Nachgemessen

Wie gut sind 4- und 5-Megapixel-Digitalkameras wirklich?

2002-03-06 Der letzte Auflösungssprung bei Digitalkameras verlief ruhiger als die früheren. Zum einen sind viele Anwender bereits mit 2- und 3,2-Megapixeln zufrieden, zum anderen versprach der Sprung von 3,2 auf 4,0 Millionen Bildpunkte keinen so hohen Zuwachs an Auflösung wie frühere Generationswechsel. Doch die Pixelzahl allein sagt nicht alles. Für digitalkamera.de hat der Diplominformatiker Anders Uschold in seinem Testlabor einige aktuelle Spitzenmodelle einmal messtechnisch unter die Lupe genommen und kam dabei zu hoch interessanten Ergebnissen.  (Anders Uschold, Jan-Markus Rupprecht)

  

Ausschnitt aus der Aufnahme eines Siemens-Sterns mit einer Canon PowerShot S40 [Foto: Anders Uschold]
Canon PowerShot S40
 

Ausschnitt aus der Aufnahme eines Siemens-Sterns mit einer Canon PowerShot G2 [Foto: Anders Uschold]
Canon PowerShot G2
 

Ausschnitt aus der Aufnahme eines Siemens-Sterns mit einer Casio QV-3500EX [Foto: Anders Uschold]
Casio QV-3500EX
 

Ausschnitt aus der Aufnahme eines Siemens-Sterns mit einer Casio QV-4000 [Foto: Anders Uschold]
Casio QV-4000
 

Ausschnitt aus der Aufnahme eines Siemens-Sterns mit einer Fujifilm FinePix 6900 Zoom [Foto: Anders Uschold]
Fujifilm FinePix 6900 Zoom
 

Ausschnitt aus der Aufnahme eines Siemens-Sterns mit einer Nikon Coolpix 995 [Foto: Anders Uschold]
Nikon Coolpix 995
 

Ausschnitt aus der Aufnahme eines Siemens-Sterns mit einer Olympus E-20P [Foto: Anders Uschold]
Olympus E-20P
 

Ausschnitt aus der Aufnahme eines Siemens-Sterns mit einer Olympus C-4040 Zoom [Foto: Anders Uschold]
Olympus C-4040 Zoom
 

Ausschnitt aus der Aufnahme eines Siemens-Sterns mit einer Sony DSC-F707 [Foto: Anders Uschold]
Sony DSC-F707
 

Ausschnitt aus der Aufnahme eines Siemens-Sterns mit einer Sony DSC-S85 [Foto: Anders Uschold]
Sony DSC-S85

Der letzte Generationenwechsel bei digitalen Kameras verlief mit deutlich weniger Tamtam als seine Vorläufer. Offenbar scheint hier eine Beruhigung im Wettrennen nach immer größeren Auflösungswerten stattzufinden. Dabei zeigt unsere Untersuchung, dass dieser Schritt ebenso interessant ist wie damals die Steigerung von zwei auf drei Megapixel. In Fortführung der Tradition der damaligen Modelle verwenden heutige Kameras der 4-Megapixel-Klasse fast ausschließlich den gleichen Sensor der Firma Sony und auch bei den Objektiven findet man immer öfter gleiche Bezeichnungen zu Brennweite und Lichtstärke unter verschiedenen Namen. So sind die Eigenschaften der Kameras unterschiedlicher Hersteller in einigen Bereichen sehr ähnlich, beispielsweise das Rauschen, die Signaldynamik oder die Differenzierung von Grauwerten. Man könnte meinen, die Modelle gleichen sich einander immer mehr an.

Die wahren Veränderungen sind jedoch größer als man auf den ersten Blick vermutet. Auch erhält der Anwender für sein Geld deutlich mehr Qualität und Leistung als jemals zuvor. Die Ursache, dass sich diese Leistungen erst auf den zweiten Blick offenbaren, liegt in der Werbung: Geräte müssen einfach, markant und zumindest in groben Eckwerten vergleichbar für den Kunden dargestellt werden. Bei digitalen Kameras wird von den Herstellern als Hauptargument die Anzahl der Pixel verwendet. Ähnlich wie die Taktfrequenz von Prozessoren oder Auflösung von Scannern wird auch hier ein so genannter "Spezifikationskrieg" geführt. Die Qualität einer Kamera hängt jedoch in viel größerem Maße vom Zusammenspiel der einzelnen Komponenten ab. Dieses sind folgende:

Objektiv  In der Fotografie ist besonders das Objektiv entscheidend. Seine Fähigkeit und Qualität feine Details im Motiv, differenzierte Farben und hohe Kontraste, das heißt sehr helle oder sehr dunkle Bereiche, hochwertig abzubilden, machen anspruchsvolle Fotografie überhaupt erst möglich.

