Auflösungsbetrachtung am Beispiel von „Altglas“ – also alten Objektiven

Im letzten EDV-TIPP hatte ich gezeigt, wie man eine Fuji-Kamera mit einem Fremdobjektiv konfiguriert. Ob das aber auch „scharfe“ Bilder ergibt, will ich heute unter die Lupe nehmen.

Warum aber soll ich ein altes analoges Objektiv an meine schöne neue Sony oder Fuji schrauben, wird sich der Ein oder Andere Hobby-Knipser fragen. Ja, ganz einfach, weil man so ein Objektiv evtl. noch hat und weil es ggfl. bessere Bilder als das Standard-Kit-Objektiv macht.

Altglas

Von links nach rechts: „Pentacon auto 1.8 50mm“, Fuji-Kit-Objektiv „Fujinon Super EBC XC 16-50mm 1:3.5-5.6 OIS II“ oder „Canon FD 50mm 1:1.4“ – wer ist „schärfer“?

Vorab ein wenig Grundsätzliches:

Die physikalisch erzielbare Bildschärfe bei unseren Digitalkameras wird überwiegend durch das Auflösungsvermögen von Objektiv und Bildsensor bestimmt. 

Für die Beurteilung der Bildqualität einer Digitalkamera sind aber neben der physikalischen Schärfe, die ich hier in den Vordergrund gestellt habe, auch technische Parameter wie Farbe, Helligkeit und Kontrast wichtig.

Ferner spielen natürlich der Betrachtungsabstand, die Präsentationsmedien (Leinwand, Fotopapier, Monitor) und ihre Größe sowie die Umgebungsbedingungen, also z.B. die Lichtverhältnisse im Betrachtungsraum, bei der Schärfebeurteilung eines Bildes eine Rolle.

Ich selbst habe mir die Frage gestellt, wie ich mit relativ einfachen Mitteln herausfinde, ob meine alten Objektive überhaupt für meine digitalen Kameras geeignet sind und ob sie scharf genug abbilden. Und wie ich meinen ersten visuellen Eindruck so weit wie möglich objektivieren kann.

Schauen wir uns zuerst einmal an, was überhaupt Bildschärfe bzw. Auflösung ist:

Im Prinzip ist es die Fähigkeit, kleinste Details noch sehen zu können. Ich hatte mich ja in meinem Artikel über Auflösung beim analogen Fernsehen schon mit dem Thema beschäftigt.

Wenn ich mich selbst zitieren darf: „Auflösung ist im Grundsatz erst einmal der kleinste unterscheidbare Unterschied zwischen zwei Zuständen, wie z.B. Tönen, Farben, Pegeln oder einfach nur physikalischen Größen.“

Das nachstehende Bild zeigt uns einen einfachen Auflösungstest:

Balkentest

Das Bild besteht aus sich abwechselnden schwarzen und weißen Balken gleicher Breite. Nach rechts hin verfeinert sich die Struktur.

Um nun die Auflösung bestimmen zu können, muss man feststellen, welche Anzahl von Linienpaaren pro Längeneinheit gerade noch so erkennbar sind.

Hier spielt aber der Kontrast in Abhängigkeit von der Feinheit der Struktur eine entscheidende Rolle. Vergleiche dazu die Kontrastübertragungsfunktion (MTF, engl. Modulation Transfer Function).

Im Rahmen dieses EDV-TIPP möchte ich darauf aber nicht weiter eingehen.

In der Übersicht der technischen Artikel von ZEISS Camera Lenses finden Sie zwei Aufsätze mit dem Titel „Wie liest man MTF-Kurven?“ von Dr. Hubert Nasse. Die sind zwar sehr technisch, erklären aber die Zusammenhänge im Detail.

Wer sich für ergänzende Informationen interessiert, dem sei der Aufsatz „Optik für die Digitale Fotografie“ von Dr. Karl Lenhardt, von der Firma Schneider Kreuznach ans Herz gelegt.

Für meinen recht einfachen Test habe ich ein Test-Plakat (Größe: ca. 80 x 60 cm) genommen, das ich vor einigen Jahren auf der photokina in Köln ergattert hatte. Nochmals vielen Dank an die Sponsoren!

