So testen wir

Neues Testverfahren für SLRs und Systemkameras

In regelmäßigen Abständen überarbeiten wir zusammen mit Image Engineering, unserem Testlabor, unsere Testverfahren. Hier stellen wir unsere neuen Messmethoden vor.

Testverfahren Colorfoto

© Image Engineering

Testverfahren Colorfoto

Nach zwei Jahren Arbeit erscheint nun der neue Kameratest mit drei wesentlichen Veränderungen:

Detailzeichnung

Neben dem Dead-Leaves-Feld mit hohem Kontrast steht nun auch ein DL-Feld mit niedrigem Kontrast (Messung der Feinzeichnung) auf der Testtafel. Wie gehabt bestimmen wir die Auflösung der farbigen Strukturen für einen Grenzkontrast von 50%. Die Grenze der Auflösung ist erreicht, wenn die Auflösungskurve (Bildkontrast) auf 50% des Eingangskontrastes sinkt (MTF50). Die niedrigkontrastigen Strukturen sind nun ein direkter Messwert für die Erhaltung feiner Strukturen ohne Maximalkontrast im Bild. Im Gegensatz zum alten DL-direct-Verfahren können wir nun nicht nur das Rauschen, sondern alle Artefakte aus der Frequenzkurve herausrechnen - DL cross.

Artefakte

Die Kamera rechnet im Zuge der Bildoptimierung Artefakte als zusätzliche und damit falsche Strukturen ins Bild. Wir vergleichen bei den DL-Bildern das Kamerabild mit dem Ausgangsbild auf der Testtafel. So erkennt die Software, welche Strukturen mit welchem Kontrast erhalten und welche als Artefakte neu hinzugekommen sind. Das führt zu einem sauberen DL-Wert und liefert zugleich einen Messwert für Artefakte.

Kantenanhebung

Alle Kameras optimieren die Kantenabbildung, damit das Bild schärfer und kontrastreicher erscheint. Die Kantenanhebung verbessert die Auflösungs- und DL-Werte, was bei maßvollem Einsatz auch sehr sinnvoll ist, übertrieben jedoch das Bild beschädigt.

Wenn eine Kamera eine Kante verstärkt, wird aus der aufgezeichneten abgeflachten Rechteckkurve nicht die ideale Rechteckkurve der Vorlage, sondern eine verstärkte mit leichten Über- und Unterschwingern, die bei übertriebenem Einsatz im Bild als feine (hässliche) Parallellinien an Kanten erscheinen. Als Berechnungsgrundlage dient die Fläche unter den Über- und Unterschwingern.Wir nutzen die so berechneten Kantenwerte für hohen und niedrigen Kontrast, um die entsprechenden DL- und Auflösungsergebnisse zu bewerten - dies geschah in der Vergangenheit manuell anhand der Kurvenverläufe und Bilder.

Kantenhöhe

Manche Kameras verstärken auch den Gesamtkontrast einer Kante. Dies erfassen wir als Prozentwert.

Unverändert bleiben folgende Messungen:

  • Auflösung: Die Auflösung bestimmen wir weiterhin über einen schwarweißen Siemensstern, dessen Kanten nicht scharf, sondern entsprechend einer Sinuskurve moduliert sind, damit die Nachschärfung nur moderat zugreift. Die Grenze der Auflösung ist erreicht, wenn die Auflösungskurve (Bildkontrast) auf 10% des Eingangskontrastes sinkt (MTF10).
  • Rauschen: Wie bisher setzen wir auf die der visuellen Wahrnehmung angepasste Rauschbewertung VN. Wir verschärfen allerdings die der Berechnung zugrunde liegenden Betrachtungsbedingungen entsprechend den steigenden Auflösungen.
  • Dynamik: Den maximalen Kontrast gewinnen wir aus der OECF-Kurve als Differenz zwischen der Belichtung, die zur Sättigung (rein weiße Fläche) führt, und der Belichtung, die nötig ist, um ein dunkles Graufeld zu erzeugen, bei dem das Bildrauschen dreimal geringer ist als das Signal.
  • Farbwiedergabe: Wir ermitteln nicht nur den Farbabstand DeltaE für jedes Farbfeld, sondern auch die Differenz in der Farbsättigung, im Farbton und in der Helligkeit. Der abgedruckte Wert nennt die mittlere Abweichung DeltaE.
  • Auslöseverzögerung: Das Testlabor misst die Autofokusgeschwindigkeit inklusive Auslöseverzögerung auf 1/100 s genau bei 30 Lux (Mondlicht) sowie bei 300 Lux (schattiger Tag, beleuchteter Raum). Dabei zählt die Zeit, die vom Druck auf den Auslöser bis zur Aufnahme vergeht.
  • Bildfolgezeit: Wir bestimmen die mögliche Zahl der Serienbilder pro Sekunde für ein typisches JPEG-Bild mit maximaler Auflösung und geringster Kompression.

