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Wie funktioniert ein Raw-basiertes Histogramm?

Vor zwei Wochen hatte ich an dieser Stelle für ein auf den Rohdaten des Sensors basierendes Histogramm als Hilfsmittel für die optimale Belichtung plädiert, aber was genau ist das, wie könnten Kamerahersteller so etwas realisieren – und was können Sie bis dahin selbst tun? Kurz: Wie funktioniert ein Raw-basiertes Histogramm?

Ich hatte mich auf Richard Butlers Artikel „You probably don’t know what ISO means – and that’s a problem“ bei DP Review bezogen, und wie die Diskussion dort zeigt, ist manchen Fotografen offenbar gar nicht klar, wie die Histogrammanzeige ihrer Kamera funktioniert.

Bei aktuellen Kameramodellen ist ein Raw-basiertes Histogramm die große Ausnahme – mir ist nur von der Leica M monochrom bekannt, dass sie die Histogrammanzeige aus den Rohdaten berechnet. Ein Histogramm ist eine statistische Auswertung der Tonwertverteilung im Foto. Man zählt für jeden Tonwert, wie oft er im Bild vorkommt, und zeigt diese Statistik in einem Diagramm an. Bei einem RGB-Histogramm erfolgt diese Auswertung für jeden der drei Farbkanäle separat.

Die Histogrammanzeige im Wiedergabemodus einer Kamera wird aus den JPEG-Daten berechnet – entweder dem Bild selbst oder einem verkleinerten, eingebetteten Vorschau-JPEG, wie sie auch in einer Raw-Datei vorhanden ist. Ein Live-Histogramm vor der Aufnahme wird aus dem Live-View-Bildern berechnet, wie man sie im elektronischen Sucher oder auf dem Display sieht. In beiden Fällen haben die für das Histogramm ausgewerteten Bilddaten schon eine ganze Reihe von Bearbeitungsschritten durchlaufen. Beispielsweise hat bereits ein Demosaicing stattgefunden, also die Interpolation der fehlenden RGB-Werte, denn jedes Sensorpixel ist ja nur für eine der drei Grundfarben empfindlich. Das Histogramm bezieht sich damit zu zwei Dritteln auf Werte, die lediglich interpoliert sind. Vor allem aber wird meist der Kontrast angehoben, wodurch das Bild knackiger erscheint, aber in den Lichtern wie den Schatten Tonwerte verloren hat. Die darauf basierende Histogrammanzeige führt in die Irre: Wenn es aussieht, als würden die Lichter ausfressen, sind sie in den Raw-Daten oft noch perfekt erhalten. Man ist deshalb gar nicht in der Lage, nach der Regel „Expose To The Right“ (ETTR) zu belichten, denn man weiß ja nicht, wie weit man die Tonwerte durch eine reichlichere Belichtung nach rechts schieben darf.


Wie funktioniert ein Raw-basiertes Histogramm? Ein Histogramm der Rohdaten


Aussagekräftig wäre allein ein Histogramm der Rohdaten. Eine Interpolation ist dazu nicht nötig, denn es soll ja kein Bild, sondern eine Statistik erstellt werden. Die Histogramme für Rot, Grün und Blau berechnet man einfach aus jenen Sensorpixeln, die für die jeweilige Farbe empfindlich sind. Die Auswertung beruht dann ausschließlich auf Helligkeitswerten, die der Sensor wirklich registriert hat, und nicht auf bloß interpolierten Werten. Ein Verarbeitungsschritt ist allerdings dennoch nötig: Die Sensorpixel arbeiten linear, während die Tonwerte, wie wir sie sehen, eine logarithmische Skala haben müssten. Würde man die linearen Tonwerte als Verlauf darstellen und jeden Schritt von einem EV markieren, sähe das so aus:

Wie funktioniert ein Raw-basiertes Histogramm?
Die hellsten Tonwerte würden unverhältnismäßig viel Raum annehmen, während man den größten Teil des Tonwertspektrums gar nicht mehr differenzieren könnte. Die Umrechnung der linearen in eine logarithmische Skale ist allerdings trivial und das Tonwertspektrum würde dann allen EV-Schritten gleich viel Platz einräumen:

Wie funktioniert ein Raw-basiertes Histogramm?
Das ist schon fast alles, was bei der Berechnung eines Raw-basierten Histogramms zu beachten ist, allerdings ist noch zu berücksichtigen, dass bei Sensoren mit Farbfiltern im Bayer-Muster doppelt so viele Pixel für Grün wie für Rot oder Blau empfindlich sind; wenn die Histogramme der drei Farbkanäle vergleichbar sein sollen, muss man die rot- und blauempfindlichen Pixel doppelt berücksichtigen.

