Pixel sehen nur Hell und Dunkel

Pixel nennt man die einzelnen lichtempfindlichen Elemente auf dem Sensor oder Chip der Digitalkamera. Sie sind regelmäßig geformt und in senkrechten und waagrechten Reihen auf dem Sensor angeordnet - ganz im Gegenteil zum lichtempfindlichen „Korn“ im Film, das unregelmäßig angeordnet ist und aus Silberhalogenidteilchen unterschiedlicher Größe besteht. Eine Besonderheit stellen die Super-CCD-Sensoren von Fujifilm dar. Ihre Pixel sind achteckig und auf dem Sensor wabenförmig angeordnet. Das heißt, die Zeilen und Reihen sind miteinander verzahnt.

 

Im Grunde sind CCD- und CMOS-Sensoren farbenblind und zeichnen nur die Helligkeit auf. Belässt man es dabei, entsteht nur ein Schwarz/Weiß-Bild.

 

In den frühen Tagen der Digitalfotografie besann man sich daher auf die frühen Tage der analogen Fotografie, wo man schon Farbaufnahmen machte, obwohl es nur S/W-Material für die Aufnahme gab. Der Trick beruht darauf, dass man alle Farben aus Rot, Grün und Blau zusammensetzen kann - oder aus Cyan (Blaugrün), Magenta (Purpur) und Yellow (Gelb), wozu sich im Vierfarbdruck noch Black (Schwarz) gesellt, aber das ist eine andere Geschichte, ebenso wie die Frage, ob man Schwarz (oder auch Weiß) überhaupt als Farbe bezeichnen darf.

 

Aus diesen drei bzw. vier Farben ergeben sich die bekannten Abkürzungen RGB und CMYK. Gut - das „K“ passt nur zu „Black“, wenn man den letzten Buchstaben für die Abkürzung heranzieht, aber es gibt auch die Meinung, das „K“ stünde für das englische Wort „Key-Plate“, auf Deutsch „Schlüssel- oder Basis-Platte“, weil die drei Druckplatten für die Farben nach der Druckplatte für Schwarz ausgerichtet wurden.

 

Die winzigen Filter des Bayer-Musters 2 bringen die Farbe auf den eigentlich nur lichtempfindlichen Sensor. Ein Quadrat mit zwei grün, einem rot und einem blau gefilterten Pixel deckt die ganze Farbinformation ab. Beim Foveon-Sensor 3 wird die volle Farbinformation für jeden Bildpunkt in drei Schichten gespeichert. Das erinnert an den Aufbau von Farbfilmen 4, die allerdings noch verschiedene Zwischenschichten aufweisen.   Fotos: Herbert Kaspar (1,2) - Sigma (3) - Fujifilm

 

Dieses Phänomen, dass Rot, Grün und Blau alle anderen Farben ergeben können, nutzten die Fotopioniere und nahmen ein Motiv dreimal auf, und zwar durch ein Rot-, ein Grün- und ein Blaufilter. Dabei entstanden Farbauszüge. Projizierte man sie deckungsgleich durch entsprechende Farbfilter, entstand auf der Leinwand ein Farbbild (und es darf vermutet werden, dass so manches „Ah“ und „Oh“ im Saal zu hören war).

 

In frühen Studiodigitalkameras nutzte man dieses Prinzip ebenfalls, indem man drei Sensoren durch Rot-, Grün- und Blaufilter gleichzeitig belichtete oder einen Sensor nacheinander durch drei Filter, die auf einem Filterrad montiert waren. Das Zusammenfügen der Auszüge zum farbigen Bild übernahmen nicht mehr Projektoren, sondern ein Bildprozessor und die entsprechende Software. In professionellen Videokameras ist das 3-Chip-Verfahren noch anzutreffen. Mit der Minolta RD-175 von 1995 gab es auch eine D-SLR, die mit drei Sensoren ausgestattet war, und die Dimage RD-3000 von 1999 hatte zwei Chips aufzuweisen. Zurzeit gibt es bei den Kompakt-, All-in-One- und Systemkameras nur noch Ein-Chip-Modelle.

