27.04.2012:  [Auflösungsdiagramm »Digitalkamera:Film« aktualisiert]
 

Rezension zu den Bildvergleichen
Nikon D700 vs. Canon 5D MkII
Beiträge von Eric Reagan und Eric Sit (2008)

»Pixelmania« – Irrweg der Digitalfotografie?
von Rolf Badenhausen
Nun steht es fest: Der gute alte Silberhalogenidfilm hat ausgedient. Stattdessen findet man in modernen Kameras elektronisch ausgelesene Bildsensoren, kombiniert mit Mikroelektronik und einer Speicherkarte. Immerhin haben beide Bildaufnahmeverfahren rund ein Jahrzehnt um die Gunst des kritischen Anwenders konkurriert. Allerdings sind ihre Speichersysteme so verschieden, dass sie nach ihren physikalischen Hauptmerkmalen nur schwer miteinander verglichen werden können. 

Warum?

Digitale Bilder werden von einer klar definierten Anzahl von Bildpunkten bzw. Sensorelementen gebildet. Diese sind Bestandteil eines binären Datenfeldes, dessen Format von fast jedem modernen Bildwiedergabesystem gelesen werden kann. Zwar stellen auch »Zelluloidbilder« einen zweidimensionalen und nach fotochemischem Aufbau gar dreidimensionalen Speicher dar, jedoch wird die vom Motivkontrast und weiteren Einflussgrößen abhängige Auflösung des Filmmaterials hauptsächlich von der Korngröße und Verteilungsdichte der Silberhalogenidkristalle bestimmt. 

Das Auflösungsvermögen eines Silberhalogenidfilms wird von seiner sogenannten »Modulationsübertragungsfunktion« (MTF) beschrieben. Als messtechnische Objektvorlage dient ein Bild- bzw. Belichtungsmuster, dessen Graustufenübergänge einem stetigen und regelkonform sinusförmigen Intensitätsverlauf in kontinuierlich verkleinerten Abständen entsprechen. Das in den Datenblättern der Filmhersteller angegebene Modulationsverhältnis (»Transfer«,»Response«) ist – stark vereinfachend ausgedrückt – der Quotient aus Objektabbildung und Objektvorlage. 

Die grüne Kurve im unten dargestellten MTF-Diagramm eines »Fujichrome Velvia 100« beruht auf optimaler Belichtung einer Vorlage, deren Grautonumfang die Extremwerte »rußschwarz« und »kalkweiß« verbindet, siehe Spatialbildausschnitt rechts oben. Ein Abfall der Auflösung ist ab ca. 12 Spatialzyklen pro mm (reproduzierte Bildfrequenz f/mm) zu erkennen. Davor geringfügig auftretende Übermodulationen sind typisch und beruhen auf Helligkeits- bzw. Grautonverschiebungen gegenüber der Vorlage. 


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Oberes Spatialbild: grüne Kurve
Unteres Spatialbild: violette Kurve
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Kleinere Modulationswerte auch bei vergleichsweise größeren Strukturen unterliegen vor allem dem Einfluss ungünstiger Lichtverhältnisse, so z.B. für ein Objekt vor einem helleren und nicht überzubelichtenden Hintergrund. Wie die Kurven für die Modulationsverhältnisse 75% (violett) und 33% (gelb) erkennen lassen, wirken sich Kontrastminderungen nachteilig auf die in der Praxis erzielbare Abbildungsschärfe aus.

Zur griffigeren Kurzbewertung der Filmauflösung wird die kleinstmögliche Breite eines nach ihrer Helligkeit deutlich unterscheidbaren Linienpaars angegeben. In der Regel handelt es sich hier um eine weiße und schwarze Linie – so, wie auch die oben zum MTF-Diagramm verdeutlichten Spatialbilder bei verringerten Bildmusterabständen (bzw. entsprechend abnehmenden Modulationswerten) schließlich in eine helle und dunkle Linie übergehen. Laut technischen Angaben von Kodak soll der besonders feinkörnige »Royal Gold 25« bei einem Kontrastverhältnis von 1:1000 bis zu 200 Linienpaare pro Millimeter auflösen können. Damit ergibt sich für einen Kleinbildfilm von 24 x 36 mm eine theoretische Auflösung von (2 x 200 x 24) x (2 x 200 x 36) = ca. 138 Millionen Bildpunkten. Ein 100er Film mit 150 Lp/mm käme somit auf ca. 78 Millionen Bildpunkte und ein Filmmaterial mit ISO800 (100 Lp/mm) noch auf eine Auflösung von knapp 35 Millionen Punkten. 

