Wie Fotografiere ich meine Katze – Folge 8
Bildschärfe
Was ist Bildschärfe?
Wenn wir ein Foto betrachten, dann können wir sehr schnell entscheiden, ob es uns eher scharf oder eher unscharf erscheint. Aber was ist Bildschärfe eigentlich? Eine konkrete Beschreibung fällt uns meist schwer. Wir wissen, dass wir auf einem scharfen Bild feine Details besser erkennen können, es erscheint uns kontrastreicher und mit klareren Farben.
Bei den beiden nachfolgenden Fotos erkennen wir sofort, dass das rechte wesentlich schärfer ist als das linke. Aber wo liegt die Ursache dafür, dass das linke Bild schlechter ist?
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- Wurde ein billigeres oder defektes Objektiv verwendet?
- Wurde durch eine transparente Folie hindurch fotografiert?
- Ist es einfach nur verwackelt weil eine zu lange Belichtungszeit gewählt wurde?
- Wurde es mit einem Bildbearbeitungsprogramm weichgezeichnet?
Wenn wir genau hinschauen, dann werden wir die Lösung in einer fehlerhaften Fokuswahl erkennen, da die Unschärfe nicht durchgängig gleich stark ausgeprägt ist. Der Schärfepunkt liegt ca. 30 cm vor dem des rechten Bildes. Da die Blechwanne auf beiden Bildern etwa gleich scharf ist, muss der Schärfepunkt etwas davor liegen.
In dieser Folge wollen wir uns mit diesen Einflussfaktoren für ein scharfes Foto beschäftigen:
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- Hohe optische Qualität des Objektivs (Linsenfehler)
- Korrekt eingestellter Fokus (automatisch – manuell)
- Ausreichende Schärfentiefe (Blende)
- Nicht verwackelt (Belichtungszeit)
- Keine Bewegungsunschärfe (Belichtungszeit)
- Keine Beugungsunschärfe (Blende)
- Kein sichtbares ISO-Rauschen (ISO-Wert)
- Kein Streulicht (Gegenlichtblende)
Wir werden dabei auch erfahren, dass es keine perfekte Einstellung für alle Fotos gibt. Jede Veränderung einer der zahlreichen Einflussgrößen kann ein Detail verbessern, verschiedene andere aber gleichzeitig verschlechtern. Für jedes einzelne Bild müssen wir Kompromisse eingehen, und jedes Bild benötigt seine eigenen Kompromisse. Wichtig ist die Wirkung, die das Bild am Ende als Ganzes hat.
Auflösungsvermögen des Objektivs
Die Güte eines Objektives (und damit leider auch der Preis) wird unter Anderem durch die Anzahl an Linien bestimmt, die innerhalb einer Maßeinheit noch getrennt dargestellt werden können (LPI = lines per inch). Dazu gibt es diverse Testbilder, die abfotografiert und ausgezählt werden können. Ein einfaches Beispiel dafür ist der Siemensstern, der aus vielen gleich breiten weißen und schwarzen Segmenten besteht. Bei einem realen Objektiv können die zum Zentrum hin immer schmaler werdenden Segmente nicht mehr unterschieden werden und verlaufen zu einem schwarzen Fleck. Der Kreis um den Mittelpunkt, der diesen Fleck umschließt hat einen Umfang (in inch gemessen), durch den man die Zahl der Segmente definiert, um die Auflösung in LPI zu erhalten. Die Auflösung eines Objektives ist übrigens nicht konstant, sondern sie nimmt zu den großen und kleinen Blendenzahlen hin deutlich ab.
