Nyquist-Grenze
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Formeln
9. Schritt:
Schärfen und Rauschunterdrückung
Damit ein Bild überhaupt scharf wiedergegeben werden kann, ist es natürlich erforderlich, dass die Aufnahme ohne Verwackelung (also mit einer geeignet kurzen Belichtungszeit) und mit korrekter Entfernungseinstellung am Objektiv erfolgte. Wenn das der Fall ist, dann ist die Schärfe von Auflösung und Kontrast des schwächsten Glieds der Kette bestehend aus Objektiv und Kamerasensor abhängig.
Schärfe durch Auflösung
Ein objektives Kriterium für Schärfe ist, wenn ein Punkt im Motiv wieder als Punkt im Bild erscheint, und nicht als Streu- oder Unschärfekreis. Je mehr Details wiedergegeben werden, umso schärfer wirkt ein Bild. Umgekehrt, fehlen erwartbare Bilddetails, so wirkt das Bild unscharf. Die Schärfe wird also durch hochwertige Objektive und einen hochauflösenden Bildsensor gesteigert.
Nyquist-Grenze der maximalen Auflösung eines Kamerasensors:
Ein 6k bzw. 24 MP Kamerasensor mit 6000 x 4000 Pixel hat bei einer Sensorgröße von 36x24 mm 6000:36=166 Pixel je mm. Für eine Abfolge schwarz-weißer Linien sind mindestens 2 Pixel erforderlich. Somit kann der Sensor 166:2= 83 Linienpaare je Millimeter abbilden. Diesen Wert nennt man Nyquist-Grenze.
Modulationstransferfunktion MTF als Maßzahl für die maximale Auflösung vom Objektiv:
Die Auflösung eines Objektivs ist von der gewählten Blende abhängig und nimmt zu den Bildecken hin ab. Auch bei Objektiven wird die Auflösung in Linienpaaren je Millimeter gemessen. Die MTF gibt die Fähigkeit eines Objektivs an, Kontrast (Modulation) bei einer bestimmten Auflösung vom Objekt durch das Objektiv auf den Kamerasensor zu übertragen. Zur Messung der MTF bedient man sich Auflösungstestbilder, wie dem IEEE Auflösungstestbild.
Die Messungen werden mit der größten Blendenöffnung, der sogenannten Offenblende durchgeführt, da bei offener Blende die Vignettierung am stärksten ist. (Z.B.: f/1,2).
Zwei MTF Diagramme können nur bei gleicher Brennweite des Objektivs sinnvoll verglichen werden, da die Vignettierung bei Weitwinkelobjektiven viel stärker ist als bei Teleobjektiven. Dies ist physikalisch bedingt.
Das cos4-Gesetz gibt an, wie die Bildhelligkeit mit zunehmenden Bildwinkel \(\alpha \) von der Bildmitte ausgehend zu den Ecken hin abnimmt.
\(B\left( \alpha \right) = {B_0} \cdot {\cos ^4}\left( \alpha \right)\)
Illustration sagitaler und meridonaler Linienpaare, sowie Zusammenhang x-Achse im MTF-Diagramm und Abmessungen beim Vollformat-Sensor
Achsenbeschriftung vom MTF Diagramm
- Auf der horizontalen x-Achse wird die Entfernung in mm von der Mitte des Objektivs in Richtung des Objektivrands dargestellt.
- 0 mm entspricht der Mitte vom Objektiv
- 21,6 mm entspricht der maximalen Entfernung vom Mittelpunkt, also den Eckpunkten an der Diagonale, bei einer Sensorgröße von 24 x 36mm
- Auf der vertikalen y-Achse wird der Grad der Lichtdurchlässigkeit des Objektivs dargestellt.
- "1" entspricht 100% des einfallenden Lichts werden durchgelassen. Da es kein 100% transparentes Glas gibt, muss der Wert bei einem realen Objektiv kleiner als 1 sein.
