Erfindungsphase

Die Geschichte der Digitalkamera beginnt 1963 mit der von David Paul Gregg während seiner Zeit bei der Winston Research Corporation erfundenen Videodisk-Kamera. Obwohl ihre Bilder nur ein paar Minuten und elektrisch-analog (auf eben jener Videodisk) gespeichert werden konnten, so ist sie doch die erste Kamera, die Standbilder elektronisch speichern konnte.

Das erste Patent auf einen Bildsensor (in Form einer Matrix aus diskreten Photodioden, die jeweils mit einem Speicherkondensator gekoppelt sind), der optische Bilder durch den Einsatz von (festen) Halbleiterbauelementen (engl. solid state device) aufnehmen und speichern kann, wurde 1968 beantragt.

Im Jahr 1969 wurde von Willard Boyle und George Smith die Basis des CCD (charge-coupled device) erfunden. Ein CCD, ursprünglich als Datenspeicher entwickelt, ist ein lichtempfindlicher Chip, mit dem Bilder kurzzeitig gespeichert werden können. Diese Erfindung war der endgültige technische Durchbruch auf dem Weg zur digitalen Fotografie. 1970 bauten Wissenschaftler der Bell Laboratories die erste Solid-State-Kamera, die ein CCD als Bildsensor benutzte. Dabei handelte es sich noch um eine elektrisch-analoge Videokamera mit Live-Bild, da es mangels Pufferspeicher nicht möglich war, ein Einzelbild dauerhaft wiederzugeben oder gar mehrere Bilder in einer Sequenz zu speichern und anschließend wiederzugeben.

1972 erfanden und bauten Thomas B. McCord vom MIT und James A. Westphal von CalTech eine Digitalkamera. Ihre Kamera verwendete zwar eine analoge Vidicon-Bildaufnahmeröhre mit einer 256 × 256 Pixel Matrix (0,065 Megapixel), schrieb jedoch digitale 8-bit-Bilddaten in ungefähr 4 Sekunden auf einer 9-spurigen, magnetischen Digitalkassette. Sie veröffentlichten isophote Bilder vom Jupiter und dem Kugelsternhaufen 47 Tucanae, aufgenommen am Cerro Tololo Interamerican Observatorium in Chile in 1971. Ihr Bericht wurde bei Applied Optics am 12. Oktober 1971 eingereicht und im März 1972 publiziert.

Die „Digitalkamera“ von McCord und Westphal wog 10 kg und hatte die ungefähren Abmessungen von 20 × 20 × 40 cm. Die Elektronik und der Kassettenrekorder waren in einem 53 cm Geräteschrank eingebaut und durch ein Kabel mit der Kamera verbunden. Daher war es ein stationäres, schnurgebundenes System. McCord und Westphal reichten am 7. August 1972 ein Patent (US3951552) für ihre Digitalkamera ein, das am 20. April 1976 bewilligt wurde. Die Digitalkamera wurde zum ersten Mal Ende August 1971 auf einer Konferenz in Santa Cruz (Kalifornien) öffentlich vorgeführt.

Ein weiteres Patent wurde 1972 von Willis A. Adcock von Texas Instruments eingereicht. Es beschreibt eine filmlose, elektronische Kamera, wobei noch ein Fernsehbildschirm als Sucher empfohlen wird.

Kommerziell erhältlich waren von Fairchild Imaging entwickelte und produzierte CCDs im Jahre 1973. Die Auflösung betrug 100 × 100 Pixel (0,01 Megapixel). Bei der ersten vermarkteten CCD-Kamera handelte es sich allerdings um eine Fernsehkamera, die 1973 von Fairchild gebaut wurde. Das Modell MV-100 verwendete einen Fairchild-Bildsensor mit 0,01 Megapixeln und eignete sich in erster Linie für Überwachungssysteme, medizintechnische und industrielle Anwendungen. Sie wog nur 170 Gramm, und die elektrische Leistungsaufnahme betrug lediglich ein Watt. 1974 fand Gil Amelio eine Möglichkeit, CCDs einfach und industriell zu fertigen. 1975 war das Geburtsjahr der ersten „tragbaren“ Digitalkamera. Konstruiert wurde sie von Steven J. Sasson von Kodak. Sie verwendete die CCD von Fairchild als Bildsensor, benötigte 23 Sekunden zur Speicherung eines einzigen Bildes auf einer Digitalkassette und wog gut 4 kg.

Weitere Entwicklung

Ab Ende der 1980er Jahre wurden Digitalkameras zunächst vorwiegend von professionellen Fotografen im Bereich der Studio-, Mode- und Werbefotografie sowie ab Mitte der 1990er auch in der Reportagefotografie eingesetzt. Frühe serienreife Modelle wurden von Apple (Apple QuickTake), Casio (QV-Series), Kodak (DCS), Sony (Mavica) und Canon (Powershot) angeboten; Konica Minolta (Dimage), Nikon (Coolpix), Olympus (Camedia) und andere folgten mit eigenen Modellreihen. 2002 wurde von Kyocera erstmals eine digitale Spiegelreflexkamera (englisch digital single lens reflex, DSLR) mit einem Sensor in voller Kleinbildgröße (Contax N Digital) vorgestellt. Inzwischen gibt es eine unüberschaubare Fülle an Modellen in allen Preisklassen und Ausstattungsstufen.

Im Heimanwenderbereich haben sich Digitalkameras zunehmend durchgesetzt und erzielen aufgrund rapide fallender Preise seit etwa 2003 höhere Verkaufszahlen als analoge Fotogeräte. Viele Hersteller haben inzwischen die Herstellung analoger Modelle ganz eingestellt oder stark reduziert.

In der Computertechnik (und damit verbunden der Digitalfotografie) herrscht eine hohe Innovationsgeschwindigkeit. Neue Geräte gelten bereits nach wenigen Monaten als veraltet, wodurch sich eine starke Belebung des gesamten Fotohandels ergab, der vor Einführung der Digitalkameras als gesättigt und technisch ausgereizt galt.

