Drei Kameras, und eine wählt von allein: welches Objektiv nachts wirklich arbeitet

Sie tippen auf «0,5x», und der Bildausschnitt wird weit. Sie tippen auf «5x», und der Mond füllt den Bildschirm. Dazwischen sitzt Software, die entscheidet, welcher Sensor des Moduls die Arbeit tatsächlich übernimmt, und in diese Entscheidung geht auch ein, wie viel Licht die Szene hergibt. Nachts ist Licht genau das, was fehlt. Ab da wählt das Telefon für Sie, und gelegentlich ändert es seine Meinung, während Sie noch belichten.

Der Zoomwert ist ein Etikett

Die Zahlen in der Kamera-App setzen einen Zoomfaktor, und ein Zoomfaktor hängt an keiner bestimmten Linse. Unter iOS öffnet die App fast immer ein virtuelles Gerät: Apples AVFoundation-Dokumentation beschreibt builtInTripleCamera als «einen integrierten Kameratyp aus drei Kameras fester Brennweite, einer Ultraweitwinkel-, einer Weitwinkel- und einer Telekamera», und ganz oben in der Funktionsliste steht der «automatische Wechsel von einer Kamera zur anderen, wenn Zoomfaktor, Lichtniveau und Fokusposition es zulassen».

Unter Android heißen die Bauteile anders, das Ergebnis bleibt dasselbe. Eine Logical Camera bündelt zwei oder mehr physische Kameras, und Googles eigene Seite warnt, was dabei herauskommt, «hängt vollständig von der OEM-Implementierung des Camera HAL ab»; als Beispiel dient ein Pixel 3, das anhand der angeforderten Brennweite und des Ausschnitts eine seiner physischen Kameras auswählt. Keine der beiden Plattformen verspricht Ihnen ein Objektiv. Versprochen wird ein Bildwinkel, und wie er zustande kommt, behält sich das System vor.

Lesen Sie die dreiteilige Bedingung noch einmal: Zoom, Licht, Fokus. Zwei davon haben Sie unter einem Sternenhimmel bis an den Anschlag getrieben.

Drei Objektive sind nicht eine Kamera in drei Brennweiten

Für ausgedehnte Objekte (die Milchstraße, einen Nebel, die Aufhellung durch die Straßenlaternen) ist die Rechnung kürzer als gedacht. Die Photonen, die pro Sekunde in einem Pixel landen, sind proportional zum Quadrat des Verhältnisses aus Pixelkantenlänge und Blendenzahl. Die Brennweite fällt aus der Gleichung heraus: Eine längere Brennweite sammelt mehr Licht und verteilt es auf ein kleineres Stück Himmel, und beide Effekte heben sich gegenseitig auf.

Nehmen wir Rechenzahlen, die Sie durch Ihre eigenen ersetzen: eine Hauptkamera mit f/1.8 und zusammengefassten Pixeln von 1,4 Mikrometern gegen ein Ultraweitwinkel mit f/2.2 und 1,0 Mikrometern. Das Verhältnis der beiden Signale liegt bei fast drei, also gut anderthalb Blendenstufen Rückstand für das Ultraweitwinkel, bevor überhaupt eine Belichtungszeit gewählt ist. Die kleinere Öffnung und das kleinere Pixel ziehen in dieselbe Richtung. Auf dem Verkaufskarton taucht diese Summe an Nachteilen nirgends auf.

Bei Sternen kippt die Rechnung auf halber Strecke. Ein Stern ist ein Punkt, und die Gesamtzahl der Photonen, die von ihm ankommen, hängt an der Fläche der Eintrittspupille, also am Quadrat des Verhältnisses aus echter Brennweite und Blendenzahl. Die Telekamera hat trotz der schlechteren Öffnung oft die größte Pupille im ganzen Modul, weil ihre Brennweite ein Vielfaches der Weitwinkelbrennweite beträgt. Im identischen Bild wird also der Himmelshintergrund schlechter und werden die Sterne besser. Welcher der beiden Effekte zählt, entscheidet das Ziel des Abends, und diese Entscheidung nimmt Ihnen niemand ab.

Die echten Zahlen stecken im Telefon

Die Größen für diese Rechnung sind bei Ihrem eigenen Gerät kein Betriebsgeheimnis: Das Betriebssystem rückt sie heraus. Unter Android meldet CameraCharacteristics die verfügbaren Brennweiten, die verfügbaren Blenden, «die physischen Abmessungen des gesamten Pixel-Arrays» und dessen Pixelzahl. Die Pixelkantenlänge ist das erste geteilt durch das zweite. Der reale Bildwinkel ergibt sich aus Brennweite und Sensorbreite, zwei Zeilen Trigonometrie.

Unter iOS liefert AVCaptureDevice die Eigenschaft lensAperture, «einen Float, der die Größe (die f-Zahl) der Blende angibt», mit einem Zusatz, den man sich merken sollte: «Dieser Wert ändert sich nicht.» Telefonkameras haben feste Blenden. Das Einzige, was die Blende zwischen zwei Aufnahmen verändern kann, ist folglich der Sprung auf ein anderes Objektiv.