- "0" entspricht das kein Licht durch das Objektiv durchgelassen wird, das entspricht Schwarz.
- "0,98" .. "0,45" sind reale Werte
4 Linien werden im MTF Diagramm dargestellt
- 2 x Sagittal, als durchgehende Linie im MTF Diagramm
- parallele Linienpaare, die wie die Radien konzentrischer Kreise zur Bildmitte weisen
- mit 10 Linien pro mm (unten im MTF)
- mit 30 Linien pro mm (oben im MTF)
- parallele Linienpaare, die wie die Radien konzentrischer Kreise zur Bildmitte weisen
- 2 x Meridional, als gestrichelte Linie
- parallele Linienpaare, die wie Tangenten an konzentrische Kreise verlaufen
- mit 10 Linien pro mm (unten im MTF)
- mit 30 Linien pro mm (Oben im MTF)
Illustration: MTF Diagramm eines hochwertigen Objektivs
- Sinkt die Lichtdurchlässigkeit auf 50% so entspricht das 1 LV bzw. 1 Blendenstufe.
- Sinkt die Lichtdurchlässigkeit auf 25% so entspricht das 2 LV bzw. 2 Blendenstufen.
- Sinkt die Lichtdurchlässigkeit auf 12,5% so entspricht das 3 LV bzw. 3 Blendenstufen.
- Sinkt die Lichtdurchlässigkeit auf 6,25% so entspricht das 4 LV bzw. 4 Blendenstufen.
Interpretation vom MTF Diagramm
- Der Bereich 0 bis 10mm entspricht der Bildmitte, der Bereich zwischen 15 und 21,6 entspricht den Bildecken.
- Je höher und umso flacher die Linien im MTF Diagramm verlaufen, umso hochwertiger ist das Objektiv.
- Oben verlaufende Linienabschnitte stehen für hohe Auflösung
- Horizontale Linien stehen für Objektive, die keinen Lichtabfall, also keine Vignettierung, zu den Ecken hin aufweisen. Auch bei hochwertigen Objektiven fallen die Linen gegen die Bildecken hin ab, was einer geringen Vignettierung entspricht.
- Die Abbildungsleistung eines Objektivs ist in alle Richtungen gleich, wenn die sagittale und die meridionalen Linien nahe beisammen liegen, andernfalls liegt optische Aberattion vor.
- Je enger die durchgehende sagittale und die gestrichelte meridionale Linie beisammen liegen, umso weicher ist der Unschärfeverlauf und umso schöner ist das Bokeh.
- Die Nyquist-Grenze eines 24 Megapixel Objektivs beträgt 83 Linienpaare je Millimeter (siehe weiter oben). Im MTF Diagramm wären diese Linien bereits sehr weit unten. D.h. selbst wenn der 24 MP Sensor in der Lage wäre so feine Strukturen aufzulösen, gelangen diese gar nicht durch das Objektiv bis zum Sensor. Aus diesem Grund ist dem Megapixel-Wahn bei Sensoren eine physikalische Grenze gesetzt.
Schärfe durch Kontrast
Damit man ein Bild subjektiv als scharf bezeichnet, müssen die Konturen, also die Kanten von einzelnen Objekten innerhalb des Bildes, deutlich erkennbar sein. Dafür ist ein Helligkeitsunterschied an den Kanten der Objekte erforderlich. Grenzen direkt schwarze und weiße Bildteile an einer Kante aneinander, dann ist der Kontrast und der damit verbundene Schärfeeindruck maximal.
Schärft man ein Bild nach, so erhöht man in der Bildverarbeitung selektiv den Kontrast entlang von Kanten.
Nachschärfen in der Bildbearbeitung
Adobe Lightroom – Details - Schärfen
Tipp: Die Regler auch mit gedrückter „ALT“-Taste bedienen.
