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Do, 16. August 2012, 15:00

RAW - Bessere Fotos

RAW-Bildverarbeitung unter Linux: Techniken und Anwendungen

Wer hat sich nicht schon einmal über den weißen, vollständig neutralisierten Himmel geärgert, den man bei vermeintlich bestem Wetter und dem schönsten Sonnenschein fotografierte? Der Grund liegt dabei nicht nur an einer falschen Einstellung, sondern auch oftmals an einer technischen Schwäche der meisten Geräte – dem Ausgabeformat. Digitalkameras für gehobenere Bildverarbeitungsansprüche können deshalb neben JPEG und anderen Dateiformaten oftmals die Ausgabe auch in einem herstellerspezifischen Rohdatenformat (RAW) speichern. Im Gegensatz zu den herkömmlichen Formaten handelt es sich bei der Ausgabe um keinen Standard, und man benötigt spezielle Applikationen, um sie zu verarbeiten. Dieser Artikel stellt die bekanntesten Applikationen unter Linux vor, vergleicht sie und erklärt, wie anspruchsvolle Fotografen ihre Bilder noch weiter verbessern können.

Einführung

Sieht man von einem gedruckten Bild ab, so stellt die wohl am häufigsten eingesetzte Möglichkeit, Bilder zu archivieren oder abzuspeichern, mittlerweile die Konvertierung des Bildmaterials in JPEG dar. Der in der Regel direkt durch die Fotokamera durchgeführte Schritt ermöglicht dem Photografen, seine Bilder nicht nur platzsparend zu archivieren, sondern erspart ihm auch eine Menge Arbeit. Denn betrachtet man die interne Struktur einer Digitalkamera, so wird einem schnell klar, wie komplex die Arbeitsabläufe auch in den günstigsten Modellen mittlerweile geworden sind.

Technisch gesehen wandelt der in einer digitalen Kamera integrierte CCD-Sensor lediglich Lichtintensitäten der durch Filter generierten Farbinformationen. Die eigentliche Mechanik und Optik der Digitalkamera sind lediglich für die Scharfstellung, die Abschätzung der Belichtungszeit- und Blendenkombination sowie für die optische Filterung verantwortlich. Fällt das Licht durch das Objektiv auf die Kamera, wird es durch diverse Tiefpass-, Infrarot- und Farbfilter durchgereicht und die daraus gewonnenen Lichtintensitäten in entsprechende elektrische Signale mittels Diskretisierung und Quantisierung gewandelt.

Farbmuster eines Chip-Farb-CCDs - Hier der Bayer-Sensor

Mirko Lindner

Farbmuster eines Chip-Farb-CCDs - Hier der Bayer-Sensor

Verantwortlich für die Aufnahme eines Bildes ist der Fotosensor eines Gerätes, der ähnlich wie ein Schachbrett mit einem Farbfilter nach dem Konzept der Bayer-Matrix überzogen ist. Die lichtempfindlichen Zellen einer einzelnen Fotozelle können dabei nur Helligkeitswerte erfassen. Um Farbinformationen zu erhalten, wird vor jeder einzelnen Zelle ein Farbfilter in einer der drei Grundfarben Rot, Grün oder Blau aufgebracht. Jeder Farbpunkt liefert dabei nur Informationen für eine einzige Farbkomponente.

Die eigentliche Berechnung der Bildwerte übernimmt deshalb eine integrierte Firmware direkt auf dem Gerät mittels einer Interpolation (Demosaicing). Die verwendete Software geht in der Regel davon aus, dass es im Bild zwischen zwei benachbarten Pixeln gleicher Farbe nur zu geringen Farbunterschieden kommt. Einfache Verfahren interpolieren deshalb den Farbwert aus den Pixeln gleicher Farbe in der Nachbarschaft und errechnen somit den Farbwert eines Pixels. So errechnete Bilder werden schlussendlich in einer Datei, meistens JPEG, gespeichert.

