Wofür brauchen wir 41 Megapixel im Handy?

Liegen doch bisher die Pixelzahlen der Kamerahandy-Spitzenmodelle bei im Vergleich dazu mageren 8 bis 12 Millionen. Grund genug, das neue Nokia-Handy einer detaillierten Analyse zu unterziehen. Dabei müssen wir leider von der Papierform und den wenigen bisher veröffentlichten Beispielbildern ausgehen, denn Testgeräte standen uns noch nicht zur Verfügung. Bei Handykameras gilt nämlich mitnichten: «Mehr Pixel gleich bessere Bilder». Denn Quanteneffekte, dass das Licht mal Teilchen, mal Welle ist, machen sich um so stärker bemerkbar, je kleiner die Pixel des Sensors werden. Insbesondere entfällt umso mehr Fläche auf die unweigerlichen Trennstege zwischen den Pixeln, in je mehr Pixel man einen Sensor-Chip bei sonst gleicher Grösse unterteilt. Und je weniger lichtempfindliche Fläche für die eigentlichen Pixel übrig bleibt, desto weniger Lichtteilchen werden nachgewiesen, und desto grösser fallen Zufallsschwankungen ins Gewicht. Diese führen zu Bildrauschen. Dieses Problem kann zwar mit einem Array von Mikrolinsen vor dem eigentlichen Sensor abgemildert werden. Aber auch für die Mikrolinsen gilt, dass der Anteil der optisch unwirksamen Fläche steigt, je kleiner die Linsen werden.

Mehr Licht!

Bedingt durch den steigenden Verschnitt nimmt bei Pixelverkleinerung das Bildrauschen überproportional zu. Somit «sieht» bei schlechten Lichtverhältnissen eine Kamera mit mehr Pixeln sogar weniger als die mit weniger Pixeln. Und das selbst dann, wenn man die Auflösung des zunächst hoch aufgelösten Bildes nachträglich wieder reduziert, indem man Pixel zusammenfasst. Denn auch die nachträglich zusammengerechneten Pixel haben zusammen weniger Fläche und können damit zusammen weniger Lichtteilchen empfangen als die ungeteilten Pixel des gröberen Sensors. Mehr Pixel bringen bei schlechten Lichtverhältnissen also nur dann mehr, wenn zusätzlich auch Sensor und Linse vergrössert werden. Dann wird insgesamt mehr Licht eingesammelt. Bezüglich der vorgenannten Anforderung hat Nokia seine Hausaufgaben gemacht: Das Nokia 808 PureView hat tatsächlich nicht nur mehr Pixel als ein gewöhnliches Fotohandy, sondern mit ca. 10,7 x 7,5 mm² auch einen viel grösseren Sensor. Die Seitenlänge eines Pixels liegt mit 1,4 µm im für Handykameras üblichen Bereich. Der 8-Megapixel-Sensor des Apple iPhone 4S verwendet beispielsweise dieselbe Pixelgrösse! In Kombination beider Fakten gilt: Das Nokia 808 hat tatsächlich die Voraussetzungen, um mehr Details eines Bilds einzufangen als herkömmliche Kamerahandys.

