„Rohdatenformat" – Versionsunterschied

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=== Software Development Kits ===
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Version vom 27. Februar 2014, 03:24 Uhr

Als Rohdatenformat (Raw-Daten, englisch raw „roh") bezeichnet man eine Familie von Dateiformaten bei Digitalkameras und digitalen Kinokameras, bei denen die Kamera die Daten nach der Digitalisierung weitgehend ohne Bearbeitung auf das Speichermedium schreibt. Die „Rohdaten" werden gelegentlich als „digitales Negativ" bezeichnet, da sie die originären Daten des Fotos sind. Obwohl sich die grundlegenden Funktionsweisen der digitalen Bildsensoren verschiedener Hersteller und Modelle nicht wesentlich voneinander unterscheiden, hat sich bisher kein Standard etabliert, daher existieren unterschiedliche, herstellerspezifische Varianten.

Funktionsweise

Gebräuchliche Formate zur Bildspeicherung erlauben es häufig nicht, alle Informationen, die der Sensor der Kamera liefert, zu speichern, daher werden andere Formate benötigt. JPEG-Varianten erlauben z. B. pro Farbkanal nur 256 Helligkeitsabstufungen (8 Bit), demgegenüber enthalten Rohdatenformate meist 10, 12 oder 14 Bit an Helligkeitsinformation, was 1.024 bis 16.384 Helligkeitsabstufungen ermöglicht. Aufgrund der Charakteristik des üblicherweise eingesetzten Bayer-Sensors, bei dem vor jedem Bildpunkt ein Filter für eine der drei Grundfarben liegt, ist erst eine aufwendige Interpolation (sogenanntes Demosaicing) notwendig, um bei voller Auflösung die resultierenden Farben zu errechnen.

Die digitalen Rohdaten liegen nach dem Aufnehmen und Speichern in einem proprietären Format vor. Aufbau und Inhalt der Dateien werden von den Kameraherstellern in der Regel nicht offengelegt und können daher prinzipiell nur mit der Software des jeweiligen Herstellers verarbeitet werden. Es existieren jedoch auch Programme von Drittanbietern, die teilweise die Herstellerformate durch Reverse-Engineering entschlüsselten oder entsprechende Verträge mit den Kameraherstellern haben. Aktuelle professionelle Bildbearbeitungssoftware besitzen integrierte Raw-Konverter für das Einlesen von Rohbildern. Adobe bemüht sich, durch das eigene Format DNG einen herstellerübergreifenden Standard zu etablieren.

Die Rohdaten werden zum Teil um weitere Daten ergänzt, wie z. B. Exif-Daten oder Vorschaubilder als JPEG, die kameraintern oder am Computer für die Bildkontrolle benutzt werden können.

Gegenüberstellung

Rohdaten JPEG-Bild
Flexibilität Die rein kameraseitig zu beachtenden Bildparameter sind lediglich Blende, Belichtungszeit sowie Lichtempfindlichkeit.

Alle anderen Parameter können später im Zug der Raw-Konvertierung beliebig gewählt werden, darunter auch der verwendete Interpolations-Algorithmus.

Zusätzlich sind vom Fotografen technische Aspekte und Vorverarbeitungsschritte zu berücksichtigen, wie z. B. Weißabgleich, Farbsättigung bzw. angewandter Farbfilter (für Schwarz-Weiß-Fotografie), Farbraum, Kontrast, Schärfe, Rauschunterdrückung, gewählte Sensorauflösung und JPEG-Kompressionsrate sowie individuelle Korrekturen (z. B. von Hauttönen).

Eine nachträgliche Korrektur mit Bildbearbeitungsprogrammen ist auch an vorverarbeiteten JPEG-Bildern möglich, jedoch Grenzen unterworfen und stets mit Verlusten an Bildinformation und -details verbunden. Die von einer Bayer-Kamera verwendete Interpolation ist nachträglich nicht mehr änderbar.

