Warum Pixel nicht gleich Pixel sind!

In jedem Elektro-Supermarkt findest Du sie: Die Werbung für eine neue Digitalkamera. Und was prangt dort in Riesenzahlen als DAS Unterscheidungsmerkmal? Die Mega-Pixelanzahl! Die Werbung versucht uns zu suggerieren, dass mehr Pixel auch automatisch bessere Bilder bedeutet. Das geht sogar so weit, dass manche Hersteller mit einer errechneten Auflösung prahlen. Nur leider stimmt dies nicht!

Nach obenAusflug in die Schulzeit: kleiner Physikunterricht

Foto: normaler CCD/CMOS Sensor
normaler CCD/CMOS Sensor
schematische Anordnung der Rot-Grün-Blau Beschichtung (Bayer-Mosaik)

 

Ein Pixel eines digitalen Fotos hat keine reale physikalische Größe. Ein Pixel ist vielmehr ein mathematischer Wert, welcher die Position und die Farbinformation eines Bildpunktes beinhaltet. Und woher kennt dieses Pixel seine Informationen? Die Daten erhält das Pixel vom Bildsensor. Klingt so einfach, ist aber schwer kompliziert.

Der Bildsensor besteht wiederum aus vielen Fotodioden. Diese registrieren die Helligkeitsinformationen, die durch das Objektiv auf den Bildsensor treffen, und wandeln diese in elektrische Ladung um. Die Ladezustände werden temporär gespeichert, danach von der Kamera-Elektronik ausgelesen und zu einem Foto verarbeitet, welches auf die Speicherkarte geschrieben wird.

Damit ein Bildsensor neben reinen Helligkeitswerten aber auch Farben „sehen” kann, muss man ihm ein wenig auf die Sprünge helfen. Dazu wird über die Fotodioden ein Mosaik aus Farbfiltern gelegt. Diese Farbfilter lassen nur den jeweiligen Farbanteil des Lichtes passieren, die der eigenen Farbe entspricht. Das Pixel hinter dem Filtermosaik erhält also nur eine von drei RGB-Farbinformationen.

Um unserer Wahrnehmung am besten zu entsprechen, sind 25% der Photodioden rot-, 25% blau- und 50% grün-empfindlich (Verteilung gilt für einen „normalen/standard” Sensor).

„Ups, heißt das, dass meine 8 MB Kamera nur 2 Millionen Pixel der Farben Rot und Blau und 4 Millionen Pixel der Farbe Grün erfasst?” - Genau, so ist es leider. Der Rest der Bildinformation wird nicht gespeichert sondern von dem Prozessor in Deiner Kamera hinzugerechnet. Der Algorithmus, um die fehlenden Informationen zu errechnen, ist erheblich mitentscheidend für das Aussehen Deines Fotos.

Wenn Du nun annimmst, dass RAW-Format Fotos alle Informationen beinhalten, dann irrst Du leider. Hier werden nur die Rechenoperationen vom Kamera-Prozessor zum HeimPC-Prozessor und der RAW-Software verlagert. So hast Du die Möglichkeit, auch noch nach der Aufnahme eine Vielzahl von Parametern (wie zum Beispiel den Weißabgleich, den Farbraum und einiges mehr) zu optimieren.

Nach obenneue Sensor-Techniken

Foveon X3
Da die verschiedenen Farben unter- schiedliche Wellenlängen haben, dringt die jeweilige Farbe nur bis zur „richtigen” Schicht vor.

 

Color Filter Array 2.0
Die Anordnung integriert Pixel-Elemente ohne Farbfilter. Dies erhöht die Luminanz und somit die Lichtempfindlichkeit.

 

Fujifilm Super CCD
Durch 2 unterschiedliche Photodioden erreicht der Fuji-Sensor eine höhere Dynamik

 

Die kalifornische Firma Foveon suchte einen anderen Weg zum Digitalfoto und besann sich dazu auf den analogen Film. Der Foveon-X3-Sensor hat, so ähnlich wie der analoge Film, 3 übereinander liegende Schichten von Fotodioden, von denen jede eine der Grundfarben verarbeitet.