Testchart von der photokina

Neben einigen Grau- und Farbfeldern fallen direkt der Siemensstern in der Mitte und die vier halben Sterne in den Ecken auf.

„Beim Siemensstern handelt es sich um ein Testmuster, einen Kreis mit abwechselnd weißen und schwarzen Sektoren. Ein bildverarbeitendes Gerät kann dieses Muster nicht perfekt wiedergeben, es entsteht in der Mitte ein unscharfer Fleck, der sogenannte Grauring. Über die Größe des Grauringes ermittelt man das Auflösungsvermögen eines optischen Ausgabegerätes oder den Fokus eines optischen Eingabegerätes.“ Quelle: Wikipedia

Mit diesem Zitat ist der Siemensstern perfekt beschrieben.

Wir interessieren uns also für die Mittelpunkte der Sterne, wo die Linien optisch nicht mehr sauber wiedergegeben werden können und ein Moiré-Effekt sichtbar wird.

Mit meiner jeweiligen Objektiv/Kamera-Kombination habe ich also das o.a. Testmuster vollflächig fotografiert und mittels Photoshop in der 100%-Ansicht an einem schönen großen Monitor ausgewertet.

Ziel ist es, die Auflösung in „Line Widths per Picture Height“ (LW / PH), also die Linienbreite bezogen auf die Bildhöhe zu bestimmen.

Eine „line width“ wird oft missverstanden. Es steht für ein Paar aus einer weißen und einer schwarzen Linie. Die Auflösung wird somit durch folgende Gleichung berechnet:

Ny = Anzahl der Pixel in Y-Richtung im Bild (bezogen auf das ganze Bild).
Ns = Anzahl der Perioden des Siemenssterns (hier 144).
∅ Pixel = Durchmesser des nicht mehr aufgelösten Kreises in Pixeln

Ein Bild einer Fuji X-T20 z.B. hat rund 24 MP resultierend aus 6032 x 4032 Pixel, also eine Bildhöhe von Ny = 4032.

Erlauben Sie mir bei der Gelegenheit eine kleine Abschweifung:

Das Bild in einer Fuji X-T20 z.B. ist im Original 6160 x 4032 Pixel (Raw Image Full Size) groß. Bereitgestellt werden davon 6032 x 4032 Pixel (Output Size).

RAW Therapee 5.0 sagt, das selbe Bild sei 6018 x 4018 groß.

Der Finepix Raw-File-Converter SILKYPIX aus dem Finepix Studio von Fuji hingegen behauptet, genau wie Lightroom / Photoshop, das Bild sei 6000 x 4000 Pixel groß. Also schauen Sie nochmals genau hin, wie groß Ihr auszuwertendes Bild wirklich ist. Und mit welchem „Ny“ Sie rechnen müssen.

So, zurück zum Thema:

Basis war das jeweilige RAW-Bild. Der Durchmesser des nicht mehr aufgelösten Kreises muss nun auch in „Pixeln“ bestimmt werden.

Im nächsten Bild (etwas vergrößert) ist der „Auswertekreis“  in rot dargestellt.

Auswertung

Bis zu einem Durchmesser von 160 Pixeln sind hier die Linien des Siemenssterns erkennbar. Innerhalb des „Messkreises“ ist nur noch graue Fläche zu sehen. ∅ Pixel in der o.a. Formel wäre also 160.

Nun habe ich für jede meiner Kameras mit jedem passenden Objektiv für jeden möglichen Blendenwert eine Aufnahme gemacht und die Auflösung nach der o.a. Formel berechnet.

OK, das ist eine Fleißarbeit, aber normiert man die Ergebnisse auf eine maximal theoretisch mögliche Auflösung von 100%, so erhalte ich z.B. für meine Fuji T-X20 bei drei getesteten Objektiven folgende ganz interessante Grafik:

Grafik_Fuji_Canon_Pentacon

Die graue untere Kurve zeigt dabei das Fuji-Kit-Objektiv „Fujinon Super EBC XC 16-50mm 1:3.5-5.6 OIS II“.

Die Kurve beginnt bei Blende 5.6. Dies ist der kleinste Blendenwert (also die größte Blendenöffung), die sich bei dem Objektiv (bei einer Brennweite von 50mm) einstellen lässt.

