Dynamikumfang

Dynamikumfang, auch Dynamikbereich oder einfach nur Dynamik oder Kontrastumfang, bezeichnet in allgemeinen technischen, physikalischen oder mathematischen Zusammenhängen den Quotienten aus Maximum und Minimum einer physikalischen Größe oder Funktion. Üblicherweise werden zur Darstellung die Hilfsmaßeinheiten B (Bel) oder auch Np (Neper) verwendet.

Natur und Technik

Der Dynamikbereich ist der Quotient der größten gemessenen zur kleinsten vom Rauschen unterscheidbaren Signalstärke natürlicher Ereignisse wie Druck (z. B. Schall) oder Strahlung (z. B. Licht) usw.

Die Aufzeichnung, Übertragung oder Wiedergabe solcher Ereignisse kann dagegen oft nur einen Ausschnitt der tatsächlichen Ereignisse erfassen, weil die technischen Mittel nur einen kleineren Dynamikbereich erfassen:

  • Die untere Grenze des messbaren Bereiches begründet sich u. a. im Grundrauschen, das die kleinsten Nutzsignale überlagert.
  • Die maximal generierbare Signalgröße (Begrenzung) der verwendeten technischen Komponente begrenzt den Dynamikbereich nach oben.

Es ergibt sich also oft ein kleinerer Dynamikbereich in der Technik gegenüber natürlichen Unterschieden.

Tontechnik

In der Tontechnik gibt der Dynamikumfang eines Audiosystems die Größe des Bereichs an, in dem sich der Pegel des Tonsignals nutzbringend bewegen kann – sei es für Aufzeichnung, Sendung oder Wiedergabe. Es ist die Differenz zwischen dem größten und dem kleinsten Signal, das ein System aufnehmen oder wiedergeben kann. Dieser Wert wird meistens in Dezibel (dB) angegeben. Eine 16-Bit-Samplingtiefe eines mit PCM kodierten Digital-Audiosignals ermöglicht zum Beispiel einen Dynamikumfang von etwa 96 dB.

Nach unten wird der Dynamikbereich durch das Grundrauschen des Audiosystems begrenzt. Werden Signale unterhalb dieses Pegels ausgesteuert, würden sie vom Rauschen maskiert und dadurch unhörbar werden. Nach oben wird der Dynamikbereich durch Erreichen der maximalen Aussteuerung des Systems ohne hörbare Verzerrungen begrenzt.

Da Audiosysteme den großen Dynamikbereich aller natürlichen Signalquellen nicht verarbeiten können, findet in der tontechnischen Praxis häufig eine Dynamikkompression statt, das heißt eine gewollte Verkleinerung des Dynamikbereichs. Sie richtet sich nach dem gestalterisch-inhaltlichen Zweck des hergestellten Tonmaterials und dem gewünschten Zielmedium.

Optik

Kontrastumfang

Der Kontrastumfang als Verhältnis Km aus Minimal- zu Maximal-Kontrast wird angegeben:

  • als Verhältnis; 1:Km   [Beispiel: 1:1000]
  • als optische Dichte d (Density), dem dekadischen Logarithmus der Lichtleistung; log(Km)   [Beispiel: d=3,0]
  • in Dezibel, dem 10-fachen dekadischen Logarithmus der Lichtleistung; 10·log(Km)   [Beispiel: 30 dB]
  • in Dezibel, dem 10-fachen dekadischen Logarithmus der Leistung am Detektor; 10·log(P t)   [Beispiel: 60 dB]
  • als Blendenstufen, dem Logarithmus zur Basis 2; log2(Km) Blendenstufen   [Beispiel: 10 Blendenstufen]
  • als Lichtwerte (EV), dem Logarithmus zur Basis 2; log2(Km) Stufen   [Beispiel: Spanne 10 EV]
  • als Bits, ebenfalls als Logarithmus zur Basis 2; log2(Km) Bits   [Beispiel: 10 bit]

Bemerkungen:

  • Die Werte in Dezibel unterscheiden sich um den Faktor 2, je nachdem, ob das optische Signal oder das elektrische Signal nach einem Detektor betrachtet wird.
  • Die Angabe in Bits ist bei nichtlinearer Kodierung nicht zulässig. Die nichtlineare 8-bit-Kodierung bei Monitoren kann Kontrastverhältnisse von über 1:4000 abbilden.

Dynamikbereiche von Bildern

Darstellung Dynamikbereich vom Motiv zum Bild

Sowohl bei bewegten Bildern in Film und Video als auch in der Fotografie bezeichnet der Dynamikbereich den Quotienten aus größtem und kleinstem von Rauschen bzw. Körnung unterscheidbaren Helligkeitswert. Der Quotient wird üblicherweise im 2er-Logarithmus als Blendenstufen angegeben.

Auch hier ist festzustellen, dass der Dynamikbereich des Motives (auch Motivkontrast) den der technischen Einrichtungen zur Aufnahme (Kamera, Sensor, Film) zur Übertragung sowie zur Wiedergabe (Leinwand, Bildschirm, Papier usw.) oft weit überschreitet.