Bildqualität Durch Speicherung der (uninterpolierten) Sensordaten mit 10, 12, 14 oder 16 Bit pro Pixel ist eine genauere Helligkeitsauflösung gegeben. Sämtliche vom Bildsensor erfassten Details bleiben vollständig erhalten. 8 Bit Farbtiefe bedeuten nur maximal 256 Abstufungen pro Farbkanal. Nachträgliche Tonwertkorrekturen erzeugen „Lücken" im Histogramm, also Informationsverluste. Zusätzlich erzeugt die stets verlustbehaftete Kompression, neben dem Verlust an Bilddetails, besonders in kontrastschwachen Arealen typische DCT-Artefakte, deren Verstärkung (z. B. durch Curves oder Unscharfmaskieren) bei folgenden Nachbearbeitungsschritten berücksichtigt und vermieden werden muss.
Dateigröße Die Dateien sind trotz angewandter Kompressionsverfahren oft sehr viel größer als ihre JPEG-Äquivalente, zumal sie bei den meisten Herstellern neben den Rohdaten noch zusätzlich das von der Kamera generierte JPEG-Bild als Vorschau enthalten. Das Schreiben der Dateien dauert folglich länger, so dass ein großer kamerainterner Puffer sowie eine hohe Schreibgeschwindigkeit vonnöten sind, um im Raw-Modus eine akzeptable Serienbildgeschwindigkeit zu erreichen und über längere Zeit aufrechtzuerhalten. Je nach Einstellung der JPEG-Kompression können die Bilddateien erheblich kleiner sein und z. B. bei entsprechender Konfiguration problemlos per Mail oder MMS verschickt werden.

Auch bei bester eingestellter JPG-Qualität fassen Speicherkarten (motivabhängig) meist mindestens dreimal so viele Bilder wie im Raw-Format, bei reduzierter Qualität ein Vielfaches davon. Wegen der geringeren Datenmenge und des sehr viel länger reichenden Kamerapuffers spielt die Schreibgeschwindigkeit keine so herausragende Rolle, und auch langsamere Karten können im Serienbildmodus länger mit der Kamera „mithalten". Entscheidend ist hier die Geschwindigkeit des kamerainternen Prozessors.

Kompatibilität Die Rohformate der einzelnen Hersteller unterscheiden sich voneinander und sind nicht kompatibel. Auch bei Modellen desselben Herstellers gibt es Unterschiede und Abweichungen. Daher ist spezielle Raw-Konverter-Software, entweder einzeln oder als Plugin in ein anderes Programm integriert, für die Verwendung notwendig. Auch wenn derzeit (Stand Oktober 2013) die meisten dieser Programme mit fast allen am Markt befindlichen Rohdatenformaten umgehen können, gibt es keine Garantie, dass dies jederzeit so bleiben wird. Ein Ausweg wäre die Verwendung eines dokumentierten, einheitlichen und herstellerunabhängigen Speicherformates (z. B. Adobes Digital Negative), ein anderer die vollständige und frei zugängliche Dokumentation der Rohdatenformate durch die jeweiligen Hersteller. Praktisch alle vorhandenen Bildbearbeitungs- und Bildverarbeitungs-Programme unterstützen den offenen JPEG-Standard und können die Dateien sowohl lesen als auch schreiben, unabhängig von ihrer Herkunft. Es kann jedoch zu Einschränkungen bei der Auswertung, der Verarbeitung oder beim Schreiben von eingebetten EXIF-Informationen, wie beispielsweise herstellerspezifischen Maker Notes, Geo-Tags oder Vorschaubildern geben.
Nachbearbeitung Die Rohdaten müssen stets nachverarbeitet werden, um angezeigt oder bearbeitet zu werden. Der Hauptschritt (bei Bayer-Daten), die Interpolation bzw. das Auflösen des Mosaik-Musters (Demosaicing), sowie die Rauschunterdrückung kann dabei bedeutend mehr Zeit in Anspruch nehmen, als die darauf optimierten kamerainternen Bildsignalprozessoren für den gleichen Schritt brauchen.

Ausgefeilte Software-Interpolationsalgorithmen sowie eine oft mehrstufige Wavelet- oder motivbasierte Rauschunterdrückung bedingen durch die in 16-Bit-Ganzzahlen oder Fließkomma durchgeführten Berechnungen eine hohe Systemlast und einen beträchtlichen Speicherbedarf.

Bedingt durch den Kompromiss, den die Hersteller eingehen müssen, um die Interpolation schnell genug und doch mit akzeptabler Qualität durchzuführen, kommt es an den Rändern zu Problemen bzw. Abschneideeffekten, weswegen nachträglich konvertierte Rohbilder unter Umständen größere Bilddimensionen aufweisen.[1]
Eine verlustfreie Nachbearbeitung ist möglich, jedoch auf bestimmte Vorgänge begrenzt (Rotieren um ein Vielfaches von 90° sowie Zuschneiden um ein Vielfaches von 16 Pixeln). Bei allen anderen Veränderungen tritt ein Generationenschwund auf, da JPEG eine verlustbehaftete Kompression verwendet. Als Speicherformat ist es daher während der Nachbearbeitung nachteilig, und es sollte auf ein verlustfreies Format (z. B. TIFF) zurückgegriffen werden.

