Der Digitaltest Kameras - Testverfahren 1.5

1. Der Digitaltest Kameras - Testverfahren 1.5
2. Der Digitaltest Objektive -Testverfahren 1.5

Auflösung

Im SLR-Test misst das Labor die Auflösung, also die kleinste für die Kamera darstellbare Struktur, für Standardbrennweite und vier ISO-Werte von ISO 100 bis ISO 1600. Bei Kompaktkameras testen wir die Weitwinkelauflösung für ISO 100, ISO 400 und höchstmögliche Empfindlichkeit sowie die Teleauflösung für ISO 100. Dabei geben wir getrennte Werte für Bildmitte und Ecken an, um die Leistungsschwankungen des integrierten Objektivs zu prüfen. Das Testverfahren wurde zusammen mit dem Lehrstuhl für physikalische Optik der Fachhochschule Köln entwickelt. Es nutzt ein Testchart mit neun (SLR) bzw. fünf (Kompaktkamera) über das Bildfeld verteilten Siemenssternen. Es handelt sich nicht um gewöhnliche Siemenssterne, sondern um solche mit sinusförmiger Modulation der Flanken, bei denen das Schwarz der Strahlen nicht abrupt in das Weiß des Hintergrunds übergeht, sondern gemäß der Sinusfunktion ab- bzw. zunimmt. Die Tester fotografieren dieses Chart mit der jeweiligen Kamera unter immer gleichen Laborbedingungen und werten die Fotos mithilfe spezieller Analyse-Software exakt aus. Die entscheidende Frage dabei: Wie hoch ist der Kontrast der fotografierten Struktur, also der aufgenommenen Siemenssterne, im Vergleich zum Original? In der Regel zeigt die Abbildung einen geringeren Kontrast, der zudem mit zunehmender Feinheit der Strukturen (höheren Frequenzen) und damit zur Sternmitte hin kontinuierlich abnimmt. Im Siemensstern entspricht jeder Radius einer bestimmten Frequenz. Bei der Auswertung der Testbilder prüfen wir, ab welchem Radius der Kontrast des Abbilds nur noch 10 % des Originalkontrasts beträgt und nehmen die zu diesem Radius gehörende Frequenz als die feinste gerade noch auflösbare Struktur. Das Labor erfasst diese so genannte Grenzfrequenz für acht Richtungen eines jeden Sterns. Aus diesen Messwerten ergibt sich eine Punktzahl für die Auflösung. Im Kompaktkameratest gehen dabei die Bildecken und das Bildzentrum zu gleichen Teilen ein. Bei SLRs werten wir dagegen die Leistungen in der Bildmitte mit 100 %, da der Randabfall vornehmlich auf die Qualität des Objektivs zurückgeht. Um dessen Einfluss auf die Ergebnisse auch darüber hinaus möglichst gering zu halten, wählen wir als Testobjektiv ein besonders gutes Makro. Damit testet die ColorFoto seit 2004 gemäß überarbeitetem ISO-Standard 12233. Aus den Messwerten ergibt sich zudem die Kontrastkurve, die wir zu jeder getesteten Kompaktkamera und zu jedem Objektiv abdrucken.

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Kontrastkurve einer Kompaktkamera

