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Hintergrund: So funktioniert eine Smartphone-Kamera

Die Qualität der Kamera kann die Entscheidung für oder gegen ein Smartphone maßgeblich beeinflussen, viele Nutzer setzen sie gar anstelle einer separaten Kamera ein. Wie eine solche Smartphone-Kamera aufgebaut ist und wie sie sich von einer handelsüblichen digitalen Kompaktkamera unterscheidet, erklären wir euch in unserem Hintergrundartikel.

Kamera-Smartphones | (c) Areamobile

Kamera-Smartphones | (c) Areamobile

Die Kamera ist Besitzern eines Smartphones wichtiger als dessen Qualität als Telefon. Das hat im Herbst 2012 eine Studie der Creditplus Bank und im vergangenen Jahr eine Umfrage auf einem DSL-Verbraucherportal ergeben, bei einer ähnlichen Datenerhebung der Marktanalysten von IDC tauchte der Gebrauch des Smartphones als Sprachrohr in den Top 10 gar nicht erst auf. Trotzdem; Das Smartphone ist ein Kommunikations-Medium und zu einer schnell zu erlernenden und schnörkellosen Form der Kommunikation ist neben Sprache und Text längst auch das Foto geworden - nicht umsonst heißt es: "Ein Bild sagt mehr als tausend Worte." Die Kamera ist daher auch fester Bestandteil eines jeden Smartphones und von der einst für grobe Veranschaulichungen tauglichen Knipse zur brauchbaren Alternative zur Kompaktkamera herangereift.

Das liegt einerseits an der besser gewordenen Technik, andererseits aber auch an einigen praktischen Eigenschaften des Smartphones, die viele Digitalkameras eben nicht oder nur sehr eingeschränkt bieten. Ein Mobiltelefon trägt mittlerweile nahezu jeder Mensch in den Industrieländern mit sich herum, die Kamera und das Fotoalbum sind also immer mit dabei. Weiterhin erlaubt ein Smartphone die verhältnismäßig unkomplizierte Nachbearbeitung per App, sei es, um Farben oder Kontraste zu verändern oder ein Foto mit Filtern zu versehen oder zu verfremden. Die direkte Anbindung ans Internet macht es dann möglich, die Aufnahmen per Mail oder Messenger an Freunde zu verschicken, sie direkt in soziale Netzwerke einzubinden oder ein zentrales, für weitere Geräte erreichbares Cloud-Fotoalbum zu speichern. Diese mit dem Smartphone-Boom erwachten Ansprüche haben viele Hersteller von Kompaktkameras schlicht verschlafen, offenbar in der Annahme, die Kunden würden hauptsächlich auf die erhabene Bildqualität ihrer separaten Kameras setzen. Doch: Die Einfachheit hat gesiegt.

Smartphone-Exoten: Samsung Galaxy K Zoom... | (c) Areamobile

...und Panasonic Lumix Smart Camera CM1 | (c) Areamobile

 

Natürlich bieten auch die Kompaktkameras einige Vorzüge gegenüber den Smartphone-Kameras, darunter das größere und hochwertigere Objektiv sowie den standardmäßig vorhandenen Zoom, einen auch in vielen günstigen Modellen verbauten optischen Bildstabilisator, das Stativgewinde, den stärkeren Blitz und den in der Regel ausdauernderen, weil nur für Fotos verwendeten Akku. Auch die Touchscreen-Bedienung ohne haptischen Auslöser ist nicht jedermanns Sache. Diese Features werden zumeist von Hobby-Fotografen geschätzt, die dann aber auch gerne direkt zur System- oder einer günstigen Spiegelreflexkamera greifen. Hinsichtlich der Bildqualität gibt es hingegen nur noch recht geringe Unterschiede zwischen einer Kamera in einem Top-Smartphone und einer Kompaktkamera - das bewiesen im vergangenen Jahr neben dem Exoten Panasonic Lumix Smart Camera CM1 auch Samsungs Galaxy S5 und Galaxy Note 4 sowie das iPhone 6 von Apple.

