Von Pixeln, Sensorgrößen, Rauschen und Tiefenschärfen :-)

[Sven]

Hallo zusammen!

Heute möchte ich auf Wunsch eines Hobbykollegen, mit dem ich mich kürzlich über Kameras, Sensoren und Formate ausgetauscht habe, einen Beitrag hier einstellen, der der Sache mit den Pixeln auf den Grund geht...
Er war der Meinung, dass das Thema zu schade sei, um in unseren Mailpostfächern unterzugehen.
Einfach nur mal so wertfrei als Diskussionsgrundlage, Denkanstoß, oder was auch immer.
Vielleicht interessiert es ja den ein oder anderen in der Runde, ich würde mich jedenfalls über etwas Rückmeldung freuen.

Hintergrund war eine recht angeregte Konversation darüber, ob nun Vollformat- oder die gängigen Crop-Sensoren das Nonplusultra in der Eisenbahnfotografie sind.
Diese Frage konnten wir natürlich nicht abschließend klären, aber immerhin sind ein paar recht interessante Sachen zutage gekommen.

Zunächst zum Thema Pixeldichte/ -größe.
Ich habe zum Vergleich die Canon 5D Mark II mit 21MP auf Vollformat-Chip und die 7D mit 18MP auf dem APS-C Crop-Sensor herangezogen.

5D Mark II Sensor:
36 x 24mm = 864mm²
5616 x 3744px = 21.026.304 Pixel

21.026.304 Pixel / 864mm² = 24336 px/mm²


7D Sensor:
22,3 x 14,9mm = 332,27mm² (Flächenfaktor also ungefähr 2,6)
5184 x 3456px = 17.915.904 Pixel

17.915.904 Pixel / 332,27mm² = 53919,7 px/mm²
(Also mehr als das doppelte! Unglaublich, das sich sowas überhaupt fertigen lässt! Man möge sich das auf der Zunge zergehen lassen, auf der Fläche eines Stecknadelkopfes sind demnach Zigtausende Pixel zu finden!)

Nun kann man errechnen, wieviele Pixel sich mit der Pixeldichte der 7D auf dem Vollformatsensor unterbringen lassen. Man nimmt jetzt die Chipfläche der 5D Mark II mal die Pixeldichte der 7D:

864mm² x 53919,7 px/mm² = 46586620,8px also rund 46,6 MP

Folglich haben die Vollformatsensoren noch Spielraum nach oben. Ob das dann Sinn macht oder nicht, sei mal dahingestellt. Allerdings kann man daraus auch schön ablesen, warum die absolute Bildqualität der Vollformatkameras nach wie vor sehr viel besser ist, als die der Cropkameras.
Je kleiner die Pixel sind und je enger sie beeinander liegen, umso größer wird natürlich das Rauschen.

Die Pixelbreite in Mikrometern hab ich auch noch ausgerechnet, bei der 5D Mark II sind es 6,4 und bei der 7D 4,3 Mikrometer.
Daraus kann man schön die höhere "Bewegungsunschärfe-Empfindlichkeit" der Crop-Kamera durch verwackeln od. fahrende Züge ableiten. Was sich bei der 5D über 2 Pixel bewegt, hat bei der 7D immerhin schon drei "zermatscht".

So und diese Mikrometer-Pixel geben wir dann auf deinem Monitor in 100%-Auflösung aus und nehmen das als Bewertungsmaßstab!

Das war das eine. Zum anderen gibt es noch ein altes Fotomärchen, welches meiner Ansicht nach ausgeräumt werden sollte.

"Die Tiefenschärfe ist bei kleinen Sensoren viel größer als bei Vollformat!"
Das ist, mit Verlaub, großer Humbug, denn in diese "Rechnung" ist mit einkalkuliert, das man jeweils unterschiedliche Brennweiten benötigt, um den gleichen Bildausschnitt darzustellen. (Crop-Faktor)

Beispiel aus der Eisenbahnfotografen-Praxis:
Unterstellen wir, dass wir 10m vor einer abgestellten Lok stehen. Mit einem 50mm-Standardobjektiv fertigen wir jetzt ein Lokportrait an. Die verwendete Blende ist 4.
Am Vollformat haben wir eine Tiefenschärfe von 12,4 Metern.
Am APS-C Crop sind es bei gleicher Brennweite, Blende und Motiventfernung teuflische 6,66 Meter.

Um allerdings den gleichen Bildausschnitt zu bekommen, muss man an der Crop-Kamera mit ca 31mm Brennweite arbeiten. Wenn ich sonst alle Parameter unverändert lasse, habe ich an der Crop-Kamera bei 31mm Brennweite einen Schärfebereich von 41,7 Metern.

