerer Fehlerquote herstellbar und natürlich auch preiswerter. Darüber hinaus lassen sich hier weitere Schaltungen auf demselben Chip integrieren, so dass die Kamera kleiner und flexibler wird.

So schafft es beispielsweise die Pentax Optio a40 das lästige Bildrauschen auf geringem Niveau zu halten.

Auslöseverzögerung

Die Auslöseverzögerung ist ein Qualitätsmerkmal moderner Digitalkameras. Sie bezeichnet in der Fotografie die Zeitspanne zwischen dem Betätigen des Kameraauslösers und der Bildaufzeichnung und ist abhängig von der in der jeweiligen Kamera verwendeten Technik und somit ein konstruktionsbedingtes Merkmal. Beispielsweise muss bei Spiegelreflexkameras vor der Bildaufzeichnung der Schwingspiegel betätigt werden, einige Spiegelreflexkameras, müssen die eigentlich fast verzögerungsfreie Belichtungsmessung unmittelbar nach dem Schließen der Objektivblende nachjustieren. Anschließend wird der Verschluss geöffnet und die Belichtung beginnt.

Zusätzlich zu diesen mechanischen Abläufen muss bei Digitalkameras mit Autofokus ein Motor die ermittelte Entfernungseinstellung realisieren, die Fokussier-Geschwindigkeit ist ein entscheidender Zeitfaktor. Er kann ggf. durch das Abschalten von Kamerafunktionen wie Weißabgleich oder Display verringert werden, weil hierdurch der Prozessor der Digitalkamera entlastet wird. Alternativ gibt es auch Kameras, die über einen gesonderten Autofokus-Sensor verfügen, wodurch eine beachtliche Zeitersparnis beim Auslösevorgang erreicht werden kann. Diese Technologie wird auch als „Hybrid-Fokus“ bezeichnet. Der zusätzliche AF-Sensor ist unabhängig vom Aufnahme-CCD-Sensor, so dass Verzögerungen von weniger als 0,1 Sekunden erreichbar sind. Problematisch ist dieses System allerdings im Nahbereich oder bei Makroaufnahmen, denn konstruktionsbedingt funktioniert dieses Verfahren hier nicht und die Kamera muss auf die relativ langsame CCD-Auswertung zurückgreifen. Einige Hersteller höherwertiger Kameras lösen das Problem durch den Einbau leistungsfähiger Prozessoren, allerdings ist das natürlich ein erheblicher Kostenfaktor.

Auslöseverzögerung: Spontane Fotos schwierig

Mittlerweile wird bei den technischen Daten einer Kamera auch die Auslöseverzögerung angegeben, um Kameras qualitativ vergleichbar zu machen. Allerdings wird hiermit meist die Zeitspanne nach der Fokussierung bezeichnet. Grundsätzlich beeinflusst die Auslöseverzögerung die spontane Fotografie ganz erheblich, mit vielen Kameras sind Schnappschüsse fast unmöglich. Hier kann u. a. durch Serienaufnahmen Abhilfe geschaffen werden, wobei jedoch die Bildfolgezeit und der Pufferspeicher der Kamera beachtet werden muss. Bei den meisten Kameras wird ein zweistufig arbeitender Auslöser verwendet, der in der ersten Stufe Fokus und Belichtung speichert und erst in der zweiten Stufe die Aufnahme auslöst. Hierbei ist die Verzögerung recht gering.

Verschiedene Tests haben ergeben, dass zum Beispiel Sony Spiegelreflexkameras in der Praxis eine gute Auslöseverzögerung haben.