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EDITORIAL

aus Heft Nr. 11 / 2000


Wie viel Pixel der Praktiker braucht

Rasend entwickeln sich die Digitalkameras weiter. So schnell, dass man inzwischen schon sehr gute Kameras im Ausverkauf um rund 4000 Schilling mit einer Größenordnung von 1 Mio. Pixel bekommt. Oder wenn man nur ein bisschen drauflegt, sogar eine einfache neue mit Megapixel-CCD. Also nicht mehr so dramatisch teurer als Kameras für chemischen Film.

An der Zahl der Pixel des CCD-Bildwandlers erhitzen sich die Gemüter. Die einen meinen, für optimale Ergebnisse müssten es 6 Mio. Pixel sein, die anderen meinen, es reichen 2 Mio. Pixel vollauf aus.

Ich sage: Das Bild braucht nicht mehr als 2,5 Mio. Pixel. Und: Der CCD-Wandler muss 10 Mio. Pixel liefern. 10 Mio. Pixel stehen nicht in so ferner Zukunft. Von Bildwandlern für den Massenmarkt mit 6 Mio. Pixel war bereits offiziell die Rede, von 10 Mio. Pixel wird noch nicht so offen - aber doch - gesprochen.

Dem Hersteller für Digitalkameras stellen sich vor allem drei große Herausforderungen:

Auf der anderen Seite stellt sich für den anspruchsvolleren Anwender eine weitere - ganz andere - Anforderung: Der Bildwandler soll so groß sein wie der Kader im Kleinbild-Film. Solcherart können Objektive und Zubehör der vertrauten Systemkameras weiterhin wie gewohnt genutzt werden. Das ist insofern - um dieses Thema gleich vorweg abzufertigen - ein Problem, als die Objektive für CCD-Bildwandler optimiert sein sollten. Das heißt, dass das Licht so ausgerichtet werden muss, dass es im rechten Winkel auf den CCDBildwandler auftrifft. Ansonsten gibt es Abschattungen und Überstrahlungen vor allem in den Randbereichen des Bildes. Dies ist sehr geringfügig. Aber der Benutzer einer Systemkamera hat mit Kompromissen typischerweise nicht viel am Hut. Die Objektive für den Foto-Film sind daher genau genommen nicht ganz optimal.

Die kleinen CCD-Bildwandler haben erst so klein gebaute Kameras ermöglicht. Trotz großem Zoombereich, trotz hoher Lichtstärke. Ein plastisches Beispiel dafür ist die Olympus E100, deren Objektiv hinsichtlich Brennweitenbereich und Lichtstärke bei einer Kleinbild-Kamera ein mittleres Fernrohr wäre.

Das Problem mit hoher Auflösung bei CCD-Bildwandlern ist dasselbe, wie hohe Auflösung bei Fotomaterial: Je feiner die Detailauflösung, desto weniger Licht steht pro Pixel - oder Korn - zur Verfügung. Das Silberbromid muss genügend Licht für die chemische Veränderung bekommen, der Sensor für den Pixel braucht ein gewisses Quantum, um ein auswertbares Signal liefern zu können. Die untere Grenze ist ein Photon um die erste Stufe der Tonwertveränderung hervorzurufen. Darunter geht einfach nichts. Je größer also die Aufnahmefläche für eine Bildeinheit ist, desto mehr Photonen kann eine Bildeinheit erwischen und umso lichtempfindlicher wird der Sensor oder das Filmmaterial. Wenn bei sehr wenig Licht sehr wenig Photonen vorhanden sind, kann man das Signal zwar elektronisch verstärken oder den Film forciert entwickeln, aber es wird dennoch ein griesliges Bild (Bildrauschen) entstehen, weil auf manche Sensoren ein Photon auftrifft, auf manche aber nicht. Weil einfach zu wenige vorhanden sind.

Beispiel: Wenn es eine Fläche mit 100 Sensoren gibt und es wird eine Fläche in gleichmäßiger Farbe fotografiert, und das Licht ist so schwach, dass dabei nur 50 Photonen auf die Sensoren-Gruppe für die Belichtung der 100 Sensoren zur Verfügung stehen, wird jeder zweite Sensor leer ausgehen. Wenn man aber auf dieselbe Fläche 50 Sensoren unterbringt, wird mit hoher Wahrscheinlichkeit jeder Sensor ein Photon bekommen und das Bildergebnis wird eine homogen gefärbte Fläche ergeben. Die Auflösung des Gesamtbildes ist zwar dann geringer, aber der eigentliche Witz - ein einigermaßen anständiges Ergebnis - ist erreicht. Schließlich nur theoretisch, denn dennoch werden dann auf manche Zellen zwei oder gar kein Photon auftreffen. Und mit einem Photon kann man dann erst Schwarz darstellen, es muss also genug Licht vorhanden sein um einen brauchbaren Tonwertumfang zu schaffen.