 

Um trotz der „Farbenblindheit“ dieser Sensoren zu Farbaufnahmen zu kommen, ist bei den meisten Sensoren vor oder auf jedem winzigen Pixel ein ebenso winziger roter, grüner oder blauer Filter angeordnet. Auch CMY-gefilterte Sensoren sind möglich. Anders als man nun vermuten könnte, sind die Farbfilter bei den RGB-Sensoren nicht gleichmäßig auf die drei Farben aufgeteilt, sondern 25 % sind rot, 50 % sind grün und 25 % sind blau. Damit wird der Sensor ans menschliche Auge angepasst, das Grüntöne besonders gut differenzieren kann.

 

Die Farbfilter sind so angeordnet, dass jeder rot und jeder blau gefilterte Pixel von vier grün gefilterten umgeben ist (je einer darüber und darunter, links und rechts). Diese Anordnung bringt es mit sich, dass jeder rot von vier blau gefilterten Pixeln umgeben ist, und jeder blau von vier rot gefilterten. Die jeweils andere Farbe ist links oben, links unten, rechts oben und rechts unten zu finden.

 

Diese Anordnung ist als Bayer-Pattern (Bayer-Muster) bekannt. Sie stellt schon einmal sicher, dass ein Pixel 1/3 der Farbinformation aufzeichnet, die das Licht ihm vom Motiv bringt. Die restlichen 2/3 werden aus den Farbinformationen der umgebenden Pixel errechnet. Trotz dieser Interpolation kann in den allermeisten Fällen mit sehr genauer Farbwiedergabe gerechnet werden. Probleme sind allerdings nicht ganz ausgeschlossen, wenn etwa eine sehr kleine Lichtquelle nur ein Pixel belichtet und dann nur dessen Farbinformation ins Bild einfließt.

 

Eine Ausnahme machen die Foveon-Sensoren, die zurzeit nur von Sigma eingesetzt werden. Ihr Aufbau ist dem Aufbau eines Farbfilms ähnlich. Vereinfacht gesagt dringt das Licht in das Aufnahmematerial ein und sorgt in verschiedenen Schichten für rote, grüne und blaue „Farbauszüge“, die zusammen ein Bild in den richtigen Farben ergeben. Auch wenn hier für jeden Pixel die volle Farbinformation aufgezeichnet wird, so ist der Drei-Schicht-Sensor nicht völlig frei von Farbproblemen, die bei Himmelblau und Pflanzengrün auftreten können.

 

Bayer-Pattern oder Schichtaufbau - der Sensor ist nur ein Teil, der für die Farbwiedergabe eine Rolle spielt. Mindestens ebenso wichtig ist der Bildprozessor, der den Weißabgleich durchführt und vom Fotografen eingestellte Farbanpassungen oder Farbkorrekturen ins Bild rechnet. Davon mehr in einer späteren Folge.

 

Wussten Sie ...
... dass 2007 in Deutschland

• rund 4,8 Milliarden Farb-papierbilder hergestellt wurden, von denen
• rund 700 Millionen zu Hause gedruckt wurden,
• rund 800 Millionen von Fotokiosk-Stationen (z. B. beim Händler oder in Shopping-Centern) entstanden und
• rund 3,3 Milliarden die Maschinen von Großlaboren verließen?

 

CCD steht für „Charged Coupled Device“. Der Sensor wandelt einfallendes Licht in elektrische Signale um. Es gibt unterschiedlich Typen. Der Interlaced oder Video CCD wurde ursprünglich für TV- und Videokameras entwickelt und fand dann seinen Weg in Digitalkameras. Bei ihm werden die Zeilen alternierend ausgelesen (also z. B. erst 1 - 3 - 5 - 7 usw., dann 2 - 4 - 6 - 8 usw.) Beim Progressive Scan CCD werden die Zeilen nacheinander ausgelesen, was den Vorteil hat, dass der Sensor während des Auslesens nicht gegen Licht abgeschottet werden muss.

 

CMOS steht für „Complementary Metal Oxide Semiconductor“. Auch dieser Sensor setzt Licht in elektrische Signale um. Die Informationen werden aber nicht zeilenweise, sondern Pixel für Pixel ausgelesen.