Nicht beliebig scharf

Aber nicht nur die Teilchennatur des Lichts bringt bei Erhöhung der Pixeldichte die genannten Probleme mit dem Bildrauschen mit sich. Auch die Wellennatur limitiert die Auflösung, nämlich durch die so genannte Beugungsbegrenzung. Salopp formuliert bedeutet diese: Selbst eine perfekt geschliffene Linse bildet nicht exakt scharf ab. Ein Punkt des Motivs wird nicht auf einen Punkt auf dem Sensor abgebildet, sondern auf ein Beugungsscheibchen. Je kleiner die Pixel, desto mehr Pixel überdeckt dieses, und desto unschärfer ist das vom Sensor aufgezeichnete Bild. Die Mehrzahl der modernen Megapixel-Handykameras unterschreitet mit der Sensor-Pixelgrösse das Beugungslimit. Zwar beträgt die vorgenannte Pixelgrösse von 1,4 µm das doppelte der Wellenlänge von rotem Licht (700 nm = 0,7 µm), aber wegen der in Kamerahandys meist nur kleinen Blendenöffnung (die Fachleute sprechen von «numerischer Apertur») umfasst das Beugungsscheibchen mehrere Wellenlängen. Bei der üblichen Blendenzahl von 2,8 sind es beispielsweise 6,8 Wellenlängen. Zwar können spezielle Algorithmen in den Fotoprozessoren die Bilder dennoch scharfrechnen. Dieses gelingt aber nur, wenn die aufgenommene Szene nicht zu viele Details enthält. Denn, wenn die Details des Bildes durch die Beugung an Linse und Blende zu einem grauen etwas auf dem Sensor vermischt worden sind, kann das die Software nicht wieder auseinanderrechnen. Und das bereits erwähnte Bildrauschen erschwert das Scharfrechnen zusätzlich. Es gibt aber auch gute Nachrichten: Obwohl das Bild mit mehr Pixeln auf dem Sensor immer verwaschener wird, enthalten die zusätzlichen Pixel zusätzliche Informationen, mit denen die Scharfrechnung verbessert werden kann. Am Ende wird also mit mehr Pixeln auch ein besseres Bild aufgenommen. Voraussetzung ist natürlich, dass genügend Licht auf den Sensor fällt, siehe oben.




Und: Doppelte Pixelzahl bedeutet, wenn man jenseits des Beugungslimits arbeitet, mitnichten doppelten Detailreichtum im Ergebnisbild! An dieser Stelle ist lobend zu erwähnen, dass das Nokia 808 Pureview in den Standardeinstellungen mitnichten alle 41 Megapixel in den aufgenommenen Bilddateien speichert. Vielmehr beträgt die Standardauflösung lediglich vernünftige 5 Megapixel. Alternativ können auch 8 Megapixel gewählt werden. Indem aber zunächst volle 41 Megapixel abgetastet, dann volle 41 Megapixel scharfgerechnet werden, und erst zum Schluss die Reduktion auf 5 bzw. 8 Megapixel erfolgt, kann eine deutlich bessere Bildqualität erreicht werden, als wenn von Haus aus nur 5 oder 8 Megapixel mit einem kleinen Standard-Sensor aufgenommen worden wären. Abermals lautet das Fazit: Nokia hat es richtig gemacht.

Zum Schluss die Farbe - und die Schwächen

Ein weiteres Problem aller Handykamera-Sensoren ist die geringe Farbauflösung: Von 8 Megapixeln sind beispielsweise nur je 2 Megapixel empfindlich für blaues oder rotes Licht. Enthält ein Bild viele Farbkontraste, sinkt schon alleine deswegen die effektive Gesamtauflösung auf ein Viertel der Sensor-Pixelzahl. Das Nokia 808 hat hingegen jeweils 10,25 Megapixel für blau und rot, sowie 20,5 Megapixel für grün, und kann folglich ein 5- oder 8-Megapixel-Foto mit voller Farbauflösung aufnehmen. Abermals ein Pluspunkt des Sensors mit den vielen, vielen Pixeln!