Also: Wenn jemand erzählt, er kann einen Bildwandler bauen, der mit nahezu ohne Licht auskommt, dann mag das vielleicht sogar gelingen, das Bild kann aber nie einen Tonwertumfang in akzeptabler Qualität liefern. Es sind dann einfach zu wenig Photonen im Spiel, die den Unterschied zwischen Schwarz und Weiß ausreichend abstufen könnten. Bei Video gibt es die Möglichkeit, sich mit schleppend langen Verschlusszeiten zu helfen, bei Digitalfoto sowieso. Die Grenze der Belichtungsdauer zeigt sich dann in ansteigendem Rauschen; schließlich liefert der CCD-Wandler ein analoges Signal, das derartige Eigenheiten bekanntlich bietet.

Das ist also das uralte Grundproblem. Sobald also eine Technologie so weit ist, bereits nur ein Photon zu registrieren, ist die Grenze für die weitere Steigerung der Lichtempfindlichkeit erreicht. Eine weitere Verbesserung der Lichtempfindlichkeit kann also nur erzielt werden, wenn die einzelnen Sensoren größer werden. Wenn also die Auflösung erhöht wird, gibt es eine physikalische Grenze dafür, ab welcher Auflösung gleichzeitig der Gesamtsensor größer werden muss. Die Lichtstärke des Objektivs - die auch mithelfen kann - hat irgendwo ihre sinnvolle Grenze, da mit zunehmender Lichtstärke die Objektive rasant teurer und auch größer werden.

Auf der anderen Seite sind aber die Anwender ganz gierig nach Pixel-Zahlen. Je mehr desto besser. Das Ergebnis davon ist also, dass in dunklen Bildbereichen - wo dann nicht mehr für jeden Einzelsensor ein Photon übrig ist - das gefürchtete Bildrauschen einsetzt. Bis zu einem gewissen Grad kann das Bildrauschen bei der elektronischen Bildwandlung durch Rechenoperationen auf ein erträgliches Maß gebracht werden.

Nächstes Problem, das hier nicht so ausführlich abgehandelt werden soll, weil wir bereits im letzten Heft darauf eingegangen sind: Auf dem Bildwandler ist nicht jeder Sensor für das gesamte Farbspektrum empfindlich, sondern nur für eine von drei oder vier Farben. Es sind also in einer Gruppe von vier Sensoren beispielsweise - hierbei gibt es verschiedene Lösungen - zwei für grün, einer für rot und einer für blau. Das bedeutet, dass sich die Auflösung in Wirklichkeit nur auf die Helligkeitswerte bezieht. Da jeder Pixel für einen Pixel im Bild verwendet wird, werden die Farben durch Auswerten der jeweils benachbarten Pixel "geraten". Mit - übrigens bewundernswert - extrem hoher Treffsicherheit, aber dennoch: geraten. Wenn also beispielsweise ein Punkt im Motiv rot ist, der so klein ist, dass er gerade die Fläche eines Pixel-Sensors abdeckt, wird der für diesen Pixel errechnete Farbwert auf jeden Fall falsch sein. Denn die ihn umgebenden Pixel sehen bereits einen anderen Teil des Motivs, der eine andere Farbe hat.

Um eine verlässlich zutreffende Farbmischung zu erreichen, werden die Messwerte von vier oder zumindest drei Pixeln benötigt. Deswegen 10 Mpx am Bildwandler für ein Bild mit 2,5 Mpx. Das wird noch eine Weile dauern.

Bis zum nächsten Mal,

Ihr

Felix Wessely

Nachtrag im Frühling 2007: Diese "Weile" hatte bis Frühling 2007 gedauert als Canon mit der EOS 1D Mk3 eine SLR vorgestellt hatte mit 10-Mpx-Bildsensor mit einem wählbaren Modus für "Small RAW", in dem ein 2,5-Mpx großes RAW-Format-Bild mit Vollfarben pro Pixel erstellt wird. Dabei ergibt sich also ein sicherer Farbwert aus der Zusammenfassung von jeweils vier Einzelsensoren.

Mittlerweile sind die Objektive durch Optimierung für die Aufnahme auf Sensoren und günstiger gewordene Technologien - wie Fluorit- oder ED-Linsen - deutlich verbessert, sodass bis etwa 7 Mpx durch die besten Objektive noch mit Details bedient werden können, aber für die typischen "Kleinbildformat-Anwendungen", also das, wofür zuvor die Kleinbildfilm-Kamera eingesetzt wurde - so beispielsweise auch Pressefotografie - ist eine Auflösung von 2,5 Mpx weiterhin ausreichend, sofern diese bis an ihre Grenzen für Detailauflösung genutzt wird.


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