Auch diese extreme Lp/mm-Bewertung ist keine praxisnahe Angabe.

Trotz der theoretisch beeindruckenden Auflösung selbst für einen 800er Film wählte der Verfasser für einen Bildvergleich zwischen »analog« und »digital« einen KB-Film mit einer Empfindlichkeit von ISO200 und verwendete dabei diese Kameras:

Nikon F2 mit NIKKOR-Zoom 1:3.5/35- 70mm. Optisches Filter: ROWI Skylight 1A. Aufnahme: Blende 8 bei 1/1000s, Film: Ferrania Solaris FG Plus 200. Das NIKKOR-Zoom wurde vom Verfasser mit einem Leica-Objektiv 1:2.0/50 mm auf einem M6-Gehäuse verglichen: |mehr| Das im 4:3-Seitenverhältnis aufgenommene Bild der Lumix DMC-FZ10 (Panasonic, 4 Megapixel) mit einem Leica DC Vario-Elmarit 1:2.8/6-72mm. Optisches Filter: Hama UV390 (0-Haze). Aufnahmedaten: Blende 5,2 bei 1/500s; ISO50.
Im Bildausschnitt der Digitalaufnahme entspricht ein Kamera-Pixel einem Monitor-Pixel. Der Farbnegativfilm wurde mit einem CanoScan 8800F (physikalische Auflösung 4800 dpi x 9600 dpi) gescannt und die Abtastauflösung auf das Abbildungsformat der Digitalaufnahme skaliert. Vom Scanner optional angebotene Bildbearbeitungsprozesse wurden nicht aktiviert. Bildspeicherungen im JPG-Format erfolgten stets bei geringster Kompression. (2304 x 1728 Pixel entsprechen einer Dateigröße von 3180 kB.)
 
Wie sowohl parallel durchgeführte mikroskopische Bildbewertungen des Farbnegativs als auch Laborvergrößerungen auf Papierabzügen dieser beiden Bildausschnitte gezeigt haben, ergaben sich nicht nennenswerte Qualitätsverluste aus der Scannerverarbeitung, die im vorliegenden Fall lediglich ca. 30% bzw. 15% der maximalen physikalischen Wandlerauflösung beanspruchte.
(Durch Konturenbewertungen verschiedener Bilddetails, z. B. der mit Körnungsrauschen behafteten Hochspannungsmasten, dürften auch erfahrene Film-Selbstentwickler leicht erkennen, dass eine weitere Vergrößerung des Filmnegativs keinen weiteren Schärfegewinn bringen würde.)
Digitalauflösung vs. Filmauflösung
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Wie der obige Bildvergleich bereits erahnen lässt, spielt für die Bildauflösung einer hochwertigen analogen SLR- oder KB-Sucherkamera deren nicht minder angemessene optische Systemkomponente eine in der Regel vernachlässigbare Rolle. Somit muss vielmehr die Lichtempfindlichkeit und daher die Korngröße des verwendeten Filmmaterials als ausschlaggebender Faktor gesehen werden. Aus dem Vergleich beider Aufnahmen folgt in erkennbarer und zum obigen Hinweis abgesicherter Tendenz der grundsätzliche Zusammenhang, dass der hier gewählte Film zwar kontrastreiche Übergänge mindestens so gut wiedergibt wie die Digitalaufnahme, jedoch Strukturen mit ähnlichen Farbhelligkeitswerten vergleichsweise schlechter auflöst (vgl. z.B. Uferböschung, aber auch Astwerk von Bäumen vor einem helleren Hintergrund). 

