Digitale Kamera

Digitale Kompaktkamera

Digitale Spiegelreflexkamera

Eine Digitalkamera ist eine Kamera, die als Aufnahmemedium anstatt eines Films einen elektronischen Bildwandler (Bildsensor) und ein digitales Speichermedium enthält. Sie basiert auf der Videotechnik.

Geschichte

Erfindungsphase

Die Geschichte der Digitalkamera nimmt mit der 1963 von David Paul Gregg an der Stanford University erfundenen Videodisk-Kamera ihren Anfang, und obwohl ihre Bilder nur ein paar Minuten (auf eben jener Videodisk) gespeichert werden konnten, so ist sie doch die erste Kamera, die Stehbilder elektronisch speichern kann.

Das erste Patent auf alle flachen (Bild-)Schirme, die optische Bilder stabil (solid-state) aufnehmen und aufbewahren können, wird 1968 beantragt.^[1]

Im Jahre 1969 wurde dann die Basis des CCD (charged coupled device) von Willard Boyle und George Smith erfunden. Das CCD, ursprünglich als Datenspeicher entwickelt, ist ein lichtempfindlicher Chip, mit dem Bilder gespeichert werden können. Diese Erfindung ist der endgültige technische Durchbruch auf dem Weg zur digitalen Fotografie. 1970 bauen Bell-Wissenschaftler die erste Solid-State-Video-Kamera, die das CCD als Bildaufzeichnungssensor benutzt. Man beachte, dass es sich hierbei noch um eine Videokamera handelt, da es schwieriger war, ein einzelnes Bild zu speichern als einen kleinen Film.

Ein weiteres wichtiges Patent wird 1972 an den Erfinder Willis A. Adcock von Texas Instruments ausgegeben. Es beschreibt eine filmlose, elektronische Kamera, wobei noch ein Fernsehbildschirm als Sucher empfohlen wird.

Kommerziell erhältlich wurde das CCD 1973, welches von Fairchild Imaging entwickelt und produziert wurde. Es hatte eine Auflösung von 100 × 100 Pixel (0,01 Megapixel). 1974 fand Dr. Gil Amelio eine Möglichkeit, CCDs einfach und industriell zu fertigen. 1975 war die Geburtsstunde der ersten „richtigen“ Digitalkamera. Konstruiert wurde sie von Steve J. Sasson von Kodak. Sie verwendete das CCD von Fairchild als Bildsensor, benötigte 23 Sekunden, um ein einziges Bild auf eine Digitalkassette zu speichern, und wog gut 4 kg. ^[2] Die Fairchild MV-101 war dann 1976 die erste kommerziell erhältliche CCD-Kamera, die ebenfalls den Bildsensor von Fairchild mit 0,01 Megapixeln verwendete

Weitere Entwicklung

Digitalkameras wurden ab Mitte der 1980er Jahre zunächst vorwiegend von professionellen Fotografen im Bereich der Studio-, Mode- und Werbefotografie sowie ab Mitte der 1990er Jahre auch in der Reportagefotografie eingesetzt. Frühe serienreife Modelle wurden von Apple (Apple QuickTake), Casio (QV-Series), Sony (Mavica) und Canon (Ion) angeboten; Konica Minolta (Dimage), Nikon (Coolpix) und Olympus (Camedia) u. a. folgten mit eigenen Modellreihen. 2002 wurde von Kyocera erstmals eine digitale Spiegelreflexkamera (DSLR = Digital Single Lens Reflex) mit einem Sensor in voller Kleinbildgröße (Contax N Digital) vorgestellt. In der Zwischenzeit gibt es eine unüberschaubare Fülle an Modellen in allen Preisklassen und Ausstattungsmerkmalen.

