Warum und wie machen "größere Pixel" ein besseres Bild?

Kurze Zusammenfassung

Ja, größere Pixel verbessern die Leistung, wenn alle anderen gleich sind, und Apple tut etwas Gutes, indem es sich auf die Sensorgröße konzentriert. In diesem Fall ist die Größenzunahme jedoch so gering, dass der Unterschied vernachlässigbar ist und wahrscheinlich nicht dem Verbesserungsniveau entspricht, das Sie von ihrem Marketing erwarten können.

Was bedeutet größere Pixel?

Dies bezieht sich auf die Größe der Fotodetektoren, die die Pixel darstellen, auf dem Sensor der Kamera.

Kurz gesagt, je mehr Licht diese Fotodetektoren erreicht, desto genauer können sie Lichtpegel messen und so das Rauschen reduzieren. Um die Dinge zu vereinfachen, ist Rauschen normalerweise ein Faktor bei der Low-Light- oder Innenfotografie.

Es gibt zwei Möglichkeiten, größere Fotodetektoren auf einem Sensor zu bekommen:

1. Haben Sie weniger Pixel.

2. Machen Sie den Sensor größer.

Ersteres ist ein Kompromiss gegen die Auflösung, was zu einer Nettoverbesserung führen kann oder auch nicht, während letzteres ein Gesamtgewinn ist. Beim iPhone 5S haben sie sich für letzteres entschieden, was gut ist.

Kleine Sensoren wie die in Mobiltelefonen und Kompaktkameras leiden am meisten unter kleinen Pixeln, da ihre Pixel für die gleiche Anzahl von Pixeln viel, viel kleiner sein müssen als die in DSLRs und anderen professionellen/Prosumer-Kameras.

Das Megapixel-Rennen

Der Wunsch, immer mehr Pixel in Kamerasensoren zu stopfen, führt zu abnehmender Auflösung und hat begonnen, die Empfindlichkeit der kleinen Sensoren in Mobiltelefonen und Kompaktkameras zu beeinträchtigen – oder versäumt, sie zu verbessern.

Leider wurde es von der Mentalität angetrieben, dass "mehr Pixel = bessere Kamera" ist, da die Anzahl der Megapixel sehr einfach ist, Ihre Kamera zu vermarkten. In Wirklichkeit sorgen abnehmende Renditen dafür, dass es umso weniger wichtig ist, mehr Pixel hinzuzufügen, je mehr Pixel Sie hinzufügen, und wir kommen an den Punkt, an dem viele Sensoren, insbesondere die winzigen in Mobiltelefonen, nicht einmal eine ausreichende Auflösung erreichen können um die Megapixelzahlen trotzdem zu rechtfertigen, aufgrund der Eigenschaften des verwendeten Objektivs und dem schärfsten Bild, das sie auf dem Sensor erzeugen können.

Fortschritte in der Sensortechnologie wie Mikrolinsen und Hintergrundbeleuchtung sowie fortschrittlichere Rauschunterdrückungsalgorithmen haben einen Teil dazu beigetragen, die durch die erhöhte Pixelzahl in einem so kleinen Sensor verlorene Empfindlichkeit auszugleichen, aber nicht weit genug: Die heutigen Handykameras sind es aufgrund ihrer kleinen Lichtsammelfläche in Innenräumen und bei schwachem Licht immer noch laut.

Es ist sehr schwierig , Ihre Kamera auf der Grundlage der Empfindlichkeit oder anderer Aspekte der Bildqualität zu vermarkten, wenn die Megapixelzahl die primäre Marketingstatistik für Digitalkameras bleibt, auch wenn sie irreführend ist.

Warum vermarktet Apple es auf diese Weise?

Die uninformierte Öffentlichkeit erwartet immer noch, dass, wenn eine Kamera verbessert wird, ihre Megapixelzahl steigt.

Apple veröffentlicht jedoch eine "bessere" Kamera in seinem Mobiltelefon, jedoch ohne Erhöhung der Megapixelzahl.

Technisch gesehen ist dies eine gute Idee für die Bildqualität. Es ist jedoch schwierig, Menschen zu erklären, warum dies so ist, wenn sie darauf konditioniert wurden, zu glauben, dass die Megapixelzahl die primäre Metrik für die Bildqualität ist.

Die Vermarktung der iPhone 5S-Kamera auf diese Weise ist ein Versuch:

1. Verlagern Sie die Vermarktung von Kamerasensoren weg von der Pixelanzahl und hin zu Empfindlichkeit und anderen Qualitätsaspekten.