Besser, aber nicht proportional besser

Es lässt sich zusammenfassen: Mit 41 Megapixeln hat das Nokia 808 gute Chancen, tatsächlich «echte» 8 Megapixel aufzulösen und entsprechend hochwertige Bilder aufzunehmen. Insbesondere bei schwierigen Lichtverhältnissen und bei detailreichen Szenen ist eine deutliche Verbesserung der Bildqualität im Vergleich zu herkömmlichen Kamerahandys mit 8-Megapixel-Sensor zu erhoffen, so die weiteren Hausaufgaben (z.B. Qualität der Linse und der Scharfstellung) ordentlich gemacht sind. Andererseits darf man von den zusätzlichen Pixeln auch keine Wunder erwarten. Bei Kerzenlicht ohne Blitz ist eine herkömmliche Digitalkamera dank nochmals viel grösserem Sensor und wesentlich lichtstärkerem Objektiv haushoch überlegen. Egal, ob sie 8, 12 oder 24 Megapixel hat. Die vielen zusätzlichen Pixel des 41-Megapixel-Handys können keine grosse Optik ersetzen. Sie können nur die Probleme, mit denen kleine Kameras prinzipiell kämpfen, etwas abmildern. Auch die für das Nokia 808 geplante Zoom-Funktion wird mit grosser Wahrscheinlichkeit die Grenzen des Geräts aufzeigen. Denn der Zoom wird nicht durch sich bewegende Linsen, sondern rein digital durch Ausschnittsvergrösserung implementiert. Die Standard-Auflösung der gespeicherten Bilder bleibt zwar bei 5 Megapixel, aber mit zunehmendem Zoom-Faktor entfällt nach und nach der Oversampling-Vorteil. Schaut man sich ein bei höchster Zoom-Stufe (Faktor 3) aufgenommenes 5-Megapixel-Bild im 1:1-Massstab an, findet man garantiert zuhauf die vorgenannten Artefakte von Rauschreduktion, Scharfrechnung und Farbergänzung. Wenn möglich, sollte man mit dem Nokia 808 PureView also nicht zoomen, sondern näher an das fotografierte Objekt herangehen. Freilich hat selbst ein Computerbildschirm oder Fernseher mit Full-HD-Auflösung überhaupt nur knapp über 2 Megapixel. Höhere Auflösungen finden sich bisher nur selten bei sehr teuren High-End-Workstations. Selbst das iPad 3 mit Retina-Display wird «nur» 3,1 Megapixel aufweisen. Erst beim Ausdruck eines Handyfotos auf Posterformat (DIN A3 oder noch grösser) oder bei entsprechenden Ausschnittsvergrösserungen wird man gemäss unserer Prognose sehen, dass es eben doch keine «echten» 5 Megapixel mehr sind, die das Nokia 808 in der höchsten Zoom-Stufe auflöst. Leider enttäuscht das Display ein wenig: Mit 4 Zoll Diagonale ist es ausreichend gross, aber die Auflösung von 640 x 360 Pixel ist vergleichsweise niedrig. Sie entspricht einer Pixeldichte von 184 ppi. Zum Vergleich: Das Retina-Display des iPhone 4 und 4S kommt auf 326 ppi. Gerade, um die hochauflösenden Fotos des Nokia 808 PureView würdigen zu können, wäre ein besonders hoch auflösendes Display angemesssen. Selbst das bald zwei Jahre alte Samsung Wave S8500 bietet ein AMOLED-Display mit 282 ppi.

Besser als gewöhnliche Handykameras

Das bereits erwähnte iPhone 4S hat zwar, wie auch viele andere aktuelle Smartphones, einen 8-Megapixel-Sensor und speichert auch Bilder mit bis zu 8 Megapixeln ab. Aufgrund der vorgenannten Einschränkungen beträgt die faktische Auflösung aber nur rund 2 Megapixel. Dem stellt das Nokia 808 PureView nun «echte» 5 bis 8 Megapixel gegenüber - ein deutlicher Schritt nach vorn. Das teure PureView nur wegen der Kamera zu kaufen, macht natürlich keinen Sinn: Da bieten Systemkameras oder DSLR-Einstiegsmodelle fürs gleiche Geld deutlich mehr. Wer aber eh mit einem Symbian-Smartphone liebäugelt, und wem die paar Millimeter extra für die dicke Kamera nicht stören, der bekommt mit dem Nokia 808 PureView voraussichtlich für einen akzeptablen Aufpreis eine Handy-Kamera, die für mehr taugt als nur Schnappschüsse.