FotoPro FOTOTIPP: Pixel Shift

Pixel Shift Technologie für mehr Detailauflösung

Digitale Sensoren besitzen einen physikalische Auflösung, die in Anzahl Bildpunkten oder Pixeln ausgedrückt würd. In der Regel sind dies heutzutage mehrere Millionen dieser kleinen lichtempfindlichen Fotodioden. Die Sensorelemente dienen dazu ein vom Objektiv projiziertes Bild festzuhalten. Dabei entspricht jedes Sensorelement normalerweise einem Bildpunkt im fertigen digitalen Bild.

Einige Kamerahersteller haben nun eine Technik entwickelt, die klassische, physikalische Detailauflösung der Sensoren nochmals zu erhöhen, indem Sie einen mechanischen Trick anwenden: Pixel-Shift.

Bei der Pixel Shift Technik gibt es je nach Hersteller verschiedene Endergebnisse.

  • Mehr Detailauflösung bei gleicher Pixelzahl
  • Mehr Pixel durch mehrere Aufnahmen

Grundlagen Sensortechnologie

Digitale Sensoren bestehen aus mehreren Millionen lichtempfindliche Elementen, die die Intensität des aufgefangenen Lichtes registrieren und an die Kameraelektronik weitergeben. Aus den Millionen von Informationen errechnet der Kameraprozessor danach das fertige Bild.

Die einzelnen Bildpunkte erkennen allerdings von Grund auf keine Farben, sondern sehen nur hell und dunkel, also schwarz-weiss. Um sie farbig sehen zu lassen, werden vor dem Sensor Farbfiltern in den Grundfarben rot, grün und blau gelegt. Damit erkennt der Sensor abwechselnd Farben in der jeweiligen Filterfarbe.

In den Anfängen der Digitalfotografie wurden von jedem Bild drei Aufnahmen erstellt bei denen jeweils ein Farbfilter in den Grundfarben rot, grün und blau vor das Objektiv montiert wurde. Diese Technik ergab drei Farbbilder, die später zusammengesetzt werden mussten; war zwar funktional aber sehr langsam.
Moderne Kameras haben diese Farbfilter bereits auf dem Sensor aufgesetzt, um Farbaufnahmen machen zu können. Die gängigste Variante dieses Filters besteht auf einem Mosaik, auf dem auf einer Fläche von vier Pixel jeweils einer rot, einer blau und zwei Pixel grün erkennen können. Dieser Rastertyp nennt sich Bayer-Filter.

Der Sensor sieht dank dem Bayerfilter also jetzt farbig. Allerdings sieht nur jeder vierte Pixel rot oder blau und die komplette Farbinformationen wird nachträglich in der Kamera errechnet.
Würde jeder Pixel rot, grün und blau sehen, wäre keine nachträgliche Errechnung nötig und wir hätten die volle Information, die für die effektive Farbe, die sich üblicherweise aus RGB-Grundfarben (rot-grün-blau) gemischt wird. 

Genau genommen, sind die Farben eines klassischen Digitalbildes nur berechnet und nicht 1:1 vom Sensor aufgenommen. 

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Gewusst? Leica hat mit der Messucherkamera M Monochrom ein Modell auf dem Markt, die nur schwarz-weiss fotografiert und somit keinen Bayerfilter besitzt. Die Schärfe und Detailauflösung ist deutlich grösser als die der "Farbkameras".

Sensor Shift - der bewegliche Aufnahmesensor

Um eine perfekte Farbaufnahme zu erhalten bei der jeder Sensorpunkt rot, grün und blau registrieren kann, müsste der Sensor also einen beweglichen Bayer-Farbfilter besitzen. Dieser ist aber fix mit dem Sensor verbaut, also muss ein andere Trick verwendet werden.
Da einige Hersteller bereits mit einem beweglichen Sensor zur Reduktion von Verwacklungen als Bildstabilisator Erfahrungen gesammelt haben, lag es Nahe, den beweglichen Sensor auch für andere Zwecke zu benutzen.