Im Heimanwenderbereich setzen sich Digitalkameras in den Jahren des Jahrtausendwechsel durch und erzielen aufgrund rapide fallender Preise mittlerweile höhere Umsätze als analoge Fotogeräte, manche Hersteller haben inzwischen die Herstellung analoger Modelle ganz eingestellt oder stark reduziert. ^[3]

Die Computertechnik (und damit verbunden die Digitalfotografie) ist einer starken Innovationsgeschwindigkeit ausgesetzt. Damit ist ein schneller „modischer“ Verschleiß aller Geräte (bereits nach wenigen Monaten ist ein ehemals neues Gerät veraltet) verbunden. Bedingt durch diese beiden Voraussetzungen, entstand eine stürmische Belebung des gesamten Fotohandels, der vor Einführung der Digitalkameras als gesättigt und technisch ausgereizt galt.

Obwohl auch heute noch viele Fotografen ihre Bilder als Papierabzüge sehen wollen, hatte eine Fotobranche den digitalen „Zug der Zeit“ verpasst: die Fotolabore. Hierbei waren im Wesentlichen fünf Ursachen verantwortlich:

1. Die Fotolabore befanden sich zu diesem Zeitpunkt in einem Preiskrieg, bei dem zu Zwecken der Marktbereinigung auch unter Herstellungspreis produziert wurde. Daher gibt es seit dieser Zeit nur ein Großlabor (die restlichen Anbieter besitzen nur unbedeutende Marktanteile), das fast alle Fotoannahmestellen (Center, Drogerien, Tankstellen usw.) beliefert.
2. Die Hybridtechnik APS (ein Film mit elektronischer Speicherschicht) wurde als weltweiter Standard eingeführt. Bedingt durch Streitigkeiten zwischen den weltweiten Marktführern aber mit vier Jahren Verzögerung. Damit war in den Fotolaboren (die bei dieser Markteinführung eingebunden waren) ein wesentlicher Teil des Investitionsvolumens gebunden.
3. In den Anfangsjahren der digitalen Fotografie war diese entweder sehr teuer oder sehr schlecht. In den Fotolaboren schätzte man das künftige Auftragsvolumen digitaler Arbeiten falsch ein und investierte in den folgenden Jahren nur unbedeutende Summen.
4. Die Hersteller von Tintenstrahldruckern nutzten diese Marktlücke und besetzten sie seither immer noch erfolgreich.
5. Im weltweiten Vergleich gibt es nur in Kerneuropa die Fotofertigung in Großlaboren. Den weltweit größten Anteil haben Fotoautomaten, die vor Ort stehen. Auch in Deutschland ist deren Anteil in den letzten Jahren immer weiter gestiegen.

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

• Fast alle modernen Mobiltelefone enthalten eine eingebaute Digitalkamera. Mittlerweile werden hier auch Modelle mit fünf, vereinzelt bis zu acht Megapixeln gebaut.
• Bei Personal Digital Assistants sind einfache Digitalkameras integriert.
• Video-Camcorder besitzen Fotofunktionen, die ähnlich wie Digitalkameras arbeiten.

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

Funktionsweise

Das fotografische Bild entsteht in einer Digitalkamera in folgenden Schritten. Die mit * gekennzeichneten Punkte entfallen bei einer Speicherung im Rohdatenformat:

1. Scharfstellung des Bildes
2. Abschätzen einer sinnvollen Belichtungszeit und Blende
3. optische Projektion durch das Objektiv
4. optische Filterung durch Tiefpass-, Infrarot- und RGB-Filter
5. Wandlung der Lichtintensitäten in analoge elektrische Signale in diskreten Elementen (Diskretisierung)
6. Digitalisierung der Signale durch Analog-Digital-Wandlung (Quantisierung)
7. Bildverarbeitung der Bilddatei:
   1. Umrechnung von Signalen in Helligkeiten
   2. * Farb-Rekonstruktion
   3. * Rauschunterdrückung
   4. * Entfernen bekannter Fehler des Bildaufnahmesystems (defekte Pixel, Übersprechen, Nachschärfen, Randabschattung, Verzeichnung, chromatische Aberration)
8. * Komprimierung der Bilddatei
9. Speicherung der Bilddatei.

Bei einer Digitalkamera gelangt Licht durch eine Linse, welche das Bild auf den Sensor wirft, in das Kameragehäuse. Vor dem Sensor durchläuft das Licht in der Regel einen Infrarot-, einen Tiefpass- sowie einen Farbfilter. In Kombination werden meist auch Mikrolinsen eingebaut, die das Licht auf die empfindlichen Bereiche des nachfolgenden Bildwandlers fokussieren. Hierbei handelt es sich um eine vollständig analoge Signalverarbeitung.

