Der Digitaltest Kameras - Testverfahren 1.4

1. Der Digitaltest Kameras - Testverfahren 1.4
2. Der Digitaltest Objektive -Testverfahren 1.4

Auflösung

ColorFoto bestimmt die Auflösung bei zwei Empfindlichkeiten (ISO 100/21° und ISO 400/27°) und drei Zoombrennweiten. Das zusammen mit dem Lehrstuhl für physikalische Optik der Fachhochschule Köln entwickelte Messverfahren verwendet insgesamt 9 Siemenssterne mit sinusförmiger Modulation der Flanken. Diese Sterne sind über das Bildfeld verteilt angebracht, um Unterschiede von der Mitte zum Bildrand zu erfassen. Anschließend wird über das Cologne-Fit-Verfahren die Modulationsübertragungsfunktion MTF bestimmt. MTF bedeutet: Wie hoch ist der Kontrast einer aufgezeichneten (fotografierten) Struktur im Vergleich zum Original. Nur im Idealfall entspricht der Kontrast im Bild dem des Originals. Bei rein optischen Systemen ist der Kontrast im Bild geringer und nimmt mit feineren Strukturen also mit höheren Frequenzen kontinuierlich ab. Digitalkameras heben deswegen den Kontrast an und können so bei groben Strukturen im Bild sogar einen höheren Kontrast als im Motiv erzielen. Das Testlabor bestimmt nun über alle auslesbaren Frequenzen den Kontrast im Bild. Der Kontrast sinkt ab einer bestimmten Frequenz unter 10 Prozent. Die entsprechende Frequenz gilt nun als Grenzfrequenz, also als die feinste gerade noch auflösbare Struktur. Die Grenzfrequenz bestimmt das Labor für acht Richtungen eines jeden Sterns. Über neun Sterne auf vier unterschiedlichen Bildhöhen vermitteln diese Werte ein exaktes Bild der Leistungsfähigkeit von Kamera und Objektiv.

In unseren Tabellen finden Sie bei einem Zoom für drei Brennweiten je vier Auflösungswerte: zwei für ISO 100 mit separaten Angaben für die Bildmitte und die Ecken sowie zwei für ISO 400 ebenfalls getrennt für Bildmitte und Ecken. Bei der Punktbewertung gewichten wir die Bildecken mit 33 Prozent und das Bildzentrum mit 67 Prozent.

Das neue Verfahren ist inzwischen an mehr als 200 Kameras getestet worden und führt zu deutlich zuverlässigeren Ergebnissen als alle bisherigen Verfahren auf der Basis einer anerkannten physikalischen Analysetechnologie. Diese Tatsache veranlasst derzeit die ISO-Kommission, der auch Dipl.-Ing. Dietmar Wüller von ImageEngineering angehört, die Integrationsmöglichkeit in den Auflösungsstandard ISO 12233 zu prüfen.

Objektkontrast

Die optoelektronische Übertragungsfunktion OECF (opto electronic conversion function) wird mit Hilfe eines kreisförmig angeordneten Graustufenkeils bestimmt, wie er als Testbild in der ISO-Norm 14524 beschrieben ist. Bei der OECF geht es um die charakteristische Eigenschaft digitaler Kameras, die Helligkeiten des Bildes in digitale Werte umzusetzen. Die OECF-Kurve wird getrennt für alle drei Farbkanäle Rot, Grün und Blau ermittelt und liefert zahlreiche entscheidende Infor-mationen zur Beurteilung der Bildqualität. Die wichtigste ist der Dynamikumfang, auch Objektkontrast genannt. Er beschreibt den maximalen Kontrast in der aufgenommenen Szene, den die Kamera wiedergeben kann. Überschreitet dieser Kontrast den Objektkontrast der Kamera, z. B. bei Sonnenschein, so geht die Zeichnung, d. h. die Wiedergabe von Details, verloren. Man spricht davon, dass Lichter ausfressen oder die Schatten zulaufen. Mit diesem Problem haben auch Diafilme zu kämpfen, die es auf einen Umfang von etwa 8 Blenden bringen.

