Digitalkamera

Digitalkamera mit Flüssigkristallbildschirm

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. Eine Mischform bilden herkömmliche Fotoapparate mit digitaler Rückwand.

Geschichte

Erfindungsphase

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

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

Im Jahr 1969 wurde von Willard Boyle und George Smith die Basis des CCD (charge-coupled device) erfunden. Ein 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-Kamera, die ein CCD als Bildaufzeichnungssensor benutzt. Dabei handelt es sich noch um eine Videokamera, 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 wurden CCDs 1973, sie wurden von Fairchild Imaging entwickelt und produziert. Die Auflösung betrug 100 × 100 Pixel (0,01 Megapixel). 1974 fand Gil Amelio eine Möglichkeit, CCDs einfach und industriell zu fertigen. 1975 war das Geburtsjahr der ersten „richtigen“ Digitalkamera. Konstruiert wurde sie von Steven 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, Sie verwendete ebenfalls den Bildsensor von Fairchild mit 0,01 Megapixeln.

Weitere Entwicklung

Typischer Aufbau einer digitalen Spiegelreflexkamera mit Bayer-Sensor

Ab Mitte der 1980er Jahre wurden Digitalkameras zunächst vorwiegend von professionellen Fotografen im Bereich der Studio-, Mode- und Werbefotografie, sowie ab Mitte der 1990er 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) und andere 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. Inzwischen gibt es eine unüberschaubare Fülle an Modellen in allen Preisklassen und Ausstattungsstufen.

Im Heimanwenderbereich setzen sich Digitalkameras in den Jahren des Jahrtausendwechsels 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 verbunden (bereits nach wenigen Monaten ist ein ehemals neues Gerät veraltet). Dadurch 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. Dafür waren im Wesentlichen fünf Ursachen verantwortlich:

1. Die Fotolabore befanden sich zu diesem Zeitpunkt in einem Preiskrieg, bei dem teilweise auch unter Herstellungspreis produziert wurde. Daher gibt es seit dieser Zeit nur noch 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 qualitativ 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 besetzen sie seitdem immer noch erfolgreich.
5. Weltweit gibt es nur in Kerneuropa die Fotofertigung in Großlaboren. Den global größten Anteil haben Fotoautomaten, die die Abzüge vor Ort produzieren. Auch in Deutschland ist deren Anteil in den letzten Jahren immer weiter gestiegen.

Digitalkameras werden seit den 2000er Jahren zunehmend in andere Geräte integriert:

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

Andererseits verfügen viele digitale Fotoapparate über die Möglichkeit, Filme in VGA-Qualität und zunehmend sogar in HD-Auflösung mit Ton aufzunehmen oder die digitalen Signale ohne Zwischenspeicherung direkt an die jeweilige Schnittstelle zu übertragen. Damit können sie auch als Webcam genutzt werden.

Funktionsweise

Hauptbestandteile einer Digitalkamera: Speichermedium und Batterie können meist gewechselt werden. Bei Systemkameras ist auch das Objektiv und das Blitzlicht wechselbar. Die anderen Bestandteile Monitor, Auslöser und Bildsensor sind in der Regel fest im Kameragehäuse eingebaut.

Das fotografische Bild entsteht in einer Digitalkamera in folgenden Schritten:

1. Scharfstellung des Bildes
2. Abschätzen einer sinnvollen Belichtungszeit und Blende
3. Optische Projektion durch das Objektiv auf den Bildsensor
4. Optische Filterung durch Tiefpass-, Infrarot- und Farbfilter (meist im Bildsensor integriert)
5. Wandlung der Lichtintensitäten in analoge elektrische Signale in diskreten Stufen (Diskretisierung) bzw. Digitalisierung der Signale durch Analog-Digital-Wandlung (Quantisierung)
6. Bildverarbeitung der Bilddatei:
   1. Umrechnung von Signalen in Helligkeiten
   2. Farbrekonstruktion ^*
   3. Rauschunterdrückung ^*
   4. Entfernen bekannter korrigierbarer Fehler des Bildaufnahmesystems (defekte Pixel, Übersprechen, Nachschärfen, Randlichtabfall, Verzeichnung, chromatische Aberration) ^*
7. Komprimierung der Bilddatei ^*
8. Speicherung der Bilddatei.

Anmerkung:

^* Entfällt bei einer Speicherung im Rohdatenformat.

