Wie funktioniert ein digitales Kamerasystem?

Eine Kamera stellt ein komplexes Gerät dar, welches aus mehreren Komponenten aufgebaut ist. Um die Kamera als Ganzes zu verstehen, ist es sinnvoll sich zuerst mit den einzelnen Komponenten und ihren Aufgaben auseinander zu setzten. Dabei spielt es keine Rolle ob Sie nun eine digitale Spiegelreflexkamera (DSLR), eine Videokamera oder gar eine Actionkamera besitzen – Die Funktionen der einzelnen Komponenten sind im Grunde dieselben. Jede digitale Kamera vereint in sich das Zusammenspiel von Objektiv, Bildwandler und Bildprozessor. In den folgenden Abschnitten werden daher zuerst die grundlegenden Funktionsweisen dieser drei Komponenten erläutert.

Abbildung 1 – Funktionalität eines digitalen Kamerasystems

Das Objektiv

Objektive bestehen aus einem Linsensystem, welches in Kombination mit der Blende den Lichteinfall auf den Bildwandler reguliert. Es wird grundsätzlich zwischen Zoomobjektiven und solchen mit Festbrennweite unterschieden. Bei Zoomobjektiven lässt sich die Brennweite, also der Abstand von Linse zum Brennpunkt/Fokus (vgl. Abb. 1), variieren. In den meisten Fällen verändert sich dadurch auch das maximal mögliche Intervall der Lichtstärke. Objektive mit Festbrennweiten haben, wie der Name schon sagt, eine unveränderliche Brennweite. Der Vorteil dieser Objektive liegt in der Auswahl der Lichtstärke und der Tiefenschärfe. Es können sehr kleine Lichtstärkeparameter ausgewählt werden. Die Lichtstärke bestimmt sich über die Öffnung der Blende. Gängige Lamellenblenden (od. Irisblenden) lassen sich so in einander verschränken, dass die lichtdurchlässige Öffnung variiert werden kann. Mehr dazu finden Sie im Artikel „die Blende“. Als Faustregel kann man sich die folgenden Sätze merken.

  • Je kleiner der angegebene Blendenwert, desto geöffneter ist die Blende
  • Je größer der angegebene Blendenwert, desto geschlossener ist die Blende

Bezogen auf ihre Brennweite werden Objektive drei Kategorien zugeordnet. Dabei ist zu beachten, dass die Variation der Brennweite die Größe des Bildwinkels antiproportional beeinflusst.

  1. Weitwinkel         Die Brennweite liegt unter 40mm
  2. Normal                Die Brennweite liegt zwischen 40mm und 60mm
  3. Tele                       Die Brennweite ist größer als 60mm

Der Bildwandler

Auch unter dem Namen Bildsensor geläufig, stellen Bildwandler einen zentralen Bestandteil der Kamera dar. Wie bereits erwähnt, arbeitet der Sensor mit dem durch das Objektiv einfallenden Lichtmengen. Im Detail wird der einfallende Lichtstrom in elektrische Ladungen und daraufhin in digitale Werte umgewandelt. Dabei werden von den Dioden lediglich bestimmte Grauwerte erfasst und anschließend durch RGB-Filter (Rot, Gelb, Blau) korrekte Farbwerte ermittelt.  Die beiden geläufigsten Bildwandler sind der CCD-Sensor und der CMOS-Sensor. Die Entwicklung der letzten Jahre zeigt allerdings, dass der CMOS-Sensor aufgrund seiner Vorteile in Bildrate und Stromverbrauch immer mehr Marktanteile für sich veranschlagt. Die Lichtempfindlichkeit digitaler Kameras lässt sich heutzutage gezielt für jedes Bild über den Bildwandler steuern. Der Fachbegriff für die jeweilige Einstellung der Lichtempfindlichkeit wird mit dem ISO-Wert angegeben. So lassen sich zu jeder Tageszeit, ob draußen oder in Gebäude die bestmöglichen Einstellungen treffen. Zu beachten ist dabei aber der Rauscheffekt, welcher je nach Steigerung der ISO-Einstellung durch die Verstärkung von Bildfehlern entsteht. Eine grobe Orientierung für Einsteiger bilden die folgenden Wertezuordnungen:

ISO 100+               draußen bei sonnigem Wetter

ISO 400+               Dämmerung oder bedeckter Himmel

ISO 800+               bei schlechten Lichtverhältnissen, in der Nacht

 

Der Bildprozessor

Prozessoren in digitalen Kameras bilden die Systeme zur abschließenden Bildverarbeitung und -visualisierung. Wie der Name schon vermuten lässt, stellen die, zumeist aus der Computerelektronik bekannten, Prozessoren eine Rechenleistung für die schrittweise Abarbeitung von Datenströmen bereit. Die Datenverarbeitung erfolgt allerdings unter Zuhilfenahme von Softwarelösungen (Algorithmen). Deshalb kommt es nicht nur auf die Leistung des Prozessors an, sondern ebenfalls auf die Qualität der Algorithmen. Genauso funktioniert auch ein Bildprozessor in der digitalen Fotografie. Die erhaltenen Daten in Form von digitalisierten Bildinformationen aus dem Bildsensor/-wandler werden in vielen Durchläufen von Algorithmen zu einer visuellen Darstellung zusammengesetzt. Dabei ermitteln die Algorithmen nicht nur Farbsättigungen und Farbtöne, sondern ebenfalls Kontrastwerte über die Helligkeit. Durch physischen Einfluss (Objektiv) und digitale Umwandlungsfehler entstehende Pixelstörungen werden in einem weiteren Schritt bereinigt. Dieser Arbeitsschritt wird Rauschunterdrückung genannt. Bevor das Bild betrachtet werden kann, erfolgt das Weichziehen, um Farbübergänge fließender und damit natürlicher darzustellen. Zuletzt werden noch Konturen nachgeschärft.

Entscheidend für all diese Arbeitsschritte ist die Qualität des jeweiligen Algorithmus in Bezug auf Vollständigkeit und Geschwindigkeit. Angeführt sind zuletzt noch Namen der Prozessoreigenentwicklungen einiger bekannter Hersteller.

HerstellerProzessorbezeichnung
CanonEXPEED
NikonDIGIC
PentaxPrime
SonyBIONZ
OlympusTruePic
PanasonicVenus Engine
SigmaTrue

Tabelle 1 Prozessorbezeichnungen bekannter Hersteller