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Dynamic Range - das Problem der Helligkeitsunterschiede

Sensorgrößen

 

Möchte man an einem hellen Sonnentag auf einem Foto gleichzeitig eine gute Zeichnung sowohl im Himmel und den Wolken als auch im Schattenbereich eines Baumes erzielen, stößt man an die Grenzen der Technik. Das liegt an den extremen Helligkeitsunterschieden in der Natur, die auch als Dynamikbereich (Dynamik Range) bezeichnet werden. Es hilft, mit optimalen Kameraeinstellungen zu arbeiten, zum Beispiel mit dem RAW Format oder Verlaufsfilter einzusetzen. 

 

Zusätzliche Bedeutung gewinnt das Thema  durch den Einsatz moderner Objektive die es erst möglich machen, Fotos mit hellen Lichtquellen wie der Sonne zu wagen. Noch vor wenigen Jahren hätten die Fotos stark an Kontrast verloren oder  wären voller Lichtflecke (lens flares).

Auf der anderen Seite verbessern moderne Digitalkameras aber auch den Dynamikbereich, den sie abbilden können.

 

Einige Grundlagen und Begriffe

 

Jede Blendenstufe (1.4  2  2.8  4  5.6  8 11…) oder Belichtungswert (Exposure Value EV, der auch durch doppelte/halbe Belichtungszeit erzeugt werden kann), benötigt in der Bilddatei pro Bildpunkt (Pixel) eine Bit-Stelle für die digitale Speicherung des Helligkeitswertes.

Daraus ergeben sich die darstellbaren Helligkeitsstufen aus 2  hoch EV-Wert:

  • ein JPG Bild mit        8 Bit kann              256   Helligkeitsstufen darstellen,
  • ein RAW Bild mit     12 Bit pro Pixel     4096  Helligkeitsstufen.

Technisch werden die Helligkeitsstufen im Bildsensor durch die maximale Elektronenanzahl  (die von den Photonen ausgelöst werden), die pro Pixel gespeichert werden können, realisiert.  Zieht man hiervon die Elektronen ab, die durch das (vor allem thermische)  Grundrauschen erzeugten werden, erhält man den Dynamikumfang (Dynamic Range) der Kamera.

Größere Pixelflächen (Kameras mit großen Sensoren oder weniger Pixel pro Sensor und geringerer Auflösung)
ergeben einen besseren Dynamikumfang.

Digitalkameras haben einen Dynamikumfang von ca. (10) - 12 – 14 Bit. Das entspricht der Anzahl an  Blendenstufen/EV Werten, die pro Pixel abgebildet werden können. Ist der Kontrastumfang des Szene größer, werden Tonwertstufen beschnitten und gehen verloren.

 

 Typischer Dynamikumfang                        in                        Blendenstufen

  • Mondlose Nacht bis direktes Sonnenlicht                   40
  • Anpassungsfähigkeit des Auges                                     30
    (incl. Gewöhnungszeit an Dunkelheit)                                   
  • Dunkler Raum mit Fenster im hellen Sonnenlicht      15
  • LCD Monitor                                                                       10
     
  • Fotopapier                                                                            7

 

In den JPG Dateien werden nur 8 Blendenstufen (Bit) pro Pixel abgebildet, das entspricht 256 Helligkeiten (im TIFF Format 16 bit).

Für Fotoabzüge reichten 8 Bit aus, wie die Tabelle oben zeigt.

In der RAW Datei sind die Helligkeitswerte linear in den Bitwerten abgespeichert. Werden diese auch 1:1 (linear) auf einem Monitor angezeigt, erscheinen die Fotos in den Mittelwerten viel zu dunkel, nur die Lichter sind wirklich hell.

Daher muss die RAW Aufnahme (z.B. 14 Bit) mit einem Dynamic Range Algorithmus auf 8 Bit nicht-linear abgebildet werden, wobei dunkle Bereiche verstärkt werden und helle Lichter heruntergezogen werden (Gamma Kurve). Dieser Prozess wird auch Tonwertkompression oder Tonmapping bezeichnet.

Das heißt, die RAW zu JPG Konvertierung als auch High Dynamic Range Verfahren (siehe Artikel zu RAW und HDR) erzeugen aus
einer Aufnahme mit hohem Dynamikumfang ein Bild mit niedrigem Dynamikumfang.  Dadurch entstehen dann erst Aufnahmen,  die auf einem Foto oder Monitor unseren Sehgewohnheiten entsprechend dargestellt werden können.

 

Der Dynamikbereich sinkt im RAW Format mit zunehmenden ISO Werten. Das Diagramm zeigt als Beispiel das Verhalten der  Sony A7iii 

 

D.h. ab ca. ISO 4000 machen RAW Aufnahmen kaum noch Sinn.
Im Gegenteil, bei hohen ISO Werten kann die intelligente Rauschunterdrückung der Kamera für die JPG Konvertierung ausgenutzt werden.

Text und Foto: Wolfgang Hahn

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