Frankenkamera: Forscher basteln die erste Open-Source-Digitalkamera

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Fotos nach der Aufnahme neu fokussieren und HDR-Bilder direkt in der Kamera berechnen - theoretisch könnte das heute jede Kamera. Doch die Hersteller beschränken die Kamera-Software. US-Informatiker wollen diese eingebaute Bremse lösen - mit der ersten Kamera mit Linux-Betriebssystem.

Offene Fotokamera: So sieht die Linux-Knipse aus Fotos
Linda Cicero, Stanford University

Andrew Adams hält ein schwarzes Ungetüm in seinen Händen: Einen großen schwarzen Metallblock, aus dem ein Objektiv ragt. Aber schön soll diese Digitalkamera auch nicht sein, deshalb nennen die Informatiker am Lehrstuhl der Universität Stanford ihre Foto-Prototypen auch Frankenkamera. Das aus vielen unterschiedlichen Bauteilen zusammengeschusterte Gerät hat einen entscheidenden Vorteil: Ein Linux-System steuert die Hardware.

Informatiker, die an Bildverarbeitung forschen, brauchen so eine Open-Source-Kamera. Der Leiter des Projekts, der Informatik-Professor Marc Levoy, erklärte im Stanford-Unifernsehen: "Wir wollen eine Kamera bauen , die man bis auf die Mikrosekunde genau steuern kann, bei der man Objektive und Bildsensoren austauschen und interessante Elemente einbauen kann, die sich programmieren lassen." An den Algorithmen, die in kommerziellen Digitalkameras die Signale zum Bild verarbeiten, können Informatiker wenig ändern. Denn, so Levoy: "Diese Kameras können nicht programmiert werden. Die Geräte von Nikon und Canon sind geschlossene, proprietäre Systeme."

Die Software definiert die technischen Limitierungen

Im Grunde genommen sind Digitalkameras heute kleine Computer. Chips berechnen mit hochkomplexen Algorithmen, welche Daten die Kamera aus dem einfallenden Licht macht. Weil die Hersteller die absolute Kontrolle über diese Software haben, unterscheiden sich die Kameramodelle sehr: Die teureren können Belichtungsreihen (drei Fotos desselben Motivs mit unterschiedlicher Belichtung zum Erstellen von HDR-Bildern) aufnehmen, obwohl das auch problemlos bei günstigeren Modellen möglich wäre.

Teurere Kameras zeichnen Fotos auch in einem der vielen Rohdatenformate auf, was bei der Bildbearbeitung sehr viel mehr Potential bietet, als Daten im JPG-Format. Ob eine Kamera überhaupt Daten in einem Rohdatenformat aufzeichnet und falls ja, in welchem (die Bildbearbeitungsprogramme unterstützen bei weitem nicht jede Kamera), hängt vor allem von den Software-Schranken ab, die die Hersteller einbauen.

Diese Schranken will Levoy loswerden: "Wir wollen, dass die Hersteller viele Features auf einmal anbieten, an denen die Forscher gerade arbeiten. Jetzt, und nicht erst, wenn sie da in den Wettbewerb gehen wollen", sagt er im Stanford-Video. Seine Frankenkamera besteht derzeit aus einer Platine mit Haupt-, Grafik-, und Signal-Prozessor des Chip-Herstellers Texas Instruments, einem Aptina-Bildsensor (wie er zum Beispiel im Nokia N95 verbaut wurde) und Canon EOS-Objektiven unter einem Linux-System.

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Fotostrecke
HDR: Venedig kontrastreich

Fototechnik-Fachbegriffe
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Brennweite
Konrad Lischka
Die Brennweite gibt eine Entfernung innerhalb des Objektivs einer Kamera an. Genauer: Die Brennweite ist der in Millimetern angegebene Abstand zwischen der Mittelachse der Linse und der Stelle, wo das einfallende Licht auf Sensor oder Film trifft. Relevant ist das für die Bildgestaltung so: Je höher die Brennweite, desto näher wird das abgebildete Objekt herangezoomt.

Die Brennweite verändert auch die Bildwinkel der Aufnahme. Hier spielen aber auch die verschiedenen Aufnahmeformate (sprich: wie groß ist das auf den Sensor der Kamera einfallende Bild) eine Rolle. Deshalb geben Hersteller meistens die sogenannte kleinbildäquivalente Brennweite (Equiv.135) an.

Kleinbildbrennweiten werden mit Werten wie zum Beispiel 24-60 mm bei digitalen Kompaktkameras angeben. Wenn ein solches Objekt den Bereich zwischen 17 und 35 mm umfasst (siehe Foto: links 35 mm, rechts 28 mm), sind Weitwinkelaufnahmen möglich (hilfreich, um zum Beispiel Menschengruppen oder Bauwerke aus nicht allzu großer Entfernung aufzunehmen), ab 50 mm ist man schon im leichten Telebereich.
Blendenöffnung
Für eine Kamera ist die Blende, was die Iris für das Auge ist: Diese Öffnung hat eine veränderbare Größe und je größer sie ist, desto mehr Licht fällt ein. Bei kompakten Digitalkameras kann die Blende manchmal, bei Spiegelreflexkameras meistens auf Wunsch manuell eingestellt werden. Angegeben wird sie dabei mit der sogenannten Blendenzahl (wie zum Beispiel 8, 5,6 oder 2,8).