Bildwandlung

Wie bei einer Analogkamera wird das einfallende Licht mit einem Objektiv gesammelt und auf die Filmebene, in diesem Fall auf den Sensor, scharfgestellt (fokussiert). Die Filmebene ist in der Regel eine deutlich kleinere Fläche als ein Bild auf dem analogen 35-mm-Film einer Kleinbildkamera; nur höherwertige Digitalkameras verfügen über Bildflächen (und somit Sensoren) in Größe des APS-C-Negativs oder sogar über einen Vollformatsensor. Im professionellen Mittelformatbereich werden auch größere Sensoren eingesetzt.

Der Sensor kann entweder ein Flächensensor oder (selten) ein Zeilensensor sein. Der Flächensensor steht fest in der Filmebene, er registriert gleichzeitig das gesamte Bild. Zeilensensoren werden in Scannerkameras eingesetzt, die nach dem Scannerprinzip funktionieren, das heißt, sie arbeiten ähnlich wie ein Flachbettscanner und tasten das Bild zeilenweise ab: Der Zeilensensor wird mittels Antriebs über die Filmebene gefahren, dabei wird Zeile um Zeile erfasst.

Die Erfassung der drei Grundfarben kann gleichzeitig im selben Sensor geschehen, der dann für jeden Vollfarb-Pixel drei Subpixel besitzt. Die Grundfarben können jedoch auch räumlich getrennt erfasst werden, indem z. B. ein System aus halbdurchlässigen Spiegeln das einfallende Licht auf drei getrennte Sensoren für die drei Grundfarben verteilt. Als dritte Möglichkeit können die Grundfarben zeitlich getrennt erfasst werden: Gleichzeitig (One-shot-Kameras) oder nacheinander (Three-Shot-Kameras), wobei dann vor jeder Erfassung ein anderer Farbfilter vorgeschaltet wird.

Der Großteil aller Kameras verwendet einen Flächensensor mit Subpixeln.

Im Wesentlichen existieren zwei verschiedene marktgängige Flächensensor-Typen, der weit verbreitete CCD-Sensor (zum Beispiel in Kameras von Canon, Hewlett-Packard, Kodak, Nikon, Olympus, Panasonic, Pentax, Samsung oder Sony) mit der Variante des Super-CCD-Sensor (nur Fujifilm) sowie der CMOS-Sensor.

Eine Sonderstellung nimmt dabei der Foveon-Sensor ein, der in Sigma-Kameras zum Einsatz kommt. Dabei handelt es sich um einen dreischichtigen Sensor, der rotes, grünes und blaues Licht mit jedem Bildpunkt aufzeichnet. Daher bestimmen die drei Fotodetektoren die genaue Pixelfarbe. Dieses Mehrschichten-Prinzip entspricht der Anwendung bei Farbfilmen in der Farbfotografie, bei der ebenfalls verschiedenen farbempfindliche Schichten übereinander liegen. Für die Sigma dp2 Quattro wurde der Foveon-X3-Sensor neu überarbeitet und kann im Vergleich zu den Vorgängermodellen eine höhere Auflösung realisieren. Dem interessanten Prinzip zum Trotz hat auch die zweite mit Mikrolinsen ausgestattete Generation nicht zum durchschlagenden Erfolg geführt.

Bildverarbeitung

In einem digitalen Fotoapparat führt die Elektronik (z. T. gesteuert durch die Firmware) eine Reihe bildverändernder Verarbeitungen vor, während und nach der Aufnahme durch; diese werden unter dem Begriff der Bildverarbeitung zusammengefasst. Davon zu unterscheiden ist die Bildbearbeitung, die an der fertiggestellten Aufnahme durchgeführt wird.

Die Digitalkamera versucht durch den Weißabgleich – wie auch die Videokamera – die von einem Menschen bei Tages- oder Kunstlicht empfundenen Farben zu erfassen, unter Verlust der absoluten Farbtreue.

Die Homogenität, das heißt die gleichmäßige Schärfe und Helligkeit über das gesamte Bild, insbesondere am Bildrand, ist abhängig von den Abbildungseigenschaften und kann teilweise durch die kamerainterne Software ausgeglichen werden.

Die Qualität der kamerainternen Elektronik entscheidet auch über die Signaldynamik, das heißt, die von der Kamera unterscheidbaren Helligkeitsstufen sowie den Kontrastumfang des digitalen Bildes.

Die Kameraelektronik beeinflusst auch die Bildreinheit bzw. den Grad an Bildfehlern,, die sich beispielsweise als Bildrauschen oder Kompressionsartefakte zeigen.

• Digitaler Fingerabdruck

Bei Kameras mit einer Auflösung von drei Megapixeln und mehr lassen sich CCD-Fehler kaum vermeiden: Einzelne Zellen arbeiten möglicherweise überhaupt nicht, andere arbeiten dagegen mit unterschiedlicher Empfindlichkeit usw. Solche „Aussetzer“ können ebenso wie das besonders bei Nachtaufnahmen auftretende Bildrauschen von der Kamera-Elektronik zumindest vermindert werden.

Dennoch bleibt für jede einzelne Kamera ein individuelles Muster, das bei mindestens zwei vorliegenden Bildern als digitaler „Fingerabdruck“ extrahiert werden kann. Jeder Bildsensor in jeder Digitalkamera – vom Handy bis zum Profigerät – hat also einen eindeutigen Fingerabdruck, den er in jedem Bild hinterlässt. Man kann also ein Bild einer Kamera zuordnen, wie man eine Kugel einer Waffe zuordnen kann. Statt der Kratzer an der Patronenhülse wird das rauschartige Muster im Bild untersucht. Dieses Verfahren gilt als gerichtsfest. Das Analyseverfahren wurde primär für Fotos und Videos entwickelt, es ist sogar möglich, den Fingerabdruck aus gedruckten Bildern zu extrahieren. Selbst für den Fall, dass jemand einen falschen Fingerabdruck in ein Bild einfügt, gibt es mittlerweile Methoden, dies zu entdecken.

