Was ist RAW technisch gesehen?

Was genau ist RAW aus technischer Sicht und wie unterscheidet es sich von JPG- oder Bitmap-Bildern? Ich frage nicht nach den Vor- und Nachteilen gegenüber einem anderen Format, sondern was das RAW-Format ausmacht, wie werden die Daten gespeichert, wie unterscheidet es sich von JPG (außer fehlender Komprimierung) und wie unterscheidet es sich von Bitmap?

Antworten (5)

RAW sind Daten, die in einem früheren Stadium der Verarbeitung von der Kamera extrahiert werden .

Dadurch kann eine spätere Weiterverarbeitung auf einem Computer beliebig erfolgen. Insbesondere werden die verlustbehafteten Verarbeitungsschritte Demosaikierung , Schärfen/Rauschunterdrückung und JPEG-Komprimierung vermieden , die dauerhaft auf die resultierende Bilddatei angewendet werden, bevor sie die Kamera verlässt.

Wenn Sie ein Foto machen:

Folgendes passiert, wenn Sie ein Foto aufnehmen, und in welchen Phasen der Verarbeitung die RAW- und JPEG-Bilder extrahiert werden.

  1. Bayer-Filter

    Der Verschluss öffnet sich und Licht fällt in die Kamera. Das Licht wird durch einen Bayer-Farbfilter gefiltert, sodass jedes Pixel auf dem Sensor nur entweder rotes, grünes oder blaues Licht empfängt. Dies ist erforderlich, da der Sensor ohne sie monochrom ist.

  2. Sensor

    Das Licht trifft auf den Sensor (häufig durch winzige Mikrolinsen, die helfen, mehr Licht in den empfindlichen Teil des Pixels zu sammeln). Es wird dann in Millionen von analogen Impulsen umgewandelt, von denen jeder einem Pixel entspricht.

  3. Analog-Digital-Wandlung

    Die analogen Impulse werden entsprechend der gewählten Empfindlichkeit (ISO-Wert) auf den richtigen Betrag verstärkt und dann mit einem Analog-Digital-Wandler in einer bestimmten Bittiefe in digitale Werte umgewandelt. Nach dieser Phase haben Sie Millionen von (normalerweise 12- oder 14-Bit-) Digitalwerten in einem Stream.

    Beachten Sie, dass die Methode zur Analog-Digital-Wandlung bei CMOS- und CCD-Sensoren sehr unterschiedlich ist. Ein CMOS-Sensor enthält beispielsweise einen Transistor in jedem Pixel , um dies zu unterstützen, aber es genügt zu sagen, dass Sie am Ende immer noch eine Reihe digitaler Werte erhalten.

  4. Anpassung des Schwarzpegels

    Die Kamera muss den korrekten Schwarzwert bestimmen, da der Sensor für schwarze Pixel nicht unbedingt Null zurückgibt. Beispielsweise kann die Umgebungswärme des Sensors ein Signal verursachen. Dies wird häufig korrigiert, indem Sensordaten von einigen Kantenpixeln gelesen werden, die dauerhaft bedeckt sind, damit Licht sie nicht erreichen kann. Dann subtrahiert es einen entsprechenden Wert von den anderen Ergebnissen. Es kann andere Korrekturen an den digitalen Daten vornehmen – es kann versuchen, einige Arten von Rauschen zu reduzieren, wie z. B. vom Sensor verursachtes Hintergrundrauschen.

    Manchmal können die digitalen Werte dann weiter multipliziert oder geteilt werden, um den richtigen Empfindlichkeitswert (ISO) zu erreichen, wenn Sie einen ISO-Wert verwenden, den Ihr Sensor nicht nativ macht.

    Hier werden RAW-Daten extrahiert.

    Wenn Sie RAW aufnehmen, wird keiner der Schritte unten dauerhaft auf die Bilddatei angewendet, wenn sie aus Ihrer Kamera kommt, sodass Sie sie stattdessen nach Belieben in Ihrer RAW-Software anwenden können.

  5. Demosaicing

    Jeder Wert ist tatsächlich entweder ein roter, grüner oder blauer Wert. Für das endgültige Bild muss jedoch jedes Pixel alle drei Farben – Rot, Grün und Blau – haben. Daher muss ein Demosaicing-Algorithmus die anderen beiden Farbteile für jedes Pixel erraten, und er tut dies basierend auf der Kenntnis der umgebenden Pixel. Es gibt eine Vielzahl unterschiedlicher Demosaicing-Algorithmen mit unterschiedlichen Qualitäten, und es ist ein verlustbehafteter Prozess. Wenn dies in der Kamera auftritt, bleiben Sie beim integrierten Algorithmus der Kamera hängen.