Die durchgezogenen Kurven stehen für die Leistungen in der Bildmitte, die gestrichelten für die an den Bildecken. Grün bezeichnet die Messergebnisse für Weitwinkelbrennweite und ISO 100, Rot die Werte für Weitwinkel und ISO 400, Blau den Kontrast für Tele und ISO 100. Das Diagramm zeigt: Bei niedriger Motivauflösung geht im Abbild kaum Kontrast verloren (links). Umso feiner die Strukturen des Motivs (nach rechts), desto schwächer der Kontrast des Abbilds, bis er schließlich unter 10 % und damit unter die gefettete, horizontale Linie absackt - die Schnittstelle bezeichnet die Grenzfrequenz. Diese liegt unter dem theoretischen Maximum des Sensors, der Nyquistfrequenz (lila gefärbte Linie), die sich aus der Anzahl der Pixel bezogen auf die Bildhöhe errechnet. Der Berg der Kontrastkurven berührt bei dieser Kamera die horizontale 1,0-Linie: Hier bleibt der Kontrast in der Abbildung also uneingeschränkt erhalten. Der Idealfall, den reale Kameras keinesfalls über den gesamten Freuquenzbereich halten können. Umso breiter aber der "Kurvenbauch", desto besser. Hin und wieder beobachten wir an groben Strukturen auch Werte über 1,0. Digitalkameras heben in der Regel den Kontrast per interner Nachbearbeitung an, um die Auflösung zu optimieren. Dadurch können einige Modelle bei groben Strukturen sogar einen höheren Kontrast abbilden als im Original vorhanden (Wert größer 1,0). Allerdings sind solche Eingriffe oft auch mit Nebenwirkungen verbunden, beispielsweise mit unnatürlich harten Konturen. Auch die theoretische Maximalauflösung (Nyquistgrenze) kann bei spezieller Pixelanordnung auf dem Sensor überschritten werden. Grund: Die Nyquistgrenze bezieht sich nur auf die Bildhöhe also die Vertikale. Wir ermitteln die Auflösung aber zusätzlich für vier diagonale Richtungen, wobei hier die Auflösung 40 % über Nyquist liegen kann. In diesem Fall ergäbe sich aus den vier überhöhten und den vier der Nyquistgrenze entsprechenden Werten ein reales theoretisches Maximum, das um 20 % höher liegt als Nyquist. Allerdings wird dieses Potenzial de facto von fast keiner Kamera ausgeschöpft, da die meisten CCDs für jedes Pixel nur eine Farbe (Rot, Grün oder Blau) verarbeiten und die fehlenden Farben hinzurechnen müssen. Dazu kommen kamerainterne Filter, die Bildfehler unterdrücken, dabei jedoch die Auflösung meist unter die Nyquistfrequenz drücken.

Rauschen

Jedes digitale Foto zeigt ein gewisses Rauschen, also Artefakte, die nicht im Motiv, nur in der Aufnahme auftreten. Dabei spielen eine ganze Reihe unterschiedlicher Fehler zusammen - die einen vom Sensor verursacht ("fixed pattern noise" und thermisches Rauschen), die anderen durch natürliche Unregelmäßigkeiten des Lichts (Photonen-Rauschen) oder durch die Umwandlung in RGB-Bilder (Farbrauschen).

Der "fixed pattern noise" entsteht durch die leicht unterschiedliche Empfindlichkeit der einzelnen Pixel und äußert sich im Bild durch eine körnige Struktur. Es handelt sich dabei um eine kameraspezifische Schwäche, die jeder Hersteller intern über eine Weißkalibrierung zu korrigieren versucht.

Das thermische Rauschen geht auf Ladungen zurück, die sich nicht wie gewünscht durch Lichteinfall, sondern zufällig durch Temperatureinflüsse bilden. Umso höher die Temperatur, desto stärker das thermische Rauschen. Um vergleichbare Ergebnisse zu erzielen, hält das Testlabor deshalb die Temperatur immer auf 23 ⁰C +- 2 ⁰C. Abgesehen von der Temperatur hängt die Stärke der Bildstörungen von der Belichtungszeit und der Pixelgröße ab: je kürzer die Belichtungszeit und je größer die Pixel, desto besser das Resultat. Die einzelnen Pixel "sammeln" nämlich bei längeren Belichtungszeiten mehr Störungen. Außerdem haben kleinere Pixel zwangsläufig eine kleinere lichtempfindliche Fläche, sind damit insgesamt lichtunempfindlicher und liefern dementsprechend weniger Ladung bei gleicher Lichtmenge. Das Signal muss hier dementsprechend stärker "künstlich" angehoben werden, was jedoch gleichzeitig auch das unerwünschte Rauschen verstärkt.

Besonders kritisch ist in diesem Zusammenhang das Photonen-Rauschen. Es bleibt absolut gesehen immer gleich, egal wie groß die einzelnen Pixel sind. Da kleinere Pixel aber nur ein schwächeres Signal liefern, ist das Signal-Rausch-Verhältnis hier besonders ungünstig und die Bildfehler deutlicher sichtbar. Ähnliches gilt für hohe Empfindlichkeiten, bei denen die Kamera ebenfalls ein schwächeres Signal erfasst und damit automatisch auch das Rauschen stärker anheben muss - ein Problem, das in den Schatten gravierender ausfällt als in den Lichtern.

