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Wie funktioniert eine Digitalkamera?

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Wie funktioniert eine Digitalkamera?

Ihr könnt sicherlich mit einer Digitalkamera umgehen, oder? Aber wer kann seinen Freunden auch erklären, wie das geschossene Foto in die Kamera und auf den Bildschirm kommt? Keiner? Macht nichts hier erfahrt ihr es!

Die weltweit erste Digitalkamera wurde bereits 1963 von David Paul Gregg an der Standford Universität in den USA erfunden. Damals konnten die Bilder allerdings nur wenige Minuten gespeichert werden. Nach weiteren Forschungen gelang den beiden Wissenschaftlern Willard Boyle und George Smith der Durchbruch in der digitalen Fotografie.

Sie entwickelten einen Chip, der sehr lichtempfindlich ist und nannten ihn CCD (charged coupled device - übersetzt etwa ladungsgekoppeltes Bauteil). Auch wenn es sich komisch anhört, aber es war wesentlich schwieriger ein einzelnes Bild zu speichern als einen kleinen Film. Aus diesem Grund wurde der Chip auch erstmals in einer Videokamera getestet.

Abbildung: Hier siehst du einen modernen lichtempfindlichen Chip, einen so genannten CCD-Sensor.

1973 war es dann endlich soweit und man konnte die erste richtige Digitalkamera, eine Fairchild MV-101 kaufen. Sie wog stolze vier Kilo und konnte Bilder mit einer Auflösung von 100 mal 100 Pixel, also 0,01 Megapixel, aufnehmen. Zum Vergleich: Eine handelsübliche digitale Kleinbildkamera schafft heutzutage bis zu 12 Megapixel, also 12 Millionen Pixel!

Was sind Pixel?

Das Wort Pixel ist ein Kunstwort und setzt sich zusammen aus dem englischen picture für Bild und element. Damit gibt man die Auflösung von Bildschrimen an, aber auch die Größe von Bilddateien am Computer und eben die Abbildungsleistung von digitalen Kameras.

Prinzipiell gilt, dass ein Bild umso detaillierter ist, je mehr Pixel es hat. So gibt es professionelle Kameras, die 40 Megapixel und mehr haben. Bei Kleinbildkameras, wie sie üblicherweise von Privatleuten gekauft werden, führt die Jagd nach immer mehr Pixeln sogar zu Bildverschlechterungen!

Wie kommt das Bild in die Kamera?

Durch die Linsen des Objektivs fällt das Licht des fotografierten Objekts in die Kamera. Wo sich früher der zu belichtende Film befand, findet sich heute ein elektronischer, lichtempfindlicher Chip, auch Sensor genannt..

Foto: Hier siehst du eine handelsübliche digitale Kompaktkamera. Unten ist das Objektiv samt Linse ausgefahren und die Kamera ist bereit zum Fotografieren.



Dieser Sensor ist, ähnlich wie ein Schachbrett, in viele kleine lichtempfindliche Zellen aufgeteilt die einzelnen Pixel. Ein in die Kamera eingebauter Computer, der Bildprozessor, errechnet nun für jede dieser Zellen einen Zahlwert. Je nachdem wie hell ein Pixel ist und welche Farbe das auftreffende Licht hat, ergibt sich eine andere Zahl.

Nachdem das Bild nun in digitaler Form im Speicher der Kamera liegt, wird das Bild durch den Bildprozessor noch bearbeitet. Er bügelt kleine Fehler aus, etwa wenn das Bild stark verrauscht ist, was bei Aufnahmen ohne genug Licht vorkommt. Auch Staub auf der Linse kann durch den Prozessor aus dem Bild herausgerechnet werden.



Damit die Bilddatei nicht zu groß wird, wird das Bild schließlich noch komprimiert. Dabei werden ähnliche Bildbereiche zusammengefasst. Heraus kommt dann eine JPG-Datei, die auf den Speicherchip der Kamera geschrieben wird fertig ist das digitale Foto. Je nach Kamera geschieht das mehr oder weniger schnell, meist aber innerhalb einer Sekunde.

Foto: Hier siehst du verschiedene Speicherkartenformate unterschiedlicher Hersteller im Größenvergleich.


Wie kommt es zur Bildverschlechterung durch zu viele Pixel?

Wie beschrieben befindet sich dort, wo früher der Film war, in digitalen Kameras ein Chip. Ein Kleinbildfilm hat eine lichtempfindliche Fläche von 36 Millimeter Breite und 24 Millimeter Höhe. Bei den Chips variieren die Größen, doch im allgemeinen sind Sensoren in der Größe von 1/1.8 eingebaut, das entspricht gut 7 mal 5 Millimeter. Die Fläche ist also deutlich kleiner als bei einem Kleinbildfilm.

Die Hersteller haben nun seit geraumer Zeit immer mehr Pixel auf diese kleine Fläche gequetscht, im Fall einer 9 Megapixelkamera sind das immerhin 3000 mal 3000 Pixel auf 35 Quadratmillimetern! Für einen einzelnen Pixel bleiben also nur Bruchteile eines Millimeters.

So dicht gepackt, beeinflussen sich die Pixel allerdings gegenseitig, was zu negativen Effekten führt: Das Bildrauschen und andere Fehler nehmen zu, was wieder durch einen leistungsfähigeren Prozessor ausgeglichen werden muss. Mehr ist selten besser, so auch im Bereich der Digitalen Fotografie.

In den angehängten Artikeln findet ihr Tipps zum Kamerakauf und eine erste Anleitung zum Fotografieren.

Übrigens:

Früher war Fotografieren reine Mechanik und Chemie. Die Zeit vom Auslösen bis zum fertigen Bild dauerte in den Anfangstagen mehrere Minuten bis Stunden. Weil die Aufnahme so lange dauerte, konnten die Menschen bei Portraits auch nicht lächeln, es wäre zu anstrengend gewesen. Darum schauen Verwandte auf alten Schwarzweiß-Bildern oft so ernst.



Text: Fabian Tschök 8.5.2009 / Bilder: CCD-Sensor C-M/GFDL; Kompaktkamera Darkone/cc-by-sa 1.0; Speicherkarten Xell/cc-by-sa 2.0

Hinweis: Im Archiv wurden alle Bilder und Links entfernt