Hier gehen wir auf die Neuerungen im Testverfahren im Detail ein:

Optimiertes Dead-Leaves-Muster

Das "Dead-Leaves"-Testfeld (engl. tote Blätter) besteht aus einer zufälligen Anordnung von Kreisen, welche wiederum einen zufälligen Radius und eine zufälllige Farbe aufweisen. Das resultierende Muster ähnelt in der Verteilung der Ortsfrequenzen einer natürlichen Szene. Ist die Verteilungsfunktion von Position, Radius und Farbe der Kreise bekannt, kann das Leistungsspektrum vorhergesagt werden. Im bisherigen Verfahren wurde das Leistungsspektrum der Vorlage (bekannt) mit dem Leistungsspektrum im Bild (gemessen) verglichen. So kann für jede Ortsfrequenz bestimmt werden, ob und wie gut diese Frequenz übertragen wurde (DL direct).

Dead-Leaves-Muster

© Image Engineering

2x Dead-Leaves: hoher und niedriger Kontrast Kontrastreiche Strukturen (Dead-Leaves-High-Contrast-Feld) können die meisten Kameras gut erhalten, bei kontrastarmen Strukturen müssen dagegen zahlreiche passen, sodass in den Bildern Details fehlen. Um dies direkt zu messen, hat IE das neue Dead-Leaves-Low-Contrast-Feld entwickelt. Bei höheren Empfindlichkeit steigen zudem die Verluste wie der Vergleich ISO 200 zu ISO 1600 zeigt.

Das Problem: Kameras entfernen bzw. reduzieren nicht nur Details im Bild, sondern fügen durch Rauschen und Artefakte auch Details hinzu. Lediglich das Rauschen konnten wir über eine graue Referenzfläche berücksichtigen, allerdings arbeitet die Rauschreduktion der Kameras auf grauen Flächen anders als auf farbigen Strukturen. Bei anderen Fehlern konnten wir jedoch nicht automatisch erkennen, dass die "Informationen" nicht aus der Vorlage stammten, sondern Fehler der Kamera waren. Im ersten Schritt bekam eine Kamera mit vielen Artefakten so auch ein gutes Ergebnis für die Übertragung des Dead-Leaves-Musters. Für die Bewertung musste deswegen in einem zweiten Schritt der Kurvenverlauf bewertet werden.

Dead-Leaves-Muster

© Image Engineering

2x auswerten: direct mit und cross ohne Artefakte Das neue Verfahren ist im Gegensatz zum bisherigen Verfahren nicht mehr von Artefakten beeinflusst. Durch den Vergleich von altem (DL direct) und neuem Verfahren (DL cross) ergibt sich nun die Möglichkeit, eine Aussage über die Artefakte im Bild zu treffen. Hier als Beispiel die Ergebnisse der Panasonic DMC-GH4, einer Kamera, die durch im Bild sichtbare Artefakte bisher bessere Messergebnisse erzielte als durch den visuellen Eindruck gerechtfertigt. Insbesondere in den hohen Frequenzen (rechter Bereich der X-Achse) sieht man den deutlichen Unterschied zwischen dem alten Verfahren (lila) und neuem Verfahren (grün). Je größer der Unterschied der Fläche unter der Kurve (Integral) zwischen den beiden Verfahren, desto höher der Messwert "Artefakte".

Dieses Problem wird nun gelöst, indem nicht mehr nur der theoretische Frequenzgehalt (Leistungsdichtespektrum) in die Berechnung eingeht, sondern mit einem theoretisch idealem Bild der Vorlage und dem Kamerabild gerechnet wird (Kreuzleistungs-Dichtespektrum). Nur die tatsächlich übertragenen Frequenzen werden nun berücksichtigt, die Artefakte wie das Rauschen ignoriert (DL cross). Dieses neue Verfahren wurde von Image Engineering entwickelt und auf der renommierten "Electronic Imaging Conference" in San Francisco 2014 vorgestellt.

Bis Heft 11 wurde also ein hochkontrastiges Dead-Leaves-Feld um die Rauschanteile korrigiert und das Ergebnis dann manuell bewertet. Nun werten wir zwei Dead-Leaves-Felder (High Contrast und Low Contrast) doppelt aus: A im Direct-Verfahren dessen Resultat Artefakte wie Bilddetails erfasst sowie B im Cross-Verfahren, das Artefakte außen vorlässt.

