Einstein und das Korn

Nachdem ich das Thema ISO im vorigen Beitrag nur angerissen habe, möchte ich hier ein bißchen näher darauf eingehen.

Zunächst einmal: die Abkürzung ISO steht für International Standardization Organization.

Das ist ein Zusammenschluß diverser, weltweit verstreuter Normungsorganisationen, die versuchen, Ordnung ins kreative Chaos zu bringen. Da werden dann so lustige Sachen festgelegt wie die Definition von Schwarztee oder die Transliteration der japanischen Silbenschrift ins Lateinische. Aber auch die SI-Einheiten (z.B. kg, m, K), ohne die jeder Physiklehrer aufgeschmissen wäre oder die Empfindlichkeit von Farbfilmen (ISO 5800) gehören dazu. Womit ich schon wieder bei der Fotographie wäre.

Erstaunlicherweise gibt es die ISO-Norm für die Empfindlichkeit erst seit 1979, vorher wurde diese Eigenschaft von Zelluloidstreifen über verschiedene internationale Standards definiert, von denen die sogenannte ASA (American Standards Association) wohl die verbreitetste gewesen sein dürfte.

Die Pre-Smartphone-Generation kennt diese Bezeichnung wahrscheinlich noch von den Filmrollen, die es früher an fast jeder Tanke gab. Und in Drogerien gibt es sie exotischerweise auch heute noch, obwohl  wir von der Auswahl früherer Tage mittlerweile weit entfernt sind.

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Hach, irgendwie vermisse ich die heißen Diskussionen über die Farbtonverschiebungen und Kontrastverfälschungen von AGFA, Fuji, Kodak und Co… Von den regelrechten Kriegen im Forum der Fotocommunity, ob analog jetzt die Krone der Fotographie ist oder ob die Welt im 21. Jhd. digital untergeht, ganz zu schweigen.

Hier unten sieht man übrigens sehr schön, was passiert, wenn man einen dieser altmodischen Filme zu lange und zu warm lagert. Dabei handelte es sich um einen 400er Agfa, glaube ich, dessen Beschichtung sich durch die falsche (Über-)lagerung chemisch verändert hat. Heraus gekommen sind diese ziemlich überdrehten Farben und Kontraste, die dadurch allerdings schon wieder ganz nett wirken.

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Aber zurück zum Thema. Die Definition der ISO-Empfindlichkeit entstand im wesentlichen aus den beiden Normen DIN, bei der die Sensibilät mit einer °-Zahl angegeben wurde (z.B. 21° DIN) und der ASA-Norm (z.B. 100 ASA).

Daß sich letzten Endes die ASA-Schreibweise durchsetzte, daran sind wohl die Japaner nicht ganz unschuldig, die auf ihren Kameras ab etwa 1982 die Kombination ISO/ASA aufdruckte und später nur noch ISO. Und so wie das deutsche Wörtchen „Fahrfreude“ auch in den USA für höheren Puls sorgt (und zwar nicht nur bei den Freunden der Bayrischen Motoren Werke), so ist es den heißgeliebten Nikons, Canons, Sonys dieser Welt gelungen, die ISO-Nomenklatur in selbige hinauszutragen. Soweit zur Begrifflichkeit.

Jetzt zur Empfindlichkeit. In analogen Tagen, als Kameras noch ganz ohne Strom funktionierten, wurde das abgelichtete Bild auf einen Filmträger aus Zelluloid gebannt (ok, davor gab es auch noch andere Träger, Glas zum Beispiel). Die erste Fotographie der Welt entstand übrigens in Frankreich, irgendwann um 1820 herum.  Verschlußzeit: 8 Stunden! Auch damals mußte man also für ein Portrait echt Zeit mitbringen.

Zurück zum Film: Der Zelluloidträger ist mit einer Art Gel aus kleinen Silberhalogenid-Körnchen bedampft, daß je nach Empfindlichkeit Unterschiede in der sogenannten Körnung aufweist.  Je gröber das Korn, das durch die mehr oder weniger homogene Zusammenballung der Silberpartikel entsteht, desto hochempfindlicher der Film. Dieses Korn ist dabei eigentlich ein Qualitätsmangel, denn je gröber das Korn, desto schlechter ist auch die Auflösung. Deshalb war der typische Touristenfilm auch eher der ASA 100, bei dem auf den ersten Blick kaum Körnung festzustellen war. Der Haken daran war allerdings, daß er als mittelempfindlicher Film viel Licht brauchte oder lange Verschlußzeiten oder eine große Blendenöffnung… Naja, das hatten wir schon.