  6. Konvertierung des Farbraums

    Rot, Grün und Blau im Bayer-Filter haben nicht unbedingt den gleichen Farbton wie Rot, Grün und Blau im Standard-Farbraum sRGB. Die Kamera führt dann eine Farbkorrektur durch, um die Farben in den gewünschten Farbraum umzuwandeln, der normalerweise sRGB ist.

  7. Weißabgleich

    Die Weißabgleichkorrektur wird angewendet, um unterschiedliche Farbtemperaturen von Lichtquellen während der Aufnahme zu korrigieren.

  8. Gamma-Korrektur

    Es wird eine Gamma-Korrektur angewendet, die von den linearen Werten in Gamma-korrigierte Werte umwandelt, wie es für digitale Bilddateien erforderlich ist. Diese Korrektur ist keine reine Gammakorrektur; Eine Kontrastkurve wird angewendet, um sicherzustellen, dass Lichter und Schwarz sich gut abrunden, was ihm ein schönes filmähnliches Aussehen verleiht.

  9. Schärfen und Rauschunterdrückung

    Ein angemessenes Maß an Schärfung und Rauschunterdrückung wird angewendet, um das Bild zu verbessern und störendes Rauschen zu unterdrücken. Es gibt verschiedene Schärfungs- und Rauschunterdrückungsalgorithmen, und dies ist ein verlustbehaftetes Verfahren. Wenn dies in der Kamera erfolgt, bleiben Sie bei der von der Kamera angewendeten Schärfung und Rauschunterdrückung hängen.

  10. JPEG-Komprimierung

    Die resultierenden Bilddaten werden als JPEG komprimiert. Auch dies ist offensichtlich ein verlustbehaftetes Verfahren.

    Hier würde eine JPEG-Datei generiert werden.

Mehr zum RAW-Format

Um die RAW-Datei zu erstellen, werden Rohdaten aus den obigen Schritten 1 bis 4 zu einem Dateiformat zusammengesetzt, das in der Regel ein proprietäres, herstellerspezifisches Dateiformat auf Basis des TIFF-Formats ist. Die Daten werden manchmal mit einem einfachen verlustfreien Komprimierungsalgorithmus komprimiert und manchmal wird ein Teil davon auch verschlüsselt.

In die RAW-Datei bettet die Kamera eine ganze Reihe von Metadaten ein, mit allen Informationen, die für die späteren zusätzlichen Verarbeitungsschritte gemäß den Kameraeinstellungen erforderlich sind. Dazu gehören Informationen wie der Weißabgleich, die Schärfe und die Kontrasteinstellungen, die in der Kamera ausgewählt sind. Die RAW-Software kann dann entscheiden, diesem Rat zu folgen oder ihn zu ignorieren.

Die Kamera bettet auch eine JPEG-Datei in die RAW-Datei ein, die sie dann verwenden kann, wenn sie das Bild im kamerainternen „Wiedergabe“-Modus wiedergibt. Dieses eingebettete JPEG erhöht die Größe der RAW-Datei ein wenig, bedeutet aber, dass die Kamera diese Verarbeitung nicht jedes Mal anwenden muss, wenn das Bild im Wiedergabemodus angezeigt wird. RAW-Verarbeitungssoftware auf Computern ignoriert das eingebettete JPEG weitgehend, obwohl einige Software es möglicherweise für einen schnellen Vorschaumodus oder zum Erstellen schneller Miniaturansichten verwendet. Es ist im Allgemeinen ein JPEG von ziemlich niedriger Qualität, das nur für die Vorschau gut genug ist.