Negativfilm ist toleranter und kann Kontraste von bis zu 12 Blendenstufen aufzeichnen. Neuere Digital-kameras schaffen bis zu 10 Blendenstufen, was in den meisten Situationen ausreichend ist - vorausgesetzt, die Belichtung stimmt. Um den maximal erfassbaren Objektkontrast zu bestimmen, wird die Differenz zweier "Grenz"-Belichtungen bestimmt: a) Die Belichtung, die zur Sättigung (rein weiße Fläche in der Bilddatei) führt, und b) die Belichtung, die nötig ist, um ein dunkles Graufeld zu erzeugen, bei dem die Bildstörungen, also das Rauschen, dreimal geringer sind als das Signal. Der Objektkontrast, also das Verhältnis der Lichtreflexion von der hellsten zur dunkelsten Stelle im Bild, wird in Dichten (der logarithmischen Angabe des Verhältnisses) oder in Blendenstufen (1 Blendenstufe = ca. 0,3 Dichten) angegeben. Ein Objektkontrast von 1000 : 1 entspricht 3 Dichten oder 10 Blenden. Der Objektkontrast, den eine Kamera erfassen kann, wird mit höherer Empfindlichkeitseinstellung geringer. Daher bestimmen wir den möglichen Kontrast bei ISO 100/21° und bei ISO 400/27°. Angegeben werden 2 Objektkontraste, die aus den Messwerten ermittelt werden.

Bildumfang

Kameras mit 24 Bit Farbtiefe können in jedem der drei Farbkanäle 256 Helligkeitsstufen unterscheiden. Im Idealfall setzt die Kamera das tiefste Schwarz auf den Digitalwert Null und das hellste Weiß auf 255. Bei manchen Modellen liegt das hellste Weiß jedoch bei 240. Der Bildumfang zeigt, wie viele der 256 Helligkeitsstufen pro Farbkanal die Kamera tatsächlich nutzt, also wie gut die interne Tonwertkorrektur funktioniert. Die Daten werden ebenfalls aus der OECF gewonnen.

Signal-Rausch-Verhältnis

Mit Heft 11/2006 hat ColorFoto die neue Rauschmessung (VN-Messung) auch bei Kompaktkameras eingeführt. Diese berücksichtigt den visuellen Eindruck besser als die alte S/N-Messung. Ein Schwachpunkt bleiben unbunte Artefakte. Bei digitalen SLR-Modellen setzen wir die VN-Messung seit Heft 8/2006 ein.

Jeder Sensor in einer Digitalkamera produziert Störungen. Ein Teil der Störungen ist das "fixed pattern noise", da jedes Pixel auf einem Sensor eine leicht andere Empfindlichkeit besitzt. Wenn der Fotograf eine einfarbig weiße Fläche fotografiert, erscheint das Bildergebnis nicht einfarbig weiß, sondern mit pixeliger Struktur. Da diese Störung kameraspezifisch ist, versucht jeder Kamerahersteller das "fixed pattern noise" kameraintern über eine Weißkalibrierung zu korrigieren. Ein weiteres Problem ist das thermische Rauschen. Dabei entstehen Ladungen nicht durch Lichteinfall, sondern zufällig durch Temperatureinflüsse - besonders stark bei höheren Temperaturen. Zudem "sammeln" die einzelnen Pixel bei längeren Belichtungszeiten auch mehr Störungen. Die Bilder digitaler Kameras werden also besser, wenn die Temperatur sinkt und die Belichtungszeit kürzer ist. Aus diesem Grund hält das Testlabor die Temperatur immer auf 23°C 2°C, um vergleichbare Bedingungen zu schaffen.

Die Stärke des Rauschens hängt ferner von der Größe des Sensors bzw. jedes einzelnen Pixels ab. Kleinere Sensoren sind lichtunempfindlicher, das bedeutet: Sie liefern weniger Ladung bei gleicher Lichtmenge. Zwar bleibt das absolute Rauschen gegenüber einem größeren Sensor gleich, doch ist das Signal niedriger (weniger Ladungen durch weniger Licht) und das Signal-Rausch-Verhältnis damit schlechter: Im Bild erscheint ein stärker sichtbares Rauschen. Ferner kann durch die Umwandlung in RGB-Bilder Farbrauschen entstehen.

Wir bestimmen das Rauschen in 20 unterschiedlich hellen Graufeldern anhand des VN-Wertes (visual noise) für ISO 100/ 21° und ISO 400/27°, da das Rauschen mit höheren Empfindlichkeiten deutlich ansteigt und stark von der Motivhelligkeit abhängt. Alle Rauscharten werden im Testbild erfasst, vom eigentlichen Bildinhalt getrennt und ausgewertet. Der VN-Wert bewertet das Rauschen entsprechend der Wahrnehmung des menschlichen Auges. Ein entscheidender Punkt ist die "contrast sensitivity function" (CSF). Sie beschreibt den Kontrast, der nötig ist, damit das Auge die Strukturen (hier die Rauschartefakte) einer bestimmten Frequenz erkennen kann. Unser Auge ist für sehr feine Strukturen recht unempfindlich, gröbere Strukturen nimmt es dagegen schon bei einem geringen Kontrast wahr. Diese Wahrnehmung hängt zudem noch von der Farbe ab.