- Betrag: Legt fest, wie stark der Kontrast an den Kanten erhöht wird
- 0: Keine Schärfung
- 150: Maximale Schärfung, Gefahr der Überschärfung
- Radius: Legt die Breite vom Bereich um das Pixel fest, für das der Kantenkontrast erhöht wird
- Regler kleiner 1für Bilder mit feinen Strukturen wählen
- Regler kleiner 1für Bilder mit feinen Strukturen wählen
- Details: Legt fest, wie weit Strukturen auseinander liegen müssen, damit sie geschärft werden.
- Ein hoher Wert betont Texturen
- Ein hoher Wert betont Texturen
- Maskieren: Wenn ruhige, gleichmäßige Bildflächen ungewollt mitgeschärft wurden, kann man mit Hilfe von „Maskieren“ diese Bereiche für dem Schärfen schützen. Der Regler gibt vor, wie hoch der Kontrast zwischen Strukturen sein muss, damit die Kante geschärft wird. Bei gedrückter „ALT“ Taste zeigt weiß die Stellen an, die geschärft werden
- 0 bedeutet, kein Kontrast erforderlich, das ganze Bild wird geschärft.
- je weiter der Regler rechts ist, umso weniger Bildteile werden geschärft, bzw. umgekehrt formuliert, umso mehr Bildteile werden vor den Nachschärfen bewahrt
Richtwerte zum Starten
Portrait | Landschaft | |
Betrag | 30 .. 40 | 40 .. 100, um Strukturen herauszuarbeiten |
Radius | 0,8 .. 1,2 mit „ALT“ sicherstellen, dass die Haut nicht geschärft wird. |
0,8 um Strukturen herauszuarbeiten |
Details | 10 .. 30 mit „ALT“ sicherstellen, dass nur „echte“ Kanten geschärft werden. |
30+ mit „ALT“ sicherstellen, dass nur „echte“ Kanten geschärft werden. |
Maskieren | Mit „Alt“ sicherstellen, dass nur Haare, Augen und die Gesichtsform geschärft werden, aber die Haut nicht geschärft wird. | Mit „Alt“ sicherstellen, dass Himmel und Wasser nicht geschärft werden |
Rauschreduzierung
Durch Rauschen im Bild wird aus einfärbigen strukturlosen Flächen beim Hineinzoomen ein Fleckerlteppich an Farben. Dieser Effekt tritt besonders dann auf, wenn man die Belichtung des fertigen Bildes stark gegenüber der physikalisch bedingten Belichtung des Sensors erhöht hat, zB durch die Wahl eines hohen ISO-Werts. Auch starke Helligkeits- bzw. Luminanz-Steigerungen bei der Bildverarbeitung, etwa im Histogramm der Helligkeiten oder der Gradationskurven bedingen Rauschen.
Man unterscheidet zwischen Luminanzrauschen und Chrominanzrauschen, da sich jedes Farbsignal aus einem
- Luminanzanteil (Helligkeit/Lightness)
- Chrominanzanteil (Farbton/Hue und Sättigung/Saturation) und einem
zusammensetzt.
Rauschreduzierung in der Bildbearbeitung
Adobe Lightroom – Details – Rauschreduzierung
Adobe Lightroom bietet im Bereich „Details“ die Möglichkeit dieses Rauschen zu reduzieren, was jedoch zu Lasten der Details und somit der Schärfe geht.
Luminanzrauschen
- Luminanz: reduziert das Luminanzrauschen zu Lasten der Schärfe, dh das Bild wird weichgezeichnet
- Details: Legt den Schwellwert fest, ab dem die Luminanzrauschunterdrückung wirkt
- Kontrast Legt den Luminanzkontrast (Kontrast zwischen hellen und dunkeln Bildstellen) fest, ab dem die Luminanzrauschunterdrückung wirkt
Chrominanzrauschen
- Farbe: reduziert das Rauschen und Flimmern in monochromen, strukturlosen Flächen
- Details: Legt den Schwellwert fest, ab dem die Rauschreduzierung wirkt
- Glättung: Glättet monochrome strukturlose Flächen
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