Der A/D-Wandler führt eine Bildwandlung durch, die aus den Schritten Diskretisierung und Quantisierung besteht. Die Diskretisierung bezeichnet die Bilderzerlegung in diskrete, also nicht-kontinuierliche Einheiten, bei der Quantisierung wird die Signalstärke durch eine natürliche Zahl repräsentiert. Da bei Kameras, die den RGB-Farbraum verwenden, pro Pixel außer bei der Rohdatenspeicherung drei Farbwerte gespeichert werden müssen, findet nach der Transformation in den entsprechenden Farbraum in der Regel eine Farbinterpolation statt (→ Bayer-Sensor). Dabei werden die zwei nicht registrierten Farbwerte aus den Werten der umliegenden Zellen interpoliert, das heißt, nach einer Regel „geschätzt“ (educated guess).

Nach der optionalen Korrektur von Abbildungsfehlern erfolgt die Kompression zur Reduktion des Datenvolumens, wenn das Bild wie im allgemeinen nach der JPEG-Methode gespeichert wird. Inwieweit auch Rohdaten (Raw-Format) komprimiert werden, hängt vom proprietären Format des jeweiligen Herstellers ab.

Bildwandlung

CCD-Sensor auf flexibler Leiterplatte

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 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 (zum Beispiel in Kameras von Canon, Hewlett-Packard, Kodak, Nikon, Olympus, Panasonic, Pentax, Samsung oder Sony) mit der Variante des Super-CCD-Sensor (nur Fujifilm) sowie der CMOS-Sensor.

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. Dem interessanten Prinzip zum Trotz hat auch die zweite mit Mikrolinsen ausgestattete Generation nicht zum durchschlagenden Erfolg geführt.

Zeilensensoren werden in Scannerkameras eingesetzt, die nach dem Scannerprinzip funktionieren, das heißt, sie arbeiten ähnlich wie ein Flachbettscanner und tasten das Bild zeilenweise ab.

Bildverarbeitung

In einem digitalen Fotoapparat führt die Elektronik und die Firmware eine Reihe bildverändernder Verarbeitungen 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 Tages- oder Kunstlicht.

Die Homogenität, das heißt gleichmäßige Schärfe und Helligkeit über das gesamte Bild insbesondere am Bildrand, ist abhängig von den Abbildungseigenschaften und kann teilweise durch die kamerainterne Software ausgeglichen werden.

Die Qualität der kamerainternen Elektronik entscheidet auch über die Signaldynamik, das heißt, 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 Bildrauschen oder Kompressionsartefakte zeigen. Bei Kameras mit einer Auflösung von drei Megapixeln und mehr lassen sich CCD-Fehler kaum vermeiden: Einzelne Zellen arbeiten möglicherweise überhaupt nicht, andere arbeiten dagegen mit unterschiedlicher Empfindlichkeit usw. Solche „Aussetzer“ können ebenso wie das besonders bei Nachtaufnahmen auftretende Bildrauschen von der Kamera-Elektronik zumindest vermindert werden. Dennoch bleibt für jede einzelne Kamera ein individuelles Muster, das bei mindestens zwei vorliegenden Bildern als digitaler „Fingerabdruck“ extrahiert werden kann.

Zur Verbesserung der subjektiven Bildwirkung führt die Firmware 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 gegebenenfalls der Autofokus in Gang gesetzt, der die Scharfeinstellung übernimmt. Auch wenn mehrere Fotos vom selben Objekt gemacht werden, muss jeweils eine Scharfeinstellung erfolgen. Bei einigen Kameras kann der Autofokus ausgeschaltet werden. Außer bei digitalen Spiegelreflex-Kameras sucht man bei den meisten Digitalkameras einen Schärfe-Einstellring allerdings vergeblich. Lediglich über eine Menüstruktur kann eine manuelle Scharfeinstellung in Stufen erreicht werden, was die Einsatzmöglichkeiten der meisten Digitalkameras begrenzt. Auch wenn der Autofokus abgeschaltet wird, findet vor dem Auslösen in der Kameraelektronik noch ein Weißabgleich statt. Und weil das nicht ausreichend ist, findet auch noch ein Schwarzabgleich statt, um das elektronische Rauschen des Sensors und Fehlerpixel auszufiltern.

