Geschichte der Bildverarbeitungssysteme: Kamera

Die Kamera ist in unserem Alltag inzwischen allgegenwärtig - ebenso wie in der Bildverarbeitung. Aber wissen Sie eigentlich, wie sie erfunden wurde und sich entwickelt hat? In der vorliegenden Broschüre erläutern wir Ihnen die Entwicklungsgeschichte der Kamera, von den allerersten Anfängen bis zu den heute verbreiteten Digitalkameras.

Anfänge der Kameratechnik

Die Anfänge der Kameratechnik reichen zurück bis in die Antike: Schon aus vorchristlicher Zeit sind uns Beschreibungen des Funktionsprinzips der Camera obscura bekannt. Das bedeutet schlicht und einfach “dunkler Raum” und ist als Vorläufer der heutigen Kamera zu betrachten. Die Camera obscura war ein optisches Gerät, das mit Hilfe des Lichts, das durch ein kleines Loch in einen dunklen Raum gelangt, ein auf dem Kopf stehendes Bild eines Objekts projiziert. Die Funktionsweise entspricht exakt der von Lochkameras. Seit dem 16. Jahrhundert erfolgte eine Weiterentwicklung mit Linse, dunklem Kasten und Spiegel. Dieses Gerät wurde als Zeichenhilfe benutzt, wenn Künstler Skizzen von Landschaften oder Porträts anfertigen wollten.

Im Jahr 1839 erfand der Franzose Louis Daguerre die Daguerreotypie-Kamera, welche zur Anfertigung von Fotografien auf Silberplatten genutzt wurde. Rund 30 Jahre später erfand dann der Brite Richard Maddox die Trockenplatte. Das älteste japanische Foto wurde mit einer Daguerreotypie-Kamera angefertigt.

Mit diesen Erfindungen kam die Epoche, in denen Bilder von Hand angefertigt wurden, zum Ausklang, und es begann das Zeitalter der analogen Kamera, in dem die Bilderfassung mit Hilfe von lichtempfindlichem Material erfolgte.

Aufbau einer Camera obscura und einer Lochkamera

Rollfilmkamera (mit Silberhalogenidfilm)

Das lichtempfindliche Material, auf dem die erfassten Bilder festgehalten werden, hat sich in den über 170 Jahren seit der Erfindung der Fotografie laufend weiterentwickelt. Es begann mit der Silberplatte, ging weiter mit der Nassplatte (Kollodium-Nassplatte) über die Trockenplatte, bis das lichtempfindliche Material schließlich die Form der heute noch bekannten Rollfilme annahm.

Filmrollen machten es möglich, mit einer Kamera mehrere Fotos aufzunehmen, indem man den Film jeweils entsprechend weiterkurbelte. Schon bald wurden Kameras für unterschiedliche Formate von Rollfilmen entwickelt, wie etwa 16 mm, 4 cm x 5 cm sowie 6 cm x 6 cm. Zudem kam die Halbformatkamera auf den Markt, mit der sich doppelt so viele Negative pro Filmrolle aufnehmen lassen. Zuweilen bezeichnet man Rollfilmkameras auch als Silberhalogenidkameras, weil zum Festhalten des erfassten Bildes bestimmte chemische Verbindungen belichtet werden, wie beispielsweise Silberhalogenid. Der am weitesten verbreitete Rollfilm war der sogenannte “Typ 135”, ein 35-mm-Film mit beidseitiger Perforation, kurz bezeichnet als gewöhnlicher “Kleinbildfilm” oder auch “KB-Film”. (Das 35-mm-Format war das Standardformat für Kinofilme.) Zum Anfertigen von Diapositiven (“Dias”) wurden Umkehrfilme verwendet, die wegen ihrer besonders kräftigen Farben geschätzt wurden.

Unterschiedliche Negativformate beim Kleinbildfilm (“Typ 135”)

Verbreitung und Miniaturisierung durch Entwicklung der Elektronik

Überraschenderweise werden elektronische Technologien in Kameras schon seit ziemlich langer Zeit eingesetzt: Bereits in den 1950er-Jahren wurden elektronisch geregelte automatische Belichtungsvorrichtungen entwickelt. Diese Innovation ersparte dem Fotografen das mühsame Einstellen von Belichtungszeit und Blende. Es folgten die Einführung des Autofokus (zur automatischen Scharfstellung) sowie der automatischen Blitzgeräte, so dass die Kamera in weiten Bevölkerungskreisen beliebt wurde. Zugleich wurden die für die elektronischen Schaltkreise verwendeten Transistoren durch ICs ersetzt, wodurch es auch bei Kameras zu einem Miniaturisierungsschub kam. Der Trend zur allgemeinen Verbreitung und Miniaturisierung hat mit der Erfindung der Digitalkameras noch mehr Schwung gewonnen.

