Technischer Humbug
Wer sich mit Fotografie etwas intensiver beschäftigt, wird früher oder später mit Înformationn über technische Details überschüttet. In dem Thread sollen ein paar weiterführende Dinge erläutert werden.
Teil 1 - Sensoren
Bildqualität
Der Bildsensor einer Kamera beeinflusst neben dem Objektiv entscheidend die finale Bildqualität. Die Anzahl der Pixel auf dem Sensor sagt dabei aus, aus wieviel Bildpunkten das finale Bild aufgebaut ist. Bei gleichbleibender Sensorgrösse bedeutet eine Erhöhung der Pixelzahl somit zunächst einmal rein theoretisch eine Erhöhung der Details, welche abgebildet werden können. Ein Bild wird durch die Erhöhung der Pixeldichte in ein immer feineres Raster unterteilt und so in immer feinere Details aufgelöst.
Vergleicht man nun einmal z.B. Die Canon Ixus 105 und die Nikon D90 miteinander, so entdeckt man, dass beide über eine Auflösung von 12 Megapixel verfügen. Beide sind sich daher auf den ersten Blick eigentlich ebenbürtig und man fragt sich: "Warum dann DSLR, abgesehen von der Möglichkeit, das Objektiv zu wechseln?"
Die Antwort lautet: "Es ist der Sensor, da liegt der Hund begraben". Eine D90 verfügt über einen Sensor im APS-C Format, die Ixus setzt auf einen 1/2.3" Chip, bei dem sich die gleiche Pixelmenge auf rund 7.5% der Fläche des Sendosr der D90 befinden. Die reine Pixelzahl ist nämlich reine Augenwischerei, es kommen eine ganze Menge Faktoren dazu.
Eine Erhöhung der Pixeldichte bedeutet, dass die einzelnen lichtempfindlichen Elemente immer kleiner werden. Somit bekommen sie auch immer weniger Licht ab. Greift man auf den Vergleich mit Kübeln (aus dem ersten Teil des Workshops) zurück, so entspricht jedes lichtempfindliche Element einem Kübel. Verteile ich dann auf der Fläche, wo diese Kübel stehen, eine festgelegte Menge Wasser (= Licht), so endet je nach Anzahl der Kübel auf dieser Fläche mehr oder weniger Wasser in jedem von diesen.
Dies bedeutet, dass die Elektronik bei einem entsprechend geringeren Füllstand einen "Kübel" als gefüllt, sprich einen Pixel als belichtet betrachten muss. Alternativ dazu muss die Lichtmenge erhöht werden, damit die einzelnen Sensorteile mehr davon abbekommen. das Absenken des Füllstands, ab der Kübel als gefüllt betrachtet wird, entspricht einer Erhöhung des ISO-Werts.
Damit folgt: je höher die Pixeldichte, desto lichtunempfinldicher ist der Sensor. Je kleiner der Sensor (bei gleicher Anzahl Megapixel), desto stärker rauscht das Bild bei gleichem ISO-Wert.
Dies führt zu einem Dilemma. Zwar erhöht man die theoretische Auflösung, indem man die Pixeldichte erhöht, die Kamera muss jedoch das stärkere Bildrauschen herausrechnen und zerstört dabei wieder Details. Irgendwann ist der Punkt erreicht, wo eine Erhöhung der Pixeldichte lediglich zu einer Abnahme der Bildqualität führt.
Das Bild mit den Kübeln und deren Grösse erklärt ein weiteres Problem. Kleinere Kübel sind schneller gefüllt, d.h. der Unterschied zwischen "leer" und "voll" ist geringer als bei grossen Kübeln. Diese Differenz entspricht dem, was man unter Dynamik versteht. Je höher die Dynamik eines Sensosrs, desto grösser ist der Unterschied zwischen dem, was der Sensor in einem Bild als unbelichtet (schwarz, leer) bzw. voll belichtet (weiss, voll) betrachtet. Ein kleiner Sensor hat eine geringere Dynamik als ein grosser Sensor. Dies sieht man in den Bildern daran, dass bei einer Komapktkamera sehr schnell Bildteile entweder überbelichtet sind oder im Dunkeln die Details verschwinden. In den dunklen Bereichen zeigt sich dann besonders schnell das Bildrauschen, denn hier tritt das Grundrauschen besonders schnell auf.
