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Gute Pixel, schlechte Pixel

Kaum ein Vorurteil in der Digitalphotographie hält sich bei den Verbrauchern hartnäckiger als der Mythos von der Pixelzahl als Gradmesser für die Bildqualität. Dabei versucht die Photoindustrie selbst immer wieder aufklärend darauf hinzuweisen, dass weitaus mehr Parameter erfüllt sein müssen, um ein gutes Photo zu erhalten.

Geradezu zwanghaft greifen viele Verbraucher beim Kamerakauf zu dem Modell mit den meisten Pixel fürs Geld. Die Folge: ein nimmer endender Pixelkrieg, in dem es letztlich nur Verlierer gibt - sowohl auf Seiten der Hersteller als auch bei den Verbrauchern. Mehr Pixel machen nicht nur die Sensoren teurer, sondern auch das ganze System. Höhere Pixelzahlen verlangen nach besseren Objektiven, leistungsstärkeren Prozessoren, größeren Speichern und nicht zuletzt auch nach mehr Energie. Auch die Anforderungen an die Qualität der Pixel selbst steigen. Je mehr Pixel auf den winzigen Sensoren untergebracht werden müssen, umso mehr muss jedes einzelne schrumpfen und umso kleiner wird folglich die Fläche zum Einfangen der Lichtstrahlen. Wenn dann nicht zusätzliche, das Licht verstärkende Maßnahmen ergriffen werden, sinkt folglich mit zunehmender Pixelzahl die Sensorempfindlichkeit.

Qualitätsmerkmal Pixelgröße
Werden die Pixel kleiner, wächst die Gefahr, dass Lichtstrahlen teilweise auch benachbarte Pixel treffen, woraus Überstrahlungen und andere Abbildungsfehler resultieren können. Verständlich wird dies, wenn man sich die einzelnen Pixel als winzige Töpfe vorstellt, in denen die Photonen, aus denen das Licht besteht, aufgefangen werden. Je kleiner diese Töpfe sind, umso weniger Photonen finden darin Platz und umso schwieriger wird es bei wenig Licht, die geringeren Photonenmengen einzufangen.

Jedes Pixel verfügt über eine lichtempfindliche Photodiode, mit der die gesammelten Photonen in elektrische Ladungen umgewandelt werden. Die Stärke dieser Ladung hängt von der Zahl der eingefangenen Photonen ab. Die daraus gewonnene elektrische Spannung wird verstärkt und über einen Analog/Digital-Konverter einem digitalen Wert zugeordnet. Aus diesen digitalen Werten errechnet der Kameraprozessor schließlich das endgültige Bild. So wird auch verständlich, dass Sensor- und Pixelgröße einen starken Einfluss auf die Abbildungsqualität haben können. Gleiche Pixelzahl vorausgesetzt, muss ihre Größe bei schrumpfender Sensorfläche zwangsweise abnehmen. Die daraus resultierenden möglichen Fehler sind höheres Bildrauschen und ein geringerer Dynamikumfang. Vereinfacht lassen sich das Bildrauschen mit der Körnigkeit und der Dynamikumfang mit dem Belichtungsspielraum bei Filmen vergleichen. Hieraus erklärt sich auch, warum digitale Spiegelreflexkameras mit ihren größeren Sensoren meist eine bessere Bildqualität liefern als Kompaktkameras mit gleicher Pixelzahl aber kleineren Sensoren.

Architektur und Form Wesentliche Auswirkungen auf die Bildqualität haben auch die Anordnung und Form der Pixel. So gibt es Sensoren mit quadratischen, rechtekkigen, achteckigen, neben- und übereinander liegenden Pixeln. Auch die Anordnung der Leitungen zum Steuern und Auslesen der Pixel beeinträchtigt die Bildqualität. So gestatten es beispielsweise Sensoren mit übereinander angeordneten Pixeln, die Helligkeitswerte für alle drei Farbwerte Rot, Grün und Blau in einer geometrischen Position zu erfassen, während bei üblichen Architekturen mit nebeneinander angeordneten Pixeln Helligkeit und Farbe eines Bildpunktes aus drei nebeneinander liegenden Pixeln errechnet wird. Aus Form und Beschaffenheit der Leiterelemente sowie die der Pixelgeometrie ergibt sich auch, wie dicht die lichtempfindlichen Elemente zueinander gesetzt werden können. Je größer die lichtempfindliche Fläche im Vergleich zur Gesamtbildfläche eines Sensors wird, umso höhere Erwartungen können an die Bildqualität gestellt werden.