Zur Verbesserung der subjektiven Bildwirkung führt die Firmware darüber hinaus noch diverse Optimierungen durch. Dazu zählen beispielsweise:

• Scharfzeichnung: Erkennen und Verstärken von Übergängen/Kanten im Bild;
• Kontrastanhebung: Anhebung des Kontrasts im Bild;
• Farbsättigung: Erhöhen der Farbsättigung.

Bevor ein Foto ausgelöst wird, wird gegebenenfalls der Autofokus in Gang gesetzt, der die Scharfstellung übernimmt. Auch wenn mehrere Fotos vom selben Objekt gemacht werden, muss jeweils eine Scharfstellung erfolgen. Bei einigen Kameras kann der Autofokus ausgeschaltet werden. Außer bei Objektiven digitaler Systemkameras sucht man bei den meisten Digitalkameras einen Schärfe-Einstellring allerdings vergeblich. Lediglich über eine Menüstruktur kann eine manuelle Scharfstellung in Stufen erreicht werden, was die Einsatzmöglichkeiten der meisten Digitalkameras begrenzt. Auch wenn der Autofokus abgeschaltet wird, findet vor dem Auslösen in der Kameraelektronik noch ein Weißabgleich statt. Weil das jedoch nicht ausreichend ist, findet zusätzlich ein Schwarzabgleich statt, um das elektronische Rauschen des Sensors und Fehlerpixel herauszufiltern.

In einem Einstellungsmenü lässt sich die abzuspeichernde Bildauflösung wahlweise zur Einsparung von Speicherplatz reduzieren. Die niedrigste verfügbare Auflösungsstufe ist in der Regel 640×480 VGA (0,3 Megapixel).

Digitalzoom

Zusätzlich zu dem bei den meisten digitalen Kompaktkameras eingebauten optischen Zoom besitzen viele Modelle noch einen sogenannten digitalen Zoom. Tatsächlich handelt es sich dabei um eine Ausschnittvergrößerung, bei dem nur ein Teil aus der Mitte der Sensorfläche genutzt wird mit entsprechend verminderter Bildauflösung. Dieser Ausschnitt wird in der Kamera auf die jeweils eingestellte Auflösung vergrößert. Digitalzooms können für Fotografen nützlich sein, die ihre Bilder nicht nachbearbeiten wollen oder können. Sie sind kein Ersatz für ein optisches Zoomobjektiv, das dieselbe Vergrößerung bieten würde, da die Interpolation je nach Zoomstufe meist nur sehr unbefriedigende Ergebnisse erzielt. Eine nachträgliche digitale Vergrößerung mit einer geeigneten Bildbearbeitungssoftware ist in der Regel qualitativ mindestens gleichwertig und gleichzeitig flexibler, da beispielsweise der Bildausschnitt noch verschoben werden kann.

Kompaktkameras

Während sich Spiegelreflexkameras in äußerer Gestalt und Aufbau wenig von den filmbasierten Vorgängern unterscheiden, fällt bei den Kompaktkameras vor allem die extreme Miniaturisierung auf, die durch die starke Verkleinerung des Aufzeichnungsformates (Formatfaktor etwa 6 gegenüber Kleinbild) ermöglicht wird. Der inzwischen nur noch selten verbaute optische Sucher wurde durch großformatige Displays zur Bildgestaltung ersetzt.

Als Gehäuseformate haben sich für Ultra-Kompakte Quaderformate mit den Abmessungen einer Zigarettenschachtel durchgesetzt, wobei das Objektiv im Ruhezustand vollständig in der Front verschwindet und automatisch verschlossen wird. Manche Kompaktkameras sind mit innenliegendem Objektiv aufgebaut: Die Frontlinse ist starr im Gehäuse, das Licht wird mittels Prisma auf die senkrecht zur Aufnahmerichtung angeordneten beweglichen Linsenelemente für Zoom und Fokus im Gehäuseinneren gelenkt. Diese „Periskopobjektiv“ genannte Bauform ermöglicht besonders robuste Kameras, die sogar unter Wasser verwendbar sind.

Für etwas ambitioniertere Modelle ist eine Bauform ähnlich den klassischen Kompaktkameras mit vorstehendem Objektiv und Griffwulst üblich. Neuartige Sonderbauformen, zum Beispiel mit verdrehbaren Gehäusehälften wie die Pentax Optio X, haben sich nicht durchgesetzt.

Bridgekameras

Eine der ersten am Markt etablierten Mischformen zwischen Kompakt- und Spiegelreflexkameras war die sogenannte Bridgekamera mit festem Objektiv und elektronischem Sucher, ähnlich dem optischen Sucher einer Spiegelreflexkamera. Üblicherweise besitzen Bridgekameras Superzoom-Objektive.

Spiegellose Systemkameras

Auf der Basis des Anfang 2008 vorgestellten Micro-Four-Thirds-Standards der Hersteller Olympus und Panasonic wurde mit der LUMIX DMC-G1 erstmals eine Kamera mit Wechselbajonett, aber ohne Schwingspiegel vorgestellt, die zugleich eine neue Gattung digitaler Systemkameras begründete, die sogenannten MILC-, EVIL- bzw. CSC-Kameras (für mirrorless interchangeable lens, electronic viewfinder interchangeable lens bzw. compact system camera, auf Deutsch etwa spiegellose Kamera mit austauschbarem Objektiv, Kamera mit elektronischem Sucher und austauschbarem Objektiv bzw. Kompaktsystemkamera).

Anfang 2010 stellte auch Samsung mit der NX10 ein spiegelloses System vor, das, ebenso wie bei Sony die Kameras der Sony-NEX-Serie, einen Sensor im APS-C-Format verwendet. Im Sommer 2011 schließlich brachte Pentax mit seiner Pentax Q eine ebenfalls spiegellose Systemkamera auf den Markt, die ebenso wie die Nikon-1-Serie (Herbst 2011) auf einem sehr viel kleineren Aufnahmesensor aufbaut. Anfang 2012 brachte Pentax die K-01 und Fujifilm die X-Pro1 auf den Markt; beide verwenden einen Sensor im APS-C-Format.

