Vom 02.02.04 bis zum 06.02.04 wurde an der Beruflichen Schule in Gaarden eine Projektwoche durchgeführt. Wir haben uns in dieser Zeit mit der Technik und der Geschichte der digitalen Kameras sowie mit der Gestaltung und der Bearbeitung von digitalen n beschäftigt. Die Ergebnisse haben wir hier auf diesen Seiten für sie zusammengefasst.
Aufbau und Funktion von Digitalkameras
- Allgemeines
Heutzutage gibt es zwei verschiedene Arten zur Erstellung eines Bildes. Nämlich die
"DIGITALFOTOGRAFIE" & "ANALOGFOTOGRAFIE" Eine digitale Kamera funktioniert im Prinzip nicht anders als eine „herkömmliche“, analoge Kamera. Der wesentliche Unterschied liegt in der Art der Bildspeicherung. Bei der analogen Kamera wird das fotografierte Bild auf einen chemischen Träger gespeichert. Dieser chemische Speicher bzw. das Speichermedium ist der allseits bekannte Film z.B. in den Größen 24 oder 36 . Anders geschieht die Art der Speicherung bei der digitalen Kamera. Hier werden die in Form von „Bits & Bytes“ gespeichert, d.h. auf einem elektronischen Medium. Dieses elektronische Medium ist die Speicherkarte in ihren unterschiedlichen Ausführungen (Compact Flash, SD-Card etc). Somit entsteht auch ein unterschiedlicher Komfort bei der Nutzung. Bei der digitalen Kamera muss nur ein Speichermedium in die Kamera eingesteckt werden. Dies ist sehr simpel. Dieses Speichermedium kann beliebig oft beschrieben und gelöscht werden (elektronisch). Ferner kann man hier auch das geschossene Bild sofort auf einem „LCD-Display“ sehen und bei Nichtgefallen einfach wieder löschen. Dies ist bei der analogen Variante nicht so. Es muss stets der Film gewechselt werden und ein Bild, das geschossen wurde, ist somit auch fest auf dem Film fixiert.
- Die verschiedenen Bauarten der Digitalkameras
Die Grundlegenden Bauteile einer Digitalkamera sind natürlich alle in ihr enthaltenen elektronischen Bauteile. Jedes einzelne, von einer einzelnen simplen Drahtbrücke bis hin zu einem Thyristor, hat seine Berechtigung. Sie alle arbeiten Hand in Hand. Aber das sind ja nur die Grundlegendsten Bauteile. Die wesentlichen funktionellen Bauteile, die eine Digitalkamera zu einer machen sind das Objektiv mit den Linsen, der Bildsensor (CCD), das LCD-Display, die Speicherkarte und natürlich auch das Gehäuse.
Sucherkameras
Die große Mehrheit an Digitalkameras bilden die Autofokus Sucherkameras. Diese Bauform erlaubt sehr kleine Fertigungsmaße. Nur relativ preiswerte Kameras, sprich billige Formate, sind zum Teil noch sehr klobig. Besonders bei diesen Kameratypen ist es vorteilhaft das LCD-Display zu benutzen, da der Sucher nicht das exakte Bild anzeigt. Es ist somit ein Paralaxenfehler vorhanden. Jedoch ist die Qualität der LCD-Displays teils sehr schlecht, sodass das Motiv nicht sehr detailliert rüberkommt.
Spiegelreflexkameras
Die zweite Bauart, welche zugleich auch die wesentlich teurere ist, ist die der digitalen Spiegelreflexkameras. Das Funktionsprinzip ist im Grunde genauso wie bei einer analogen SLR (Spiegelreflexkamera). Diese Kameras gibt es mit fest installierten Objektiven aber auch zunehmend mit auswechselbaren Objektiven, welche sich mittels eines Bajonettverschluß lösen und somit auswechseln lassen. Somit lassen sich verschiedene Objektive für verschiedene Bereiche einsetzen. Man kann folglich sehr professionell arbeiten, denn bei dieser Bauform ist das Bild im Sucher identisch mit dem Bild, was auf dem „Speicher“ kommt.