Wie funktioniert ein Raw-basiertes Histogramm?

Das Histogramm einer Aufnahme mit Glühlampenlicht: Rot dominiert, während Blau kaum vorkommt.

Es wäre dann noch zu überlegen, ob der gewählte Weißabgleich berücksichtigt werden sollte. Bei Tageslicht ist das unnötig, da es Rot, Grün und Blau in vergleichbaren Anteilen enthält. Im wärmeren Glühlampenlicht hingegen würde ein Histogramm ohne Weißabgleich etwa so aussehen, wie hier links gezeigt: Rote Tonwerte dominieren, da das Licht von Glühlampen vor allem Rot enthält, deutlich weniger Grün und kaum Blau. Bei einer ETTR-Belichtungsmessung stört das nicht, denn das Histogramm gibt ja die wahren Verhältnisse in den Rohdaten wieder: Nur die Belichtung des Rotkanals ist überhaupt kritisch und Blau ist so schwach vertreten, dass man sich darüber keine Gedanken machen muss.

Wie funktioniert ein Raw-basiertes Histogramm?

Das Histogramm nach einem an das Glühlampenlicht angepassten Weißabgleich.

Nachdem man später im Raw-Konverter einen an die Farbtemperatur der Lichtquelle angepassten Weißabgleich durchgeführt hat, der die Grün- und noch mehr die Blautöne verstärkt, könnte es durchaus auch eine Überbelichtung im Blaukanal geben, aber das muss uns an dieser Stelle noch nicht kümmern. Die blauempfindlichen Sensorpixel wurden ja nicht wirklich überbelichtet und wenn sie nach dem Weißabgleich zu hell sind, lassen sie sich – in Lightroom beispielsweise im Bedienfeld »HSL« – leicht wieder zurückfahren, indem man den Luminanzregler für Blau nach links zieht. Zudem ist dies sowieso kein Problem, das sich durch eine andere Belichtung lösen ließe; für die optimale Belichtung spielt dieser Aspekt keine Rolle.

Dennoch könnte man sich wünschen, die Tonwertverteilung auch im Blaukanal besser beurteilen zu können. Dazu müsste die Kamera aus dem gewählten Weißpunkt Faktoren berechnen, mit den jeweils die Werte für Rot, Grün und Blau zu multiplizieren sind, damit die Histogramme aller drei Farbkanäle annähernd die gesamte Breite der Anzeige nutzen. Das könnte eine zusätzliche Option für die Raw-basierte Histogrammanzeige sein. Durch die Multiplikation könnten Werte entstehen, die außerhalb des Histogramms liegen, das üblicherweise 256 Tonwerte anzeigt. Das sähe dann wie eine Überbelichtung aus, aber dieser irreführende Eindruck lässt sich vermeiden, wenn die Kamera die Werte so skaliert, dass alle Werte in die Anzeige passen.


Wie funktioniert ein Raw-basiertes Histogramm? Wenn Sie nicht auf die Kamerahersteller warten wollen


Nun werden Sie einwenden, dass das ja schön und gut sei; vielleicht wird ein Hersteller seinen Kameras irgendwann einmal eine solche Histogrammanzeige spendieren, aber bis dahin nützt es Ihnen doch nichts, wenn Sie wissen, wie es ginge. Tatsächlich können Sie aber schon jetzt etwas dafür tun, dass die Histogrammanzeige zuverlässiger arbeitet. Rico Pfirstinger hat in seinen Büchern zu Fuji-Kameras bestimmte „JPEG-Einstellungen für Raw-Shooter“ empfohlen, die sich ganz ähnlich auch mit vielen Kameras anderer Marken verwenden lassen. Die Kameramenüs bieten ja meist Einstellmöglichkeiten für die Farb- und Tonwertwiedergabe, und normalerweise nutzt man sie dafür, die JPEG-Bilder den eigenen Vorlieben anzupassen – auf die Rohdaten haben sie ohnehin keinen Einfluss.