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Daraus haben sich nur zwei Varianten herauskristallisiert. Die eine Technik erstellt 4 Einzelbilder und versetzt den Sensor jeweils um einen ganzen Pixel, um für jeden Bildpunkt 3 Farbinformationen zu erhalten.

Die zweite Technik versetzt den Sensor um eine halbe Pixelbreite, um aus bis zu acht Einzelbildern einen höhere Endauflösung und damit mehr Pixel als der Sensor eigentlich hat, zu erzielen. Damit können beispielsweise aus einem 16 Megapixel-Sensor Bilder mit 40 oder bis zu 64 Megapixel erzeugt werden.

Mehr Details ohne Farbinterpolation

Bei einer normalen digitalen Farbaufnahme erhält, wie oben beschrieben, jeder Bildpunkt nur Informationen für eine der drei Grundfarben. Anhand der umliegenden Farbinformationen der benachbarten Pixel, wird dann die Mischfarbe errechnet. Die endgültige Farbe ist also nicht exakt gemessen sondern nur "erahnt" worden. Man spricht dabei von Farbinterpolation.
Um für jeden einzelnen Bildpunkt des Sensors Farbinformationen in rot, grün, und blau zu erhalten, müsste man drei Aufnahmen erstellen mit jeweils einem Filter in einer der drei Grundfarben.
Da die Kameras aber reaktionsschnell sein müssten, ist ein mosaikartiger Bayerfilter auf dem Sensor fix montiert, der schnelle Schnappschüsse und kurze Belichtungen ermöglicht.
Für maximale Detailauflösung mit bester Farbwiedergabe, bieten einige Kameras neben der herkömmlichen Aufnahmetechnik auch einen High-Resolution-Modus an. Dieser wird als Pixel Shift oder Multi-Shot Modus bezeichnet und erzeugt Aufnahmen pro Motiv.
Da der vorgesetzte Filter ja auf einer Fläche von 4 Pixeln (2x2) nur einen roten und einen blauen Filter hat, wird der Sensor nach der ersten Aufnahme um jeweils einen Pixel verschoben und eine zweite Aufnahme erfolgt. Dies wird im Ganzen vier Mal gemacht und so hat jeder Sensorpunkt am Ende mindestens drei Helligkeitsinformationen für das farbgefilterte Licht empfangen.

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Die Pixel Shift Funktion, die dazu dienst die Farbinterpolation zu vermeiden, dient also dazu, präzisere Bildinformation zu erzielen. In der Kamera werden also vier Aufnahmen erstellt, die zu einem einzigen zusammengerechnet werden.

Als Vorreiter dieser Technik, soll hier Pentax mit der Vollformatkamera K-1 genannt werden. Auch nachfolgende Oberklassemodelle bieten die "Pixel Shift Resolution".
Seit der Neuvorstellung der Systemkamera Alpha 7R III im Oktober 2017 hat die Technik auch bei Sony Einzug gehalten. Der 42 Megapixel-Sensor erzeugt intern 168 Millionen Bildpunkte (4x42 MP) und fügt all die Informationen zu einem 42 Megapixelbild zusammen, das damit deutlich mehr Details wiedergeben kann 

Als Beispiel für das Ergebnis aus dieser Technik sehen Sie hier eine Aufnahme mit normalem Modus links und eine Pixel Shift Resolution mit einer Pentax K-3 rechts.

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Mehr Pixel durch Multishot

Ein Kamerasensor besitzt eine physikalische Auflösungen, die durch die Anzahl der verbauten lichtempfindichen Fototdioden festgelegt ist. Ein 24 Megapixel-Sensor mit einer Bildgrösse von 6000x4000 Pixel kann also unglaublich viele Detail aufnehmen. Was aber, wenn ein Bild extrem gross vergrössert werden muss oder feinste Details in einer Aufnahme wiedergegeben werden müssen?

Hasselblad als Hersteller von professionellen Mittelformatkameras hat dazu eine Antwort und nennt es Multishot. Dabei werden mehrere Aufnahmen eines Motives erstellt, wobei der Sensor um einen halben Pixel verschoben wird. Mit 4 Aufnahmen entsteht damit eine 4fache Auflösung und aus einem 50 MP Sensor kann eine Multishot Aufnahme mit 200 Megapixels erstellt werden. Klingt gut. Einziger Haken ist, dass eine entsprechende Ausrüstung in der Preisklasse eines gehobenen Mitteklassewagens liegt.