Andererseits gab es dann auch hochempfindliche Filme wie den ASA 400, der mit schlechten Lichtverhältnissen oder hochdynamischen Bewegungen besser klar kam. Der Preis dafür war eine relativ schnell feststellbare Körnung, die den Bildern aber mitunter auch Charakter gaben. Hier unten habe ich zur Illustration ein Foto von einem 400er AGFA angehängt. Ich persönlich mag das Bild, da es durch die Körnung diesen speziellen Reportageflair bekommt.

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Im künstlerischen Bereich wurden aus ähnlichen Beweggründen auch noch Empfindlichkeiten bis 1600 ASA und höher verwendet, aber man kann es auch übertreiben.

Nach dem Untergang des analogen Abendlandes wurde die ISO-Norm dann von den Digitalkameras übernommen, auch wenn die Empfindlichkeit des Sensors auf ganz anderen Prinzipien basiert, die mit Chemie fast gar nichts mehr zu tun haben. Aber wo man schon mal dran gewöhnt war…

Meine erste Digi startete übrigens bei  ISO 200, wobei dieser Wert mit den analogen 200 ASA eigentlich nicht mehr viel gemein hatte. Zumindest nicht, was das Korn betrifft. Das liegt vermutlich daran, daß die einzelnen Pixel auf dem Sensorchip nur äußerst selten miteinander ballten.

Und damit wären wir bei Einstein angelangt, der mit seiner Entdeckung des photoelektrischen Effekts die Grundlagen legte für die moderne Pixelflut und für diesen Geniestreich auch (fast) prompt den Nobelpreis erhielt. So ganz nebenbei hat er damit übrigens auch noch die Quantenphysik mitbegründet. Wo er doch schon mal dabei war…

Doch wie funktioniert das jetzt eigentlich mit diesem photoelektrischen  Effekt?

Ganz, ganz, ganz einfach gesprochen, ist ein Bildsensor (z.B. CCD), also das wiederverwendbare Äquivalent zu unserem guten alten Film, nichts anderes als ein Halbleiter, der aus einer Matrix regelmäßig angeordneter,  lichtempfindlicher Fotodioden besteht. Diese werden auch Pixel genannt und je größer die Fläche dieser Einzelpixel ist, desto höher sind Lichtempfindlichkeit und Dynamikumfang. Da der Platz auf dem winzigen Sensor allerdings auch physikalisch begrenzt ist, habe ich zur Steigerung nur die Wahl,  einen größeren Sensor zu verwenden (qualitativ zu empfehlen, aber nicht ganz billig)  oder einfach mehr von diesen Pixeln auf die Platine zu quetschen. Das bringt zwar mehr Auflösung, aber kostet unterm Strich Bildqualität (Was so manchen Hersteller trotzdem nicht davon abgehalten hat, eine marketingorientiert erfolgreiche, aber bildtechnisch völlig sinnlose Pixelschlacht loszutreten.).

Unter anderem neigt die Kamera dann stärker zum sogenannten Rauschen durch den wärmeabhängigen „Dunkelstrom“, denn wo sich viele Pixel drängeln, wird’s auch schnell mal hitzig. Und das Hochsetzen der ISO an der Kamera (was ja nichts anderes als die Verstärkung des Bildsignals darstellt) forciert diesen Effekt noch.

Als Dunkelstrom bezeichnet man übrigens die spontane Bildung von freien Ladungsträgern in einem lichtempfindlichen Halbleiter durch Wärme. Wer mehr wissen will, schlage auf Wikipedia nach, aber Vorsicht – einmal in die faszinierenden Tiefen der Quantenphysik abgetaucht, findet man vor lauter interessanten Querverweisen so schnell nicht mehr heraus!

Rauschen ist also das neue Korn. Es sieht auch ganz ähnlich aus, wie man an dem untenstehenden Bild erkennen kann. Interessant ist dabei aber die ordentlich aufgereihte Anordnung dieses digitalen „Korns“, die durch das regelmäßige Raster der Pixel entsteht.  Da geht es eben nicht so drunter und drüber wie bei den Silberpartikeln.

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Entstanden ist dieses Fehlerbild, als sich der Lichtmesser meiner Digi von der Sonne zwischen den Wolken hat linken lassen und das Bild hoffnungslos unterbelichtete (soviel zum Thema Automatik). Die Belichtung habe ich im RAW-Konverter noch retten können, aber gegen das starke Rauschen habe ich leider verloren.

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Das Geheimnis von Blende, ISO und Zeit

… ist eigentlich (rückblickend) gar nicht so kompliziert, wie Wikipedia tut. Natürlich war die berühmt-berüchtigte Online-Enzyklopädie meine erste Wahl als Quell des Wissens. Und ich habe mich auch ganz brav durch die verschiedenen Artikel geackert, bis ich endlich gewappnet war – nicht unbedingt für das freihändige Fotografieren, aber immerhin für die Diskussionen mit den Profis meiner Fotocommunity. DER Fotocommunity.