Optisches System

KB-äquivalente Brennweitenangabe auf einem Digitalkameraobjektiv

Durch die gegenüber einer Kleinbildkamera in der Regel kleinere Bildfläche des Sensors ergibt sich bei gleicher Brennweite des Objektivs ein kleinerer Bildwinkel, oder anders gesagt, um den gleichen Bildwinkel zu erhalten, muss die Brennweite kleiner werden. Der Zusammenhang kann bei (nahezu) verzeichnungsfreien Objektiven durch die Formel

$f \cdot \tan \alpha = h$

angegeben werden. Dabei ist f die Brennweite, α der halbe Bildwinkel (von der optischen Achse aus gemessen) und h die Bildhöhe (Abstand der Bildecke von der Bildmitte).

Dass bei gleicher Brennweite der Bildwinkel gegenüber dem Kleinbildformat kleiner wird, bezeichnet man häufig fälschlicherweise als Brennweitenverlängerung. Die Fotografen sind gewöhnt, die Brennweite als Maß für den Bildwinkel zu sehen (je größer die Brennweite, desto kleiner der Bildwinkel), aber das funktioniert nur solange, wie das Bildformat sich nicht ändert. Damit diese Zuordnung weiterhin funktioniert wie vom Kleinbildformat her gewohnt, geben viele Hersteller von kompakten Digitalkameras zusätzlich zur realen Brennweite ihrer Objektive auch die Brennweite an, welche im Kleinbildformat den gleichen Bildwinkel ergeben würde (KB-äquivalente Brennweite).

Bei digitalen Spiegelreflexkameras mit Wechselobjektiven wird zumeist ein Umrechnungsfaktor angegeben – der Formatfaktor –, mit dem die Brennweite eines Objektivs multipliziert werden muss, um die Brennweite zu errechnen, die auf Kleinbild den gleichen Bildwinkel aufnimmt. Auf Spiegelreflexkameras mit Vollformatsensor trifft das nicht zu. Dies hat Nachteile im Weitwinkelbereich, da sich dort kleinere Bildwinkel in Richtung Normalobjektiv ergeben, Vorteile dagegen im Telebereich, da dort die kleineren Bildwinkel ein stärkeres Tele bedeuten.

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 nur eine Ausschnittvergrößerung mit verringerter Auflösung statt. Digitalzooms sind ein reines Marketing-Konstrukt und haben keinen fotografischen Wert, zumal der gleiche Effekt auch durch eine nachträgliche Beschneidung des Bildes per Bildbearbeitungssoftware erreicht werden kann.

Suchersysteme

Entsprechend ihren konventionellen Pendants verfügen digitale Kameras je nach Konstruktionsprinzip über verschiedene optische Suchersysteme, die eine Gestaltung des Bildes vor der Aufnahme ermöglichen.

Diese sind im Hobby-Bereich in der Regel separate optische Systeme. Dieser Aufbau ermöglicht dem Aufnahmesensor, permanent aktiv zu sein und eine Vorschau („live preview“) auf das Bild, unter Umständen zusammen mit Statusinformationen, auf dem Monitor des Gerätes darzustellen. Im Marktsegment für die professionelle Nutzung werden in der Regel Geräte in Spiegelreflexbauweise gefertigt, bei denen konstruktionsbedingt zur selben Zeit entweder nur der Sucher oder der Aufnahmesensor in Betrieb sein kann. Für den anspruchsvollen Amateur werden Kameras angeboten, die die Vorteile beider Systeme verbinden sollen. Dies wird durch halbdurchlässige Spiegel oder digitale Sucher, die auf einem separaten Bildschirm basieren, gelöst. Professionelle digitale Messsucherkameras sind auf dem Markt unterrepräsentiert; es sind zur Zeit (Stand Februar 2007) nur drei Modelle von Epson (R-D1 und R-D1s), sowie Leica (M8) erhältlich.