Beachten Sie, dass einige Kameras bei Schritt 4 tatsächlich eine gewisse Rauschunterdrückung anwenden (z. B. Sony A850) .
Hinweis: Im Allgemeinen führen Demosaicing-Algorithmen (Schritt 5) als Teil des Demosaicing auch eine gewisse Schärfung durch. Dies erfolgt oft zusätzlich zum weiteren Schärfen in Schritt 9.
Einige Kameras wenden eine Objektivkorrektur in der Kamera an. Bei allen Kameras, die ich verwendet habe und die dies getan haben, ist die Objektivkorrektur in der RAW-Datei nicht vorab angewendet, sodass die Kamera dies nach diesem Schritt getan hat.
Punkt Nr. 1 - Bayer-Filter ändern die Empfindlichkeit gegenüber verschiedenen Lichtwellenlängen. Aber etwas grünes Licht gelangt durch die roten und blauen Filter, und etwas rotes und blaues Licht durch die grünen Filter.
Punkt #5 - Jeder Wert ist kein roter, blauer oder grüner Wert. Jeder Wert ist immer noch ein monochromer Luminanzwert, der für eine bestimmte Lichtwellenlänge gewichtet ist, aber auch andere Lichtwellenlängen in einer abnehmenden Reaktionskurve enthält, wenn die Wellenlänge weiter von der Wellenlänge entfernt ist, für die der Bayer-Filter für dieses Pixel gedämpft wird.
Das stimmt, aber das ist auch gleichbedeutend mit der Aussage "jeder Wert ist ein 'Rot'-, 'Grün'- oder 'Blau'-Wert in einem bestimmten Farbraum, dessen Definition von Rot, Grün und Blau durch den Bayer-Filter definiert ist". es nicht?
Ich bin mir nicht sicher, ob Schritt 4 vor der RAW-Extraktion liegt. Ich meine mich zu erinnern, dass zumindest historisch gesehen ein großer Unterschied zwischen Canon- und Nikon-Kameras (der einen großen Einfluss auf die Astrofotografie hatte) darin bestand, dass Nikon die Bilder am Schwarzpunkt beschnitt und Canon dies nicht tat. Kann mich aber auch falsch erinnern.
Alle Kameras müssen auf die eine oder andere Weise an einem „schwarzen Punkt“ ankommen, der aufgrund sich ständig ändernder Umgebungsfaktoren wie der Umgebungstemperatur pro Bild berechnet wird. Die Kontrolldaten von den geschwärzten Kantenpixeln sind meines Wissens nicht in der RAW-Datei enthalten, daher bin ich der Meinung, dass dies nur vor der Erzeugung der RAW-Datei möglich ist. Aber ich kann nicht behaupten, 100% sicher zu sein, besonders von Canon-Seite.
@thomasrutter Die Farbfilter „Rot“, „Grün“ und „Blau“, aus denen der Bayer CFA besteht, sind nicht die gleichen drei Farben wie „Rot“, „Grün“ und „Blau“, die von unseren RGB-Farbwiedergabesystemen verwendet werden . Im Fall von 'rot' ist es nicht einmal annähernd. Die „roten“ Filter auf einer typischen Bayer-Maske liegen ziemlich genau irgendwo zwischen „gelb-grün“ (580 nm) und „gelb-orange“ (600 nm) als „ROT“ (640 nm).
@thomasrutter Canon-Rohdateien behalten die maskierten Pixel in den Rohbilddaten bei, und bei Verwendung einer Anwendung, die auf diese Daten zugreift, kann der Schwarzpunkt nachträglich geändert werden. (Adobe-Anwendungen ignorieren es und verwerfen es beim Exportieren).

RAW-Dateien sind nicht wirklich Bilder als solche, sondern die Daten direkt vom Sensor der Kamera. Ich stelle mir das so vor, als würde der Zustand der Kamera unmittelbar nach Abschluss der Belichtung eingefroren und in einer Datei gebündelt, normalerweise mit einer Art verlustfreier Komprimierung. Der Wikipedia-Artikel enthält ziemlich viele Details über die Art von Dingen, die aufgezeichnet werden, aber als Leitfaden würde ich sagen:

  • Alle Füllstandsmessungen vom Sensor
  • Einige Informationen über den Sensortyp (damit der Raw-Konverter weiß, wie er die Sensordaten interpretieren soll)
  • Alle aktuell auf die Kamera angewendeten Einstellungen
  • Die Uhrzeit und andere mit dem Bild verknüpfte Metadaten vom Typ EXIF
  • Möglicherweise ein JPEG-Miniaturbild

Denken Sie daran, dass es kein einzelnes Raw-Format gibt und es allen Kameraherstellern freisteht, diese Art von Daten auf ihre eigene Weise zu bündeln. Adobe versucht, sein DNG-Format (Digital Negative) , das ich persönlich verwende, als Standard-RAW-Format zu fördern. Einige Kameras können DNG ausgeben, die meisten müssen jedoch konvertiert werden. Ich mache das beim Import in Lightroom, da einer der Vorteile darin besteht, dass Lr-Bearbeitungsdaten in der Datei gespeichert werden können und keine XML-Sidecars erforderlich sind. Ein weiterer Vorteil von DNG besteht darin, dass es tendenziell zu kleineren Dateigrößen führt als native Raw-Dateien.

