[chris31]

Hallo zusammen,

ich beschäftige mich erst seit kurzem intensiver mit der Fotografie und habe in diesem Zusammenhang mal ein paar grundliegende Fragen: Warum kann bei der Analogenfotografie ein höheres Kontrastspektrum als bei der Digitalen abgebildet werden? Ist das ein technisches oder ein physikalisches Problem das dahinter steckt?

Ich habe in letzter Zeit schon einiges dazu gelesen (HDR, etc.) aber irgendwie noch keine knackige Antwort darauf gefunden, warum man nicht ein Foto mit HDR ähnlichem Kontrastumfang mit einem einzigen Schuss erreichen kann. Auch hier wieder: technisches (das evtl. irgendwann lösbar ist) oder physikalisches Problem (mit dem wir einfach leben müssen)? Ich hoffe mir kann jemand auf die Sprünge helfen (gerne auch durch Literaturangaben).

Vielen Dank im Voraus,

Christoph

PS: Bitte ins passende Unterforum verschieben; ich hatte echt keine Ahnung wo ich das einsortieren könnte, da es anscheinend so etwas wie "Fototheorie" oder "Technik allgemein" nicht zu geben scheint.

[Alison]

Hallo Christoph,

es ist nicht so dass ein Farbfilm einen höheren Konstrastumfang bewältigen kann als eine moderne Digitalkamera. Diese Behauptung stammt noch aus der Anfangszeit der Digitalkameras.

Einzig s/w Filme können noch einen höheren Umfang haben, der dann aber auch nicht leicht aufs Papier zu bringen.

[Tikal]

Sind das nur messbare oder auch für das geübte Auge sichtbare Unterschiede? Sei es jetzt ob Digital oder Analog mehr Kontrast aufweist.

[usch]

Der eigentliche Flaschenhals ist immer die Präsentation. Auf Papier bestimmt das Druckverfahren und das Trägermaterial den möglichen Tonwertumfang, und ein mit JPEGs gefütterter Beamer hat halt nur 8 Bit Farbtiefe pro Kanal, egal wie groß die Dynamik des Ausgangsmaterials war.

Film ist allerdings in gewisser Weise gutmütiger als ein digitaler Sensor - digital frißt ein Bild bei Überbelichtung sofort aus, analog flacht die Empfindlichkeitskurve nach oben hin immer mehr ab, so daß man da mit etwas Mühe doch noch ein bißchen Zeichnung herauskratzen kann. Mit dem erfaßbaren Kontrastumfang hat das aber nur indirekt zu tun.

[fotomartin]

Hallo Chris,

der begrenzte Dynamikumfang liegt bei einem Bildsensor an der Physik, die dahinter steckt.

Ein "Sensor" besteht aus Einzelteilen, pro Pixel wären da (nur die relevanten):
- eine Photozelle, welche die auftreffenden Photonen in Elektronen umwandelt, sagen wir mal Beispielsweise, pro Photon entsteht ein Elektron
- ein Kondensator in den die Elektronen fließen (je mehr Elektronen in den Kondensator fließen, desto größer wird dessen Spannung)
- einen Verstärker, der die analoge Spannung verstärkt - den Verstärkungsfaktor beeinflusst man durch die Wahl der ISO-Empfindlichkeit
- einen ADC (Analog-Digital-Konverter), der das verstärkte analoge Spannungssignal digitalisiert, das tut er mit einer bestimmten Auflösung, oft 12 bit, d.h. mit 2^12 = 4096 verschiedenen Abstufungen von ganz dunkel bis ganz hell.

Entscheidend für die Dynamik ist aber nicht der ADC, der legt lediglich fest, wie fein die Töne dazwischen aufgelöst sind. Entscheidend ist die Photozelle und der Kondensator.
Letzterer ist nämlich irgendwann voll, d.h. das betreffende Pixel ist ganz hell. Wenn jetzt noch weitere Elektronen kommen, werden die vom Kondensator nicht mehr reingelassen und erhöhen die Spannung des Kondensators nicht mehr. Folge: Die Lichter fressen aus. Sagen wir mal, das passiert bei 1000 Elektronen.
Die Photozelle ist für die untere Grenze verantwortlich: Wenn es ganz dunkel ist, kommen nur ganz wenige Photonen zur Photozelle. Da die Photozelle aber meistens nicht auf den absoluten Nullpunkt (-273°C) gekühlt wurde, lösen sich hin und wieder auch einfach so Elektronen, aufgrund der Temperatur des Sensors. Das ist eine Eigenschaft des Halbleitermaterials, die sich technologisch nur bedingt beeinflussen lässt. Die "falschen" Elektronen fließen natürlich auch zum Kondensator und sind dann als Störsignal sichtbar. Man sagt dazu auch "Rauschen". (deswegen rauscht ein Sensor auch mehr, wenn er wärmer ist, also wenn er schon lange in Betrieb ist) Wenn jetzt also nur wenige Photonen kommen, gibt es nur wenige "echte" Elektronen, die dann im Strom der ganzen "falschen" Untergehen.
Da gibt's das Signal-Rausch-Verhältnis, also das Verhältnis von "echten" zu "falschen" Elektronen. Wenn das unter einem bestimmten Schwellenwert liegt, dann sagt man - dort ist nur noch Rauschen, da kann man nix mehr erkennen. Sagen wir mal, das passiert, wenn weniger als 10 "echte" Elektronen kommen.
(das ist natürlich Definitionssache, daher gehört zur Angabe des "Dynamikumfangs" auch d die Angabe dieser Grenze. Bei DXO-Mark basieren die angegebenen Dynamik-Werte auf einer Grenze von 0dB, das heisst, genausoviele "echte" wie "falsche" Elektronen. http://www.dxomark.com/index.php/en/...se-Case-Scores

