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

Dies geht aus der heutigen iPhone 5S Ankündigung hervor, als Phil Schiller sagte, dass "größere Pixel" der Schlüssel zu einem besseren Bild sind.

1. Was bedeutet das?
2. Ist es wahr oder nur ein Marketingtrick?

Kurze Zusammenfassung

Ja, größere Pixel verbessern die Leistung, wenn sie alle gleich sind, und Apple tut etwas Gutes, indem es sich auf die Sensorgröße konzentriert. In diesem Fall ist die Zunahme der Größe jedoch so gering, dass der Unterschied vernachlässigbar ist und wahrscheinlich nicht dem von der Vermarktung erwarteten Verbesserungsgrad entspricht.

Was bedeuten größere Pixel?

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

Kurz gesagt, je mehr Licht diese Fotodetektoren erreicht, desto genauer können sie die Lichtpegel messen und so das Rauschen reduzieren. Um die Sache zu vereinfachen, spielt Rauschen in der Regel bei schlechten Lichtverhältnissen oder in Innenräumen eine Rolle.

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

1. Haben Sie weniger Pixel.

2. Vergrößern Sie den Sensor.

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

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

Das Megapixel-Rennen

Der Wunsch, immer mehr Pixel in Kamerasensoren zu stopfen, hat zu einer geringeren Auflösung geführt und die Empfindlichkeit der kleinen Sensoren in Mobiltelefonen und Kompaktkameras beeinträchtigt - oder vernachlässigt - .

Leider wurde es von der Mentalität angetrieben, dass "mehr Pixel = bessere Kamera", da Megapixelzahl sehr einfach ist , Ihre Kamera durch zu vermarkten. In der Realität sorgen sinkende Renditen dafür, dass je mehr Pixel Sie hinzufügen, desto weniger wichtig ist es, mehr Pixel hinzuzufügen, und wir kommen an den Punkt, an dem viele Sensoren, insbesondere die winzigen in Mobiltelefonen, nicht einmal genug Auflösung auflösen können Um die Megapixelzahl trotzdem zu rechtfertigen, werden aufgrund der Eigenschaften des verwendeten Objektivs und des schärfsten Bildes, das sie auf dem Sensor erzeugen können,

Fortschritte in der Sensortechnologie wie Mikrolinsen und Hintergrundbeleuchtung sowie fortschrittlichere Algorithmen zur Rauschunterdrückung haben den Empfindlichkeitsverlust aufgrund der erhöhten Pixelanzahl in einem so kleinen Sensor teilweise wieder wettgemacht, sind aber nicht weit genug: die heutigen Handykameras In Innenräumen und bei schlechten Lichtverhältnissen aufgrund des kleinen Lichtsammelbereichs immer noch laut.

Es ist sehr schwierig , Ihre Kamera auf der Grundlage von Empfindlichkeit oder anderen Aspekten der Bildqualität zu vermarkten, wenn die Megapixelzahl die primäre Marketingstatistik für Digitalkameras bleibt, jedoch irreführend.

Warum vermarktet Apple es also so?

Die uninformierte Öffentlichkeit erwartet immer noch, dass die Megapixelzahl einer Kamera steigt, wenn sie sich verbessert.

Apple bringt jedoch eine "bessere" Kamera für sein Handy heraus, die jedoch die Megapixelzahl nicht erhöht.

Technisch ist dies eine gute Idee für die Bildqualität. Es ist jedoch schwierig, den Menschen zu erklären, warum dies der Fall ist, wenn sie der Ansicht sind, dass die Megapixelzahl die wichtigste Messgröße 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 hin zu Empfindlichkeit und anderen Aspekten der Qualität.

2. Abzulenken ist, dass die Megapixelzahl, von der viele Menschen immer noch ausgehen, dass sie die Bildqualität bestimmt, nicht gestiegen ist.

Leider sind sie nicht die Ersten, die diese Revolution versuchen, und sie sind auch nicht die Letzten. Der Megapixel-Mythos ist fest verankert.

