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Histogramm - Digitalbilder optimal belichten

Wer bislang Diafilme, vor allem mit dem Ziel, die Bilder satt und brillant zu projizieren, belichtet hat, muss sich beim Umstieg auf das digitale Aufnahmemedium ein wenig umstellen. War es beim Diafilm angeraten, lieber etwas knapp zu belichten, um möglichst dichte, knackige Photographien zu erhalten, sollte man dem digitalen Sensor etwas mehr Licht gönnen, um dessen Qualitätspotenzial auszuschöpfen. Das Histogramm ist in diesem Zusammenhang eines der wichtigsten Hilfsmittel. Die meisten Digitalkameras sind in der Lage, es direkt nach der Aufnahme zusammen mit dem Bild anzuzeigen. Mit ein wenig Erfahrung lässt sich mit Hilfe des Histogramms sehr schnell erkennen, ob die Belichtung stimmt. Das macht Belichtungsreihen praktisch überflüssig und hilft so Zeit bei der Sichtung der Bilder einzusparen.

Pixelgebirge
Das Histogramm ist nichts anderes als die graphische Beschreibung der Verteilung der Pixel eines Bildes auf die verschiedenen Tonwerte. Auf der horizontalen Achse werden auf einer Skala von 0 bis 255 die Tonwerte entsprechend ihrer Helligkeit aufgetragen, wobei 0 schwarz und 255 Weiß entspricht. Die Höhe auf der vertikalen Achse repräsentiert die Anzahl der Pixel mit den jeweiligen Tonwerten. Entsprechend ergibt sich für dunkle Bilder ein Histogramm mit hohen „Gipfeln“ auf der linken Seite des Diagramms, helle Bilder haben den Schwerpunkt ihrer Tonwerte im rechten Teil des Histogramms. Je nach Helligkeitsverteilung sind natürlich alle Zwischenstufen möglich.

Wird das „Gebirge“ auf einer Seite abgeschnitten, so bedeutet dies, dass entweder im dunklen oder im hellen Bereich der Aufnahme keine differenzierbaren Tonwerte mehr zu finden sind. Die entsprechenden Flächen sind entweder weiß (rechts angeschnittenes Histogramm) oder schwarz (links angeschnittenes Histogramm). „Clipping“ - zu Deutsch abschneiden - lautet der entsprechende Fachbegriff. Ausgewogen belichtete Bilder liefern ein Histogramm, das an beiden Seiten bis auf die horizontale Achse herunterreicht. In diesem Fall kann man davon ausgehen, dass sowohl die dunkelsten, als auch die hellsten Stellen des Bildes noch Zeichnung aufweisen. Solche Aufnahmen sind ideales Ausgangsmaterial, um nachträglich eine Feinanpassung der Gesamthelligkeit vorzunehmen.

Farbtiefe
Der Begriff „Farbtiefe“ spielt beim Verständnis von Histogrammen eine wichtige Rolle. Die Farbtiefe hat entscheidende Folgen für die Weiterbearbeitung der Bilder, bestimmt die Anzahl der darstellbaren Farbabstufungen und beschreibt somit das Auflösungsvermögen einer Kamera, eines Scanners oder eines Monitors für die Tonwerte in den drei Grundfarben Rot, Grün und Blau. Je höher die Farbtiefe ist, umso mehr Abstufungen beziehungsweise Tonwerte lassen sich differenzieren.

Die Farbtiefe wird üblicherweise in Bit angegeben. 8 Bit pro Farbkanal sind bei Monitoren, digitalen Kompaktkameras, Druckern, einfachen Scannern sowie digitalen Spiegelreflexkameras üblicher Standard - bei letzteren allerdings nur, wenn man die Aufnahmen im komprimierten JPEG-Format aufzeichnet. Nutzt man das RAW-Format, so steht in der Regel eine Farbtiefe von meist 12, immer häufiger auch von 14 oder gar 16 Bit pro Kanal zur Verfügung. Lädt man diese Daten in das Bildbearbeitungsprogramm, so werden alle Aufnahmen, die mit höherer Farbtiefe als 8 Bit vorliegen, automatisch im 16 Bit-Modus geöffnet, was allerdings keinen Einfluss auf die tatsächliche Farbtiefe hat.