Ich würde mir vorstellen, dass die Daten vom Sensor aufgrund der Art und Weise, wie die meisten Sensoren mit einem Bayer-Filter- Design gebaut sind, nur Pegel von jeder Fotostelle auf dem Sensor enthalten. Eine Bitmap hätte beispielsweise die RGB-Sites zu einem einzigen Pixel zusammengefasst.

Versuch von Adobe, RAW-Formate zu standardisieren: en.wikipedia.org/wiki/Digital_Negative_(file_format) Außerdem werden RAW-Dateien oft verlustfrei komprimiert.
DNG ist eher ein Container als ein eigentliches Format. Der Rohkonverter muss immer noch die Eigenschaften des Sensors kennen, der die Aufnahme gemacht hat, und das entsprechende Demosaicing für diesen bestimmten Sensor anwenden.

RAW ist eine Kopie der Daten vom Sensor. JPEG wurde verfeinert.

Zusammenfassung

Eine RAW-Datei ist ein direkter Dump der Daten, die die Kamera erfasst.
Aus diesen RAW-Daten wurde durch Schärfen, Farbkorrektur und Komprimierung eine JPEG-Datei abgeleitet.

Detail

Das Herzstück einer Digitalkamera ist ein lichtempfindlicher Chip, der als Sensor bezeichnet wird.
Eine RAW-Datei ist so ziemlich eine Kopie der Daten direkt von diesem Chip, wenn ein Bild aufgenommen wird. Daher ist die Bilddatei nicht ohne weiteres als Bild erkennbar, weil:

  • es liegt in keinem allgemein anerkannten Dateiformat vor
  • es wurde in keiner Weise verfeinert

Eine JPEG-Datei hingegen ist sowohl ein Standarddateiformat als auch wurde das Bild etwas verfeinert, damit es besser aussieht. Diese Verfeinerungen umfassen die Korrektur des Weißabgleichs und das Schärfen. Außerdem wurde bei einem JPEG normalerweise eine gewisse Komprimierung angewendet. Beim Erstellen eines JPEG werden also Daten verworfen, die ursprünglich auf dem Sensor vorhanden waren und in einer RAW-Datei aufbewahrt werden.

Sowohl eine RAW-Datei als auch ein JPEG sind eine Art von Bitmaps (beide stellen einzelne Pixel dar).

Viele Kameras können für jedes Bild sowohl eine JPEG- als auch eine RAW-Datei erzeugen.

Wann jeweils zu verwenden

JPEG ist besser, wenn

  • Sie möchten eine brauchbare Datei direkt von Ihrer Kamera
  • Der Speicherplatz auf Ihrer Speicherkarte ist knapp
  • Sie möchten Bilder sehr schnell hintereinander aufnehmen

RAW ist besser, wenn

  • Sie möchten die Datei nachbearbeiten
  • Sie möchten sich Ihre Optionen für die Belichtung oder den Weißabgleich offen halten
  • Sie möchten die höchstmögliche Detailgenauigkeit (da könnte ich mich irren - hängt von der Kamera ab)

Haftungsausschluss

Ich habe hier einige Details übersprungen (siehe Kommentare), um die Grundlagen zu verdeutlichen.