- Objektiv
Das Objektiv ist ein Gehäuse mit Linsen. Ein sehr wichtiger Faktor bei einer Digitalkamera ist ein solches Objektiv, denn dieser Teil einer Kamera bildet einen ebenso wichtigen Faktor für die Qualität des Bildes wie die Qualität des Bildsensors (CCD). Man kann sogar sagen, dass diese beiden Komponenten das Herz der Kamera sind. Hierbei ist allerdings darauf zu achten, dass die Kamera über ein optisches Zoom verfügen sollte. Optische Zoome arbeiten mit Linsen und erstellen somit ein original getreues Bild ohne Qualitätsverluste. Digitale Zoome sind oft in preiswerten Kameras zu finden. Diese funktionieren zwar auch ganz gut, haben allerdings den Nachteil, dass sie mit Pixeln arbeiten. Diese nehmen mit zunehmender Größe des Bildes ab, was folglich zu einer stärkeren Rastung und somit zu einer schlechteren Qualität des Bildes führt. Komischerweise denkt die Mehrheit der Bevölkerung, dass etwas digitales auch immer gleich besser sein muss. Dies ist aber definitiv nicht so. Aber auch digitale Kameras mit „fest eingebauten“ optischen Zoom haben einen Nachteil. Bei den unteren bis hin zu den mittleren Preisklassen finden sich oft fest eingebaute Objektive von schlechter Qualität. Jedoch fällt dies oft nicht ins Gewicht, denn die digitale Kamera verfügt über einen Rechenalgorithmus welcher Fehler nahezu ausgleicht. Trotzdem liefert diese Prozedur auch nicht immer das gewünschte Ergebnis. Dies ist ein maßgeblicher Punkt warum digitale Spiegelreflexkameras mit Wechselobjektiven, mit gleicher Pixelzahl, eine bessere Bildqualität bieten als ein Bild von einer Kamera mit festem Objektiv. Man kann allgemein sagen, dass Qualität leider, im Sinne der Konsumenten, seinen Preis hat.
- CCD
(Abk. für Charge Coupled Device dt. »ladungsgekoppelter Speicher)
Das Prinzip des CCD-Chip
Bei dem CCD-Chip handelt es sich um einen lichtempfindlichen Baustein, welcher in der Lage ist das auftreffende Licht, je nach Strahlungsintensität, in elektrische Impulse umzuwandeln. Die Form des Chips entspricht der des Fotos, er ist rechteckig. Auf dem Sensor befinden sich Millionen winziger Silizium-Fotozellen, die auf Lichteinstrahlung mit elektrischen Impulsen reagieren. Dieses analoge elektrische Signal wird nun mit Hilfe des A/D-Wandlers in ein vollständig digitales Signal umgewandelt. Allerdings kann der CCD-Chip nur hell und dunkel unterscheiden, er kann keine Farben erkennen. Somit würden wir nur ein Schwarz-Weiß-Bild erhalten. Um nun ein farbiges Bild zu bekommen, muss das Licht in die drei Grundfarben zerlegt werden (Additive Farbmischung). Diesen Effekt erhält man, wenn man einen Interferenzfilter (Farbteilerspiegel) vor dem CCD-Chip platziert.
- Die Arbeitsweise des Interferezfilters
One-Shot-Verfahren
Der eigentliche Interferenzfilter ist auf eine Glasscheibe aufgedampft und befindet sich vor den CCD-Chip. Er ist in der Lage nur Licht mit einem bestimmten Wellenlängenbereich durchzulassen, und alle anderen Bereiche auszufiltern. So wird das Licht, unter Verwendung unterschiedlicher Filter, in seine Grundfarben rot, grün und blau zerlegt (RGB). Nun braucht man pro darzustellenden Bildpunkt drei Sensoren, für je eine der Grundfarben. Da die Sensoren jetzt nur mit Licht einer bestimmten Farbe bestrahlt werden, kann man den Daten der Sensoren, die ja nur die Intensität des Lichtes unterscheiden können, jetzt eine eindeutige Farbe und Intensität zuordnen. Die Sensoren befinden sich an einem Punkt. Der Nachteil dieses Verfahrens ist allerdings, dass die Technik recht platzaufwendig und vor allem sehr teuer ist. Somit kommt sie ausschließlich in Hi-End Geräten zum Einsatz.