SLT-Kameras

SLT-Kameras (für single lens translucent (mirror)) sind eine weitere Variante von Digitalkameras der Firma Sony, die zwischen den spiegellosen Systemkameras und den herkömmlichen digitalen Spiegelreflexkameras mit Schwingspiegel (DSLR) stehen. Sie nutzen einen teildurchlässigen Spiegel als Strahlteiler für die Umlenkung bzw. Aufteilung des einfallenden Bildes auf den Fotosensor und den Autofokus-Detektor. Bauform und Sensorgröße sind ähnlich denen von DSLR-Kameras, wodurch die Nutzung von SLR-Wechselobjektiven mit passendem Objektivanschluss möglich ist. Der Spiegel dient hier allein dem Autofokus mittels Phasenvergleich. Im Gegensatz zu Spiegelreflexkameras wird das Sucherbild elektronisch erzeugt, was – wie bei Kompakt- und spiegellosen Systemkameras – eine Voransicht des zu erwartenden Bildes möglich macht. SLT-Kameras haben den Vorteil des schnellen Autofokus (das sogar beim Filmen), der echten Voransicht des Bildes sowie – da der Spiegel nicht hochgeklappt werden muss – eine wesentlich höhere Serienbildgeschwindigkeit, eine kleinere Verzögerung beim Auslösen und leisere Auslösegeräusche. Nachteilig ist eine kleine zeitliche Verzögerung des Sucherbildes und ein Lichtverlust von 20 bis 30 %.

Digitale Spiegelreflexkameras

Viele Hersteller bieten außerdem Systemkameras mit einem Spiegelreflexsystem an, bei denen der Film der herkömmlichen „Analog“-Kamera durch einen digitalen Bildsensor ersetzt ist. Sie werden im Englischen als digital single lens reflex, kurz DSLR, bezeichnet. Entsprechend gibt es zu solchen Kameras eine große Auswahl an Wechselobjektiven, allerdings meist auch mit wesentlich geringerem Zoomfaktor als bei den fest montierten Zoom-Objektiven der Kompakt- und Bridgekameras. Ähnlich wie bei herkömmlichen Systemkameras gibt es auch hier Ausführungen mit auswechselbarer, in diesem Fall digitaler Kamerarückwand, die an den Kamerabody angesetzt wird, sowie Modelle, bei denen zwischen analoger oder digitaler Rückwand gewechselt werden kann.

Effektive Auflösung im Zusammenspiel von Optik und Sensorik

Die effektive Auflösung wird in Linienpaaren pro Millimeter angegeben; man spricht davon, dass ein Objektiv an einem bestimmten Sensor eine gewisse Anzahl von Linienpaaren pro Millimeter (lp/mm) abbilden kann. Von den ermittelten Linienpaaren lassen sich Rückschlüsse über die effektive Auflösung in Megapixel ableiten. Abhängig von der optischen Abbildungsleistung in Kombination mit der Blende entstehen gewöhnlich unterschiedliche Werte für Bildmitte und Bildrand.

Eine geringe Pixelzahl stellt bei modernen hochauflösenden Bildsensoren von weit über 16 Megapixeln nicht mehr den Flaschenhals dar hinsichtlich der damit verbundenen Beurteilung der Gesamtqualität einer Kamera. Eine höhere Auflösung führt nicht zwangsläufig zu einem höheren Schärfeeindruck. Denn eine Kompaktkamera mit beispielsweise einem 1/2,3″-Sensor hat eine Sensorgröße von 6,2 mm × 4,6 mm, was bei 16 Megapixeln zu einer Pixelgröße mit einer Seitenlänge von 1,35 µm führt (in Höhe und Breite). Durch die Beugung am Objektiv mit typischer Blende von F2,8 wird ein Lichtpunkt auf ein Beugungsscheibchen von 3,75 µm Durchmesser abgebildet. Das bedeutet, dass es bei diesen Sensorgrößen nicht gelingen kann, dass ein Lichtpunkt nur ein einzelnes Pixel belichtet, auch wenn man von einem Objektiv ohne Abbildungsfehler ausgeht, wobei hier bei billigen Kameras häufig gespart wird.

Die optische Auflösung ist von der Größe des Beugungsscheibchens und damit von der Blende des Objektivs abhängig.

Bei einem Mittelformatsensor mit den Abmessungen 48 mm in der Breite und 36 mm in der Höhe lässt sich mit einer Auflösung von 123 Megapixeln eine zur Blende F2,8 passende Pixelgröße von 3,75 µm realisieren. Bei gebräuchlichen Vollformatsensoren (auch Kleinbildformat genannt), die eine Breite von 36 mm und eine Höhe von 24 mm aufweisen, sind es 61 Megapixel. Bei einer noch höheren Auflösung wird auch bei diesen relativ großen Sensoren die physikalisch sinnvolle Grenze für Objektive mit Blende F2,8 (oder höher) überschritten.

Zum Vergleich bieten hochauflösende Diafilme der analogen Fotografie eine noch feinere Granularität, wie beispielsweise der Fuji Velvia 50. Fuji gibt die Leistung dieses Films unter idealen Kontrastbedingungen mit 160 Zeilen (80 Linienpaare) pro Millimeter an; eine digitale Kamera bräuchte einen Kleinbild-Vollformat-Sensor mit 87 Megapixeln, um an diese Auflösung heranzukommen. Dabei geht diese Angabe von einem gebräuchlichen Bayer-Farbsensor aus, der die Farben rot, grün und blau mit separaten Sensorpixeln erfasst, um sie dann zu einem Farbwert zusammenzurechnen. Dagegen genügen bei einem Monochromsensor 44 Megapixel, um 80 lp/mm erfassen zu können. Eine zu der jeweiligen Auflösung passende Blende des Objektivs vorausgesetzt:

Bei einem sehr lichtstarkten Objektiv mit einer Blende von F1,5 liegt der Durchmesser des Lichtpunkts (des Beugungsscheibchens) bei nur 2 µm, was einer optischen Auflösung von 125 lp/mm entspricht, sobald die Lichtpunkte auf einen Farbsensor treffen, beziehungsweise 177 lp/mm bei der Verwendung eines Monochromsensors. Bei Blende F2,2 nimmt jeder Lichtpunkt 3 µm ein (83 lp/mm Farbe oder 118 lp/mm Monochrom). Solche Objektive könnten unter idealen Bedingungen (ohne optische Abbildungsfehler, keine Verwacklung sowie gutes Licht und idealer Kontrast) sogar eine höhere optische Auflösung liefern, als der Fuji Velvia 50 mit seinen 80 lp/mm beziehungsweise ein 87 Megapixel Kleinbild-Vollformat-Farbsensor zu erfassen vermag. Bei Blende F3 liegt hingegen der Durchmesser pro Lichtpunkt bei 4 µm (62 lp/mm Farbe oder 89 lp/mm Monochrom), bei Blende F4,5 sind es 6 µm (42 lp/mm Farbe oder 59 lp/mm Monochrom) und bei Blende F6 sind es 8 µm (31 lp/mm Farbe oder 44 lp/mm Monochrom).