Bild aus Bits
Ein Bit ist die kleinste digitale Informationseinheit. Es kann genau zwei Zustände annehmen: „0“ oder „1“. 8 Bit erlauben die Beschreibung von insgesamt 256 Zuständen, denn es sind bei 8 Ziffern genau 256 unterschiedliche Kombinationen von Nullen und Einsen möglich: 00000000, 01010101, 11111111 usw. Da ein digitales Bild üblicherweise aus den drei additiven Grundfarben Rot, Grün, Blau aufgebaut ist (RGB-Farbraum) und sich für jede der Grundfarben 256 Abstufungen darstellen lassen, ergeben sich für ein im 8 Bit-Modus aufgezeichnetes Bild 256 x 256 x 256 = 16.777.216 Farbkombinationen. Da unsere Augen bei dieser Farbtiefe keine Abstufungen mehr wahrnehmen, empfinden wir entsprechende Farbverläufe als kontinuierlich. Für die Ausgabe von Bildern, sei es auf einem Monitor oder im Druck, ist daher eine Farbtiefe von mehr als 8 Bit eigentlich nicht erforderlich, macht aber bei der Bildaufzeichnung durchaus Sinn. Digitale Bilder werden in der Regel nachbearbeitet. Man korrigiert die Tonwerte, den Bildkontrast, die Farbabstimmung. All dies führt zu einer Reduzierung der Tonwerte und damit zu einem Verlust an Bildinformation. Sind nur wenige Tonwerte vorhanden, stößt man bald an die Grenzen - mehrere aufeinander folgende Korrekturen an 8 Bit-Bildern führen zu sichtbaren Qualitätseinbußen, wie Abbrüchen in Verläufen, so genannten Stanz-Effekten, die beim Betrachten der resultierenden Histogramme deutlich werden: aus dem kontinuierlichen Histogramm-Gebirge wird ein unregelmäßiger Lattenzaun.

Viel hilft viel
Werden die Bilder im RAW-Modus mit 12 Bit Farbtiefe aufgezeichnet, bedeutet das, dass pro Kanal 212 und damit 4.096 Tonwerte dargestellt werden können, was im RGB-Farbraum 4.096 x 4.096 x 4.096 = 68,7 Millionen Farbtöne ergibt - im Gegensatz zu den „nur“ etwa 16,8 Millionen bei 8 Bit Farbtiefe. Gegenüber den 8 Bit des aufgrund der geringen Dateigrößen und der unkomplizierten Handhabung beliebten JPEG-Formates, ist somit - auch ungeachtet der mit JPEG einhergehenden Verluste aufgrund der Datenkompression - eine bedeutend präzisere Differenzierung der Farbtöne möglich, was sich beispielsweise in einer besseren Durchzeichnung dunkler und ganz heller Bildpartien zeigt. Wo im JPEG-Bild in den Schatten lediglich schwarze Flächen und in den Lichtern nur strukturlose, reinweiße Bereiche zu sehen sind, lassen sich RAW-Bildern oft noch erstaunlich viele Details entlocken.

Lineare Aufzeichnung
Von großer Bedeutung, um zu verstehen, wie digitale Belichtung funktioniert, ist die Tatsache, dass digitale Systeme das Licht linear aufzeichnen. Unsere Wahrnehmung hingegen ist in hohem Maße nichtlinear und auch der Film reagiert in den extrem hellen und dunklen Bereichen nichtlinear. Unsere Sinnesorgane dämpfen sehr starke, verstärken sehr schwache Reize und können sich in einem weiten Spektrum an sich rasch ändernde Reizintensitäten anpassen. So schaffen wir es direkt aus einem dunklen Keller ins helle Tageslicht zu treten, - wobei wir unsere Augen unter Umständen mit einer Steigerung der Lichtintensität um einen Faktor 10.000 konfrontieren. Digitale Sensoren verfügen nicht über solche Dämpfungsmechanismen. Sie zeichnen einfach alle auftreffenden Photonen – „Lichtteilchen“ - mit gleicher Gewichtung auf.

Mehr ‚helle’ Tonwerte
Nehmen wir an, dass ein durchschnittlicher Sensor einen Kontrastumfang von etwa sechs Blendenstufen darstellen kann, dann könnte man ganz davon ausgehen, dass sich die bei 12 Bit Farbtiefe resultierenden möglichen 4.096 Tonwerte zu gleichen Teilen über diese sechs Blendenstufen verteilen. Für jede Blendenstufe von ganz hell bis ganz dunkel stünden somit etwa 683 Abstufungen zur Verfügung - das wäre schön und einfach, ist aber nicht so. Blendenstufen repräsentieren jeweils die Halbierung beziehungsweise Verdopplung der einfallenden Lichtmenge. Eine Blendenstufe heller bedeutet, das doppelt soviel Licht auf den Film oder Sensor fällt, eine Blendenstufe dunkler bedeutet entsprechend eine Halbierung der Lichtmenge. Tatsächlich entfallen auf die erste und hellste Blendenstufe die Hälfte der möglichen Tonwerte (2.048), auf die folgende wiederum die Hälfte davon (1.024) und so weiter. Für die dunklen Bildbereiche bleiben damit gerade einmal 64 Tonwerte übrig. Führt man das gleiche Zahlenspiel mit den 256 Tonwerten des 8 Bit-Bildes durch, so verbleiben dabei in der dunkelsten Stufe gerade noch kümmerliche vier Tonwerte.