Zudem greifen weiterere Effekte in das Endbild ein. Je kleiner die einzelnen Bildelemente sind, desto exakter muss die Optik sein, um das Licht gezielt auf die einzelnen Bildelemente zu lenken. Dieser Präzision ist jedoch Grenzen gesetzt. Zu dem mechanischen Problem kommt der physikalische Effekt der Lichtbeugung hinzu. Ab einer gewissen Blendenöffnung sinkt die Detailgetreuigkeit ab, da durch die Lichtbeugung Streueffekte auftreten, welche die Bildqualität mindern. Je kleiner der Bildsensor bzw. Je höher die Pixeldichte nun ist, desto früher tritt dieser Effekt auf.
Ein weiterer Effekt betrifft die Optik und das Gehäuse. Grosse Bildsensoren lassen sich rein physikalisch nicht in ähnlich kleine Gehäuse bauen wie kleine Sensoren. Ausserdem benötigen grosse Sensoren grosse Objektive mit viel Glas, welche entsprechend schwer und teuer sind. Tja, und der Sensor selbst kostet auch Geld, und auch hier gilt: je grösser, desto teurer.
Betrachtet man nun einmal die Abbildung mit den üblichen Sensorgrössen, so ist es nicht verwunderlich, warum mit einer DSLR rein technisch gesehen bessere Bilder erzeugt werden können als mit einer Kompakt- oder gar Handykamera. Solange bei bestem Tageslicht fotografiert wird, fallen die Defizite des kleinen Sensors nicht all zu sehr auf. Sobald jedoch bei ungünstigen Lichtbedingungen Bilder geschossen werden, kommt der kleine Sensor sehr schnell an seine Grenzen.
Fazit: eine KAmera mit grossem Sensor erzeugt schon aufgrund der phsyikalischen Gesetze technisch bessere Aufnahmen als eine Kompaktkamera, auf Kosten von Grösse und Gewicht. Und daran wird sich so schnell auch nichts ändern.
Ein sehr interessanter Link dazu ist 6MPixel. Die Fachleute dort gehen davon aus, dass bei etwa 3µm Pixelgrösse der Bereich erreicht wird, ab dem die Physik der Technik einen Strich durch die Rechnung macht. Bei den gebräuchlichen APS-C Sensoren (DSLR) liegt die Grenze bei 37 MP, bei den kleinen Kompakten mit dem üblichen 1/2.3"-Sensor ist bei 3 MP bereits Schluss.
Crop
Dank der unterschiedlichen Sensorgrössen am Markt herrscht mittlerweile ein Durcheinander, wenn es um die Angaben zur Brennweite eines Objektivs oder einer Aufnahme geht. Dies hat folgenden Hintergrund. Tauscht man unter Beibehaltung des Objektivs den Sensor aus, so ändert sich der Ausschnitt von dem Licht, welcher auf dem Sensor landet und das Bild ergibt.
Im Bild wurde der grosse Sensor (links) verkleinert (rechts), die Brennweite des Objektivs jedoch beinehalten (rote Linie). Der Ausschnitt aus der Umgebung (grün), welcher abgebildet wird, wird kleiner.
Dieses Ausschneiden wird als Cropfaktor bezeichnet. Ein APS-C Sensor hat z.B. gegenüber dem klassischen Kleinbild einen Cropfaktor von 1.5. Ein Objektiv mit einer Brennweite von 50mm an einer Kamera mit einem Sensor im KB-Format besitzt an einer Kamera mit APS-C Sensor eine Brennweite von 75mm.
Um dem Wirrwar etwas Einhalt zu gebieten werden daher auf den Objektiven die Brennweiten in Bezug auf das KB-Format angegeben und es obligt dem Benutzer, diese Werte auf seine Kamera umzurechnen. Dies hat durchaus einen praktischen Hintergrund, denn je nach Vorlieben bei der Fotografie werden Linsen mit unterschiedlichen Brennweiten eingesetzt. Aus einem Ultraweitwinkel mit 10mm Brennweite wird dann an einer Cropkamera schnell 15 oder 20mm, und aus einem leichten Tele mit 100mm eins mit 150 bzw. 200mm Brennweite. Dies hat einen entscheidenden Einfluss auf die Nutzbarkeit.