Die Auflösungswerte beziehen sich in der Tabelle einzig auf die physikalischen Grenzen der Optik; ein Objektiv ohne Abbildungsfehler vorausgesetzt. Anders als in der analogen Fotografie sind in der digitalen Fotografie die technischen Grenzen damit nicht ausgeschöpft. Das Phänomen der Beugung ist wissenschaftlich mathematisch aufgearbeitet, so dass es berechenbar ist. Genügend Rechenkraft vorausgesetzt ist es möglich die Auswirkungen der Beugung aus einem Bild bereits in der Kamera herauszurechnen. Darüber hinaus kann eine trickreiche Erzeugung eines Bildes, das beispielsweise durch Zusammenrechnen mehrerer Aufnahmen erstellt wird, dabei helfen die Abbildungsqualität deutlich zu verbessern. Denkbar wäre die Zusammenrechnung zweier Aufnahmen bei Offenblende und bei in der Kamera eingestellter Blende, um die Auflösung auf Fokusebene zu erhöhen. Die Möglichkeiten der digitalen Bildaufbereitung liefern bemerkenswerte Resultate. Beispielsweise konnte im November 2019 anhand eines Bildes aus einer 61-Megapixel-Kleinbild-Kamera, das bei Blende F8 aufgenommen wurde, eine effektive Auflösung von 90 Linienpaaren ermittelt werden. Auch die Nebenwirkungen einer hohen Auflösung wie erhöhtes Rauschen, Artefakte und Texturverluste lassen sich mit genügend Rechenkraft herausrechnen. Je höher die Pixelanzahl des Sensors ist, desto besser sind die Voraussetzungen dafür.

An einem Objektiv ohne Abbildungsfehler verringert eine höhere Blendenzahl zwar rein rechnerisch die optische Auflösung auf der gesamten Abbildungsfläche. Demgegenüber wirkt sie optischen Abbildungsfehlern entgegen. Je größer der Bildkreis des Objektivs, desto schwieriger und teuer ist es Objektivfehler zu minimieren. Im Vergleich zur Offenblende erhöht daher eine höhere Blendenzahl bis zu einem gewissen Punkt häufig die Auflösung am Bildrand. Dagegen nimmt sie in der Bildmitte mit zunehmender Blendenzahl meist schneller ab als am Rand, weil das in der Regel der Bereich mit den geringeren Abbildungsfehlern ist. Doch auch in der Bildmitte können Abbildungsfehler zu dem Phänomen führen, dass die höchste Auflösung nicht bei Offenblende erreicht wird; sowohl an der 50 Megapixel auflösende Canon EOS 5DS R mit dem Objektiv Canon EF 35 mm F1.4 L II USM als auch an der 61 Megapixel auflösenden Sony Alpha 7R IV mit dem Objektiv Sony FE 35 mm F1,8 wird der beste Auflösungswert in der Bildmitte erst bei Blende F4 erreicht, mit deutlichem Abfall bei höherer und niedrigerer Blende.

Die effektive Auflösung, die sich im Zusammenspiel von Optik und Sensorik ergibt, kann anhand von Testbildern festgestellt werden, zum Beispiel mit der Auflösungskarte (engl. chart) nach ISO 12233.

Mittelformat und Kleinbild-Vollformat

Die größten Sensoren in der Digitalfotografie sind die Mittelformatsensoren. Es gibt unterschiedliche Sensorgrößen beim Mittelformat; sogar innerhalb der Produkte eines Herstellers schwanken deren Abmessungen (beispielsweise Pentax 645Z: 43,8 × 32,8 mm, Pentax 645D: 44,0 × 33,0 mm, Hasselblad H5D-40: 43,8 × 32,9 mm, Hasselblad H5D-50: 49,1 × 36,7 mm, Hasselblad H5D-50: 53,7 × 40,2 mm, Hasselblad H5X: 56,0 × 41,5 mm, Mamiya ZD: 48 × 36 mm).

Die nächstkleineren Sensoren sind die Vollformatsensoren (auch Kleinbildformat genannt). Deren Breite und Höhe liegen einheitlich bei 36 * 24 mm.

Auch wenn theoretisch ein Objektiv mit typischer größter Blende von F2,8 optisch auf einem Kleinbild-Vollformat-Sensor mit maximal 61 Megapixeln Auflösen könnte, sind in der Praxis bereits 40 Megapixel grenzwertig, da selbst die im Jahr 2015 im Handel erhältlichen besten Objektive nicht genügend Details für diese Auflösung liefern: Zahlreiche Objektive aus dem Profi-Segment können solche Sensoren meist mit einer Auflösung von etwa 20 Megapixeln, selten mit 30 Megapixeln mit genügend Details versorgen; lediglich das Zeiss-Otus 85 schafft im Jahr 2015 eine Auflösung von 35 Megapixeln. Mit der Auflösung steigen auch die Anforderungen an den Fotografen. Ein hochauflösender Bildsensor von deutlich mehr als 20 Megapixeln bringt bei guten Lichtverhältnissen in Kombination mit einer extrem guten Optik nur dann einen Detailzuwachs, wenn der Fotograf auf eine exakte Fokusgenauigkeit achtet und eine sehr ruhige Hand hat, da bereits kleine Verwacklungen dem Detailzuwachs entgegenwirken. Liegt die Sensor-Auflösung deutlich über der Auflösung des Objektivs, kann eine Verringerung der Foto-Auflösung dabei helfen, die Bildqualität zu verbessern.