Ganz anders das Canon FD 50mm 1:1.4 mit der braunen Kurve. Hier geht es bei Blende 1.4 los und man sieht deutlich, dass die Auflösung bei der Fuji X-T20 mit dem Canon höher ist als mit dem Fujinon.

Noch höher ist die Auflösung mit dem Pentacon auto 1.8 50mm, einem M42-Objektiv mit 6 Linsen. Ursprünglich bei Meyer Oreston in der DDR entwickelt.

Hier der Unterschied in der Auflösung zwischen Canon und Pentacon in etwas größerer Darstellung:

Vergleich Canon Pentacon

Wenn Se auf das Bild klicken und es damit vergrößern, ist klar zu sehen (trotz des leicht unterschiedlichen Bildausschnitts), dass die einzelne Linien im Siemensstern beim Pentacon (linke Bildhälfte) näher an die Mitte heranreichen. Das Pentacon-Objektiv liefert also an der Fuji X-T20 schärfere Bilder als das Canon FD 1.4.

Der hier gemachte Vergleich beschränkt sich auf die Bildschärfe in der Bildmitte. Wer aussagekräftigere Analysen vornehmen möchte, kann und muss das natürlich auch für die Bildecken machen.

Man kann den o.a. Test (so wie beschrieben) direkt mit einem RAW-Bild machen, aber damit hat man ggfl. Verfälschungen durch den nachgeschalteten RAW-Converter.

Wer bei der o.a. Auswertung auf die reinen Sensordaten seiner Digitalkamera zurückgreifen will, also jedwedes Interpolieren seitens des Kameraherstellers ausschließen möchte (Stichwort: Demosaicing), sollte die ECHTEN Helligkeitswerte der Aufnahme als Bild-Basis nehmen.

Damit schließen Sie auch gleichzeitig jedwede Veränderung des Bildes durch einen RAW-Converter wie Lightroom / Photoshop oder RAW Therapee etc., aus.

Was sind nun die REINEN Sensordaten wirklich?

Die lichtempfindlichen Fotoelemente in den meisten Sensoren unserer Digitalkameras können nur Helligkeitswerte – also ein Graustufenbild – erfassen.

Um Farbinformationen zu erhalten, wird vor jeder einzelnen Zelle ein winziger Farbfilter in einer der drei Grundfarben rot, grün oder blau angeordnet (Ausnahme: Foveon X3 von Sigma). Zu weiteren Details siehe das Stichwort „Bayer-Sensor “ bzw. „X-Trans-Sensor “.

Um an das im RAW-File befindliche Graustufenbild zu kommen, das nur die vom Sensor aufgenommenen Helligkeitswerte zeigt, habe ich die kostenlose Software DCRaw genutzt:

DCRaw im DOS-Fenster

Mit Hilfe dieses in „C“ geschriebenen Tools von Dave Coffin kann man das im RAW-File gespeicherte reine (uninterpolierte) Helligkeitsbild extrahieren.

Nun ist ein „C“-Programm nicht jedermann Sache. Für Windows haben darum Axel Rietschin als auch Sergio Namias (dessen Seite sehr übersichtlich ist) auf ihren jeweiligen Webseiten unter Windows ausführbare EXE-Dateien bereitgestellt.

Eine Befehlsübersicht in deutscher Sprache finden Sie bei Dave Coffin.

Aktuell ist im April 2017 die Version 9.27. Aber Achtung: DCRaw hat mit den „komprimierten“ (Fuji-)Raw-Dateien etwas Probleme (unexpected end of file). Mit den unkomprimierten RAW-Bildern hingegen läuft es vorzüglich. Also bitte in der Kamera VOR den Aufnahmen entsprechend umstellen. 😉

Um an das Graustufenbild zu kommen, habe ich mir eine kleine Batchdatei geschrieben, die aus allen RAW-Dateien, die mir so unterkommen, das Vorschaubild (als JPG), das Graustufenbild (als TIFF mit den EXIF-Daten) sowie eine kleine Info-Datei extrahiert.

Batch-Datei

Wer will, kann sich das kleine Windows-Batch-Programm hier herunterladen (Lauffähigkeit ohne Gewähr und denken Sie bei der Benutzung von fremder Software zuvor an ein Backup Ihres Systems).

