Wieviel Sensor braucht der Mensch?

 

Der Sensor stellt so etwas wie das Herz des ganzen Systems dar. Er entscheidet – zusammen mit dem Objektiv – über die technische Bildqualität. Mit seinen mechanischen Abmessungen entscheidet er über die für bestimmte Bildwinkel benötigten Brennweiten und wirkt sich somit über Teile der Bildgestaltung aus (Stichwort: Schärfentiefe). Ganz direkt wirkt er sich auch auf Größe und Gewicht eines Kamerasystems aus: Je  höher die Brennweiten sein müssen, desto größer und schwerer werden auch die Objektive – und in der Folge natürlich auch das Kameragehäuse.

 

Pixel

Ein wichtiges Kriterium für die Sensor-Auswahl ist sicherlich die Anzahl der Pixel. Wie viele davon benötigt werden, hängt davon ab, in welcher Größe die Ausgabe erfolgen soll. Betrachten wir zunächst die Ausgabe auf einem Monitor.

 

Aktuelle Fernseher und PC-Bildschirme arbeiten oft in sogenannter Full-HD-Auflösung, das sind 1920 x 1080 Bildpunkte bzw. rund 2 Megapixel. Die ganz modernen 4K-Monitore (UHD-1) haben die vierfache Pixelzahl, also 3840 x 2160 Bildpunkte, das sind 8 Megapixel. Solange kein Bedarf nach einem Hineinzoomen ins Bild besteht, würden diese Pixelzahlen für eine 1:1-Darstellung auf dem Monitor also schon ausreichen. Nun möchte man allerdings ein Foto auch gern in der Hand halten oder als Poster an der Wand betrachten wollen.

 

Für ein scharfes, feinaufgelöstes Foto, das man in der Hand haltend aus gut 30 cm Entfernung betrachtet, wird für die Ausgabe eine Mindest-Auflösung von 200–250 dpi benötigt. "dpi" heißt dots per inch, also Punkte pro Zoll. 250 dpi bedeuten also 250 Punkte auf einer Strecke von 2,54 cm (denn das genau ist ein Zoll). Um immer auf der sicheren Seite zu sein, ist eine Ziel-Auflösung von 300 dpi eine gute Wahl; denn manchmal – bei Aufnahmen mit sehr vielen feinen Details – geht der Betrachter näher ans Bild, dann sind z. B. Einzelpersonen auf Gruppenaufnahmen noch deutlicher erkennbar. Umgekehrt könnte man bei flächigen, detailarmen Aufnahmen die Auflösung auch ohne negative Effekte verringern (z. B. auf 200 dpi).

 

In einem späteren Abschnitt wird das alles näher beleuchtet; hier bitte ich, die Begriffe und Zahlen erst einmal einfach hinzunehmen. Die Formel für die Berechnung der benötigten Bildpunkte oder auch Pixel lautet:

 

Pixel = Strecke (in cm) x Auflösung (in dpi) / 2,54 cm

 

Daraus resultieren für verschiedene Ausgabegrößen ungefähr folgende Mindest-Abmessungen.

 

Seitenverhältnis 3:2

 

Abmessungen

cm

Abmessungen

Pixel

Bildpunkte

10 x 15

1200 x 1800

2,2 Millionen

20 x 30

2400 x 3600

8,6 Millionen

30 x 45

3600 x 5400

19 Millionen

 

 

Seitenverhältnis 4:3

 

Abmessungen

cm

Abmessungen

Pixel

Bildpunkte

  9 x 12

1065 x 1420

1,5 Millionen

18 x 24

2130 x 2840

6,0 Millionen

30 x 40

3600 x 4800

17 Millionen

 

 

DIN-Formate

 

DIN

Abmessungen

Pixel

Bildpunkte

A5 (21 x 14,8 cm)

2470 x 1748

4,3 Millionen

A4 (29,7 x 21 cm)

3500 x 2470

8,6 Millionen

A3 (42 x 29,7 cm)

