Pixelmannia

Zum wiederholten Male (ich hatte mich schon mal damit beschäftigt) heute mal wieder mein Hauptaugenmerk auf Digitalkameras, genauer gesagt ihre CCD/CMOS-Sensoren. Die Problematik ist recht einfach erklärt: Seit es die Sensoren gibt, packt man immer mehr Pixel drauf, auch wenn das nun seit zwei Jahren anscheinend zum Stillstand gekommen ist. Analog, wie der Computer über immer mehr Speicher verfügen muss, hat eine Digitalkamera immer mehr Pixel.

Doch anders, als bei einem RAM-Baustein, kommt es nicht nur darauf an, eine Ladung zu speichern, sondern in endlicher Zeit möglichst viele Photonen, die dann Elektronen aus dem Halbleitermaterial herausschlagen. Je mehr Pixel drauf sind, desto kleiner ist die Fläche jedes Pixels, desto weniger Photonen fallen pro Zeiteinheit drauf und desto weniger Elektronen werden herausgeschlagen. Die Folgen sind drastisch:

Das Rauschen steigt an, weil zu einem konstanten Eigenrauschen ein immer kleineres Nutzsignal an. Das drückt sich in verrauschten Bildern aus, oder Kameras rechnen es weg, wodurch je nach Algorithmus die Farben knallig oder die Details weich gezeichnet werden.

Man bewegt sich immer mehr in Richtung „Schönwetterkamera“. Eigentlich sind CCD/CMOS Sensoren empfindlicher als fotografischer Film. Meine alte 3-MP-Kamera kann ohne Problem bei Tag innerhalb des Hauses Aufnahmen machen, bei starkem Deckenlicht und ruhiger Hand auch bei Kunstlicht ohne Blitz. Bei viel kleineren Sensoren ist das fast unmöglich.

Die Lösung? Nun es gibt viele. Das eine sind größere Sensoren. Bei Digitalkameras sind Sensorgrößen von 1/2.5″ und 1/1.8″ üblich. Die ersten haben beim 4:3 Format Abmessungen von 5,8 x4,3 mm und die anderen 7,2 x 5,3 mm. Typischerweise packt man heute auf die ersten 8-10 MP und die zweiten rund 12-14 MP. Ein Pixel ist dann nur noch 3 µm² groß, also rund 1.7 x 1.7 µm. Das ist verdammt wenig, nur rund die dreifache Wellenlänge des Lichts. Wenn man die Sensoren größer machen würde, wäre es kein Problem mehr Pixel drauf zu packen. Es gibt ja auch Sensoren im 35-mm-Format, also wie bei alten Negativen (35 x 24 mm). Selbst wenn diese 50 MP aufweisen (derzeit so das Maximum) ist jedes Pixel noch 16.8 µm² groß, belegt also die 5-fache Fläche und ist um den Faktor 5 lichtempfindlicher oder rauschärmer.

Das wäre eine Entwicklung wie bei anderen Geräten. Wenn man einen Fernseher mit 52° Diagonale kauft, ist der ja auch teuer als einer mit 32″. Größere Sensoren haben allerdings auch Folgen. Das Gehäuse wird größer, die Optik ebenso. Auf der anderen Seite sinken die Ansprüche. Die Ansprüche an die Optiken sind bei den kleinen Pixeln sehr hoch – und sie werden nicht von jeder Kamera gehalten. Natürlich gehen dann bei kompakten Kameras keine 20-fach Zooms. Doch habe ich Zweifel an deren Nutzen. Je größer der Zoombereich, desto ruhiger muss man die Kamera halten, bzw. wenn man das Zittern einfrieren will, muss man die Belichtungszeit stark reduzieren. Das ist natürlich kontraproduktiv, wenn man sowieso lichtempfindliche, kleine, Pixels hat.

Es würde dann zu verschiedenen Klassen kommen – kompakten Knipserkameras mit kleinen Gehäusen und wenigen Pixeln und Kameras mit größeren Gehäusen und mehr Pixeln.

Das Zweite wäre es, für qualitätsbewusste Anwender eben auch Kameras mit weniger Pixeln anzubieten. Hier sehe ich allerdings am wenigsten Chancen. Denn das Umdenken beginnt erst, wenn man mal verwaschene oder verrauschte Bilder hat und man die gestochen scharfen eines Kollagen mit einer alten Kamera sich ansieht.