Fokussierung (Entfernungseinstellung)
Wenn wir ein Foto aufnehmen, dann wird auf dem Sensor der Digitalkamera ein auf dem Kopf stehendes seitenverkehrtes Bild projiziert. Wenn das Objekt sehr weit entfernt ist (gegen unendlich), dann treffen sich alle Lichtstrahlen im Brennpunkt (Fokus) des Objektivs. Wenn das aufzunehmende Objekt näher an die Kamera heranrückt, dann treffen sich nicht mehr alle Lichtstrahlen in einem Punkt, sondern nur jeweils diejenigen, die von der selben Stelle des Objektes ausgehen. Alle diese Schnittpunkte liegen in einer Ebene, und wenn sich genau dort der Sensor befindet, dann wird darauf ein scharfes Bild gezeichnet. Fokussieren bedeutet also die Bildweite an das jeweilige Objekt so anzupassen, dass der Sensor in der Bildebene liegt. Dies kann manuell durch Verdrehen eines Ringes am Objektiv oder automatisch durch den Autofocus der Kamera erfolgen. Wenn der Fokus aber nicht exakt eingestellt ist, dann liegt die Schärfenebene für unser Objekt vor oder hinter dem Sensor. Die Strahlen haben sich also noch nicht im Schnittpunkt getroffen oder dahinter schon wieder zerstreut. Es entsteht ein unscharfer Kreis, dessen Pixel sich mit den benachbarten unscharfen Kreisen vermengen. Zum Glück sind unsere Technik und unser Auge nicht perfekt und wir können deshalb Unschärfe erst erkennen, wenn ein gewisses Maß überschritten ist. Subjektiv erkennen wir also nicht eine einzige Schärfeebene, sondern einen Schärfebereich, der sich auch noch ein Stück vor und hinter der Schärfenebene ausdehnt. Der vom Betrachtungsabstand und Zoomfaktor abhängige Grenzwert wird als Zerstreuungskreis bezeichnet. Alle Strahlen, die sich in einem kleineren Bereich als dem Zerstreuungskreis treffen, zeichnen ein scharfes Bild. Je mehr sich der unscharfe Kreis über den Zerstreuungskreis hinaus vergrößert umso unschärfer wird das Bild an dieser Stelle. Die Schärfentiefe dehnt sich also vor und hinter unserem Objekt noch ein wenig aus.
Die Beispielbildfolge zeigt eine Steinkatze in 120 cm Entfernung. Im mittleren Bild wurde korrekt auf die Katze fokussiert, Vorder- und Hintergrund sind unscharf. Im linken Bild wurde auf 75 cm fokussiert. Die Katze und der Hintergrund sind unscharf, der Zweig im Vordergrund ist aber scharf. Im rechten Bild erscheint bei einem Fokus von 250 cm der Hintergrund scharf, die Katze und der Vordergrund sind unscharf.
Später wird uns das Thema Schärfentiefe noch zeigen, wovon es abhängt wie weit sich unser Schärfenbereich vor und hinter dem eigentliche Objekt ausdehnt.
Wo kein Kontrast ist kann auch nicht vernünftig scharf gestellt werden. Das gilt selbstverständlich auch für den Autofokus. Wenn Ihr Autofokus verschiedene Betriebsarten hat, dann setzen Sie diese auch gezielt ein. Eine automatische Mehrfeldwahl mit vielen Zonen ist für einfache Schnappschüsse eine bequeme Standardeinstellung. Wie die später folgenden Bilder bei der Bewegungsunschärfe zeigen kann sie aber auch auf das falsche Objekt fokussieren. Eine Spotmessung lässt sich wesentlich exakter kontrollieren, aber bei schnell bewegten Objekten ist es nicht zu schaffen den Messpunkt am Objekt zu halten was unweigerlich zu einer totalen Fehlfokussierung führt. Hier wäre eine nur wenig um die Bildmitte erweiterte Messzone geeigneter.
Zum Thema Fokussierung gehört natürlich auch der Autofokus. Dieser kann uns viel Einstellungsarbeit abnehmen, wenn er unsere Gedanken lesen kann und weiß auf welchen Bildpunkt er scharf stellen soll. Da es das aber leider noch nicht gibt, müssen wir ihn unterstützen, indem wir bereits vor der Aufnahme den zum Motiv passenden Modus wählen. Aber welcher ist im konkreten Fall der richtige?