Die Idee hinter den „JPEG-Einstellungen für Raw-Shooter“ besteht nun darin, hier eine zurückhaltende, weiche Farb- und Kontrastwiedergabe zu wählen. Erwünscht sind flaue Bilder, die zwar auf den ersten Blick nicht sehr attraktiv wirken, aber eine gute Beurteilung der Tonwerte erlauben. Die JPEG-Einstellungen wirken sich nämlich auch auf die Histogrammanzeige aus, die ja auf den JPEG-Daten basiert. Wenn Sie den Kontrast reduzieren und die Auswirkung auf das Histogramm kontrollieren, werden Sie feststellen, dass vermeintlich ausgefressene Lichter nicht immer auf eine Überbelichtung hindeuten; oft wurden sie vielmehr knackigen Kontrasten in den JPEGs geopfert. Was für einen Kontrast Ihre Bilder am Ende haben sollen, bestimmen Sie später im Raw-Konverter – es sind ja JPEG-Einstellungen für Raw-Shooter. Selbst das übliche JPEG-basierte Histogramm kann damit viel nützlicher sein, als es normalerweise ist.

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  1. fotograf

    Ich meine, es müßte nicht zwingend eine grafische Darstellung in Form eines Histogramms sein. Dieses nimmt sowohl im Sucher als auch im Wiedergabemodus eine unnötig große Fläche in Anspruch. Nebenbei: Eine lineare Anzeige wäre gar nicht so verkehrt, denn die „oberen“ 3EV interessieren bei ETTR ja am meisten und eine entsprechend hohe Auflösung der Darstellung wäre somit durchaus interessant (aber das ließe sich ja als Option umschaltbar machen). Ausreichend sein würde aber auch eine numerische Anzeige aus Pixelanzahl und Prozentwert sein:

    UnExp OvExp
    R 549k, 2.3% 178, 0%
    G 108k, 0.44% 511, 0%
    B 591k, 2.4% 135k, 0%
    (ggf. noch den zweiten G-Kanal)

    Der „UnExp“ Wert müßte sich dann im Menü anhand eines (sinnvollen) EV Wertes orientieren, z.B. -8EV.

    Wer weiß, möglicherweise bauen die Kamerahersteller so ein Raw-Histogramm aber auch nicht ein, weil ein Raw-ETTR ganz ohne Histogramm und jpeg Einstellungen auch heute bereits schon zuverlässig umzusetzen ist, nämlich indem man den für seine Kamera geltenden Kalibrierungswert des (Spot-)Belichtungsmessers genau ermittelt und in der Praxis dann leicht auf ein ETTR für Raw anwenden kann; ein sehr kleines (variables) Spotmessfeld, welches viele Kameras inzwischen bieten, ist dafür in der Praxis allerdings dann sehr hilfreich.

    • Michael J. Hußmann

      Ja, für ETTR wäre eine lineare Histogrammanzeige OK, aber man möchte ja auch mal sehen, was sich bei den Schatten und Mitteltönen tut, was in einem linearen Histogramm kaum zu erkennen wäre. Aber das wichtigste Argument für ein logarithmisches Histogramm ist, dass auch die Zeit- und Blendenskalen logarithmisch eingeteilt sind. Mit einem Klick des Zeit- oder Blendenrades verstellen wir die Belichtung um jeweils 1/3 oder 1/2 EV. Kombiniert mit einem linearen Histogramm sähe es dann so aus: Wenn sich die Tonwerte links ballen (also eine Unterbelichtung vorliegt), müssen wir kurbeln, bevor sich im Histogramm überhaupt etwas sichtbar zu bewegen beginnt, aber je näher wir dem rechten Rand kommen, desto größere Sprünge machen die Tonwerte – am Ende um fast ein Viertel der Anzeige für eine einzige weitere Rastung des Rändelrades. Für den Fotografen wäre das frustrierend, weil er das Gefühl hätte, mit ganz grobschlächtigen Werkzeugen zu arbeiten: Die Anzeige wird zwar zu den Lichtern hin immer feiner, aber es stehen keine entsprechend feineren Belichtungseinstellungen bereit. Daher plädiere ich für ein logarithmisches Histogramm, für das sich auch Leica bei der M monochrom entschieden hat.

