| Alles über Kamera-Sensoren |
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Typische Dateiformate von den
verschiedenen Digitalkameras
| "Mega-Pixel" | Dateiformat | Bezeichnung | "echte" Pixel *) |
| 320 x 240 | QVGA | ||
| 640 x 480 | VGA | ||
| 848 x 480 | WVGA (16:9) | ||
| 240 x 576 **) | VHS-"Qualität" | ||
| 720 x 576 **) | (höchste DVD-Q.) | (0,4 MP) | |
| 0,8 | 1024 x 768 | XGA | 678 x 508 |
| 1280 x 720 | HD-TV (720p) | (0,9 MP) | |
| 1280 x 800 | (16:10) | (1,0 MP) | |
| 1366 x 768 | WXGA (16:9) | (1,0 MP) | |
| 1,3 | 1280 x 960 | SXGA | 844 x 633 |
| 2 | 1600 x 1200 | UXGA | 1055 x 791 |
| 1920 x 1080 | Voll HD-TV | (2,0 MP) | |
| 3 | 2048 x 1536 | EXGA | 1350 x 1012 |
| 4 | 2272 x 1704 | - | 1500 x 1125 |
| 5 | 2560 x 1920 | - | 1687 x 1265 |
| 6 | 2848 x 2136 | - | 1880 x 1410 |
| 7 | 3072 x 2304 | - | 2030 x 1522 |
| 8 | 3264 x 2448 | - | 2154 x 1616 |
| (8) | 3456 x 2304 | (3:2 Format) | 2280 x 1520 |
| 9 | 3488 x 2616 | - | 2302 x 1726 |
| 10 | 3648 x 2736 | - | 2408 x 1806 |
| (10) | 3872 x 2592 | (3:2 Format) | 2555 x 1710 |
| 12 | 4000 x 3000 | - | 2640 x 1980 |
| (12) | 4288 x 2848 | (3:2 Format) | 2830 x 1880 |
| 16,7 | 4992 x 3328 | (3:2 Forma) | 3295 x 2196 |
| 21 | 5616 x 3744 | (3:2 Forma) | 3707 x 2471 |
| *) Ca. 66% der Pixel einer normalen Digitalkamera (Erklärung s.u.) **) PAL-TV arbeitet grundsätzlich mit 576 Zeilen. In der Breite gibt es 240 bzw. max. 720 "Pixel". Um ein 4:3 Bild zu erreichen, werden sie so weit auseinander gezogen, dass sie 768 quadratischen Pixel entsprechen. Bei 16:9 Sendungen werden sie noch weiter auseinander gezogen, so dass sie 1024 Pixel entsprechen. |
Wie entstehen die "Pixel"?
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Wer sich jetzt wundert,
warum im Folgenden eine 2 MP-Kamera beschrieben wird, dem sei gesagt, dass zum
Startzeitpunkt dieser Website die Canon SLR D30 nur 3,1 MP hatte und
stolze 6500.- DM kostete.
__________________________ Üblicherweise liefert z.B. eine 2 MP-Kamera Bilddateien von 1600
x 1200 Pixeln. Das sind 1.920.000 Pixel. Das Wort "Pixel" setzt sich
übrigens aus den Begriffen "Picture" und "Element" (= Bildpunkt)
zusammen. Von einem (guten) Scanner wird aber eine Linie auch dann exakt erfasst, wenn sie nur ein Pixel breit ist; denn hier ist jedes einzelne Pixel für alle Farben zuständig (Beispielbild). Deshalb nutzt ein eingescanntes Bild die bei der jeweiligen Dateigröße maximal mögliche Bildqualität voll aus. Anders bei einer Digitalkamera. Fällt z.B. ein dünner roter Lichtstrahl auf eine rot-empfindliche Zelle, so entsteht nicht etwa ein rotes Pixel. An den vier Eckpunkten der betreffenden Zelle wird aus den jeweils benachbarten Zellen die Farbe eines Pixels berechnet. Das ist aber jeweils ein abgeschwächtes Rot, da drei von vier Nachbarzellen nicht beleuchtet wurden. Es ergeben sich folglich vier rötliche Pixel.
