MegaPixel-Kameras benötigen hochwertige Objektive

Fachartikel aus PROTECTOR 5/08, S. 36

Objektivqualität als entscheidender Faktor

Megapixel – Megabild?

Immer mehr Kameras werden mit Megapixel-Sensoren bestückt. Doch eine höhere Auflösung allein sorgt noch nicht für bessere Bilder. Wer „Megapixel“ sinnvoll nutzen will, braucht hochwertige Objektive.

Bildsensoren werden immer hochauflösender. Um das volle Potenzial auszuschöpfen, muss auch das Objektiv entsprechend hochwertig sein.
Bild: Pixelio/Klicker

Der Trend zu immer höheren Auflösungen schreitet auch in der Videoüberwachung weiter voran. Mehr Auflösung, mehr Pixel, mehr Daten, mehr Bildqualität, lautet die gängige Vorstellung – selbst wenn man oft nicht so genau weiß, wie man das gestiegene Datenvolumen über das Firmennetzwerk schaufelt, ohne dass der Administrator einen Wutanfall bekommt. Davon abgesehen kann die oben genannte Kette auch nur dann zufriedenstellend funktionieren, wenn alle Glieder zusammenpassen und jedes für sich eine hohe Qualität garantiert.
Ganz vorne in diesem System stehen die Kameras; und diese sind nur so gut, wie die angesetzte Optik. Denn der beste hochauflösende Sensor nutzt nichts, wenn davor ein schlechtes Objektiv sitzt, das als „schwächstes Glied in der Kette“ die Leistung des gesamten Systems herunter zieht. Um an Kameras mit Megapixel-Auflösung einen tatsächlichen Gewinn an Auflösung und Bildqualität zu erzielen, müssen an die Objektive demnach höhere Anforderungen gestellt werden als bei Pal-Auflösung. Der Anspruch wächst dabei mit der Zahl der Pixel.

Unliebsame Randerscheinungen

Besonders kritisch sind die sogenannten „Randstrahlen“. Sie treten am Rand der Linse durch die Optik und werden stärker gebrochen als die Strahlen in der Mitte. Hier zeigt sich die Qualität eines Objektivs. Denn die Korrektur der am Rand entstehenden Bildfehler und Qualitätseinbußen ist die wahre Kunst des Objektivbaus. Simpel konstruierte Optiken liefern zwar in der Bildmitte oftmals eine gute Qualität, lassen aber zum Rand hin stark nach. Digitale Bildsensoren, gerade die mit hoher Auflösung, verzeihen das nicht. Neben den durch die Optik verursachten Bildfehlern – seien es sphärische Aberrationen, Koma oder Unschärfen – kommt es bei schräg auf den Sensor treffenden Strahlen zu zusätzlichen Fehlern in Form von Vignettierung oder Farbverschiebungen. Diese Fehler zu korrigieren oder zumindest auf ein Mindestmaß zu reduzieren, ist die Herausforderung der Objektivhersteller. Der Anwender kann sich zusätzlich durch Abblenden (Schließen der Objektiviris) um ein bis zwei Blendenstufen behelfen. Hierbei werden die Randstrahlen abgeschnitten, so dass sie die Bildqualität nicht mehr verschlechtern können. Allerdings verringert sich durch das Schließen der Blende auch die Lichtmenge, die durch das Objektiv treten kann: Der Bildsensor muss mit weniger Licht auskommen. Anschließend versucht die Elektronik den Verlust mittels Signalverstärkung wieder auszugleichen.

Wer rauscht, verliert

Hier ist die Schnittstelle zum zweiten wichtigen Kriterium: der Lichtstärke oder Anfangsöffnung des Objektivs. Meist wird sie in der Form „F 1:1,4“, „F 1:1,8“ oder ähnlich angegeben. Je kleiner dabei die zweite Zahl ist, desto lichtstärker ist eine Optik. Dies kann gerade bei Megapixelkameras von großer Bedeutung sein. Ein Vergleich der Sensorgrößen und der Anzahl der Pixel veranschaulicht den Zusammenhang: Wenn ein Sensor eine gängige Größe von 1/4, 1/3 oder 1/2 Zoll besitzt, auf ihm aber viel mehr Pixel untergebracht sind als bei D1-Auflösung, müssen die Pixel dementsprechend kleiner sein. Durch Verkleinerung werden Pixel aber generell lichtunempfindlicher. Und weniger Licht versucht die Elektronik, wie bereits erwähnt, mit Signalverstärkung zu kompensieren. Das führt meist zu stärkerem Rauschen und einer Verschlechterung der Bildqualität. Daher sind besonders „lichtstarke“ Objektive notwendig – etwa mit F 1:1,0 –, um auch bei schlechtem Licht noch etwas erkennen zu können. Alternativ bieten diese Optiken auch genügend Spielraum für das qualitätsfördernde Abblenden um eine Blendenstufe.