Die Auflösungsgrenze von Silberhalogenidfilmen liegt im unscharfen Bereich, während bei einem fotophysikalisch idealen Bildaufnehmer – auch hier wiederum eine nicht beeinflussende Linsendimensionierung vorausgesetzt – jedoch voneinander abgegrenzte und somit informationsspezifisch unabhängige Bildsensorelemente zugrunde gelegt werden müssen. In der Praxis zu berücksichtigende Einschränkungen, so vor allem der vom optischen System verursachte nachteilige Einfluss auf benachbarte Bildsensorzellen, bilden ein mitentscheidendes Kriterium insbesondere für angeblich hochauflösende Billigkameras und können anhand von Vergleichstests in z.T. dramatischer Größenordnung verdeutlicht werden. 

Aus der Gegenüberstellung beider Bildaufnahmesysteme folgt aber auch, dass – bis auf unten tabellarisch ausgewiesene Ausnahmen – der klassische Silberhalogenidfilm zwar grundsätzlich über beachtliche Auflösungsreserven für besonders kontrastreiche Detailübergänge verfügt, jedoch dieser Eigenschaft aus der fotografischen Praxis keine ausschlaggebend dominierende Rolle zur Bewertung der Gesamtschärfe eines Bildes zugeschrieben werden kann. Dieser technologische Unterschied erschwert nur mittelbar mögliche Auflösungsvergleiche beider Bildaufnahmeverfahren. 

Die vom Verfasser durchgeführten Vergleichsuntersuchungen berücksichtigen diesen Zusammenhang und folgen somit dem Kriterium, dass nuancierte Bilddetails innerhalb eines weniger ausgedehnten Luminanzbereichs, also hier in einer flächenmäßig begrenzten Spannweite ähnlicher Helligkeitswerte eines auch farblich variierenden Motivs, unbedingt mitbewertet werden müssen. Im Rahmen dieser Untersuchungen erwies es sich als zweckmäßig, Digitalbilder zunächst mit einer Softwarebehandlung leicht zu vergrößern (d. h. um max. 20%) und zu glätten. Das effektive Maß beider miteinander verkoppelter Prozesse entsprach dabei dem Ziel einer bestmöglichen Übereinstimmung mit auflösungsbestimmenden Details auf dem als Referenz dienenden Filmbild. Der Vergrößerungsfaktor wurde jedoch nicht in einen unten angegebenen Richtwert, so repräsentiert durch die jeweilige Pixelzahl des Bildsensors, eingerechnet. 

Die nachfolgend angegebene Zuordnung unterschiedlicher Filmempfindlichkeiten zu den Auflösungsmarken digitaler Bildsensoren stützt sich außerdem auf interpolativ abgeleitete Berechnungsmodelle aus verfügbaren Filmdaten, so insbesondere zu ISO25. Die Analysen von ISO50-Filmmaterial (»Fujichrome Velvia«) sowie einer ISO100-Ausführung (Kodak »Farbwelt«) erfolgten zusätzlich mit mikroskopischen Bildauswertungen. Nach Belichtungen mit Spitzenoptiken von Nikon, Canon und Leica zeigte sich dieser Farbnegativfilm im Vergleich zu allen anderen untersuchten Erzeugnissen von beachtlicher Detailschärfe. Inzwischen sind die besten im alttraditionell definierten »Kleinbildformat« produzierten Bildsensoren sämtlichem Filmmaterial in puncto Auflösung und hohe Lichtempfindlichkeit eindeutig überlegen. Der andere und keineswegs geringer geschätzte Hauptvorteil der Digitalfotografie liegt in einer nahezu umweglosen Bildverfügbarkeit nebst einer zumindest überschlägigen Vorabbewertung von Aufnahmen vor Ort. Die weitestgehend unkomplizierte digitale Archivierung aus einem wiederverwendbaren Speichermedium muss hier nicht weiter hervorgehoben werden.

