Digitalkameras umgerüstet für Infrarotphotographie finden Sie auf der Seite Infrarotkameras.
|
Digitale Infrarotphotographie
Einblicke in Welten, die noch nie ein Mensch zuvor gesehen hat (naja, fast niemand...)Übersicht 1. Was ist Infrarotphotographie? 2. Ausrüstung 3. Was man beim Infrarotphotographieren beachten sollte 4. Effekte und Experimente 5. Digitale Nachbearbeitung
1. Was ist Infrarotphotographie?Das sichtbare Licht ist der Teil des elektromagnetischen Spektrums, der vom menschlichen Auge wahrgenommen werden kann. Einfach gesagt: Alles, was wir sehen können, gehört zum sichtbaren Bereich des Lichts. Alle normalen Kameras sind für diesen Bereich empfindlich, d.h. auf herkömmlichen Photos sehen wir nur das sichtbare Licht. Dieser Bereich reicht von einer Wellenlänge von etwa 400 Nanometern (nm) an der Grenze vom Ultravioletten bis zu 700 nm an der Grenze zum Infraroten. Auf die ultraviolette Strahlung wollen wir hier nicht näher eingehen, wir beschäftigen uns vielmehr mit der Strahlung, die an die andere Seite des sichtbaren Spektrums grenzt. Die Infrarotstrahlung umfasst einen wesentlich größeren Spektralbereich als das sichtbare Licht, nämlich von 780 nm bis etwa 1000000 nm. Dabei ändert sich die Bezeichnung von nahem Infrarot zum mittleren und schließlich dem fernen Infrarot. Die Infrarotphotographie beschäftigt sich mit dem nahen Infrarot im Bereich von ca. 780 bis 1000 nm. Oft wird fälschlich angenommen, man könne auf Infrarotphotos Wärmestrahlung sehen. Diese liegt aber im fernen Infrarot und ist Spezialkameras vorbehalten, die teilweise aufwendig gekühlt werden müssen. Diese Art der Infrarotaufnahmen nennt man Thermographie.
In jeder Digitalkamera befindet sich eine Anordnung von lichtempfindlichen Sensoren, die das auf sie fallende Licht in elektrische Spannung umwandeln, und somit die weitere Verarbeitung ermöglichen (Einstein sei Dank). Meist werden dabei sogenannte CCD-Sensoren verwendet (Charge-coupled Device = Ladungsgekoppeltes Element), manchmal auch CMOS-Sensoren, auf die ich hier aber nicht näher eingehe, da ihr Spektralverhalten sehr ähnlich ist.
Das Bild zeigt die relative spektrale Empfindlichkeit eines typischen CCD-Sensors. Der Bereich der größten Empfindlichkeit ist im sichtbaren Licht, was die Kamerahersteller freut, denn dort entstehen normale Photos. Man sieht aber, dass der Sensor auch im nahen Infrarotbereich bis hin zu 1000 nm Wellenlänge noch für Licht empfindlich ist, zwar nicht so stark wie im sichtbaren Bereich, aber immerhin. Das gefällt den Kameraherstellern weniger, denn die Kombination aus sichtbarem und infrarotem Licht sieht ungewohnt aus.
Was also tun, wenn es keine Sensoren gibt, die nur für das sichtbare Licht empfindlich sind? Die Kamerahersteller bringen Filter vor den Sensoren an, die nur das sichtbare Licht, nicht aber das Infrarotlicht durchlassen. Diese Filter nennt man auch Infrarot-Sperrfilter. Da es aber keine Filter gibt, die eine perfekte scharfe Trennung der beiden Bereiche erlauben, ist jede Digitalkamera mehr oder weniger empfindlich für Infrarotlicht. Deshalb kann man auch mit (fast) jeder Digitalkamera prüfen, ob die Batterien einer Fernbedienung noch genug Spannung liefern. Wie im Bild zu sehen ist, ist die aktive Leuchtdiode der Fernbedienung in einem normalen Digitalphoto noch schwach zu sehen. Das menschliche Auge nimmt in diesem Bereich nichts mehr wahr. In der Infrarotphotographie will man den sichtbaren Bereich des Lichtes ausblenden und nur den infraroten Bereich abbilden. Zu diesem Zweck gibt es Filter, die genau das umgekehrte Verhalten zeigen wie die oben erwähnten Sperrfilter, nämlich die Infrarot-Langpassfilter.