4950 x 3500

17,3 Millionen

 

 

 

Im Normalfall wird man selten Fotos mit einer größeren Fläche als DIN A4 (also etwa 20 x 30 cm) in der Hand haltend betrachten. Mehr als 9 Megapixel sind dafür nicht notwendig. Allerdings kann in der Nachbearbeitung durch Bild-Drehungen (z. B. Horizont-Korrektur), perspektivische Entzerrungsmaßnahmen oder einfache Ausschnittskorrekturen Fläche verloren gehen, so dass man dafür einen Spielraum von vielleicht 50 % einkalkulieren sollte. Ein 16-Megapixel-Sensor ist dafür allemal ausreichend.

 

Noch größere Fotos werden normalerweise auch aus einem größeren Abstand betrachtet. Als allgemeine Empfehlung gilt, dass der Betrachtungsabstand die Bild-Diagonale nicht unterschreiten soll, um das komplette Bild mit einem Blick erfassen zu können. Wenn man sich mit zunehmender Bildgröße (-diagonalen) im gleichen Verhältnis vom Bild entfernt, bleibt der der Winkel, in dem das Auge das Bild erfasst, immer derselbe. Demzufolge ändert sich auch an der Zahl der benötigten Pixel nichts.

 

Wer sich intensiver mit diesen Zusammenhängen befassen möchte, dem sei folgender c't-Artikel von Carsten Mayer aus dem Jahr 2008 empfohlen (bitte nicht über das Alter stolpern – die physikalischen Grundlagen haben sich in der Zwischenzeit nicht verändert!): Wieviel Pixel braucht der Mensch? Auch Andreas Beitinger bietet auf seiner Webseite ausführliche, gut aufbereitete Vertiefungen zu diesem Thema: Brennweite, Crop-Faktor und KB-Äquivalent, und KB-Äquivalente gängiger Kamera-Objektiv-Kombinationen.

 

Sensorgröße

Die bisherigen Betrachtungen betrafen die Anzahl der Pixel auf einem Sensor, nun geht es um die Abmessungen des Sensors. Die Angaben zur Sensor-Größe können sehr verwirrend sein, deswegen möchte ich sie hier kurz erläutern (für mehr verweise ich wieder auf den oben erwähnten Artikel!).

 

Die Größenangabe zu einem Bildsensor erfolgt in Zoll, bzw. Bruchteilen eines Zoll (1 Zoll = 25,4 mm). Sie bezieht sich auf die Sensordiagonale – dies ist leider jedoch nicht gleichbedeutend mit der tatsächlichen Bilddiagonale. Das Missverhältnis ist geschichtlich begründet: Lange, bevor Bildaufnehmer in moderner Halbleitertechnik gefertigt wurden, waren sie in Röhrentechnik aufgebaut. Wie man es von alten Röhren-Fernsehern her kennt, war die nutzbare Bildfläche immer deutlich kleiner, als die physikalischen Abmessungen der Röhre. So stand bei einer Ein-Zoll-Bildaufnehmer-Röhre statt 25,4 mm nur eine rund 16 mm große Diagonale für das eigentliche Bild zur Verfügung.

 

Als Grundlage zur Bildkreisberechnung für moderne Halbleitersensoren legten die Hersteller einen Wert von 16,8 mm für den Ein-Zoll-Chip mit dem Seitenverhältnis 4:3 (lies „vier zu drei“) fest. Ein 4/3-Zoll-Chip (lies „Vier-Drittel-Zoll-Chip“) hätte somit eine nutzbare Diagonale von 22,4 mm (der reale 4/3-Chip ist geringfüg kleiner, seine Diagonale ist mit 21,6 mm definiert). Die Bezeichnung „Four Thirds“ für Kameras mit 4/3"-Sensor ist übrigens von eben diesem Sensor-Außenmaß abgeleitet, und nicht etwa – wie häufig zu lesen – vom Seitenverhältnis vier zu drei.