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- Automatische Messfeldwahl
- Viele Messfelder sind auf einen großen Sensorbereich verteilt und werden nach einer festgelegten Strategie miteinander verrechnet
- Da bei den meisten Fotos die bildwichtigen Teile im Vordergrund liegen wird dieser bevorzugt, egal wo unser Hauptmotiv liegt
- Punktmessung:
- Die schnellste und exakteste Methode, da nur ein Messfeld berechnet werden muss
- Dieses kann meist auch verschoben werden, oder man fixiert den Schärfepunkt vor der Aufnahme mit halb gedrücktem Auslöser
- Wenn das Messfeld aber nicht das Hauptmotiv sondern den Hintergrund erfasst hat, dann wird auch auf diesen fokussiert (riskant bei Bewegtmotiven)
- Messfelderweiterung
- Eine kleines, meist verschiebbares Messfeld, das bei Bedarf um unmittelbar benachbarte Messfelder erweitert wird
- Es sind weniger Messfelder als bei der automatischen Messfeldwahl zu berechnen
- Bewegtmotive können leichter nachgeführt werden
- Automatische Messfeldwahl
Verwackeln
Die Menge des Lichtes, die für die Belichtung des Sensors genutzt werden kann hängt von der vorhandenen Helligkeit und von der Öffnungszeit des Kameraverschlusses (Belichtungszeit) ab. Wenn wir kein Fotostativ verwenden und die Kamera auch nicht perfekt ruhig halten, dann bedeutet das, dass der Sensor nicht während der gesamten Belichtungszeit an der gleichen Position ist und deshalb die Lichtstrahlen nacheinander an verschiedenen Sensorpositionen zeichnen.
Je länger die Belichtung dauert, umso größer ist der Bereich der überstrichen wird. Schnell wird die Größe des Zerstreuungskreises überschritten und wir können die erzeugte Unschärfe mit bloßem Auge als Geisterbilder oder einfach durch fehlende Details erkennen. Die folgende Bildserie wurde mit Belichtungszeiten zwischen 1/5 s und einer 1/1000 s aufgenommen. Die ersten beiden Bilder zeigen eine deutliche Geisterzeichnung. Die Schärfe nimmt dann weiter zu und erreicht etwa ab 1/50 s einen ausreichende Güte. Außer der Belichtungszeit spielt hier auch die Entfernung und verwendete Brennweite eine Rolle. Nicht zu unterschätzen ist die ruhige Hand und richtige Atemtechnik. Ein Profifotograf wird Sie hier um mehrere Belichtungsstufen übertreffen können!
Die nächste Bildserie ist bei sonst gleichen Einstellungen mit aktiviertem Bildstabilisator aufgenommen worden. Bereits zwei Belichtungsstufen früher kann hier eine vergleichbare Schärfe erreicht werden. Bildstabilisatoren verschieben eine Linsengruppe im Objektiv synchron entgegen der Bewegungsrichtung.
Sie können einen aktivierten Bildstabilisator daran erkennen, dass das Bild im Sucher zu schwimmen scheint. Der Bildstabilisator benötigt etwas Zeit vor dem Auslösen und wird erst aktiv, wenn der Auslöser halb durchgedrückt wird. Das sollte aber ohnehin selbstverständlich sein, da ein schnelles Durchziehen des Auslösern bereit ohne Bildstabilisator ein Garant für unscharfe Bilder ist.
Bewegungsunschärfe
Manchmal bekommen wir trotz perfekter Kameraführung in mittleren Belichtungszeiten noch extrem unscharfe Aufnahmen. Überraschenderweise zeigt dann vielleicht das Hauptobjekt noch mehr Unschärfe als die Umgebung. In diesen Beispielen war das Bildobjekt in Bewegung. Während der Belichtungsdauer hat es seine Position verändert und deshalb an verschiedenen Stellen des Sensors gezeichnet. Hier hilft nur noch eine extrem kurze Belichtungszeit, damit die Unschärfe noch innerhalb des Zerstreuungskreises bleibt.
