Technik – Was ist das Problem bei vielen Megapixeln?
Das kann man so nicht pauschalisieren. Es gibt kein grundsätzliches Problem mit vielen Megapixeln. Das Problem ist die Kombination von hoher Pixelanzahl und kleinem Bildsensor, oder anders gesagt – der Pixeldichte. Konkret geht es hier in erster Linie um Kompaktkameras.
Nehmen wir an ich möchte eine Kamera mit 14 MP bauen. Diese 14 MP benötigen Platz auf meinem Bildsensor. Nun verwenden z.B. digitale Spiegelreflexkameras relativ große Sensoren, also entweder Vollformatsensoren, die von der Fläche her genau einem 35mm Kleinbild–Negativ oder auch einem Dia entsprechen, oder die geringfügig kleineren APS–Sensoren. Ich möchte aber eine Kompaktkamera herstellen, und in dieser ist für die großen Sensoren kein Platz (bzw. auch wenn ich einen großen Sensor in einer Kompaktknipse unterbringen könnte, so würde ein dazu passendes Objektiv wahrscheinlich so groß werden, dass die Kamera den Namenszusatz »Kompakt« nicht mehr verdient. Also verbaue ich in meiner Kamera einen kleineren Chip mit einem kleineren Objektiv, sodass alles schön kompakt bleibt. Nun ist der verwendete Bildsensor aber viel kleiner als ein Sensor einer Spiegelreflex–Kamera. Soll mein Sensor für die Kompaktkamera auch 14 MP haben, so muss ich die einzelnen Pixel, also die Bildzellen auf dem Sensor viel enger packen und viel kleiner bauen als auf einem großen Chip. Ein kleinerer Pixel hat jedoch eine kleinere Fläche als ein größerer Pixel. Mit einer kleineren Fläche ist der kleinere Pixel natürlich weniger Lichtempfindlich als der größere Pixel. Da Bildsensoren nichts anderes tun, als einfallendes Licht in elektrische Signale zu wandeln ist es leicht zu verstehen, dass das elektrische Signal eines kleinen Pixels sehr viel schwächer als das eines großen Pixels ist. Da ich für ein schönes Bild aber eine bestimmte Signalstärke benötige, muss ich das Signal des kleineren Pixels sehr viel mehr verstärken um auf den selben Pegel zu kommen. Den Vergleich verschiedener Sensorgrößen sehen Sie auf folgender Grafik:
Genau hier liegt das Problem.
Hier kommt nun ein anderer Faktor ins Spiel, nämlich das Bildrauschen. Grundsätzlich ist zu sagen, dass jedes elektrische Gerät ein eigenes Grundrauschen hat. Am besten lässt sich das Rauschen anhand alter Kassettenaufnahmen erklären. Legt man eine leere Kassette in den Recorder ein, spielt sie ab, und dreht die Lautstärke des Verstärkers hoch, so hört man ein deutliches Rauschen in den Lautsprechern.
Nimmt man nun Musik auf, so kann man diese mit verschiedenen Pegeln aufnehmen. Ich kann die Musik sehr laut aufnehmen und so Gefahr laufen, dass es bei der Verstärkung später zu Verzerrungen kommt, oder ich kann die Musik leise aufnehmen, sodass ich sie enorm verstärken kann, ohne Verzerrungen befürchten zu müssen. Habe ich die Musik aber leise aufgenommen, so befindet sich ihr Pegel nur wenig oberhalb des Grundrauschens. Verstärke ich die Musik, so verstärke ich das Rauschen automatisch mit. Dies soll die folgende Grafik verdeutlichen:
Habe ich die Musik stark ausgesteuert, also quasi »laut« aufgenommen, so verstärke ich beim Verstärken der Musik das Rauschen zwar auch mit, jedoch muss ich, um den selben Pegel zu erreichen, weitaus weniger verstärken – und je weniger ich insgesamt verstärke, umso weniger verstärke ich natürlich auch das Rauschen. Außerdem ist der Pegelunterschied zwischen Nutzsignal (Musik) und Grundrauschen hier sehr viel größer, als bei der leisen Aufnahme. Dieser Pegelunterschied heißt Rauschspannungsabstand. Ein großer Rauschspannungsabstand ist also durchaus positiv.
Was heißt das für unseren Sensor? So wie jedes Tonband ein eigenes Grundrauschen hat, so hat auch jeder Bildsensor ein eigenes Grundrauschen (auch die großen Sensoren der Spiegelreflexkameras). Bei Bildsensoren äußert sich das Rauchen jedoch natürlich nicht akustisch, sondern optisch in Form von lustigen, bunten Pixeln. Nun ist das Grundrauschen eines jeden Bildsensors von Haus aus so gering, dass es im Grunde nicht zu sehen ist. Das gilt zunächst auch für Kompaktkameras.
Kommen wir zurück zum Vergleich "kleiner Sensor, kleine Pixel – schwaches Signal" und "großer Sensor, große Pixel, starkes Signal".
Das schwache Signal muss ich nun, um ein befriedigendes Ergebnis zu erhalten sehr viel stärker verstärken, als das starke Signal. Beim kleinen Bildsensor verstärke ich also wohl oder übel das Grundrauschen sehr viel mehr, als beim großen Sensor.
In Standardsituationen hält sich allerdings selbst bei einer Kompaktkamera das Rauschen meist noch in Grenzen. Nun gibt es jedoch bei Digitalkameras verschiedene Lichtempfindlichkeiten, also ISO–Werte die ich einstellen kann. In der Analogwelt, ist dies einfach mit einem Filmwechsel getan. Ich lege einen empfindlicheren Film ein – und fertig. Bei Digitalkameras kann man nicht einfach einen empfindlicheren Sensor einbauen. Das erhöhen des ISO–Wertes ist nichts anderes als dass ich den Signalverstärker meines Bildsensors hochdrehe. D.h. mein Signal wird noch mehr verstärkt als das sowieso per Standard der Fall ist. Auch hier heißt das wieder, dass ich auch das Rauschen noch weiter verstärke. Wo nun die Kamera mit dem großen Bildsensor noch Reserven hat, und das Signal weiter verstärken kann, ohne dass das Bildrauschen nachhaltig zu sehen ist, dort geht die Kamera mit dem kleinen Sensor gnadenlos unter und zeigt nette, kleine Mosaike.
Wie kann ich das nun verhindern? Ganz einfach – ich stelle mir die Frage, ob ich denn wirklich 14 MPixel oder mehr in einer kleinen Kompaktkamera benötige, entschließe mich, dass z.B. 10 MPixel ausreichen, und habe auf dem selben Bildsensor für die 10 MPixel natürlich mehr Platz. Ich kann meine Pixel größer und lichtstärker auslegen, sodass ich mein Signal nicht so heftig verstärken muss. Hierbei sei erwähnt, dass selbst 10 MPixel für die winzigen Kompaktsensoren schon heftig ist, allerdings findet man heute (2015) kaum noch Kompaktkameras, die geringer als 10 – 12 MPixel auflösen. Außerdem geht die technische Entwicklung ja auch weiter und so können heute auch kleine Pixel sehr viel lichtempfindlicher konstruiert werden, als das vor einigen Jahren der Fall war. 10 MPixel auf einem kleinen Sensor, sind heute also kein so großes Problem mehr, wie noch 2010, dennoch bleibt die hier beschriebene Grundproblematik bestehen.