All diese Bildfehler beschreiben wir mit einem Wert: dem Visual Noise (VN), den wir anhand eines Charts mit 20 unterschiedlich hellen Graufeldern bestimmen. Dazu nehmen wir das Chart unter Laborbedingungen mit ISO 100, ISO 400, ISO 800, ISO 1600 und gegebenenfalls mit maximal einstellbarer Empfindlichkeit auf, trennen anschließend die Rauschstörungen vom eigentlichen Bildinhalt und werten sie aus. Dabei berücksichtigen wir die Wahrnehmung des menschlichen Auges, das für sehr feine Details weniger empfindlich ist als für gröbere Strukturen, die der Mensch schon bei geringem Kontrast erkennen kann.

Um diese spezielle, übrigens auch von der Farbe beeinflusste Frequenzabhängigkeit des Auges zu erfassen, transferieren wir das RGB-Bild der Kamera zunächst in den auf der menschlichen Wahrnehmung basierenden XYZ-Farbraum und von dort in den "oponent space", der wiederum auf eine Untersuchung der Farbstoffe und der Verarbeitung der Farbsignale im Auge zurückgeht. Anschließend filtern wir das Ergebnis mit der so genannten CSF (constrast sensitivity function). Sie beschreibt den Kontrast, ab dem das Auge die Strukturen (hier die Rauschartefakte) einer bestimmten Frequenz erkennen kann. Wir gehen dabei von einem 40 x 60 cm großen Druck bei 300 dpi aus. Danach wandeln wir das Bild wieder über den XYZ- in den Luv-Farbraum um, da sich dieser besonders zur Betrachtung kleiner Flächen und damit des Bildrauschens eignet. Im nächsten Schritt bestimmen wir die Standardabweichung für alle Felder und gewichten die Ergebnisse, wobei die Helligkeit L stärker eingeht als die beiden Farbachsen u und v:

1,0 L + 0,852 u + 0,323 v

Auf diese Weise erhalten wir für alle 20 Graustufen des Testcharts jeweils einen Visual-Noise-Wert. In die Bepunktung gehen allerdings nur die 16 mittleren, besonders wichtigen Ergebnisse ein. Außerdem gewichten wir VN-Werte über 1,0 VN stärker, und nehmen sie hoch 1,4. Damit tragen wir der Tatsache Rechnung, dass ein Visual Noise bis 1 VN kaum auffällt, 1 bis 2 VN als leichtes, aber sichtbares Rauschen hervortritt und bei über 3 VN ein wirklich störender Rauscheindruck entsteht.

Texturwiedergabe Neben Auflösung und Bildrauschen hat sich mittlerweile auch die Detailwiedergabe, sprich die Feinzeichnung beziehungsweise Textur, zu einer für die Bildqualität ganz wesentlichen Größe entwickelt. Da die Hersteller immer mehr Pixel auf den kleinen Kompaktkamerasensoren unterbringen und das Bildrauschen damit zunehmend zum Problem erwächst, ist man dazu übergegangen, mit kamerainternen Rauschfiltern nachzuhelfen. Die eliminieren jedoch nicht nur die unerwünschten Artefakte, sondern in der Regel auch feine Details, die sie mit Bildfehlern verwechseln. Um dieses Verhalten mit einem konkreten Messwert festzuhalten und zu bewerten, ermitteln wir in den Testaufnahmen einer Mustervorlage die Helligkeitsdifferenz aller benachbarter Pixel, tragen sie als Häufigkeitswert in eine Tabelle ein und stellen sie grafisch dar. Das Ergebnis entspricht einer Gaußkurve. Ein Rauschfilter, der mit dem Rauschen auch Bilddetails löscht, greift in der Regel nichtlinear ins Bild ein: Feine, kontrastarme Strukturen werden mit dem Rauschen gelöscht; kontrastreiche, für die Auflösung maßgebliche Strukturen bleiben erhalten. Dieser nichtlineare Eingriff führt dazu, dass benachbarte Pixel mit kleinen Helligkeitsunterschieden auf den gleichen Digitalwert gesetzt werden - das Bild verliert an Zeichnung. Wenn nun aber immer mehr benachbarte Pixel den gleichen Wert haben, führt dies in unserer Auswertung zu einer spitzeren Kurve, da es häufiger "0"-Werte gibt. Die Kurtosis (Wölbung) steigt nun und dient uns zugleich als Maß für nichtlineare, Bilddetails löschende Eingriffe der Signalverarbeitung. Umgekehrt gilt: Kleine Kurtosis-Werte stehen für einen maßvollen Eingriff des Rauschfilters ins Bild und viele bewahrte Bilddetails (Textur). In Ausnahmefällen liefern Kompakte trotz guten Kurtosis-Werten völlig "matschige" Bilder. In diesem Fall hat der Rauschfilter linear eingegriffen und mit dem Rauschen grobe wie feine Strukturen gelöscht. Damit sinkt aber zugleich die Auflösung, die bei dem nichtlinearen Eingriff, der kontrastreiche Strukturen erhält, unangetastet bleibt.

