Astronomischer Arbeitskreis Salzkammergut

Sternwarte Gahberg

N 47°54'48" / O 13°36'33" / 860m

Digitalkamera Grundlagen

Digitalkamera Grundlagen Teil 8

True Color

Die Entwicklung von Computer Monitoren und Grafikkarten hat uns verschiedene neue Begriffe gebracht. Einer davon ist "True Color". Damit sollte angedeutet werden, daß das Gerät nicht nur eine begrenzte Anzahl von vordefinierten Farben darstellen kann, sondern "das gesamte Spektrum". Gegenüber den davor verwendeten Methoden, die gerade einmal 16 oder 256 unterschiedliche Farben pro Bild verwenden konnten, war die Vorstellung, daß nun 16 Millionen unterschiedliche Farben zur verfügung stehen, wobei jeder Bildpunkt eine andere Farbe haben kann, natürlich eine Revolution. Das müßte für alle Zeit ausreichend sein.

Dazu passend wurden Dateiformate entwickelt, die diese enorme Farbvielfalt platzsparend speichern konnten, allen voran das beliebte JPEG Format.

Tatsächlich kann man damit Fotos in "Fotoqualität" auf dem Bildschirm anzeigen, ohne daß man ein Problem bemerkt.

Die Tücken liegen aber im Detail. Die 16 Millionen Farben ergeben sich dadurch, daß für jede der drei Grundfarben (rot, grün, blau) 256 Helligkeitsstufen gespeichert werden können. Das ergibt dann eben 256x256x256 = 16.777.216 Kombinationen.

RGB Balken

Die drei Balken zeigen diese Grundfarben und tatsächlich sehen diese ausreichend "glatt" und ohne erkennbare Stufen aus.

Bei Farben, die sich von den jeweils satten Grund- und Mischfarben ableiten (rot, grün, blau, cyan, magenta, gelb sowie schwarz und weiß), stehen uns tatsächlich alle 256 Helligkeitsstufen zur Verfügung.

Ein wenig problematischer wird das aber, wenn wir mit Zwischentönen arbeiten müssen. Nehmen wir als Beispiel einen Orange Ton, wie im folgenden Beispiel:

Mischfarbe

Diese Farbe hat im Zentralbereich des Bildes eine Farbsättigung von 251 rot, 167 grün und 43 blau, stehen also im Verhältnis 254:167:43. oder bezogen auf den höchsten Wert 1.000 : 0.665 : 0.171

Dieses Verhältnis gibt den genauen Farbton an, und dieser ändert sich natürlich nicht, wenn wir lediglich die Helligkeit verändern. Verringern wir jetzt diesen Farbton auf 3% seiner ursprünglichen Helligkeit, dann sollten wir wieder exakt dieses Verhältnis der Farbanteile herausbekommen, also wieder 1.000 : 0.665 : 0.171. In RGB Werten wäre das 7.62 : 5.01 : 1.29. Nun haben wir ein digitales Dilemma, denn unser Farbraum umfaßt lediglich ganzzahlige RGB Einheiten, die nächst beste Näherung wäre also 8:5:1 oder 1.000 : 0.625 : 0.125.

Der Unterschied zwischen dem "richtigen" und dem "verfügbaren" Wert mag nicht dramatisch erscheinen, besonders weil wir bei so geringer Helligkeit die Farbe selbst ohnehin kaum so genau unterscheiden könnten.

Bild Nachbearbeitung

Wenn Sie nicht zu denjenigen gehören, die mit ihrer Digitalkamera zum Fotografen gehen damit dieser die Bilder ausliest und für Sie belichtet, dann werden Sie unweigerlich das erzeugte "Rohbild" zuerst in einem Grafikprogramm optimieren wollen.

Eine vielfach angewendete Technik ist, dunkle und unterbelichtete Bildteile aufzuhellen, möglichst ohne dabei die hellen Bildteile "auszubrennen". Ich will die Theorie dazu hier nicht näher erklären, das Ziel sollte aber dabei sein, dunkle Bildteile zu mittleren Helligkeiten anzuheben.

Nehmen wir nun unser "Orange" Beispiel von vorhin, bei dem der linke Bildteil offenbar unterbelichtet ist. Der exemplarisch verwendete 3% Helligkeitswert, der, wie wir nun wissen mit (unmerklich) falscher Farbe aufgezeichnet wurde wird jetzt drastisch aufgehellt, bis der 100% Wert wieder erreicht ist.

Der Ausgangswert von 8:5:1 wird mit 33,33 multipliziert und wir erhalten 266.66 : 166.66 : 33.33 Das sind wieder krumme Werte, die mit unserem ganzzahligen Bildformat nicht kompatibel sind. Die erste Näherung ist also 267:167:33. Haben wir aber nicht gesagt, daß lediglich die Zahlen von 0 bis 255 erlaubt sind? 267 ist also außerhalb des Bereichs und wird bei 255 abgeschnitten. Wir erhalten also tatsächlich den Farbwert 255:167:33, wohingegen die Farbe unseres Objektes (siehe oben) eigentlich 251:167:43 ist.

Mischfehler

Das Bild zur Linken zeigt den Unterschied zwischen der Originalfarbe (Außenbereich des Kästchens) und der durch die Ganzzahl-Berechnungen veränderten Farbe (Zentrum des Kästchens).