Da die Pixelgröße sowie – davon abhängig – der Pixelabstand (Pixelpitch) bei zunehmender Sensor-Auflösung kleiner wird, werden sie bei ungünstigen Lichtverhältnissen anfälliger für Bildrauschen, was den Verlust von Details und Brillanz mit sich bringt. Um diesen Effekt gering zu halten sollten Kleinbild-Vollformat-Sensoren idealerweise eine Auflösung von nicht deutlich mehr als 20 Megapixeln haben. Demgegenüber rauscht eine 50-Megapixel-Kamera bei gleicher Sensorgröße zwar stärker als eine 20-Megapixel-Kamera bei Betrachtung auf Einzel-Pixelebene der Rohdaten (Raw-Format). Betrachtet man die zwei Fotos jedoch auf einer gleich großen Ausgabegröße (beispielsweise auf einem DIN-A4-Ausdruck) so ist der Bildeindruck derselbe; mehr Megapixel führen im Ausdruck nicht zwangsweise zu höherem Rauschen. Zudem lässt sich das Bildrauschen automatisiert bereits in der Kamera besser wegrechnen (Rauschfilter), je höher die Auflösung ist, da pro Flächenabschnitt mehr benachbarte Bildpunkte bei starker Abweichung einzelner Werte (Rauschen) zur Berechnung eines Mittelwerts herangezogen werden können. In den Rohdaten nimmt das Rauschen also zu, im Endprodukt (dem fertigen JPEG) jedoch wieder ab. Werden die Rohdaten am Computer bearbeitet, so kommt in aller Regel auch dort dieser Mechanismus (englisch Denoise) innerhalb der Bearbeitungssoftware (Raw-Konverter) zum Tragen.

Die Texturen feiner Details können sichtbar unter einer solchen Rauschunterdrückung leiden. Siehe dazu den quadratischen Ausschnitt im Bild rechts im Bereich der Blätter. Das wirkt dem (möglichen) Detailgewinn der hohen Auflösung entgegen. Dennoch zeigt ein Vergleich zwischen beispielsweise der Sony A7 II (24 Megapixel-Kamera) und A7 R II (42 Megapixel-Kamera) einen beachtlichen Vorteil der hochauflösenden Bildsensoren gerade in dieser Disziplin auf: In einem Testlabor wurden die Rohdaten zunächst auf Einzel-Pixelebene betrachtet. Die 24 Megapixel-Kamera war der 42 Megapixel-Kamera beim Signal-Rauschverhalten deutlich überlegen. Trotzdem liefert das auf gleicher Ausgabegröße verkleinerte Foto der 42 Megapixel-Kamera mehr Details im JPEG-Endprodukt, trotz stärkerer Rauschunterdrückung – Zitat: „Hier können die hochauflösenden Kleinbildsensoren tatsächlich von ihrer höheren Auflösung profitieren trotz kleinerer [rauschempfindlicher] Pixel bei hohen ISO“. Bis ISO 12.800 liefert die A7 R II eine mehr als brauchbare Bildqualität mit nur geringem Detailverlust, bei der A7 II mit 24 Megapixel Bildsensor liegt die Grenze hingegen bei ISO 3.200.

Der ISO-Wert bestimmt mit wie viel Energie der Sensor angesteuert wird. Er nimmt Einfluss auf die Lichtempfindlichkeit des Sensors und kann zwischen ISO 50 oder ISO 100 (geeignet für helles Tageslicht oder für lange Belichtungszeiten) und einigen hundert, tausend, zehntausend, mitunter sogar hunderttausend liegen. Je höher der Wert ist, desto kürzer kann die Belichtungszeit ausfallen, was vor allem nützlich ist, um ohne Stativ bei niedrigem Licht verwacklungsfreie Fotos zu erstellen. Allerdings nimmt damit das Bildrauschen zu.

Mit Stand Februar 2018 lieferte bei einem High-ISO-Auflösungs-Vergleich mit ISO 51.200 die jeweils höher auflösende Kamera ebenfalls die besseren Bilder. Verglichen wurden die Raw-Dateien einer Sony Alpha 7S II (12 Megapixel) mit einer Sony Alpha 9 (24 Megapixel) und Sony Alpha 7R III (42 Megapixel). Die jeweils höher auflösende Kamera zeigt zwar ein aggressiveres Rauschen, enthält aber deutlich mehr Details und das Rauschen ist feinkörniger und damit weniger störend, wobei das Bild insgesamt deutlich schärfer wirkt. Innerhalb dieses Tests war es für das Ergebnis unerheblich, ob für den Vergleich das Bild der hochauflösenden Kameras runter oder das der niedrigauflösenden Kameras hochskaliert wurde.

APS-C-Format, Kompaktkameras und Handys

Die Auswirkung einer hohen Sensorauflösung unterscheidet sich bei der Verwendung kleiner Kompaktkamera- und Handy-Sensoren stark von den Kameras, die mit einem Kleinbild-Vollformat-Sensor ausgestattet sind.

Mit Stand Februar 2015 lösen selbst die relativ großen Sensoren von APS-C-Kameras mit einer guten Linse optisch nur etwa 9 Megapixel auf, auch wenn der Sensor beispielsweise 20 Megapixel oder mehr verspricht und theoretisch eine optische Auflösung von 26 Megapixel möglich wäre (an einem Objektiv mit einer typischen Blende von F2,8). Die 4⁄3-Zoll-Sensoren der Four-Thirds- und Micro-Four-Thirds-Kameras können in der Theorie an einem solchen Objektiv optisch bis 16 Megapixel auflösen, in der Praxis kommen sie im Jahr 2015 lediglich auf zirka 5 Megapixel. Demgegenüber zeigen Labortests mit Stand Februar 2018 das Micro-Four-Thirds-Kameras üblicherweise zwar mit 20 Megapixel-Sensoren ausgestattet sind, die Kameras jedoch kaum mehr Auflösung als bei 16 Megapixeln erzielen. Im Umkehrschluss bedeutet das, dass hier bis hin zu 16 Megapixeln eine Steigerung der Auflösung möglich war.

