So testet c't Kameras im Smartphone

Inhaltsverzeichnis

Aufnahmen der c't-Testszene bilden die Grundlage für die visuellen Beurteilungen. Sie ermöglichen auch dem Laien eine schnelle, überschlägige Einschätzung der Bildqualität einer Kamera. Wenn nicht anders angegeben, fotografieren wir die c't-Testszene im Automatikmodus bei einer Beleuchtung des Testcharts mit 1100 Lux, 300 Lux, 80 Lux, 20 Lux, 5 Lux und 0,5 Lux.

Anhand des subjektiven Bildeindrucks am Monitor beurteilen wir den Farbeindruck, die Schärfe, Belichtung und Detailwiedergabe, das Farbrauschen, Moirés, Blooming und die Kompressionsartefakte. Die Testbild-Bewertungen beziehen sich stets auf die aktuelle Smartphone-Generation; sie sind deshalb mit früheren Tests nicht unmittelbar vergleichbar. Die im c't magazin abgedruckten Testbilder zeigen einen unbearbeiteten kleinen Ausschnitt der c't-Testszene. Diese Abbildungen können aufgrund ihrer geringen Größe und des verwendeten Tiefdruckverfahrens nur einen groben Anhaltspunkt für die zu erwartende Bildqualität der Geräte liefern; deutlich besser können Sie die Kameraqualität anhand der digitalen Bilder einschätzen, die wir zu unseren Tests veröffentlichen. Die visuelle Beurteilung fließt nicht in die Messwerte ein.

Objektkontrast

Die opto-elektronische Übertragungsfunktion OECF (Opto Electronic Conversion Function) bezeichnet die Eigenschaft digitaler Kameras, Helligkeiten in digitale Werte im Bild umzusetzen. Die OECF-Kurve wird getrennt für die drei Farbkanäle Rot, Grün und Blau bestimmt und liefert jede Menge wichtiger Informationen.

Dazu gehört beispielsweise der Dynamikumfang (auch als Objektkontrast bezeichnet): Er beschreibt den maximalen Kontrast in der aufgenommenen Szene, den die Kamera wiedergeben kann. Überschreitet der Szenenkontrast den Objektkontrast der Kamera – z.B. bei Sonnenschein und tiefen Schatten – geht die Zeichnung, also die Wiedergabe von Details, verloren. Man spricht davon, dass Lichter ausfressen oder Schatten zulaufen.

Ermittelt wird der Dynamikumfang über die Differenz der Belichtung, die zur Sättigung führt, und der erforderlichen Belichtung, um ein dunkles Graufeld zu erzeugen, bei dem die Bildstörungen (also das Rauschen) nur ein Drittel des Nutzsignals betragen. Der Objektkontrast wird als Verhältnis der Lichtreflexion von der hellsten zur dunkelsten Stelle im Bild angegeben, und zwar in Dichten (die logarithmische Angabe des Verhältnisses) oder in Blendenstufen (1 Blendenstufe = ca. 0,3 Dichten). Für einen Objektkontrast von 1000:1 ergeben sich damit 10 Blenden oder 3 Dichten. Aktuelle Digitalkameras liegen bei etwa 10 Blendenstufen im Objektkontrast, was in dem meisten Situationen ausreicht – vorausgesetzt die Belichtung stimmt.

OECF

Das OECF-Chart enthält einen kreisförmig angeordneten Graustufenkeil; es wird in der ISO-Norm 14524 beschrieben. Eine Hohlkugel – eine sogenannte Ulbrichtkugel – leuchtet das OECF-Chart aus. Anhand dieses Testbilds bestimmen wir Dynamik, Bildumfang, Empfindlichkeit, Weißabgleich und Signal-Rausch-Verhältnis.

Der Objektkontrast, den eine Kamera erfassen kann, sinkt prinzipiell mit höherer Empfindlichkeitseinstellung. Deshalb messen wir den möglichen Kontrast bei der geringsten einstellbaren Empfindlichkeit der Kamera (oft ISO 100) und – sofern am Smartphone einstellbar – bei ISO 100, 800 und 3200.

Bildumfang

Der Bildumfang zeigt, wie viele der 256 Helligkeitsstufen in jedem 8-Bit-Farbkanal von den digitalen Kameras tatsächlich genutzt werden, wie gut also die interne Tonwertkorrektur die oft mit 12 oder 14 Bit Farbtiefe vorliegenden Sensor-Rohdaten auf die 256 RGB-Helligkeitsstufen abbildet. Die Daten gewinnen wir ebenfalls aus der OECF. Angegeben wird ein Wert für den Bildumfang in digitalen Stufen (Digitalwerten). Optimal sind 256 Stufen, bei weniger als 245 Stufen verschenkt die Kamera wertvollen Dynamik-Spielraum.

