Besonderheiten von Handy-Kameras

“Wenn er sich schon wegen einer Kamera ein neues Handy kauft, dann soll er uns doch sagen, was es mit dieser Kamera auf sich hat!” Ja, aber erst im zweiten Teil dieses Beitrags, denn zuerst muss man sich überhaupt über die Besonderheiten von Handy-Kameras im Klaren sein. Das zu beleuchten, ist die Absicht dieses Beitrags.

So eine höherwertige Handy-Kamera ist schon ein gewaltiges Stück Hard- und Software. Und gerade die Software ist es, die es Laien ermöglichen, Bilder bisher unbekannter Qualität anzufertigen. Wer mit Handy-Kameras Fotos macht, kann leicht glauben, er wäre Fotograf; so großartig sind die Ergebnisse, auch schon dann, wenn man keinen der zahlreichen Spezialmodi verwendet.

Beim Bildervergleich Spiegelreflex<->Handy wählt man immer mehr das Handy-Bild als das bessere aus. Der Grund liegt in der cleveren Vorverarbeitung des Bildes durch Software-Akrobatik während und nach der Aufnahme, etwas, das bei professionellen Fotografen eine Sache der Nachbearbeitung in Photoshop ist.

Eine hochwertige Spiegelreflex benötigt einen ebenso “hochwertigen” Fotografen am Sucher. Ein Handy-Kamera ist für alle.

Besonderheiten von Handykameras

Natürlich kann man sagen, dass die Gegebenheiten bei Handys so sind wie sie sind. Erklärbar sind sie aber nur, wenn man auch die Vorgeschichte kennt. Ich schlage daher vor, dass wir uns überlegen,

• warum es am Handy eigentlich keine Blendeneinstellung gibt,
• warum es zwei Bildformate (4:3 und 16:9) gibt,
• warum es nicht so einfach ist, den Hintergrund wie bei Bokeh-Aufnahmen verschwommen darzustellen,
• wie die Objektivauswahl am Handy vor sich geht,
• warum Jedes Bild vom Handy mit genauen Geo-Koordinaten versehen wird, eine Eigenschaft, die nur bei teuren Kleinbild-Kameras zu haben ist (und dort bei Weitem nicht so genau funktioniert).
• Warum die Standardbrennweite des Hauptobjektivs ein Weitwinkeltyp ist

Der Autor verwendet ausschließlich Android-Handys. Beim iPhone sind die Verhältnisse sicher ähnlich, man steht ja im Wettbewerb.

Sensorgröße

Die Sensorgröße bestimmt gemeinsam mit der Anzahl der Pixel die Größe eines Pixels. Je größer ein Pixel, desto mehr Licht kann es einfangen, desto geringer ist die Neigung zu verrauschten Bildern bei schlechten Lichtverhältnissen.

Am Handy wurden die Sensoren im Laufe der Jahre immer größer, um eine größere Lichtstärke zu erreichen. Der Preis ist oft, dass die Kamera in dem flachen Handygehäuse keinen Platz mehr findet und das Kamerasystem an dieser Stelle das Handy um 1-2 mm verdickt.

Sensorformat

Die Linsen einer Kamera sind aus fertigungstechnischen Gründen kreisrund, und um die gesamte verfügbare Information einzufangen, könnte der Sensor eigentlich auch kreisrund sein. Bilder eines solchen runden “Idealsensors” sind aber praktisch nicht handhabbar. Jenes rechteckige Format, das die größte Fläche aus der Kreisform ausschneidet, ist ein Quadrat. Wir erinnern uns an eine der ersten Extremwertaufgaben aus der Mathematik. Ebenso erinnern wir uns an Fotos vor der Zeit des Kleinbildes, zum Beispiel in den 1940er Jahren; viele dieser Fotos waren quadratisch. Diese quadratische Form wurde durch das 35mm-Kleinbildformat aus der Filmindustrier mit den Proportionen 3:2, Negativgröße (24×36 mm) verdrängt.  Nur eine höchstwertige Kamera, die schwedische Hasselblad, setzte auf ein nahezu quadratisches Bildformat und schaffte es mit einem großen Filmformat von etwa 50×40 mm als erste Kamera bis auf den Mond. Mit ein Grund war wohl, dass man den Sucher nicht wie bei den Prismensuchern ans Auge halten musste. Vielmehr hat die Hasselblad einen Schachtsucher, sodass man sich die Kamera umhängen kann und bei Fotografieren die Kamera von oben einstellt.