Würde aber ein blauer Lichtstrahl auf
die rote Zelle fallen, dann würde er gar nicht bemerkt! Welchen Effekt das auf die Darstellung einer weißen oder schwarzen Linie (die ja Anteile aller Farben haben.) haben kann, wird an dem folgenden Beispiel deutlich. Links die vier Testbildchen, aufgenommen mit einem auf die Zellengröße abgestimmten Objektiv, rechts mit einem "zu scharfen". (Quelle: computerfoto)
Der gleiche Effekt zeigt sich übrigens manchmal auch bei den zusammenlaufenden Linien des ISO-Testbildes. |
Was sind "echte" Pixel
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Aus allen diesen Überlegungen ergibt
sich, dass z.B. eine normale 4 MP-Kamera (2272 x 1704) eigentlich nur 1500 x
1125 "echte" Pixel liefert.
_____________________ Es gibt derzeit nur wenige Kameras, die wirklich "echte" Pixel liefern. Der X3-Sensor macht es möglich. Eine "nur" 3,4 MP große Datei enthält mehr Details als die 6 MP-Datei der Spiegelreflex-Kamera Canon 300D.
Aber auch die Fuji-Kameras mit Super-CCD liefern Dateien, die mehr Details enthalten als eine "normale" Datei gleicher Größe. Eine 6 MP-Datei enthält etwa so viele "echte" Pixel wie eine 8 MP-Datei eines normalen Sensors. →Beweis |
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Die von einigen Kameras angebotene
Möglichkeit, auf SW-Bilder umzuschalten, ist völliger Unfug. Man kann
auch dann nicht auf die Zusammenfassung von jeweils 4 Zellen verzichten,
was sonst eine Vervielfachung der Auflösung bedeuten würde. Da die
Zellen aber jeweils nur für eine bestimmte Farbe empfindlich sind, muss
grundsätzlich zunächst die Farbe für ein Pixel ganz normal ermittelt und
dann in Grauwerte umgesetzt werden. |
Die verschiedenen Sensor-Typen
| Durch die Bestimmung der "Zeilen/Bildhöhe" (durch ein entsprechendes Testbild) ist übrigens ein völlig neutraler Vergleich verschiedener Kameras möglich; gleichgültig wie groß der Sensor ist und wie die Pixel berechnet wurden. |
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CCD-Sensor Fast alle kleinen Digitalkameras arbeiten mit CCD-Sensoren. Sie bestehen aus einer großen Anzahl Fotodioden. Das Auslesen der Signale geschieht hier zeilenweise nacheinander ("Eimerkette"). Daher der Name Charge-coupled Device". Bei diesem Vorgang muss das Objektiv durch einen Verschluss abgedeckt werden, damit kein Licht einfällt. Bei Video ist kann dieser Verschluss nicht benutzt werden, was zu sog. "Smear" führt. |
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Bei CMOS-Sensoren ist zu
jeder Fotozelle ein Kondensator parallel geschaltet. So kann jedes
Signal direkt erfasst werden. Nachteil ist, dass diese Elektronik viel
Platz benötigt, wodurch dazwischen weniger lichtempfindliche
Sensorzellen pro cm² des Sensors möglich waren. Bei den rel. großen
Sensorflächen der SLR-Kameras war das aber kein Problem. Allerdings
hatten sie dadurch deutlich weniger
MP/cm² als die kleinen CCD-Kompaktkameras.
Beispiel: Zwei 12 MP
Canon-Kameras: Die SLR 450D hat 3,7; die Ixus 960 hat 43
MP/cm².