Je größer die Blendenzahl (oft angegeben mit f/Blendenzahl), umso kleiner ist die Blendenöffnung. Konkret: Bei der Blendenzahl 4 ist die Blendenöffnung doppelt so groß wie bei der nächst höheren Blendenzahl 5,6. Die Blendenzahlen beruhen auf einer mathematischen Formel, nach der sich die sogenannte Blendenreihe berechnet. Hier verkleinert sich von Stufe zu Stufe die Blendenöffnung (0,5 / 0,7 / 1 / 1,4 / 2,8 / 4 usw.

Mehr Licht durch eine große Blendenöffnung ermöglicht eine kürzere Verschlusszeit. Eine möglichst kurze Verschlusszeit ist nötig, um sich schnell bewegende Objekte möglichst scharf aufzunehmen. Wer zum Beispiel einzelne Szenen eines Basketball-Spiels einer nicht allzu hell beleuchteten Sporthalle aufnehmen will, kann eine kleinere Blendenzahl (also eine größere Blendenöffnung) wählen und dafür die Verschlusszeit verkürzen. Als Richtwert gilt dabei: Ein Stufe abwärts in der Blendenreihe erlaubt eine gleichzeitige Halbierung der Belichtungszeit.

Gleichzeitig beeinflusst die Größe der Blendenöffnung die sogenannte Schärfentiefe. Grundregel: Je kleiner die Blendenzahl (und je größer somit die Größe der Blendenöffnung), desto geringer die Schärfentiefe. Geringe Schärfentiefe bedeutet: Das Motiv im Vordergrund ist scharf, der Hintergrund ist unscharf. Große Schärfentiefe bedeutet, dass die Partien im Vorder- und Hintergrund scharf auf dem Bild erscheinen.
Verschluss-/Belichtungszeit
Wie lange die Blende geöffnet ist, wie lange also Licht auf den Sensor der Kamera fällt, gibt die Belichtungszeit an. Je länger diese Verschlusszeit ist, desto mehr Licht fällt auf den Sensor.

Diese Verschlusszeit wird meistens in Sekundenbruchteilen angegeben. 1/1000 ist zum Beispiel eine tausendstel Sekunde. Bei Kompaktkameras kann die Verschlusszeit manchmal, bei Spiegelreflexkameras immer auch manuell eingestellt werden. Angeben wird sie in Zeitstufen (wie 0,5"; 1/4; 1/8; 1/15; 1/30; 1/60; 1/125 usw.). Je größer die Zeitstufe, umso länger ist der Verschluss geöffnet.

Bei einer kurzen Verschlusszeit erscheinen auf dem Bild sich schnell bewegende Objekte scharf, bei längeren Verschlusszeiten wirken sie verwischt, das ist die sogenannte Bewegungsunschärfe. Verwendet man bei solchen Aufnahmen mit längeren Belichtungszeiten kein Stativ oder zumindest eine feste Unterlage für die Kamera, verwackeln die Aufnahmen oft durch die Bewegung der Hand. Ruht die Kamera auf einer festen Unterlage, kann man mit längeren Belichtungszeiten zum Beispiel Autos auf Fotos verwischt erscheinen lassen, während alle statischen Objekte in der Umgebung scharf erscheinen.

Bei sehr kurzen Belichtungszeiten ist eine starke Beleuchtung oder eine entsprechend große Blendenöffnung nötig, um ausreichende Belichtung zu gewährleisten. Grundregel: Stellt man eine Zeitstufe größer ein, kann man eine Blendenzahl weniger einstellen.
Schärfentiefe
Konrad Lischka
Schärfentiefe meint den Bereich in einer bestimmten Entfernung der Kamera, der auf dem Foto als scharf erscheint - je größten dieser Entfernungsbereich ist, umso größer ist die Schärfentiefe.

Konkret: Geringe Schärfentiefe bedeutet, dass das Motiv im Vordergrund scharf, der Hintergrund aber unscharf ist. Große Schärfentiefe bedeutet: die Partien im Vorder- und Hintergrund erscheinen auf dem Bild scharf. Die Schärfentiefe eines Bildes hängt unter anderem von der Größe der Blendenöffnung ab, aber auch von der Brennweite des Objektivs und dem Bildformat, beziehungsweise der Sensorgröße.
Sensorgröße
Die Größe des Fotosensors einer Digitalkamera beeinflusst neben anderen Faktoren die Qualität der Fotos. Angegeben wird die Größe oft in Standardgrößen wie 1/3,2 Zoll oder 1/1,7 Zoll. Diese Größen sind von einem Format für TV-Kameras aus den fünfziger Jahren übernommen, haben keinen direkten Zusammenhang mit der Oberfläche des Sensors.