Gewissenskonflikt
Ein Problem der digitalen Photographie ist das „Ausfressen“ heller Lichter. Wo der nichtlineare Film - beispielsweise bei Aufnahmen von Lichtsäumen im Fell von Tieren oder bei Sonnenauf- und Untergängen - noch in sehr hellen Bereichen Strukturen zeigt, klaffen bei Digitalbildern nicht selten weiße Löcher. Um dem zu begegnen, belichtet man in solchen Situationen besonders knapp und versucht die dunklen Bildbereiche dann in der Nachbearbeitung über eine Tonwertkorrektur wieder zu differenzieren. Belichtet man allerdings unnötigerweise zu knapp, zum Beispiel weil sich dadurch komfortabel kurze Belichtungszeiten ergeben, reduziert man die Anzahl der möglichen Tonwertstufen unter Umständen dramatisch. Das Histogramm erscheint dann nach links verschoben. Nun kann man zwar mit Hilfe der Gradationskurven oder der Tonwertkorrektur das Bild wieder aufhellen. Das bedeutet aber nichts anderes, als die relativ wenigen in den dunklen Bereichen vorhandenen Tonwerte aufzuspreizen und daraus einen realistischen oder gewünschten Gesamttonwertumfang des Bildes zu rekonstruieren. Die Folgen sind eine mehr oder minder deutliche Steigerung des Bildrauschens und in Extremfällen Brüche in Farbverläufen, die so genannte Posterisierung.

Idealerweise belichtet man daher so, dass man den Spielraum im Bereich der Lichter weitgehend ausreizt - natürlich ohne sie ausfressen zu lassen. Die Kunst ist - wie so oft - das eine zu tun (Lichterzeichnung zu erhalten), ohne das andere zu lassen (Tonwertumfang maximieren). Um das möglichst präzise tun zu können, bedient man sich des Histogramms. Fällt die Histogramm-Darstellung eines Bildes im rechten, die Lichter repräsentierenden Abschnitt ganz auf die horizontale Linie ab und bleibt noch etwas Raum bis zur rechten Begrenzung, so korrigiert man die Belichtung so weit nach Plus, bis man rechts gerade an die Grenze stößt. So unterbleibt das Beschneiden der Lichter und man hat das mögliche Maximum an Tonwerten eingefangen.

Die ganze Wahrheit?
Das auf dem Kameradisplay dargestellte Histogramm repräsentiert allerdings nicht die RAW-Datei, sondern ein von der Kamera berechnetes JPEG-Bild. Die meisten Kameras rechnen in dieses virtuelle JPEG-Bild eine relativ stark S-förmige und damit Kontrast steigernde Gradationskurve ein, was der Anmutung von „Film-Bildern“ nahe kommt. Dadurch erscheinen allerdings die Ränder des Histogramms zuweilen abgeschnitten, obwohl sie es beim Betrachten der tatsächlichen RAW-Datei gar nicht sind. Je nach den JPEG-Einstellungen der Kamera kann das Histogramm also durchaus trügen. Allerdings ist man, wenn man sich am Kamera-Histogramm orientiert, eigentlich immer auf der sicheren Seite. Befinden sich alle Tonwerte innerhalb des darstellbaren Raums, kann man davon ausgehen, dass weder Schatten zugelaufen noch Lichter ausgefressen sind. Möchte man die Leistungsfähigkeit des Sensors optimal nutzen, die Belichtung im Lichterbereich an die Grenze verschieben, so kommt man allerdings nicht umhin, mit einer Testreihe zumindest ungefähr die effektive Empfindlichkeit des Sensors zu ermitteln.

Öffnet man die, wie beschrieben, möglichst reichlich belichteten Aufnahmen in einem RAW-Konverter, so erscheinen diese auf den ersten Blick oft mehr oder weniger deutlich zu hell. Mit den Belichtungs-, Helligkeits- und Kontrastreglern bringt man die Aufnahmen aber problemlos auf das gewünschte Helligkeitsniveau.

Konsequenzen
Von hoher Bedeutung, um ein möglichst breites Tonwertspektrum einzufangen, ist, die Belichtung möglichst weit zu den Lichtern hin zu verlagern, das heißt eine Histogramm-Darstellung mit einem Schwerpunkt auf der rechten Seite anzustreben. Nachträgliches Aufhellen zu dunkler Aufnahmen reduziert den Gesamttonwertumfang unter Umständen beträchtlich, mit der Konsequenz deutlich verstärkten Bildrauschens und inhomogener Farbverläufe. Nur was bereits bei der Aufnahme eingefangen wurde, steht für die nachfolgende Verarbeitung zur Verfügung. Das gilt auch im Zusammenhang mit dem RAW-Format. Die Auffassung, dass es bei Nutzung des RAW-Formates nicht so sehr auf genaues Belichten ankommt, ist also schlicht falsch. Letztendlich darf man sich aber auch nicht zum Sklaven der Technik machen, denn Tonwerte hin oder her - wenn das Bild gestalterisch und inhaltlich nicht überzeugt - nutzt es wenig, wenn man auf das besonders breite Tonwertspektrum verweisen kann. Gleichwohl hilft es, zu wissen, an welchen Schrauben man drehen kann, um aus einem ästhetisch ansprechenden auch ein technisch gutes Bild zu machen.
 

Digitalfotografie 06 / 2008

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