Hinweis: Als Reaktion auf einige der folgenden Kommentare definiere ich den "Megapixel-Mythos" als den Mythos, dass die Pixelanzahl der Hauptfaktor für die Bildqualität ist und dass mehr Pixel immer eine bessere Qualität sind - nicht, dass die Pixelanzahl keinen Nutzen hat. Das Problem des Megapixel-Mythos ist auch, dass er von wichtigen Statistiken wie der Sensorgröße ablenkt, über die bei Mobiltelefonen und Kompaktkameras so gut wie nie gesprochen wird.

Ist es wahr oder ist es ein Marketingtrick?

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

Es ist richtig, dass die Beibehaltung der gleichen Pixelanzahl und die Vergrößerung jedes Pixels zu einer besseren Empfindlichkeit führt, und genau das haben sie hier getan. Dies sollte zu geringerem Rauschen führen (oder, falls die Kamera infolgedessen höhere Geschwindigkeiten verwenden kann, möglicherweise weniger Bewegungsunschärfe bei schlechten Lichtverhältnissen). Ihre Behauptung, dass "größere Pixel = besseres Bild" eine Vereinfachung dieses Sachverhalts darstellt und die Menschen möglicherweise verwirren könnte, dass ihre Außenaufnahmen bei Tageslicht möglicherweise auch verbessert werden, was nicht der Fall ist. Bei schlechten Lichtverhältnissen bietet die verbesserte Empfindlichkeit jedoch Vorteile.

Sie haben sie jedoch nicht sehr viel größer gemacht. Mit einer Zunahme der Sensorgröße um nur 6,6% wird jeder daraus resultierende Empfindlichkeitsgewinn winzig: so klein, dass er unerheblich ist. Eine DSLR hat einen Sensor, der ungefähr 500-900% so groß ist wie eine Kompaktkamera. Das würde zu einem signifikanten Empfindlichkeitsgewinn von mehreren Blendenstufen führen. Ein Anstieg von 6,6% ist sehr unbedeutend. Es repräsentiert ungefähr ein Sechstel einer Blende.

Es ist also auch eine Art Marketingtrick. Um signifikante Zuwächse zu erzielen, müssten sie die Sensorgröße um ein Vielfaches erhöhen. Es ist auch ein Marketing-Trick, weil sich ihr Marketing bisher auf die Megapixel-Anzahl konzentrierte und sie nun die Art und Weise geändert haben, wie sie vermarkten, weil sie sich dafür entschieden haben, die Megapixel-Anzahl nicht zu erhöhen, und sich dennoch rühmen möchten, die Kamera verbessert zu haben .

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

Ein kleines Pixel fängt weniger Photonen ein und gibt daher mehr Rauschen aus. Wenn Sie jedoch mehr Samples nehmen, wird das Rauschen gemittelt. Durch einfaches Resampling können Sie das Ergebnis eines Sensors mit weniger größeren Pixeln simulieren.

Aber Sie können es besser machen, als nur das Ergebnis größerer Pixel abzugleichen. Mehr kleine Pixel erfassen zusammen mehr Informationen. Große Pixel lassen Sie wissen, wie viele Photonen auf eine Fläche von 5 µm x 5 µm gefallen sind. Kleine Pixel geben auch Auskunft darüber, wie viele Photonen in den gleichen Bereich gefallen sind, können aber auch darüber Auskunft geben, wie viele Photonen in den oberen linken Bereich (25 µm x 25 µm), in den unteren rechten Bereich (25 µm x 25 µm) usw. gefallen sind detailliertere Bilder bei der gleichen Auflösung wie eine Kamera mit größeren, empfindlicheren Pixeln.

In der Praxis sind die Dinge nie ganz gleich. Wenn das Lesegeräusch berücksichtigt wird, bedeutet das Lesen der Werte aus 4 kleineren Pixeln, dass die Strafe für das Lesegeräusch viermal verwendet wird, was zu größerem Rauschen in den Schatten und verringerter DR führt. Dies dürfte bei den neuesten Sony Exmor-Sensoren mit extrem geringem Lesegeräusch kein Problem sein, könnte aber der Grund dafür sein, dass Canon ab 2013 keine Karosserie mit mehr als 22 MP hergestellt hat.

