Auf dem Prüfstand
Olympus-Modelle mit spezieller Kantenaufbereitung
2002-03-08 Bei der Untersuchung aktueller 4-Megapixel-Digitalkameras stieß Diplominformatiker Anders Uschold auf ein interessantes Phänomen bei den aktuellen Olympus-Modellen. Der Hersteller verwendet in der Camedia C-4040 Zoom und C-40 Zoom ein sehr weit entwickeltes Verfahren zur sogenannten Kantenaufbereitung. Damit wird verhindert, dass die Kamera dem Bild Strukturen "hinzudichtet", die im Motiv gar nicht enthalten sind. (Anders Uschold, Jan-Markus Rupprecht)
In der Fachsprache ist das Verfahren eine "weiterentwickelte Strategie bei
der Ansteilung bzw. Scharfzeichnung, Verbesserung und Fortführung von
Kanten". Das hört sich sehr technisch an und ist in der Tat alles andere
als simpel. Deshalb sei hier schon mal vorgewarnt: Die folgenden Zeilen sind
nichts für Leser, die mit der Technik gar nichts zu tun haben wollen! Sie geben
aber interessante Einblicke, wie zumindest Teile der Aufbereitung der Bilder in
einer Digitalkamera funktionieren und erklären vielleicht manch merkwürdigen
Effekt, den der eine oder andere schon einmal in seinen Digitalfotos entdeckt
haben wird.
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Mit seinem weiterentwickelten Verfahren zur Bildoptimierung geht Olympus ein
grundlegendes Problem der Darstellung digitaler Bilder neu an. Um den
subjektiven Schärfeeindruck eines Bildes anzuheben, werden häufig
Hell-Dunkel-Kanten in ihrem Verlauf manipuliert. Durch ein künstliches Anheben
der hellen Grenze einer Kante (die sog. Schulter) und Absenken der dunklen
Grenze einer Kante (der sog. Durchhang) erscheint das Bild schärfer und
brillanter. Auf Deutsch: Nahe eines kontrastreichen Überganges von dunkel nach
hell werden dunkle Bereiche dunkler und helle Bereiche heller gemacht als sie
eigentlich sind. Diese Technik wird u. a. bei Fernsehern, Monitoren,
Druckern, Scannern, Videokameras und sogar Video-Codecs eingesetzt. Wichtig ist
zu verstehen, dass die Scharfzeichnung als kosmetische Funktion keine Steigerung
der echten Bildinformation bewirkt. Werden Bilder nach der Scharfzeichnung einem
verlustbehafteten frequenzbasierten Komprimierungsverfahren unterzogen, z. B.
der JPEG- und MPEG-Familie, so bewirkt sie sogar einen überproportional hohen
Anstieg der Komprimierungsartefakte, sprich Störungen wie feine Schlieren,
Doppelkanten und Geisterfragmente und verringert die Wirksamkeit der
Komprimierung bzw. verschlechtert die Bildqualität. Gerade solche feinen
zusätzlichen Bildelemente brauchen viel Speicher, der dann zum Beispiel bei der
differenzierten Wiedergabe von Farben oder Bildstrukturen fehlt. In diesem Fall
wäre es sinnvoller, erst zu komprimieren und später nach der Dekomprimierung
scharf zu zeichnen.
Zu starke Scharfzeichnung schafft folgende Probleme:
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Bild 2
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Bild 3
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- Die Bilder werden durch das Auftreten von übertriebenen künstlichen
Kanten "überplastisch".
- Feine Strukturen im Motiv werden zerstört, überplastisch oder durch
Artefakte und Moiré-Bildung stark in Mitleidenschaft gezogen.
- Das Rauschen kann deutlich ansteigen.
- Stark scharfgezeichnete Bilder sind in der anspruchsvollen
Bildverarbeitung (z. B. mit Photoshop) sehr schwer zu bearbeiten.
- Nachfolgende Komprimierung mit JPEG und MPEG wird verschlechtert.
Das Problem der Hersteller bei der Scharfzeichnung und Konfiguration von
Kameras ist folgendes: Ist die Scharfzeichnung zu schwach, wird ein
Konkurrenzmodell mit stärkerer Scharfzeichnung subjektiv oft besser beurteilt.