Was lernen wir daraus? In Wirklichkeit ist die Tiefenschärfe bei sonst unveränderten Aufnahmeparametern kleiner, je kleiner auch der Sensor der Kamera ist.
Rechnet man allerdings den "Crop-Faktor" (ich mag das Wort nicht, weil eigentlich nix multipliziert wird) mit rein, wendet sich das Blatt und die oben angeführte Pauschalisierung wird etwas sinnvoller.

Nachrechnen kann man diese Sachen z.B. hier:
http://www.dofmaster.com/dofjs.html

Soviel erstmal von mir.

Grüße rundum
Sven

[Henning]

Soooo viel Theorie - ich gehe lieber fotografieren und bei der Bildgröße im Internet sieht man den Unterschied ohnehin nicht!
Du kannst ruhig weiter Pixel zählen!

[Sven]

Soooo viel Theorie - ich gehe lieber fotografieren ...

Es hat halt viel geregnet in letzter Zeit...

Grüßle
Sven

[Uwe aus Stuttgart]

Hallo,

zunächst mal danke an Sven für die Veröffentlichung der Erkenntnisse aus der Diskussion mit dem Hobbykollegen!

Vielleicht interessiert es das eine oder andere Mitglied der "gelben Fraktion", wie die entsprechenden Pixeldichte/Chipgrößenwerte bei deren Kameras aussehen ... hier die Berechnungen von je zwei älteren Exemplaren und von zwei aktuellen Neuzugängen, aufsteigend sortiert gemäß Erscheinungsdatum:

D80 APS-C Sensor:
23,6 x 15,8 mm = 372 mm²
3872 x 2592 px = 10.036.224 Pixel
10.036.224 Pixel / 372 mm² = 26.915 px/mm²

D90 APS-C Sensor:
23,6 x 15,8 mm = 372 mm²
4288 x 2848 px = 12.212.224 Pixel
12.212.224 Pixel / 372 mm² = 32.751 px/mm²

D800 Sensor:
35,9 x 24 mm = 861,6 mm² (Flächenfaktor also ungefähr 2,3)
7360 x 4912 px = 36.152.320 Pixel
36.152.320 Pixel / 861,6 mm² = 41.959 px/mm²

D3200 APS-C Sensor:
23,2 x 15,5 mm 359 mm²
6016 x 4000 px = 24.064.000 Pixel
24.064.000 Pixel / 359 mm² = 66.918 px/mm²

Zum Vergleich: die Canon 7D hat "nur" eine Pixeldichte von 53.919 px/mm²!

Wenn man nun auch berechnet, wieviele Pixel sich mit der Pixeldichte der D3200 auf dem Vollformatsensor unterbringen lassen, ergibt sich ein Wert von 861,6 mm² x 66.918 px/mm² = 57.657.236 px, also rund 57,6 MP ... da sind die 46,6 MP von Canon ja "pille-palle"!

Alle weiteren Ausführungen über die Sinnhaftigkeit solcher Pixeldichten bzw. -größen und deren Auswirkungen auf Rauschen und Bewegungsunschärfe kann im Ursprungsbeitrag nachgelesen werden.

Gruß Uwe.

[Andreas Goltz]

Um allerdings den gleichen Bildausschnitt zu bekommen, muss man an der Crop-Kamera mit ca 31mm Brennweite arbeiten. Wenn ich sonst alle Parameter unverändert lasse, habe ich an der Crop-Kamera bei 31mm Brennweite einen Schärfebereich von 41,7 Metern.

Was lernen wir daraus? In Wirklichkeit ist die Tiefenschärfe bei sonst unveränderten Aufnahmeparametern kleiner, je kleiner auch der Sensor der Kamera ist.
Rechnet man allerdings den "Crop-Faktor" (ich mag das Wort nicht, weil eigentlich nix multipliziert wird) mit rein, wendet sich das Blatt und die oben angeführte Pauschalisierung wird etwas sinnvoller.

Nachrechnen kann man diese Sachen z.B. hier:
http://www.dofmaster.com/dofjs.html

Soviel erstmal von mir.

Grüße rundum
Sven

Hallo Sven,

du vergleichst Äpfel mit Birnen, soll heißen ein 31 mm Objektiv mit einem 50 mm Objektiv. Beide Objektive haben unterschiedliche Bildwinkel, woraus sich auch unterschiedliche Schärfentiefe ergibt.