Kameras mit integriertem Monitor haben den Vorteil gemein, dass sie nach der Aufnahme erlauben, die aufgenommenen Bilder noch vor Ort zu betrachten und missglückte Aufnahmen sofort zu entfernen.

Bauformen einer Digitalkamera

Die aus der filmbasierten Fotografie bekannten Bauformen Kompaktkamera und Spiegelreflexkamera sind auch in der digitalen Fotografie vertreten.

Kompaktkameras

Kompakte Digitalkamera mit ein- und ausgefahrenem Zoomobjektiv

Während sich Spiegelreflexkameras in äußerer Gestalt und Aufbau wenig von den filmbasierten Vorgängern unterscheiden, fällt bei den Kompaktkameras vor allem die extreme Miniaturisierung auf, die durch die starke Verkleinerung des Aufzeichnungsformates (Formatfaktor ca. 6 gegenüber Kleinbild) ermöglicht wird. Der inzwischen nur noch selten verbaute optische Sucher wurde durch großformatige Displays zur Bildgestaltung ersetzt.

Als Gehäuseformate haben sich für Ultra-Kompakte Quaderformate mit den Abmessungen einer Zigarettenschachtel durchgesetzt, wobei das Objektiv im Ruhezustand vollständig in der Front verschwindet und automatisch verschlossen wird. Manche Kompaktkameras sind mit innenliegendem Objektiv aufgebaut: Die Frontlinse ist starr im Gehäuse, das Licht wird mittels Prisma auf die senkrecht zur Aufnahmerichtung angeordneten beweglichen Linsenelemente für Zoom und Fokus im Gehäuseinneren gelenkt. Diese „Periskopobjektiv“ genannte Bauform ermöglicht besonders robuste Kameras, die sogar unter Wasser verwendbar sind. ^[4]

Für etwas ambitioniertere Modelle ist eine Bauform ähnlich den klassischen Kompaktkameras mit vorstehendem Objektiv und Griffwulst üblich. Neuartige Sonderbauformen, z. B. mit verdrehbaren Gehäusehälften wie die Pentax Optio X, haben sich nicht durchgesetzt.

Mischformen

Eine am Markt etablierte Mischform zwischen Kompakt- und Spiegelreflexkamera ist die so genannte Bridgekamera mit festem Objektiv, elektronischem Sucher ähnlich dem optischen Sucher einer Spiegelreflexkamera. Üblicherweise besitzen Bridgekameras Superzoom-Objektive. Der neu vorgestellte MicroFourThirds-Standard der Hersteller Olympus und Panasonic ermöglicht Kameras mit Wechselobjektiven, aber ohne Schwingspiegel.

Bildpunkte und Auflösung

Sharp TM 200 Fotohandy mit zwei Millionen Bildpunkten

Canon Canon PowerShot G10 mit 14,7 Megapixeln

Die Anzahl der Bildpunkte ist bei heutigen Apparaten aus dem Bereich der Kompaktkameras mehr als ausreichend. Eine ungenügende Pixelzahl stellt heute nicht mehr den Flaschenhals hinsichtlich der Auflösung und damit das wichtigste Kriterium zur Beurteilung der Gesamtqualität einer Kamera dar. Käuferbewusstsein und Marketing stellen sich auf diese Tatsache zunehmend ein. Eine höhere Auflösung führt nicht zwangsläufig zu einem höheren Schärfeeindruck. Im Gegenteil: Eine zu hohe Dichte der „Marketingpixel“ führt unweigerlich zu Qualitätseinbußen^[5]. Wichtiger sind vielmehr die Größe der Bildpunkte und damit eine der Pixelzahl angemessene Fläche des Bildsensors. Eine (2008) typische Kompaktkamera mit 8 Megapixeln auf einem sogenannten 1/2,5″-Sensor hat eine Sensorgröße von 5,8 × 4,3 mm², was zu etwa 1,7 µm großen Pixeln führt. Durch die Beugung am Objektiv mit typischer größter Blende von 1/2,8 wird ein Lichtpunkt auf ein Beugungsscheibchen von etwa 3 µm Durchmesser abgebildet. Das bedeutet, dass bei diesen Sensorgrößen ein Lichtpunkt niemals nur ein einzelnes Pixel belichten kann, auch wenn man von einem Objektiv ohne Abbildungsfehler ausgeht, wobei hier bei billigen Kameras häufig gespart wird. Bei den deutlich größeren Sensoren der digitalen Spiegelreflexkameras sind die physikalisch sinnvollen Grenzen bei der Pixelgröße derzeit noch nicht erreicht.