Three-Shot-Verfahren
Bei gängigen Digitalkameras wird ein anderes System verwendet. Hierbei werden die Farbfilter streifenförmig (vertikal) nebeneinander angeordnet. Jeder Streifen ist für eine Farbe zuständig. Das hat den Nachteil, dass drei Bildpunkte auf dem Sensor nur einen Bildpunkt in der fertigen Darstellung ergeben.
Foven X3 Verfahren
Eine dritte Möglichkeit liegt darin, die drei Sensoren hintereinander anzuordnen. Hierbei macht man sich die unterschiedliche Eindringtiefe der Lichtwellen in das Halbleitermaterial zunutze. Diese Methode hat sich aber noch nicht in der Technik durchgesetzt.
- CMOS
(Abk. für Complementary Metal Oxide Semiconductor, dt. komplementärer Metalloxidhalbleiter)
Mehr und mehr findet die CMOS-Technologie Eingang in Geräte zur Bildaufnahme. Sie steht somit in Konkurrenz zur CCD-Technik. Der große Vorteil bei einer Digitalkamera mit CMOS Technologie besteht darin, dass alle wichtigen Funktionselemente auf einem Chip untergebracht werden können.
Es ist wohl eine Frage der Zeit bis diese Technologie den CCD-Bildsensoren den Rang abläuft.
- LCD – Display
(Abk. für Liquid Crystal Display, dt. Flüssigkristallbildschirm)
In einem LCD-Display sorgen die Orientierungsschichten an den Rändern dafür, dass sich die länglichen Flüssigkeitskristallmoleküle räumlich in eine bestimmte Richtung anordnen. Polarisatoren die an den Orientierungsschichten sitzen, richten die Moleküle in deren jeweiligen Vorzugsrichtung aus. Wenn keine elektrische Spannung anliegt, wird einfallendes Licht so verdreht, dass es Polarisatoren und den Reflektor passiert.
Folge: Der Bildschirm ist hell.
Wird nun eine Spannung angelegt, so richten sich die Kristalle am elektrischen Feld aus. Das einfallende Licht gelangt nun nicht mehr zum Reflektor.
Folge: Der Bildschirm ist Dunkel
Aus der Variation dieser beiden Zustände erfolgt dann das erscheinende Bild auf dem Display, für den Betrachter.
- Bildspeicherung
Die Daten, die vom Bildsensor kommen und im A/D-Wandler digitalisiert werden, müssen zur späteren Verwendung gespeichert werden. Als Speichermedien werden heutzutage hauptsächlich Flash-ROMs verwendet. Diese Speicher behalten ihren Inhalt auch wenn keine Stromversorgung vorhanden ist. Je nach Hersteller handelt es sich um Compact Flash-Card, SD Card, Smart Media Card usw. Die gängigen Speichergrößen liegen zwischen 128 MB - 512 MB, es sind aber auch schon Speicherkarten auf dem Markt mit einem Volumen von über ein GB.
Ein einfaches Bild mit einer Auflösung von 4 Millionen Bildpunkten und einer Farbtiefe von 12 Bit würde allerdings ca. 18 MB Speicherplatz benötigen. Man bekommt also nur wenige im Originalformat auf das Speichermedium. Also wird die Bildgröße auf dem Speicher mit einem Komprimieralgorithmus verringert. Üblicherweise konvertiert die Kamerasoftware das Bild in ein jpeg-Format. Das gleiche Bild benötigt jetzt nur noch einige KB auf dem Speichermedium. Allerdings verliert das Bild an Qualität, wobei es gilt: je größer die Kompression ist, desto größer sind die Qualitätsverluste der Bildes. Das menschliche Auge ist jedoch kaum in der Lage ein gut komprimiertes Bild vom Original zu unterscheiden.
