• Dateiformate
• Wie entstehen Pixel?
• Was sind "echte" Pixel?
• Sind SW-Fotos sinnvoll?
• Sensortypen
• (Super-CCD-Sensor)
• Größe der Sensoren
• MP-Ralley
• Wann sind 12 MP sinnvoll?

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.
Aber es gibt auch einen anderen Grund: Noch heute reduziere ich die meisten meiner 8 MP-Fotos nach der Bearbeitung auf 2MP (1600 x 1200 Pixel). →Begründung 

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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.
Das heißt aber nicht unbedingt, dass die Kamera tatsächlich auch exakt 1.920.000 lichtempfindliche Zellen hat. Vielleicht hat sie viel weniger und die Bilddatei wird nur hochgerechnet.
Aber selbst wenn die Kamera wirklich 2 Millionen Zellen hat, wäre eine eingescannte Bilddatei deutlich schärfer. Das liegt daran, dass nicht jeweils eine Zelle des Kamera-Sensors auch direkt ein "Pixel" liefert. Die Zellen können nämlich jeweils nur eine Farbe erkennen. Deshalb muss immer aus vier benachbarten Zellen ein "Pixel" berechnet werden. Das ergibt dann zwar am Ende die ca. 2 Mio. Pixel, aber naturgemäß ist die Schärfe nicht die gleiche wie bei einem mit 1600 x 1200 "echten" Pixeln eingescannten Bild.
Übrigens entfallen auf je eine blaue und rote Zelle zwei grüne, um die Lichtempfindlichkeit zu erhöhen. Diese Anordnung wird nach dem Kodak-Mitarbeiter Dr. B. Bayer benannt, der sie 1976 entwickelt hat.

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!

Deshalb werden in Digitalkameras bewusst (geringfügig) "unscharfe" Objektive eingebaut. Dadurch wird der blaue Lichtstrahl etwas breiter und trifft in unserem Beispiel nicht nur auf die rote sondern auch auf die umgebenden blauen Zellen und wird dadurch bemerkt.

Welchen Effekt das auf die Darstellung einer weißen Linie (die ja Anteile aller Farben hat.) 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)

Aus allen diesen Überlegungen ergibt sich, dass z.B. eine 4 MP-Kamera (2272 x 1704) eigentlich nur 1500 x 1125 "echte" Pixel liefert.
Das bedeutet: erst wenn die Bilder einer guten 4 MP-Kamera auf 2 MP (1600 x 1200) heruntergerechnet wurden, haben sie etwa die Detailschärfe eines in dieser Größe eingescannten Bildes.

Als Beweis hier ein Ausschnitt aus einem 11 MP Testbild, das zunächst auf 3MP (2048 x 1536) heruntergerechnet wurde. Das ist die optimale Auflösung eines 3MP-Bildes!
Darunter ein Testbild einer sehr guten 4 MP-Kamera (Canon G3) ebenfalls auf 3 MP heruntergerechnet. Eindeutig ist die Bildschärfe noch nicht optimal.

Erst wenn das Bild der 4 MP-Kamera auf 1600 x 1200 Pixel (2 MP) heruntergerechnet wird, zeigt es etwa die Bildqualität eines "optimalen" 2 MP-Bildes. Da beide Bilder dann aber kleiner sind, sind auch in dem "optimalen" Testbild logischerweise weniger Strukturen als im 3MP-Bild zu erkennen.

Andererseits nutzen diese 2MP-Bilder aber das Auflösungsvermögen selbst der besten PC-Monitore voll aus. Mehr Details können hier nicht dargestellt werden. Kameras mit mehr als 4 MP zeigen deshalb nicht mehr Details auf dem Monitor. →Mehr Infos

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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

SW-Bilder

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. Das geht später am PC sogar besser, da dann auch beliebige Einfärbungen möglich sind. 

Der SuperCCD-Sensor

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 die Auflösung in diesen beiden Richtungen entsprechend besser.
Das ist sinnvoll, denn die meisten Motive haben überwiegend - wegen der Erdanziehung - solche Struktur.

Mehr zu diesem interessanten Sensor!

CMOS-Sensor

Fast alle Digitalkameras verwenden CCD-Fotozellen. Inzwischen haben aber die CMOS-Sensoren (Fotodioden) ihre Kinderkrankheiten (Rauschen, schlechte Farbtreue und Empfindlichkeit usw.) überwunden. Sie benötigen nur ein Zehntel so viel Strom wie die CCDs ...... und können sehr viel billiger hergestellt werden.
In vielen Spiegelreflexkameras werden CMOS-Sensoren mit bis zu 14 MP eingesetzt.

LBCAST-Sensor

Diese erstmals in der Nikon D2H eingesetzten Sensoren vereinigen die Vorteile der CCD-Sensoren (Schnelligkeit und Rauscharmut) mit denen von CMOS-Sensoren (wenig Energieverbrauch). Außerdem hat er nicht 4 sondern nur 3 Transistoren pro Sensorzelle.