Doch gerade die gebräuchlichsten Formate zur Bildspeicherung erlauben es häufig nicht, alle Informationen, die der Sensor der Kamera liefert, zu speichern. So bieten beispielsweise die allseits eingesetzten JPEG-Varianten nur 8 Bit pro Farbkanal an. Einfach dargestellt ist es also in einem JPEG-Bild nicht möglich, mehr als 256 Helligkeitsabstufungen in einem einzelnen Farbkanal zu nutzen. Aufgrund der Charakteristik des üblicherweise eingesetzten Sensors sind allerdings bei weitem mehr Helligkeitsabstufungen möglich. Um die Informationen des Bildes zu speichern, konvertieren die meisten Kameras nach dem Demosaicing das Bild in ein gängiges Format und zerstören dabei unwiderruflich Bildinformationen. Die Speicherung des Bildes in einem verlustbehafteten Format wie JPEG tut schlussendlich den Rest, damit viele der ursprünglich vorhandenen Bilddaten vollends vernichtet sind.

Das RAW-Format

Die Zahl der Abstufungen innerhalb eines Farbkanals wird in Bit gemessen. Beispiele für Helligkeitsstufen.

Mirko Lindner

Die Zahl der Abstufungen innerhalb eines Farbkanals wird in Bit gemessen. Beispiele für Helligkeitsstufen.

Um das Problem zu umgehen, können deshalb vor allem Digitalkameras für gehobenere Bildverarbeitungsansprüche neben JPEG oftmals auch ein sogenanntes RAW-Format verarbeiten. Die Bilder der Digitalkamera, die normalerweise durch die interne Elektronik verarbeitet werden, werden so in einem verlustfrei komprimierten Format noch vor der Verarbeitung durch die Firmware mit vollständigen Farbwerten auf die Speicherkarte geschrieben (auch wenn manche Modelle auch hier bereits automatische Eingriffe durchführen). Der Fotograf behält so die komplette Kontrolle über das eigene Bild und kann nahezu alle Parameter nachträglich – einschließlich der Interpolation - ändern oder korrigieren. Einstellungen wie Weißabgleich, Farbtemperatur, Scharfzeichnung oder Kontrasteinstellung können zu einem späteren Zeitpunkt am PC den eigenen Bedürfnissen angepasst und verändert werden. Darüber hinaus beherrschen die meisten Rohdatenformatdateien viel feinere Abstufungen jenseits des limitierten JPEG-Formats. So sind bei RAW 12 (4.096 Stufen) oder 14 Bit (16.384 Stufen) mittlerweile die Regel. Dadurch steht beispielsweise einer nachträglichen Hellingkeitsanpassung von nicht optimal belichteten Bildern nichts im Wege. Zudem lassen sich in RAW-Dateien vor allem Übergänge zwischen verschiedenen Helligkeitsstufen, wie Schatten, besser darstellen.

Doch des einen Freud' ist des anderen Leid. Zwar lassen sich auch in RAW Bilder zügig erstellen, doch bedürfen sie später einer nachträglichen Bearbeitung. Zwar gibt es mittlerweile auch Kameramodelle, die die Ausgabe des bearbeiteten Bildmaterials auch in RAW ermöglichen, doch hebelt diese Möglichkeit in der Regel die Vorteile des Formats aus. Zudem sind die Dateien des RAW-Formats erheblich größer als die von JPEG, was nicht nur eine längere Übertragungszeit bedeutet, sondern auch eine Verringerung der erreichbaren Bilder in der Sekunde, die eine Digitalkamera abspeichern kann.

Ein weiterer, nicht zu unterschätzender Nachteil von RAW-Formaten stellen die Kosten der Hardware dar. Zwar gingen in der Vergangenheit immer mehr Hersteller dazu über, auch kompakte und semiprofessionelle Digitalkameras mit RAW-Unterstützung auszustatten, doch mittlerweile stellt die Ausgabe einen strategischen Mehrwert dar und wird in der Regel als Unterscheidungskriterium zwischen den verschiedenen Einsatzbereichen genutzt. So verbaut beispielsweise Canon seine RAW-fähigen DIGIC-Bildprozessoren gleichermaßen in semiprofessionellen wie in Einsteiger-Geräten. Doch während die erstgenannte Zielgruppe die Bilder auch im RAW-Format speichern kann, müssen Einsteiger auf diese Funktionen verzichten. Abhilfe lässt sich hier allerdings mittels des Firmware-Aufsatzes CHDK (Canon Hacker Development Kit) schaffen, der neben erweiterten Aufnahme-Modi auch Funktionen zur Raw-Speicherung in Kompaktkameras freischaltet.

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