Bei einer Digitalkamera gelangt Licht durch Linsen (Objektiv), welche das Bild auf den Sensor werfen, in das Kameragehäuse. Vor dem Sensor durchläuft das Licht in der Regel ein Infrarot-, ein Tiefpass- sowie ein Farbfilter. In Kombination werden meist auch Mikrolinsen eingebaut, die das Licht auf die empfindlichen Bereiche des nachfolgenden Bildwandlers fokussieren.

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 (siehe 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 dem analogen 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. Grundsätzlich werden zwei Sensortypen unterschieden: Flächensensor und Zeilensensor.

Beim Flächensensor registriert der Bildwandler entweder gleichzeitig die drei Grundfarben (One-shot-Kameras) oder nacheinander (Three-Shot-Kameras). Im Wesentlichen existieren 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 dabei 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. Davon zu unterscheiden ist die 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 die 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 Scharfstellung übernimmt. Auch wenn mehrere Fotos vom selben Objekt gemacht werden, muss jeweils eine Scharfstellung 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 Scharfstellung 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. Weil das jedoch nicht ausreichend ist, findet zusätzlich ein Schwarzabgleich statt, um das elektronische Rauschen des Sensors und Fehlerpixel herauszufiltern.

Optisches System

KB-äquivalente Brennweitenangabe auf einem Digitalkameraobjektiv

Alle digitalen Kompaktkameras und auch viele digitale Spiegelreflexkameras verwenden einen Bildsensor mit einer teils erheblich kleineren Fläche als Kameras, die mit Filmen im weit verbreiteten und für viele gewohnten Kleinbildformat arbeiten. Durch die 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 entsprechend kleiner werden. Der Zusammenhang wird bei verzeichnungsfreien Objektiven durch die Formel

$f \cdot \tan \alpha = h$

beschrieben. 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. Fotografen sind es gewohnt, die Brennweite als Maß für den Bildwinkel zu sehen (je größer die Brennweite, desto kleiner der Bildwinkel), aber das funktioniert nur, solange sich das Bildformat 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, die 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. Bei Spiegelreflexkameras mit Vollformatsensor 36x24 mm beträgt der Formatfaktor demzufolge 1,0. Weit verbreitet sind Kameras mit kleineren Bildaufnehmern, die zum traditionellen Kleinbildformat im Verhältnis 1:1,3, 1:1,5, 1:1,6 oder wie beim Four-Thirds-System im Verhältnis 1:2 stehen.

Zusätzlich zu dem bei den meisten digitalen Kompaktkameras eingebauten optischen Zoom besitzen viele Modelle noch einen sogenannten digitalen Zoom. Tatsächlich handelt es sich dabei um eine Ausschnittvergrößerung, bei dem nur ein Teil aus der Mitte der Sensorfläche genutzt wird mit entsprechend verminderter Bildauflösung. Dieser Ausschnitt wird in der Kamera auf die jeweils eingestellte Auflösung vergrößert. Digitalzooms können für Fotografen nützlich sein, die ihre Bilder nicht nachbearbeiten wollen oder können. Sie sind kein Ersatz für ein optisches Zoomobjektiv, das dieselbe Vergrößerung bieten würde, da die Interpolation je nach Zoomstufe meist nur sehr unbefriedigende Ergebnisse erzielt. Eine nachträgliche digitale Vergrößerung mit einer geeigneten Bildbearbeitungssoftware ist in der Regel qualitativ mindestens gleichwertig und gleichzeitig flexibler, da beispielsweise der Bildausschnitt noch verschoben werden kann.

Suchersysteme

Digitale Kameras verfügen über unterschiedliche Suchersysteme, die eine Gestaltung des Bildes vor der Aufnahme ermöglichen. Grundsätzlich wird zwischen optischen und elektronischen Suchern unterschieden.

Die optischen Sucher arbeiten wie bei herkömmlichen filmbasierten Kameras entweder mit einem Spiegelreflexsystem oder als separater Durchsichtsucher, wobei nur wenige digitale Sucherkameras einen hochwertigen Messsucher bieten. Der weit überwiegende Teil digitaler Kompaktkameras wie auch Fotohandys werden ohne optischen Sucher angeboten und sind ausschließlich mit einer elektronischen Anzeige ausgestattet.