Andere Kompaktkamera-Sensoren sind in der Regel noch weitaus kleiner. Die kleinsten Vertreter finden sich meist in Handys. Je kleiner eine hochauflösende Sensorfläche ist, desto größer fällt der Effekt des Bildrauschens aus. Dessen Bereinigung nimmt hier einen starken Einfluss auf die Darstellung der Details, was nun nicht mehr nur bei der Betrachtung auf Einzel-Pixelebene auffällt, sondern auch bei der Betrachtung des Gesamtfotos. Hier kann es helfen, per Kameraeinstellung die Foto-Auflösung zu verringern.

Foto-Auflösung verringern um Bildqualität und Performance zu erhöhen

Hochauflösende Fotos werden bei der Verarbeitung (Ausdruck etc.) in der Auflösung stark reduziert, was auf den ersten Blick bereits gegen eine hohe Sensor-Auflösung spricht. Andererseits gilt dabei der Grundsatz: Selbst unter idealen Bedingungen (großer Bildsensor, gute Optik) ist ein heruntergerechnetes (verkleinertes) Foto einer höher auflösenden Kamera detailreicher als das einer Kamera mit genau dieser Auflösung. Das gilt auch bei ungünstigen Lichtverhältnissen. Denn obgleich die Pixel kleiner und damit rauschempfindlicher sind, je höher ein Bildsensor auflöst, kann trotz stärkerer Rauschunterdrückung bei hohen ISO-Werten ein verkleinertes Foto mehr Details enthalten.

Bei der Verkleinerung kommt es zu keinem Detailverlust, solange entweder die Auflösung des Objektivs nicht unterschritten wird. Das ist die untere Verkleinerungsschwelle, die bei Vollformat-Sensoren beispielsweise je nach Objektiv bei 30 Megapixeln liegen kann, was noch immer große Fotos erzeugt und so für Bearbeitungsfreiheit sorgt. Oder es wird die benötigte Größe für die Ausgabe als Auflösungseinstellung gewählt (beispielsweise 8 Megapixel für DIN-A4-Ausdrucke in 300 dpi oder für die Ausgabe auf einem 4k-Monitor etc.). Das ist die obere Verkleinerungsschwelle, die nicht überschritten werden sollte, um Qualitätsverluste bei der Ausgabe zu vermeiden. Sie ist hauptsächlich für Fotografen geeignet, die ihre Fotos nicht nachträglich bearbeiten. Die ideale Kamera-Einstellung ist somit abhängig von der Anforderung des Fotografen und könnte sinnvollerweise zwischen diesen beiden Schwellen liegen.

12 Megapixel bieten beispielsweise Spielraum, um den Horizont zu begradigen mit zusätzlichen Platz für kleinere Zuschneidearbeiten, wodurch die Auflösung weiter abnimmt, ohne im Ergebnis die 8 Megapixel zu unterschreiten. 20 Megapixel erlauben größere Zuschneidearbeiten. Ist das Ergebnis kleiner, beispielsweise 6 Megapixel groß, so lässt sich der DIN-A4-Ausdruck noch mit 255 dpi erstellen, was zu einem leichten Detailverlust führt. In der Praxis fällt der Unterschied kaum auf; Stiftung Warentest schreibt sogar, dass 4 Megapixel als Basis für Fotoabzüge und Ausschnittsvergrößerungen genügen, was laut dpi-Tabelle bis zu einem Ausdruck von 13 × 18 cm zutreffend ist.

Aufgrund des Zusammenspiels von Optik und Sensorik und deren Grenzen in hochauflösenden Kompaktkameras und Handys empfiehlt die Stiftung Warentest, die Foto-Auflösung sogar auf ein Viertel der Sensorauflösung zu reduzieren, um die Bildqualität zu verbessern, wobei sie dabei nicht unter 4 Megapixel im Ausgabeformat gehen. Ein Viertel der Sensorauflösung ist auch deshalb eine gute Wahl, weil abhängig von der Kamera dann vier Bildpunkte bei der Aufnahme zu einem Bildpunkt zusammengezogen werden können, was eine bessere Aufnahmequalität vor allem bei kleinen Kamera-Sensoren zur Folge hat. Teilweise wird das durch Überabtastung (englisch: oversampling) erreicht.

Unabhängig von der Sensorgröße werden durch übermäßig hochauflösende Fotos die Bilddateien unnötig groß, das Dunkelstromverhalten wird negativ beeinflusst und die Datenübertragung, das Kopieren der Fotos sowie die Bildverarbeitung werden verlangsamt. Es kann also sinnvoll sein, die Auflösung der Fotos bereits in der Kamera zu verringern. Das wirkt sich zudem positiv auf die Bildqualität aus, zum einen weil die Verkleinerung in sich bereits das Bildrauschen mindert, zum anderen weil dieser Eingriff dafür sorgt, dass die Kamera das Bild beim Entrauschen weniger aggressiv bearbeitet. Im Unterschied zur kamerainternen Rauschminderung hat die Verkleinerung eine entsprechend positive Auswirkung auch auf die Rohdaten. Ein solcher Small-Raw-Modus wird beispielsweise bei Canon „mRaw“ und „sRaw“ genannt (mit je unterschiedlichen Verkleinerungsstufen). Demgegenüber fehlt es bei vielen Kameramodellen an einer entsprechenden Einstellung, die es erlaubt neben den Dateien im JPEG-Format auch die Rohformat-Auflösung zu verringern; bei Canon bleiben diese Modi bislang (Stand 2018) den teureren Kameras vorbehalten.

