Grundlagen der Fotografie – Teil 8: Pixel sind nicht gleich Pixel


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Im Verlauf hitziger Technik-Diskussionen werfen Fotografen oft mit Megapixel-Zahlen um sich. Mehr Megapixel zu haben, soll bei guten Lichtverhältnissen und niedrigen Empfindlichkeiten von Vorteil sein. Mehr Auflösung kann bekanntlich nicht schaden. Umgekehrt sollen wenige größere Pixel empfindlicher sein, und dementsprechend mehr Licht aufnehmen können und besseres Rauschverhalten haben. Was viele dabei vergessen, ist, dass Megapixel-Zahlen nur dann vergleichbar sind, wenn über Sensoren desgleiche Typus diskutiert wird. D.h. sobald man den Fehler macht Pixel-Zahlen verschiedenartiger Sensoren zu vergleichen, fällt das Megapixel-Kartenhaus in sich zusammen. Das Pixel, welches uns als eine Art standardisierte Einheit für Auflösung verkauft wird, ist alles andere als standardisiert. Pixel unterscheiden sich nicht nur in ihrer Anzahl, sondern auch qualitativ, voneinander. Um dies zu verdeutlichen, werde ich die zwei am weitesten verbreiteten Sensor-Typen vorstellen, den allgegenwärtigen Bayer- und den Foveon-Sensor von Sigma.

Foveon-vs-Bayer

Quelle: sigma-dp.com

Auf dem obigen Bild sind die zwei Sensor-Arten vereinfacht dargestellt. Links ist der mehrlagig aufgebaute Foveon-, rechts der plane Bayer-Sensor. Da Licht unterschiedlicher Wellenlängen unterschiedlich tief ins Silizium vordringen kann, besteht beim Foveon jeder physikalische Pixel (engl. Photosite) aus drei Schichten. Auf der dem Objektiv zugewandten Seite ist die blaue Schicht, da diese Wellenlänge sofort absorbiert wird, darunter die grüne und noch tiefer im Silizium die rote. Egal welchen physikalischen Pixel ein Lichtstrahl trifft, so nehmen an dieser Stelle die drei Detektoren für blau, grün und rot das Licht der ihnen entsprechenden Wellenlänge auf. Misst man wie viel Licht jeder der Detektoren tatsächlich abbekommen hat, kann man die Farbe an dieser Stelle bestimmen. Es ist ein bisschen so, als würde man beim Malen, blau, grün und rot in verschiedenen Mengen kombinieren und mit dem Pinsel vermischen, um jede erdenkliche Farbe zu erhalten. Da jedes seiner Pixel alle drei Grundfarben „sehen“ kann, bezeichnet man den Foveon als Vollfarbensensor. Soll heißen, der Foveon in den Merrill Kameras hat tatsächlich 15 Megapixel (Einfachheit halber gerundet).

Der Bayer-Sensor besteht aus nebeneinander befindenden blauen, roten und grünen Pixeln. Schaut man sich einen kleinen Teil der Struktur an, so gibt es in jeder Gruppierung aus 2*2 Pixeln 2 grüne, 1 blauen und 1 roten Pixel. Damit beim Betrachten des Bildes auf dem Bildschirm in der 100% Ansicht kein blau-grün-rotes Schachbrettmuster zu sehen ist, wird bei der Bestimmung der Farbe für jeden Pixel auch die Farbe der benachbarten Pixel überprüft. Statt an jeder Stelle alle drei Grundfarben zu messen, muss man sich mit Hilfe komplizierter Berechnungen und der Farbinformation verschiedenfarbiger Nachbarpixel einem Wert annähern. Wie jeder weiß, der sich ein bisschen mit Mathematik beschäftigt, kann man keine Information rekonstruieren, die zu Beginn nicht vorhanden war, egal wie hochentwickelt die Berechnungsmethode ist. Und genau das macht es so schwierig einem Bayer-Sensor eine Megapixel-Zahl zuzuordnen. Nimmt man z.B. den 36 „MP“ Bayer aus der Nikon D800, so hat er 18 MP an grünen, 9 MP an roten und 9 MP an blauen Pixeln. Unter optimalen Bedingungen kommt er vielleicht nah an diesen Wert heran, schlimmstenfalls erreicht er vielleicht 9 Megapixel. Um das zu verdeutlichen gehen wir vom folgenden Beispiel aus: Ein kleines Muster bestehend aus roten Kacheln, die durch schwarze Linien getrennt sind soll abgelichtet werden. Ohne grüne und blaue Wellenlängen, gibt es nichts, was die entsprechenden Pixel aufnehmen könnten. Die sind praktisch blind. Auch durch die Berechnung ist aus ihnen praktisch nichts zu holen. Es bleiben also nur die 9 MP an roten Pixeln übrig. Eine D800 ist also eher eine „9 bis ~36MP“ Kamera.