Tiefenschärfe
Mit dem gleichen Faktor, wie sich der Crop ändert, ändert sich auch der Bereich, in dem ein Bild bei gleicher Blende scharf abgebildet wird. Bei einer Kamera mit Cropfaktor 2 ist auch die Tiefenschärfe doppelt so hoch wie bei einer mit Faktor 1. Entsprechend ist es nicht verwunderlich, dass gerade im Portraitbereich mit Kleinbild- bzw. Vollformatkameras gearbeitet wird, da mit einer möglichst gerinegn Schärfentiefe der Fokus auf die Person gelenkt wird. Anders sieht es wieder im Makrobereich aus, wo auf eine möglichst hohe Schärfentiefe geachtet werden muss, da diese eh verschwindend klein ist. Damit erklärt sich auch das Phänomän, dass Landschaftsaufnahmen mit einer Kompaktkamera schon bei offener Blende oftmals im gesamten Bereich scharf sind.
Zusammenfassung
- kleine Sensoren benötigen weniger Platz, die Kameras könnene kompakter gebaut werden.
- Auch die Objektive sind kleiner, leichter und billiger, wenn kleine Sensoren verbaut werden.
- Kleine Sensoren sind billiger in der Herstellung
- Die maximal sinnvolle Pixelanzahl ist bei kleinen Sensoren viel kleiner und bei den gängigen Kameras längst überschritten.
- Kleinere Sensoren bedeuten eine geringere Dynamik und somit eher unrettbar über- bzw. unterbelichtete Bilder
- Kleinere Sensoren bedeuten ein grösseres Bildrauschen und somit einen geringeren sinnvoll nutzbaren ISO-Bereich
- Kleinere Sensoren neigen eher zu Abbildungsfehler, da beim Bau der Objektive weniger Toleranz vorhanden ist.
- Kleinere Sensoren besitzen einen höheren Cropfaktor, sprich die effektive Brennweite eines Objektivs wird vergrössert, wenn ein kleinerer Sensor eingesetzt wird.
- Kleinere Sensoren besitzen eine höhere Tiefenschärfe. Gut für Landschaft, schlecht für Portraits.
Alex
Wer sich mit Fotografie etwas intensiver beschäftigt, wird früher oder später mit Înformationn über technische Details überschüttet. In dem Thread sollen ein paar weiterführende Dinge erläutert werden.
Teil 1 - Sensoren
Bildqualität
Der Bildsensor einer Kamera beeinflusst neben dem Objektiv entscheidend die finale Bildqualität. Die Anzahl der Pixel auf dem Sensor sagt dabei aus, aus wieviel Bildpunkten das finale Bild aufgebaut ist. Bei gleichbleibender Sensorgrösse bedeutet eine Erhöhung der Pixelzahl somit zunächst einmal rein theoretisch eine Erhöhung der Details, welche abgebildet werden können. Ein Bild wird durch die Erhöhung der Pixeldichte in ein immer feineres Raster unterteilt und so in immer feinere Details aufgelöst.
Vergleicht man nun einmal z.B. Die Canon Ixus 105 und die Nikon D90 miteinander, so entdeckt man, dass beide über eine Auflösung von 12 Megapixel verfügen. Beide sind sich daher auf den ersten Blick eigentlich ebenbürtig und man fragt sich: "Warum dann DSLR, abgesehen von der Möglichkeit, das Objektiv zu wechseln?"
Die Antwort lautet: "Es ist der Sensor, da liegt der Hund begraben". Eine D90 verfügt über einen Sensor im APS-C Format, die Ixus setzt auf einen 1/2.3" Chip, bei dem sich die gleiche Pixelmenge auf rund 7.5% der Fläche des Sendosr der D90 befinden. Die reine Pixelzahl ist nämlich reine Augenwischerei, es kommen eine ganze Menge Faktoren dazu.
Eine Erhöhung der Pixeldichte bedeutet, dass die einzelnen lichtempfindlichen Elemente immer kleiner werden. Somit bekommen sie auch immer weniger Licht ab. Greift man auf den Vergleich mit Kübeln (aus dem ersten Teil des Workshops) zurück, so entspricht jedes lichtempfindliche Element einem Kübel. Verteile ich dann auf der Fläche, wo diese Kübel stehen, eine festgelegte Menge Wasser (= Licht), so endet je nach Anzahl der Kübel auf dieser Fläche mehr oder weniger Wasser in jedem von diesen.