Sensor  Vergleichbar mit analoger Fotografie, bei der das Bild des Objektivs auf einem Film aufgezeichnet wird, setzt in der digitalen Kamera der Sensor das Motiv in eine weiter verwertbare Form um. Für die differenzierte Darstellung ist nicht nur die bereits genannte Auflösung entscheidend, sondern auch die Differenzierung von Farben und die Dynamik. Dynamik ist die Fähigkeit, einen möglichst großen Helligkeitsbereich des Motivs aufzuzeichnen (sog. "Eingangsdynamik") und diese detailliert mit guten Kontrasten darzustellen ("Ausgangsdynamik"). Ähnlich dem analogen Film, bei dem Darstellungen gleichmäßiger Flächen im Motiv schwanken oder körnig sein können, besitzt auch ein Sensor eine gewisse Unregelmäßigkeit. Dieses Rauschen ist ebenfalls für die qualitative Darstellung sehr wichtig.

Signalverarbeitung  Vom Sensor eingefangene und gelieferte Daten müssen elektronisch weiterverarbeitet werden. In der Signalverarbeitung wird für Belichtung, Korrektur der Farbtemperatur und eine möglichst natürliche Wiedergabe unterschiedlicher Helligkeiten und Nuancen gesorgt. Zusätzlich werden aus den Pixelwerten des Sensors, die nur in den Farben Rot, Grün, Blau (oder in Ausnahmefällen Cyan, Magenta und Gelb) geliefert werden, Bildpunkte mit jeweils allen drei Farbanteilen berechnet. Diese Farbinterpolation liefert die für die Darstellung auf digitalen Geräten notwendigen Farbinformationen und Dateiformate. Ein weiterer wichtiger Punkt der Signalverarbeitung ist die Scharfzeichnung. Kaum ein Hersteller verwendet vom Sensor erfasste Strukturen und Linien ohne sie " bildverbessernd " zu modifizieren. Auf diese Weise erscheint dem Betrachter das Bild schärfer und kontrastreicher. Übertreibt man diese Nachbearbeitung, so wird das Bild unnatürlich und überplastisch.

Speicherung und Ausgabe  Um die für Speicherkarten oder Direktverbindungen der Kamera zum Computer zu großen Dateien handhaben zu können, werden sie komprimiert. Da jede Komprimierung, die das Bild auf durchschnittlich weniger als die Hälfte der Originalgröße verkleinert, Verluste mit sich bringt, ist auch dieser Schritt ein Qualitätsmerkmal. Bei einfacheren Modellen gehen die Hersteller oft dazu über, Bilddateien bereits in der Kamera für das verwendete Ausgabegerät zu optimieren. So kann die gleiche Aufnahme durchaus unterschiedliche Ergebnisse liefern, wenn man sie normal in den PC überträgt, über den Infrarotausgang oder ein Kabel direkt an den Drucker schickt oder als Videosignal auf dem Fernseher wiedergibt.

Beurteilung einer Kamera

Die Leistung einer Kamera und ihre Qualität ergeben sich aus dem Zusammenspiel der oben genannten Kriterien. Deshalb kann man sie nicht allein aufgrund ihrer technischen Spezifikationen und Daten bewerten, sondern muss Testaufnahmen erstellen und untersuchen. Ein geschulter und erfahrener Betrachter kann Stärken und Schwächen einer Kamera erkennen und verschiedene Typen miteinander vergleichen und bewerten. Um einen exakten Vergleich zu erhalten oder Kameras über einen längeren Zeitraum zu beurteilen, ist es sinnvoll, auf Ergebnisse eines Messlabors zurückzugreifen. Das Messverfahren DCTau basiert auf solchen Laboruntersuchungen. Für den Vergleich von Kameras unterschiedlicher Leistungsklassen und insbesondere des Generationenwechsels von 3-Megapixel auf 4- bzw. 5-Megapixel ist es interessant, den Wirkungsgrad und das Nettodateivolumen der Prüflinge zu betrachten.