Objektkontrast Der Objektkontrast (Dynamikumfang) beschreibt ganz allgemein den maximalen Kontrast, sprich die Differenz zwischen hellstem und dunkelstem Bereich im Motiv. Wenn der Objektkontrast des Motivs den von der Kamera erfassbaren Kontrast überschreitet, gehen auf deren Aufnahmen Bilddetails verloren: Lichter fressen aus, Schatten laufen zu - ein Problem, das v.a. bei Sonnenschein häufig auftritt. Bei Diafilmen liegen etwa 8 Blenden zwischen hellstem und dunkelstem darstellbaren Bereich, bei Negativfilmen 12 Blenden, und Top-Digitalkameras schaffen 10 Blendenstufen, was in den meisten Situationen ausreicht - vorausgesetzt die Belichtung stimmt. Zum Messen des Objektkontrasts einer Kompaktkamera nutzen wir ein Aufsicht-Chart mit kreisförmig angeordnetem Graustufenkeil, der einem Kontrast von 10 Blenden entspricht (ISO-Norm 14524). Bei SLRs kommt ein Durchsicht-Chart zum Einsatz, ebenfalls mit kreisförmig angeordnetem Graustufenkeil - indem wir es von hinten beleuchten, deckt dieses Chart einen Kontrast von 13 Blenden ab. Die entsprechenden Testbilder geben Aufschluss darüber, wie sauber die Kamera unterschiedliche Helligkeiten eines Motivs in digitale Werte umsetzt. Bei der Auswertung ermitteln wir die in Abbilung 4 dargestellte OECF (opto Electronic conversion function) getrennt für alle drei Farbkanäle Rot, Grün und Blau. Im Idealfall sind die drei Kurven deckungsgleich. Aus der OECF geht zugleich der Objektkontrast des Aspiranten hervor - und zwar als Differenz zwischen der Belichtung, die zur Sättigung (rein weißen Fläche) führt, und der Belichtung, die nötig ist, um ein dunkles Graufeld zu erzeugen, bei dem das Bildrauschen dreimal geringer ist als das Signal. Der so erfasste Objektkontrast wird allgemein in Dichten oder in Blendenstufen angegeben, wobei eine Blendenstufe in etwa 0,3 Dichten entspricht. Ein Objektkontrast von 1000:1 ist gleichbedeutend mit 3 Dichten oder 10 Blenden. In der Regel sinkt der Objektkontrast mit höherer Empfindlichkeit, denn umso stärker das Rauschen in den Schatten, desto geringer die nutzbare Dynamik. Weißabgleich Damit ein Bild bei unterschiedlichen Lichtquellen farblich neutral wirkt, muss die Kameraelektronik einen Weißabgleich durchführen. Die Qualität dieses Abgleichs lässt sich über den Abstand der RGB-Werte einer grauen Fläche bestimmen: Wenn hier Rot-, Grün- und Blauwert übereinstimmen, passt der Weißabgleich und Grau erscheint grau. Wir prüfen den Weißabgleich unter Tageslichtbedingungen und anhand des grauen Keils des OECF-Charts. Dabei kommt es vor, dass ein Grau mittlerer Helligkeit grau oder neutral erscheint, zugleich aber ein helleres oder dunkleres Grau einen Farbstich aufweist. Farbwiedergabe Um festzustellen, wie die Kompaktkamera intern Farben verarbeitet bzw. wie genau sie die Farben des Originalmotivs trifft, nutzen wir als Testchart den ColorChecker SG von Gretag Macbeth. Er ist den Farben einer natürlichen Szene nachempfunden. Die Messwerte sind gegenüber denen anderer Testlabore deutlich weiter aufgeschlüsselt: Wir ermitteln nicht nur den Farbabstand DeltaE für jedes Farbfeld, sondern auch die Differenz in der