Das Kamera-Modul eines Nokia Lumia 920 | (c) Mobilport.hu

Aufbau des Kamera-Moduls des Nokia Lumia 925 | (c) Nokia

 

Der Grund dafür liegt auf der Hand: Die Technik in den Smartphones wurde in den letzten Jahren immer besser. Mittlerweile werden in einigen Geräten Bildsensoren verbaut, die ebenso groß sind wie jene in digitalen Kompaktkameras. So setzt beispielsweise Sony seit dem Xperia Z1 auf einen 1/2,3 Zoll großen Exmor-RS-Sensor, im Lumia 1020 von Nokia steckt ein 1/1,5 Zoll großer, in der Lumix Smart Camera von Panasonic gar ein 1 Zoll großer Sensor. Das Verhältnis von Auflösung und Sensorgröße hat dabei maßgeblich Einfluss auf die Bildqualität: Ist der Sensor klein und die Auflösung hoch, neigen die Fotos zum Rauschen. Dabei sollte bedacht werden, dass die von den Herstellern genannte Auflösung, beispielsweise 20 Megapixel, nicht nur bedeutet, dass ein Foto aus 20 Millionen Einzelpunkten besteht, sondern sich auf dem Sensor 20 Millionen kleinste Lichtzellen oder -gefäße befinden. Ist der Sensor also bei gleichbleibender Pixelanzahl größer, sind auch die Lichtgefäße größer.

Verschiedene Sensor-Größen im Vergleich | (c) dpreview

Bildsensoren im Vergleich | (c) All About Symbian

Smartphone-Bildsensoren im Vergleich | (c) All About Symbian

 

Der Sensor macht das Bild

Das hat zwei Vorteile, beide resultieren in weniger Bildrauschen. Zum einen können größere Pixel mehr Licht in sich aufnehmen. Das bedeutet gegenüber den kleineren Pixel, dass überschüssiges Licht nicht wieder aus ihnen "heraussickert" und auf einen nebenstehenden Pixel abstrahlt. Die Pixel auf dem Sensor selbst können Lichtsignale nur in Hell und Dunkel umwandeln, für die Farbe auf den Bildern verantwortlich ist der auf den Lichtzellen gelegte Bayer-Filter. Er teilt ihnen in einem Raster je eine Grundfarbe zu: Rot, Grün oder Blau. Sickert das Licht nun wieder aus einer Zelle heraus, strahlt die falsche Farbe auf den nebenstehenden Pixel und es entstehen als Farbrauschen wahrgenommene Fehlerpixel.

Bayer-Filter auf dem Bildsensor | (c) Wikipedia

Bayer-Filter auf dem Bildsensor | (c) Wikipedia

 

Zum anderen wird bei Pixeln die mehr Licht aufnehmen können weniger elektrische Spannung nötig, um das Bild korrekt zu belichten. Die meisten Smartphone- und viele Kompaktkameras setzen mittlerweile nicht mehr auf einen mechanischen, sondern einen automatischen oder elektronischen Verschluss, bei dem der Sensor nur für die Dauer der Belichtung aktiviert wird. Da sich kein mechanisches Bauteil öffnen und schließen muss, sondern nur eine elektrische Ladung aufgenommen und ausgewertet wird, werden dadurch extrem kurze Belichtungen möglich. Das auf den Sensor treffende Licht erzeugt selbst eine elektrische Ladung, weswegen der Sensor bei mehr Licht also kürzer, bei weniger Licht länger mit einem Aufnahmesignal versorgt werden muss. Je länger nun der Sensor während der Belichtung aktiv ist, je länger er also das Licht "einsammelt", desto wärmer wird auch der Sensor. Die Wärme erzeugt wiederum sichtbares Bildrauschen.