Ohne eine Zeile Code geht es trotzdem. Die EXIF-Daten genügen. Brennweite und Blendenzahl stehen in jeder Datei, die das Telefon speichert, und das ist der kürzeste Weg zu der Frage, welches Objektiv das Bild wirklich gemacht hat.

Der Wechsel, der Ihren Stack zerlegt

Hier wird Apples Dokumentation für alle, die Hunderte Aufnahmen addieren, ausgesprochen interessant. Auf derselben Seite zur Dreifachkamera steht, dass «Belichtungsdauer, ISO, Blende, Weißabgleichsfaktoren oder Linsenposition sich auch im gesperrten Zustand ändern können, wenn das Gerät von einer Kamera zur anderen wechselt». Wenige Zeilen darüber, unter dem, was das virtuelle Gerät nicht unterstützt, stehen der manuelle Belichtungsmodus und das Fixieren des Fokus auf eine selbst gewählte Linsenposition.

Zwei Sätze, an denen ein ganzer Abend hängt. Der erste besagt, dass Ihre gesperrte Belichtungszeit mitten in der Serie aufhören kann, diese Zeit zu sein. Der zweite besagt, dass die Fokussierung auf unendlich, die man im Dunkeln von Hand erzwingen muss, auf dem virtuellen Gerät nicht einmal eine Anfrage ist, die die API annimmt.

Der Schaden am Stack kommt in drei Stufen. Die Belichtung ändert sich, und die Einzelbilder teilen keine gemeinsame Helligkeitsskala mehr. Der Abbildungsmaßstab ändert sich, weil die Brennweite gewechselt hat, und die Ausrichtung findet zwei verschiedene Geometrien in einer Serie vor: in AstroStackerPro wie in jeder Software, die nach der Aufnahme über den Sternvergleich ausrichtet, ist das eine Serie, die man vor dem Addieren teilen muss. Der Sensor ändert sich, und dann beschreiben Ihre Darks und Bias eine Elektronik, die in der halben Serie gar nicht in Betrieb war.

Wie man das Steuer zurückholt

Sie brauchen eine App, die Sie die physische Kamera wählen lässt. Unter iOS existieren Ultraweitwinkel und Tele als eigene Gerätetypen, builtInUltraWideCamera und builtInTelephotoCamera, und die Dokumentation weist darauf hin, dass sie sich nur über eine Discovery Session finden lassen: Wer sie Ihnen als getrennte Einträge anbietet, hat diese Arbeit erledigt. Für alle, die beim virtuellen Gerät bleiben, gibt es trotzdem einen dokumentierten Schalter, primaryConstituentDeviceSwitchingBehavior, dessen Wert locked bedeutet, dass «das Gerät den Kamerawechsel auf das aktive primäre Teilgerät festlegt». Der Android-Weg dorthin führt über setPhysicalCameraId() in der Ausgabekonfiguration und bindet einen Stream an genau einen physischen Sensor.

Draußen im Feld kostet die Kontrolle dreißig Sekunden. Machen Sie eine kurze Serie auf das Ziel des Abends, öffnen Sie dann die EXIF-Daten des ersten Bildes, eines aus der Mitte und des letzten, und vergleichen Sie Brennweite und Blendenzahl. Wenn sie sich bewegt haben, halten Sie den Schuldigen in der Hand. Halten Sie sich außerdem von den Zwischenwerten des Zooms fern: Zwischen zwei markierten Stufen bekommen Sie ohnehin einen digitalen Ausschnitt, und obendrein erlauben Sie dem System, erneut von vorn zu wählen.

Welches Objektiv sich den Abend verdient

Das Ultraweitwinkel kommt zum Zug, wenn das Feld das Motiv ist: der Milchstraßenbogen von Horizont zu Horizont, ein Polarlichtvorhang über den halben Himmel, eine Landschaft, die ganz ins Bild muss. Bezahlt wird in Rauschen. Wie viel, sagt Ihnen die Rechnung von oben.

Die Hauptkamera bleibt der Ausgangspunkt für alles Übrige, und dafür gibt es mehr als Gewohnheit: Sie ist der größte Sensor im Modul, hat die offenste Blende und die größten Pixel, und sie ist die einzige, die um den Lichtmangel herum konstruiert wurde.

Die Telekamera verdient sich den Mond, die Sonne hinter einem zertifizierten Filter, enge Konjunktionen, einen Überflug der Raumstation. Das sind kleine oder helle Ziele, bei denen eine große Pupille und ein feiner Abbildungsmaßstab schwerer wiegen als ein steigender Himmelshintergrund.

Ihr Telefon betrügt Sie nicht. Es optimiert für das Abendessen im Restaurant und den Sonnenuntergang am Meer, was neunundneunzig Prozent seiner Arbeit ausmacht, und darin ist es hervorragend. Sie haben es allerdings auf den Himmel gerichtet, und dann ist die einzig verlässliche Konfiguration jene, die ihm eine Entscheidung aus der Hand nimmt.