      Neben einem Histogramm sind natürlich auch noch andere Auswertungen auf Raw-Basis möglich. Wenn diese im Menü auswählbar sind, kann sich jeder für das entscheiden, mit dem er am besten zurecht kommt.

      Mit der Spotmessung ist es so eine Sache. Im Fuji-Forum hatten wir gerade einen Fall, in dem sie versagt hätte: Ein Riesenrad mit Tausenden bunter LEDs, die überbelichtet wurden und daher weiß statt farbig erschienen. Keine Spotmessung der Welt wäre fein genug, so kleine Lichtquellen vor dunklem Hintergrund anzumessen. Generell gilt ja auch, dass ich das kritische Detail in den Lichtern präzise anmessen muss, während es für das Histogramm völlig egal ist, wo sich die hellsten Lichter im Bild befinden. Wenn ich bei der Spotmessung ein bisschen wackle, bekomme ich gleich andere Messwerte, während sich die robustere Histogrammanzeige kaum ändern würde. Die Spotmessung hat ihre Stärken, aber sie ist kein Ersatz für die Histogrammanzeige (umgekehrt natürlich auch nicht).

  2. Burkard_Meyendriesch

    Danke für den sehr informativen und plausiblen Beitrag! Gibt es einen nachvollziehbaren Grund, weshalb die Kamerahersteller unseres Vertrauens uns bislang noch kein RAW-Histogramm liefern? Kein Fotograf, dem die technische Qualität seiner Bilder am Herzen liegt, kommt doch um ETTR herum, und da wäre ein RAW-Histogramm doch äußerst nützlich.

    • Michael J. Hußmann

      Gute Frage. Einerseits sind die bislang üblichen Histogrammanzeigen einfacher zu realisieren; man geht von vorhandenen Bildern (JPEGs oder Live-View-Sucherbildern) aus und zählt einfach, wie oft jeder Tonwert darin vorkommt. Ein Raw-Histogramm ist zwar, wie beschrieben, auch nicht wirklich aufwendig und wäre recht schnell programmiert, aber ein bisschen mehr Aufwand ist es schon. Und dann ist es halt so, dass kaum jemand danach fragt. Die Hersteller haben wenig Neigung, Features zu implementieren, deren Nutzen sie den Kunden erst einmal umständlich erklären müssen, weil die Kunden gar nicht wissen, wie nützlich so etwas wäre.

  3. grossberger

    Ich wundere mich auch immer wieder, wie wenig oft verwendete Funktionen hinterfragt werden. So nach dem Motto: Es ist halt so.

    Das hier dikutierte Histogramm-Thema passt auch zu einer Frage, über die ich schon einiges recherchiert habe, aber eigentlich keinerlei klare Informationen bzw. Aussagen finden konnte.

    Und zwar geht es darum, dass sämtliche Funktionen, die auf einem Histogramm basieren, imemr auf 8 Bit Tonwerten basieren, also 256 mögliche Werte. Selbst wenn ich ein Bile mit 16Bit pro Farbkanal habe, alle Kameras und Programme zeigen nur ein Histogramm mit 8Bit. Meine grundsätzliche Vermuting ist derselbe Hintergrund, der im obigen Artikel angeführt wird. Nämlich, dass alle diese Anzeigen und Operationen „nur“ auf einem verkleinerten Vorschaubild basieren, nicht auf den originalen Bilddaten.

    Weil sonst müsste ja z.B. Photoshop etwa eine Gradiationskurve oder Tonwertkorrektur mit 65535 Tonwerten einstellen lassen.

    Mein Fazit: Von der Kamera über aämtliche RAW-Konverter bis zur finalen bearbeitung schränkt jede Software den Tonwertumfang auf 8Bit pro Farbe ein. Nicht nur in er Histogrammanzeige, sondern auch in der Anzeige der Bearbeitungsschritte.