Unbestreitbarer Vorteil der CMOS-Sensoren ist ihre hohe Geschwindigkeit. Die von der Werbung hochgelobte "sensationelle Lichtempfindlichkeit" (doppelt so hoch wie bisher) bezieht sich allerdings auf bisherige CMOS-Sensoren. Verglichen mit guten CCD-Sensoren gleicher Größe und MP-Anzahl ist die Lichtempfindlichkeit des BSI keineswegs höher, eher niedriger. |
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X3 Sensor von Fa. Foveon Seit 2002 gibt es einen ersten Sensor, bei dem
jede Zelle für alle drei Grundfarben empfindlich ist. Er macht sich
zunutze, dass Silizium mit zunehmender Tiefe mehr und mehr Farben
absorbiert. So wird zunächst der blaue, dann der grüne und dann der rote
Anteil erkannt. |
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Die SuperCCD-Sensoren der Firma Fuji
sind um 45° gedreht.
Durch diesen technischen Trick ist der Abstand von Zellenreihe zu
Zellenreihe in senkrechter und waagerechter Richtung deutlich geringer
als bei konventionellen Sensoren und somit ist die Auflösung in diesen
beiden Richtungen entsprechend besser.
Mehr zu diesem interessanten Sensor! |
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Außerdem gibt es eine ganze Reihe "Spezial-Sensoren", die aber zumeist nur "Eintagsfliegen" waren. |
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Diese erstmals in der Nikon D2H eingesetzten Sensoren vereinigen die Vorteile der CCD-Sensoren mit denen von CMOS-Sensoren. Außerdem hat er nicht 4 sondern nur 3 Transistoren pro Sensorzelle. |
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4-Farben-Sensor der Fa. Sony In der Sony F828 wird ein Sensor eingesetzt, der anstelle der üblichen RGB-Sensoren (1x Rot, 2x Grün, 1x Blau) eine vierte Farbe erkennt. Anstelle der zweiten grün-empfindlichen Zelle ist hier eine eingesetzt, die für Blaugrün zuständig ist. Dadurch soll eine bessere Farb-Differenzierung erreicht werden. |
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ClearVid-Sensor von Fa. Sony
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Größe der Kamera-Sensoren
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Verglichen mit dem Kleinbild-Format sind die Kamera-Sensoren extrem klein. Ein 1/2,7"-Sensor hat weniger als ein Viertel der Fläche eines Minox-Negativs. Das setzt hoch auflösende Objektive voraus.
Je kleiner der Sensor, desto
geringer die Standard-Brennweite (Brennweite, die etwa den
gleichen
Bildwinkel ergibt, wie 50 mm bei KB; dh. ca. 47°).
Die geheimnisvolle Bezeichnung für die Sensorgröße einer Kamera ist
übrigens eine Angabe, die noch aus den 50er Jahren
stammt! Sie bezeichnet die Länge der Diagonale (in Zoll)
einer Bildaufnahmeröhre(!). Damals wurden nur ca. die inneren 2/3
des Durchmessers für die Bild-Erzeugung genutzt.
Dieses Bild zeigt die
Größenverhältnisse der verschiedenen Kamera-Sensoren. |
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1/2,7" ; 1/2,33" ; 1/1,7" Sensoren Die rel. großen 1/1,7" Sensoren werden heute leider nur noch in wenige, hochwertigere Kameras eingebaut. Die sehr kleinen 1/2,7" Sensoren befinden sich überwiegend in "Lifestyle-" und "Superzoom"-Kameras, weil diese Mini-Sensoren sehr flache Kameras bzw. kleine und lichtstarke Superzoom-Objektive ermöglichen. "Standard" ist heutzutage der 1/2,33" Sensor. Es gibt zwar auch Kamera-Sensoren in KB-Größe, die in (sehr teure) Spiegelreflexkameras für Profis eingebaut werden. Aber sie haben m. E. keine große Zukunft, da die konventionellen Objektive für Digitalkameras nicht optimal sind. Um das Problem der schrägen Randstrahlen zu reduzieren (was normale Filme nicht stört!), sollte der Durchmesser der Hinterlinse möglichst größer als die Sensordiagonale sein. Fast alle Spiegelreflexkameras für ambitionierte Amateure haben einen kleineren Sensor in etwa der Größe des APS-Formats (meist: 23,7 x 15,6 mm). Sie können problemlos mehr als 10 Millionen lichtempfindliche Zellen beherbergen. Da die Sensorfläche etwa 10x größer als die eines 1/1,7" Sensors ist, können die einzelnen Zellen relativ groß (und lichtempfindlich) sein und deshalb sind auch problemlos hohe ISO-Einstellungen möglich, ohne dass ein starkes Rauschen auftritt. Das ist sicherlich der Sensor der Zukunft bei Wechselobjektiv-Kameras ... die dann hoffentlich auch einen Monitorsucher bieten.