Dadurch ergibt sich also, dass der Sensor in unserem Beispiel nur Helligkeiten zwischen 10 und 1000 Photonen pro Belichtung wiedergeben kann. Das wären dann ca. 6 2/3 Blendenstufen.
D.h. für mehr Dynamik müsste man den Kondensator vergrößern oder das Rauschen der Photozelle verringern.
Alternativ könnte man auch den Verstärkungsfaktor jedes Pixels individuell einstellen, also jedes Pixel könnte einen individuellen ISO-Wert haben. Darauf hat Canon ein Patent angemeldet, aber es gibt noch keine Kamera, die sowas hat. Ist auch nicht so einfach, es gibt da ähnliche Schwierigkeiten, wie bei einem HDR Bild, das aus mehreren Aufnahmen zusammengesetzt ist, hinsichtlich dessen, das es künstlich aussieht, wenn man's übertreibt.

Hoffe, ich konnte weiterhelfen.

Gruß,
Martin

[aidualk]

Zitat von chris31

ich beschäftige mich erst seit kurzem intensiver mit der Fotografie und habe in diesem Zusammenhang mal ein paar grundliegende Fragen: Warum kann bei der Analogenfotografie ein höheres Kontrastspektrum als bei der Digitalen abgebildet werden? Ist das ein technisches oder ein physikalisches Problem das dahinter steckt?

Kontrastumfang bei:
Diafilm: ca 6-7 Blenden
Negativfilm: ca. 9-10 Blenden
Sensor: ca. 13-14 Blenden

[chris31]

Zitat von Alison

es ist nicht so dass ein Farbfilm einen höheren Konstrastumfang bewältigen kann als eine moderne Digitalkamera.

Nicht? Ich müsste jetzt erstmal suchen, bin mir aber sicher, dass ich das schon öfters gelesen habe. Ich kann es anhand eigener Erfahrungen leider weder be- noch wiederlegen, da ich seit einer Ewigkeit keine analoge Kamera mehr in der Hand hatte.

Habs gerade gefunden. Unter http://striewisch-fotodesign.de/lehrgang/3_6.htm wurde das z.B. erwähnt. Irgendwo hab ich auch ein ganz nettes Beispiel dafür gesehen. Finds aber gerade nicht mehr. Es kann natürlich sein, dass die Quellen dafür veraltet waren.

Zitat:
Der Kontrastumfang, den Farbnegativmaterial bewältigen kann, ist deutlich größer als der von Dias .... Digitalkameras dagegen sind, ganz ähnlich wie Diafilm, Belichtungsmimosen. Ihr möglicher Kontrastumfang ist gering, und was nicht in diesen Kontrastumfang passt, wird gnadenlos Weiß oder Schwarz.

Wie auch immer die Unterschiede tatsächlich sind, meine Kernfrage war ja eigentlich, wodurch der Kontrastumfang überhaupt beschränkt wird.

Schöne Grüße,

Christoph

Edit:

Zitat von aidualk

Kontrastumfang bei:
Diafilm: ca 6-7 Blenden
Negativfilm: ca. 9-10 Blenden
Sensor: ca. 13-14 Blenden

Wo kann man das nachlesen? Oder sind das eigene Erfahrungen?

Danke und Gruß,

Christoph

[Man]

Zitat von chris31

...Wo kann man das nachlesen?...

Zu Analogmaterial (Dia- und Negativfilmen): keine Ahnung. Bekannt ist (mir) dass Diafilm mit rd. 5 bis 6 Blendenstufen schlechter als Farbnegativfilm und dieser wieder schlechter als s/w-Negativfilm ist.
Zu Digitalkameras ist es relativ einfach: bei Tests in fotozeitschriften wird der Wert meist bei den "technischen Daten" angegeben. Bsi DSLRs liegt er so um die 11. Von der Theorie her könnte eine Digikam mit 12 Bit-Verarbeitung 12 Blenden verarbeiten - aktuelle DSLRs arbeiten häufig sogar mit 14 Bit. Das heißt aber erst mal nichts: der Flaschenhals liegt heute nicht in der Weiterverarbeitung, sondern in dem möglichen Kontrastumfang des Sensors. (Wenn ich mir auf mein Auto Reifen montiere, die bis 250 km/h fahren können, heißt das ja nicht, dass das Auto überhaupt 250 km/h erreicht - begrenzendes Element wäre hier dann der Motor.)