Die effektive Auflösung, die sich im Zusammenspiel von Optik und Sensorik ergibt, kann nur anhand von Testbildern, zum Beispiel mit dem Auflösungs-„Chart“ nach ISO 12233, festgestellt werden.

Ein zusätzliches Problem der kleinen Sensoren, bzw. kleiner Pixel, ist das Bildrauschen. Kleine Pixel erzeugen ein geringes Nutzsignal, das entsprechend verstärkt werden muss und damit zu höherem Rauschen führt. Eine softwareseitige Rauschunterdrückung soll dem entgegenwirken, sie retuschiert aber lediglich das aufgenommene Bild und neben dem Rauschen werden feine Strukturen ebenfalls geglättet, da die Rauschunterdrückung als Tiefpassfilter funktioniert. Durch den Pixel-Trend werden ferner die Bilddateien unnötig groß, das Dunkelstromverhalten wird negativ beeinflusst, und die Datenübertragung sowie das Kopieren der Bilder werden verlangsamt.

Grenzen der visuellen Wahrnehmung

Das gesunde menschliche Auge hat bei guten Lichtverhältnissen ein Auflösungsvermögen von etwa einer Bogenminute, bei dem Helligkeitsunterschiede noch erfasst werden können. Bei einem normalen Sehwinkel von circa 50° für die Bilddiagonale ergibt sich eine Anzahl von etwa vier Millionen Bildpunkten, die maximal unterschieden werden können. Ist das Bild größer, kann es nicht mehr vollständig erfasst werden, und nur ein Ausschnitt wird betrachtet. Ist das Bild kleiner, reichen sogar noch weniger Bildpunkte aus, ohne dass es zu Einschränkungen bei der wahrgenommenen Auflösung kommt.

Hierbei ist zu beachten, dass es sich bei den meisten Bildsensoren, die in Kameras eingesetzt werden, um Bayer-Sensoren handelt, die in jedem Bildpunkt nur eine einzige Primärfarbe registrieren. Die fehlenden Farben werden in diesen Fällen durch Interpolation der benachbarten Bildpunkte ermittelt und tragen daher nicht zu einer entsprechenden Auflösung bei. Dies ist nicht unbedingt nachteilig, da die Auflösung der Bilder nur einen geringen Anteil am Schärfeeindruck haben. Dies erklärt auch, warum eine hervorragende Wiedergabe von digitalen Fotografien – etwa auf Projektionswänden oder mit Großbildschirmen – auch mit nur einer Million Bildpunkte möglich ist.

Geschwindigkeit

Digitale Kompaktkamera mit Hybrid-Autofokus

Die Arbeitsgeschwindigkeit einer Digitalkamera wird vor allem durch vier charakteristische Merkmale bestimmt:

1. Aufnahmebereitschaft, also die Zeitspanne, die der digitale Fotoapparat nach dem Einschalten benötigt, um eine Fotografie anfertigen zu können;
2. Fokussiergeschwindigkeit, also die Zeitspanne, die der Autofokus zur Scharfstellung benötigt.
3. Auslöseverzögerung, also die Zeitspanne, die zwischen Drücken des Auslösers und tatsächlicher Bildaufzeichnung verstreicht;
4. Bildfolgezeit, also die Zeitspanne nach einer Aufnahme, nach der die Kamera ein Folgebild anfertigen kann. In direktem Zusammenhang hiermit steht die maximale Bildfrequenz der Digitalkamera.