Für den Rest der Welt ist das Kleinbildformat 24×36 mm jenes Maß, an dem sich alle abweichenden Formate zu messen haben. Professionelle digitale Kleinbildkameras haben einen Vollformat-Sensor und können daher alle Objektive aus der analogen Ära unverändert weiterverwenden.

Für die weniger betuchten Hobby-Fotografen wurden Kleinbildkameras mit einem etwas kleineren – und daher billigeren – Sensor ausgestattet. Auch sie konnten alle Objektive weiterverwenden, doch verlängerte sich die Brennweite um das Flächenverhältnis zum Vollformatsensor. Für Fotografen am Sportplatz war das sogar ein Vorteil, denn ein früheres 200 mm Teleobjektiv ist durch den Korrekturfaktor zu einem fast 300 mm-Objekt geworden.

Da das Hantieren mit gewichtigen Objektiven nicht jedermanns Sache ist, war es naheliegend, die Sensoren weiter zu verkleinern aber auch gleichzeitig die Objektive kleiner zu dimensionieren und – vor allem – das Konzept der Wechselobjektive zu verlassen und stattdessen ein universelles Zoomobjektiv zu verwenden. Die Kompaktkamera war geboren. Mit dieser Kameratype wurde auch das neue Sensorformat 4:3 eingeführt.

Und warum ist man nicht bei 3:2 geblieben? Der Ursprung des Kleinbildformats ist der 35 mm-Film. Zuerst war der Film, dann kam das Kleinbildformat. Und die Proportionen des Formats haben etwas mit der Architektur der Kinosäle zu tun, also eher breiter als hoch.

Das 3:2-Format nutzt aber die verfügbare optische Fläche nicht gut aus. Ideal wäre ein Kreis, der beste Kompromiss ist ein Quadrat. Nach dem Kleinbildformat bildete sich mit den 4:3 das Fernsehbild als Standard heraus. Und dieses Format fand auch in den Kompaktkameras Anwendung.  Der kleine gewordene Sensor wurde ein bisschen besser ausgenutzt. Mittlerweile gibt es aber auch Kompaktkameras mit dem Sensorformat 3:2 und sogar 16:9. obwohl

Der am Sensor eintreffende Lichtkegel hätte den Radius 1. Die Frage ist, welche Fläche Sensoren mit den Seitenverhältnissen 1:1, 4:3, 3:2 und 16:9 haben. F=x.y, wobei die Diagonale 2 ist.

y=4x/3
2²=x²+(4x/3)² / x²
4/x²= 1 + 1,78 = 2,78
x² = 4/2,78 = 1,4388
x = 1,199; y=1,595
F = x.y = 1,199*1,595 = 1,91

y=3x/2
2²=x²+(3x/2)² / x²
4/x²= 1 + 2,25 = 3,25
x² = 4/3,25 = 1,231
x = 1,11; y=1,665
F = x.y = 1,11*1,665 = 1,85

y=16x/0
2²=x²+(16x/9)² / x²
4/x²= 1 + 3,2 = 4,28
x² = 4/4,28 = 0,935
x = 0,967; y=1,71
F = x.y = 0,967*1,71 = 1,65

Man sieht. dass das Format 4:3 eine größere Fläche des Kreises ausnutzt als das Format 3:2. Das Fernsehformat 4:3 ist Geschichte und wurde durch das Format 16:9 ersetzt, weil wieder der Kinofilm diese Formate vorgab. Siehe Filmformate. Im Sensorformat der Kompaktkamera und beim Handy lebt das Format noch weiter.

Erst jetzt kommt unser heutiges Handy ins Spiel

Der Sensor ist noch ein bisschen kleiner als bei der Kompaktkamera, daher muss man die Lichtmenge optimieren, also die Proportionen eher Richtung “Quadrat” wählen. Das Filmformat 16:9 ist aber genau die andere Richtung und nutzt viel weniger Lichtfläche aus. Man entschied sich für das gängige Format 4:3.

