HDR-Sensoren und die HDR-Fotografie; Teil 1

„HDR“ (High Dynamic Range), der hohe Kontrastumfang, bzw. im Eigentlichen „DRI“ (Dynamic Range Increase) – die Verbesserung des (abgebildeten) Kontrastumfangs, ist in vieler Munde. Schon vor Jahren verhieß Fujifilm mit dem „Super CCD SR“ eine kamerainterne Lösung dieses Problems:

Fujifilm kündigte 2003 mit der F700 eine Kamera an, welche durch ihre spezielle SR-Sensor Technologie einen besseren Dynamikumfang als übliche CCD-Kameras bieten sollte. [1] Jeder Ausgabepunkt auf dem Bild wird beim SR-CCD durch zwei Pixel unterschiedlicher Lichtempfindlichkeit aufgezeichnet. Konventionelle CCDs verwenden pro Bildpunkt nur einen Pixel. 

Viele Testzeitschriften konnten den erhöhten Dynamikumfang nicht verifizieren. [2a, 2b, 2c, 2d]  In diesem Artikel geht es um die Hintergründe und Probleme der in der F700 angewandten SR-CCD-Technologie. Im Rahmen dieses Artikels soll nur auf einen entscheidenden Punkt eingegangen werden, andere Problemchen dieses Sensordesigns werden nicht erläutert. Desweiteren bezieht er sich direkt nur auf die Kompaktkameras Fujifilm F700, S20 Pro sowie F710 welche den 1/1,7" Super CCD SR verwenden und ausdrücklich nicht auf die DSLR-Modelle S3 Pro und S5 Pro.

Die DRI-Technik

Das Grundprinzip aller bisherigen Techniken zur deutlichen Steigerung des Dynamikumfangs besteht in der Erstellung und Verrechnung mehrerer unterschiedlich belichteter Bilder. Die wichtigste und bekannteste davon ist ‘Dynamic Range Increase’ (kurz DRI). Ein Motiv wird nacheinander mit verschiedenen Belichtungszeiten aufgenommen. Diese so entstandenen Bilder werden anschließend zu einem Bild mit erhöhtem Dynamikumfang verrechnet. Ich will hier auf [3] verweisen, falls die Technik noch nicht bekannt ist.

Was bei Architektur und anderen unbeweglichen Objekten unter Stativeinsatz wunderbar funktioniert, gelangt bewegten Motiven schnell an seine Grenzen:

Abb. 3: Ergebnis einer Belichtungsreihe

Die zwei oben dargestellten Bilder können nicht mittels einfacher Algorithmen verschmelzen, da die Bilder nicht deckungsgleich sind. Diese Vorraussetzung „Deckungsgleichheit“ ist für die Verarbeitung von verschieden belichteten Teilbildern elementar.

Eine Forderung an ein Kamerasystem, welches mit zwei unterschiedlich belichteten Teilbildern arbeitet, für ein breites Einsatzspektrum, muss daher sein: Die Bilder müssen zeitgleich aufgenommen werden. Dies ist beim SR-CCD der Fall.

Problem beim SR-CCD

Der 1/1,7 Zoll Super CCD SR verwendet eine sehr spezielle Mikrolinsenkonstruktion. Der große S- und der kleine R-Pixel teilen sich eine Mikrolinse:

Abb. 4: Mikrolinsendesign des SR-CCDs [2b]

Diese spezielle Konstruktion zieht eine starke Abhängigkeit der Empfindlichkeit für einfallendes Licht von dessen Einfallswinkel nach sich.

Abb. 5: Vorzugsrichtungen der Subpixel

Wenn man mit einem Pixel vorrangig Licht aus einem Teil der Hinterlinse aufzeichnet, so „blendet“ man gewissermaßen den Rest aus. Die unterschiedliche „Blendenlagen“ der Pixelarten auf der Hinterlinse des Objektives wirken sich vorrangig auf den Unschärfebereich des Bildes aus.  Eine genaue optische Erklärung wäre hier zuviel des Guten, betrachten wir lieber die Effekte:

Die Teilbilder des 1/1,7" SR-CCDs sind nicht deckungsgleich, sofern ein Motivteil weit von der Schärfenebene entfernt liegt. Typische Fälle sind Makrofotografie mit freigestelltem Hintergrund oder auch nur angeblitzte Staubpartikel. Ein kleines extremes Beispiel (Makromodus der S20 Pro + TCON 17, das R-Bild ist deutlich aufgehelllt):

Abb. 6: S- und R-Bild Fujifilm S20 Pro

Die Bereiche hinter der Schärfenebene und vor der Schärfenebene wandern dabei in zwei verschiedene Richtungen. Die DRI-Vorraussetzung von zwei deckungsgleichen Bildern unterschiedlicher Belichtung ist damit nicht erfüllt.

Ein paar abschließende Bemerkungen

Bei der Portierung der SR-Technik aus den Kompaktkameras in die professionellen DSLRs S3 Pro und S5 Pro hat Fujifilm den entscheidenden Schritt getan und jedem S- und jedem R-Pixel eine eigene Mikrolinse spendiert. Dort funktioniert die SR-Technik und man erreicht einen für die Sensorgröße fantastischen Dynamikumfang.

Die drei SR-Kompaktkameras (F700, S20 Pro, F710) wurden mit softwaretechnisch quasi deaktivierten R-Pixel ausgeliefert, in den von der Kamera erzeugten Bildern fließen sie nur marginal ein. Entwickelt man RAF-Dateien aus diesen Kameras mittels eines guten RAW-Konverters wie Adobe Lightroom, so bekommt man einen deutlich höheren Dynamikumfang. Allerdings erkauft man sich diesen mit einer reduzierten Auflösung (teils deutlich unter 3 MP).

(Daniel Thomae)

Quellen/Verweise:

[1] – Fujifilm Super CCD SR – Erklärung
[2] – a) c’t – 18/2002 
       b) dpreview.com – F700 Review
       c) digitalkamera.de – F700 Testbericht
       d) Imaging-Resource – S2o Pro Review
[3] – Digitalkamera.de – Wie funktioniert DRI