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Getreidefeld.

1.3 Verarbeitung der Rohdaten

In diesem Kapitel wird speziell auf die Verarbeitung der Rohdaten intern, also in der Kamera, als auch extern am Computer eingegangen. Einen eigenen Abschnitt nimmt hierbei die Gammakorrektur ein, da diese eine bedeutende Rolle in der Konvertierung der Aufnahmen spielt.
Nach dem die Ladungen ausgelesen, sie dem Analog/Digital-Wandler unterzogen und die ISO-Verstärkung durchgeführt wurde, beginnt für eine JPG- oder auch TIFF-Aufnahme die Farbinterpolation, das Demosaicing. Hierbei wird in der Kamera, für eine JPG-Aufnahme, aus den unvollständigen Informationen ein Farbbild mit drei vollständigen Kanälen für Rot, Grün und Blau errechnet (genau gesagt interpoliert). Wie dies geschieht, beschreibt das vorangegangene Kapitel. Für Aufnahmen, die mit einer Kamera mit Foveon X3 Sensor aufgenommen wurden, entfällt dieser Schritt der Farbinterpolation. Hier liegen die drei Kanäle von Anfang an getrennt und vollständig vor.
Nach dieser Vervollständigung der fehlenden Informationen, wird das Bild einer Reihe weiterer Bearbeitungen unterzogen. Hierzu zählen die Kontrastanpassung, die Farbsättigung oder auch die Farbanpassung unter Bezugnahme auf einen automatischen oder manuell eingestellten Weißabgleich. Die meisten Kamerahersteller schalten zusätzlich einen Anti-Aliasing-Filter vor die Farbfiltermatrix, um durch Streuung des Lichtes Artefakte zu mildern oder sehr kleine Details zu erhalten. Durch den Filter kommt es gezwungenermaßen zu einer leichten Weichzeichnung der Aufnahme. Dies wird jedoch durch eine Nachschärfung des Bildes vor dem Ablegen auf die Speicherkarte weitestgehend kompensiert.
Ebenfalls werden die Bilddaten im Konverter, ob in der Kamera (für JPG) oder am PC (für RAW), einer Gammakorrektur unterzogen. Diese dient der Anpassung der Helligkeitsverteilung in der Aufnahme. Auf sie wird im folgenden Abschnitt genauer eingegangen.
Diese kamerainternen Verarbeitungen der Rohdaten werden bei einer Aufnahme in einem RAW-Format größtenteils umgangen. Hier werden die Daten nach der Digitalisierung und Verstärkung höchstens geringfügig geschärft, jedoch geschieht dies auch nur im Amateurbereich. Der Konverter am PC kann solche Aufgaben für Rohdaten meist viel genauer, mit weit größeren Rechenressourcen erfüllen. Außerdem ist hier die Nachbearbeitung durch den Anwender präziser und weniger von einer hohen Aufnahmegeschwindigkeit und Stromersparnis abhängig.
Die folgenden zwei Abbildungen veranschaulichen die Verarbeitung der Daten vom Sensor für eine interne und eine externe Erzeugung des Farbbildes.

Bayer-Pattern-Sensorelemente
 

In dieser Abbildung sind die Verarbeitungsschritte der Daten in der Digitalkamera zu sehen. Wie zu erkennen, entfällt der größte Teil für RAW-Aufnahmen. Diese werden „roh“ belassen und gespeichert. Ebenfalls ist auch die Speicherung im TIFF-Format zu erkennen, dies ist jedoch nur bei den wenigsten Modellen möglich. Es wurde vor der Einführung von RAW als verlustfreie Alternative zu JPG in höherwertigen Kameramodellen angeboten.

Bayer-Pattern-Sensorelemente
 

Für die Bilddaten, die in einem RAW-Format vorliegen, bieten sich am Computer mehr Möglichkeiten, um selbst in die Konvertierung einzugreifen. Hierbei wird als Ausgabeformat üblicherweise eine 16 Bit TIFF-Datei gewählt, um den maximalen Informationsgehalt zu erhalten. Alternativ bietet beispielsweise Camera Raw von Adobe die Speicherung im DNGFormat an, auf welches im Kapitel 1.7 näher eingegangen wird.
Konverter können keine Änderungen direkt an den Rohdaten vornehmen, sie legen jedoch eine Einstellungsdatei an, welche die Veränderungen an der RAW-Aufnahme beinhaltet und bei Bedarf auf diese anwendet. Die einzige Alternative bietet hier aktuell das DNG-Format, in welches die Einstellungen in Form von Metadaten abgelegt werden können. Dies ist nur durch die saubere Trennung von Bilddaten und Metadaten möglich.