Der Sensor hat also als Format 4:3 (Vollbild), das Display neigt wegen seiner Länge aber eher zu 16:9 (Breitbild) und ist für die Darstellung von Filmen geeignet – wie das digitale Fernsehbild.

Man kann zwar bei den Sensoreinstellungen beide Formate wählen, doch verliert man bei 16:9 jede Menge Pixel, weil bei “Breitbild” von der der Fläche etwas abgeschnitten wird. Wenn man von Bildern später Fotos anfertigen will, vielleicht mit Ausschnittsvergrößerung, sollte man jedenfalls mit dem Vollbildformat 4:3 arbeiten, weil dann der ganze Sensor genutzt wird. Späteres Abschneiden ist einfacher als Anstückeln. (Wie beim Haareschneiden)

Wer unbedingt meint, Fotos im Filmformat 16:9 machen zu müssen, für den wird vom verfügbaren 4:3-Bild oben und unten ein Streifen wertvoller Pixel abgeschnitten, damit entsteht das 16:9-Format, das nur einen Teil der Sensorfläche benutzt.

Megapixel

Es gibt Top-Handy-Kameras mit 100 MP. Aber braucht man die?

Das Bild für die Titelseite der PCNEWS benötigt bei 300 dpi-Bildauflösung, die von der Druckerei gefordert wird, etwa 3600x 2520 Pixel = 7,56 MPx. Das kann praktisch jede Handy-Kamera, die höherwertigen sowieso.

Die größere Anzahl von Pixel kann beim Zoomen und bei der Handhabung von Szenen bei geringem Lichr aber durchaus nützlich sein. Auch wenn diese Höchstauflösung der Hauptkamera im Grundzutand nicht aktiv ist, nutzt die Software die verfügbare Information und schaltet mehrere Pixel (2×2 oder 3×3) zusammen (“Pixel-Binning“) und erreicht damit eine Vergrößerung der verfügbaren Fläche pro Pixel.

Im Alltagsgebrauch bleibt diese Höchstauflösung ausgeschaltet, weli die Bilder nicht nur viel Platz verbrauchen, sondern auch die Speicherzeit lang werden kann. Dennoch tragen diese zusätzlchen Pixel zur Bildqualität bei, auch wenn die Höchstauflösung abgeschaltet ist.

Bei Verwendung des Teleobjektivs kann es sich lohnen, die Höchstauflösung zu aktivieren, um ein Verpixeln des Bildes zu vermeiden.

Papierfotos

Die Entwicklung der Bildformate kann man bei Wikipedia nachlesen, auch sie werden vom Kleinbildformat 3:2 dominiert.

Ich gehöre noch zu den wenigen Kunden von Foto Rosenberger auf der Favoritenstraße, der von Zeit zu Zeit Papierabzüge anfertigen lassen. Die Zielgruppe sind Fußball-Freunde, die noch ganz ohne Handy auskommen oder mit Tastenhandys ausgerüstet sind. Denen schenke ich dann die Papierabzüge.

Bildformate bei Rosenberger: 9×13, 10×15, 13×18, 15×20 und 20×30, alle in den Proportionen 3:2, ideal für Nutzer von Kleinbildformaten, weniger gut geeignet für Kompaktkameras und Handys.

Ein praktisches Format für diese Erinnerungen ist 10x15cm. Man kann das Format gerade noch einstecken, und es gibt dafür auch fertige Fototaschen für kleine Sammlungen.

Damit sind wir aber wieder beim Kleinbildformat. Unser 4:3-Bildformat vom Handy ist etwas zu hoch, und will man dieses auf ein Papierbild bannen, fehlt oben und unten ein kleiner Streifen, es sei denn, man freundet sich mit weißen Streifen auf der rechten und linken Seite an.

Wenn man beim Fotografieren darauf achtet, dass die Objekte nicht ganz an den oberen und unteren Rand reichen, kann man die oben und unten abgeschnittenen Streifen leicht verkraften.

Was man sich wünschen würde, sind zwei Linien, die dem Fotografen zeigen, wo das Bild beschnitten wird, wenn man Papierbilder herstellen will.