Zur Thematik ist das Internet voller Erläuterungen. Das der von Dir als Humbug bezeichnete Satz wohl nicht falsch ist, zeigen ja gerade die kleinen Kompaktkameras, die schon bei Offenblende von vorn bis hinten scharf abbilden.


Grüße
Andreas

[Sven]

Moin moin!

Zunächst danke an Uwe für die Ergänzungen!

Andreas, nichts für ungut, aber hast du meinen Text ganz gelesen? Irgendwie verstehe ich deinen Beitrag nicht, mir kommt es so vor, als ob du da was mißverstanden hast.

du vergleichst Äpfel mit Birnen, soll heißen ein 31 mm Objektiv mit einem 50 mm Objektiv. Beide Objektive haben unterschiedliche Bildwinkel, woraus sich auch unterschiedliche Schärfentiefe ergibt.

Genau, das ist mir absolut klar! Das ist doch genau der Punkt, auf den ich raus will!
Ich habe auch nirgends etwas gegenteiliges geschrieben, oder?
Hier nochmal die Passage aus meinem Beitrag:

"Die Tiefenschärfe ist bei kleinen Sensoren viel größer als bei Vollformat!"
Das ist, mit Verlaub, großer Humbug, denn in diese "Rechnung" ist mit einkalkuliert, das man jeweils unterschiedliche Brennweiten benötigt, um den gleichen Bildausschnitt darzustellen. (Crop-Faktor)

Beispiel aus der Eisenbahnfotografen-Praxis:
Unterstellen wir, dass wir 10m vor einer abgestellten Lok stehen. Mit einem 50mm-Standardobjektiv fertigen wir jetzt ein Lokportrait an. Die verwendete Blende ist 4.
Am Vollformat haben wir eine Tiefenschärfe von 12,4 Metern.
Am APS-C Crop sind es bei gleicher Brennweite, Blende und Motiventfernung teuflische 6,66 Meter.

Um allerdings den gleichen Bildausschnitt zu bekommen, muss man an der Crop-Kamera mit ca 31mm Brennweite arbeiten. Wenn ich sonst alle Parameter unverändert lasse, habe ich an der Crop-Kamera bei 31mm Brennweite einen Schärfebereich von 41,7 Metern.
...

Ich habe die fraglichen Punkte nochmal hervorgehoben.
Mir ist absolut bewusst, dass man 31mm nicht mit 50mm vergleichen kann. Genau das wird in den landläufigen Pauschalaussagen aber getan. Mir ist wichtig, dass es bei sonst gleichen Aufnahmeparametern (und dazu gehört auch die Brennweite) keineswegs so ist, dass die Tiefenschärfe am Crop größer ist. Das Gegenteil ist der Fall.
Um aber mit der Crop-Kamera den gleichen Bildausschnitt darstellen zu können, wie mit 50mm am Vollformat, muss man aber die 31mm nutzen. Und bei diesen 31mm ist die Tiefenschärfe eben größer.
Ich hoffe nun wirds verständlicher.

Das der von Dir als Humbug bezeichnete Satz wohl nicht falsch ist, zeigen ja gerade die kleinen Kompaktkameras, die schon bei Offenblende von vorn bis hinten scharf abbilden.

Und warum ist das so?
Weil sich außer der Sensorgröße logischerweise auch noch die Brennweite fundamental ändert. Bei den Kompakten sind ja extrem kurze Brennweiten verbaut, um Kleinbild-äquivalente Bildwinkel zu bekommen. Hab mir jetzt mal wahllos die Canon Powershot S90 rausgepickt, die hat ein Objektiv mit 6.0 - 22.5mm Brennweite. Bei diesen Brennweiten wäre es am Vollformat auch scharf von vorn bis hinten.

... In Wirklichkeit ist die Tiefenschärfe bei sonst unveränderten Aufnahmeparametern kleiner, je kleiner auch der Sensor der Kamera ist.

Wie gesagt, mir geht es dabei explizit um die unveränderten Aufnahmeparameter. Bei gleicher Brennweite, Blende und Motiventfernung wird die Tiefenschärfe nicht größer, weil eine Crop-Kamera hinters Objektiv geschraubt wird.
Das Gegenteil ist der Fall.
Aber man benötigt kleinere Brennweiten, um den gleichen Bildausschnitt zu bekommen. Dadurch und nur dadurch, dass dieser Umstand von der Allgemeinheit schon mit einkalkuliert wird, wird die Tiefenschärfe dann doch größer.

Sorry, falls das irgendwie mißverständlich formuliert war.

