Astronomischer Arbeitskreis Salzkammergut

Sternwarte Gahberg

N 47°54'48" / O 13°36'33" / 860m

Digitalkamera Grundlagen

Digitalkamera Grundlagen Teil 4

Chipgrößen und Pixelanzahl

Als Beispiel wähle ich hier eine Kamera, die stellvertretend für die zum Zeitpunkt der Erstellung des Artikels gängige Leistungsklasse gelten kann. Die Werte verändern sich rasch, man kann die Beispiele aber leicht auf spätere Modelle übertragen.

Nikon CP5400

  • Auflösung: 2592 x 1944 Pixel
  • Chipgröße: 8,8 x 6,6 mm

Damit gehört die Kamera in die "5 Megapixel" Klasse. Die Fläche eines einzelnen Pixels errechnet sich aus diesen Werten zu 3,4 x 3,4 µm*

* Offenbar habe ich im April 2005 gerade einen Wendepunkt in der Entwicklung der digitalen Kompaktkameras erwischt, bei dem die Pixelgröße von etwa 3µm eine signaltechnisch und optisch annähernd optimale Größe erreicht hat. Seitdem werden die Pixeldimensionen zusehends kleiner und im gleichen Maß nehmen die Störungen und Probleme zu.

Siehe auch unter http://6mpixel.org/

 

Das Gerät besitzt ein optisches Zoom Objektiv mit einer Brennweite von 5,8mm bis 24mm. Die maximale Lichtsärke beträgt dabei f/2,8 bzw. f/4,6.

Cipgroesse

Beim Vergleich mit einer Kleinbild-Kamera fällt auf, daß die Dimensionen des Chips etwa 1/4 der Maße eines KB Films erreicht, die lichtempfindliche Fläche gegenüber 36x24mm beim Kleinbild Film also nur etwa 1/16 so groß ist. Die Brennweite des Objektives ist um den gleichen Faktor kleiner, das Abbildungsverhältnis entspricht also einer Kleinbild-Kamera mit einem 24-100mm Zoom Objektiv. Das macht den Vergleich leichter.

Obwohl diese Kamera momentan als "obere Mittelklasse" angesiedelt ist - sowohl bei den Daten als auch beim Preis - ist eine Lichtstärke von 2,8 im Vergleich zu einem klassischen Zoom Objektiv nicht überwältigend. Im Vergleich mit anderen Digitalkameras ist das aber bereits überdurchnittlich.

Vergleichen wir diese Daten nun mit einer Kleinbild-Kamera, die wir mit einem hochauflösenden Schwarzweiß Negativ-Film bestücken, dem bewährten TP2415. Der Vergleich ist insofern passend, da der Chip in der Digital Kamera im Grunde nur Helligkeitswerte, also Graustufen mißt, die Farbinformation wird durch einen Trick ermittelt, dazu aber später. Der Negativfilm ist technisch einfach aufgebaut und enthält kleine, lichtempfindliche Körnchen, die bei Belichtung durch abscheiden von Silber dunkler werden. Je kleiner die Körnchen, desto schärfer das Bild. Das läßt sich vom Verständnis gut auf die digitalen Pixel umlegen, deren Anzahl ebenfalls die Bildschärfe bestimmen.

Der TP2415 hat eine Bildfläche von 36x24mm und eine Korngröße von ca 3µm. Das ergibt eine Bild-Auflösung von etwa 9-10µm

Der Chip der Digital Kamera hat eine "Korngröße" von 3,4µm und scheint hier gleich auf mit dem Negativ Film. Für einen direkten Vergleich müssen wir aber die kleinere Chip Fläche berücksichtigen. Umgerechnet auf das Format des Kleinbild Films wären das dann stattliche 14µm.

Um die Details gleich scharf abzubilden müßten also entweder bei gleichbleibender Chip Größe die Pixel-Größe auf 1/4 reduziert, oder bei gleicher Pixel Größe die Chipfläche vervierfacht werden. Beides führt dazu, daß sich die Pixel Anzahl um den Faktor 16 vermehrt.

Eine gleich scharfe Abbildung würde also etwa 16*5 = 80 Megapixel benötigen.

Ich vermute, es wird wohl noch ein paar Jahre dauern, bis derartige Kameras verfügbar werden.

Aus Schwarzweiß mach Farbe

Farbfilm

Übereinander liegende
Farbschichten
beim chemischen Film

Beim konventionellen Film wird die Farbe dadurch erzeugt, daß mehrere farbige Filter übereinander das Licht entprechend filtern. Bei der Digitalkamera geht das natürlich nicht. Das technische Equivalent dazu wäre die Notwendigkeit von drei identischen Kamera Chips, die jeweils eine der Grundfarben Rot, Grün bzw. Blau aufnehmen. Schon allein aus Kostengründen wird das in der Digitalfotografie so natürlich nicht gemacht. Stattdessen hat man einen Trick ersonnen, bei dem zwar jeder Pixel des Sensors die Helligkeit des Bildes mißt, aber nebeneinander liegende Pixel jeweils nur eine einzige Grundfarbe. Dazu ist vor jedem einzelnen Pixel ein winziges Farbfilter aufgebracht. Es ist damit aber nicht möglich, für jedes Pixel die zugehörige Farbinformation genau zu bestimmen.

Mayer Matrix

Nebeneinander liegende
Farbpixel beim Bildsensor

Beim Auslesen des Bildsensors erhält man also ein Schwarzweiß Bild, wobei man aufgrund der Verteilung der Farbfilter weiß, daß beispielsweise das erste Pixel die "Rot Helligkeit" mißt, das danebenliegende die "Grün Helligkeit", das Nächste die "Blau Helligkeit", .. Die Anordnung dieses Farbrasters heißt "Bayer Matrix" und ist spezifisch für den verwendeten Sensor. Die Ermittlung eines Farbwertes gilt dann immer für jeweils 4 benachbarte Pixel.

Daß das im fertigen Bild nicht auffällt liegt daran, daß unser Auge Helligkeitsunterschiede von nebeneinander liegenden Bildunkten wesentlich besser unterscheiden kann, wie deren Farbunterschiede.

weiter zum Teil 5



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