Das Schachbrett-Muster des Bayernsensors

Wie entsteht eigentlich ein farbiger Pixel, wo doch der Sensor der Digitalkamera nur aus einfachen lichtempfindlichen Zellen besteht? Es ist der Bayerfilter, der den Pixel bunt macht.

Der Sensor der digitalen Kamera besteht aus Millionen von kleinen CCDs – lichtempfindlichen Zellen –, die das Bild erzeugen sollen. Sobald der Auslöser der Kamera gedrückt wird, sammelt jedes CCD die Photonen, von denen es getroffen wird, in seinem Speicher.

Wenn die Belichtungszeit abgelaufen ist, werden die Speicher der CCDs geschlossen. Jetzt muss die Kamera herausfinden, wie viele Photonen in jedem Speicher liegen. Sind es nur wenige, so entsteht ein dunkler Pixel im Bild, bei vielen Photonen ein heller Pixel. Wenn das schon Alles wäre, hätten wir aber ein Graustufenbild ohne Farbinformationen.

Der Bayerfilter

Damit die Kamera entscheiden kann, welche Farbe ein Pixel hat, sitzt auf jedem Speicher ein Filter, der nur das Licht einer bestimmten Farbe durchlässt. Da die meisten Kameras nur eine der drei Grundfarben Rot, Grün und Blau in jedem Pixel speichern, verwerfen sie also 2/3 des Lichts, das auf ein CCD fällt. Die Kamera muss durch eine kluge Schätzung feststellen, wie die beiden anderen Grundfarben beschaffen sind.

Dafür benutzt die Kamerasoftware fast immer einen Bayerfilter. Der Bayerfilter besteht aus rot-grünen und grün-blauen Zeilen.

Bayerfilter über Bildpixeln

Bayerfilter über Bildpixeln

Grün kommt eine höhere Gewichtung als den beiden anderen Farben zu, weil das menschliche Auge besonders sensibel auf grünes Licht reagiert. Die Verdoppelung der grünen Filter erzeugt ein Bild mit weniger Rauschen und schärferen Details als ein Bild aus einem Filter, in dem jeder Farbe dasselbe Gewicht zugemessen würde.

Nicht jede Kamera benutzt einen Bayerfilter. So benutzt z.B. Sony einen Filter aus vier Farben: Rot, Grün, Blau und Smaragdgrün oder die Farbsensoren liegen in mehreren Schichten über- und nicht nebeneinander, wie bei Fuji’s Foveon-Sensor.

Fujifilm kombiniert zwei Farbfilter-Pixel gleicher Farbe nebeneinander, damit zwei benachbarte Pixel zu einem zusammengefasst werden können (Pixel-Binning). So weist der Sensor eine höhere Empfindlichkeit und einen größeren Dynamikbereich gegenüber anderen CCD-Sensoren auf, aber die Auflösung wird dabei reduziert.

Durch die doppelte Anlage der CCDs kann der Sensor eine dunklere und eine hellere Version des Bildes erfassen.

Höherer Dynamikumfang

Raffinierte Berechnungsverfahren

Die Kamera muss nur das Bayermuster in Pixel mit den vollständigen Farbinformationen umsetzen.

Stellen wir uns jedes der 2×2-Schachbretter als ein einziges Feld mit der vollen Farbinformation vor. Dabei würde die Kamera nur die halbe horizontale und vertikale Auflösung erzielen. Um zu einer höheren Auflösung zu kommen, könnte die Kamera die Farbe aus mehreren überlappenden 2×2-Feldern berechnen.

An den Ecken des Bildes klappt dieses Verfahren nicht mehr besonders gut, da keine weiteren Felder aus der Umgebung mehr zur Verfügung stehen. Bei der hohen Auflösung der modernen Kameras können die Pixel vom Rand aber ohne Bedenken abgeschnitten werden.

Bilder mit sehr feinen Details an der Grenze zur Auflösung des Sensors können derartige Demosaicing-Algorithmen schon mal austricksen und zu unrealistisch wirkenden Mustern im Bild führen.

Neben dieser Technik gibt es noch weitere Verfahren, die eine höhere Auflösung erzielen oder weniger Rauschen erzeugen.