Was sind Lichtintensitäten?

Jedes Foto ist die Repräsentation unterschiedlicher Lichtintensitäten. Die einzelnen Intensitäten sind dabei in hohem Maß voneinander abhängig. Wird eine Szene von einer Lichtquelle beschienen, entsteht das vom Auge gesehene bzw. von der Kamera aufgezeichnete Bild dadurch, dass die zahllosen kleinen uniformen Objekte der Szene das Licht, das auf sie trifft, in verschiedenem Maß reflektieren. Ändert sich die Gesamtbeleuchtung, ändern sich auch sämtliche Lichtintensitäten entsprechend. Dabei existieren natürliche Ausnahmen, auf die jedoch in diesem Kontext nicht eingegangen wird. Anstatt die Lichtmenge in der Szene selbst zu verändern, kann in der Fotografie auch durch die Belichtungszeit oder Blende die Lichtmenge angepasst werden, die auf den Film oder Sensor trifft.

Was bedeutet dies für unser Sehen?

Das menschliche Auge bildet die Lichtintensitäten einer Szene nicht linear ab. D. h. ein Objekt, das doppelt soviel Licht reflektiert wie ein anderes, wird zwar heller wahrgenommen, nicht jedoch doppelt so hell. Dieser Umstand lässt sich an einem einfachen Beispiel verdeutlichen. Treten wir aus einem Innenraum ins Freie, so kann es durchaus sein, dass der hellste Punkt im Innenraum um 10 Belichtungswerte dunkler ist als ein heller Punkt im Freien. Auf Intensitäten übertragen bedeutet dies, dass der beschriebene helle Punkt im Freien über 1.000 mal heller leuchtet als der im Innenraum. Wir nehmen die neue Situation zwar deutlich heller wahr, nicht aber 1.000 mal heller. Glücklicherweise passt sich unser Auge der veränderten Lichtsituation in Bruchteilen von Sekunden an, täte es dies nicht, würden wir sicher auf der Stelle erblinden.

Wie lässt sich dies auf die Fotografie übertragen?

Das Filmmaterial der analogen Fotografie ist dem menschlichen Sehen insofern nachempfunden, als dass es die aufgezeichneten Lichtwerte in den Bereichen der Lichter und Schatten komprimiert. Für die Sensoren digitaler Kameras gilt dies nicht.  Sie zeichnen das Licht gemäß der gemessenen Lichtintensitäten auf. Das Bild illustriert, dass sich durch die lineare Abbildung eine ungleichmäßige Verteilung ergibt. Dabei vedoppelt sich die für jeden Belichtungswert zur Verfügung stehende Anzahl an Tonwerten.

Das Konzept "expose to the right" als Resultat in der digitalen Fotografie

Aus der oben geschilderten Art der Abbildung resultieren einige der Besonderheiten der digitalen Fotografie. Sie haben vielleicht bereits vom Konzept "expose to the right" gehört, bei dem versucht wird, Belichtung und Blende so zu wählen, dass im Histogramm der Aufnahme in Richtung der Lichter möglichst wenig ungenutzter Raum verbleibt. Der gesamte Tonwertumfang wird soweit wie möglich nach rechts verschoben, selbst wenn weite Teile der Schattenpartien ungenutzt bleiben.

Ein solches Vorgehen ist sinnvoll, da aus der linearen Abbildung der gemessenen Lichtwerte folgt, dass die Hälfte aller zur Verfügung stehenden Tonwerte dem hellsten Belichtungswert zugeordnet sind, ein Viertel dem zweithellsten, ein Achtel dem dritthellsten und allen übrigen Belichtungswerten zusammen das verbleibende Achtel. Für einen Sensor mit 12-Bit Genauigkeit / Kanal bedeutet dies, dass wenn kein Bereich des Bildes in die hellsten beiden Belichtungsstufen fällt, 3.072 von 4.096 möglichen Tonwerten pro Kanal ungenutzt bleiben.

Sind also die Pixel eines jeden digitalen Bildes das direkte Abbild der Lichtintensitäten?

Wir sprechen häufig von Lichtintensitäten und obgleich wir uns bemühen dies niemals direkt zu sagen, könnte der Eindruck entstehen, dass diese Intensitäten direkt in den Pixeln eines jeden Bildes gespeichert wären. Diese Aussage ist zwar vom Ansatz her korrekt, die Intensitäten werden jedoch nicht direkt gespeichert. Vielmehr werden die Bilddaten nach aktuellem Standard in gamma-korrigierter Form gespeichert. Anstelle der tatsächlichen Intensitäten werden numerisch größere (hellere) Werte genutzt, wobei der Zuwachs an Helligkeit zu den Lichtern und Schatten hin abnimmt. Dieser Umstand ist historisch bedingt. Die aus ihm resultierenden Probleme werden in dem aktuell nur in englischer Sprache verfügbaren technischen Dokument Maintaining Color Integrity in Digital Photography mathematisch fundiert betrachtet.