Die Kamera wendet immer noch die gesamte Nachbearbeitung auf die RAW-Datei an, sie speichert sie nur umkehrbar. Um dies zu demonstrieren, können Sie Ihre Kamera (in RAW) in den Schwarzweißmodus versetzen, ein Foto aufnehmen, und Sie würden ein Schwarzweißbild erhalten, obwohl Ihre Kamera ein Farbfoto aufgenommen und es dann konvertiert hat. Diese allgemeine Demo wird verwendet, um die Flexibilität von RAW zu demonstrieren, da Sie die B&W-RAW-Datei in der Software öffnen und den Kameramodus auf „Normal“ ändern und die Farbversion zurückerhalten können. Wenn es in JPG aufgenommen wurde, würde die Farbversion verloren gehen.
Vollständige Offenlegung: Ich habe mich nicht rechtzeitig an die Bearbeitung erinnert: In RAW wird nicht die gesamte Nachbearbeitung angewendet, sondern die Farbverbesserung und -korrektur wie der Weißabgleich. Dinge wie Schärfe und Rauschunterdrückung werden nicht angewendet. Sorry für den doppelten Kommentar.
+1 Diese Antwort verdient überhaupt keine Herabstufung. Die Kamera verarbeitet nur ein kleines JPEG als Miniaturbild, das dem Benutzer angezeigt wird, sie verarbeitet die Originalinformationen nicht, wenn RAW verwendet wird.
@Erica: Ich denke, was Sie sagen wollen, ist, dass die Kamerahardware a tone curveauf Rohbilddaten anwendet, was sie tun. Jeder Kanal wird durch Anwenden einer Tonwertkurve verarbeitet , die effektiv den richtigen Weißabgleich und Kontrast „hinzufügt“. In Wirklichkeit findet jedoch keine wirkliche Verarbeitung statt, die Tonwertkurve dämpft lediglich das Bild, wenn es auf einen Bildschirm gerendert wird. Wenn auf jeden Kanal eine lineare Tonkurve angewendet wird, kann der ursprüngliche Rohzustand immer noch angezeigt werden (obwohl das Bild eher trist aussehen würde).
@jrista: Das Endergebnis ist, dass, wenn jemand das Bild auf seinem Bildschirm öffnet, er sieht, dass ein RAW-Bild sich nicht wesentlich von dem entsprechenden JPG unterscheidet ... Ich habe nur versucht, den Unterschied auf praktischere Weise zu verdeutlichen weniger technischer Weg.
@EricaMarshall Wenn jemand das Bild auf seinem Bildschirm öffnet, werden die Rohdaten von der Anwendung, mit der man die Datei öffnet, in ein sichtbares Format konvertiert. Die Rohdaten aus der Datei werden nicht direkt ohne Verarbeitung angezeigt (es sei denn, die Anwendung zeigt das in der Kamera generierte Vorschau-JPEG anstelle der tatsächlichen Rohdaten an).

Ich denke, diese Frage kann besser von Wikipedia für die meisten technischen Aspekte beantwortet werden: http://en.wikipedia.org/wiki/Raw_image_format .

Im Allgemeinen ist RAW die exakte Ausgabe des Sensors. Es kann komprimiert werden oder nicht, aber der Hauptunterschied zwischen JPEG und RAW besteht darin, dass RAW ein verlustfreies Format ist. JPEG hat eine Tiefe von 8 Bit pro Pixel, während RAW so viele Bits haben kann, wie der Sensor hat. Um also von RAW zu JPEG zu gelangen, müssen Sie eine Menge Informationen verlieren, um beispielsweise von 12 Bit pro Pixel auf 8 Bit pro Pixel zu gelangen.

RAW-Formate werden von Kameras verwendet. Danach würden Sie bei der Nachbearbeitung ein TIF-Format verwenden, um so viele Informationen wie möglich beizubehalten. TIF ist auch ein verlustfreies Format und behält die gleiche Bittiefe wie RAW.

Aber das zum Generieren des Tiff aus der Rohdatei verwendete Demosaicing wird irreversibel eingebrannt. Die tatsächlichen monochromatischen Luminanzwerte von jedem Pixel gut im Sensor werden durch berechnete RGB-Werte für jedes Pixel ersetzt. Der Schwarzpunkt und die Farbtemperatur/wb, die zum Generieren dieser RGB-Werte verwendet wurden, können später nicht mehr rückgängig gemacht werden.

Wenn Sie sich das Bild ansehen würden, das Ihre Kamera ursprünglich aufnimmt, wären Sie davon enttäuscht. Nachdem ein Bild aufgenommen wurde, wird das Foto einer Nachbearbeitung innerhalb der Kamera unterzogen, um Farbe, Kontrast, Schärfe usw. zu verbessern.

Wenn Sie in RAW fotografieren, erhalten Sie ungefähr das gleiche Bild wie bei JPG, aber Sie erhalten alle Daten, die erforderlich sind, um die gesamte Nachbearbeitung in der Kamera "rückgängig zu machen", damit Sie es selbst anders machen können, wenn Sie möchten.

Wenn Sie in JPG aufnehmen, zeichnet die Kamera die Daten auf, verarbeitet das Bild und löscht dann diese "Rückgängig"-Daten, um Platz auf Ihrer Speicherkarte zu sparen.

Weitere technische Informationen finden Sie hier: http://en.wikipedia.org/wiki/Raw_image_format

Wenn Sie sich für einen Abschluss in RAW und Kameraverarbeitung qualifizieren möchten, sehen Sie sich diese Videos aus dem Google PhotoTechEDU-Vortrag an: http://www.youtube.com/watch#!v=7SuDOMhUUMg&feature=PlayList&p=F7C5C8C217CF2E13&index=1&playnext=1

Es als "Rückgängig"-Daten zu betrachten, funktioniert konzeptionell, ist aber technisch nicht korrekt. Und da die Frage "technisch" sagt....
Was ist RAW technisch gesehen?
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