Vereinfacht ausgedrückt beschreibt der Wirkungsgrad wie gut die qualitätsqestimmenden Komponenten der Kamera aufeinander abgestimmt sind. Ein Wirkungsgrad von deutlich unter 100 Prozent zeigt markante Schwächen einer Komponente oder der Abstimmung mehrerer aufeinander. Dann sind beispielsweise die echten Information im Bild und der Detailreichtum niedrig, obwohl die Kamera vielleicht einen hoch auflösenden Sensor besitzt. Auf der anderen Seite stellt ein Wirkungsgrad von mehr als 100 Prozent eine Überinformation dar. Diese entsteht, wenn die Signalverarbeitung zu tief in die Trickkiste greift und durch Scharfzeichnung und Linieninterpretation Strukturen im Bild entstehen, die mit der Vorlage nichts mehr zu tun haben. Auf den ersten Blick erscheinen die Bilder extrem scharf und detailreich. Bei genauerem Hinsehen zeigen sich allerdings Störungen, Artefakte und künstliche Strukturen.

Was man im Endeffekt dann wirklich als Bildinformationen bekommt, zeigt das Nettodateivolumen. Bildlich gesprochen kann man sich darunter vorstellen, wie viele Bytes der Bilddatei mit verwertbaren Informationen gefüllt sind und wie viele unnötige Informationen wie Rauschen und Unschärfe enthalten. Das Nettodateivolumen ist ein Ergebnis des DCTau-Testverfahrens und findet sich in dieser Form auf keiner Speicherkarte oder auf keiner Festplatte wieder. Dafür kann man das Nettodateivolumen von Kameras unterschiedlicher Bildgröße vergleichen, entscheidend ist das Gesamtergebnis und nicht die einzelne Komponente.

Was bringt der Generationenwechsel?

Die aktuelle 4-Megapixel-Generation der digitalen Kameras zeigt im Vergleich zu ihren Vorgängern zwei besondere Veränderungen. Erstens ist die Leistungsfähigkeit der Signalverarbeitung sowohl in der Rechenleistung als auch in ihrer Innovation merklich gestiegen. Zweitens wurde die Homogenität der Objektive in vielen Fällen verbessert und die Abstimmung der einzelnen Komponenten ist in ihrer Qualität sehr weit fortgeschritten, so dass der Fotograf mehr Leistung bekommt als zu erwarten wäre. Ein Musterbeispiel sind die beiden ausgesprochen ausgewogenen Modelle von Casio. Die QV-3500 liefert bei 3.146 Megapixel Bildgröße 5,6 MByte Nettodaten. Die QV-4000 bringt es bei 3.763 Megapixel Bildgröße dagegen auf satte 9,3 MByte Nettodaten. Die QV-4000 liefert also für 20 Prozent mehr Bildpunkte 66 Prozent mehr Bildinformation als die QV-3500!

Die Kehrseite dieser Medaille zeigt sich oft in einer sehr intensiven Ausnutzung der modernen Linien- und Kantenaufbereitung, was bei zu intensivem Einsatz zu deutlichen Artefakten und Moiré-Effekten bei feinen Strukturen führt. Für den Anwender teilen sich die Kameras der neuesten Generation in zwei Gruppen:

  • Die erste Gruppe verwendet als Standardeinstellung eine sehr intensive Verstärkung. Die erhaltenen Bilder wirken extrem scharf und brillant und sind für die direkte Ausgabe an einen Drucker sehr gut geeignet. Für die ambitionierte Weiterverarbeitung und eine möglichst genaue Reproduktion kritischer und detaillierter Vorlagen bringen sie wegen der Artefakte unter Umständen deutliche Probleme mit.
     
  • Kameras der zweiten Gruppe verzichten in der Standardeinstellung weitgehend auf diese intensiven Methoden, was ihnen in der ersten visuellen Beurteilung eine weichere, scheinbar unschärfere Leistung verschafft. Für die anspruchsvolle Verarbeitung sind sie aber hervorragend geeignet, da sie alle Wege offen lassen. Dazu gehört auch die Nachschärfung, wenn die "knackige" Wiedergabe der ersten Gruppe gewünscht wird. Ironischerweise wird dieser anspruchsvolleren und professionelleren Strategie in Tests mit visueller Beurteilung oft eine deutlich schlechtere Leistung attestiert.