Und dann, eines schönen Tages, kam da ein netter älterer Herr in unser Forum gestolpert und stellte Fragen. Anfängerfragen. Ganz unschuldig und unbedarft. Warum der wunderschöne Forsythienstrauch trotz automatischer Belichtung so fad aussah? Wie man das denn so hinkriegt mit dem unscharfen Hintergrund und so? Und überhaupt, wie das dann mit dieser Verschlußzeit zusammenhing… Und hilfsbereit, wie FCler so sind, bekam er natürlich auch prompt sehr durchdachte, sehr umfassende und sehr wissenschaftliche Antworten. Die er aber trotz besten Willens nicht begriff. Und er fragte wieder. Mit anderen Worten, aber gleichem Inhalt.

Die Antworten wurden kürzer und ungeduldiger, aber nicht unbedingt verständlicher. Also überlegte ich, ob man es denn mit anderen Worten oder bildhafteren Vergleichen ausdrücken konnte. Und während ich so überlegte, geschah etwas Erstaunliches. Zum ersten Mal begriff ich tatsächlich, was hinter dem angelernten Wissen steckte. Denn im Grunde genommen geht es bei der ganzen vertrackten Belichterei nämlich immer nur um einen Punkt – wie kombiniere ich die verschiedenen Einflüsse so, daß ich für mein Bild die passende Dosis Licht einsammle?

Weg des Lichts

Ich sage ganz bewußt die passende Dosis, denn DIE richtige, allgemeingültige Menge gibt es leider nicht. Der „Low Key“ Erotik-Künstler hat da wahrscheinlich andere Bedürfnisse als der Handwerker, der Produkte für einen Katalog fotografiert. Und der Modefotograf, der am sonnigen Strand ablichtet, hat eine andere Intention als der Landschaftsfotograf, der unter der gleichen Sonne arbeitet.

Also, die erste Frage lautet: Wieviel Licht brauche ich? 

Das hängt nämlich von meinem Ziel ab – möchte ich bestausgeleuchtete Details zeigen (Katalog) oder schummrig-schöne Szenen (Lagerfeuer)? Hell oder dunkel?

Habe ich das geklärt, stelle ich mir die zweite Frage: Mit welchen Einstellungen nutze ich dieses Licht am besten?

Da wäre zunächst einmal die ISO – die Empfindlichkeit. Die kann man sich wie eine Art Verstärker vorstellen, mit der man das Licht „lauter“ dreht. Und so wie ein Lautsprecher ab einer bestimmten Dezibelgrenze das Kratzen anfängt, so beginnt der Sensorchip in der Kamera zu „rauschen“. Was das ist, versuche ich später zu erklären. Früher, als die Bilder noch auf Zelluloid gebannt wurden, hieß dieser Zustand übrigens „Korn“, war mitunter gewünscht und verlieh dem Bild sogar eine authentische Note. Heute lässt das potentielle Rauschen die Pixelfetischisten fast in Panik ausbrechen. Bezüglich meiner Kamera kann ich aber zum Glück sagen, bis mindestens 1600 ASA merk ich nix. Und das ist – verglichen zum Beispiel mit den früher üblichen 400 ASA bei Zelluloid – eine Hausnummer, die man sich mal auf der Zunge zergehen lassen sollte! Für das aufgenommene Licht gilt jedenfalls:

Doppelte ISO halbiert die notwendige Lichtmenge.

Ungefähr so, wie ein sparsames Turbodieselchen mit dem höheren Ladedruck nur die Hälfte Sprit für die gleiche Strecke braucht (oder weniger), verglichen mit einem durstigen Muscle Car. Wobei letzteres mitunter mehr Spaß macht. Was mich von der schnellen Rundenzeit zur zeitlichen Komponente der Lichtbildnerei bringt – der Verschlußzeit.

Grad so, wie ich bei halbem Wasserdruck den Wasserhahn doppelt so lange offen halten muß, um den Wassereimer zu füllen, gilt auch hier:

Die einfallende Lichtmenge verdoppelt sich bei doppelter Verschlußzeit.

Aber… die Bildwirkung kann eine ganz andere sein! Während ich mit einer sehr kurzen Verschlußzeit eine Bewegung regelrecht einfriere – den fallenden Wassertropfen zum Beispiel oder das Rallye Car, das über die Kuppe hüpft – kann ich mit einer längeren Verschlußzeit die Dynamik einer Bewegung darstellen. So wird aus den fallenden Wassertropfen am Wasserfall ein weißer, verträumter Schleier im Feenwald. Und erst dank der leicht verschwommenen Konturen des Ford Focus WRC begreift der Bildbetrachter, daß da kein Langsamer durch die Weinberge kachelt (dem ich dann wahrscheinlich entrückt mit weit aufgerissenen, leuchtenden Augen hinterher schaue).