2. AusrüstungHerkömmliche Filme sind für infrarotes Licht nicht sehr empfindlich. Daher werden in analogen Kameras keine Sperrfilter benötigt, die bei Infrarotaufnahmen stören könnten. Zur Infrarotphotographie benötigt man aber spezielle Infrarotfilme, die leider teuer und umständlich zu handhaben sind. Ich gehe hier auf diese Art der Infrarotphotographie nicht näher ein, da sie mitterweile überwiegend durch die digitale Infrarotphotographie verdrängt wurde.
2.2 Unmodifizierte Digitalkameras Wie schon unter 1.3 erwähnt, sind herkömmliche Digitalkameras mit IR-Sperrfilter mehr oder weniger empfindlich für Infrarotlicht im Grenzbereich zum sichtbaren Licht. Zum Ausblenden des sichtbaren Lichts wird ein IR-Langpassfilter vor das Objektiv geschraubt oder, bei fehlendem Objektivgewinde, einfach davor gehalten. Diese Kombination hat allerdings einen entscheidenden Nachteil: Durch den IR-Sperrfilter wird nur ein kleiner Teil des IR-Spektrums durchgelassen, und das nur sehr schwach. Das Ergebnis sind, neben dem schmalen Spektrum, sehr lange Belichtungszeiten und, je nach Kamera, starkes Sensorrauschen. Aufnahmen ohne Stativ sind so nicht möglich.
2.3 Digitalkameras mit "Nightshot"-Funktion Einige Digitalkameras, z.B. die DSC-F717, von Sony bieten die Möglichkeit, den IR-Sperrfilter mechanisch wegzuklappen und erlauben so Infrarotphotos. Meist sind zusätzlich kleine IR-Leuchtdioden zur Beleuchtung eingebaut, die komplett dunkle Szenen etwas aufhellen. Für Infrarotaufnahmen bei Tageslicht ist ein zusätzlicher Infrarot-Langpassfilter erforderlich, der auf das Objektiv aufgesetzt werden muss; Aufnahmen ohne diesen Filter bilden das sichtbare und infrarote Spektrum ab (siehe 1.3).
2.4 Modifizierte Digitalkameras Wird bei einer herkömmlichen Digitalkamera der IR-Sperrfilter durch einen IR-Langpassfilter ersetzt, erhält man eine vollwertige Infrarotkamera. Für die digitale Infrarotphotographie ist dies sicherlich die vielseitigste und günstigste Möglichkeit. Im Prinzip kann jede Digitalkamera entsprechend modifiziert werden. Der Umbau ist jedoch nicht ganz einfach und lässt bei neuen Kameras die Garantie erlöschen. Mit einer solchen Kamera - mit der ich alle Infrarotaufnahmen auf dieser Seite gemacht habe - lassen sich wie gewohnt Aufnahmen und sogar Schnappschüsse aus der Hand und ohne Stativ machen. Die Lichtstärke ist nur etwas geringer als bei einer unmodifizierten Kamera, etwa geschätzte 2 Blendenstufen. Wegen der verfallenden Garantie sind die von mir modifizierten Kameras gebrauchte Exemplare, die natürlich trotzdem tadellose Bilder machen. Da die Empfindlichkeit des CCD-Sensors im Infrarotbereich absinkt, achte ich auf ein lichtstarkes Objektiv und einen lichtempfindlichen Sensor. Dass dies wichtiger ist als absurd hohe Megapixelauflösungen, sollte mittlerweile bekannt sein (siehe hier und hier). Bei den folgenden Abschnitten beziehe ich mich bei Infrarotphotos stets auf modifizierte Digitalkameras, die Bilder nur noch im Infrarotbereich aufnehmen können.