Die dritte Lösung wird wohl die einfachste aber auch suboptimale sein, das „Binnen“. Unter diesem Fachausdruck versteht man das Zusammenfassen von mehreren Pixeln. Das ist bei astronomischen Sensoren üblich um das Eigenrauschen zu unterdrücken. Es muss aber auf dem Chip implementiert sein und nicht erst nach Digitalisierung der Signale. Denn dann hat man ja schon das Rauschen mit verstärkt. So könnte man 2 oder 4 Pixel zusammenfassen. Am geeignetsten wäre die 2×2 Pixeladdition, da dies die Größe einer Elementarmaske ist, die über dem Chip liegt. Als Folge würde die Farbechtheit erhöht werden, weil schon ohne Binning sich die Farbinformation auf vier Pixel verteilt. Aus einem 12 MP Modell würde aber dann eine 3 MP Kamera werden – das ist für viele wohl zu wenig. Die heutigen Kameras nutzen meist kein Binning, sondern nehmen bei kleineren Formaten eben einfach nicht jedes Pixel.

Die Frage ist übrigens, wofür man so viele Pixel braucht. Ich will hier zwei Argumente dagegen anführen. Jedes Bild muss ja irgendwann angesehen werden. Da sind heute Monitore mit maximal 2560 x 1600 Pixeln. Das sind 30″ Monster, die nur bedingt kompatibel mit heutigen Schreibtischen sind. Viele haben noch einen 22″ mit 1680 x 1050 Pixeln. Das sind 4 bzw. 1.7 MPixel. Dass wir jemals Monitore bekommen, die 12 MP anzeigen ist unwahrscheinlich, denn dann sind die Pixel so klein, dass man sie mit dem Auge nicht mehr erkennen kann.

Beim Ausdruck sieht es auch nicht besser aus. Handelsübliche Belichter in Labor haben Auflösungen von 200 Zeilen (400 Pixeln) pro Zoll. Beim 10 x 13 Format sind das also rund 1600 x 2000 Pixel. Nun kommt natürlich immer das Argument mit den Vergrößerungen. Das Problem: Vergrößert an, dann nimmt auch der Abstand ab, denn aus 20 cm Entfernung kann man kaum ein DIN-A3 Blatt überblicken. In der Summe benötigt man also nicht mehr Auflösung. Mehr Auflösung braucht man nur für den Fall, dass man einen kleinen Ausschnitt manuell in der Bildverarbeitung ausschneidet, als neues Bild speichert oder ausdruckt und bei der Erstellung vergessen hat, die Zoomfunktion zu benutzen. Okay, und das machen dann 90% der Anwender? Wohl eher 1%.

Im Prinzip muss sich die Auflösung nach dem Auge richten. Dessen Auflösung beträgt je nach Umgebungsbedingungen 60 bis 120 Bogensekunden, das sind in 35 cm Abstand, (einem typischen Betrachtungsabstand von kleinen Fotos) 0.1 bis 0.2 mm. Daher sind 400 Pixel pro Zoll (0,635 mm/Pixel) schon mehr als genug. Da man nur einen sehr kleinen Bereich bewusst wahrnimmt und auch dieser sich verschiebt, ist es relativ blödsinnig große Fotos mit hoher Auflösung zu erstellen, die keiner bewusst wahrnehmen kann.

So gesehen, reicht sowohl für die Betrachtung am Monitor wie auch den Ausdruck ein 3 MP Modell schon aus, ja mit Abstrichen auch ein 2 MP Modell. Natürlich kann man auch die Anforderungen hochtreiben. CCDs für die Astronomie haben Pixelflächen von 25-144µm²m, lassen also auch professionelles Fotoequipment alt aussehen. Doch sie sind eben für Langzeitbelichtungen oder extreme Anforderungen konzipiert. In der Industrie finden sie auch Anwendung wenn die Belichtungszeit extrem kurz ist, z.B. bei laufenden Fließbändern Flaschen auf Defekte untersucht werden müssen. Ich schließe mich der Meinung von 6MP.org an. Diese Website vertritt die Meinung das bei 6 MP die beste Auflösung bei noch minimalem Rauschen vorliegt und es danach schlechter wurde. Allerdings berechnet diese Website den Wert anhand von 2/3″ Sensoren, die man heute nicht mehr findet. Für die kleineren 1/2.5″ und 1/1.8″ Sensoren sind dies nur 4 bzw. 2.7 MPixel. Und das ist denke ich auch für praktische Zwecke mehr als auseichend.