Der Unterschied ist klein, aber erkennbar. Besonders erschwerend kommt dazu, daß sich diese kleinen Änderungen mit jedem Bearbeitungschritt summieren. Gerade in dunklen Bildbereichen sind einfach nicht genug Informationen enthalten um die Farbe originalgetreu zu erhalten und unmittelbar nebeneinanderliegende Helligkeitswerte können aufgrund dieser Ganzzahl-Problematik den Farbton in jeweils unterschiedliche Richtungen verändern.

Bei dem folgenden Bild habe ich den original Farbverlauf mit einem einfachen Gamma-Filter bearbeitet, um die dunklen Bereiche aufzuhellen. Deutlich fällt der Gelbstich der Skala gegenüber dem Original (obere Hälfte) auf.

Original und mit Gamma aufgehellte Skala

Gleichzeitig mit der Aufhellung hat sich also auch der Farbton geändert - ein durchaus unerwartetes Ergebnis.

Nehmen wir einmal ein weniger exotisches Beispiel aus der Praxis, ein Stimmungsbild mit Kerzenschein:

Stimmungsbild mit Kerzenschein

Dunkle Schatten mit wenig Kontrast

 

Das Bild zeigt links einen dunklen Schatten. Wird hier an der Helligkeit gedreht, wird zwar ein wenig Struktur sichtbar, das Bild wird aber fleckig und die Farben sehen teilweise dramatisch falsch aus.

Flecken und Farbfehler nach dem Aufhellen

Beim Aufhellen entstehen Farbflecken und falsche Farben (Gelbstich)

Echter als echte Farben - das RAW Format

Der Farbfehler ist um so geringer, je feiner die Abstufungen in der Helligkeit gespeichert werden können. Im Kapitel "Vorteile / Nachteile" habe ich erwähnt, daß die Sensoren von guten Digitalkameras über 1000 verschiedene Helligkeiten messen können. Das Problem entsteht also in erster Linie gar nicht im Sensor oder bei der Digitalisierung des Bildsignals, sondern erst beim Speichern des Bildes in einem Dateiformat, das nicht mehr als 256 Helligkeitsstufen unterstützt.

Die meisten Digitalkameras speichern die Bilder in ihrem internen Speicher bereits als "JPEG-TrueColor" Format ab, wodurch die höhere Genauigkeit des Sensors unwiederbringlich verloren geht. Manche Kamerahersteller bieten aber zusätzlich die Möglichkeit, das Bild als "Sensor Rohbild" mit dem vollen Informationsgehalt abzuspeichern. Je nach Hersteller wird das dan "RAW" oder "NEF" Format genannt. Natürlich verbrauchen diese Bilder wesentlich mehr Platz auf dem Speicherchip als "normale" Fotos, brauchen nach der Aufnahme länger zum Speichern und letztendlich spezielle Programme, die dieses Bildformat wieder lesen und ohne erneute Reduktion auf "TrueColor" auch bearbeiten können.

Diese Formate sind spezifisch für den jeweiligen Hersteller der Kamera und teilweise von Modell zu Modell unterschiedlich. Es bedarf also spezieller, vom Hersteller gelieferter Programme, um solche Dateien zu bearbeiten.

Eine relativ vollständige Liste aller Kameras, die das Erstellen von RAW Bildern erlauben findet sich hier.

So lange, bis alle Manipulationen am Bild vollständig sind, sollte also für ein optimales Ergebnis immer mit dem gesamten Farb- und Helligkeitsumfang gearbeitet werden. Erst das "fertige" Bild sollte in einem Dateiformat gespeichert werden, bei dem Informationen verloren gehen.

Dadurch, daß das JPEG Format für so viele Fälle eine ausreichende Qualität bietet hat es sich so hartnäckig durchgesetzt, daß bis heute nur ganz wenige Dateiformate überhaupt in der Lage sind, den vollen Werte-Umfang eines Digitalbildes auch zu speichern. Selbst die Bearbeitung dieser Bilder in den Grafikprogrammen der letzten Generation (Photoshop CS2) stößt man immer wieder auf die Grenze, daß ein bestimmter Arbeitsschritt nicht auf Dateien angewendet werden kann, die mehr als 256 Helligkeitsstufen pro Farbkanal aufweisen.

Das digitale Negativ

Ein relativ neues Dateiformat berücksichtigt die besonderen Eigenschaften von Kamera Rohbildern. Das "Digital Negative = DNG" Format wurde von der Firma Adobe entwickelt und bietet die Möglichkeit, Rohbilder Hersteller- und Plattform unabhängig zu archivieren. Das Dateiformat ist lizenzfrei und offen dokumentiert und soll sicherstellen, daß die wertvollen Originaldaten auch in künftigen Jahren noch lesbar sind.

Die grafische Industrie hat das Format rasch angenommen und einige Kamera Hersteller sind bereits dazu übergegangen, dieses Format als Kamera-internes Daten Format zu verwenden.

Es ist abzusehen, daß dieses Format mittelfristig die verschiedenen Hersteller spezifischen RAW Formate ablösen wird.

Andere gängige Dateiformate

habe ich bereits in meinem Artikel über das richtige Scannen beschrieben.

weiter zum Teil 9



Rechenzeit: 0,0171s