Dies bedeutet, dass die Elektronik bei einem entsprechend geringeren Füllstand einen "Kübel" als gefüllt, sprich einen Pixel als belichtet betrachten muss. Alternativ dazu muss die Lichtmenge erhöht werden, damit die einzelnen Sensorteile mehr davon abbekommen. das Absenken des Füllstands, ab der Kübel als gefüllt betrachtet wird, entspricht einer Erhöhung des ISO-Werts.
Damit folgt: je höher die Pixeldichte, desto lichtunempfinldicher ist der Sensor. Je kleiner der Sensor (bei gleicher Anzahl Megapixel), desto stärker rauscht das Bild bei gleichem ISO-Wert.
Dies führt zu einem Dilemma. Zwar erhöht man die theoretische Auflösung, indem man die Pixeldichte erhöht, die Kamera muss jedoch das stärkere Bildrauschen herausrechnen und zerstört dabei wieder Details. Irgendwann ist der Punkt erreicht, wo eine Erhöhung der Pixeldichte lediglich zu einer Abnahme der Bildqualität führt.
Das Bild mit den Kübeln und deren Grösse erklärt ein weiteres Problem. Kleinere Kübel sind schneller gefüllt, d.h. der Unterschied zwischen "leer" und "voll" ist geringer als bei grossen Kübeln. Diese Differenz entspricht dem, was man unter Dynamik versteht. Je höher die Dynamik eines Sensosrs, desto grösser ist der Unterschied zwischen dem, was der Sensor in einem Bild als unbelichtet (schwarz, leer) bzw. voll belichtet (weiss, voll) betrachtet. Ein kleiner Sensor hat eine geringere Dynamik als ein grosser Sensor. Dies sieht man in den Bildern daran, dass bei einer Komapktkamera sehr schnell Bildteile entweder überbelichtet sind oder im Dunkeln die Details verschwinden. In den dunklen Bereichen zeigt sich dann besonders schnell das Bildrauschen, denn hier tritt das Grundrauschen besonders schnell auf.
Zudem greifen weiterere Effekte in das Endbild ein. Je kleiner die einzelnen Bildelemente sind, desto exakter muss die Optik sein, um das Licht gezielt auf die einzelnen Bildelemente zu lenken. Dieser Präzision ist jedoch Grenzen gesetzt. Zu dem mechanischen Problem kommt der physikalische Effekt der Lichtbeugung hinzu. Ab einer gewissen Blendenöffnung sinkt die Detailgetreuigkeit ab, da durch die Lichtbeugung Streueffekte auftreten, welche die Bildqualität mindern. Je kleiner der Bildsensor bzw. Je höher die Pixeldichte nun ist, desto früher tritt dieser Effekt auf.
Ein weiterer Effekt betrifft die Optik und das Gehäuse. Grosse Bildsensoren lassen sich rein physikalisch nicht in ähnlich kleine Gehäuse bauen wie kleine Sensoren. Ausserdem benötigen grosse Sensoren grosse Objektive mit viel Glas, welche entsprechend schwer und teuer sind. Tja, und der Sensor selbst kostet auch Geld, und auch hier gilt: je grösser, desto teurer.
Betrachtet man nun einmal die Abbildung mit den üblichen Sensorgrössen, so ist es nicht verwunderlich, warum mit einer DSLR rein technisch gesehen bessere Bilder erzeugt werden können als mit einer Kompakt- oder gar Handykamera. Solange bei bestem Tageslicht fotografiert wird, fallen die Defizite des kleinen Sensors nicht all zu sehr auf. Sobald jedoch bei ungünstigen Lichtbedingungen Bilder geschossen werden, kommt der kleine Sensor sehr schnell an seine Grenzen.
Fazit: eine KAmera mit grossem Sensor erzeugt schon aufgrund der phsyikalischen Gesetze technisch bessere Aufnahmen als eine Kompaktkamera, auf Kosten von Grösse und Gewicht. Und daran wird sich so schnell auch nichts ändern.