Gute Bilder sind der Lohn

Mit dem sinnvollen Abstimmen von Kamera und Objektiv ist in Sachen Bildqualität sehr viel gewonnen. Und „Megapixel“ verkommt nicht zum reinen Marketingaspekt für Kameras. Zwar ist die Frage, wie man die hochaufgelösten und bandbreitenfressenden Videobilder übers Netzwerk überträgt, damit noch nicht beantwortet – sicher ist nun aber, dass sich das auch lohnt. Michael Gückel

Wichtige Begriffe aus der Videotechnik – verständlich erklärt:

Aberration, chromatische (Farbfehler)
Die Brechzahl einer Linse hängt von der Wellenlänge des einfallenden Lichts ab. Diese auch Dispersion genannte Erscheinung verursacht die chromatische Aberration (vom griechischen Chroma für Farbe). Die verschiedenfarbigen Anteile des Lichts laufen in unterschiedlichen Brennpunkten zusammen, was vor allem an harten Kanten zu unerwünschten Farbsäumen führt.

Aberration, sphärische (Öffnungsfehler)
Die sphärische Aberration bewirkt, dass achsparallel einfallende Lichtstrahlen nach dem Durchgang durch das optische System nicht im gleichen Punkt zusammenlaufen. Es entstehen Unschärfen. Je weiter außen der Strahl verläuft, desto stärker ist im Allgemeinen die Abweichung.

Achromat/Apochromat
Achromaten und Apochromaten sind spezielle, mehrschichtige Linsen, die die Farbfehler eines optischen Systems korrigieren.

Anfangsöffnung/Lichtstärke
Die maximale Blendenöffnung eines Objektivs bezeichnet man auch als Anfangsöffnung; sie ist ein Maß für die Lichtstärke. Je kleiner der Wert, desto mehr Licht kann durch die Linsen treten.

Asphärische Linsen
Asphärische Ojektive verfügen über mindestens eine brechende Linsenoberfläche, die von der Kugelform abweicht. Eine solche asphärische (nicht kugelförmige) Fläche ermöglicht die Korrektur der sphärischen Aberration. Die Fertigung einer Asphäre ist in der Regel teurer als die einer sphärischen Linse.

Auflösung, absolute
Anzahl der Linienpaare pro Bildhöhe (Lp) beziehungsweise traditionell aus der Videotechnik die Frequenz in Megahertz (MHz). Gute Kameras sollten bei 1.000 und bei 100 Lx mindestens 230 Lp darstellen können.

Auflösung, relative
Praxisgerechtes Maß für die Wiedergabe feiner Details. Der Wert wird aus der interpolierten Auflösungskurve berechnet mit erhöhter Gewichtung höherer Frequenzen. 100% entsprächen einer geraden Auflösungskurve von 0,5 bis 5,0 MHz auf der 0 dB-Linie. Abweichungen von der 0 dB-Linie (positiv wie negativ) führen zu Abzug. Als gut können Werte ab etwa 70% angesehen werden.

Blende
Die Blende reduziert die durch das Objektiv fallende Lichtmenge durch Beschneiden des Strahlengangs vom Rand her. Dadurch werden gleichzeitig bestimmte Linsenfehler verringert und die Schärfentiefe erhöht. Die Größe der Blende gibt man in Blendenwerten (k) an, die sich aus dem Verhältnis Brennweite (f) durch effektive Eintrittspupille (D) berechnen lässt (k = f/D). Von einer Blendenstufe zur nächsten halbiert sich die durchgelassene Lichtmenge (etwa beim Schließen der Blende von 4 auf 5,6), bei Verdoppelung der Blendenzahl (etwa von 8 auf 16) reduziert sich die Lichtmenge auf ein Viertel.

C-Mount/CS-Mount
C-Mount und das davon abgeleitete CS-Mount sind genormte Anschlussgewinde für Kameraobjektive. Bei beiden beträgt der Durchmesser ein Zoll und die Gewindesteigung 1/32 Zoll. Das Auflagenmaß, also der Abstand zwischen dem Flansch des Objektivgewindes und dem Sensor, beträgt bei C-Mount 17,52 und bei CS-Mount 12,52 Millimeter. Mit einem fünf Millimeter starken Zwischenring können C-Mount-Objektive auch an Kameras mit CS-Mount angeschlossen werden.

DAS
Direct Attached Storage (s. NAS)

DC-Blende
Objektive mit DC-geregelter Blende (DC steht für Gleichstrom) werden von einem in die Kamera integrierten Verstärker gesteuert. Die Spannungsversorgung erfolgt über eine an der Kamera angebrachte vierpolige Buchse.