Qualitätsmerkmal Empfindlichkeit
Die Sensorempfindlichkeit wird analog zum Film in ISO angegeben. Moderne Sensoren warten bereits mit Empfindlichkeiten bis zu ISO 3200 auf. In der Regel ist davon auszugehen, dass mit steigender Empfindlichkeit auch das Bildrauschen zunimmt. Obwohl grundsätzlich zu erwarten ist, dass größere Pixel und größere Sensoren auch höhere Empfindlichkeiten bei weniger Rauschen ermöglichen, müssen kleinere Sensoren mit geringeren Pixelgrößen nicht zwangsweise qualitativ schlechter sein. Durch innovative Technologien kann das Bildrauschen bis zu einem gewissen Grad reduziert werden, so dass sich auch mit kleineren Pixel hohe Empfindlichkeiten bei vergleichsweise geringem Rauschen erreichen lassen. Hochempfindliche Sensoren liefern heute oftmals bessere Bildqualität als Filme mit vergleichbaren ISO-Werten.

Gut gefüllt
Einen großen Einfluss auf die Bildqualität nimmt auch der so genannte „Fill Factor“ eines Pixels. Darunter versteht man das Verhältnis der Gesamtoberfläche eines Pixels zur Größe der lichtempfindlichen Fläche. Fast alle Sensoren warten mit einem „Fill Factor“ von unter 100 Prozent auf. Je mehr sich dieser Wert der Hundert nähert, umso bessere Bildqualität ist zu erwarten. Bei den meisten Sensoren nehmen die Vernetzungsstrukturen der einzelnen Pixel soviel Raum in Anspruch, dass die lichtempfindlichen Flächen nicht direkt aneinander stoßen können. Hochwertige Sensoren verfügen über einen „Fill Factor“ von 80 und 90 Prozent. Je höher dieser Wert, desto besser können höhere Empfindlichkeiten erreicht werden. Aber auch die Detailwiedergabe wird gestärkt. Der gefürchtete Blooming-Effekt, der sich in Farbrändern an den Kanten manifestiert, wird reduziert.

Die dunkle Seite der Pixel
Ein im Kameratest selten berücksichtigtes Phänomen sind die Dunkelstrom-Eigenschaften (Dark-Count oder Dark-Current) der Sensoren. Damit wird die Tatsache beschrieben, dass jedes Pixel eines CCD-Sensors auch dann Ladungen erzeugt, wenn keine Belichtung stattfindet. Diese hängt von der Betriebsdauer und von der Höhe der herrschenden Umgebungstemperatur ab. Aus diesem Grund lassen sich mit den meisten Digitalkameras auch keine Langzeitbelichtungen machen. Der Dunkelstrom-Effekt wird daher besonders bei schwacher Beleuchtung, langer Betriebszeit und hohen Temperaturen auffällig. Leider werden diese Eigenschaften zwar von den Herstellern in den Spezifikationen der Sensoren, nicht aber in den technischen Daten der Kameras angegeben.

Ähnlich zum Film, wo unterschiedliche Chargen abweichende Qualitäten aufwiesen, verfügen Sensoren über eine mehr oder weniger große Anzahl von Pixeln, die anders reagieren als der Rest. Diese zufällig über das Bildfeld verteilten „defekten“ Pixel sind von Sensor zu Sensor verschieden. So richten sich auch die Sensorpreise danach, aus welcher Produktionscharge sie stammen, sprich nach der Anzahl „defekter“ Pixel. Hochwertige Bildsensoren sind nach wie vor sehr teuer. Zur Vermeidung des Dunkelstromeffektes werden Sensoren in hochwertigen Aufnahmesystemen auch gekühlt.

Nicht alle Pixel zählen
In den technischen Daten digitaler Kameras wird meist zwischen den vorhandenen Pixel und den effektiven Pixel eines Sensors unterschieden. Das liegt daran, dass nicht immer alle Pixel zur Bilderfassung genutzt werden. Normalerweise besaß jedes Pixel eine Photodiode, die auch einem Bildpunkt entsprach. In Standardsensoren werden bestimmte Pixel an den Bildrändern auch für andere Aufgaben genutzt. Es kommt auch vor, dass beispielsweise Sensoren in Verbindungen mit Objektivkonstruktionen genutzt werden, die nicht die gesamte Bildfläche des Sensors nutzen können, etwa weil sie für kleinere Bildflächen gerechnet wurden. Bei der Pixelangabe durch den Hersteller sollte der Käufer darauf achten, ob von effektiven Pixeln oder der Gesamtzahl der Pixel eines Sensors gesprochen wird.

Bei einigen Herstellern wird zur Erzielung einer höheren Auflösung die Pixelzahl durch Interpolation erhöht. Dabei errechnet der Kamera-Prozessor aus den Werten nebeneinander liegender Bildpunkte zusätzliche, virtuelle Pixel zur Verbesserung der Bildqualität hinzu. Allerdings kann auch Interpolation nichts hinzufügen, was die Kamera nicht gesehen hat. Der Vorteil der Interpolation in der Kamera gegenüber ähnlichen Maßnahmen am PC besteht darin, dass die Manipulation vor der JPEG-Kompression stattfindet und dadurch eventuell entstehende Artifakte die Interpolation nicht beeinträchtigen können.
 

Digitalfotografie 09 / 2006

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