MediumDynamikumfang, Angabe in BlendenstufenDynamikumfang, Verhältnisangabe
Bildsensor einer high-end-Digital-Kinokamerabis 17[1][2]⁠(a)bis ca. 1:130000
TIFF-Datei16[3]1:65536
Bildsensor einer high-end-Digitalkamerabis ca. 15[4]bis ca. 1:30000
Menschliches Augeca. 13–14[5][6][7]⁠(b)ca. 1:8000–1:16000
Schwarzweißnegativfilmbis ca. 12[8]bis ca. 1:4000
Farbnegativfilmbis ca. 11–12[9]bis ca. 1:2000–1:4000
Kompaktkameraca. 10–11[10]ca. 1:1000–1:2000
LC-Displayca. 7,5–9[2]ca. 1:200–1:500
JPEG-Datei8[3][8]1:256
Diafilmca. 6–8[8][11]ca. 1:64–1:250
Fotopapierca. 5⁠(c)ca. 1:32
(a) 
Etwa im Jahr 2010 hatte der Dynamikumfang des digitalen Kamerasensors (Digitale Kinokamera Arri Alexa, Dynamikumfang ca. 13,5 Blendenstufen) den des analogen Filmmaterials erreicht.[12]
(b) 
Die an anderen Orten[13] genannte Angabe '20' berücksichtigt die Anpassung durch Pupillenveränderung.
(c) 
Was den Kontrastumfang anbelangt, stellt das Fotopapier das schwächste Glied in der Kette des fotografischen Prozesses dar.[14]

Hochkontrastbilder (HDR-Bilder) können entweder durch Spezialkameras aufgenommen werden oder aus einer Belichtungsreihe von gewöhnlichen Bildern mit geringem Dynamikumfang erstellt werden (siehe HDRI-Erzeugung aus Belichtungsreihen). Hierbei werden die einzelnen Aufnahmen so miteinander kombiniert, dass der Motivkontrast vollständig erfasst und absolute Helligkeitswerte gespeichert werden. Um ein HDR-Bild auf einem Medium mit wesentlich niedrigerem Dynamikbereich (z. B. Papier) abbilden zu können, muss Dynamikkompression (Tone Mapping) angewandt werden.

Einzelnachweise

  1. ↑ Die Angabe '17' bezieht sich auf den Hersteller RED. Andrew Silvers: Camera Sensors: Four Components to Image Quality, Lulu.com. ISBN 978-0-359-08654-2, 2018, S. 24.
  2. ↑ a b Gabriel Eilertsen: The high dynamic range imaging pipeline, Dissertation Nr. 1939, Linköping University, Division of Media and Information Technology, Department of Science and Technology, Nörrköping, 2018, Kapitel 1.1.3.
  3. ↑ a b Klaus Kindermann, Reinhard Wagner: Faszination Fotografie - Meisterschule: Das Buch für Fotos, die begeistern, Franzis, 2010, ISBN 978-3-645-60088-0, S. 323
  4. ↑ Paul Carroll: Nikon D850 Sensor Review: First DSLR to hit 100 points, DXOMark, 6. Oktober 2017, abgerufen am 3. Januar 2020.
  5. ↑ Jeanine Leech: Magic Light and the Dynamic Landscape: Take Advantage of Light and Weather, Amherst Media, Inc., 2014, ISBN 978-1-60895-729-3, S. 118
  6. ↑ Cameras vs. the human eye, Cambridgeincolour.com, abgerufen am 4. Januar 2020.
  7. ↑ Jack James: Digital Intermediates for Film and Video, Focal Press, 2014, ISBN 978-0-240-80702-7, S. 111.
  8. ↑ a b c Jürgen Gulbins, Rainer Gulbins: Die Aufnahme: Zeit, Blende, ISO und Brennweite beim Fotografieren gezielt einsetzen, dpunkt.Verlag, ISBN 978-3-89864-749-6, S. 51
  9. ↑ Lars Svanberg (Hrsg.), The EDCF Guide to Digital Cinema Production, 2nd Edition, 2013, ISBN 978-0-240-80663-1, S. 18.
  10. ↑ c’t digitale Fotografie, Edle Kompakte gegen Systemkameras, Heft 06/2018, S. 60.
  11. ↑ Roger N. Clark: Digital Camera Reviews and Sensor Performance Summary, abgerufen am 3. Januar 2020.
  12. ↑ Peter Badel: Die Visualisierung von Emotionen im binären Code – Überlegungen zur Ästhetik des Digitalen, in: Klaus Rebensburg (Hrsg.), Web, Film, Medien, Computer – Wirklichkeit und Visionen der Informationsgesellschaft, Tagungsreihe, Berlin-Brandenburgische Akademie der Wissenschaften, Bd. 2010, 7.–9. Juli 2010, ISBN 978-3-7983-2310-0, S. 43
  13. ↑ Andreas Martin: Die beste Kamera der Welt: Das menschliche Auge + Vergleich mit der Fotografie (Blende, Bildwinkel, Brennweite Fokus und Dynamikumfang), 23. Mai 2017, abgerufen am 3. Januar 2020.
  14. ↑ Rainer Zerback: Autos fotografieren: Technik, Gestaltung, Praxis, mitp, 2011, ISBN 978-3-8266-5564-7, S. 72.

Literatur

  • Hubert Henle: Das Tonstudio Handbuch. 5. Auflage, GC Carstensen Verlag, München, 2001, ISBN 3-910098-19-3
  • Gustav Büscher, Alfred Wiegelmann: Kleines ABC der Elektroakustik (= Radio-Praktiker-Bücherei. Bd. 29/30a). 6., völlig neu bearbeitete und erweiterte Auflage. Franzis, München 1972, ISBN 3-7723-0296-3.
  • Helmut Röder, Heinz Ruckriegel, Heinz Häberle: Elektronik. Band 3: Nachrichtenelektronik. 5. Auflage. Verlag Europa-Lehrmittel, Wuppertal 1980, ISBN 3-8085-3225-4.
  • Thomas Görne: Tontechnik. Fachbuchverlag Leipzig im Carl Hanser Verlag, München u. a. 2006, ISBN 3-446-40198-9.

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Hardcopy einer Powerpointfolie zum Dynamikzusammenhang Motiv und Bild