Ein sehr interessanter Link dazu ist 6MPixel. Die Fachleute dort gehen davon aus, dass bei etwa 3µm Pixelgrösse der Bereich erreicht wird, ab dem die Physik der Technik einen Strich durch die Rechnung macht. Bei den gebräuchlichen APS-C Sensoren (DSLR) liegt die Grenze bei 37 MP, bei den kleinen Kompakten mit dem üblichen 1/2.3"-Sensor ist bei 3 MP bereits Schluss.
Crop
Dank der unterschiedlichen Sensorgrössen am Markt herrscht mittlerweile ein Durcheinander, wenn es um die Angaben zur Brennweite eines Objektivs oder einer Aufnahme geht. Dies hat folgenden Hintergrund. Tauscht man unter Beibehaltung des Objektivs den Sensor aus, so ändert sich der Ausschnitt von dem Licht, welcher auf dem Sensor landet und das Bild ergibt.
Im Bild wurde der grosse Sensor (links) verkleinert (rechts), die Brennweite des Objektivs jedoch beinehalten (rote Linie). Der Ausschnitt aus der Umgebung (grün), welcher abgebildet wird, wird kleiner.
Dieses Ausschneiden wird als Cropfaktor bezeichnet. Ein APS-C Sensor hat z.B. gegenüber dem klassischen Kleinbild einen Cropfaktor von 1.5. Ein Objektiv mit einer Brennweite von 50mm an einer Kamera mit einem Sensor im KB-Format besitzt an einer Kamera mit APS-C Sensor eine Brennweite von 75mm.
Um dem Wirrwar etwas Einhalt zu gebieten werden daher auf den Objektiven die Brennweiten in Bezug auf das KB-Format angegeben und es obligt dem Benutzer, diese Werte auf seine Kamera umzurechnen. Dies hat durchaus einen praktischen Hintergrund, denn je nach Vorlieben bei der Fotografie werden Linsen mit unterschiedlichen Brennweiten eingesetzt. Aus einem Ultraweitwinkel mit 10mm Brennweite wird dann an einer Cropkamera schnell 15 oder 20mm, und aus einem leichten Tele mit 100mm eins mit 150 bzw. 200mm Brennweite. Dies hat einen entscheidenden Einfluss auf die Nutzbarkeit.
Tiefenschärfe
Mit dem gleichen Faktor, wie sich der Crop ändert, ändert sich auch der Bereich, in dem ein Bild bei gleicher Blende scharf abgebildet wird. Bei einer Kamera mit Cropfaktor 2 ist auch die Tiefenschärfe doppelt so hoch wie bei einer mit Faktor 1. Entsprechend ist es nicht verwunderlich, dass gerade im Portraitbereich mit Kleinbild- bzw. Vollformatkameras gearbeitet wird, da mit einer möglichst gerinegn Schärfentiefe der Fokus auf die Person gelenkt wird. Anders sieht es wieder im Makrobereich aus, wo auf eine möglichst hohe Schärfentiefe geachtet werden muss, da diese eh verschwindend klein ist. Damit erklärt sich auch das Phänomän, dass Landschaftsaufnahmen mit einer Kompaktkamera schon bei offener Blende oftmals im gesamten Bereich scharf sind.
Zusammenfassung
- kleine Sensoren benötigen weniger Platz, die Kameras könnene kompakter gebaut werden.
- Auch die Objektive sind kleiner, leichter und billiger, wenn kleine Sensoren verbaut werden.
- Kleine Sensoren sind billiger in der Herstellung
- Die maximal sinnvolle Pixelanzahl ist bei kleinen Sensoren viel kleiner und bei den gängigen Kameras längst überschritten.
- Kleinere Sensoren bedeuten eine geringere Dynamik und somit eher unrettbar über- bzw. unterbelichtete Bilder
- Kleinere Sensoren bedeuten ein grösseres Bildrauschen und somit einen geringeren sinnvoll nutzbaren ISO-Bereich
- Kleinere Sensoren neigen eher zu Abbildungsfehler, da beim Bau der Objektive weniger Toleranz vorhanden ist.
- Kleinere Sensoren besitzen einen höheren Cropfaktor, sprich die effektive Brennweite eines Objektivs wird vergrössert, wenn ein kleinerer Sensor eingesetzt wird.
- Kleinere Sensoren besitzen eine höhere Tiefenschärfe. Gut für Landschaft, schlecht für Portraits.
Alex
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