Elektronische Sucher nutzen entweder direkt das Signal des Kamerasensors oder, wie bei einigen Spiegelreflexkonstruktionen, einen zusätzlich eingebauten Sensor. Die Anzeige erfolgt auf einem auf der Kamerarückseite angebrachten LC-Display (also einer Monitoranzeige), zusätzlich kann ein zweiter Monitor im Gehäuse integriert sein, der mit einem herkömmlichen Suchereinblick kombiniert ist.

Alle elektronischen Sucher zeigen weitestgehend exakt den Bildausschnitt, der beim Auslösen der Kamera gespeichert würde. Eine genaue Beurteilung der Bildschärfe und insbesondere das Schärfeverlaufs ist wegen des kleinen Formats und der meist relativ geringen Auflösung der Monitore nicht einfach. Abhilfe schaffen Hilfsfunktionen wie beispielsweise eine digitale Sucherlupe. Zusätzlich können auch teils umfangreiche Statusinformationen oder beispielsweise Gitterlinien zur exakten Kameraausrichtung eingeblendet werden.

Der Aufbau elektronischer Sucher erfordert, dass der Aufnahmesensor, außer bei einigen Sonderkonstruktionen, permanent aktiv sein muss. Dies führt zu vergleichsweise hohem Stromverbrauch und zu einer Erwärmung von Kamera und Aufnahmesensor, was sich ungünstig auf das Bildrauschen auswirken kann. Dies gilt auch für die meisten Geräte in Spiegelreflexbauweise, wenn die Live-View-Funktion genutzt wird. Spiegelreflexkameras, die herkömmlich betrieben werden, zeigen diesen Effekt nicht bzw. nur bei Langzeitbelichtungen, da der Aufnahmesensor nur während der eigentlichen Aufnahme aktiv ist.

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 etwa 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, zum Beispiel mit verdrehbaren Gehäusehälften wie die Pentax Optio X, haben sich nicht durchgesetzt.

Bridgekameras

Eine am Markt etablierte Mischform zwischen Kompakt- und Spiegelreflexkamera ist die sogenannte Bridgekamera mit festem Objektiv und elektronischem Sucher, ähnlich dem optischen Sucher einer Spiegelreflexkamera. Üblicherweise besitzen Bridgekameras Superzoom-Objektive.

Spiegellose Systemkameras

Auf der Basis des Anfang 2008 vorgestellten Micro-Four-Thirds-Standard der Hersteller Olympus und Panasonic wurde mit der LUMIX DMC-G1 erstmals eine Kamera mit Wechselbajonett, aber ohne Schwingspiegel vorgestellt. Damit wurde eine neue Gattung von digitalen Systemkameras begründet, die unter anderem als EVIL- (EVIL: Abkürzung für englisch electronic viewfinder interchangeable lens) oder allgemeiner als CSC (CSC: Abkürzung für engl. compact system camera) bezeichnet wird.^[5] Samsung hat Anfang 2010 mit der NX10 ein spiegelloses System vorgestellt, das einen Sensor in der Größe APS-C einsetzt.^[6]

Spiegelreflexkameras

Mehrere Hersteller bieten Systemkameras mit einem Spiegelreflexsystem an, bei denen gegenüber der herkömmlichen Kamera der Film durch den Bildsensor ersetzt ist. Entsprechend sind eine große Auswahl an Wechselobjektiven verfügbar. Ähnlich wie bei herkömmlichen Systemkameras gibt es auch Ausführungen mit digitaler Kamerarückwand, die an den Kamerabody angesetzt wird. Es gab auch schon Kameras mit wahlweise analoger oder digitaler Rückwand.

Bildpunkte und Auflösung

Fotohandy Sharp TM 200 mit zwei Millionen Bildpunkten

Die Anzahl der Bildpunkte ist bei heutigen Kompaktkameras mehr als ausreichend. Eine geringe 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. Wichtiger ist 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 mm, 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. Da auf kleinere Pixel auch nur eine entsprechend kleinere Menge an Licht trifft, wird auch ein geringeres Nutzsignal erzeugt, das entsprechend verstärkt werden muss, wobei es zu Bildfehlern in Form höheren Rauschens kommt. 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 der 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 unterschieden werden können. Ist das Bild größer, kann es nicht mehr vollständig erfasst werden, und nur ein Ausschnitt wird betrachtet. Ist es kleiner, reichen sogar noch weniger Bildpunkte aus, ohne dass es zu Einschränkungen bei der wahrgenommenen Auflösung kommt.

