Kamera Basics #23 – Dynamikumfang von Kameras (Sensoren)

Das Photonenrauschen und ISO

Die ISO macht den Sensor empfindlicher für Licht. Als Konsequenz daraus lässt es sich in dunklen Situationen besser arbeiten. Doch das dadurch entstehende Rauschen trifft auf die Pixel des Sensors, wodurch die gemessenen Werte zu einem Rauschen führen. Dieses führt dazu, dass Farben und Licht nicht mehr alle Informationen beinhalten, die sie bei einem niedrigeren ISO einmal enthalten haben.

Die Kamera hat je nach Modell eine unterschiedliche Grundempfindlichkeit. Wählt man als Fotograf einen ISO-Wert unter dem Grundwert, steuert die Kamera den Sensor zu einer Überbelichtung und die Lichter im Bild werden abgeschnitten. Natürlich arbeitet die Kamera aktiv dagegen, indem sie die Mitteltöne und Schatten abdunkelt, so dass die Überbelichtung nicht sonderlich auffällt. Doch bringt dies den Nachteil mit sich, dass die Zeichnung einiger Lichter in der Aufnahme bereits verlorengegangen ist und nicht wiederhergestellt werden kann.

Kameras, die mit einem Dual ISO arbeiten, setzen auf zwei unterschiedliche Kondensatoren, die den Sensor mit verschiedenen ISO Werten ausliest. Somit erhöht sich der Dynamikumfang, da beispielsweise Schwarzwerte mit einer höheren Grundempfindlichkeit ausgelesen werden. Das bietet dann beim Aufhellen etwas mehr Flexibilität. Gleichzeitig können Lichter so auch erhalten werden, weil diese mit dem Kondensator auf der niedrigeren ISO ausgelesen werden.

So, und was ist jetzt Photonenrauschen? Das beschreibt ein Rauschen, welches durch die sich bewegenden Elektronen entsteht. Dieses lässt sich physikalisch nicht verhindern, aber mit modernen Kameras und verschiedenen Algorithmen wird es immer besser herausgerechnet.

Wovon hängt der Dynamikumfang ab?

Die wichtigsten Faktoren, von denen der Dynamikumfang abhängt, sind:

• Sensordesign: Größere Sensoren (z.B. Vollformatsensoren) haben oft einen besseren Dynamikumfang als kleinere Sensoren (z.B. APS-C, Micro Four Thirds).
  APS-C vs. Vollformat erklärt
  Doch nicht nur von der Sensorgröße hängt der Dynamikumfang des Sensors ab, sondern auch ganz massiv von der Architektur bzw. dem Aufbau des Sensors. Dazu findest du in unserem Kamera Basic Artikel zum Thema Sensoren weitere informationen.

• ISO-Empfindlichkeit: Niedrigere ISO-Einstellungen bieten in der Regel einen besseren Dynamikumfang, da bei höheren ISO-Werten das Rauschen zunimmt und Details in den Schatten verlorengehen können.

• Pixelgröße / Anzahl der Megapixel: Größere Pixel auf einem Sensor können mehr Licht aufnehmen und verarbeiten, was zu einem besseren Dynamikumfang führt. Kameras mit weniger, aber größeren Pixeln haben daher oft einen besseren Dynamikumfang als solche mit vielen, aber kleineren Pixeln.
  Megapixel erklärt

• Optische Faktoren: Nicht nur der Sensor entscheidet über den Dynamikumfang des Bildes, sondern auch das Glas. Wenn eine Optik zu extremen Flaring und Ghosting neigt, ist es ganz natürlich, dass weniger Kontrast im Bild eingefangen wird. Das kann auch ein Look sein! Doch nicht nur das Glas des Objektivs spielt hier eine Rolle, sondern auch UV Filter und andere Filter entscheiden hier im Wesentlichen mit. UV Filter können je nach Glasqualität eine signifikante Menge an Licht schlucken. Licht, das durch Glas fällt, hat immer einen gewissen Verlust. Dies wird in der Transmission gemessen, weswegen eine Blende von f1,4 nicht verlässlich auch entsprechendes Licht einfallen lässt. Ein echter gemessener Wert ist hier T-Stop bzw. Transmission Stop. 

Was für einen Umfang haben moderne Sensoren in der Regel?

Der Dynamikumfang in der Fotografie bezieht sich auf den Unterschied zwischen den hellsten und dunkelsten Bereichen eines Bildes, die ein Kamerasensor oder ein Film erfassen kann - ohne Details in den Schatten oder Lichtern zu verlieren. 