DVR
Ein DVR ist ein Digitaler Videorecorder, der Video und Audio digital auf eine Festplatte aufzeichnet. DVRs sind so genannte Stand-alone-Geräte, an die Kameras direkt angeschlossen werden können und die ohne weitere Komponenten oder Netzwerkverbindung eigenständig Videodaten aufzeichnen und wiedergeben können. Viele heute angebotene DVR verfügen über einen Netzwerkanschluss, wodurch sie einerseits aus der Ferne gewartet und konfiguriert werden können, andererseits auch auf die gespeicherten Daten von extern zugegriffen werden kann.

Farbwiedergabe
Farbsättigung und Farbabweichungen dienen zur Ermittlung dieses Wertes, der eine sehr gute Korrelation zu subjektiven Beurteilungen der Farbwiedergabe und Farbreinheit aufweist. Werte ab etwa 70% sind gut.

LAN
Local Area Network (s. SAN)

NAS
Network Attached Storage (NAS) bezeichnet einfach zu verwaltende Dateiserver, die eingesetzt werden, um ohne hohen Aufwand unabhängige Speicherkapazität in einem Rechnernetz bereitzustellen. Ein NAS stellt mehr Funktionen bereit, als nur einem Computer Speicher über das Netz zuzuweisen und ist deshalb im Unterschied zu Direct Attached Storage (DAS) immer entweder ein eigenständiger Computer (Host) oder ein Virtueller Computer (Virtual Storage Appliance, VSA) mit eigenem Betriebssystem. Viele Systeme beherrschen auch RAID-Funktionen, um Datenverlusten vorzubeugen.

NVR
Network Video Recorder (NVR) dienen zur Aufzeichnung von Videosignalen im IP-Netzwerk. Anders als DVRs, sind NVRs keine Stand-alone-Geräte, die direkt mit den Kameras verbunden sind, sie bleiben dank Netzwerkanbindung standortunabhängig. NVR sind meist leistungsfähige PCs mit großen Festplattenkapazitäten, auf die über das lokale Netz und das Internet zugegriffen werden kann. Häufig werden sie in einem redundant aufgebauten Cluster zusammengeschaltet, so dass einerseits Daten gespiegelt werden können und andererseits beim Ausfall eines NVRs ein anderer die Aufzeichnung übernehmen kann.

S/N Chrominanz
Bildrauschen (S/N: signal to noise), das sich als Schwankung der Farbsättigung äußert. Gemessen werden diese Schwankungen in einer roten Fläche des Testbildes, die Standardabweichung der Messwerte führt zum angegebenen Signal-Rauschabstand in dB. Gut sind Werte ab 35 dB.

S/N Luminanz
Bildrauschen (S/N: signal to noise), das sich als Helligkeitsschwankung äußert. Gemessen werden die Helligkeitsschwankungen in einer weißen Fläche (80% weiß) des Testbildes. Die Standardabweichung der Messwerte führt zum angegebenen Signal-Rauschabstand in dB. Werte ab 35 dB sind gut.

SAN
Als Storage Area Network (SAN) bezeichnet man im Bereich der Datenverarbeitung ein Speichernetzwerk zur Anbindung von Festplattensubsystemen an Server-Systeme. Storage Area Networks sind für serielle, kontinuierliche Hochgeschwindigkeitsübertragung großer Datenmengen konzipiert worden. Sie basieren heute für hochverfügbare, hocheffiziente Installationen auf der Implementierung des Fibre-Channel-Standards, bei kleineren Anlagen aus Kostenüberlegungen auch auf IP. Strukturell ist ein SAN aufgebaut wie ein Local Area Network (LAN): Es beinhaltet Hubs, Switches und Router.

Vergütung
Eine hochwertige Vergütung (Entspiegelung) vermindert Streulicht in der Optik und beugt unerwünschten Reflexionen vor. Vor allem bei sehr hellem Licht oder Gegenlicht kann es ohne Vergütung zu Spiegelungen oder nebelartigen Geisterbildern kommen.

Verzeichnung/Distorsion
Unter Verzeichnung versteht man die Eigenschaft von Objektiven, Gegenstände zum Bildrand hin immer stärker zu verzerren. In der Nähe des Bildrandes werden gerade Linien nach außen (tonnenförmige Verzeichnung) oder innen (kissenförmige Verzeichnung) gewölbt.

Vignettierung
Mit Vignettierung bezeichnet man den Helligkeitsabfall in den Bildecken, der durch mechanische Verengung oder durch physikalische (natürliche) Effekte entsteht. Sie tritt hauptsächlich bei Weitwinkelobjektiven auf. Durch Abblenden des Objektives kann die Vignettierung verringert werden.

VSA
Virtual Storage Appliance (s. NAS)

Weißwert
Wert der hellsten weiße Stelle im Testbild. Idealerweise beträgt der Messwert 100%, in der Praxis können Werte ab 90% als gut bezeichnet werden.

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