Im ersten Schritt wird das RGB-Bild der Kamera in den auf der menschlichen Wahrnehmung basierenden XYZ-Farbraum transferiert und von dort in den "oponent space" überführt. Dieser "oponent space" basiert auf einer Untersuchung der Farbstoffe im menschlichen Auge und der Verarbeitung der dabei entstehenden Farbsignale. Das Bild wird anschließend mit Hilfe der "contrast sensitivity function" (CSF) Frequenz gefiltert unter Annahme eines 40 x 60-cm-Print bei 300 dpi. Über den XYZ-Farbraum führt Image Engineering das Bild zurück in den Luv-Farbraum, bestimmt dort die Standardabweichung für alle Felder und gewichtet die Ergebnisse nach folgender Formel:

1.0000L*+ 0.8520u*+ 0.3230v*

Das Resultat ist eine Kurve, bei der für alle 20 Graufelder unseres OECF Testbildes das visuelle Rauschen (VN) aufgetragen wird.

Der abgedruckte Mittelwert basiert auf den 16 mittleren Feldern. Dabei gewichten wir VN-Werte bis 1 einfach. VN-Werte über 1 werden hoch 1,4 genommen, um die Ausreißer stärker zu berücksichtigen. Damit tragen wir der Tatsache Rechnung, dass Rauschwerte bis 1 kaum als Rauschen wahrgenommen werden, Werte zwischen 1 und 2 als leichtes Rauschen zu erkennen sind und bei Werten über 3 ein wirklich störender Rauscheindruck auftritt.

Weißabgleich

Damit ein Bild bei unterschiedlichen Lichtquellen neutral wirkt, also Grau als neutrales Grau erscheint, muss die Kamera-Elektronik einen Weißabgleich durchführen. Die Qualität dieses Abgleichs lässt sich über den Abstand der RGB-Werte einer grauen Fläche bestimmen: Stimmen die drei Werte überein, so ist der Weißabgleich perfekt, und grau erscheint grau. Wie gut der Weißabgleich der verschiedenen Kameras funktioniert, wird im Test unter Tageslicht-Bedingungen geprüft. Messtechnisch wird der Weißabgleich bestimmt, indem der graue Keil des OECF-Testcharts aufgenommen und die RGB-Werte der einzelnen Felder auf Farbunterschiede überprüft werden. Dabei kommt es vor, dass ein Grau mittlerer Helligkeit grau oder neutral wiedergegeben wird, zugleich aber ein helleres oder dunkleres Grau einen Farbstich zeigt. Es muss also ein Graukeil und nicht nur eine Graukarte aufgenommen werden, um die Qualität des Weißabgleichs zu bestimmen.

Farbwiedergabe

Ob ein Bild gut aussieht, lässt sich messtechnisch nicht so einfach erfassen, aber wie nahe die Farben eines fotografierten Testcharts an den Originalfarben liegen, kann gemessen werden. Als Testchart für diese Messung dient der ColorChecker DC von Gretag Macbeth, der den Farben einer natürlichen Szene nachempfunden ist. Die Messwerte sind gegenüber anderen Testlaboren deutlich weiter aufgeschlüsselt. Ermittelt werden nicht nur der Farbabstand DeltaE für jedes Farbfeld, sondern auch die Differenzen in der Farbsättigung, dem Farbton und der Helligkeit. Diese Werte lassen Rückschlüsse auf die kamerainterne Farbverarbeitung zu. Der abgedruckte Wert nennt die mittlere Abweichung, bei einer stärkeren Gewichtung der kritischen Haut- und Grüntöne.

Vignettierung

Objektive bilden die Bildecken dunkler ab als die Bildmitte, was besonders bei einfarbigen Flächen zu hässlichen Effekten führt. Zur Messung der Randabschattung (Vignettierung) wird ein Milchglas über die Spezialbeleuchtung, eine Ulbrichtsche Kugel, extrem gleichmäßig ausleuchtet. Bei Kameras mit Zoomobjektiven wird die Vignettierung bei drei Brennweiten in der Entfernungseinstellung "Unendlich" an jeweils 1200 Stellen im Bild gemessen und als Mittelwert oder Grafik ausgeben.