Trotz einer rasanten technischen Entwicklung sind viele digitale Kompaktkameras signifikant langsamer als ihre Äquivalente im Kleinbildbereich. Vor allem die Bildfolgezeiten brechen oft nach wenigen Aufnahmen massiv ein, während bei motorisierten Kleinbildkameras über den gesamten Film hinweg die gleiche Geschwindigkeit erreicht werden kann.

Die Auslöseverzögerung und Bildfolgezeit sind bei hochwertigen digitalen Kameras hingegen vergleichbar mit ihren analogen Pendants.

Energieversorgung

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. Insbesondere der ständige Gebrauch eines eingebauten Mini-Monitors und die Blitzverwendung sind große Stromfresser. Jede Digitalkamera benötigt daher eine kontinuierliche Energieversorgung, die in der Regel über einen Akku oder ein Netzteil gewährleistet wird; daneben gibt es auch einige Spezialkonstruktionen, die beispielsweise auf Solarenergie basieren.

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 (meist Lithium-Ionen-Akkus) sind deutlich teurer als Standardakkus (AA oder AAA etc.), aber häufig auch leistungsfähiger, das heist, sie besitzen eine höhere Leistungskapazität und weisen daher eine längere Betriebsdauer auf. Ein durchschnittlicher Akku mit einer Kapazität von 2000 mAh versorgt eine Digitalkamera mit Energie zum Aufnehmen von rund 200 Bildern. Es sollten keine Nickel-Cadmium-Akkus (NiCd), sondern nur hochwertige NiMH-Akkus mit mindestens 1800 mAh verwendet werden.

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 meist komprimiert.

Als verlustbehafteter Modus steht nach EXIF-Standard das JFIF zur Verfügung, als verlustfreier Modus wurde häufiger auch TIFF angeboten. Bei höherwertigen Kameras können die digitalen Bilder verlustfrei in einem proprietären Rohdatenformat (RAW, englisch für roh) gespeichert werden.

Da für das Format der Rohdaten kein etablierter Standard existiert (siehe auch Digital Negative), sind die Bilddaten unterschiedlicher Kamerahersteller und sogar unterschiedlicher Baureihen eines Herstellers untereinander meist nicht kompatibel und müssen vor der Betrachtung oder Bearbeitung mittels einer meist vom Kamerahersteller bereitgestellten Anwendung oder eines sogenannten Plug-ins für Bildbearbeitungsprogramme in ein Standard-Bildformat (meist TIFF oder JPG) konvertiert werden.

RAW-Daten werden auch als digitales Negativ bezeichnet. Davon ausgehend lassen sich viele Parameter der Bilddaten beeinflussen: Gammakorrektur, Weißabgleich, Helligkeit, Kontrast, Schärfeeindruck. RAW-Daten weisen aufgrund ihrer verlustlosen Speicherung keine Kompressionsartefakte auf. Ein weiterer wichtiger Vorteil ist der potentiell größere Farbumfang. Während JPEG-Bilder mit 8 Bit (= 256 Stufen) je Farbkanal gespeichert werden, liegen RAW-Daten in 12 Bit (= 4096 Stufen) oder sogar 14 Bit (= 16384 Stufen) vor. Die Bilder können somit unter Umständen in feinerer Farbabstufung vorliegen.

Bewegtbild

Zahlreiche Kameras bieten auch die Möglichkeit, Videosequenzen aufzunehmen, jedoch aufgrund der notwendigen Bildwiederholrate stets in niedrigerer Auflösung als die von der Kamera aufnehmbaren Standbilder. Die Auflösung liegt meist auch unter denen der gängigen Videokameras, teils werden aber auch HD-Auflösungen bis 1280 × 720 Pixel erreicht. Meist werden Videos im Rechenzeit-sparenden, jedoch speicherfressenden Motion JPEG-Format gespeichert. Mitunter kommen aber auch hochwirksame Kompressionsformate wie MPEG4 und H.264 zum Einsatz, andernfalls können die Videosequenzen nach dem Übertragen auf den Rechner in ein effektiveres Format umgewandelt werden. Bis zur Veröffentlichung der Nikon D90 2008 entfiel die Möglichkeit der Bewegtbild-Aufzeichnung für Spiegelreflexkameras systembedingt.