… was mich zur letzten Stellschraube bringt – der Blendenöffnung, meistens kurz Blende genannt.

Denn vorstellen kann man sich selbige durchaus so ähnlich wie die Iris des menschlichen Auges (Ich entschuldige mich besser gleich mal im Voraus bei allen Biologen und Medizinern für die unsachliche Beschreibung…):

Wenn es draußen hell ist, zieht sich die Iris zusammen und die Pupille wird ganz klein. Die geringe Lichtmenge, die dabei noch durchgelassen wird, schont dann auch den Morgenmuffel, dem das sommerlich helle Sonnenlicht noch zu viel des Guten ist.

Ist es dagegen dunkel, weitet sich die Iris und die entstandene Lichtöffnung lässt mehr Licht hindurch, zum Beispiel um eventuell kreuzende Rehe des Nachts auf der gewählten Ideallinie erkennen zu können. Was dem Reh manchmal auch nicht mehr hilft. Oder dem Autofahrer. Aber das ist eine ganz andere Geschichte.

Ähnlich verhält es sich mit der Blendenöffnung, nur daß diese nicht wie die Iris aus einer Art Muskelgewebe besteht, sondern aus vielen, genau berechneten, im Kreis angeordneten Lamellen, die bei Bedarf enger zusammenrücken. Die Blende ist bei einer Kamera mit Wechselobjektiven Teil des Objektivs. Unterteilt werden die sogenannten Blendenstufen in einer so genannten Blendenreihe. Die größte Blendenöffnung (Aufpassen: Kleinste Blendenzahl!) bezeichnet dabei gleichzeitig die sogenannte Lichtstärke eines Objektivs. Die Blendenzahl ist eigentlich der Kehrwert 1/k vom Verhältnis Brennweite/Blendenöffnung, wobei die Blendenöffnung dem Durchmesser der „Pupille“ entspricht. Daher wird sie auch meist als „f/…“ geschrieben (aber als „Blende …“ gesprochen). Ja, Fotografen sind irgendwie anders. Mathematisch jedenfalls bedeutet das bei einer gleichbleibenden Brennweite (Teiler), daß die Blendenzahl kleiner wird, wenn die Blendenöffnung (Nenner) größer wird. Eine einfache Blendenreihe mit einer ganz passablen Lichtstärke wäre zum Beispiel:

– 2,8 – 4 – 5,6 – 8 – 11 – 16 – 22 –

Die putzigen Zahlen kommen zustande, indem man für eine Blende den Vorgängerwert näherungsweise mit √2 multipliziert, also zum Beispiel 4 = 2,8 x √2  (Die Berechnung der Kreisfläche läßt grüßen.). Abhängig von Kamera oder Objektiv kann diese Reihe noch erweitert werden, durch halbe oder Drittelstufen.

Und damit wären wir auch schon beim komplizierten Teil, der Lichtmenge. Denn anders als bei ISO oder Verschlußzeit wird die einfallende Lichtmenge bei verdoppelter Blendenzahl nicht etwa auch verdoppelt! Nee, das wäre zu einfach. Hier gilt nämlich:

Die einfallende Lichtmenge halbiert sich mit der nächsthöheren Blendenzahl!

Doch die einfallende Lichtmenge ist nur die halbe Miete bei der Bildgestaltung, denn auch die optische Wirkung ändert sich: Vereinfacht gesagt, je kleiner die Blendenzahl, desto unschärfer der Hintergrund. Das nennt sich freistellen. Umgekehrt, je höher die Blendenzahl, desto schärfer wird das ganze Bild. Meiden sollte man dabei die kleinste und die größte Blendenzahl, da dort die Abbildungsqualität wieder schlechter wird. Warum das so ist, dazu komme ich vielleicht später mal (wenn ich es denn selbst endlich begriffen habe… ). Bis dahin gilt: „Is so!“

Das alles sollte man so ganz grob im Hinterkopf haben, wenn man sich die eingangs gestellte Frage frägt: Wie mache ich das Beste aus dem vorhandenen Licht?

Merke:

Bei wenig Licht:   ISO höher, Verschlußzeit länger, Blendenzahl kleiner

Bei zuviel Licht:   ISO tiefer, Verschlußzeit kürzer, Blendenzahl höher, Graufilter (aber das ist eine andere Geschichte)

Na dann, viel Spaß beim Ausprobieren!