2. Lenken Sie von der Tatsache ab, dass die Megapixelzahl, von der viele Menschen immer noch annehmen, dass sie die Bildqualität bestimmen, nicht gestiegen ist.

Leider sind sie nicht die ersten, die dieselbe Revolution versuchen, und werden nicht die letzten sein. Der Megapixel-Mythos ist sehr fest verankert.

Hinweis: Als Antwort auf einige Kommentare unten definiere ich den "Megapixel-Mythos" als den Mythos, dass die Anzahl der Pixel der Hauptfaktor für die Bildqualität ist und dass mehr Pixel immer eine bessere Qualität bedeuten - nicht, dass die Anzahl der Pixel keinen Vorteil hat. Zum Problem des Megapixel-Mythos gehört auch, dass er von wichtigen Kennzahlen wie der Sensorgröße ablenkt, über die bei Handys und Kompaktkameras so gut wie nie gesprochen wird.

Stimmt das oder ist es ein Marketingtrick?

Es ist technisch richtig, aber in diesem Fall ist der Unterschied so gering, dass er unbedeutend ist.

Es ist wahr, dass die Beibehaltung der gleichen Anzahl von Pixeln und die Vergrößerung jedes Pixels zu einer besseren Empfindlichkeit führt, und genau das haben sie hier getan. Dies sollte zu geringerem Rauschen führen (oder, wenn die Kamera dadurch schnellere Geschwindigkeiten verwenden kann, möglicherweise zu weniger Bewegungsunschärfe bei schwachem Licht). Ihre tatsächliche Behauptung, dass „größere Pixel = besseres Bild“ ist eine Vereinfachung davon und könnte die Leute möglicherweise verwirren und glauben, dass ihre Tageslichtbilder im Freien ebenfalls verbessert werden könnten, was nicht der Fall ist. Aber in Szenarien mit wenig Licht bietet die verbesserte Empfindlichkeit einen Vorteil.

Sie haben sie jedoch nicht sehr viel größer gemacht. Bei einer Vergrößerung des Sensors um nur 6,6 % ist der daraus resultierende Gewinn an Empfindlichkeit winzig: so gering, dass er unbedeutend ist. Zum Vergleich: Eine DSLR hat einen Sensor, der ungefähr 500-900 % so groß ist wie eine Kompaktkamera. Dies würde zu einem erheblichen Empfindlichkeitsgewinn von mehreren Blendenstufen führen. Ein Anstieg um 6,6 % ist sehr unbedeutend. Sie entspricht etwa einem Sechstel einer Blendenstufe.

Es ist also auch eine Art Marketing-Trick. Um signifikante Gewinne zu erzielen, müssten sie die Sensorgröße viel weiter erhöhen. Es ist auch ein Marketingtrick, weil sich ihr Marketing früher auf die Anzahl der Megapixel konzentrierte, und jetzt haben sie die Art und Weise, wie sie vermarkten, geändert, weil sie sich entschieden haben, die Anzahl der Megapixel nicht zu erhöhen, und sich immer noch rühmen möchten, dass sie die Kamera verbessert haben .

Theoretisch ist es besser, mehr kleinere Pixel zu haben, als weniger große Pixel zu haben.

Ein kleines Pixel erfasst weniger Photonen und daher ist seine Ausgabe verrauschter, aber durch mehr Abtastungen wird das Rauschen gemittelt, durch einfaches Resampling können Sie das Ergebnis eines Sensors mit weniger größeren Pixeln simulieren.

Aber Sie können etwas Besseres tun, als einfach das Ergebnis größerer Pixel abzugleichen. Mehr kleine Pixel erfassen zusammen mehr Informationen. Große Pixel zeigen an, wie viele Photonen auf eine Fläche von beispielsweise 5 µm x 5 µm gefallen sind. Kleine Pixel geben auch an, wie viele Photonen in denselben Bereich gefallen sind, können aber auch zeigen, wie viele in die obere linke 25 µm x 25 µm-Region, die untere rechte 25 µm x 25 µm-Region usw. gefallen sind. Diese zusätzlichen Informationen können für eine intelligentere Neuabtastung verwendet werden, um weniger Rauschen zu erzielen detailliertere Bilder bei gleicher Auflösung wie eine Kamera mit größeren, empfindlicheren Pixeln.