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.
Diese Sensoren liefern schärfere Bilder, weil sie die Farbe nicht aus jeweils vier Zellen berechnen müssen, sondern jede Zelle für alle Farben zuständig ist. Die weiter oben gezeigten Farb-Artefakte bei weißen Linien treten deshalb nicht auf.
Der erste X3 hatte zwar nur 3,4 MP (2268 x 1512), aber da das "echte" Pixel sind, entspricht das mindestens den normalen 8 MP-Sensoren (sh.oben "echte Pixel" und die Tabelle). Deshalb die offizielle Bezeichnung "10,2 MP" (3x3,4).
Die Sigma SD9 und SD10 Spiegelreflexkameras sind damit ausgestattet.

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.
Inzwischen ist allerdings keine Rede mehr davon.

ClearVid-Sensor von Fa. Sony

Seit Anfang 2006 hat auch Sony einen um 45° gedrehten Sensor, ähnlich dem SuperCCD von Fuji. Er hat allerdings nicht 2 sondern 6 grüne Zellen pro blaue und roter Zelle. Dadurch ergibt sich eine höhere Lichtempfindlichkeit, aber eine geringere Auflösung gegenüber der Fuji-Lösung.

Kodak-Sensor

Mitte Juni 2007 kündigte die Fa. Kodak einen neuentwickelten Sensor an. Er enthält neben den üblichen Farbzellen eine gleiche Zahl "farbloser" Zellen. Da sie ohne vorgeschaltete Farbfilter direkt vom Licht getroffen werden, sind sie erheblich lichtempfindlicher, liefern aber nur ein SW-Bild. Alle diese Informationen müssen dann in der Kamera zu Farbpixeln verrechnet werden. Theoretisch kann durch eine geschickte Kombination der SW- und Farbbilder eine höhere Auflösung und/oder geringeres Rauschen erreicht werden.
Da kündigt sich eine neue Runde im Megapixel-Rennen an!

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.

Anmerkung für Dinosaurier wie ich, die noch mit "Super 8" Schmalfilmen gearbeitet haben: Der 1/2,7"-Sensor hat exakt die Maße des (projizierten) Super 8 - Filmbildchens.

Das waren noch Zeiten ....! (1969: Benzin für 36 Cent)

Je kleiner der Sensor, desto geringer die Standard-Brennweite (Brennweite, die etwa den gleichen Bildwinkel ergibt, wie 50 mm bei KB; dh. ca. 47°).
Das ist der Grund für die gegenüber den KB-Objektiven sehr viel kleineren (und leichteren) Zoom-Objektive der meisten Digitalkameras ....  und deren sehr viel größere Schärfentiefe.
 

*) Es gibt auch DSLs mit APS-H (28,7 x 19,1 mm)

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.
Für eine Röhre mit einer Diagonale von z.B. 1/1,8" (= 14,1 mm) sind 8,9 mm dann etwa 2/3 davon . Das ist die Länge der Bilddiagonale und daraus ergibt sich bei einem 4:3 Bild : 7,2 x 5,3 mm.

Dieses Bild zeigt die Größenverhältnisse der verschiedenen  Kamera-Sensoren.
Um die Kameras (und Objektive) möglichst klein zu halten, setzen die Kamera-Hersteller gerne die kleinen Sensoren ein. Viele CCD-Zellen auf einem kleinen Sensor bedeutet aber, dass jede einzelne weniger Licht abbekommt. Die Kamera hat dann geringere Basis-Lichtempfindlichkeit und stärkeres Rauschen ("Körnigkeit"), wenn nicht die Signalaufbereitung entsprechend verbessert wird. Besonders kritisch wird das, wenn man höherer ISO-Werte einstellt.

1/2,7"  ; 1/1,7" ; 2/3" Sensoren

Die rel. großen 2/3" Sensoren werden in hochwertige 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.

Sensoren in KB-Größe

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. 

APS-Sensor

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.

4/3"-Sensor

Eine ganz andere Lösung hat sich Fa. Olympus ausgedacht. Sie hat ein völlig neues Kamera-System entwickelt, deren Sensoren genau die halbe Breite des KB-Formats haben. Sie haben das (Monitor-)Seitenverhältnis 4:3. Die Angabe 4/3" bezieht sich aber nicht darauf.
Für diesen neuen Standard werden spezielle Wechselobjektive konstruiert, die wegen der geringeren Standard-Brennweite deutlich kleiner als die "APS-Objektive" sein können.
Obwohl technisch viel für dieses System spricht, wird es wohl (leider) ein Exot bleiben. Gegen die Marktmacht von Canon, Nikon, Sony & Co. und deren Objektiv-Auswahl hat "FourThirds" keine wirkliche Chance, zumal Olympus mit den ersten Modellen einen klassischen Fehlstart hingelegt hat (Rauschen, ungewöhnliche Form ..). →Hinweis

16:9 Sensoren

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.
(→ Hinweis)

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.
Trotzdem ist das kein vollwertiger Ersatz für größere Sensorzellen. Sind z.B. anstelle einer großen jetzt 4 kleine Zellen, so fehlt dennoch der Zwischenraum als lichtempfindliche Fläche.
Einen ähnlichen Effekt wie Pixel-Mixing hat die von allen Kameras angebotene Reduzierung des Dateiformats. Dann wird das verrauschte Bild in der Kamera auf ein kleineres Format heruntergerechnet ... was allerdings später am PC auch möglich wäre. Beides reduziert aber nur scheinbar das Rauschen! →Begründung

Grenzen der MP-Rallye

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 keine Seltenheit mehr. Gibt es eine Grenze für diese Entwicklung, oder geht das immer so weiter?
In "Aktuell" hatte ich schon 09.11.2006 dazu einen Kommentar gegeben.