Ähnliches lässt sich beim Justieren des ISO-Werts feststellen: Wird er nach oben geschraubt, erhöht sich auch die Signalstärke, um bei gleicher Belichtungszeit eine höhere Lichtausbeute herbeizuführen (Ausleserauschen). Dunkle Bereiche auf einem Foto sind übrigens deshalb anfälliger für Rauschen, da auch die unbelichteten Pixel auf dem Sensor mit Strom versorgt werden - bei längeren Belichtungszeiten oder hohen ISO-Werten wird hier das "Dunkelrauschen" einfach deutlicher sichtbar.

Auch der Aufbau des Bildsensors hat indirekt Einfluss auf das Rauschen eines Fotos, genauer: Die Verdrahtung der Transistoren mit den lichtempfindlichen Pixeln. Während bei einem Sensor mit Front Side Illumination (FSI) diese Verdrahtung auf der Vorderseit, und damit zwischen dem einfallenden Licht und der Sensorfläche angebracht ist, befinden sich die Drähte bei einem Sensor mit Back Side Illumination (BSI) auf der Rückseite. Das hat den Vorteil, dass kein Schatten auf den Bildsensor fällt, der wiederum die Lichtaufnahme beeinträchtigt. BSI-Sensoren sind entsprechend etwas lichtempfindlicher und zählen mittlerweile selbst unter vielen Mittelklasse-Smartphones zur Standard-Ausstattung.

FSI- und BSI-Sensoren im Vergleich | (c) Samsung

Das Objektiv

Ehe das Licht jedoch auf den Sensor trifft, durchquert es das am Smartphone außen sichtbare Kamera-Objektiv. Das besteht aus mehreren unterschiedlich großen und geformten Linsen, einer Blendenöffnung und in einigen Fällen einem optischen Bildstabilisator und ist im Smartphone aufgrund des Platzmangels direkt im Kamera-Modul verbaut. Die Qualität der Linsen und damit auch ihre physikalischen Eigenschaften zu bewerten, fällt aufgrund der eher sparsamen Informationspolitik seitens der Hersteller äußerst schwer. Während Nokia bislang die höherwertigen Optiken durch den Markennamen Carl Zeiss kennzeichnete, werden in vielen anderen Geräten minderwertige Plastiklinsen verbaut. Diese ausfindig zu machen, ist aber nahezu unmöglich.

DSLR-Objektive mit verschiedenen Blenden-Öffnungen | (c) KoeppiK

DSLR-Objektive mit verschiedenen Blenden-Öffnungen | (c) KoeppiK

Die Größe der Blende bestimmt, wie viel Licht auf den Bildsensor fällt - eine große Blende mit kleiner f-Zahl lässt mehr Licht hindurch als eine kleine Blende mit großer f-Zahl. Eine große Blende verspricht neben einer kürzeren Belichtungszeit eine weichere Zeichnung freigestellter, also bewusst unscharf gehaltener, Bereiche auf einem Foto. Da ein solches Bokeh allerdings eher in langen Brennweiten und auf größeren Bildsensoren erzielt werden kann, Smartphones aber in der Regel über ein Weitwinkel-Objektiv und einen kleinen Sensor verfügen, spielt es in der Smartphone-Fotografie nur eine untergeordnete Rolle - die Öffnung der Blende lässt sich bei den meisten Smartphones nicht einmal variieren. Kompaktkameras profitieren hier zumindest von ihrem eingebauten Zoom, auf dem Smartphone muss ein solcher Unschärfe-Effekt meist über eine App nachträglich hinzugefügt werden - der wirkt besonders für das geschulte Auge allerdings arg unnatürlich.