Entwicklung der Kamera, und weltweit erste Kamera mit Autofokus

Digitalkamera

In den 1980er-Jahren erreichten die Rollfilmkameras ihren Gipfelpunkt - und zugleich setzte eine ganz neue Entwicklung ein: Die Erfindung des digitalen Fotoapparats. Dieses innovative Gerät schlug die Öffentlichkeit von Anfang an in seinen Bann, denn es kann mit unglaublich bequemen Leistungsmerkmalen aufwarten: Die Schritte Entwicklung, Vergrößerung, Abzugerstellung entfallen, und der Benutzer kann seine Aufnahmen auf dem integrierten LCD-Bildschirm unverzüglich ansehen und überprüfen. Weniger als 20 Jahre nach ihrer Markteinführung hat die Digitalkamera die analoge Kamera hinsichtlich Fertigungs- und Absatzvolumen längst überholt und sich an die Spitze der Kameraindustrie gestellt.

Das erfasste Bild wird mit Hilfe von Halbleiter-Bildempfängern (lichtempfindlichen Sensorelementen) und Fotodioden in Pixel umgewandelt. So erzeugt beispielsweise eine Fünf-Megapixel-Kamera mit Hilfe von fünf Millionen winzigen Fotodioden einen vollständigen Satz von Bilddaten.

Komponenten von Digitalkameras

Welche Unterschiede bestehen zwischen einer Rollfilmkamera und einer Digitalkamera?

Der Hauptunterschied liegt beim Verfahren zum Aufzeichnen des erfassten Bildes. Der Rollfilm in einer Silberhalogenidkamera erfüllte zwei Aufgaben gleichzeitig: Bilderfassung und Bildaufzeichnung. Im Bildempfänger einer Digitalkamera sind diese Rollen dagegen aufgeteilt: Zuerst wird das Bild erfasst und dann im Halbleiterspeicher aufgezeichnet. So erklärt sich, warum sich bei einer Rollfilmkamera zwei oder mehr Aufnahmen auf einem einzigen Negativ überlagern können. Hingegen bei einer Digitalkamera der Aufnahmespeicher immer wieder verwendet werden kann. Außerdem werden bei der Rollfilmkamera die erfassten Bilder in ihrer ursprünglichen Form aufgezeichnet, wohingegen bei der Digitalkamera vor dem Aufzeichnen eine Abtastung (mit laufender Quantifizierung der Belichtungsänderungen) erfolgt, so dass sich äußerst stabile Bilddaten mit hoher Wiederholgenauigkeit erzielen lassen.

Die Rollfilmkamera zeichnet Rohbilder auf, wohingegen die Digitalkamera eine Abtastung durchführt

CCD-Kamera

Die Entwicklung der Digitalkameras setzt sich fort mit der Einführung der CCD-Bildempfänger (kurz für Charge-Coupled Device, also ladungsgekoppeltes Bauteil), mit denen sich eine erhebliche Steigerung der Empfindlichkeit der Fotodioden erzielen lässt. CCD-Elemente gelangen in einer breiten Palette von Kameras zum Einsatz, wie etwa in Kompaktkameras für Mikroskope, Mobiltelefonen mit Kamera, kompakten Digitalkameras und großen digitalen Spiegelreflexkameras („DSLR-Kameras“). Das CCD-Element kann mit Funktionen aufwarten, die sich für die Anforderungen von unterschiedlichsten Anwendungen eignen. Etwa werden sie für die Astrofotografie und für Überwachungskameras zur Objektsicherung sowie den Autofokus und die Belichtungsregelung verwendet. Ferner kann eine neue Generation von 3D-Kameras ein realistisches Bild exakt so erfassen, wie das menschliche Auge es sehen würde: Es handelt sich um eine CCD-Kamera, die mit zwei Objektiven ausgerüstet ist. Auf einer anderen technologischen Schiene finden auch CMOS-Bildempfänger immer mehr Verbreitung, die bisher vor allem für Nachtsichtkameras eingesetzt wurden.

Funktionsweise einer 3D-Kamera mit CCD-Element

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