Digitalfotografie Erst knipsen, dann scharf stellen

Eine Kamera, deren Bilder sich nachträglich in ihrer Schärfe variieren lassen, haben Forscher entwickelt. Ob der Hintergrund scharf ist, der Vordergrund oder gar beides, entscheidet der Fotograf bei der Nachbearbeitung am PC.
Von Karlhorst Klotz

Wer schon einmal von wild herumtollenden Hunden ein Foto schießen wollte, ahnt, dass eine Erfindung der Stanford-Universität sein Leben verändern könnte. Früher ging das so: Immer wieder draufhalten, am besten eine ganze Serie vom Motiv schießen, so lange die Speicherkarte reicht. Dann Dutzende unscharfer Aufnahmen aussortieren und hoffen, dass auf dem kümmerlichen Rest das Motiv gut getroffen ist. In Zukunft wartet der Fotograf in Ruhe auf die richtige Szene und drückt einfach den Auslöser. Selbst wenn der Autofokus im entscheidenden Moment dem Tempo der Hunde nicht folgen konnte, ist trotzdem ein scharfes Bild im Kasten.

Das Wunder vollbringt eine Kamera, wie sie Ren Ng vom Computer Graphics Laboratory der Universität Stanford gebaut hat. Ihre Besonderheit ist ein dünnes Gitter aus winzigen Linsen, das der Doktorand zusätzlich verwendet. Diese Schicht aus Zehntausenden von Miniaturlinsen, jede von der Größe eines Staubkorns, ist genau in der Ebene angebracht, in der normalerweise der Bildsensor liegt. Der Sensor liegt genau dahinter und blickt durch diese Linsenschicht hindurch.

Die Mikrolinsen bewirken, dass sich ein an ihrer Stelle zuvor sichtbarer Bildpunkt auf dem Weg bis zum dahinter liegenden Sensor zu einem Kegel aufweitet. Der ursprünglich scharfe Punkt wird somit als kleiner Kreis registriert. Mit einem entscheidenden Effekt: Lichtstrahlen, die sich sonst in einem Punkt getroffen hätten, verraten auf diese Weise, aus welcher Richtung sie kamen - senkrecht eintreffende landen im Mittelpunkt der Minikreise, seitlich eintreffende weiter außen.

Scharf machen, was scharf sein soll

Um das ursprüngliche Bild wieder zu berechnen, das die Kamera ohne Mikrolinsen geschossen hätte, muss ein Computer nur den Durchschnitt der Farbwerte im Minikreis ermitteln. Aber er kann noch mehr: Zusätzlich lässt sich herausfinden, welche Strahlen sich ein bisschen weiter vorn oder hinten im Strahlengang getroffen hätten, also dort, wo die Bilder aus anderen Schärfeebenen liegen.

Aufgabe des Autofokus einer Kamera ist es ja, den Abstand zur Linse blitzschnell so zu justieren, dass die Lichtstrahlen der gewünschten Bildebene sich genau auf dem Sensor-Chip treffen.

Mit der richtigen Software kann der Fotograf das selbst erledigen, interaktiv am Bildschirm, lang nachdem er das Foto geschossen hat. Wie beim Drehen am Schärfering eines Profi-Objektivs fährt er am Computerbildschirm per Software bequem durch den maximalen Schärfebereich der Digicam, kann also wahlweise auf Objekte weiter vorn im Bild oder näher am Hintergrund fokussieren.

Denkbar ist sogar, die jeweils scharfen Bildbereiche zusammenzusetzen, als hätte man die Aufnahme mit stärker abgeblendeter Kamera gemacht. Denn für übliche Kameras gilt: Je kleiner die Öffnung der Blende, desto schärfer das Resultat.

Wie groß der Gewinn an Schärfentiefe ist, hängt von den Mikrolinsen ab. Die in den USA modifizierte Kamera liefert in der Praxis Bilder mit einer am PC nutzbaren Schärfentiefe, wie sie einem auf Blende 22 abgeblendeten Objektiv entspricht. Und das, obwohl der Fotograf dank eines weit geöffneten Objektivs (Blende 4) mit kurzen Verschlusszeiten auskommt.

16 Megapixel verkümmern zu 0,1 Megapixel

Doch der (Schärfen-)Tiefenrausch bleibt nicht ohne Folgen. Den Zugewinn bezahlt man mit einer Reduzierung der Auflösung, weil sich ein Bildpunkt auf dem Weg durch die Mikrolinsen zu einem Kreis aufplustert, der über hundert Bildpunkte bedeckt. Das reduziert im Stanford-Experiment die ursprünglich komfortablen 16 Megapixel der verwendeten Mittelformatkamera auf kümmerliche 0,1 Megapixel. Dennoch haben Hersteller von kommerziellen Digicams nach Angaben von Ren Ng bereits Interesse an dem Verfahren bekundet. Sie würden aber vermutlich deutlich weniger Auflösung in Schärfentiefe umwandeln als in dem Prototyp, der das Prinzip möglichst deutlich vor Augen führen sollte.

Näherliegende Anwendungen sieht der 26-jährige Forscher bei seinen Kollegen aus anderen Fakultäten: Lebewesen unter dem Mikroskop ließen sich beispielsweise mit einem Klick in ihrer gesamten Tiefe scharf erfassen. Aufschlussreiche Ansichten vermittelt die "Refocusing"-Technik auch von unbelebter Materie. Ein im Internet bereitgestelltes Video  lädt ein auf die Fahrt durch einen zerspritzenden Wassertropfen, den die kurze Verschlusszeit der Kamera für einen Moment scheinbar einfriert.

Aber wie das im WMV-Format rund 9 Megabyte große Filmchen zeigt, kann die neue Technik noch mehr: Bei Makroaufnahmen, wenn also das Motiv nahe vor der Linse steht, spielt Ng die Vorteile einer weit geöffneten Blende aus. Von einem Rand der Kameralinse aus gesehen erscheint das Motiv dann unter einem deutlich anderen Winkel als von der gegenüberliegenden Seite der Linse. Sammelt Ng nun quer über den Sensor-Chip die richtigen Strahlen auf, so wirkt die entstehende Bildfolge, als hätte ein Beobachter das Objekt in seiner Hand gedreht.

Ähnlich ist es möglich, die zu einer Weitwinkel-Einstellung gehörenden Lichtstrahlen aufzusammeln und damit dem Gegenstand visuell näher zu rücken, weil sich die Bildmitte dem Betrachter entgegenwölbt. Der ebenfalls rechnerisch realisierbare Blick aus der distanzierten Teleperspektive vermeidet dagegen stürzende Linien.

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