Ein Foveon-X3-Pixel beinhaltet deshalb auch alle drei Grundfarben - Farb-Filter und nachträglich errechnete Bildanteile sind daher überflüssig.

Schematischer Vergleich zwischen einem Foveon X3 Sensor (oben) und einem Bayer-Mosaik (unten)

 

Einen weiteren Sonderweg beschreitet Fujifilm mit dem Super-CCD-SR-Sensor. Die Pixel sind hier achteckig statt quadratisch und können so auch die Lichtinformationen der Nachbar-Sensoren mit verarbeiten: Eine gesteigerte Lichtausbeute ist die Folge.

Zudem besteht jedes Pixel aus zwei Fotodioden. Eine deckt den normalen Empfindlichkeitsbereich ab, die 2. ist weniger empfindlich und misst daher nur die sehr intensiven Anteile des einfallenden Lichtes. Aus beiden Teilinformationen errechnet die Kamera dann das Gesamtbild. Der Sinn besteht darin, den Dynamikumfang (den Quotienten aus dem größten und dem kleinsten Helligkeitswert des Fotos - siehe auch Wikipedia) zu erweitern.

Der Color Filter Array 2.0 Fotosensor hat durch seine veränderte Anordnung eine sehr hohe Lichtempfindlichkeit, welche selbst bei sehr schwachem Licht zu guten Bildern führt. Durch eine neue Aufbaumethode des Imagesensors soll die Empfindlichkeit um bis zu viermal erhöht werden können. Die Technik könnte in Handys ihr erstes Einsatzgebiet finden.

Nach obenHier herrscht Gedränge!

Foto: Größenvergleich unterschiedlicher Sensoren
Größenvergleich unterschiedlicher Sensoren
rot - Kleinbildfilm
blau - Digi-Kompaktkamera

 

Fast jedes Monat erscheinen neue Kameras mit immer mehr Mega-Pixel. Nur die Kameras selbst werden dabei nicht größer. Will ja auch kein Kunde haben, oder? Damit bleibt die Bildsensorfläche aber auch gleich groß (hier wäre es besser, klein zu sagen). Aber das bedeutet, dass auf dieser Fläche nun noch mehr Fotodioden untergebracht werden müssen.

Ein Größenvergleich zur Veranschaulichung: Ein Kleinbildfilm hat die Bildfläche von 24 x 36 mm (somit 864 mm²). Ein typischer Bildsensor einer digitalen 3 MB Kompaktkamera aber nur 7,2 x 5,4 mm (somit nur mehr 39 mm²). Das sind nur 4 % der Kleinbildfläche! Damit bleibt für die Größe einer Fotodiode/Pixel nur mehr der Platz von ca. 12 Tausendstel Quadratmillimeter. Eng, eng! Und da soll ein vernünftiges Foto daraus werden?

Nun, die Miniaturisierung funktioniert recht gut, aber derzeit noch nicht beliebig. Einerseits versucht die Technik die Dioden noch kleiner zu produzieren (derzeit liegt man bei ca. 7 Tausendstel Quadratmillimeter), andererseits verringert man den Abstand zwischen den Dioden kontinuierlich. Das Ergebnis ist oftmals stark erhöhtes Bildrauschen!

Auch aus diesem Grund greifen Profis und ambitionierte Amateure zu größeren DSLR-Kameras. Durch die größere Bauform ist mehr Platz für den Bildsensor und es müssen nicht ganz so viele Fotodioden nebeneinander gedrängt werden. Der Signal-Rausch-Abstand ist bedeutend besser.

Nach obenVergiss doch den Pixelwahn!

Die Frage „Was ist denn jetzt die richtige Pixelanzahl?” mag Dir nun durch den Kopf schießen. Die Antwort ist simpel und vielleicht unbefriedigend: „Kommt darauf an was Du mit Deinem Bildern machen möchtest.” Ein Beispiel: Du (oder der Bilderdienst) druckst Deine Bilder hauptsächlich im Format 10 x 15 cm aus oder Du zeigst Deine Bildershows am Fernseher her. Dann reicht eine 3 Mega-Pixel Kamera vollkommen.