Mein Rat lautet also, Zahlen, die in einer Industrie als Leistungsmerkmal allzu gern und allzu oft verwendet werden, hinterfragen und sich informieren wofür sie genau stehen. Pferdestärken bei Autos sind ein weiteres, hervorragendes Beispiel. 😉

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9 Gedanken zu „Grundlagen der Fotografie – Teil 8: Pixel sind nicht gleich Pixel

  1. In diesem beschriebenen Fall wäre die D800 ne 9 MP-Kamera (auch wenn einige meinen, die Farbfilter über den Fotozellen ließen noch kleine Teile der anderen Farben durch). Im Normalfall sind es aber mehr als nur 9 MP, daher würd ich das „in diesem Fall“ noch in jenem Satze einfügen. 😉 Aber richtig ist natürlich, daß nie vollwertige 36 MP hinten rauskommen. Das wird den Bayern auch zu wenig angekreidet und stattdessen immer nur über die 46 MP-Angabe (ehemals 14 MP bei Non-Merrill) von Sigma gelästert. Beides ist etwas aufschneiderisch aber auch irgendwie begründet. Beim Foveon merkt’s der Anwender eben unmittelbar in der Bildgröße, beim Bayer vergißt er nur genau hinzusehen.

    Das interpolierte Bayer-Mosaik hat eben meist noch einen guten Schärfeeindruck bei ordentlicher Bildgröße, während das auf diese Größe aufskalierte Foveonbild zwangsläufig weich wird. Das Bayer-Prinzip ist schon nicht schlecht, um Farbe aufnehmen zu können, mit einer üblichen Ladung Fotozellen. Ist leichter den Flickenteppich zu füllen, als ein kleines perfektes Bild in groß noch scharf aussehen zu lassen. Bei genauerer Betrachtung der Bayer-Ergebnisse sieht man dann ja aber durchaus auch die Schwächen, sprich, wo das Prinzip gut gearbeitet hat, und wo es schwimmt … da wird für mich sichtbar, daß es zwei verschiedene Ansätze sind, die sich schlecht vergleichen lassen. Was ist besser: Ein großes ordentliches Bild mit einigen Schwächen im Detail, oder ein etwas kleineres nahezu perfektes und homogen detailliertes Bild? Für mich isses auch letzteres, aber jene Leute, die nicht einmal probiert haben genau hinzuschauen um pixelfeine Farbseperation und Luminanzunterscheidung zu bemerken, werden mit den einhergehenden Nachteilen keinen Grund sehen, zum Foveon zu greifen …

    Ein 35mm-Kleinbild-Foveon würde wohl durchschlagen. Da dann dieses Vergleichen der Sensorarchitektur mit Vor- und Nachteilen viel eindeutiger ausfallen würde. Ich denke, der Unterschied an Details wäre dann so groß, daß ihn kaum jemand mehr ignorieren oder nicht sehen könnte … die Foveonbilder wären im Detail stimmig _und_ so groß wie die aus Bayer-Architekturen. Ich denke, damit würden sich dann auch deutlich mehr Leute bewußt mit dem Preis dafür (Langsamkeit, Flecken- und Streifenrauschen, kaum hohe ISOs, etc.) anfreunden …