Grüße und nichts für ungut,
Sven

[Andreas Goltz]

Hallo Sven,

Wie gesagt, mir geht es dabei explizit um die unveränderten Aufnahmeparameter

Du veränderst doch durch den Brennweitenwechsel die Aufnahmeparameter - den Bildwinkel!

Die Aufnahmebedingungen die zu der Aussage

"Die Tiefenschärfe ist bei kleinen Sensoren viel größer als bei Vollformat!"

führte, sind doch andere, als Du für Dein Experiment annimmst. Jetzt von Deinem Brennweitenwechsel bei gleicher Objektentfernung zu schlußfolgern, daß der Satz Humbug ist, erscheint mir nicht logisch.

denn in diese "Rechnung" ist mit einkalkuliert, das man jeweils unterschiedliche Brennweiten benötigt, um den gleichen Bildausschnitt darzustellen. (Crop-Faktor

Nein, es muss die Aufnahmeentfernung verändert werden, um genau den gleichen Bildausschnitt zu erhalten. Es ist falsch , das für den gleichen Bildausschnitt eine andere Brennweite genommen werden muss. Die Bilder mit dem 31 mm Objektiv und dem 50 mm Objektiv werden sich bei gleicher Sensordiagonale und von mir aus auch konstanter Aufnahmeentfernung immer unterscheiden.


Grüße
Andreas

[Sven]

Hallo Andreas,

danke für den Beitrag!
Freut mich, dass mal jemand mitdenkt, denn das Thema finde ich sehr interessant!

Der Ansatz mit der Aufnahmeentfernung ist natürlich gut und richtig! Das ist die zweite Variante, ein zumindest ähnliches Bild zu bekommen. Gleich wird´s durch den anderen Standpunkt aber auch nicht!
Allerdings verändert sich auch durch den Wechsel der Motiventfernung natürlich die Tiefenschärfe.

Will heißen, um mit dem Crop zu einem ähnlichen/ gleichen Bild zu kommen, hab ich zwei Möglichkeiten. Entweder gehe ich weiter vom Motiv weg, oder ich verwende eine kürzere Brennweite.
Beides beeinflusst die Tiefenschärfe, sie wird davon größer.

Verändere ich aber nichts an all dem, hat der Crop-Sensor eine kleinere Tiefenschärfe.
Von daher bleibe ich bei meiner Meinung. Vielleicht ist das mit dem Humbug etwas derb ausgedrückt, aber sachlich finde ich diese Pauschalaussage unrichtig, jdf. so lange, bis jemand rechnerisch das Gegenteil beweist.

Bei den kleinen Kompaktkameras kann man´s ja noch so stehen lassen. Die gibt es ja nur im Gesamtpaket mit ihrem Objektiv und in dieser Kombination ist es nunmal so, dass es quasi nur unendliche Schärfentiefe gibt.

Bei den Spiegelreflex-Kameras finde ich es aber nicht richtig, diesen Umstand so zu pauschalisieren. Man liest in den Fotoforen öfter solche Sätze wie "Bei der 5D ist der Schärfebereich ja dann noch schmaler, als bei der 7D...". Das ist sachlich falsch, kann man ganz einfach nachrechnen, und darauf habe ich mich bezogen.

Grüße
Sven

[Andreas Goltz]

Hallo Sven,

Will heißen, um mit dem Crop zu einem ähnlichen/ gleichen Bild zu kommen, hab ich zwei Möglichkeiten. Entweder gehe ich weiter vom Motiv weg, oder ich verwende eine kürzere Brennweite.
Beides beeinflusst die Tiefenschärfe, sie wird davon größer.

Dem Satz stimme ich zu. Insofern kann es gestalterisch durchaus richtig sein, statt Änderung der Motiventfernung eine kleinere Brennweite anzusetzen.

Der Ansatz mit der Aufnahmeentfernung ist natürlich gut und richtig! Das ist die zweite Variante, ein zumindest ähnliches Bild zu bekommen. Gleich wird´s durch den anderen Standpunkt aber auch nicht!

Rein mathematisch betrachtet, wird es der gleiche Bildausschnitt sein, weil ja sowohl vertikaler und horizontaler Bildwinkel gleich bleiben (=es ist ja dasselbe Objektiv). Ob man in der Praxis durch Entfernungsänderung den gleichen Bildausschnitt so genau hinbekommt, darf bezweifelt werden. Auf deine Formulierung gleiches Bild will ich mich an dieser Stelle nicht einlassen, weil ja die Schärfentiefe größer wird.

Grüße
Andreas