4 thoughts on “Pixelmannia

  1. Meiii, da sind wir ja beinahe mal wieder derselben Meinung; aber nur beinahe. Den Pixelwahnsinn bei den digitalen Kameras halte ich auch für verrückt und meine, dass 12MP in den meissten Fällen völlig ausreichend sind. Allerdings will ich als „vielknipser“ evtl. wirklich mal Detailausschnitte später am PC vergrössern, weshalb ich diese Auflösung für brauchbar/sinnvoll halte. Und wegen der Rauschproblematik will ich einzig und allein eine Kamera mit „Vollformatsensor“, also mit 36 x 24 mm Grösse. Der Haken ist dabei im Augenblick noch der Preis, weil die vernünftigen semiprofessionellen Spiegelreflexkameras nicht unter etwa 800€ zu haben sind. Und was anderes als eine Spiegelreflexkamera kommt mir eh nicht ins Haus! – Allein schon deshalb, weil ich gern mal mit unterschiedlichen Objektiven fotografiere. Von den „digitalen Zooms“ halte ich nicht viel. Und die Kamera soll auch mal an ein Teleskop „anklemmbar“ sein, wenn ich denn mal eines habe, so das ich mich an Astrofotografie versuchen kann.
    Ein weiteres Argument für die hohen Auflösungen wären evtl. noch „Dia-Shows“, wobei der Diaprojektor jetzt allerdings durch den Beamer ersetzt wird. Dabei hat man dann zwar das Problem, das der Beamer mit der Auflösung ebenfalls klar kommen muss, aber das ist ja nicht neu.

    Das sogenannte „Binnen“ finde ich interessant. Aber die Lösung geht mir dann doch schon stark in den Profibereich, wo ich eher Mittelformate wie beispielsweise 60 x 60 mm oder mehr erwarten würde. Dann sich darf die Auflösung auch ruhig vierteln. Wenn ich richtig gerechnet habe, ergibt ein 50 MP-Sensor von 60 x 60 mm Abmessungen immer noch eine Pixelgrösse von 71µm², was nach diesem Blogbeitrag immer noch im Bereich der Spezialsensoren liegt.

  2. Ich beziehe mich explizit auf die Konsumerkameras. Natürlich kann man im SLR Format viel größere Sensoren einsetzen und dann auch mehr Pixels nutzen. Selbst APC-C hat mit 22 x 15 mm ein vielfaches der Chipfläche der normalen Sensoren. (Größe siehe Artikel). Das bedeutet: bei gleicher Pixelfläche ist es gar kein Problem dort 12 MP oder noch mehr unterzubringen. Nur mal las Beispiel: Würde man das 6MP Kriterium für 2/3 Zoll Sensoren auf APS-C übertragen so wären das schon 40 MP.

    Doch es geht nicht um SLR. Die Kameras haben Vorteile, aber sie sind auch teuer, nicht westentaschenfähig. Es geht um kompaktkameras Was ich möchte ist einfach nur ein 3 MP Modell mit moderner Elektronik, für das ich auch gerne den Preis einer verrauschten 12 MP Kamera zahlen würde.

  3. Hm, okay. Das hab ich aus dem Artikel so zwar nicht herasus gelesen, ist aber ein Standpunkt, den ich respektiere. Die kompakten Kameras haben ihre Vorteile, die sich nicht wegdiskutieren lassen. Aber ich bin mittlerweile so auf Spiegelreflex eingeschossen, das ich auch dabei bleiben will. Wenn ich dann mal nicht alle Ausrüstung mitnehmen kann oder will, nehm ich halt nur das Standardobjektiv mit. Das reicht ja in vielen Fällen schon aus, aber eben nicht in allen… 😉

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