Dabei 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. Das ist nicht unbedingt nachteilig, da die Auflösung der Bilder nur einen geringen Anteil am Schärfeeindruck haben. Das erklärt auch, warum eine hochqualitative Wiedergabe von digitalen Fotografien – etwa auf Projektionswänden oder mit Großbildschirmen – auch mit einer vergleichsweise geringen Auflösung von einer Million Bildpunkten möglich ist.

Wie oben erläutert, wird Infrarotstrahlung normalerweise herausgefiltert, bevor das Licht auf den Sensor trifft, da Letzterer dank seines Grundmaterials Silicium bis zu Wellenlängen von etwas über 1 μm (sichtbares Licht weist nur Wellenlängen bis zu ca. 0,7 μm auf) empfindlich ist. Diese Filterung wird aber nicht allzu rigide durchgeführt, so dass immer noch ein deutlicher Anteil solcher „nahen Infrarotstrahlung“ durchkommt. Jedermann kann das selbst überprüfen, indem er eine normale Fernbedienung für TV oder DVD-Player o. ä. auf die Kamera richtet: Schon im digitalen Sucher kann man deutlich ein (weißliches) Licht erkennen, während das Auge gar nichts sieht. Es geht dabei aber nur um nahes Infrarot; die Effekte, die bei Infrarotfotografie mit speziellen Infrarotfilmen erzielt werden, wie beispielsweise Verschwinden von störendem Dunst bei Fernaufnahmen, kommen erst bei noch wesentlich höheren Wellenlängen zum Tragen, die mit diesen Sensoren nicht erreichbar sind.

Geschwindigkeit

Digitale Kompaktkamera mit Hybrid-Autofokus

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

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

Bei hochwertigen digitalen Kameras sind Auslöseverzögerung und Bildfolgezeit dagegen vergleichbar mit ihren analogen Pendants.

Energieversorgung

Digitalkameras brauchen bei weitem mehr Energie als analoge Fotoapparate. Das 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 – 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 heißt, sie besitzen eine höhere Energiekapazität bei gleicher Baugröße bzw. Gewicht 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.

Dateiformat

Damit ein Bild mit einer Auflösung von zehn Megapixeln und drei Farben pro Pixel nicht dreißig Megabyte (unkomprimierte Dateigröße) auf der Speicherkarte benötigt, wird es meist komprimiert.

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

Da für dieses Format 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 mit einem meist vom Kamerahersteller bereitgestellten Programm oder einem sogenannten Plug-in 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. Aufgrund ihrer verlustlosen Speicherung weisen RAW-Daten 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 (= 16.384 Stufen) vor. Die Bilder können somit unter Umständen in feinerer Farbabstufung ausgegeben werden.

Bewegtbild

Fast alle Kameras bieten auch die Möglichkeit, Videosequenzen aufzunehmen. Wegen der notwendigen Bildwiederholrate jedoch stets in niedrigerer Auflösung als die von der Kamera aufnehmbaren Standbilder. Die Auflösung liegt meistens unter denen der gängigen Videokameras, immer öfter werden aber auch HD-Auflösungen bis Full HD (also 1920 × 1080) Pixel erreicht. Während bei früheren Modellen die Videos meist im Rechenzeit-sparenden, jedoch speicherintensiven Motion-JPEG-Format gespeichert wurden, kommen immer häufiger 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. Neuere Kameras wie die Nikon D3s oder die Canon EOS 550D können auch HD-Videos aufzeichnen.

Metadaten

Digitalkameras betten in die Bilddaten sogenannte Metainformationen ein, die im EXIF-Standard spezifiziert sind. Diese EXIF-Metadaten finden sich im Header der Datei. Viele Bildbearbeitungsprogramme sowie spezielle Werkzeuge können diese Daten auslesen und anzeigen. Sie 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
• Weißabgleich
• Blitzverwendung

Geotagger „Solmeta N2 Kompass“ für Nikon-Kameras mit Speicherung der Blickrichtung (Heading)

Einige Kameras unterstützen mittels eingebautem oder zusätzlich angeschlossenem GPS-Modul das Geo-Imaging und können Informationen zum Aufnahmeort speichern:

• Geografische Länge
• Geografische Breite
• GPS-Höhe
• GPS-Uhrzeit
• GPS-Datum
• GPS-Blickrichtung^[7]

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 gab es auch Digitalkameras mit SDRAM als Speicher. Diese Art der Datensicherung erweist sich allerdings als unpraktisch, da das 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. Um diesem Datenverlust vorzubeugen, verfügen einige Modelle über einen Kondensator, der im Falle eines Batteriewechsels das RAM weiter mit Energie versorgt. Erfolgt das allerdings nicht, bevor der Kondensator entladen ist, sind die 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. Bei einigen (meist älteren) Geräten ist noch herstellerspezifische Software zur Übertragung nötig. 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 Wi-Fi oder Bluetooth.