Bei einer Belichtung von 1/250 s ist die fliegende Katze im Verhältnis zum Hintergrund völlig unscharf. Selbst bei 1/500 s sind die schneller bewegten Körperteile noch unscharf. Erst ab 1/1000 s können wir mit ausreichender Schärfe rechnen.
Bei den sehr kurzen Belichtungszeiten haben wir in dieser Bildserie vermeintlich wieder weniger Schärfe. Das kommt aber daher, dass der Autofokus sich das Spielzeug eingefangen hat, das aber trotz wesentlich höherer Geschwindigkeit perfekt scharf ist.
Dabei sehen wir wieder einmal mehr die Grenzen einer Automatik. Der Autofokus kann uns viel Einstellungsarbeit abnehmen, wenn er unsere Gedanken lesen kann und weiß auf welchen Bildpunkt er scharf stellen soll.
Messfelderweiterung wäre hier wahrscheinlich die zuverlässigere Methode gewesen. Für Spotmessung war die Bewegungsgeschwindigkeit zu hoch (oder der Fotograf zu langsam) und die automatische Messfeldwahl hat sich für das Spielzeug entschieden, da dieses näher an der Kamera war als die Katze.
Schärfentiefe
Als Schärfentiefe bezeichnen wir den Bereich eines abzubildenden Objektes den wir mit ausreichender Schärfe (also innerhalb des Zerstreuungskreises) abbilden können. Der Ausdehnungsbereich der Schärfentiefe liegt zu einem größeren Teil hinter und nur zu einem kleineren Teil vor dem Fokuspunkt. Für jede Objektiv-/Einstellungskombination gibt es eine Entfernungseinstellung (Hyperfocalpunkt) bei der alles von der Hälfte der eingestellten Entfernung bis zum Horizont innerhalb des Zerstreuungskreises abgebildet wird und deshalb scharf erscheint.Manch einer freut sich auch darüber, dass er mit seiner preisgünstigen Kompaktkamera wesentlich mehr Schärfentiefe erreicht als ein anderer mit einem Profiequipment. Das liegt einfach daran, dass die Schärfentiefe mit zunehmender Sensorgröße drastisch abnimmt. Schärfentiefe ist aber nun mal nicht die einzige Entscheidungsgröße für die Kamera, sonst würden alle Profis ja nur noch mit Smartphones herumlaufen. Genau das Gegenteil ist der Fall. Trotz (oder gerade wegen?) der geringeren Tiefenschärfe gehört zur Profiausstattung die Vollformatkamera (Sensorgröße 24x36mm).
Außer der Sensorgröße ist die eingestellte Blende der Haupteinflussfaktor für die Schärfentiefe. Das Bild mit Blende 5,6 aufgenommen ist nur im Bereich des Gesichtes scharf, das zweite bei Blende 32 dagegen bis in den Hintergrund. Trotzdem wird das Motiv im linken Bild wesentlich aussagekräftiger dargestellt, da der Blick durch die Unschärfe im Hintergrund (Bokeh) automatisch auf das Wesentliche – das Gesicht – gelenkt wird.
Die voranstehende Fotoserie zeigt die Steinkatze bei Blende 5,6 bis 32 mit zunehmender Schärfentiefe bei 200 mm Brennweite.
Die nachfolgende Serie zeigt abnehmende Schärfentiefe von Blende 32 bis 5,6 bei 90 mm Brennweite.
Dem Grundsatz nach können wir jetzt sagen, dass die Schärfentiefe mit zunehmender Blendenzahl (kleinerer Blendenöffnung) zunimmt, da ja immer mehr Strahlen innerhalb des Zerstreuungskreises abgebildet werden sollten.
Beugungsunschärfe
In der Praxis werden wir aber eines Besseren belehrt: Die Schärfentiefe nimmt zwar erwartungsgemäß weiter zu, aber der Schärfeeindruck des gesamten Bildes wird trotz korrekter Fokussierung immer schlechter. Was steckt dahinter?