Olympus hat die Technik mit Ihren ausgereiften Systemkameras 2015 aufgenommen und bietet sie seitdem in den kompakten Consumer und Profikameras serienmässig an. Da der Sensor für den kamerainternen 5-Achsen-Bildstabilisator bewegt werden kann, lag es nahe, diesen auch für Multishot-Aufnahmen zu benutzen und mit bis zu acht Aufnahmen mit leicht versetztem Sensor zu einem hochauflösenden Bild mit einem vielfachen des eigentlichen Sensorauflösung zu erzeugen.

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Neben den vier Aufnahmen wie sie die erstgenannte Technik erstellt, werden zusätzlich vier Aufnahmen mit einem um einen halben Pixel versetzen Sensor gemacht. Dadurch entstehen deutlich mehr Bildinformationen, die zu einem hochauflösenden Bild zusammengefügt werden können.

Aktuell finden Sie die HiRes Shot Funktion bei Olympus und mit der im November 2017 neu vorgestellten Lumix G9 auch bei Panasonic.

Olympus OM-D E-M1 II: Sensor 20MP, HighRes Shot 50 MegaPixel
Olympus OM-D E-M5 II: Sensor 16MP, HighRes Shot 40 MegaPixel (64 MP RAW)
Olympus PEN-F : Sensor 20MP, HighRes Shot 50 MegaPixel

Panasonic LUMIX DC-G9: Sensor 20 MP, Pixel Shift Modus 80 Megapixel

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Bildausschnitt im Vergleich

Da die normale Aufnahme mit 20 Megapixel und die HighRes Shot mit 50 Megapixel eine unterschiedliche Grösse haben, wurde das kleinere für den Vergleich vergrössert und zeigt dadurch deutlich weniger Details.

Aufnahme mit Olympus E-M1 II, Photo: Robin Wong

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Pixel Shift und Multishot nur für stehende Objekte

Bestimmt haben Schärfe und Detailfans jetzt Blut geleckt und möchten die Technik künftig einsetzen.

Einen Haken hat die Sache aber. Da mehrere Bilder nacheinander erstellt werden, müssen diese absolut deckungsgleich sein, um eine perfekte Wiedergabe zu ermöglichen. Bewegte Motive werden bei acht Aufnahmen, die bis zu einer Sekunde beanspruchen, zwangsläufig unscharf abgebildet.

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Anwendungsmöglichkeiten der Pixel Shift Funktion

  • Architektur
  • Landschaften, Panorama
  • Produktefotografie
  • Reproduktionen von Kunst und Papierbildern
  • Dokumentation für Versicherungen

Ungeeignet für Menschen, Tiere, Wildlife, Verkehr, und alles, was sich bewegt.

Benötigte Ausrüstung:

  • Kamera mit Sensor Shift-Funktion
    (mechanischem Bildstabilisator im Gehäuse)
  • Stativ
  • Fernauslöser (Infrarot, Funk), WiFi App
  • grosse Speicherkarte, da Datenmenge pro Bild ansteigt

Gewusst? Da die Bilder absolut deckungsgleich sind, kann bereits eine befahren Brücke als Untergrund für Städteaufnahmen zu Qualitätseinbussen führen. Suchen Sie deshalb einen festen, stabilen Untergrund, um Ihr Stativ aufzustellen.


Foveon X3 Sensor in Sigma Kameras
Der Vollständigkeit halber möchten wir hier einen speziellen Sensortyp noch ergänzen: Sigma Kameras verwenden statt des üblichen Bayerfilter Systems einen dreischichtigen RGB-Sensor (Abb. links), der mit einer einzigen Aufnahme die volle Farbinformation für jeden Pixel aufnimmt. Die aufwendige Multi-Shot Technik entfällt also und selbst Schnappschüsse und bewegte Motive lassen sich mit einer überragenden Detailschärfe festhalten.

quattro_difference.jpg

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