Artefaktmessung: Bildstörungen systematisch erfassen

Panasonic Lumix DMC-GH4 und Nikon D610 - Dead Leaves

© Image Engineering

Panasonic Lumix DMC-GH4 und Nikon D610 - Dead Leaves

Artefakte, welche die Kamera während der Signalverarbeitung hinzufügt, führen in der alten Methode (DL direct) zu einem deutlichen Anstieg der ermittelten Übertragungsfunktion (grüne und lila Kurven rechts). Aus dem Vergleich mit der neuen Methode (DL cross), die nicht von den Artefakten beeinflusst ist, ergibt sich eine Messung der Artefakte.

Panasonic Lumix DMC-GH4 und Nikon D610 - Dead Leaves

© Image Engineering

Panasonic Lumix DMC-GH4 und Nikon D610 - Dead Leaves

In diesem Beispiel schneidet die Panasonic DMC-GH4 im alten Verfahren deutlich besser ab als im neuen. Ein Blick in die Bilder erklärt dies: Bei hoher ISO Empfindlichkeit werden dem Bild deutlich sichtbare Artefakte an Kanten und auf feinen Strukturen hinzugefügt.

Panasonic GH4

© Image Engineering

Panasonic GH4

Zeitenmessung: Die Zeit im Griff

Zeitenmessung

© Image Engineering

Zeitenmessung

Die Vorgehensweise von Image Engineering zur Bestimmung der Auslöseverzögerung wurde so nun auch in der ISO-Norm 15781 niedergeschrieben und ist damit weltweiter Standard. Die zu prüfende Kamera wird mittels eines mechanischen "Fingers" ausgelöst und nimmt dabei unter anderem eine auf LED basierende Uhr auf. Somit lässt sich die Differenz aus "Druck auf den Auflöser" und "Aufnahme erfolgt" sehr genau ermitteln.

Nachschärfung bestimmen: Phantomlinien

Durch künstliche Überhöhung von Kanten in der Signalverarbeitung wird das Bild nachträglich geschärft. Hier liegt es am Hersteller ein gutes Maß zu finden. Ohne Schärfung wirkt ein Bild oft weich, zu viel Schärfung führt zu sichtbaren Artefakten und einem künstlichen Bildeindruck.

Canon 6D und Nikon D610 - Kantenprofil

© Image Engineering

Canon 6D und Nikon D610 - Kantenprofil

Man beachte: Es ist deutlich leichter, ein Bild in der Nachbereitung am Rechner zusätzlich zu schärfen, als ein bereits zu stark geschärftes Bild zu korrigieren. Die Schärfung zeigt sich durch einen hellen bzw. dunklen Saum entlang einer Kante. Die Beispielbilder zeigen eine Nikon D610 gegen eine Canon 6D. Bei Letzterer wird deutlich mehr geschärft. IE untersucht an zwei unterschiedlich kontrastreichen Kanten die Schärfung und bestimmt die Höhe und die Größe der zugefügten Säume für senkrechte und waagrechte Strukturen (Edge high/low).

Canon 6D und Nikon D610 - Kantenprofil

© Image Engineering

Canon 6D und Nikon D610 - Kantenprofil

Feinzeichnung messen

Zwei Kameras mit unterschiedlicher Signalverarbeitung: Links die Leica T, eine Kamera, die sehr zurückhaltend mit Schärfung und Rauschreduktion umgeht. Rechts die Samsung NX3000: Hier wird deutlich stärker in die Signalverarbeitung eingegriffen. Nach altem Messverfahren bekam die Samsung die besseren Messwerte (1015 LP/PH vs. 1396 LP/PH), obwohl dies so im Bild nicht offensichtlich ist.

Feinzeichnung messen

© Image Engineering

Feinzeichnung messen

Nach neuer Messmethodik können wir genau aufschlüsseln, woran dies liegt: Der Artefakt-Messwert ist deutlich erhöht, und auch die Schärfung (Messwert Kantenschärfung) ist bei der Samsung-Kamera deutlich stärker ausgeprägt. Wie gehabt erzielt die Samsung im neuen Cross-Verfahren bei hohen Kontrasten (DL high contrast) den besseren Messwert entsprechend ihrer höheren Sensorauflösung.

Feinzeichnung messen - Daten

© Image Engineering

Feinzeichnung messen - Daten

Sie muss aber der Leica bei niedrigen Kontrasten (DL low contrast) den Vortritt lassen, da diese mehr feine Details erhält. Die Messwerte spiegeln also das Beobachtete wieder: Die Leica zeigt mehr Details, während die Samsung mit Schärfung und unter Inkaufnahme von Artefakten den Bildeindruck verändert.

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