Die ausgewiesenen Pixelangaben repräsentieren praxisnahe Mittelwerte bei bestmöglichen Eigenschaften von Optik und Bildsensor. Die Relationen der jeweils spezifizierten Lichtempfindlichkeit zur wesentlich aussagekräftigeren Linienpaar-Auflösung (zitiert nach Angaben von Kodak, 1999) können nach dem Produktentwicklungsstand verschiedener Filmhersteller – so aus der Weiterentwicklung ihrer Emulsionstechnologie vor allem für Farbnegativfilme – entsprechend unterschiedlich ausfallen (siehe unten). Nach den Auflösungsmarken zu ISO50 und ISO100 kommt die obige Tabelle somit eher den Eigenschaften aktueller Farbumkehrfilme nahe, vgl. unten mit # angegebene Filme.
 
Ein nach den Untersuchungen des Verfassers verfeinertes Approximationsverfahren zur Abschätzung der »äquivalenten Filmauflösung« berücksichtigt den Abfall der filmspezifischen MTF-Kurve auf einen iterativ erschlossenen Wert von 63%. Anhand von Datenblattangaben einiger bekannter Filmhersteller ergeben sich demnach diese Richtwerte:
 
Agfachrome CTprecisa 100 # *1
Agfa Vista 100: 4,5 MP
Ferrania FG+200: 3,7 MP
Fujichrome Velvia 50/100: 5MP/3,6MP # *2
Fujicolor Pro 160S: 12 MP
Kodak Elite Chrome 100: 3,4 MP #   (nach RGB-Mittelwertbestimmung aus »Kodak Publication No. E-126«)
Kodak Royal Gold 100: 5,5 MP
Kodak Farbwelt 100/200/400: 28MP/19MP/8MP  (nach MTF aus Kodak Publikation »0087/00 Farbwelt Film«)
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*1
Nach Agfa Datenblatt F-AF-D4 (Stand 9/2002) wird dieser Film mit einer kaum wettbewerbsfähigen MTF ausgewiesen. 
 
*2
Der MTF-Vergleich der Fujichrome Umkehrfilme Velvia 50 (cyan) und 100 (grün) zeigt sowohl einen flacheren Kurvenverlauf der lichtempfindlicheren Ausführung als auch eine Überschneidung mit der Kurve des Velvia 50 bei ca. 50 Linienzyklen pro mm. Bei diesem Film ist von einer höheren Auflösung für kontrastreiche Details auszugehen (klassisches Beispiel: weiße Segelschiffe vor dunkelblauem Horizont), wogegen der Velvia 100 seine Stärken bei wenig kontrastreichen Gegenlichtaufnahmen (z.B. in dunklen Pastellfarben gehüllte Sonnenuntergänge) zeigen könnte.
Wie mikroskopische Bildauswertungen der beiden aufgeführten Velvia-Filme bestätigt haben – auch hier wiederum gestützt von Laborvergrößerungen auf Papier –, konnten hochwertige Optiken der oben genannten drei Kamerahersteller vor diesen Farbumkehrfilmen die Detailauflösung der als Referenz herangezogenen Lumix DMC-FZ10 kaum übertreffen. Ein Ergebnis, das manchen Leser (nicht) überraschen dürfte.
Der Fujichrome Velvia 50, Fujicolor Pro 160S sowie ein ISO200-Farbnegativfilm im Vergleich zu einer Auswahl von älteren und jüngeren D-SLR, Bridge- und Mittelformatkameras. Für Kameras mit Sensoren im 4:3-Format ergeben sich in unmittelbarer Gegenüberstellung mit 3:2-Sensoren geometrisch bedingte Vorteile. (Ein auf die Sensorformathöhe der Leica S2 [3:2] reduzierter Bildaufnehmer der Hasselblad H4D-40 würde mit 36,345 Megapixel dem gestrichelt angegebenen Kurvenverlauf folgen.) Ohne Berücksichtigung weiterer einsatzspezifischer Anforderungen an besonders hochauflösende Digitalkameras sollten diese im Wesentlichen von der Qualität optischer Systemkomponenten bestimmten MTF-Grenzwerte, so einschließlich der Nikon D800(E), nicht überbewertet werden!
Zu der Tendenz, dass Filmmodulationsverhältnisse insbesondere unterhalb 50% wegen markant zunehmenden Körnungsrauschens erheblich verfälschte Strukturreproduktionen liefern, kann dieses Diagramm natürlich keine Aussage treffen. Aus den weiter oben für die Umkehrfilme Velvia 50 und Velvia 100 angegebenen MTF-Funktionen ist übrigens leicht zu folgern, dass die visuellen Kriterien genügende Einstufung des ISO50-Materials wohl kaum auf Modulationsverhältnissen unterhalb von ca. 50% basieren kann!
Darstellungen von Film-MTF und Digitalkamera-Auflösungen in einem gemeinsamen Diagramm können insofern kritisch gesehen werden, als auf keine physikalisch greifbare Grundlage zur rechnerischen Transformation von Filmauflösung in einen entsprechenden Darstellungskontext digitaler Bildwandlersysteme zurückgegriffen werden kann. Wie bereits weiter oben angemerkt können kalkulatorische Anhaltspunkte daher nur über visuelle bzw. messoptografische Bewertungen erschlossen werden. Des Weiteren können für nicht näher untersuchtes Filmmaterial (hier z. B. Kodak Farbwelt 100/200/400) und der vom Verfasser als Konstante angegebenen Wertungsgrenze zur Filmauflösung produktspezifische Abweichungen nicht ausgeschlossen werden.