Neben dem üblichen
Seitenverhältnis von 4:3 und dem 3:2 Format (z.B. APS) gibt es auch das
an das an die
HDTV-Bildschirme angepasste 16:9 Seitenverhältnis. Über die Größe
der Sensoren sagt das aber nichts aus.
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Sensorgröße und Rauschen Ein wichtiger Einfluss der Sensorgröße darf nicht unerwähnt bleiben. Je größer der Sensor ist, um so größer können - bei gleicher MP-Anzahl - die einzelnen Sensorzellen sein. Und das bestimmt das Rauschverhalten. So kann eine 8MP-Kamera mit kleinem 1/2.5" Sensor stärker rauschen als eine 12MP-Kamera mit großem 1/1,6" Sensor. → mehr Infos |
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Pixel-Mixing Manche Kameras reduzieren das Rausch-Problem
bei hohen ISO-Werten dadurch, dass sie dann mehrere
Sensorzellen zusammenschalten (Pixel-Mixing). Dann ist das Bild
natürlich erheblich kleiner als vorher, aber es zeigt weniger
Rauschen, weil das stärkere Signal nicht so sehr elektronisch
verstärkt werden muss. |
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Waren 1998 noch Kameras mit
2 MP teure Spitzenmodelle, so haben wir uns inzwischen daran gewöhnt,
dass es Jahr für Jahr bei Kompaktkameras neue Pixel-Rekorde gibt. Inzwischen sind 12 MP
schon fast Standard. Gibt es eine Grenze für diese Entwicklung, oder
geht das immer so weiter? Auch zukünftig wird gelten,
dass höhere Auflösungen als 4 MP auf dem Bildschirm (→Beweis)
und auf 10 x 13 cm Papierbildern (→Beweis)
nicht mehr Details zeigen. Das ist übrigens unabhängig von der
Sensorgröße, gilt also auch für SLRs! Rauschen Autofokuszeit Bildfolgezeit Auflösung der Objektive |
Wann sind 12 MP sinnvoll?
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Da 95% aller Amateure ihre Bilder am Bildschirm betrachten, können sie
den Unterschied zwischen 6 und 12 MP gar nicht sehen, wohl aber das
stärkere Rauschen bzw. die schlechtere Bildqualität. Und daran ändert
sich auch nichts, wenn man auf 6MP umschaltet. Natürlich habe ich gelegentlich Motive, bei denen mehr als 6 MP hilfreich wären, aber bei 98% meiner Motive sind 6 MP völlig genug. Jedenfalls kenne ich sehr viel mehr Motive, wo rauscharme 1600 ISO (bei 6MP) wichtiger sind als 12 MP. Gelegentlich auf 12 MP (bei 100 ISO) umschalten zu können, würde mir zwar gefallen, aber nicht, wenn ich dafür bei allen Bilder ein höheres Rauschen als bei der F31 in Kauf nehmen muss. Beispielbilder Hier habe ich nun beispielhaft drei Bilder einer guten(!) 6MP-Kamera herausgesucht. Aus ihnen habe ich einen gleich großen 1:1 Ausschnitt herausgeschnitten (Entspricht einem Ausschnitt aus einem 48 x 34 cm Poster.). |
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Die Luftaufnahme hätte bei 12 MP
sicherlich noch mehr Details gezeigt (wenn die
Plexiglasscheibe des Fliegers das zulassen würde).
Auf einem typischen Familienfoto wird man sicherlich nicht noch mehr Details erwarten.
Bei Portraits zeigen 6MP-Kameras - mit zunehmenden Alter der Person - bereits zu viele Details ... |
www.Henner.info
Letzte Überarbeitung:
02.09.2010