Schauen wir uns dazu die Blende des Objektives an. Die theoretisch größte Offenblende mit Lichtstärke 1,0 bedeutet, dass die wirksame Öffnung dividiert durch die Brennweite 1 ergibt. Bei 50 mm Brennweite müsste die Frontlinse also 5 cm groß sein. Bei einem 500 mm Tele wären das schon 50 cm. Das klärt auch die Frage, warum Teleobjektive in der Regel eine wesentlich geringere Lichtstärke haben.
Die Blende ist zwar eine sehr nützliche Einrichtung, da wir uns damit an unterschiedliche Lichtverhältnisse anpassen können. Aber leider hat sie auch noch einen sehr negativen Einfluss. An ihrer Kante werden die Lichtstrahlen abgelenkt und treffen deshalb nicht mehr exakt im Fokus. Das ist allerdings nicht tragisch, solange das Verhältnis der abgelenkten zu den korrekten Strahlen sehr klein ist. Genau hier hilft uns die Mathematik weiter.
Die Kreisfläche (und damit die Lichtmenge) nimmt im Quadrat mit dem Kreisdurchmesser zu, der Umfang aber nur linear.
Das hat zur Folge, dass der Anteil der unscharf zeichnenden Randstrahlen bei Blende 64 schon 64 mal so groß ist, wie bei der theoretischen Blende 1,0. Abhängig von der Sensorgröße (kleiner Sensor) und der Bildweite (Nahaufnahmen) können wir schon sehr früh an die Grenze (förderliche Blende) kommen, bei der weiteres Abblenden zwar die Schärfentiefe erhöht, aber die „scharfen" Bereiche eben auch nicht mehr ganz scharf sind.
Der von Anfängern oft gelobte Vorteil der größeren Tiefenschärfe bei kleineren Sensorformaten schmilzt hier weg, da die förderliche Blendenzahl eines Vollformatsensors erheblich höher ist wie beim APS-C Format oder gar bei einer Kompaktkamera.
ISO-Rauschen
Digitalkameras haben das Fotografieren sehr viel einfacher gemacht. Früher musste ein Fotograf um sich an schwache Lichtsituationen anzupassen den vorhandenen Film gegen einen mit höherer Empfindlichkeit (ISO-Wert austauschen). Die höhere Empfindlichkeit wurde durch eine erheblich gröbere Kornstruktur erkauft und bei ISO 800 war ohnehin meist die Grenze.
Bei unseren modernen Kameras können wir die Empfindlichkeit für jedes einzelne Foto unterschiedlich einstellen, oder sogar durch die Belichtungsautomatik vorgeben lassen. Die erreichbare Grenze hat bei einigen Geräten ISO 128 000 bereits erreicht. Allerdings kostet uns diese extrem hohe Empfindlichkeit immer noch (wenn auch in geringerem Maß) Bildschärfe, da die Technik durch verschiedene physikalische Effekte Pixel mit falschen Helligkeits- und Farbwerten einstreut.
Die folgende Aufnahmeserie wurde mit ISO 400, 1600 und 12800 aufgenommen. Das erste Bild sieht auch in den Ausschnittvergrößerungen ausreichend scharf aus, das zweite zeigt in den Ausschnitten schon eine deutliche Unschärfe und beim dritten ist in der Vergrößerung nur noch das Rauschen selbst scharf zu sehen. Deutlich sichtbar ist, dass ein etwas höherer ISO-Wert noch akzeptabel sein kann, wenn keine Ausschnittvergrößerung erforderlich ist (aber bitte nicht 12800!).
Wenn Sie Ihre Fotos noch mit einem Bildbearbeitungsprogramm nachbearbeiten, dann haben Sie mit einem weiteren Problem zu kämpfen. Das Rauschen tritt beim Aufhellen zu dunkel geratener Fotos schon sehr viel früher in Erscheinung. Achten Sie deshalb immer auf eine möglichst korrekte Belichtung. Bildbearbeitungsprogramme haben zwar auch Funktionen zur Rauschreduzierung, aber diese führen immer zu einer Schärfenreduzierung.