Eigenheiten der Hersteller

Kameraseitig vorbearbeitete Rohdaten

Im Widerspruch zur strengen Auslegung von Rohbilddateien als ein Abbild der Rohdaten des Bildsensors führen Hersteller zunehmend eine kamerainterne Bildbearbeitung auch auf Rohbilddateien durch, deren Details jedoch, ähnlich der internen Bildbearbeitung von JPEG-Dateien, i. d. R. nicht offengelegt werden. Folgende Gründe kommen in Betracht:

  • Einige Sensoren implementieren keine variable Signalverstärkung. Hier werden (beliebig hohe) ISO-Empfindlichkeiten durch die Anwendung eines Multiplikators auf Raw-Bilddaten nachträglich simuliert. Dies wird dadurch evident, dass bei höheren ISO-Werten viele Helligkeits-Zwischenwerte im Bild niemals vorkommen, sowie auch dadurch, dass das Rauschen theoretisch mathematisch exakt proportional zur ISO-Empfindlichkeit ansteigt.
  • Die Annahme, dass (herstellerfremde) Raw-Konvertierungs-Software weniger Information über die Kamera und das gerade verwendete Objektiv besitzt oder nutzt, somit ein Fehlerkorrekturpotential nur unzureichend ausnutzt.
  • Eine Maskierung von Schwächen von Objektiven (zum Beispiel Schärfe[2] ) und von Sensoren (Hotpixel oder zum Beispiel Rauschen).[3]
  • Hardware-basierte Methoden sind ggf. schneller als Software-basierte Rechenverfahren (z. B. Rauschverminderung auf Kamera-Ebene), jedoch auch dann mit Detailverlusten verbunden.

Abgesehen von dem Qualitätstäuschungseffekt vermindern kameraseitige Raw-Vorverarbeitungen, die immer auch einen Informationsverlust mit sich bringen, das Potential für den Einsatz überlegener Software für Bildqualitätskorrekturen (mit aufwendigeren Algorithmen und motivabhängiger Steuerbarkeit).

Dateiformate

So wie die Daten der verschiedenen Hersteller in unterschiedlichen Dateitypen gespeichert werden, so unterschiedlich ist auch der Umgang der Hersteller mit der Offenlegung derer Formate. Sigma legt alle Daten zu ihrem Format offen, während die meisten anderen wie Olympus und Canon ihre Formate nicht oder nur unvollständig dokumentieren. Nikon verwendet in seinem NEF (Nikon Electronic Format) teilweise verschlüsselte Informationen innerhalb der Datei, welche Programmierer jedoch in eigenen Anwendungen mit dem kostenlos erhältlichen Software Development Kit automatisch entschlüsseln können. Nikon hat Ende 2005 jedoch die verschlüsselten Weißabgleich-Informationen offengelegt, so dass auch Nikon-unabhängige Software in der Lage ist, die Daten zu entschlüsseln. NEF wird ebenfalls für Filmscanner und Bildbearbeitungssoftware aus dem Hause Nikon verwendet, da es neben den eigentlichen Bilddaten auch Bearbeitungsschritte und andere Einstellungen enthalten kann. Einige Filmscanner sind mit einem Infrarotkanal zur Staub- und Kratzerentfernung ausgerüstet. Das HDRi-Rohdatenformat kann diese Infrarot-Rohdaten als zusätzlichen 16-Bit-Kanal aufnehmen.

Mit der Einführung neuer Kameramodelle entstehen auch innerhalb derselben Kamerareihe eines Herstellers (z. B. Canon CRW und CR2) gelegentlich neue proprietäre Dateiformate. Es gibt jedoch keine Garantie für die Verfügbarkeit von Konvertierungssoftware, d. h. archivierte Rohdaten könnten mit zukünftigen Programmen irgendwann eventuell nicht mehr gelesen werden.

Unter OpenRAW.org hat sich aus diesem Grund eine Interessengruppe gebildet, die die Kamerahersteller auffordert, die Rohdatenformate uneingeschränkt offenzulegen, was dem Anwender auch noch in vielen Jahren ermöglichen würde, seine Rohdaten zu verarbeiten und nötigenfalls selbst ein Programm zur Unterstützung seines mittlerweile veralteten Formats schreiben zu können. Auch der Softwarehersteller Adobe verfolgt dieses Ziel mit der Einführung des DNG-Formats.