In der Praxis sind die Dinge nie ganz gleich. Wenn Leserauschen berücksichtigt wird, bedeutet das Lesen der Werte von 4 kleineren Pixeln, dass die Leserauschstrafe viermal genommen wird, was zu größerem Rauschen in den Schatten und reduziertem DR führt. Dies sollte bei den neuesten Sony Exmor-Sensoren mit extrem niedrigem Leserauschen kein Problem sein, könnte aber der Grund dafür sein, dass Canon ab 2013 kein Gehäuse mit mehr als 22 MP produziert hat).

Pixel sind keine flachen Einheiten. Normalerweise befindet sich der lichtempfindliche Teil unten mit der umgebenden Elektronik auf Schichten darüber. Dadurch werden die Pixel ein bisschen wie ein Brunnen. Wenn Sie Pixel sehr, sehr klein machen, sinkt der Anteil des lichtempfindlichen Bereichs und die Tiefe des Brunnens wird im Verhältnis zu seiner Breite viel größer, wodurch die Anzahl der Winkel, aus denen er Licht empfangen kann, und damit die Empfindlichkeit verringert wird.

Hier sind sie bei Telefonkamerasensoren, sie können die Anzahl der Pixel nicht erhöhen, ohne den Füllgrad und die Winkeleffizienz ernsthaft zu opfern. Um die Verbraucher anzusprechen, reduzieren sie daher die Anzahl der Pixel. Die beste Lösung besteht darin, den Sensor größer zu machen, aber das würde ein größeres Objektiv erfordern und kein superschlankes Gehäuse ermöglichen, das viele Telefone verkauft.

Weniger größere Pixel haben auch Nachteile. Die reduzierte Abtastfrequenz führt zu erhöhtem Moiré, was stärkere Anti-Aliasing-Filter erfordert, was das Problem der reduzierten Auflösung verschlimmert. Eine niedrigere Abtastrate führt auch zu mehr Demosaicing-Fehlern.

Leider wird das Mantra „kleine Pixel schlecht“ auf alle Formatgrößen angewendet und führt dazu, dass Kamerahersteller zögern, die Qualität durch Erhöhung der Pixelanzahl voranzutreiben, da die „allgemeine Meinung“ lautet, dass dies eine schlechte Idee ist und Bilder verrauschter und anfälliger für die Kamera macht schütteln und erfordert bessere Objektive (jeder dieser Punkte stimmt nicht).

Die Hauptidee dabei ist, dass ein größerer Sensor ein besseres Bild liefert (wenn die Sensoren die gleiche Technologie verwenden). Was Apple getan hat, ist die Sensorgröße zu erhöhen und durch Beibehaltung der gleichen Anzahl von Pixeln hat jedes Pixel ein höheres Signal-Rausch-Verhältnis, was zu einem besseren Bild führt.

Es geht darum, das einfallende Licht so genau wie möglich einzufangen.

Es ist ziemlich einfach, mit einer größeren Oberfläche (pro Pixel) fangen Sie mehr Licht ein und können dieses Licht im Endergebnis genauer darstellen.

Es stimmt, dass die Fotos besser werden, aber nur 15 % pro Pixel sind nicht spektakulär. Es ist also auch Marketing. Ähnliches hat Nokia mit seinem PureView getan. Das Downsampling von 41 Megapixeln auf 5-10 Megapixel wird auch den Rauschpegel drastisch verringern. Nokias PureView wird dem überlegen sein, wenn Sie mich fragen.

Größere Pixel haben zwei Hauptvorteile:

1. Größere Pixel sammeln mehr Licht, sodass der Sensor empfindlicher ist. Das bedeutet, dass Sie bei schlechten Lichtverhältnissen mit niedrigem ISO-Wert und damit mit geringem Rauschen aufnehmen können.

2. Bei großen Blenden (z. B. f/2.2) und kleinem Sensor kommt es vor, dass viele Lichtstrahlen zufällig mit verschiedenen Pixeln interagieren und Ihr Bild verwischen. Und dies verringert die Auflösung.

Doch selbst wenn wir den bekannten Megapixel-Mythos entlarven, verallgemeinern wir die „je größer, desto besser“ -Wahrheit über Sensoren. Natürlich ist das oben Gesagte richtig, aber die Leistung einer Kamera hängt von vielen anderen Faktoren ab. Um ein Bild auf einen größeren Sensor zu projizieren und dabei einen kurzen Abstand zwischen der Frontlinse und dem Sensor beizubehalten (wie es ein iPhone tun muss), benötigen Sie mehr Objektive, und wenn die Qualität eines dieser Objektive nicht gut ist, die gesamte Leistung des System wird am schlechtesten sein. „Größere Pixel = besseres Bild“ ist also eher ein Slogan als ein Gesetz.