    Hat sich darüber schon einmal jemand Gedanken gemacht?

  4. williwkl

    Die „JPEG-Einstellungen für Raw-Shooter“ wollte ich an meiner Sony gleich mal ausprobieren. Hierzu habe ich im Handbuch erst mal das Thema „Fotoprofile“ gefunden. Da lassen sich dann verschiedene Gamma Werte einstellen, die wohl für das Filmen mit der Kamera gedacht sind (S-Log2/3 usw.), aber offensichtlich auch bei Fotos verwendet werden können. Die Testaufnahmen waren nicht so wie erwartet (veränderter ISO Wert, alles zu dunkel, …). War ja nur ein Versuch, ohne den Hintergrund zu kennen.
    Der zweite Versuch war dann die Verwendung eines „Kreativmodus“, was ich immer für ein völlig überflüssiges Feature gehalten habe. Aber Mit „Neutral“ habe ich einen Versuch gemacht und den Kontrast auf -3 eingestellt. Die Veränderung im LifeView ist sofort sichtbar, aber trotzdem konnte ich mit dem dargestellten Histogramm auch nicht sehr viel anfangen: Es ist doch wie vorher das alte Problem, dass man nicht wirklich weiß, wie weit man vom Clpping entfernt ist. Also doch der dringende Wunsch an die Kamerahersteller, das endlich anzubieten. Zum Raw-Format gehört zwingend auch ein Raw-Histogramm.
    Noch eine Frage zur Messmethode „Highlight“, wie es bei Sony heißt (Nikon hat so was auch). Im Handbuch heißt es: „Dieser Modus eignet sich zum Aufnehmen von Motiven bei Vermeidung von Überbelichtung“. Mit direkter Sonne im Bild oder durchscheinend zwischen den Wolken habe ich hiermit erste gute Erfahrungen gemacht. Aber wo platziert der Kamerahersteller hier tatsächlich den Maximalwert (gedacht im Zonensystem VIII, IX oder X?). Das Histogramm ist ziemlich weit nach links verschoben. In Lightroom sind rechts noch mindestens ein bis zwei EV frei.

  5. fotograf

    @M.J.Hußmann
    „Und dann ist es halt so, dass kaum jemand danach fragt. Die Hersteller haben wenig Neigung, Features zu implementieren, deren Nutzen sie den Kunden erst einmal umständlich erklären müssen, weil die Kunden gar nicht wissen, wie nützlich so etwas wäre.“

    Na ja, – „die Kunden“, die um diese Dinge bestens Bescheid wissen, die gibt es schon, nur finden sie diese nicht in den Fotoforen. Und die Kunden, welche sich dort von „Lichter retten“, „jpeg settings für raw-shooter“ und ähnlichen Dingen weiter in die Irre führen lassen, die hat der Hersteller vermutlich auch gar nicht ernsthaft im Fokus.

    @„williwkl“, noch ein Tipp von Leser zu Leser:

    „Es ist doch wie vorher das alte Problem, dass man nicht wirklich weiß, wie weit man vom Clpping entfernt ist.“

    Bevor man sich über „jpeg Einstellungen für raw-shooter“ oder allen anderen jpeg bezogenen „Features“ den Kopf zerbricht, sollte man den unten verlinkten Artikel lesen und verstehen, sieht etwas kompliziert aus, bedarf etwas Lernwillen und ist in englisch (ein deutscher qualitativ gleichwertiger Artikel ist mir nicht bekannt), klärt aber auf (Belichtung/ Belichtungsmesser im Bezug auf raw)! Danach erschließen sich einem auch die propagierten „Krücken“ mit den jpeg Einstellungen, welche man dann allerdings nicht mehr benötigt, – selbst für das o.g. Beispiel mit dem Riesenrad nicht, denn, was hindert einen daran das Riesenrad mit einem Tele anzumessen oder alternativ zuerst aus nächster Nähe anzumessen, schließlich läuft es nicht weg und es hält zwischendurch sogar zum ruhigen anmessen auch mal an.

    https://www.fastrawviewer.com/blog/how-to-use-the-full-dynamic-range-of-your-camera