TIFF

Bei einigen Kameras wird die Speicherung im verlustlosen TIFF-Format als Alternative zum JPEG-Format angeboten. Dies ist dann von Bedeutung, wenn es keine Möglichkeit gibt, die Rohdaten direkt zu speichern. TIFF hat den Vorteil, dass die verlustbehaftete JPEG-Kompression entfällt und dass die Farbtiefe prinzipiell nicht auf 8 Bit beschränkt ist. Bayer-Filter, Weißabgleich, Tonwertkorrektur und Rauschunterdrückung werden aber ebenso auf die Bilddaten angewandt wie teilweise (herstellerabhängig) die Reduktion auf 8 Bit pro Farbkanal (24 Bit Farbtiefe).

Digitales Negativ

In Anlehnung an den Filmstreifen in der Analog-Fotografie spricht man bei Raw-Fotos gelegentlich auch vom „digitalen Negativ". Dieser Begriff wird von Adobe Systems Inc. als Bezeichnung für ihr eigenes offenes Rohdatenformat verwendet. Das Format Adobe Digital Negative (kurz DNG) wurde mit dem Ziel entwickelt, die proprietären Formate der Kamerahersteller zu ersetzen.

Dateierweiterungen (Auswahl)

Rohdatenunterstützung im Amateurbereich

Von den Kameraherstellern wird das Rohdatenformat als professionelle Funktion betrachtet; es ist Standard bei den digitalen Spiegelreflexkameras sowie bei manchen semiprofessionellen kompakten Digitalkameras. Oft wird bei den günstigeren Kameramodellen nur eine eingeschränkte Software für die einfache Rohdatenkonvertierung angeboten.

Die Jahre 2001 bis 2004 waren davon geprägt, dass neben den digitalen Spiegelreflexkameras immer mehr kompakte und semiprofessionelle Digitalkameras mit Raw-Unterstützung ausgestattet wurden. In seinen Anfängen wurde das Rohdatenformat offenbar noch nicht als strategischer Mehrwert gesehen. Erst in späteren Jahren wurde dieses Feature gezielt als Unterscheidungskriterium eingesetzt, als bereits viele Hersteller eine Rohdatenformat-Unterstützung außerhalb der Profi-Modelle anboten.

Die Tatsache, dass Canon seine Raw-fähigen DIGIC-II-, III- und IV-Bildprozessoren gleichermaßen im semiprofessionellen wie im Einsteiger-Bereich verbaut, machen sich seit 2007 einige Programmierer zunutze. Mit dem Firmware-Aufsatz CHDK ermöglichten sie neben erweiterten Aufnahme-Modi die Funktionen zur Raw-Speicherung in ihren Kompaktkameras.[4] Da in der Original-Firmware eine Hintertür (engl. "backdoor") zum Nachladen eines Programms von der Speicherkarte enthalten ist, braucht der Kamera-interne Flash-Speicher für diese Erweiterung nicht geändert zu werden. Somit bleiben auch bei Verwendung von CHDK Gewährleistung und Garantie des Gerätes erhalten.

Rohdatenbearbeitung

Eine typische Software zur Rohdatenkonvertierung stellt u. a. folgende Funktionen zur Verfügung:

  • Anzeige der EXIF-Informationen
  • Belichtungskorrektur
  • Scharfzeichnung
  • Tonwertkorrektur
  • Farbsättigung
  • Weißabgleich, oft wird die Einstellung der Kamera als Standardvorgabe verwendet.
  • Anpassung der Gradationskurve zur Änderung der Bildkontraste
  • Evtl. kann die chromatische Aberration automatisiert oder manuell durch Verschieben einzelner Farbkanäle korrigiert werden.
  • Evtl. können geometrische Abbildungsfehler des Objektivs korrigiert werden, insbesondere tonnen- bzw. kissenförmige Verzeichnung.
  • Teils werden Funktionen angeboten, die bestimmte Voreinstellungen der verwendeten Kamera auf Knopfdruck nachempfinden, beispielsweise die Farb-, Kontrast- und Nachschärfungsvorgaben von Motivprogrammen wie „Landschaft" oder „Portrait".

Rohdatenkonvertierungsprogramme können die Daten nach der Bayer-Interpolation (sog. Demosaicing ) und der Umwandlung in den RGB-Farbraum unter Annahme eines vorläufigen Weißabgleichs auch ohne umfangreiche weitere Korrekturen in 48-Bit-TIFF-Dateien (16 Bit pro Farbe pro Bildpunkt) speichern. Die Korrekturen können dann in anderen Bildbearbeitungsprogrammen durchgeführt werden.