Signal-Rausch-Verhältnis

Das Signal-Rausch-Verhältnis (S/Nx) ist ein Maß für die Störungen (das Grieseln) im Bild, die durch interne Berechnungen und Effekte wie thermisches Rauschen hervorgerufen werden. Je höher das Verhältnis S zu Nx, umso weniger Störungen sind im Bild sichtbar. Wir messen das S/Nx in Anlehnung an ISO 15739. Jeder Sensor in Smartphones produziert solche Störungen, wobei kleinere Sensoren stärker rauschen als größere: Je mehr Licht ein Sensor sammeln und in Elektronen umwandeln kann, desto geringer fällt das statistische Rauschen aus.

Ein Bereich der Störungen ist der so genannte Fixed Pattern Noise: Weil jedes Pixel auf einem Sensor eine leicht andere Empfindlichkeit besitzt, wird eine einfarbig weiße Fläche nicht einfarbig weiß abfotografiert, sondern weist eine pixelige Struktur auf. Diese Unterschiede sollten von Herstellern abgefangen werden, weil sie bei jeder Kamera zwar unterschiedlich, aber immer gleich sind. Sie werden über eine Weißkalibrierung intern korrigiert. Durch die Farbberechnung zu RGB-Bildern kann zudem sogenanntes Farbrauschen entstehen.

Eine weitere Quelle für die Störungen ist das thermische Rauschen. Dabei entstehen Ladungen nicht nur wie gewünscht durch Lichteinfall, sondern auch zufällig durch Temperatureinflüsse. Je länger die Belichtungszeit ist, umso mehr dieser Störungen werden gesammelt. Die Kamerabilder werden also umso besser, je kälter es ist und je kürzer die Belichtungszeit wird. Um vergleichbare Bedingungen zu schaffen, halten wir die Temperatur im Testlabor deshalb immer auf 23°C +/- 2°C.

All diese Rauscharten werden mit Hilfe des OECF-Charts erfasst und vom eigentlichen Bildinhalt getrennt und ausgewertet. Das Signal-Rausch-Verhältnis ist dabei stark von der gewählten Empfindlichkeit abhängig: Je größer die ISO-Einstellung, umso stärker wird das Rauschen im Vergleich zum Nutzsignal. Wir geben es deshalb wiederum für ISO 100, ISO 800 und ISO 3200 an, sofern das Smartphone die manuelle ISO-Einstellung zulässt.

Ein Wert, den wir dabei ermitteln, ist der sogenannte Visual Noise: Er bezeichnet das subjektiv wahrnehmbare Rauschen. Werte bis 0,8 stehen dabei für weitgehende Rauschfreiheit, Werte bis 2 für einen geringen, Werte bis 3 für einen mäßig und Werte über 3 für einen deutlich störenden Rauscheindruck.

Messtechnisch schlecht zu erfassen ist der Einfluss der kamerainternen Rauschunterdrückung. Manche Smartphones glänzen zwar mit guten Rauschwerten bis in höhere Empfindlichkeitsstufen, bügeln hier aber auch feine Strukturen (Rasen, Haare) glatt – das Bild wirkt dann aquarellartig zugeschmiert. Deshalb sollte man das Signal-Rausch-Verhältnis immer bei gleichzeitiger Beobachtung der Auflösung für die jeweilige Empfindlichkeitsstufe gewichten.

Auflösung

Das Auflösungs-Testchart wird formatfüllend aufgenommen – pro Smartphone (und einstellbarer ISO-Stufe) fünfmal. Es enthält 25 über das Bildfeld verteilte sogenannte Siemenssterne mit sinusförmigem Helligkeitsverlauf. Die Mess-Software ermittelt mit Hilfe von Phasenshift- und Fit-Verfahren die Modulationsübertragungsfunktion MTF.

Dabei errechnet sie anhand der immer feiner zulaufenden Linien im Siemensstern über alle auslesbaren Frequenzen, wie hoch der Kontrast von den dunkelsten zu den hellsten Bereichen ist. Dieses Verhältnis nimmt mit zunehmender Frequenz – also immer feineren Details – ab, bis die Details bei einem Kontrast von 10% nicht mehr erkennbar sind.

Die Grenzfrequenz (Anzahl Linienpaare gerechnet auf die Bildhöhe) wird für acht Richtungen eines jeden Sterns errechnet und anschließend gemittelt. Über 25 Sterne auf vier unterschiedlichen Bildhöhen vermitteln diese Werte ein exaktes Bild der Leistungsfähigkeit von Kamera und Objektiv. (uk)