In der folgenden Serie zeigen die Detailbilder den Schärfeverlust bei höheren ISO-Werten. Lassen Sie sich aber nicht durch die Bewegungsunschärfe am Kopf bei den Bildern mit geringen ISO-Werten verwirren. Die niedrigen ISO-Werte haben lange Belichtungszeiten ab 1/25 Sekunde erfordert und da kann auch eine leichte Kopfbewegung nicht mehr scharf sein. Bei dem höchsten ISO-Werte beträgt die Belichtungszeit nur noch 1/4000 Sekunde – da kommt die Unschärfe sicher ausschließlich aus dem Rauschen.
Streulicht
Streulicht entsteht, wenn objektfremdes Licht von vorne oder seitlich auf die Frontlinse fällt und einen Weg zum Sensor findet. Es äußert sich durch einen weißen Schleier, der über dem Bild liegt und die Kontraste reduziert. Es gibt einige Beispiele, wie Streulicht in die Bildgestaltung einbezogen werden kann (zu Beispiel bei Gegenlichtaufnahmen), aber normalerweise werden wir versuchen dieses zu vermeiden. Die wichtigste Maßnahme ist der Einsatz einer Streulichtblende auf dem Objektiv. Hilfreich ist auch das Abschatten der Kamera mit einem Gegenstand.
Zoomfaktor
Auf den ersten Blick erkennen wir den Einfluss des Zoomfaktors auf die Schärfentiefe. Diese ist im ersten Bild mit einer Brennweite von 300 mm ziemlich gering und nimmt bei den folgenden Bildern bei abnehmender Brennweite bis 80 mm erheblich zu.
Die folgende Serie zeigt, dass dies eher eine Frage des Bildausschnittes ist. Der Zoomfaktor variiert hier zwischen 18 und 135 mm. Gleichzeitig wurde aber die Aufnahmedistanz mit jedem Bild so vergrößert, dass etwa der gleiche Ausschnitt für den Vordergrund entsteht. Durch die veränderte Perspektive rücken Vorder- und Hintergrund weiter zusammen und der Hintergrundausschnitt wird immer kleiner. Die Schärfentiefenänderung der vorherigen Bildserie wird in dieser Bildfolge ausgeglichen.
Wir haben jetzt einige Gesichtspunkte zum Thema Schärfe beleuchtet. Dabei dürfen wir aber nicht vergessen, dass all die besprochenen Einflussgrößen gleichzeitig zusammen wirken und sich gegenseitig verstärken oder abschwächen. Je nach Aufnahmesituation geschieht das das eine mal mehr und das andere mal weniger.
Blende, Belichtungszeit und ISO-Wert müssen immer gemeinsam betrachtet werden und dabei muss auch die spezielle Aufnahmesituation und die verwendete Kameraausrüstung berücksichtigt werden.
Ein Kochrezept für perfekte Bilder gibt es leider nicht – aber gerade dadurch kann Fotografie zu einer kreativen und spannenden Beschäftigung werden.
Auch im nächsten Heft wird die Serie mit einem spannenden Thema fortgesetzt. Wenn Sie einen konkreten Themenvorschlag haben, teilen Sie ihn mir bitte mit.
Bis jetzt sind folgende Themen erschienen:
• Folge 1: Das Histogramm - Heft 3/2011
• Folge 2: Belichtung und Weißabgleich -Heft 4/2011
• Folge 3: Kleine Helferprogramme -Heft 1/2012
• Folge 4: Workflow zur Bildverbesserung -Heft 2/2012
• Folge 5: Gruppenfoto mit GIMP -Heft 3/2012
• Folge 6: Glückwunschkarten mit Gimp -Heft 4/2012
• Folge 7 Freistellen mit GIMP -Heft 1/2013
• Folge 8 Bildschärfe In diesem Heft
© Titelfoto: Johnny Krüger
© Text und übrige Fotos: Friedrich Walz