3. Was man beim Infrarotphotographieren beachten sollte Photographie bedeutet "Schreiben mit Licht". Ohne Licht kein Photo, das gilt auch im Infraroten. Glücklicherweise strahlt die Sonne auch in diesem Bereich genug Licht ab, so dass man sich bei Tageslicht - und speziell bei Sonnenschein - keine Sorgen zu machen braucht. Speziell bei strahlendem Sonnenschein gelingen Infrarotbilder mit großem Kontrastumfang, dunklem Himmel, hellen Wolken und heller Vegetation (siehe 4.2). Bei Innenaufnahmen strahlen herkömmliche Glühlampen (auch Halogenlampen) genug Infrarotlicht ab, um eine Szene zu erhellen. Problematischer wird es bei der Verwendung von Energiesparlampen, da diese Leuchtstoffröhren nur sehr wenig Licht im infraroten Bereich abstrahlen. Der eingebaute Kamerablitz strahlt genug Infrarotlicht ab, die Aufnahmen werden allerdings ähnlich flach, wie man es von normalen Blitzaufnahmen her kennt. Infrarotscheinwerfer, die kein sichtbares Licht abstrahlen, eignen sich zur nächtlichen Beleuchtung, die für Mensch und Tier unsichtbar bleibt. Hiermit lassen sich auch Nachtsichtgeräte realisieren. Es handelt sich hier aber um aktive Nachtsicht, d.h. ohne den Infrarotscheinwerfer sieht auch die Infrarotkamera im Dunkeln nichts. Siehe dazu auch Abschnitt 4.5.
Da Menschen Infrarot nicht sehen können, gibt es keine "richtige" Farbgebung bei Infrarotphotos. Meist werden Infrarotbilder digital nachbearbeitet (siehe Abschnitt 5), wobei sich die Färbung noch nachträglich einstellen lässt. Trotzdem kann man durch die Wahl des Weißabgleiches bei der Aufnahme selbst schon eine Auswahl für die Farbgebung treffen, die einem am besten gefällt. Im Folgenden zeige ich beispielhaft die Ergebnisse der verschiedenen Weißabgleichsmodi bei einer modifizierten Canon PowerShot A40:
Viele Kameras bieten zudem unter der Rubrik "Weißabgleich" oder "Effekte" die Möglichkeit, das Photo in ein Schwarzweißbild (eigentlich: Graustufenbild) umzuwandeln. Natürlich lässt sich diese Umwandlung in jedem Bildbearbeitungsprogramm noch nachträglich durchführen.
4. Effekte und Experimente
Es ist schwer vorherzusagen, wie bedruckte oder gefärbte Materialien das Infrarotlicht reflektieren. Es kommt dabei sowohl auf die Art des Materials als auch auf die chemische Zusammensetzung der Farbe an, so dass man z.B. nicht pauschal sagen kann, dass Schwarz im Infraroten grundsätzlich immer sehr hell erscheint. Sicherlich stimmt dies für die meisten schwarzen Stoffe; aus diesem Grund sehen Personen auf Infrarotbildern meist hell gekleidet aus, obwohl sie eigentlich schwarze Kleidungsstücke tragen.
Aufdrucke können ganz oder teilweise verschwinden; bei den meisten Banknoten und Ausweisen sind Teile des Aufdrucks nur im Infraroten oder nur im sichtbaren Licht zu sehen.
Entdecker dieses Effektes ist nicht, wie man vielleicht meinen könnte, der legendäre B-Film-Regisseur Ed Wood sondern ein Physiker Namens Robert Williams Wood. Kurz gesagt bewirkt dieser Effekt, dass Blätter und Blüten von Pflanzen Infrarotlicht stark reflektieren und somit auf Infrarotphotos sehr hell aussehen. Da dies bei den meisten Pflanzen im Gegensatz zu dem üblichen Sinneseindruck im sichtbaren Licht steht, übt Vegetation auf IR-Photos immer eine gewisse Faszination auf den Betrachter aus.
Infrarotstrahlung verhält sich bei vielen Materialien anders als das sichtbare Licht. Die meisten halbtransparenten gefärbten Kunststoffe erscheinen völlig durchsichtig, ebenso viele farbige Flüssigkeiten, wie z.B. Cola.