Der Dynamikumfang moderner Systemkameras variiert je nach Modell und Sensor, liegt jedoch typischerweise im Bereich von etwa 12 bis 17 Blendenstufen. (Stand 07.2024)

Den Dynamikumfang besser ausnutzen

Moderne Systemkameras bieten verschiedene Funktionen, mit denen du den Dynamikumfang besser ausschöpfen kannst, als es noch bei einer Spiegelreflex der Fall gewesen ist. Hier bietet beispielsweise die Systemkamera die Funktion, dass du die Spitzenlichter anzeigen lässt. Somit kannst du die Belichtung so weit anpassen, dass die Zebrastreifen in der Darstellung auf dem Display der Kamera reduziert werden. Wer in der Landschaftsfotografie fotografiert, der kann auch sehr gut auf Grau-Verlaufsfilter setzen, um den Kontrast vom Himmel zum Boden zu senken und die Dynamik besser auszureizen. Wenn du in der Portraitfotografie aktiv bist, kannst du dein Modell aufhellen und es etwas vom sonstigen Bild differenzieren. So kann man auch Schatten im Gesicht aufhellen, damit dort die maximalen Details noch, bzw. wieder, sichtbar werden.

Worin unterscheidet sich der Dynamikumfang in der Fotografie von der Videografie?

Der Dynamikumfang in der Fotografie und im Video unterscheidet sich in mehreren Aspekten; hauptsächlich aufgrund der Unterschiede in den technischen Anforderungen, der Art der Aufnahme und Verarbeitung der Bilder. 

In der Fotografie ist der Fotograf frei in der Wahl der Belichtungszeit und hat so die Möglichkeit, in einer Langzeitbelichtung viel mehr Informationen im Bild zu speichern als es bei vielen aufeinander folgenden Fotografien der Fall ist. Hinzu kommt, dass bei der Fotografie immer schon ein RAW Format zur Verfügung steht. Dies kann nicht jede Kamera auch im Videomodus.

Wer ein Video in RAW aufnimmt, benötigt eine große Datenmenge. Denn pro Sekunde entstehen so 30-120 oder mehr Bilder. Diese können entsprechend der Bilder pro Sekunde auch nur innerhalb einer bestimmten Belichtungszeit bleiben. Daher ist man hier oft auf einen ND Filter angewiesen, um eine hohe Dynamik zu erzielen. Ein weiterer wichtiger Faktor für einen hohen Dynamikumfang deines Videos ist die Bitrate, in der du das Video aufzeichnest, Videos in 8 Bit neigen beispielsweise gerade bei einem Horizont zu einer Treppchenbildung.

Der Einfluss von Kompressionsverfahren

Wir gehen nachfolgend noch einmal auf die Komprimierung von RAWs und den Videocodecs ein, wobei wir uns Videocodecs und Co. noch in weiteren dedizierten Artikeln widmen werden. Jeder Kamerahersteller hat seinen eigenen Weg der Kompression von Bildern, abseits von JPEGs. Die Komprimierung verhält sich meist entgegen der Sensorpixel nicht-linear, weswegen in der Umrechnung der Skalen ein Verlust entsteht. 

Bei Videos unterscheidet man bei der Komprimierung beispielsweise in h.264 & dem moderneren Standard h.265, welche sich unterschiedlich auf die Videoqualität auswirken. Der h.265 Standard ist gerade für das Videostreaming interessant, doch neigt das Ganze gerade in den Schwarzwerten bzw. Schattenfarben zu einer Verzerrung der Farben und der Schwarzwerte.

Mechanischer Verschluss und elektronischer Verschluss

Einige Kamerahersteller begrenzen die Bit-Tiefe der RAW Aufnahmen je nachdem welcher Verschluss verwendet wird. Dies ist deswegen so wichtig zu erwähnen, da immer mehr Kamerahersteller auf den mechanischen Verschluss verzichten. Somit verwendet die Kamera dann mit dem elektronischen Verschluss eine andere Bit-Tiefe als bei der Verwendung mit einem mechanischen Verschluss. Wer also viel in Serie fotografiert und dabei den Wechsel zwischen den verschiedenen Verschlusstypen eingestellt hat, sollte über diese Bit-Tiefen Unterschiede Bescheid wissen. Wenn du hier lieber auf Konsistenz setzt, solltest du deine Kamera entsprechend vorher einstellen, damit du einen gleichbleibenden Dynamikumfang hast.

Fazit

Der Dynamikumfang ist ein sehr technisches und schwierig zu vermittelndes Thema. Wir hoffen, dass wir hier etwas Klarheit schaffen konnten. Wenn man das Prinzip in etwa verstanden hat, kann man als Fotograf sehr viel davon mitnehmen und spart sich auch den einen oder anderen Frust an anderer Stelle.