Digitalkameras für Kinder

Digitalkameras, die für Kinder vermarktet werden, zeichnen sich dadurch aus, dass vergleichsweise einfache Technik in relativ robuste und stoßfeste, teils wassergeschützte Gehäuse eingebaut wird. Oft sind sie auch größer und so gestaltet, dass sie beidhändig gehalten werden können, um der noch unausgebildeten Feinmotorik von Kindern entgegenzukommen. Häufig haben sie auch zwei Suchfenster, damit die Kinder nicht ein Auge zukneifen müssen. Die fotografischen Möglichkeiten solcher Kameras sind in der Regel sehr eingeschränkt, da sie meist nur eine geringe Bildauflösung aufweisen, keinen optischen Zoom und meist auch keine Entfernungs-Einstellmöglichkeit haben.

Verbreitung

Verbreitung von Digitalkameras in Deutschland

Jahr	Ausstattungs-		Quelle
	grad[8]	bestand[9]
2004	19,4	21,3	[10]
2005	31,9	36,1	[10]
2006	41,8	48,9	[10]
2007	48,7	59,4	[10]
2008	58,3	73,3	[11]
2009	64,1	85,1	[12]

In Deutschland ist in 64,1 % der Haushalte eine Digitalkamera vorhanden (Stand 2009).^[12] Diese Haushalte besitzen im Durchschnitt 1,3 Digitalkameras.^[12]

Literatur

• Josef Scheibel, Robert Scheibel: Digitalfotografie verstehen und anwenden – Basiswissen. vfv Verlag, 2010, ISBN 978-3-88955-192-4.

Weblinks

 Commons: Digital cameras – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

 Wiktionary: Digitalkamera – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen

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

Einzelnachweise

1. ↑ Patent US3540011: All solid state radiation imagers.. Angemeldet am 6. September 1968, veröffentlicht am 10. November 1970, Erfinder: Edward H. Stupp, Pieter G. Cath, Zsolt Szilagyi.
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. Januar 2006, abgerufen am 30. April 2009 (Nachrichtenmeldung). 
4. ↑ Carsten Meyer: Taucht ab: Rollei-Kompaktkamera X-8 Sports. In: Heise-Foto. 29. August 2008, abgerufen am 30. April 2009 (Nachrichtenmeldung). 
5. ↑ Michael Ludwig: http://www.chip.de/artikel/Systemkamera-Die-besten-spiegellosen-Kameras-im-Test_43394276.html Die neuen Kamera-Stars CHIP, 5. Juli 2011, abgerufen am 22. April 2011
6. ↑ Carsten Meyer: Auf ein Neues: Samsung-Systemkamera NX10. heise Foto, 7. Januar 2010, abgerufen am 16. März 2010 (Nachrichtenmeldung).
7. ↑ Automatische Speicherung der Kompass-Blickrichtung im EXIF-Header. Abgerufen am 25. November 2009.
8. ↑ In … von 100 Haushalten ist eine Digitalkamera vorhanden.
9. ↑ In 100 Haushalten sind … Digitalkameras vorhanden.
10. ↑ ^{a b c d} Ausstattung privater Haushalte mit ausgewählten Gebrauchsgütern – Fachserie 15 Reihe 2. In: destatis.de. 2002, abgerufen am 16. Dezember 2010. 
11. ↑ Ausstattung privater Haushalte mit ausgewählten Gebrauchsgütern – Fachserie 15 Reihe 2. In: destatis.de. 2008, abgerufen am 16. Dezember 2010. 
12. ↑ ^{a b c} Ausstattung privater Haushalte mit ausgewählten Gebrauchsgütern – Fachserie 15 Reihe 2. In: destatis.de. 2009, abgerufen am 16. Dezember 2010.