Objektiv

Bei den frühen Kameras wurde als Standard-Objektiv ein 50 mm-Objektiv mitgeliefert. Man erwarb dann ein 35 mm Weitwinkelobjektiv für Landschaftsaufnahmen und ein kleines 135mm-Tele für Porträt-Aufnahmen. Und dazu eine Fototasche, um das zusätzliche Zubehör mitschleppen zu können.

Bei Systemkameras kann man sowohl Objektive mit fester Brennweite als auch Zoom-Objektive mit variabler Brennweite verwenden. Kompaktkameras verfügen über ein mechanisch verschiebbares Zoom-Objektiv und können die Brennweite in einem weiten Bereich verstellen.

Man könnte nun meinen, dass ein Handy mit mehreren Objektiven diese frühere Brennweitenabstufung oder den mechanischen Zoom der Kompaktkamera nachbildet. Doch so ist das nicht.

Eine heutige Handy-Hauptkamera ist mit einem etwa 20-30 mm Weitwinkel ausgerüstet – ohne mechanischen Zoom.

Das Hauptobjektiv ist immer ein Weitwinkel-Typ, weil man damit den größten möglichen Blickwinkel erzielt, aus dem die Software jeden beliebigen Zoom-Faktor herausrechnen kann. Es gibt auch einen weiteren Grund für die Wahl eines Weitwinkel-Objektivs, denn diese Objektive haben eine geringe Bauhöhe und finden daher im Handy besser Platz.

Der Benutzer muss von dieser Anordnung nichts wissen. Er kann den ganzen Brennweitenbereich stufenlos zoomen- so wie be der Kompaktkamera. Aber beim Handy werden nur beim Teleobjektiv Linsen bewegt, die beiden Weitwinkelobjektive ändern ihre Brennweite während des Zoomens nicht. Der Zoom erfolgt nur durch Software. Dass man die Übergänge zwischen den Objektiven nicht bemerkt – wenigstens als Laie bemerkt man sie nicht, ist schon höhere Software-Kunst.

Bei höherverwertigen Handys wird dieses Haupt-Objektiv durch weitere Objektive ergänzt; einerseits durch ein Ultraweitwinkel-Objektiv und anderseits durch ein Teleobjektiv. Diese stellen eine besondere Herausforderung dar, weil Teleobjektive eine große Bauhöhe haben und daher aus dem Gehäuse ragen würden. Daher wird dieses Objektiv um 90° gedreht eingebaut und das Licht über Spiegel wie beim Periskop eines U-Boots auf den Sensor gelenkt. Mechanisch bewegliche Linsen stellen den Zoomfaktor ein. Der größte optische Zoomfaktor liegt derzeit bei 10.

Es gibt auch Teleobjektive als Zubehör, die man auf das eingebaute Objektiv im Handy aufklemmt, und die wie ein klassisches Teleobjektiv aus dem Handy herausragen.

Blende

Die Blendenzahl ist das Verhältnis aus Brennweite und dem Durchmesser des eingelassenen Lichtbündels. Je größer diese Zahl, desto weniger Licht kann zur Belichtung des Bildes verwendet werden.

Bei Kleinbild- und Kompaktkameras kann man die Lichtmenge durch mechanische Lamellen reduzieren. Die Blendenreihe ist 1 – 1,4 – 2 – 2,8 – 4 – 5,6 – 8 – 11 – 16 – 22 – 32

Die Lichtstärke eines Objektivs wird durch die kleinste einstellbare Blende (größte Lichtmenge) charakterisiert, zum Beispiel 1,2 oder 2 ode 2,8.

Mit jeder größeren/kleineren Blendenstufe halbiert/verdoppelt sich die Lichtmenge.

Bekannt wurde diese Folge der Blendenzahlen auch für Nicht-Fotografen in der Columbo-Folge 59 “Tödlicher Jackpot“. Der glückliche Gewinner einer Lotterie setzte aus Gewohnheit immer die Blendenzahlen seiner Kamera, und das brachte ihm zunächst Glück bei der Ziehung, dieses Glück wurde ihm aber gleichzeitig zum Verhängnis.

Gemeinsam mit der Belichtungszeit wird die Lichtmenge gesteuert, mit der ein Bild belichtet wird.

Die Tiefenschärfe, also jenen Bereich, in dem Objekte scharf abgebildet werden. Größere/kleinere Blende ergibt größere/kleiner Tiefenschärfe.

