Unscharfe Abbildungen in der Kamera, damit es scharfe Fotos gibt

Ein Gastbeitrag von Adrian Ahlhaus

Gastbeitrag
Ein Gastbeitrag von Adrian Ahlhaus

Was immer ein Objektiv an hervorragender Abbildungsschärfe produzieren kann, sobald das Bild auf die Anti-Aliasingfilter trifft, wird es unscharf gemacht. Diese AA-Filter sind bei allen Kameras in unterschiedlicher Weise eingebaut, ausgenommen bei den Kameras mit Bildsensoren vom Typ „Foveon“. Für die Kameras mit Sensoren vom Typ CCD oder CMOS oder NMOS Technik muss es diese Filter geben, um universell einsatzbar zu sein. Damit haben „Foveons“ derzeit aber keinen echten fotografischen Vorteil zu bieten, besonders nicht für kleinere Kameras, denn noch fehlen ihnen die vielen Pixel, wie diese von den anderen geboten werden. Mit 1 Megapixel auf einem 1/2,5'' Bildsensor wird wohl niemand fotografieren wollen.

In der Fachwelt ist ein „Filter“ übrigens nicht männlich, also „der“, sondern sächlich. Es ist „das“ Filter. Doch wofür ist ein AA-Filter denn nun da?

Haben Sie in der Küche zwei Siebe? Dann laufen Sie mal hin und kommen mit ihnen hierher zurück an den Bildschirm. Machen wir jenes, wie ich es genau so in der ersten Stunde meines Einführungskurses halte: halten Sie bitte beide Siebe übereinander und diese zusammen gegen ein helle Fenster oder eine helle Lichtquelle. Nun drehen Sie bitte die Siebe gegeneinander. Oha! Beim Drehen springen sich bewegende Muster sichtbar hervor. Es entstehen regelmäßige, aber unterschiedliche Muster, die in einem Phänomen sich gleichen. Sie erzeugen ein eigenes Bild, das nicht nur Kinder länger faszinieren kann. Nun wird es ein leichtes diese Muster auch bei sich nicht drehenden Sieben wieder zu finden. Es ist nämlich gleichgültig, ob man die Siebe gegeneinander dreht oder nur übereinander hält, die Muster sind immer sichtbar. Gedreht entdeckt man diese lediglich schneller. Genau solche Muster können ohne AA-Filter auf den Bildsensoren ankommen. Und wie entsteht dieser Effekt?

Alle feineren Strukturen an allen Motiven, ob ein Muster in einer Kleidung, die Gräser einer Wiese, die in der Ferne sichtbaren kleine Senkrechten eines Zaunes, Gardinen oder Jalousien in den Fenstern eines Hauses, einfach alles kann ein Muster, eine regelmäßige Struktur sein, auch das Auge einer Fliege. Ob diese Strukturen senkrecht oder waagrecht oder überkreuzend verlaufen, ist vollkommen egal. Sobald sie eine bestimmte Größe haben und regelmäßig sind, wird es zu einer Überlagerung aller dieser regelmäßigen Strukturen kommen (müssen).

Die beiden aufeinander liegenden Siebe demonstrieren zum einen die Strukturen in einem beliebigen Motiv und das andere Sieb steht für die regelmäßige Anordnung der einzelnen Sensoren auf dem Chip, der als Bildsensor die Abbildung eines Motivs aufnimmt. Es trifft also eine regelmäßige Struktur - man kann es fachlicher ein „Raster“ nennen - auf die ähnliche, regelmäßige Struktur des Bildsensors. Die Raster überlagern sich deutlich sichtbar. Das ist, sobald es entsteht, nun wirklich sehr störend, entspricht es doch so gar nicht unserem Sehen.

Dabei hat unser Auge auch ein Raster, wird ein aufmerksamer Leser oder eine Leserin sich zu Wort melden wollen. Ja, die Netzhaut ist ebenfalls wie ein Raster. Jedoch hat die Natur eine Entwicklung hervor gebracht, die mit einer Kamera nicht simuliert werden kann. Auch wenn wir anderer Meinung sind, unser Auge bewegt sich permanent. Wir zucken, für uns unbemerkt, mit den Auge in winzigen Bewegungen hin und her. Die Augen halten nie still. Erst aus der Mischung mehrerer Bildinformationen unserer Augen wird in unserem Gehirn ein stabiles Bild konstruiert. Die große philosophische Frage des siebzehnten Jahrhunderts war bei Descarte: gehört das Gesehene im Auge des Menschen zu ihm, ist also vom Gehirn nur konstruiert oder ist es so, wie die Natur wirklich ist?

