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Aus Licht wird ein digitales Bild

Bayer-Muster und Demosaicing

Zwei technische Begriffe anschulich erklärt

Bildsensoren nahezu aller modernen Kameras - vom Smartphone bis zur Mittelformatkamera - sind so ausgelegt, dass ein Pixel immer nur für eine Farbe empfindlich ist. Wobei empfindlich bedeutet, dass mehr elektronische Ladung in einem solchen Pixel "gesammelt" wird, je mehr Licht dieser Farbe während der Belichtung auf das Pixel fällt. Mit der Farbempfindlichkeit dieser Pixel ist es dann so wie bei einem Röhrenfernseher oder einem LCD-Bildschirm. Es gibt nur die drei Grundfarben Rot, Grün und Blau. Je nach Anteil dieser drei Farben entstehen Mischfarben, die wir aus geeigneter Entfernung dann wahrnehmen. Wenn wir mit einem Vergrößerungsglas die Oberfläche eines Fernsehers betrachten, erkennen wir das Raster aus roten, grünen und blauen Pixeln.

Aber zurück zum Bildsensor unserer Kameras. Dort ist es eben so, dass jedes Pixel nur für eine dieser drei Grundfarben empfindlich ist. Das geschieht dadurch, dass vor jedem Pixel ein Farbfilter aufgebracht wird, der eben nur Licht diese eine Farbe durchlässt. Für ein grünes Pixel wird also ein Grünfilter aufgebracht. Dieses Pixel misst die Helligkeit des Grünanteils im Licht an dieser Stelle. Die Farbfilter auf den Pixeln sind nicht willkürlich aufgebracht, sondern folgen einem Muster, dem so genannten Bayer-Mosaik (benannt nach dem Erfinder dieser Technologie).

bayer-mosaik

Jetzt werden sich manche fragen warum wesentlich mehr grüne als blaue oder rote Pixel in diesem Muster sind. Dafür gibt es drei Gründe:

1. Es sind drei Grundfarben, das lässt sich aber nicht in einem wiederholbaren Muster abbilden
2. Grün ist in der Mitte des sichtbaren Lichtspektrums
3. Und schließlich ist Grün für das menschliche Sehempfinden wichtiger als die anderen Farben

Wenn wir eine Kamera haben, mit einer Auflösung von 20 Megapixeln (MP), dann sind das also in Wirklichkeit 5MP rote Pixel, 5MP blaue und 10MP grüne Pixel. Soweit sogut. Aber ein solches Bild kann doch nicht das sein, was wir am PC sehen, oder? Richtig, weil wir wollen ja unser 20MP Bild so dargestellt haben, dass jedes Pixel seine Rot+Grün+Blau (RGB) Farbanteile hat, also jedes Pixel seine eigene Farbe.

Genau das geschieht in der so genannten Entwicklung, indem aus den Rohdaten des Bildsensors für jedes Pixel jeweils aus den Nachbarpixeln die fehlenden Farbanteile interpoliert werden. Das folgende Schema stellt das sehr vereinfacht dar.

bayer-interpolation

In Wirklichkeit stecken hinter diesem "Demosaicing" genannten Verfahren sehr viel aufwendigere mathematische Algorithmen. Das Demosaicing wird schon in der Kamrea gemacht für das Vorschaubild, oder wenn man seine Bilder gleich als JPG auf die Speicherkarte schreiben lässt. Speichert man seine Bilder im so genannten RAW-Format, dann werden die unveränderten Messwerte aus dem Bildsensor in die Bilddatei geschrieben. Jeder Kamerahersteller hat dafür sein eigenes Dateiformat entwickelt, was das Leben der Fotografen nich tunbedingt einfacher macht.

Je ausgeklügelter der Algorithmus zum Demosaicing ist, desto bessere Ergebnisse kann man erzielen. Man kann sich unschwer vorstellen, dass die Rechenleistung einer Kamera, auch wenn diese sehr gut ist, nie an die Performance eines PCs heran kommen kann. Deshalb gilt der Grundsatz: Will man das Beste aus seinen Bildern heraus holen, dann nur in RAW fotografieren und die Entwicklung erst am PC machen. Programme dafür sind zum Beipiel Adobe CameraRaw, Cature One von Phase One oder DxO Optics. Es gibt aber nich viele andere, auch sehr gute Gratisprogramme. Das Ergebnis dieser Entwicklung ist dann zum Beispiel eine Photoshop-Datei, ein TIF oder einfach ein JPG.

Abschließend ein kleines Beispiel in dem ich die noch unverarbeiteten Rohdaten (links) dem mit Capture One entwickelten Ergebnis (rechts) gegenüber stelle. Zur besseren Veranschaulichung habe ich bei dem Bild mit den Rohdaten die einzelnen Pixel mit dem Bayer-Mosaik eingefürbt. In Wirklichkeit sind das farblose Helligkeitswerte (bzw. Messwerte über die elektrischen Ladungszustände der Pixel).

Den Regler in der Mitte hin und her ziehen um die Veränderungen anzuschauen.

beforeafter

 
Der gezeigte Bildausschnitt stammt übbrigens aus dem Bild "flower power" aus der Serie "travelling bicycle". Hier eine Gesamtansicht zur Veranschaulichung der Größenverhältnisse.

demosaicing-full

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