Software

Üblicherweise wird von den Kameraherstellern ein eigenes (proprietäres) Programm oder ein Software Development Kit für die Bearbeitung der Rohdatenbilder angeboten. Mit diesem kann man normalerweise die Bilder mit einfachsten Funktionen bearbeiten und zumindest ins JPEG-Format umwandeln. Zahlreiche Bildbearbeitungsprogramme und Konvertierungsprogramme bieten auch den Import und die Bearbeitung von Rohdaten an. Die bekannteren sind:

Kommerziell vertriebene Software

  • Darktable (Linux, Mac OS X, Solaris)
  • DCRaw (plattformunabhängig)
  • digiKam (DCRaw-basiert, unixoide, Mac OS X, Microsoft Windows)
  • F-Spot (UFRaw-basiert, unixoide)
  • GIMP (UFRaw-basiert, unixoide OS, Mac OS X, Microsoft Windows)
  • Rawstudio (DCRaw-basiert, unixoide, Mac OS X)
  • RawTherapee ab Version 3 (DCRaw-basiert, Linux, Mac OS X (x86), Microsoft Windows)
  • UFRaw (DCRaw-basiert, unixoide, Mac OS X)

Andere kostenlose Software

  • IrfanView (Microsoft Windows)
  • Picasa (Linux, Microsoft Windows, Mac OS X)
  • RawTherapee bis Version 2 (Linux, Microsoft Windows) (seit Version 3 freie Software)
  • XnView (unixoide OS, Mac OS X, Microsoft Windows)

Software Development Kits

Hardware

Es existieren auch einige mobile Bildspeicher auf Festplattenbasis, die Raw-Dateien dekodieren und auf dem eingebauten Bildschirm anzeigen können. Damit ist das Sortieren und Organisieren auch ohne PC oder Kamera möglich.

Auch im Bereich der Produktion von Kinofilmen finden digitale Aufzeichnungstechniken zunehmenden Einsatz, und entsprechend haben auch hier die Hersteller entsprechender Kameras eigene Raw-Formate entwickelt. Beispiele hierfür sind Redcode RAW des Herstellers Red, sowie ARRIRAW von Arri.[5] Mit CinemaDNG gibt es ebenfalls ein offenes Format zur Aufzeichnung von Filmdaten, das von Adobe stammt und beispielsweise vom schwedischen Kamerahersteller Ikonoskop verwendet wird.[6]

Literatur

  • Christoph Künne: Digitale Negative. Camera Raw. Addison-Wesley, München 2005, ISBN 3-8273-2314-2, (Photoshop-Basiswissen 4), (Edition DOCMA – dpi).
  • Mike Schelhorn: Adobe Camera Raw. Digitale Negative entwickeln, bearbeiten und organisieren. (Für Photoshop CS/CS2 und Elements 3.0/4.0. Plus: Einführung in Adobe Lightroom). 2. aktualisierte und erweiterte Auflage. Addison-Wesley, München u. a. 2006, ISBN 3-8273-2450-5, (dpi).
  • Uwe Steinmüller, Jürgen Gulbins: Die Kunst der RAW-Konvertierung. RAW-Files bearbeiten mit Adobe Photoshop CS2 und führenden RAW-Konvertern. dpunkt, Heidelberg 2005, ISBN 3-89864-351-4.
  • Andrea Trinkwalder: Raw-Masse. Höhere Farbtiefe, weniger Fehler. Bessere Bilder dank Rohdaten. In: c't Magazin für Computer-Technik 2004, 16, ISSN 0724-8679 , S. 152–157.

Einzelnachweise

  1. ↑ FAQ zu dcraw
  2. ↑ Luminous-Landscape.com: Artikel "Digicams vs. DSLRs" (engl.) "What about makers such as Canon that have admitted that they apply sharpening even to Raw files on some of their cameras"
  3. ↑ Pixelfehler, Wikibooks Digitale bildgebende Verfahren, Kapitel Lichtwandlung, online abgerufen am 6. Oktober 2013
  4. ↑ CHDK-Wiki unabhängiger Firmware-Aufsatz für Canon-Kompaktkameras mit DIGIC-II-, III- und IV-Prozessoren
  5. ↑ http://www.dvinfo.net/forum/hd-uhd-2k-digital-cinema/125765-arriraw-vs-redcode-raw.html
  6. ↑ CinemaDNG
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