Ohne das wirklich beweisen zu können: ich glaube nicht, dass Werte von 11 Blendenstufen (und teilweise erreichen DSLRs sogar mehr) mit analogem Filmmaterial zu schaffen sind.

Über HDR könnte man den Umfang sogar noch weiter steigern.

Ob das tatsächlich nutzbar ist, denke ich nicht. Ein Papierfoto schafft vielleicht 6 Blendenstufen, ein guter Monitor vielleicht deren 8.
Kein (mir bekanntes) Ausgabemedium schafft z. B. die 11 Blendenstufen einer aktuellen DSLR. Statt dessen werden die Informationen so umgerechnet, dass sie "auf das Ausgabemedium passen".
Bekannt ist z. B. die Umrechnung von RAW (11 Blendenstufen) in ein JPG-Bild (8 Blendenstufen). Der höhere Kontrastumfang der RAW-Datei wird dazu genutzt, um mehr Zeichnung in die Tifen und Höhen zu bringen. Es werden also nicht einfach 8 Blendensturen aus dem 11-Blendensufenbild herausgeschinitten und z. B. jew. 1,5 Blendenstufen oben und unten "weggeworfen", sondern die 11-Bit-Informationen werden in eine 8-Bit-Information komprimiert.

vlG

Manfred

[chris31]

@fotomartin

Sehr ausführliche Antwort! Und vor allem auch schön erklärt. Ober und Untergrenze der Photonenaufnahme des Sensors (=maximale hell und dunkel Bereiche des Objekts) habe ich soweit verstanden. Aber mit den 10 - 1000 Photonen sind ja die absoluten (machbaren) Grenzen von hell und dunkel gemeint, oder? Das Problem vom Kontrastumfang sind doch die relativen Grenzen.

Beispiel:

Ich möchte ein HDR Foto "basteln". Dafür schieße ich Belichtungsreihe mit drei Fotos: (die Zahlenwerte sind völlig willkürlich, also bitte nicht ernst nehmen. Sie sollen nur meinen Grundgedanken verdeutlichen)

- einmal unterbelichtet (bei dem die Bereiche aufgezeichnet werden, die nur wenige Photonen abstrahlen [ab 10 Photonen/m²])

- einmal "richtig" belichtet (bei dem beide "extreme" absaufen [z.B. 250 - 750 Photonen/m²])

- und einmal überbelichtet (bei dem die Bereiche aufgezeichnet werden, die nur viele Photonen abstrahlen [bis 1000 Photonen/m²])

Warum kann man den nicht in einem Foto das ganze Spektrum von 10 - 1000 Photonen abdecken? Wenn ich die drei Fotos zusammengerechnet habe, ergeben sich ja auch (selbst bei einem JPG [mit 8 Bit] an meinem Monitor) mehr hellere und mehr dunkle Details als bei den einzelnen Fotos. Also ist der Sensor ja prinzipiell in der Lage die hellen und dunklen Details aufzuzeichnen; eben nur nicht in einem einzelnen Foto. Warum?

Ich befürchte ein wenig, dass die Antwort auf diese Frage bereits in deinem Beitrag steckt und ichs nicht gechekt hab....

Danke an Alle für eure Beiträge.

Gruß, Christoph

[screwdriver]

Zitat von chris31

Also ist der Sensor ja prinzipiell in der Lage die hellen und dunklen Details aufzuzeichnen; eben nur nicht in einem einzelnen Foto. Warum?

Die Antwort ist tatsächlich bereits gegeben.
Der sensor hat nur eine gewisse Bandbreite an Lichterfassungsvermögen.

Diese Bandbreite wird durch Blende und Belichtungszeit so "justiert", dass es möglichst gut passt.

Bei Einzelbildern für HDR wird dann eben nur Belichtungsspielraum mit Blende und/ oder Beelichtungszeit so "verschoben", dass das gesamte Belichtungsspektrum mit mehreren Bildern erfasst wird.

Das mit den 11EV, den das menschliche Auge "im Moment" erfassen kann kommt auch hin. Dazu kommen aber noch ungefähr 6-7 EV die das menschliche Auge durch die Pupille "abblenden" kann.

Dann kommt noch die "selektive Wahrnehmnung" beim normalen Sehen hinzu, die über- oder unterbelichtete Bereiche "ausblendet" wenn die nicht "wichtig" sind.
Deshalb "fehlt uns immer noch was" bei der Betrachtung von Fotos mit grosser Lichtdynamik

Ein nicht unwichtiger Faktor ist dann eben - wie schon oben angesprochen - dass die Bildausgabe auf dem Monitor oder Papier sowieso schon auf auf darstellbare 6 - 9 EV "gestaucht" werden muss.