    • „Im Normalfall sind es aber mehr als nur 9 MP, daher würd ich das “in diesem Fall” noch in jenem Satze einfügen. ;)“

      Da ich „schlimmstenfalls“ schrieb und das Beispiel brachte, dachte ich es wäre eindeutig, dass sich die 9 MP Angabe wirklich auf das „worst case scenario“ bezieht. In der Praxis wird man kaum Motive finden, die dem Bayer dermaßen schlecht liegen. Trotzdem sollte einem potentiellen Käufer bewusst sein, dass er keine Kamera mit fester Auflösung kauft, sondern eine, die abhängig vom Motive, mal besser, mal schlecht auflösen kann. Ähnlich realitätsfremd sind auch die 36MP. In den meisten Fällen erreicht der 36 „MP“ Bayer wohl eine Auflösung, die einem 18-27MP Foveon entspricht.

      „Das Bayer-Prinzip ist schon nicht schlecht, um Farbe aufnehmen zu können, mit einer üblichen Ladung Fotozellen. Ist leichter den Flickenteppich zu füllen, als ein kleines perfektes Bild in groß noch scharf aussehen zu lassen.“

      Es gab da einen Thread, wo Merrill-Nutzer ihre Fotos nach der S-Spline-Methode hochskaliert haben. Ich kenne mich in diesem Bereich nicht besonders gut aus, aber die Methode soll einfach ausgedrückt die Foveon-Bilder nehmen und sie als wären sie Bayer-Bilder behandeln. Sie interpoliert also Pixel um eine höhere Auflösung zu errechnen. Die Ergebnisse sollen sehr gut sein. Diese Nutzer haben riesige Abzüge erstellt und jedem Interessierten per Post geschickt, damit er sie sich anschauen kann. Mal gucken ob ich den Thread finde.

      „Bei genauerer Betrachtung der Bayer-Ergebnisse sieht man dann ja aber durchaus auch die Schwächen, sprich, wo das Prinzip gut gearbeitet hat, und wo es schwimmt“

      Als ich gestern nach „Foveon vs Bayer“ gegoogelt habe, bin ich auf ein Foto von einem Werbeschild gestoßen, wo knall-grüne und knall-rote Schrift nahe beieinander waren. An der roten Schrift, besonders den Rändern der Buchstaben, sah man sofort, dass sie nur halb so hoch aufgelöst war.

      „Für mich isses auch letzteres, aber jene Leute, die nicht einmal probiert haben genau hinzuschauen um pixelfeine Farbseperation und Luminanzunterscheidung zu bemerken, werden mit den einhergehenden Nachteilen keinen Grund sehen, zum Foveon zu greifen …“

      Das stimmt natürlich. „Was ich nicht weiß, macht mich nicht heiß.“ 😉

      „Ich denke, der Unterschied an Details wäre dann so groß, daß ihn kaum jemand mehr ignorieren oder nicht sehen könnte … die Foveonbilder wären im Detail stimmig _und_ so groß wie die aus Bayer-Architekturen.“

      Ja, das wäre natürlich toll. Ich zweifle aber daran, dass Sigma bald einen KB-Foveon vorstellen wird. Hoffnung macht mir nur die Preisentwicklung der Merrill-Kameras. Anscheinend ist die Ausbeute bei den APSC-Foveons mittlerweile so gut, dass man sie viel günstiger als am Anfang anbieten kann. Das lässt einen KB-Foveon viel realistischer erscheinen.