Die Kompression zum jpeg-Format beschränkt sich nicht nur auf das Packen des Bildes nach einem bestimmten Algorithmus, darüber hinaus werden nach einem komplexen Verfahren einzelne Bildinformationen selektiv gelöscht. Dadurch entstehen auch die so genannten Pixel (sichtbare Rasterung).
- Gehäuse
Die Gehäusequalität einer Digitalkamera hängt im Wesentlichen auch vom Preis ab. Auf dem derzeitigen Markt sind sowohl Kunststoff- als auch Metallgehäuse vorzufinden. Dabei sind es die Kunststoffgehäuse die eher bei den Preiswerten und die Metallgehäuse die eher bei den gehobeneren, besseren Preisklassen und den qualitativ hochwertigeren Digitalkameras einzuordnen sind.
- Die Qualitätsklassen
Im Folgenden unterscheidenden wir zwischen drei Qualitätsklassen. Diese setzen sich im Prinzip aus dem Preis und der Qualität der Kamera zusammen.
Untere Qualitätsklasse
Diese Kameras bilden das untere Qualitätssegment (bis 2 Mio. Pixel). Sie sind von der Qualität her nicht sehr aufwendig, d. h. sie sind sehr einfach gebaut (meist nur digitale Zoome). Ihr Preis liegt bei bis zu 100 Euro.
Sie richten sich an die Zielgruppe die nur gelegentlich Fotos macht und dabei eher auf Spaß und Freude setzen. Da diese Kameras von der Auflösung her meist sehr gering sind, sind sie somit sehr in ihrem Anwendungsbereich eingeschränkt. Sie sollten lediglich für den Anwendungsbereich Email-Versand oder für die Implementierung in Webseiten gedacht sein.
Somit finden auch solche Kameras ihren Zuspruch. Sie sind aber nicht unbedingt für Urlaubsfotos geeignet. Dafür genügt die Qualität meist nicht aus.
Mittlere Qualitätsklasse
Digitale Kameras von dieser Klasse (bis zu 6 Mio. Pixel) repräsentieren den breiten Markt. Ihr Preis liegt bei ca. 250 Euro – 1000 Euro.
Für Fotos im normalen Bereich, d.h. für Urlaubsfotos, Webseiten, Email- Versand etc. sind diese Kameras sehr gut geeignet. Sie besitzen meist einen optischen Zoom (bis 3-fach Zoom) und liefern zudem noch eine schon sehr gute Bildqualität bis zu dem gängigen Bildformat von 9cm x 13cm oder 10cm x 15cm. Solche Kameras stehen im Vergleich mit ihrem analogen Pendant nicht schlechter dar.
Teilweise sind in dieser Klasse sogar Spiegelreflexkameras vorzufinden. Kameras dieser Klasse finden große Beliebtheit bei Einsteigern und Hobbyfotografen
Obere Qualitätsklasse
Kameras dieser Klasse repräsentieren das absolute Top-Segment (ab 6 Mio. Pixel – ca. 49 Mio. Pixel). Ihr Preis liegt so zwischen ca. 2500 Euro – 25000 Euro und mehr. Derartige Kameras findet man fast nur im Profibereich. Aufwendige Bauweisen sprechen für solche Kameras. Da sie sehr große Auflösungen bieten und ein einziges Bild so bei 170 MB liegt sind solche Kameras nicht für den Portablen Bereich gedacht, da sie große Speichermedien benötigen. Diese Speichermedien wären dann z.B. Festplatten. Folglich sind solche Kameras meist Studiokameras die fest mit einem Computer verbunden sind.
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