Wie entstehen Farbsäume?

24.02.2010

Nicht jedes farbige Bilddetail gehört zum Motiv; manche Farben sind die Zutat von Kamera und Objektiv. Was sind die Ursachen solcher unerwünschter Farbsäume und was kann man gegen sie tun?

Farbige Säume können verschieden Ursachen haben, die teils im Objektiv, teils im Sensor oder der Bildverarbeitung zu suchen sind und eben dort gibt es auch Ansätze, sie zu verhindern oder nachträglich zum Verschwinden zu bringen.



Gebrochenes Licht

Die Erzeugung unerwünschter Farben beginnt im Objektiv, dessen Linsen das Licht je nach seiner Wellenlänge unterschiedlich stark brechen ein langwelliger roter Lichtstrahl wird weniger stark abgelenkt als ein kurzwelliger blauer Strahl. Diese chromatische Aberration führt zunächst einmal dazu, dass die optimale Fokussierung von der Farbe abhängt und man nicht auf das Licht aller Farben gleichermaßen scharf stellen kann. Neben diesem Farblängsfehler gibt es den Farbquerfehler: Auch die Brennweite und damit die Vergrößerung hängt von der Farbe ab und die roten Anteile eines Bildes erscheinen größer als die grünen oder blauen. Zum Bildrand hin kommen die verschieden Farbanteile immer weniger zur Deckung und an Stellen mit starkem Kontrast entstehen komplementärfarbige Säume.
Zur Korrektur der chromatischen Aberration muss man Linsen aus Glas unterschiedlicher Brechkraft miteinander kombinieren. Ein achromatisch korrigiertes Objektiv verhält sich bei zwei Wellenlängen, ein apochromatisches Objektiv bei drei Wellenlängen gleich; die Abweichungen bei den übrigen Wellenlängen werden reduziert, aber ein hohes Maß der Korrektur ist aufwendig und eine vollständige Eliminierung mit optischen Mitteln unmöglich. Insbesondere bei Objektiven mit großem Brennweitenbereich ist es kaum möglich, eine hohe Korrektur über den gesamten Zoombereich aufrecht zu erhalten.
In Digitalkameras können die Bilder auch durch eine unterschiedliche Vergrößerung in den drei Farbkanälen korrigiert werden. Die mathematischen Modellen, auf denen eine Objektivrechnung beruht, beschreiben auch die verbleibende chromatische Aberration, woraus sich Tabellen von Korrekturfaktoren berechnen und in der Firmware von Kamera oder Objektiv speichern lassen. Eine solche digitale Korrektur, die auch die Randschärfe verbessert, wird in einigen Kompaktkameras angewandt; einige neuere D-SLRs können die Farbsäume vieler Wechselobjektive herausrechnen und eine automatische oder manuelle Korrektur ist in vielen RAW-Konvertern möglich.

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Korrektur chromatischer Aberration in der Kamera

CCD-Auslese

Im Display einer Kompaktkamera zeigen sich oft helle, meist violette senkrechte Streifen an den Stellen, wo sich Lichtquellen im Bild befinden. Dieses Smearing entsteht beim Auslesen des CCD-Sensors, sofern dieser dabei nicht von einem Verschluss vor Licht geschützt ist. Licht, das beim spaltenweisen Auslesen der Pixel auf den Sensor fällt, kann unerwünschte Ladungen erzeugen, die beim Auslesen gleichmäßig über die gesamte Pixelspalte verschmiert werden. Die typische violette Farbe dieser Streifen ist ein Artefakt der internen Bildverarbeitung: Da die Durchlässigkeit der Farbfilter unterschiedlich ist und grünempfindliche Pixel am durchlässigsten sind, ist zum Ausgleich eine Verstärkung von Blau und Rot nötig. Ein gleicher Ladungszuwachs in allen Pixeln erzeugt daher violette Streifen. Die aufgenommenen Fotos bleiben von Smearing verschont, lediglich in Videos ist es auch nach der Aufnahme zu sehen. Nur CMOS-Sensoren sind komplett frei von Smearing.

Die purpurnen Säume

Die im Englischen als Purple Fringing bezeichneten Farbsäume zeigen sich nur bei sehr hellen Motiven und hohen Kontrasten, etwa um Lichtquellen herum oder an Blattwerk vor dem Hintergrund des hellen Himmels. Im Gegensatz zu jenen des Farbquerfehlers sind sie einfarbig blau-violett; zudem tritt dieses Phänomen auch nahe der Bildmitte auf. Die Natur des Purple Fringing ist umstritten; der Farblängsfehler (und damit das Objektiv) wird dafür ebenso verantwortlich gemacht wie eine Doppelbrechung in den Mikrolinsen oder Artefakte der Farbinterpolation in der Bildverarbeitung. Dass sich Purple Fringing nur bei sehr hellen Bildteilen bemerkbar macht und violette Säume selbst bei einfarbig rotem Laserlicht entstehen, das weder Violett noch Blau enthält, spricht für eine andere Erklärung, nämlich eine Überstrahlung, die durch Streuung innerhalb des Sensors entsteht. Die violette Farbe wäre dann ebenso wie beim Smearing ein Artefakt der Bildverarbeitung, da alle Pixel in gleichem Maße betroffen sind, die Signale der rot- und blauempfindlichen Pixel aber besonders verstärkt werden. Anders als Farbsäume aufgrund der chromatischen Aberration lässt sich Purple Fringing nicht gut voraussagen und herausrechnen; außer einer knapperen Belichtung bleibt als Abhilfe nur eine nachträgliche Retusche.    

 

Sie können bis zu drei Kameras vergleichen, um eine andere auszuwählen, entfernen Sie eine aus dem Vergleich.
Über den Autor
Michael J. Hußmann

Michael Hußmann nahm schon in seiner Jugend Kameras auseinander um zu schauen, was drin steckt. Nach Abschluss seines Studiums der Informatik und Linguistik über Tätigkeiten als Wissenschaftler im Bereich der Künstlichen Intelligenz und Softwareentwickler schreibt er als freier Journalist über Digitalkameras, optische, technische und ästhetische Grundlagen der Fotografie, Digital Imaging, Farbmanagement, Entwicklersoftware und neue Technologien.