 

 

Diagonale

Abmessungen

Fläche

Vollformat (Kleinbild, FX)

43,3 mm

36 x 24 mm

864 mm2

DX

28,4 mm

23,7 x 15,6 mm

370 mm2

APS-C

26,7 mm

22,2 x 14,8 mm

329 mm2

Four-Thirds (4/3")

21,6 mm

17,3 x 13,0 mm

225 mm2

1"

15,9 mm

13,2 x 8,8 mm

116 mm2

2/3"

11,0 mm

8,8 x 6,6 mm

58 mm2

1/1,7"

9,5 mm

7,6 x 5,7 mm

43 mm2

1/2,3"

7,67 mm

6,17 x 4,55 mm

28 mm2

1/2,7"

6,7 mm

5,40 x 4,00 mm

22 mm2

1/3,2"

5,7 mm

4,54 x 3,42 mm

16 mm2

 

Tabelle: Gängige Sensor-Größen

 

Wie die Tabelle zeigt, besteht zwischen dem kleinsten und dem größten Sensor ein Flächenverhältnis von mehr als 1:50 (und es gibt weitere, nochmals kleinere Chips!).

 

Welche Größe ist nun "die richtige"? Das ist wieder eimal von verschiedenen Faktoren abhängig:

 

 

Kleiner

Sensor 

Größer

Geringere Dynamik

 

Höhere Dynamik

Höheres Rauschen

 

Geringeres Rauschen

Kürzere Brennweiten

 

Längere Brennweiten

Höhere Schärfentiefe

 

Geringere Schärfentiefe

Kleineres Gesamtsystem

 

Gößeres Gesamtsystem

Preisgünstiger

 

Teurer

 

 

Wird bei gleicher Pixelanzahl die Fläche verkleinert (oder werden andersherum – wie es die Hersteller gerne tun –  mehr Pixel auf die gleiche Fläche gepackt), sinkt die Größe eines einzelnen Pixels, das führt zu einem Sinken der Lichtempfindlichkeit: Ein kleinerer Sensorpixel fängt einfach weniger Lichtstrahlen ein als ein großer. Das wiederum macht das Signal anfälliger für Störungen und das Bildrauschen steigt. Mit abnehmender Fläche sinkt auch die für gleichen Bildwinkel nötige Brennweite, damit werden im Objektiv Beugungseffekte an der Blende wahrscheinlicher, die wiederum zu Unschärfe führen.

 

Vergrößert man jedoch die Fläche, wachsen auch Größe und Gewicht der Kamera (bis hin zu den Objektiven) proportional mit. Vom Sensor selbst über die Kamera bis hin zu den Objektiven wird dadurch alles auch teurer.

 

Je höher Pixelanzahl und -dichte sind, desto höher muss notgedrungen auch die Auflösung der eingesetzten Objektive sein. Außerdem steigt die Gefahr von Verwackelung: Die aus analogen Zeiten bekannte Formel "Verschlusszeit muss kürzer sein als Eins durch Brennweite" gilt dann nicht mehr, die Verschlusszeit muss u. U. um zwei bis vier Lichtwerte verkürzt werden – da helfen dann nur Bildstabilisatoren oder der Einsatz eines Statives!

 

Mein Motto dazu lautet daher sowohl für die Sensor-Fläche wie für die Anzahl der Pixel:

 

So viel wie nötig, aber so wenig wie möglich.

 

 

 

Weitere Kriterien

Wie schon erwähnt, ist ein wichtiges Bewertungskriterium für einen Bildsensor sein Rauschverhalten. Es ist in erster Linie vom Verhältnis Pixelanzahl zu Sensorgröße (also der Pixelgröße) abhängig. Daneben ist der Dynmikumfang wichtig, also die maximale Spanne zischen dem hellsten und dunkelsten darstellbaren Wert. In diesen Bereich fällt auch der Tonwertumfang, der beschreibt, wie viele Helligkeitsstufen differenziert werden können.

 

 

12.08.2015 -