Pixel sind keine flachen Objekte. Normalerweise befindet sich der lichtempfindliche Teil unten und die umgebende Elektronik auf darüberliegenden Schichten. Dies macht die Pixel ein bisschen wie ein Brunnen. Wenn Sie Pixel sehr, sehr klein machen, nimmt der Anteil des lichtempfindlichen Bereichs ab und die Tiefe des Brunnens sowie ein Anteil seiner Breite werden viel größer, wodurch die Anzahl der Winkel, aus denen Licht empfangen werden kann, und damit die Empfindlichkeit verringert werden.

Dies ist der Punkt, an dem sie mit Telefonkamerasensoren arbeiten. Sie können die Anzahl der Pixel nicht erhöhen, ohne den Füllanteil und die Winkeleffizienz ernsthaft zu opfern. Daher reduzieren sie die Anzahl der Pixel, um die Verbraucher anzusprechen. Die beste Lösung ist, den Sensor größer zu machen, aber das würde ein größeres Objektiv erfordern und würde keinen superschlanken Körper zulassen, der viele Handys verkauft.

Es gibt auch Nachteile, weniger größere Pixel zu haben. Die verringerte Abtastfrequenz führt zu einem erhöhten Moiré und erfordert stärkere Anti-Alias-Filter, die das Problem der verringerten Auflösung verschlimmern. Eine niedrigere Abtastrate führt auch zu mehr Demosaikierungsfehlern.

Leider wird das Mantra "small pixels bad" über alle Formatgrößen hinweg angewendet und lässt die Kamerahersteller zögern, die Qualität durch Erhöhung der Pixelanzahl voranzutreiben, da die "konventionelle Weisheit" darin besteht, dass dies eine schlechte Idee ist und Bilder rauschbehafteter und anfälliger für die Kamera werden Schütteln und erfordert bessere Linsen (jeder dieser Punkte ist unwahr).

Die Hauptidee dabei ist, dass ein größerer Sensor ein besseres Bild liefert (wenn die Sensoren dieselbe Technologie verwenden). Was Apple getan hat, ist, die Sensorgröße zu erhöhen und bei gleicher Pixelanzahl ein höheres Signal-Rausch-Verhältnis für jedes Pixel zu erzielen, 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 eine genauere Darstellung dieses Lichts im Endergebnis erzielen.

Es ist wahr, dass die Fotos besser sind, aber nur 15% pro Pixel sind nicht spektakulär. Es ist also auch Marketing. Ähnliches hat Nokia mit PureView gemacht. Das Downsampling von 41 Megapixeln auf 5-10 Megapixel senkt den Rauschpegel ebenfalls dramatisch. Wenn Sie mich fragen, wird Nokia PureView diesbezüglich ein Superioir sein.

Das Erstellen größerer Pixel hat zwei Hauptvorteile:

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

2. Bei großen Blendenöffnungen (z. B. f / 2.2) und kleinem Sensor treten viele Lichtstrahlen zufällig mit verschiedenen Pixeln auf, die Ihr Bild verwischen. Und das verringert die Auflösung.

Aber selbst wenn wir den bekannten Mythos der Megapixel entlarven, verallgemeinern wir die Wahrheit über Sensoren: " Je größer, desto besser" . Natürlich stimmt das oben Gesagte, aber die Leistung einer Kamera hängt von vielen anderen Faktoren ab. Um ein Bild in einem größeren Sensor zu projizieren, der einen kurzen Abstand zwischen Frontlinse und Sensor einhält (wie es bei einem iPhone der Fall ist), benötigen Sie mehr Objektive. Wenn die Qualität eines dieser Objektive nicht gut ist, ist die gesamte Leistung des System wird am schlimmsten sein. So „Bigger Pixel = besseres Bild“ ist ein Slogan , als ein Gesetz.