    • williwkl

      Danke für den sehr aufschlussreichen Link. Die Software ist noch erschwinglich, wenn man an solchen Fragestellungen Interesse hat. Mein Workflow wird sich in Zukunft mit dem FastRawViewer bestimmt ändern. Die Vorauswahl wird damit nicht nur schneller, sondern sicher qualitativ auch besser (im Vergleich zu meinem LR-Workflow).
      Da ich gerade eine kleine Schulung für unser Seniorennetz vorbereite, wollte ich mit meiner ursprünglichen Fragestellung nur prüfen, ob es „noch“ was gibt, um die digitale Belichtung auf die sichere Seite zu legen, ohne Tonwerte rechts zu verschenken. Da ich lange Jahre Erfahrung mit dem Zonensystem in der analogen Großformatfotografie habe, war es schon mein Ansatz, Tonwerte im Motiv gezielt auszumessen und dann in die zugehörige Zone zu legen. Daher auch die Unsicherheit, wo denn nun Clipping beginnt.
      Ich denke, mit diesem Ansatz und nun zusammen mit der passenden Auswertung (RawViewer/-Digger) sollte das gut funktionieren.
      Bleibt für mich nur die Frage, ob es mir gelingt, alle Senioren/-innen auf diesem technisch anspruchsvollen Weg mitzunehmen.

  6. Sonnemeyer

    Schon vor einigen Jahren kam mir die Idee eines Belichtungssystems auf der Grundlage des Histogramms.
    Auf meiner Homepage (als Wunsch an die Kameraindustrie):
    Belichtungsmessung mit Histogramm
    Jeder Fotograf, des sich etwas mit der Technik und der Belichtung beschäftigt, kennt das Histogramm der Helligkeitsverteilung. Meine Idee ist, dieses Hilfsmittel zur automatischen Belichtungsmessung zu nutzen. Es wäre die Grundlage einer neuen Art der Belichtungsmessung.
    Am Histogramm kann man ablesen, ob es über- oder unterbelichtete Bereiche auf dem Bild gibt. Wenn die modernen Kameraprozessoren schnell genug sind, könnten sie das Histogramm vor der Aufnahme berechnen. Man könnte dann wählen: 1. Ausgewogene Belichtung: Es gibt keine fehlbelichteten Bereiche oder Über- und Unterbelichtung halten sich die Waage. 2. „Low-Key“: Das Bild wird dunkel belichtet, es gibt keine überbelichteten Bereiche, aber evtl. mehr unterbelichtete Bereiche. 3. „High Key“: Das Bild wird hell belichtet, es gibt keine unterbelichteten Bereiche, evtl. aber mehr überbelichtete Bereiche. Zwischenformen sind durch Belichtungskorrekturen denkbar.

    Die im DOCMA-im Artikel gemachten Aussagen sind weiterführend und mit mehr Kenntnissen begründet. Vielleicht kommt ja doch mal etwas bei den Kameraherstellern an. Nach meiner Erfahrung ist Canon da durchaus zugänglich. Als ich 2014 unter anderem den Vorschlag zur Belichtung nach Histogramm machte, hatte ich den Eindruck, in diesem Punkt nicht ganz verstanden zu werden.
    Vielleicht könnte Herr Hußmann da nochmal bohren.
    Mit freundlichen Grüßen
    Jürgen Sonnemeyer

    • williwkl

      Kann man nur unterstützen, dass Experten wie Herr Hußmann das bei den Herstellern einbringen. Wer von den Fotografen, die hier mitlesen arbeiten denn noch in jpg? Ich und meine Fotofreunde nutzen nur noch Raw. Und wenn ich im Menü Raw einstelle, darf ich auch ein Raw-Histogramm erwarten anstatt des irreführenden jpg-Histogramms. Wir legen ja meist mehrere tausen € auf den Tisch, und da sollte das endlich selbstverständlich sein.

      • fotograf

        „Und wenn ich im Menü Raw einstelle, darf ich auch ein Raw-Histogramm erwarten..“

        Und bitte dann auch den für RAW passend kalibrierten Belichtungsmesser; denn der liegt ja heute bei vielen Kameras nicht bei „18%“ sondern, um Spielraum (Lichter) für die interne jpeg Engine zu gewinnen, bei 12,5% oder sogar darunter.

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