Auch dieses Jahr wird unter dem Weihnachtsbaum die eine oder andere Digitalkamera liegen. Die darin enthaltenen Chips haben in letzter Zeit die Fotografie revolutioniert. Nun wollen Forscher der Rochester-Universität im US-Bundesstaat New York die Chips selbst revolutionieren. Sie sollen mit Techniken versehen werden, mit denen der Stromverbrauch der lichtempfindlichen Siliziumplättchen drastisch reduziert wird. Zudem sollen die Bildsensoren so schrumpfen, dass nun der Bau von knopfgrossen Kameras, die jahrelang mit einer Batterieladung laufen, möglich wird.
Den Wunderchip ausgeheckt haben Mark Bocko und Zeljko Ignjatovic vom Institut für Elekt-ro- und Computeringenieurwesen besagter Universität. Dieser basiert auf zwei Grundtechniken. Zum einen werden die Bilder bereits auf der Stufe der einzelnen Pixel digitalisiert. Zum anderen wird das Bild mit einer Methode komprimiert, die hierfür weniger Schritte braucht und daher effizienter ist als bisherige Verfahren. «Diese beiden Methoden lassen sich kombinieren oder auch einzeln implementieren», erklärt Bocko. «Gemein ist ihnen, dass sie den Energieverbrauch senken helfen», ergänzt er.
Die erste in Entwicklung stehende Technik integriert einen «Sigma Delta» genannten Analog-Digital-Wandler an jeder Pixelstelle auf einem Cmos-Sensor (Complementary Metal Oxide Semiconductor). Bisherige Versuche, diese pixelbasierte Signalverarbeitung vorzunehmen, brauchten zu viele Transistoren, die zu wenig Platz liessen, um das Licht noch zu sammeln. Das neue Design braucht für den Umwandlungsprozess nur drei Transistoren pro Pixel. Licht kann somit auf die Hälfte des Pixels einwirken. Erste Tests haben ergeben, dass bei einem Video mit 30 Aufnahmen pro Sekunde 0,88 Nanowatt pro Pixel Strom verbraucht wird. Das ist 50 Mal weniger als in derzeitigen Verfahren üblich.

Nicht nur der Stromverbrauch wird reduziert, gleichzeitig wird auch der Dynamikbereich der Aufnahmen, also der Unterschied zwischen dem dunkelsten und hellsten Bildpunkt, erhöht. Während bei herkömmlichen Sensoren ein Verhältnis von 1:1000 erreicht wird, könnten die Rochester-Chips einen Bereich von 1:100000 abdecken.
Auch die Kompressionsmethode des Duos hat es in sich. Herkömmliche Verfahren wie das bekannte jpeg vergleichen die Bildsegmente mit einer Reihe von Cosinus-Kurven. Dies erfordert die Multiplikation mit Bruchzahlen, was wiederum viel Rechenleistung in Anspruch nimmt. Die Forscher haben nun die Pixel so angeordnet, dass sie genau beim Cosinuswert «1» zu liegen kommen. Dadurch entfallen die Multiplikationen.