Gammakorrektur

Kamerasensoren weisen, im Gegensatz zum menschlichen Auge, ein lineares Gamma auf, d.h. die doppelte Lichtmenge erzeugt eine doppelt so hohe Spannung des Sensorelementes. Viele andere Sinnesorgane des Menschen funktionieren ebenfalls nichtlinear. Eine Verdopplung der Phon empfinden wir beispielsweise nicht als Verdopplung der Lautstärke. Es wird zwar lauter, aber nicht als doppelt so laut wahrgenommen.6
Da Kamerasensoren ein lineares Gamma besitzen, müssen die Helligkeitswerte umverteilt werden (Gammakorrektur) um sie unseren Sehgewohnheiten anzupassen. Ohne diese Umverteilung würden wir Bilder als viel zu dunkel einstufen.
Für JPG und auch TIFF wird diese Gammakorrektur bereits in der Kamera vollzogen. Bei RAW-Aufnahmen macht dies die Konverter-Software am PC meist automatisch und erzeugt eine korrigierte Vorschau mit der richtigen Helligkeitsverteilung. Bei einigen Konvertern wird dem Anwender die Möglichkeit geboten, die Aufnahme vor und nach der Gammakorrektur anzuzeigen, bzw. selbst eine eigene Korrektur (z.B. dcraw7) vorzunehmen. Die Gammakorrektur wird mit einem Exponenten zwischen 1,8 und 2,2 angewandt.
Kamerasensoren können gewöhnlich 12 Bit erfassen, das bedeutet ca. 4.096 Intensitätsstufen. Da diese Sensoren linear arbeiten, ist bei Stufe 2.048 die Hälfte der Photonen erreicht, die gesammelt werden können.
Photonen erzeugen eine Ladung, welche proportional zur auffallenden Lichtmenge ist. Dies steht in direktem Zusammenhang mit dem Dynamikumfang, welcher den Bereich von Tonwerten bezeichnet, die ein Sensor erfassen kann. Der Dynamikumfang einer Kamera wird in Blendenstufen angegeben. Dabei bedeutet eine Blendenstufe mehr, die doppelte Lichtmenge und eine Blendenstufe weniger, eine Halbierung der Lichtmenge. Aktuelle Digital-Kamera-Sensoren besitzen einen Dynamikumfang von ca. 5-7 Blendenstufen. Auf diese Blendenstufen müssen die Helligkeitswerte aufgeteilt werden. Da ein Sensor linear arbeitet, kommt es zwangsläufig zu einer ungleichmäßigen Verteilung der Tonwerte in den verschiedenen Bereichen.
Bei einem Sensor mit sechs Blendenstufen könnte die Tonwertverteilung für RAW wie folgt aussehen:

Bayer-Pattern-Sensorelemente
 

Die folgende Abbildung veranschaulicht dies für eine RAW-Aufnahme.

Bayer-Pattern-Sensorelemente
 

Um die Aufnahme unseren Sehgewohnheiten anzupassen, müssen diese Tonwerte nun auf die Blendenstufen aufgeteilt werden. Dies könnte wie folgt aussehen:

Bayer-Pattern-Sensorelemente
 

Durch diese Neuaufteilung erscheint die Aufnahme unseren Sehgewohnheiten angepasst.
Im Folgenden ist ein Bild ohne und mit Gammakorrektur, sowie den dazugehörigen Gradationskurven und den Histogrammen zu sehen. Die Gradationskurve nimmt die Umverteilung der Tonwerte vor, das Histogramm zeigt die Tonwertverteilung an.

Bild vor einer Gammakorrektur
Abbildung 1.8: Bild vor einer Gammakorrektur
Gradationskurve für lineares Gamma (Photoshop CS2)
Abbildung 1.9: Gradationskurve für lineares Gamma (Photoshop CS2)
Histogramm vor Gammakorrektur
Abbildung 1.10: Histogramm vor Gammakorrektur (Photoshop CS2)

Dieses Bild erscheint dem menschlichen Auge viel zu dunkel. Die Gradationskurve wurde noch nicht verändert. Dies macht sich am Histogramm bemerkbar, wo man wie erwartet den überwiegenden Teil der Tonwerte in den dunklen Bildbereichen findet.

Bild nach einer Gammakorrektur
Abbildung 1.11: Bild nach einer Gammakorrektur
Gradationskurve für nichtlineares Gamma (Photoshop CS2)
Abbildung 1.12: Gradationskurve für nichtlineares Gamma (Photoshop CS2)
Histogramm nach Gammakorrektur
Abbildung 1.13: Histogramm nach Gammakorrektur (Photoshop CS2)

Bei dieser korrigierten Version des Bildes wurde eine Veränderung des Gamma von linear zu nichtlinear durchgeführt. Die Gradationskurve wurde so eingestellt, dass die Helligkeitsverteilung dem des menschlichen Auges entspricht. Das Histogramm bestätigt dies durch gleichmäßig verteilte Tonwerte über den gesamten Tonwertbereich hinweg.

6 Mike Schelhorn: Adobe Camera Raw; Digitale Negative entwickeln, bearbeiten und organisieren.
Addison-Wesley Verlag,
München 2005,
Seite 20

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