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!
Nur Amateure, die Ausschnittvergrößerungen oder Riesenposter anfertigen, benötigen mehr MP. Aber wo sind die Grenzen?

Rauschen
Immer mehr MP auf gleicher Sensorgröße führen zu immer kleineren Sensorzellen. Dadurch erhöht sich zwangsläufig das Rauschen und/oder durch die Rausch-Unterdrückungs-Algorithmen  wird die Detail-Auflösung  (bei hohen ISO-Werten) deutlich schlechter. Mag sein, dass in einigen Jahren dieses Problem so weit reduziert ist, dass es keine große Rolle mehr spielt.  Aber auch in ferner Zukunft wird eine 6MP-Kamera bei hohen ISO-Werten weniger rauschen als eine entspr. 12MP-Kamera mit gleich großem Sensor.
Derzeit ist das Rauschen bei den Kompaktkameras (besonders bei dem "Lifestyle"-Kameras mit sehr kleinem Sensor) die größte Hürde ... die leider von vielen Herstellern einfach ignoriert wird. →Hinweis

Datenflut
Das Argument, dass viele MP auch riesige Datenmengen bedingen, kann man leicht entkräften. Man kann ja, wenn die hohe Auflösung nicht benötigt wird, auf eine niedrigere MP-Zahl umstellen. (Das Rauschverhalten verbessert sich dadurch übrigens nicht! →Hinweis).
Außerdem wird Speicherplatz immer billiger.

Auslöseverzögerung
Zwar kann man die zu speichernde Dateigröße durch Vorgabe einer geringeren MP-Zahl reduzieren, nicht aber die Zeit, die zuvor für die Verarbeitung der Daten benötigt wird. 12MP benötigen unbestreitbar mehr Zeit für die Erfassung als 6MP (Übrigens erst recht dann, wenn die 12MP-Kamera auf 6MP geschaltet ist!). Dadurch dauert es auch entspr. länger, bis die nächste Aufnahme möglich ist. Damit ist auch die Serienbildfunktion negativ beeinflusst (Bilder/Sek. und Anzahl Serienbilder).
Zwar kann durch bessere Prozessoren dieses Problem immer weiter reduziert werden, aber eine 6MP-Kamera wird auch in ferner Zukunft schneller als eine entsprechende 12MP-Kamera sein.

Auflösung der Objektive
Aber eine Grenze gibt es doch! Und zwar kann das Auflösungsvermögen der Objektive nicht beliebig erhöht werden. Bei APS-Kameras liegt diese Grenze nach meinen Informationen etwa bei 20 MP, bei Kameras mit 1/1,7" Sensor bei etwa 10 MP. →Grafik
Hinzu kommt die Rand-Unschärfe vieler Objektive. Selbst manche SLR-Zoom-Objektive liefern am Rand nur die Auflösung von 3 MP-Kameras.

Natürlich kann man in die Kameras Sensoren mit höheren MP-Werten einbauen, aber mehr Details sieht man auf den Fotos dann trotzdem nicht. (→Beispiel) Lediglich das Rauschen, der Speicherbedarf und die Speicherzeit werden erhöht.

Unscharfe Bilder
Wer einmal unvoreingenommen und kritisch seine Fotos durchsieht, der wird feststellen, dass keineswegs alle perfekt sind. Da hat z.B. der Autofokus nicht exakt auf das Hauptmotiv scharf gestellt oder das Tele-Bild ist leicht verwackelt oder das Kind hat sich zu schnell bewegt oder oder  .... →Beispiele
Bei allen diesen Bildern würden mehr als 4MP nur dazu führen, dass man die Fehler noch deutlicher sieht.

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.).

Luftaufnahme von Röbel (McPom)

Die Luftaufnahme hätte bei 12 MP sicherlich noch mehr Details gezeigt (wenn die Plexiglasscheibe des Fliegers das zulassen würde).
Es gibt allerdings Grund zu der Vermutung, dass nur die Objektive von größeren Kameras (APS-Sensor) ein entsprechend hohes Auflösungsvermögen bieten können.

Familienbild

Auf einem typischen Familienfoto wird man sicherlich nicht noch mehr Details erwarten.

Portrait

Bei Portraits zeigen 6MP-Kameras - mit zunehmenden Alter der Person - bereits zu viele Details ...