Wie man es auch beantworten will, zur Zeit bestimmen die Konstruktivisten die Diskussion, der Kamera ist es egal. Da kein Objektiv hin und her zuckt, kann bei entsprechenden Strukturen der „Moiré“ (gesprochen moa-re) genannte Effekt entstehen. Definition: es ist der sichtbare Effekt sich überlagernder Raster.

Die Hersteller aller Kameras vermeiden diesen destruktiven Effekt durch den Einbau von gläsernen Filtern vor einem Bildsensor. Ein solche-r oder solche-s AA-Filter kann aus unterschiedlich vielen Lagen aus Glas bestehen. Die Aufgabe ist immer gleich. Das Bild wird gleichmäßig unscharf gemacht. Technisch: je eine Filterebene trennt polarisiertes Licht in einer x- und eine y-Achse und führt dies anschließend wieder zusammen. Der Bildsensor nimmt dieses etwas unscharfe Bild auf. Dabei sind die sich überlagernden Raster in der Unschärfe weitgehend verschwunden. Moiré wird unterdrückt. Fast, denn ausschließen ließe es sich nur, wenn die Bilder völlig unscharf sind und bleiben. Doch das ist nicht im Sinne der Fotografie. Die Elektronik in einer Kamera errechnet nun aus dem relativ unscharfen Bild, das ja immer noch Linien und Flächen zeigt, ein scharfes Bild. Je gleichmäßiger das Objektiv eine Abbildung scharf wiedergeben kann, desto besser kann nun ein scharfes Bild errechnet werden.

In einem Foto erkennt man Moiré am ehesten an den „Treppenstufen“. Diagonale Linien und Kanten werden, wenn diese nur entsprechend stark vergrößert wurden, immer stufig sein. Jede feine Linie, wenn diese stark vergrößert ist, wird wie eine pixelige Struktur aussehen. An den Kanten entsteht eine stufige Ansicht – in jedem Bild. Moiré und Treppenstufen ist gemeinsam, das sie aus der Überlagerung entstehen. Also nicht nur deshalb, weil jeder Bildsensor eine gleichmäßige Anordnung der Pixel hat. Denn sichtbar wird die Pixelstruktur schon dann recht früh, also auch bei jenen Bildern, die diese Pixel der Kamera gar nicht zeigen (1:1), sondern bereits bei kleineren Bildern. Die Überlagerung der Raster ist das grundlegende Problem.

Mit dem Computer lässt sich jedes Foto leicht und beliebig vergrößern. Irgendwann wird sich die geschlossene Struktur in Pixel auflösen. Das Ziel aller Kamerahersteller ist es nun, diese Pixel so weit wie möglich zu unterdrücken, zum Beispiel durch immer mehr Auflösung der Bildsensoren mit immer mehr Megapixel. Dadurch werden die Treppenstufen länger unsichtbar bleiben können. Ist das Anti-Aliasing einer Kamera weniger gut gewählt, dann werden in der Praxis die „Treppenstufen“ früher sichtbar. Eher, als es theoretisch geschehen müsste.

Zugleich haben die Objektive, vor allem die kleinen der preiswerteren Digitalkameras, ihre Leistungsgrenze erreicht und liefern keine bessere, den neuestem Bildsensor entsprechende, gleichmäßig gute Bildschärfe. Anerkennt man diesen Sachverhalt, dann nutzt die hohe Megapixel-Zahl eines Bildsensors gar nichts mehr. Bei Digitalkameras mit ihren kleinen Bildsensoren liegt die derzeitige Grenze bei 7,1 Megapixel. Alles was darüber liegt, liest sich nur auf dem Papier gut. Es wird aber keine bessere Abbildungsqualität zu erreichen sein. Deshalb werden alle digitalen Kameras mit Bildsensoren von 8 bis derzeit sogar 12 Megapixel, in der Fachwelt dem „Pixelwahn“ zugeschrieben.

Erst dann, wenn die derzeitigen Bildsensoren von einer vollkommen anderen Technik abgelöst werden, könnte es möglich werden, die Effekte sich überlagernder Signale zu vermeiden. Derzeit ist eine solche Technik nicht in Sicht.

Gastbeiträge enthalten die Meinung des jeweiligen Autors und spiegeln nicht die Meinung von dkamera.de wieder.

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