„Gut, aber ab und zu möchte ich einen größeren Auszug haben. Was mache ich dann?” Zahlreiche Firmen (z.B. Digiposter) haben sich genau auf diese Aufgaben spezialisiert. z.B. reicht eine 6 Mio Pixel Bild für ein Poster bis zu 90 x 120 cm vollkommen aus.

Nach obenDie 4 häufigsten „Pixellügen”!

Unter dem Titel Die „Flut” der kleinen Pixel oder der „Fluch” der kleinen Pixel? stoßen die Mitarbeiter der Firma Image Engineering (ein unabhängiges Testlabor für digitale Kameras, das unter anderem die Tests für die Zeitschriften Color Foto und c’t durchführt) ins gleiche Horn: Beste Bildqualität mit 6 Megapixeln! (gilt nur für Kompaktkameras)

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Nach obenBisher gibt es für diese Seite 8 Kommentare

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Claude Michels Luxemburg
schrieb am 7. Mai 2006

Super Seite!
Jetzt bin ich endlich klüger!

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Herbert Grün
schrieb am 21. Jänner 2008

klasse sache

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Hans Roland Meyer (E-Mail-Adresse bekannt)
schrieb am 5. August 2010

Technische Aufklärung gleicht dem Kampf Don Quixotes mit den Windmühlenflügeln, solange technische Apparate überwiegend als Statussymbol eingesetzt werden. Teuer, viele Mega- Giga- oder sonstiger Hipp und Hopp, einfach zu vermitteln und sichtbar. Ich vermute, dass diese Seite nur von denen beachtet wird, die diese Aufklärung nicht brauchen.

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Simon (E-Mail-Adresse bekannt)
schrieb am 11. Dezember 2010

Hallo,
vielen Dank für die super Infos. Beim Absatz: "Hier herrscht Gedränge!"
Ich habe mir vor einer Woche eine Panasonic LX5 gekauft. die hat einen Sensor 1/1.63" Das sind ja 41.4mm x 25.4mm. Ich vermute, dass die Kamerahersteller genau das mit dem Pixelgedränge erkannt haben und nun größere Sensoren verbauen.
Seht ihr das auch so?

 

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Alexander Pöschel (Admin)
schrieb am 11. Dezember 2010

Servus Simon,
zu Deiner Frage kann ich leider nur orakeln, warum der Hersteller diese Chipgröße gewählt hat. ;) Ganz sicher war Deine Vermutung richtig, dass Panasonic bei
der Auswahl der Sensorgröße das Pixelgedränge / Rauschen reduzieren wollte.
LG, Alexander

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Satzman (E-Mail-Adresse bekannt)
schrieb am 12. Dezember 2010

Schade, hätte ich diese Seite nur vorher gefunden: Ich habe lange Zeit mit der Finepix S7000 mit 6 MP fotografiert. Da diese jetzt schlapp machte, habe ich mir die Finepix S2800HD mit 14 MP geholt und dachte, die ist kaputt... so verrauscht wird jedes Bild, selbst bei niedrigen ISO-Werten. Aber jetzt weiß ich ja warum. Danke für die super Ausarbeitung.

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Rolf Schneider (E-Mail-Adresse bekannt)
schrieb am 17. Juni 2014

Hier steht fundierte Information statt hohlem Werbegeschrei! Selbst im Bereich der industriellen Bildverarbeitung kämpft man mit dem Pixelwahn: Immer mehr Megapixel auf sehr kleinen Sensoren. Vorteil: kleine Sensoren sind billig. Nachteil: Das Objektiv muss so ein Minibild auch auflösen können, und mittlerweile werden teils Sensoren verkauft, deren Bild kein Objektiv der Welt mehr darstellen kann.

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Emily Puchner (E-Mail-Adresse bekannt)
schrieb am 16. Februar 2016

Hallo, super erklärt! Danke.

Ich hab da mal ne Frage:
Darf ich die Seite für meine Vorwissenschaftliche Arbeit verwenden? Dh. von der Seite zitieren? Wenn ja, wann ist das letzte Änderungsdatum dieses Artikels und wer hat ihn verfasst?

Vielen Dank,
LG Emily Puchner

 

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