      „Ich denke, damit würden sich dann auch deutlich mehr Leute bewußt mit dem Preis dafür (Langsamkeit, Flecken- und Streifenrauschen, kaum hohe ISOs, etc.) anfreunden …“

      Mir wäre ein KB-Foveon mit größerem Pixel-Pitch lieber, um die bekannten Probleme durch mehr Licht pro Pixel zu lösen. Ein 24MP KB-Foveon hätte eine für die meisten Anwendungen ausreichende Auflösung, und hätte gleichzeitig ein viel besseres Rauschverhalten und kaum Magenta/Grün-Flecken. Die Datei-Größe wäre ebenfalls leichter zu managen, als z.B. bei einem 30-45 MP Foveon.

    • Wirklich toller Komentar!
      Doch eins fehlt mir hier noch. Es ist der Preis. Zwar kann man Kameras mit Foveon und Bayer-Sensor nicht gut vergleichen (da die Schwächen und Stärken unterschiedlich sind), aber ich bekomme für einen bestimmten Preis scheinbar mehr geboten, wenn ich zur Bayersensorkamera greife. Wenn Geld keine Rolle spielt, würde ich mir beide Systeme zulegen. Aber beide Systeme rumschleppen….hmm.
      Ich bin einer von den Personen, die noch auf eine langlebige, modulare Mini-Kamera hoffen. Keine „Knipse“ wo nach paar Jahren der Sensor die wohl verdiente Ruhe samt Gehäuse (oder gar mit hochwertigen Objektiv) im Schrank verweilen darf.
      Und natürlich kommt auch wieder mal die Frage auf wieviel Pixel braucht man denn überhaupt?! Und was eigentlich so viel wichtiger wäre, wo bleiben die wirklich guten bezahlbaren Objektive für so eine hohe Auflösung?
      Und dann wäre da natürlich noch ein Wunsch: so klein wie möglich und so leicht wie möglich. Ich mag zwar verstehen, dass eine bestimmte Kameragröße auch ein besseres Arbeiten ermöglicht, doch für die Masse der Nichtfotografen (also keine Profis)….und ohne Maultier 😉 ist dieser Punkt wirklich wichtig.
      …. aber das ist ja schon ein sehr alter Wunsch von mir.

      • „Zwar kann man Kameras mit Foveon und Bayer-Sensor nicht gut vergleichen (da die Schwächen und Stärken unterschiedlich sind), aber ich bekomme für einen bestimmten Preis scheinbar mehr geboten, wenn ich zur Bayersensorkamera greife.“

        Das hängt davon ab, was man fotografiert. Bei Landschaften, Makro, oder Studio, hat der Bayer-Sensor keinen Vorteil, denn man Fotografiert sowieso mit niedrigster ISO.

        „Keine “Knipse” wo nach paar Jahren der Sensor die wohl verdiente Ruhe samt Gehäuse (oder gar mit hochwertigen Objektiv) im Schrank verweilen darf.“

        So etwas wird es, glaube ich, nie zu einem bezahlbaren Preis geben. Man kann nicht nur den Sensor auswechseln. Es ist immer so, dass ein neuer Sensor auch einen neuen Prozessor und Puffer benötigt. Und wenn man schon die teuersten Chips auswechseln muss, kann man genauso gut das Gehäuse auswechseln.

        „Und natürlich kommt auch wieder mal die Frage auf wieviel Pixel braucht man denn überhaupt?! Und was eigentlich so viel wichtiger wäre, wo bleiben die wirklich guten bezahlbaren Objektive für so eine hohe Auflösung?“

        Bezahlbar, scharf und klein gibt es bereits, nur leider nicht für DSLRs. Schau dir mal die drei Sigmas für mFT/NEX an. Die machen sogar auf der NEX7 eine gute Figur.

  2. … noch eine Überlegung
    Vielleicht sollte man mal versuchen alle Vor- und Nachteile von Pixelgröße (Anzahl) und Sensortypen in einer Tabelle auflisten und gegenüberstellen.
    Dann würde man vielleicht einen objektiveren Blick auf die Pixel bekommen 🙂

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