Einige Beispiele für Sensorgrößen:
&nbsp- digitale Kompaktkamera Nikon Coolpix S60 (1/2.3"): 0,28 cm²
&nbsp- digitale Bridge-Kamera Canon G10 (1/1,7"): 0,43 cm²
&nbsp- digitale Four-Thirds- Kamera Lumix G1 (4/3") 2,24 cm²
&nbsp- digitale Spiegelreflex-Kamera Canon EOS 350D 3,28 cm²
&nbsp- Kleinbild: 8,64 cm²
&nbsp- Mittelformat: 17,28 cm²

Ein Problem bei der Sensorgröße entsteht, wenn auf der gleichen Fläche immer mehr Fotodioden untergebracht werden. Sprich: Eine digitale Kompaktkamera mit derselben Auflösung (gemessen in Megapixel) wie eine Spiegelreflexkamera bringt dieselbe Menge an Fotodioden auf einer kleineren Oberfläche unter. Eine Folge: Auf der kleinen Fläche erreicht weniger Licht jede einzelne der Fotodioden, das Signal muss daher verstärkt werden, was wiederum mehr Störungen, das sogenannte Bildrauschen mit sich bringt.
Lichtempfindlichkeit / ISO-Wert
Konrad Lischka
Wie lichtempfindlich Filmmaterial ist, wird unter anderem mit den sogenannten ISO-Werten angegeben. Ein Film mit ISO 200 ist doppelt so lichtempfindlich wie ein ISO-100-Film, bei ISO 400 verdoppelt sich die Lichtempfindlichkeit gegenüber ISO 200 und so weiter.

Bei Digitalkameras haben die Hersteller diese Skala übernommen, um die Empfindlichkeit anzugeben. Wenn in einem dämmrigen Umfeld die Verschlusszeit wegen Verwacklungsgefahr nicht stark genug erhöht werden kann, und eine allzu große Blendenöffnung wegen des Verlusts an Schärfentiefe nicht erwünscht ist, kann die Empfindlichkeit erhöht werden, um eine ausreichende Belichtung zu gewährleisten. Hebt man die ISO-Stufe um einen Schritt an, kann die Verschlusszeit zum Beispiel um einen Schritt vermindert werden.

Bei Digitalkameras verstärkt die Software das auf dem Sensor eingehende Signal. Dabei verstärkt die auch die Störungen, das sogenannte Bildrauschen nimmt zu.
Megapixel
Der Megapixel-Wert gibt die Auflösung einer Digitalkamera an, also wie viele Bildpunkte der Sensor erfasst. Ein Megapixel entspricht einer Million Bildpunkte. Aus der Pixelmenge resultiert die Rasterung beim Druck der Fotos - je höher die Auflösung, desto größer können die Fotos gedruckt werden, ohne dass die Pixel sichtbar werden.

Laut Kodak genügt für einen Ausdruck in A4-Format (20x30 cm) in guter Qualität eine Auflösung von 1920 x 1280 Pixeln (2,4 Megapixel), für optimale Qualität ist eine Auflösung von 2160 x 1440 Pixeln (3,1 Megapixel) nötig.

Eine digitale Kompaktkamera mit derselben Auflösung wie eine Spiegelreflexkamera bringt dieselbe Menge an Bildpunkten auf einer kleineren Sensoroberfläche unter. Eine Folge: Auf der kleinen Fläche erreicht weniger Licht jeden einzelnen der Bildpunkte, das Signal muss daher verstärkt werden, was wiederum mehr Störungen durch das sogenannte Bildrauschen mit sich bringt.
Bildrauschen
Konrad Lischka
Die Ursache für das Bildrauschen sind physikalische Effekte auf dem Bildsensor und den dort untergebrachten Fotodioden, vor allem den sogenannten Dunkelstrom. Wie stark diese Effekte im Foto sichtbar (siehe Foto mit 1600 ISO) sind, hängt von mehren Faktoren ab: &nbsp- Bei gleicher Auflösung rauschen Sensoren mit kleinerer Oberfläche stärker als größere.
&nbsp- Je stärker die Lichtempfindlichkeit der Kamera eingestellt ist, umso stärker ist das Rauschen, da das vom Sensor eingehende Signal verstärkt wird - einschließlich der Störungen.
&nbsp- Je wärmer der Sensor ist, umso stärker ist das Bildrauschen.

Digitalkameras nutzen diverse Software-Routinen, um das Bildrauschen schon beim Abspeichern einer Aufnahme herauszurechnen. Die Hersteller nutzen verschiedene Verfahren mit unterschiedlichen Ergebnissen. Manchmal beeinträchtigt die Rauschunterdrückung wiederum die Schärfe eines Bildes sichtbar.

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