Infrarotlicht dringt tiefer in die Haut ein als sichtbares Licht. Das hat mehrere Effekte bei der Personenphotographie im Infraroten:
Das bedeutet, dass Portraitphotos im Infraroten meist geisterhaft schön sind. Je nach Person sieht nackte Haut allerdings durch die hervortretenden Adern recht unvorteilhaft aus, weshalb IR-Photos von Personen mit nackten Armen oder Beinen retuschiert werden sollten. Die Iris erscheint auch bei braunen Augen hell. Dunkle Haare erscheinen im Infraroten oft hellblond, auch blondes Haar wird oft noch heller. Das ist jedoch keineswegs immer der Fall. Die Haarfarbe mancher Menschen ändert sich im Infraroten gar nicht. Wahrscheinlich haben die individuellen Pigmente und eine evtl. vorhandene Färbung, bzw. Tönung damit zu tun.
Wie schon in Abschnitt 3.1 erwähnt, können Kameras im nahen Infrarot bei Dunkelheit genauso wenig "sehen" wie normale Kameras. Da die Empfindlichkeit des CCD-Sensors hier geringer ist als im sichtbaren Licht, werden die Bilder im Gegenteil noch dunkler, bzw. man muss mit Blende/Belichtungszeit/ISO-Einstellung noch weiter gehen. Verfügt man aber über eine Infrarotlichtquelle, so kann man durchaus brauchbare Photos schießen, obwohl für das menschliche Auge absolute Dunkelheit herrscht.
Infrarotscheinwerfer kann man fertig oder als Bausatz erwerben. Wer sich ein wenig mit Elektronik auskennt, kann sich für ein paar Euro selbst eine IR-LED-Matrix mit passenden Vorwiderständen zusammenlöten.
5. Digitale Nachbearbeitung5.1 Reduzierung des Farbrauschens Bei einem besonders gelungenen Infrarotphoto lassen sich mittels Nachbearbeitung mit einem Bildbearbeitungsprogramm (z.B. mit Photoshop oder dem kostenlosen Gimp) noch weitere interessante Variationen und Verbesserungen erzielen. Da Infrarotbilder meist ein leichtes Farbrauschen aufweisen, sollte der erste Schritt in einer Reduzierung dieses Rauschens bestehen, ohne dass dabei Bilddetails verloren gehen.
5.2 Angleichung des Helligkeitsbereiches Da die Infrarotstrahlung von den drei Farbsensorgruppen für Rot, Grün und Blau unterschiedlich aufgenommen wird, ist der Dynamikbereich des Bildes in den drei Farbkanälen meist nicht voll ausgenutzt. Hier das Bild des rauschbefreiten Traktors und die dazugehörigen Histogramme der drei Farbkanäle:
Die Angleichung kann je nach Programm entweder durch eine automatische Anpassung erfolgen oder durch manuelles Setzen der Schwarz- und Weißpunkte für jeden Farbkanal. In unserem Beispiel ist der Helligkeitsbereich in allen drei Kanälen im hellen Bereich bereits ausgereizt, so dass lediglich die Schwarzpunkte angepasst werden. Das Ergebnis ist ein kontrastreicheres Bild mit einem anderen Farbton:
5.3 Vertauschen des Rot- und Blaukanals Wenn der Himmel auf dem Photo eine rote Färbung aufweist, kann man den roten und blauen Farbkanal miteinander vertauschen. Das geschieht am einfachsten über den Kanalmixer, kann aber auch durch Kopieren innerhalb der Farbkanäle erfolgen.
5.4 Gammakorrektur einzelner Farbkanäle Ist man mit der Farbgebung des Bildes noch nicht zufrieden, kann man durch direkte Manipulation des Gammawertes, bzw. der Gradationskurven der einzelnen Farbkanäle weiter experimentieren. Hier habe ich beispielsweise die Gammawerte des roten und blauen Kanals verringert und die des grünen Kanals angehoben:
Die folgenden Photos geben einen kleinen Überblick über die Möglichkeiten der Infrarotphotographie.
Wenn Sie Anmerkungen oder Hinweise zu dem Inhalt dieser Seite haben, freue ich mich über eine Nachricht über das Kontaktformular oder per E-Mail. Ich bin dankbar für Anregungen zu neuen Effekten und Experimenten (siehe Abschnitt 4) und werde diese gerne ergänzend aufnehmen. Wenn Sie sich für eine Infrarotkamera interessieren, schauen Sie auf meine IR-Kamera-Seite. |