Grenzen der visuellen Wahrnehmung

Das maximale Kontrastempfinden des menschlichen Auges liegt bei einer Ortsfrequenz von etwa fünf Bogenminuten. Das gesunde Auge hat bei guten Lichtverhältnissen ein Auflösungsvermögen von etwa einer Bogenminute, bei der Helligkeitsunterschiede noch erfasst werden können. Bei einem normalen Sehwinkel von zirka 47°Für die Bilddiagonale ergibt sich eine Anzahl von etwa vier Millionen Bildpunkten (zirka 1500 Linienpaare entlang der Diagonalen), die ohne Farbinformation unterschieden werden können. Für ein Bild mit maximaler Kontrastempfindung reichen bei normalem Bildwinkel dementsprechend sogar nur 0,2 Megapixel vollkommen aus (zirka 300 Linienpaare entlang der Diagonalen). Ist der Bildwinkel größer als der normale Sehwinkel, kann das Bild nicht mehr vollständig auf einen Blick erfasst werden, und nur ein Ausschnitt wird betrachtet. Ist der Bildwinkel kleiner als der normale Sehwinkel, reichen sogar noch weniger Bildpunkte aus, ohne dass es zu Einschränkungen bei der wahrgenommenen Auflösung beziehungsweise dem wahrgenommenen Kontrast kommt.

Dabei ist zu beachten, dass es sich bei den meisten Bildsensoren, die in Kameras eingesetzt werden, um Bayer-Sensoren handelt, die in jedem Bildpunkt („Subpixel“) nur eine einzige Primärfarbe registrieren. Die fehlenden Farben werden in diesen Fällen durch Interpolation der benachbarten Bildpunkte ermittelt. Die „effektive Auflösung“ ist somit etwas geringer als die Subpixel-Dichte. Das ist zwar nachteilig, andere wesentliche Einflüsse auf den Schärfeeindruck bleiben jedoch annähernd vollumfänglich erhalten.

Wie oben erläutert, wird Infrarotstrahlung normalerweise herausgefiltert, bevor das Licht auf den Sensor trifft, da dieser durch sein Grundmaterial Silizium bis zu Wellenlängen von etwas über 1 μm (sichtbares Licht weist nur Wellenlängen bis zu ca. 0,7 μm auf) empfindlich ist. Diese Filterung wird aber nicht allzu rigide durchgeführt, so dass immer noch ein deutlicher Anteil solcher „nahen Infrarotstrahlung“ durchkommt. Man kann das leicht überprüfen, indem man eine Fernbedienung für Fernsehgerät oder DVD-Player o. ä. auf die Kamera richtet. Im digitalen Sucher kann man deutlich ein (weißliches) Licht erkennen, während das Auge gar nichts sieht. Es geht dabei aber nur um nahes Infrarot; die Effekte, die bei Infrarotfotografie mit speziellen Infrarotfilmen erzielt werden, wie beispielsweise Verschwinden von störendem Dunst bei Fernaufnahmen, kommen erst bei noch wesentlich höheren Wellenlängen zum Tragen, die mit diesen Sensoren nicht erreichbar sind.

Videoaufnahme

Fast alle Kameras bieten über einen „Videomodus“ auch die Möglichkeit, Videosequenzen aufzunehmen. Wegen der notwendigen Bildwiederholrate jedoch stets in niedrigerer Auflösung als die von der Kamera aufnehmbaren Standbilder. Früher lag die Videoauflösung meistens unter denen der damals gängigen Videokameras, mittlerweile wird fast Ausnahmslos HD-Auflösungen bis Full HD (also 1920 × 1080 Pixel) Auflösung erreicht. Einige Consumer-Modelle, wie etwa die GoPro Hero 3, unterstützen bereits sogar 4k-Aufnahmen. Während bei früheren Modellen die Videos meist im Rechenzeit-sparenden, jedoch speicherintensiven Motion-JPEG-Format gespeichert wurden, kommen mittlerweile meist auch hochwirksame Kompressionsformate wie MPEG-4 und H.264 zum Einsatz. Andernfalls können die Videosequenzen nach dem Übertragen auf den Rechner in ein effizienteres Format umgewandelt werden.

Bis zur Veröffentlichung der Nikon D90 2008 entfiel die Möglichkeit der Videoaufzeichnung für Spiegelreflexkameras systembedingt. Neuere Kameras wie die Nikon D3s oder die Canon EOS 550D können auch HD-Videos aufzeichnen.

Lange Zeit konnten die meisten Digitalkameras während der Videoaufnahme zwar zoomen, jedoch nicht (neu) fokussieren. Auch führten sie meist keinen sich während der Aufnahme anpassenden Weißabgleich oder Helligkeitsanpassung durch. Mittlerweile (Stand 2015) gibt es immer mehr Kameras, die Camcordern diesbezüglich nicht mehr nachstehen.

Metadaten

Digitalkameras betten in die Bilddaten sogenannte Metainformationen ein, die im Exif-Standard spezifiziert sind. Diese Exif-Metadaten finden sich im Header der Datei. Viele Bildbearbeitungsprogramme sowie spezielle Werkzeuge können diese Daten auslesen und anzeigen. Sie finden auch bei der Ausbelichtung des digitalen Bildes auf Fotopapier im Fotolabor Anwendung. Zu den via Exif automatisch für jede Aufnahme gespeicherten Parametern gehören beispielsweise Datum bzw. Uhrzeit, Belichtungszeit, Blendenzahl, Belichtungsprogramm, Belichtungsindex (nach ISO), Brennweite, Weißabgleich oder Blitzverwendung.

Einige Kameras unterstützen mittels eingebautem oder zusätzlich angeschlossenem GPS-Modul das Geo-Imaging und können Informationen zum Aufnahmeort speichern, beispielsweise geografische Länge und Breite sowie GPS-Höhe, GPS-Zeit oder GPS-Blickrichtung.

Sprachnotiz

Einzelne Modelle wie die Maginon SZ 24 ermöglichen wahlweise die ausschließliche Aufnahme von Ton durch das Mikrofon für Sprachnotizen.

Begleitdateien

Zum schnellen, effizienten Einlesen von Vorschaubildern in einer Miniaturansicht und der Erhaltung von Metadaten werden zu Film- und Rohaufnahmen bei manchen Herstellern kleine Begleitdateien mit niedrigauflösenden Vorschaubildern gespeichert, beispielsweise mit „THM“-Endung bei Canon. JPEG-Bilder können bereits eigenständig ein kleines Vorschaubild erhalten.