Metadaten

Digitalkameras betten in die Bilddaten auch sogenannte Metainformationen ein, die im EXIF-Standard spezifiziert sind. Diese EXIF-Metadaten finden sich im Header der Bilddatei. Viele Bildbearbeitungsprogramme sowie spezielle Werkzeuge können diese Daten auslesen und anzeigen. Diese finden auch bei der Ausbelichtung des digitalen Bildes auf Fotopapier im Fotolabor Anwendung.

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

• Datum und Uhrzeit
• Belichtungszeit
• Fotografische Blendeneinstellung
• Belichtungsprogramm
• Sensor-Empfindlichkeit (nach ISO)
• Brennweite
• Blitzverwendung

Speichermedien

Sony Mavica FD5: Diskette als Speichermedium

CompactFlash-Speicherkarte

Gespeichert werden die Bilder in der Kamera auf verschiedenen Speichermedien. Heute gebräuchlich sind vor allem Speicherkarten der Typen CompactFlash, Memory Stick, Microdrive, SmartMedia, SD Memory Card (bzw. der Vorgänger Multimedia Card) sowie xD-Picture Card; ältere Digitalkameras verwendeten daneben auch Floppy Disks, PCMCIA-/PC Cards oder Compact Discs.

Zeitweilig sind auch Digitalkameras mit SDRAM als Speicher aufgetreten. Diese Art der Datensicherung erweist sich allerdings als unpraktisch, da der SDRAM permanent mit Energie versorgt werden muss. Das führt dazu, dass die Lebensdauer von eingesetzten Batterien erheblich eingeschränkt wird. Wird die Energieversorgung unterbrochen, sind die gespeicherten Daten verloren und nicht wiederherstellbar. Um diesem Datenverlust vorzubeugen, verfügen einige Modelle über einen Kondensator, der im Falle eines Batteriewechsels den RAM weiter mit Energie versorgen soll. Erfolgt dies allerdings nicht, bevor der Kondensator vollständig entladen ist, sind alle gespeicherten Daten ebenfalls verloren. Kameras dieser Bauweise zeichnen sich vor allem durch günstige Produktionskosten aus.

Geräteschnittstellen

Als Hardwareschnittstelle hat sich im Anwenderbereich der Universal Serial Bus weitestgehend durchgesetzt. Die Kamera stellt die Daten dem PC üblicherweise entweder als „Mass storage device“ (siehe USB-Massenspeicher) oder im PTP-Modus zur Verfügung. Über den PTP-Modus ist bei einigen Kameras auch die rechnergesteuerte Auslösung möglich, in den seltensten Fällen jedoch mit voller Kontrolle über Belichtungszeit, Blende, Zoom, Fokus und ISO-Zahl.

Über USB lassen sich viele Digitalkameras auch direkt zum Drucken mit Fotodruckern verbinden, wenn beide Geräte den PictBridge-Standard unterstützen. Seit 2006 bieten Kameras zunehmend die Möglichkeit der drahtlosen Datenübertragung wie WiFi oder Bluetooth.

Einzelnachweise

1. ↑ Edward H. Stupp, Pieter G. Cath, Zsolt Szilagyi: All solid state radiation imagers. U.S.-Patent Nr. 3.540.011, Angemeldet 6. Sep. 1968, Veröffentlicht am 10. Nov. 1970 (esp@cenet).
2. ↑ Steve Sasson: We Had No Idea. 16. Oktober 2007 (abgerufen am 13. Mai 2008)
3. ↑ Nikon stellt Produktion der meisten Analogkameras ein. In: Heise-Online. 12. Jan. 2006. Abgerufen am 30. Apr. 2009. (nachrichtenmeldung)
4. ↑ Carsten Meyer: Taucht ab: Rollei-Kompaktkamera X-8 Sports. In: Heise-Foto. 29. Aug. 2008. Abgerufen am 30. Apr. 2009. (nachrichtenmeldung)
5. ↑ Die „Flut“ der kleinen Pixel oder der „Fluch“ der kleinen Pixel?

Weblinks

• Architektur einer Digitalkamera (englisch)
• Maßstabsgerechte Übersicht Sensorgrößen Digitalkameras