Fazit

Die Kameras der aktuellen Generation bieten im mittleren bis oberen Preissegment eine enorme und bisher noch nicht da gewesene Leistungsfähigkeit. Der echte Fortschritt findet nicht nur in der ständigen Steigerung der Bildgröße statt, sondern auch in einer verbesserten Abstimmung der Komponenten aufeinander. Allerdings sollte man sich als anspruchsvoller Digitalfotograf sein individuelles Modell nicht nur nach Aussehen und Eckdaten aussuchen, sondern sich im Vorfeld überlegen, ob man die Bilder bevorzugt nachbearbeiten möchte oder zur shoot-to-print-Generation zählt.

Kamera Gruppe Bruttodateigröße in KByte Wirkungsgrad in Prozent Nettodateigröße in KByte
Canon PowerShot S40 1 11.343 91 9.100
Canon PowerShot G2 1 11.343 106 12.279
Casio QV-3500EX 2 9.217 79 5.606
Casio QV-4000 1 – 2 11.026 93 9.319
Fujifilm FinePix 6900 Zoom (nicht interpoliert) 2 9.217 89 7.121
Nikon Coolpix 995 2 9.217 74 4.875
Olympus E-20P 1 – 2 14.401 88 11.230
Olympus C-4040 Zoom 2 11.343 82 7.486
Sony DSC-F707 1 14.401 92 11.668
Sony DSC-S85 1 11.343 98 10.603

So liest man die Tabelle: Gruppe 1 steht für Kameras, die eine intensive Kantenaufbereitung bereits in der Kamera durchführen, diese Bilder eignen sich nicht mehr sehr gut für die manuelle Optimierung. Kameras der Gruppe 2 betreiben die Kantenaufbereitung weniger stark; mit dem Resultat, dass die Bilder zunächst weniger scharf als die der Gruppe 1 wirken. Dafür lassen diese Bilder jedoch alle Optionen für die nachträgliche Schärfung im Bildbearbeitungsprogramm offen. Kameras der Gruppe 1-2 bewegen sich im Mittelfeld mit einem Kompromiss zwischen Scharfzeichnung und Artefakten. Die Bruttodateigröße entspricht der Bildgröße: horizontale mal vertikale Anzahl der Bildpunkte mal drei (für die drei Farbkanäle Rot, Grün und Blau). Der Wirkungsgrad wird von der DCTau-Software in einem aufwendigen Verfahren ermittelt, dass unter anderem jeweils 15 Messpunkte im Bild bei drei verschiedenen Brennweiten berücksichtigt. Liegt dieser weit unter 100 % besitzt die Kamera Defizite beim Objektiv oder bei der Abstimmung ihrer Komponenten aufeinander. Eine ausgewogene Kamera besitzt einen Wirkungsgrad im Bereich von etwa 80 bis 95 %. 100 % werden nur theoretisch erreicht. Liegt der Wirkungsgrad einer Kamera sehr dicht unter oder gar über 100 % tut die interne Signalverarbeitung der Kamera in der Standard-Einstellung zuviel des Guten. Im Bild sind dann Strukturen sichtbar, die es im Motiv gar nicht gegeben hat. Aus der Bruttodateigröße und dem Wirkungsgrad leitet sich die Nettodateigröße ab, mit der sich Kameras unterschiedlicher Auflösungsklassen miteinander vergleichen lassen. Dabei muss man ebenfalls beachten, dass Nettodateigrößen, die größer als die dazugehörige Bruttodateigröße sind, im Motiv gar nicht vorhandene Strukturen enthalten.

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Jan-Markus Rupprecht

Jan-Markus Rupprecht, 55, fotografiert mit Digitalkameras seit 1995, zunächst beruflich für die Technische Dokumentation. Aus Begeisterung für die damals neue Technik gründete er 1997 digitalkamera.de, das Online-Portal zur Digitalfotografie, von dem er bis heute Chefredakteur und Herausgeber ist. 2013 startete er digitalEyes.de als weiteres Online-Magazin, das den Bogen der digitalen Bildaufzeichnung noch weiter spannt.