Farbsättigung, im Farbton und in der Helligkeit. Der abgedruckte Wert nennt die mittlere Abweichung. Chromatische Aberration (nur Kompaktkameras) Bei Kompaktkameras messen wir auch die Qualität des integrierten Objektivs, respektive dessen Abbildungsfehler - unter anderem die chromatische Aberration, die sich im Bild mit farbigen Säumen vor allem an den Bildecken bemerkbar macht. Sie geht auf die spezielle Eigenschaft von optischem Glas bzw. verbauten Linsen zurück, jede Wellenlänge unterschiedlich stark zu brechen. Dadurch sind die Grün-, Rot- und Blauzüge nicht exakt deckungsgleich. Wenn beispielsweise das blaue Abbild aufgrund der speziellen Brechungseigenschaften der Objektivlinsen größer ist als das rote und das grüne, erscheinen blaue Farbsäume. Wir messen den Versatz der Kreuze des Verzeichnungscharts in den drei Bildebenen (Rot, Gründ, Blau) subpixelgenau und an mehr als zweihundert Punkten im Bild. Danach berechnen wir aus den zehn größten Differenzen zwischen den drei Farbkanälen den Mittelwert. Vignettierung (nur Kompaktkameras) Objektive bilden die Ecken dunkler ab als die Bildmitte. Um diese so genannte Randabschattung (Vignettierung) exakt in Zahlen ausdrücken zu können, leuchten wir ein Milchglas mithilfe einer Ulbrichtschen Kugel sehr gleichmäßig aus, fotografieren eine einheitlich hellgraue Fläche bei Entfernungseinstellung "Unendlich", und werten die Helligkeitsunterschiede innerhalb des so entstandenen Testbilds an 1200 Messfeldern aus. Daraus ergibt sich zum einen ein aussagekräftiger Mittelwert als auch eine Grafik, die den Randabfall veranschaulicht. Bei Kameras mit Zoomobjektiv wird die Vignettierung für Weitwinkel und Tele bestimmt. Verzeichnung (nur Kompaktkameras) Neben chromatischer Aberration und Vignettierung gehört auch die Verzeichnung zu den typischen und oftmals störenden Abbildungsfehlern von Objektiven - zu erkennen an eigentlich geraden Linien, die sich am Bildrand krümmen. Das Rechteckmuster des Testcharts bleibt kein Rechteck, sondern bekommt eine tonnen- oder kissenförmige Form. Das Labor misst bei Weitwinkel- und Telestellung, um wie viel sich die Linien am Bildrand im Verhältnis zur gesamten Bildhöhe biegen und gibt das Ergebnis als Prozentwert an. AF + Auslöseverzögerung Das Testlabor misst die Autofokusgeschwindigkeit inklusive Auslöseverzögerung auf 1/100 s genau und bei 30 Lux (Mondlicht, nur SLR) und 3000 Lux (Tageslicht, nur SLR) bzw. 300 Lux (beleuchteter Raum, nur Kompaktkamera). Dabei zählt die Zeit, die vom Druck auf den Auslöser bis zur Aufnahme vergeht. Zunächst wird die Kamera auf Unendlich fokussiert, was in guter Näherung einer Entfernung von 1000-facher Brennweite gleichkommt. Anschließend fotografiert der Tester ein 1,5 m entferntes LED-Array. Zeitgleich mit dem Druck auf den Auslöser blinkt das erste LED, im Abstand von 1/100 s leuchten die zweite, dritte bis zur 100ten LED auf. Anschließend zeigt die Aufnahme, bei welcher LED die Kamera tatsächlich ausgelöst hat. Bildfolgezeit (nur SLR) Wir bestimmen die mögliche Zahl der Serienbilder pro Sekunde für ein typisches JPEG-Bild mit maximaler Auflösung und geringster Kompression.