Besondere Kamera-Features am Smartphone

Um der Platzbegrenzung im Smartphone Herr zu werden, haben einige Hersteller neue Techniken entwickelt, um die Bildqualität der kleinen Bildsensoren zu optimieren. So hat Nokia hat zusammen mit Carl Zeiss die Pureview-Technologie entworfen, über die ein nahezu verlustfreier digitaler Zoom erzeugt wird. Dazu wird auf einem verhältnimäßig großen Bildsensor mit 41 Megapixel nur ein Foto mit einer Auflösung von 5 bis 8 Megapixel aufgenommen, der Bildausschnitt wird direkt auf dem Sensor vergrößert. Der Nachteil: Die bisher erschienenen Geräte 808 Pureview und Lumia 1020 sind aufgrund der Sensorgröße recht klobig geraten. Gleiches gilt für Samsungs Galaxy S4 Zoom und Galaxy K Zoom, beides Smartphones, die mit einem ausfahrbaren 10-fach-Zoom ausgestattet sind.

Der Aufbau des Pureview-Sensors | (c) Nokia

Unvergrößertes Bild aus dem Lumia 1020 | (c) Areamobile

4-fache Vergrößerung durch Pureview-Technik | (c) Areamobile

 

Neben Nokia setzen auch HTC und Samsung auf etwas andere Sensor-Lösungen. Der Ultrapixel-Sensor von HTC zieht seinen Vorteil aus seinen besonders großen Pixel, die für mehr Lichtausbeute sorgen. Dafür reduziert der Hersteller einfach die Auflösung auf dem 1/3 Zoll großen Sensor auf 4 Megapixel, schraubt also eigentlich nur am Größenverhältnis. Etwas ausgefeilter ist da die Isocell-Technik von Samsung, die bislang lediglich im Galaxy S5 und in den Exynos-Modellen des Galaxy Note 4 zum Einsatz kommt. Der Trick liegt darin, dass auf dem Sensor physisch isolierte Lichtzellen zum Einsatz kommen, die das Abstrahlen auf benachbarte Pixel mindern und dadurch bessere Farben darstellen soll.

Nokia Lumia 1020, Galaxy S4 Zoom und Galaxy K Zoom eint, dass sie mit einem hellen Xenon-Blitz bestückt sind und dank des im Objektiv integrierten optischen Bildstabilisators ungewollte Bewegungen des Fotografen zu einem gewissen Maß ausgleichen können. Während der Xenon-Blitz wegen seines Platzbedarfs noch längst nicht zum Standard zählt und viele Hersteller stattdessen auf einen (oft auch zweifarbigen) Dual-LED-Blitz setzen, werden zumindest die höherpreisigen Smartphones immer häufiger mit einem optischen Bildstabilisator versehen.

Fazit

Das Smartphone ist in den vergangenen Jahren zu einer ernstzunehmenden Alternative zur digitalen Kompaktkamera geworden. Beide Geräteklassen sind eher für Schnappschüsse, denn für anspruchsvolle Fotografien geeignet. Wer es etwas professioneller haben möchte, der sollte mindestens zu einer Bridge-, besser zu einer DSLR- oder System-Kamera greifen. Sowohl das Smartphone als auch die Kompaktkamera haben allerdings ihre praktischen Einschränkungen: Die Digitalkamera ist nicht immer mit dabei und hat oft keinen direkten Internetanschluss oder App-Support, dem Smartphone fehlen meist die Komfortfeatures einer haptischen Bedienung, eines Zooms oder eines Stativgewindes. Hinsichtlich ihrer Bildqualität müssen sich so einige aktuelle Smartphone-Kameras nicht mehr vor der kleinen Kompakten verstecken - das sind dann aber eher die hochpreisigen Smartphones.

Dossier Smartphone-Fotografie

Autor: Tobias Czullay
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Kommentare
  1. 02.02.15 13:14 IchBinNichtAreamobile.de (Advanced Handy Master)

    In der Tat - Klasse Artikel. Kompaktkameras sind allerdings iaR weiterhin besser als jede Smartphonekamera auch wenn die Smartphones immer weiter aufholen.

  2. 02.02.15 12:24 Andrew82

    klasse Artikel, würde ich mir am liebsten als PDF speichern :-)

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