Ist sie zu stark, werden die Bilder qualitativ schlechter. Dass diese visuelle
Verbesserung "Verbesserung" im Endeffekt gar nicht so viel mehr an
verwertbarer Bildinformation bringt, zeigen die Bilder 2 und 3 in denen der
nicht mehr zuverlässig auflösende Kernbereich rot umrandet ist.
Bild 2: Kern einer Testtafel mit zu starker Scharfzeichnung in feinen
Strukturen. Das Bild wirkt auf den ersten Blick brillant. Es treten jedoch
massive Moiré-Effekte auf.
Bild 3: Kern einer Testtafel ohne Scharfzeichnung in feinen
Strukturen. Die Auflösung wirkt subjektiv deutlich niedriger. Der
Unschärfebereich ist aber nur geringfügig schlechter.
Visuelle Effekte zu starker Signalaufbereitung
Bild 4
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Zu starke Signalaufbereitung führt zu unterschiedlichen Artefakten und
Veränderungen des Originalbildes. Bild 4 zeigt die Störungen deutlicher:
Grüner Bereich Bei groben Motivstrukturen besonders bei
schräger Lage entstehen unregelmäßige Kanten, die abwechselnd hart und weich
erscheinen. In dickeren dunklen Linien zeigen sich parallel versetzte helle
Streifenstücke, in hellen Linien entstehen dunkle Streifen.
Blauer Bereich Werden diagonale Linien feiner, so wechseln sich
harte und weiche Darstellungen so ab, dass die Linien abwechselnd dick und dünn
werden oder sogar abreißen und wieder entstehen. Manchmal wird die
treppenartige Struktur noch verstärkt.
Gelbe Bereiche Ist die Signalaufbereitung nicht
richtungsneutral, so werden wie hier senkrechte Strukturen kontrastreicher
dargestellt als waagrechte.
Roter Bereich Scharfzeichnung, Linienfortführung und
Kanteninterpretation erzeugen Strukturen, die ein Sensor an sich nicht mehr
auflösen kann. Diese nicht mehr vom Motiv kommenden Strukturen entstehen in
feinsten Motivdetails und bringen Moiré-Effekte und Farbstörungen.
Lösungsansatz von Olympus
Die Olympus Camedia C-4040 Zoom verwendet mit der sogenannte
ortsfrequenzsensitiven Scharfzeichnung eine intelligente Methode, bei der vor
der Scharfzeichnung zunächst die Bildstrukturen untersucht werden. Grobe Kanten
und Linien werden daraufhin sinnvoll, aber nicht übertrieben, scharfgezeichnet.
Feine und feinste Strukturen werden nicht scharfgezeichnet und so natürlich
belassen. Damit bieten sie auch eine ausgezeichnete Basis für eine weitere
Bildverarbeitung oder Komprimierung. Bild 5 zeigt diese Details:
Bild 5
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Grüner Bereich Normale Scharfzeichnung mit leichter
Übersteilung bei groben Motivstrukturen. Das Ergebnis sind gerade
Kantenverläufe, kaum helle und dunkle Streifenstücke.
Blauer Bereich Bei mittleren bis feinen Motivstrukturen
kontraststeigernde Scharfzeichnung ohne Übersteilung, Die Linien bleiben
konstant und gerade.
Roter Bereich Bei feinsten Motivstrukturen wird auf
Scharfzeichnung komplett verzichtet. So bleibt eine artefaktfreie Darstellung
bis zur Auflösungsgrenze erhalten.
Ein Problem des neuen Verfahrens zeigt sich bei der Beurteilung der Olympus
C-40 Zoom und C-4040 Zoom in Tests: Die neuen Olympus-Kameras
schneiden mitunter ungerechtfertigt schlechter ab als die Modelle der
Mitbewerber. Dies gilt gleichermaßen bei visuell basierten Tests von
Fachzeitschriften als auch bei der Beurteilung von Testbildern durch potentielle
Käufer (z. B. anhand der uns veröffentlichten ComputerFoto-Testbilder).
Testtafeln zur Auflösung und Testmotive mit feinen Strukturen können besonders
bei visueller Beurteilung subjektiv stark verfälschte Eindrücke liefern. Die
Natürlichkeit der feinen Strukturen fällt hinter dem höheren Kontrast und der
damit vermeintlich interpretierten höheren Auflösung zurück. Resultat:
Konventionell bearbeitete Bilder erscheinen "schön knackig", während
die intelligente Olympus-Methode zu einer schlechteren Bewertung führen kann.