Diese Einstellung ist aber nicht beliebig, weil mit größerer Blende (und daher größerer Tiefenschärfe) weniger Licht durch das Objektiv einfällt und damit die Belichtungszeit verlängert werden muss. Es besteht Verwackelungsgefahr.

Handy-Kameras haben nur eine Blende, man kann die Blende nicht – wie bei den großen Kamerageschwistern – vergrößern. Wie klein diese ist, hängt wie auch bei den großen Vorbildern von der Lichtmenge ab, die man auf den Film (Sensor bringt). Dass man die Blende nicht verstellen kann, liegt wahrscheinlich in der praktischen Unmöglichkeit der mechanischen Umsetzung.

Dennoch kann man am Handy die Lichtmenge regeln, und das mit Software. Man kann zwar die Blende selbst nicht verändern, doch in einigen Einstellungen im Profi-Modus kann man “Helligkeit” und “Schatten” verändern un zwingt so die Belichtungsautomatik eine andere Verschlusszeit zu wählen.

ISO

In der Zeit der analogen Fotografie kaufte man einen Film mit einer festen Empfindlichkeit ASA oder ISO. Ein kleinere ISO-Zahl bedeutete einen feinkörnigen aber wenig er empfindlichen Film, eine hohe ISO-Zahl einen grobkörningen, dafür aber sehr empfindlichen Film.

Das ist in der Digitalfotografie genau so, nur verändert der ISO-Wert die Verstärkung nach der Wandlung des Lichts in elektrische Signale. Ein hoher ISO-Wert bedeutet hohe Verstärkung und damit hohe Emfindlichkeit aber gleichzeitig auch ein höheres Bildrauschen. Im Normalfall muss man sich um den ISO-Wert nicht kümmerm. die Kameras verwalten ihn automatisch.

Für richtig hohe ISO-Werte über 100.000 benötigt man aber auch entsprechend große Sensoren, die beim Handy nicht verfügbar sind.

Autofokus und Bildstabilierung

Man erinnert sich an die Anfangszeiten der Fotografie, bei der Fotos ohne Stativ kaum möglich waren. Aber auch später war ein Stativ unverzchtbarer Begleiter für schwierige Lichtverhältnisse.

Heute fokussiert die Kamera entweder automatisch oder auf jenen Punkt, den man mit dem Finger am Display antippt. Einfacher geht’s nicht! Dass die Bilder auch ganz ohne Stativ und auch in der Nacht nicht verwackeln, liegt an einer optischen und eletronischen Bildstabilierung. Die optische Bildstabilisierung bewegt das Linsensystem entgegen den schnellen Zitterbewegungen der Hand. Die elektronische Bildstabilisierung verzögert die Auslösung, bis eine verwackelungsarme Phase erkannt wird. Beide Stabilierungen wirken glechzeitig.

In Bildbeispielen kann man eindrucksvolle Langzeitbelichtungen sehen, die ganz ohne Stativ entstanden sind. Das winzige Linsensystem kann wegen der geringen Masse viel rascher und auch mit viel weniger Energieaufwand bewegt werden.

Tiefenschärfe

Die Sensorgröße und die Blende bestimmen die Tiefenschärfe eines Fotos. Je kleiner der Sensor und je größer die Blende, desto größer ist die Tiefenschärfe.

Sensoren von Handykameras sind naturgemäß kleiner und daher ist die Tiefenschärfe aus diesen Grund groß. Die große Tiefenschärfe kommt den vielen Amateurfotografen zugute, weil Motive und auch gleichzeitig der Vorder- und Hintergrund scharf eingestellt sind.

Die steigende Qualität der Handykameras bewirkt die Verwendung immer größerer Sensoren mit immer größerer Lichtstärke und daher kleiner Offenblende. Diese Tendenz wirkt der Tiefenschärfe entgegen, weil mit der kleineren Blende die Tiefenschärfe sinkt.