Verzeichnung

Ein weiteres Problem sind gekrümmte Linien am Bildfeldrand. Eigentlich gerade Objekte verwandelt das Objektiv in bananenförmige Gebilde. Auch ein Rechteckmuster bleibt kein Rechteck, sondern bekommt eine tonnen- oder kissenförmige Struktur. Um die Stärke dieses Effektes zu bestimmen, misst das Labor das Verhältnis der Durchbiegung einer Linie am Bildrand im Verhältnis zur gesamten Bildhöhe. Diese "TV-Verzeichnung" wird nach Möglichkeit bei drei Brennweiten ermittelt.

Maximaler Abbildungsmaßstab

Mit vielen Digitalkameras lassen sich Makroaufnahmen anfertigen: Um die Größe der kleinsten abbildbaren Fläche zu bestimmen, fotografieren wir einen Maßstab mit der optimalen Brennweite aus der kürzesten Entfernung, bei der die Kamera noch scharf stellt. Angegeben wird die Breite x Höhe der kleinsten abbildbaren Fläche.

Einschaltzeit

Schnelles Reagieren auf interessante Motive und entsprechende Schnappschüsse sind nicht möglich, wenn die Digitalkamera 30 Sekunden braucht, bis sie einsatzbereit ist. Das Labor bestimmt die Zeit, bis eine Kamera einsatzbereit ist.

Auslöseverzögerung

Damit Sie wissen, wie schnell oder langsam eine Kamera reagiert, messen wir die Zeit, die vom Druck auf den Auslöser bis zur Aufnahme vergeht auf 1/100 s genau. Als Testmotiv dient ein LED-Array mit insgesamt 100 LEDs. Zunächst wird die Kamera auf ein mindestens 100 m entferntes Objekt scharfgestellt und anschließend zur AF-Messung das 1,5 m entfernte LED-Array anvisiert. Zeitgleich mit dem Druck auf den Auslöser blinkt das erste LED auf und im Abstand von 1/100 s blinkt dann die zweite, dritte bis zur 100. LED auf. Anschließend zeigt ein Blick auf die Aufnahme, bei welcher LED die Kamera ausgelöst hat. Die benötigte Zeit kann also über das gerade aufblinkende LED bestimmt werden. In diese Auslöseverzögerung fallen die Autofokuszeit sowie diverse interne zeitaufwendige Berechnungen. Bei Zoomobjektiven wird die Brennweite so eingestellt, dass die Kamera das Test-Array formatfüllend abbildet.

Bildfolgezeiten

Wie schnell ist eine Kamera nach einer Aufnahme wieder einsatzbereit? Unser Labor bestimmt die mögliche Zahl der Serienbilder pro Sekunde für ein typisches JPEG-Bild mit maximaler Auflösung, geringster und mittlerer Kompression. Spezielle Serienbildfunktionen für geringere Auflösungen werden nicht berücksichtigt. Darüber hinaus bestimmen wir die maximale Bildzahl pro Serie.

Auffällige Pixelgruppen

Es kommt vor, dass CCD-Sensoren in digitalen Kameras Defekte aufweisen; diese sollten möglichst in der Kamera korrigiert werden. Wir prüfen über eine Schwarzaufnahme, ob das der Fall ist. Das Procedere ist folgendes: mit Abdeckkappe werden direkt nach dem Einschalten der Kamera mit zwei definierten Belichtungszeiten von 4 und 1/15 s je eine Aufnahme gemacht. Alle Pixel in diesem Schwarzbild, die einen Digitalwert über 20 aufweisen, werden als defekt gewertet.

Abweichendes Testverfahren bei digitalen SLR-Kameras

Während bei Kompaktkameras die Qualität des eingebauten Zooms eine entscheidende Rolle spielt, soll der SLR-Test möglichst objektivunabhängig ablaufen. Schließlich kann man verschiedene Zooms und Festbrennweiten für die jeweilige SLR wählen. Für die Messung der Auflösung verwenden wir deshalb ein hochauflösendes Makro und bestimmen die Auflösung ausschließlich in der Bildmitte. Der angegebene Wert entspricht so der maximal erzielbaren Auflösung, wird also von den meisten Objektiven nicht erreicht.