Die Batchdatei läuft ohne Installation. Empfehlen würde ich Ihnen aber ein temporäres Verzeichnis wie z.B. C:\Temp für die Nutzung. Bedingung: Die entsprechende DCRaw_xxxxx-EXE muss im selben Verzeichnis vorhanden sein – und natürlich die entsprechenden RAW-Bilder.

Aktuell nutze ich die „dcraw-9.27-ms-64-bit.exe“. Haben Sie eine andere Version (z.B. eine 32Bit-Version), so können Sie die BAT-Datei ja anpassen.

Doch wie oben schon gesagt: Schärfe ist nicht alles. Besonders wenn man sie nur in der Bildmitte betrachtet. 😉

Mir hat der Test im ersten Schritt gezeigt, wo der „Sweet Spot“ oder wie man auch sagt, die „Sweet Area“ für meine Objektive liegt. Also die Blende bzw. der Blenden-Bereich, bei dem ein Objektiv seine beste Schärfe erreicht.

Die hohe Schärfe des Pentacon-Objektives hat mich allerdings anfänglich doch etwas erstaunt. Aber durch Anwendung der MDGH (= Methode des genauen Hinsehens) werden die Zusammenhänge schnell klar.

Viele Objektive aus der Zeit, in der die Schwarz/Weiß -Fotografie noch im Vordergrund stand, waren auf Auflösung oder vielmehr auf eine gute Kantenschärfe hin optimiert. Leider waren sie aber (wie mein Pentacon) dabei auch recht kontrastarm.

Ausgeglichen hat man das damals meist mit Fotopapier, welches eine harte oder extraharte Gradation hatte.

Schwarzweiß-Fotopapier hat ein bestimmtes Wiedergabeverhalten (Gradation von 0-5) hinsichtlich der Helligkeit. Von „weich“ mit vielen Grautönen – aber eher etwas flau und keinem so dunklen „schwarz“ – bis hin zu „hart“ mit weniger Grautönen, dafür aber einem tiefen „schwarz“.

Ein hartes Fotopapier hat also einen deutlich höheren Kontrast als weiches Papier und kann damit ein kontrastarmes Objektiv ausgleichen.

Heute können wir mit Lightroom oder vergleichbaren Werkzeugen den Mikro- und Makro-Kontrast aber problemlos ausgleichen.

Der Mikro- oder Konturenkontrast definiert sich als Helligkeitsunterschiede zwischen nahe beieinanderliegenden Pixel und lässt sich in Lightroom über die „Klarheit“ und „Schärfe“ ganz gut steuern.

Der Kontrasteinsteller in Lightroom hingegen ist für Helligkeitsunterschiede im gesamten Bild bzw. in größeren Bildbereichen, also den Makrokontrast, zuständig.

Ein geringer Makro-Kontrast hat vielfach seine Ursache im Falschlicht, also unerwünschtem Licht, das in einem optischen System entsteht und nicht zum eigentlichen Bildaufbau beiträgt.

Die Falschlicht- bzw. Streulicht-Empfindlichkeit eines Objektives ist übrigens ein wichtiges Kriterium, das sich besonders bei Gegenlicht (bzw. schon bei schräg einfallendem Licht) störend bemerkbar macht. Durch Streulichtblenden (die Sie als Fotograf nie vergessen sollten) und die richtige Linsenvergütung (auf die wir später keinen Einfluss mehr haben) kann die Streulichtempfindlichkeit allerdings gemindert werden.

Neben der „Schärfe“ und dem „Kontrast“ zeichnen sich gute Objektive auch noch durch andere Kriterien aus, die hier überhaupt nicht beleuchtet wurden:

Als Stichworte seinen nur die Farbsäume, also die Chromatische Aberration, die tonnenförmige oder kissenförmige Verzeichnung / Verzerrung oder die Randabschattung (Vignettierung) aufgeführt.

Trotz sicher einiger individueller Fehler bei meiner Messung war für mich persönlich der oben aufgeführte Test ganz hilfreich, um nicht nur die Schärfe meiner Objektive vergleichen zu können, sondern mir auch nochmals ein paar Gesetzmäßigkeiten in Erinnerung zu rufen.