Bokeh

Die insgesamt recht große Tiefenschärfe beim Handy verhindert es, dass man ein Hauptmotiv scharf und den Hintergrund gleichzeitig unscharf stellen kann. Bei Kleinbild- und Kompaktkameras macht man das so, indem man die Blende sehr klein (Lichtstarke Objektive, zum Beispiel 1:1 oder 1:1,2 sind bestend geeignet) und gleichzeitig über eine kurze Verschlusszeit den richtigen Lichtwert einstellt. Wie stark der Bokeh-Effekt ausfällt, hängt schließlich von der Sensorgröße ab. Am deutlichsten wrd er wohl bei dem Riesensensor der Hasselblad ausfallen, dann folgen schon die Spiegelreflex-Kameras mit Vollformat-Sensor. Bei allen Kameras mit kleineren Sensoren wird die Tiefenschärfe größer und der Bokeh-Effekt schwächer.

Da die Handy-Kameras eher am unteren Ende der Sensorgröße rangieren, ist auch der Bokeh-Effekt gering.

Wie behilft sich ein Handy? Es gibt ein spezielles Programm “Portrait”, das einerseits das Objektiv auf fest auf zweifache Vergößerung einstellt und anderseits den Hintergrund herausrechnet und unscharf stellt. Der Bokeh-Effekt entsteht also am Handy durch “Software-Zauberei” und nicht durch die Regeln der Optik.

Geo-Daten

Wenn man die Handy-Bilder auch im Sinne einer Chronik aufbewaren will, empfiehlt es sich, das automatische Geo-Tagging zu aktivieren. Jedes Bild bekommt dazu zwei Geo-Koordinaten eingeprägt, mit deren Hilfe man später mit einem geeigneten Bildbetrachtungsprogramm die Bilder auf Landkarten verorten kann.

Bei dem Geo-Tagging spielt das Handy seine Stärken aus. In meiner Spiegelreflexzeit war ich stolz, die erste Kamera erworben zu haben, die ein GPS-Modul eingebaut hat. Groß war aber die Enttäuschung bei der Inbetriebnahme:

• Lange Wartezeit, bis die Satelliten endlich ein gültige GPS-Signal ergaben
• Standortdaten ziemlich ungenau
• Ungültiges Signal in Gebäuden
• Extremer Batterieverbrauch

Das GPS-Modul wirde daher nach einigen Versuchen abgeschaltet und die Geodaten – so wie früher – während der Nachbearbeitung mit Google-Pixasa nachgetragen.

Warum ist ein solches GPS-Verhalten beim Handy unbekannt? Ein wichtiger Grund ist, dass ein Handy mehr Orienterungsmöglichketen hat und Geodaten bereit stellen kann, auch wenn gar kein GPS-Signal empfangen werden kann. Wichtig: die Standortbestimmung am Handy muss aktiviert sein. Man kann diese generelle Freigabe pro App deaktivieren.

• Das Handy muss sich in einem Netz einbuchen und benötigt dazu die Funkverbindung zu Funkzellen, deren Standort bekannt ist und gleichzetig auch ihre Signalstärke, die von den jeweiligen Sendestandorten empfangen wird woraus man eine Entfernung schätzen und daher auch einen ungefähren Standort feststellen kann.
• Genauer ist die Standortbestimmung, wenn das Handy von mehreren WLANs (oder auch Bluetooth-Quellen) gesehen werden kann. Auch wenn das Handy nicht eingebucht ist, kann aus dem Standort der WLAN-Sender der Standort des Handys errechnet werden. Die Funktion zum automatischen Suchen solcher Netze muss freigeschaltet sein.
• Neuerdings können auch Sensoren zur Standortbestimmung herangezogen werden.

Mit diesen, von GPS völlig unabhängigen Geo-Informationen kann eine GPS-Verbindung die Standortberechnung von einem sehr gut geschätzten Anfangswert beginnen, ist also viel schneller betriebsbereit. Mit diesen Möglichkeiten kann eine Stand-Alone-Kamera nicht mithalten, es sei denn, dass sie selbst mit WLAN mit einem Handy verbunden ist, das über eine Zusatz-App diese Informationen an die Kamera überträgt. Diese Technologien habe ich nicht weiter verfolgt, da bin ich der Handy-Fotografie bereits verfallen.

Zusammenfassung

Links

• Bokeh-Aufnahmen
• Hasselblad
• 35 mm-Film
• Filmformate
• Bildformate
• Blendenreihe
• Tödlicher Jackpot (Columbo-Folge mit Blendenzahlen)
• Pixel-Binning