 
Eine 12-Megapixel-Kompaktkamera gegen den 4-Megapixel-Bildsensor und die Leica-Optik der Lumix DMC-FZ10

Grundsätzliche Bewertungsgrundlage für diesen Vergleichstest: 1 Kamera-Pixel = 1 Monitor-Pixel. Somit gelangt gegenüber der Lumix FZ10 lediglich ein Drittel vom Bildinhalt der 12-Megapixel-Kamera zur Auswertung.
 

Der 12-MP-CCD-Sensor der Canon Ixus 960IS wartet mit einer Sensorelementdichte von knapp 0,29 Millionen Zellen pro Quadratmillimeter auf. Dieser Wert entspricht einem Sensorelementraster von nur ca. 1,9 µm. Das Bildmotiv der Canon, darin das rot umrahmte Aufnahmebild der 4-MP-Lumix. Mit rund 0,17 Millionen Sensorzellen pro Quadratmillimeter (Elementraster ca. 2,4 µm) musste diese Bridge-Kamera das ausgewählte Drittel der Motivfläche aufnehmen.

Bei nahezu idealen Lichtverhältnissen fallen kaum Unterschiede zwischen der Ixus 960IS und der FZ10 ins Gewicht.


Ein wichtiges Kriterium für die Bewertung des Rauschverhaltens von CCD-Kamerasensoren sind schlecht ausgeleuchtete Bilddetails. Das links abgebildete Motiv wurde in einem nur mäßig lichtdurchfluteten Mansardenzimmer bei ungünstigen Außenlichtverhältnissen aufgenommen: Die an einem trüben Wintertag um die Mittagszeit gemachten Aufnahmen erforderten bei ISO100 eine Belichtungszeit von jeweils 0,4 s bei Blende 2,8.
Das vom Bild der Ixus ausgeschnittene und hier auf ca. 4% seiner ursprünglichen Größe verkleinerte Teilbild zeigt erheblich bessere Kontrastverhältnisse als die vor Ort vom menschlichen Auge empfundenen. Anstelle des nicht aktivierten Blitzlichts wurde für beide Kameras ein Stativ verwendet. Motiventfernung: ca. 3 m.
Linke Bildausschnitte: Canon Ixus 960IS, rechte Teilbilder: Lumix DMC-FZ10. Auch hier erfolgte die Kamerabildspeicherung im JPG-Format mit geringst möglicher Kompression: 1650 kB bei der FZ10 und 4900 kB bei der Ixus 960IS. (Bei einer Vorgabe von jeweils ISO 400 Lichtempfindlichkeit liefert die FZ10 gegenüber der Ixus erheblich auffälligere Vergrieselungen.)


Die Leica M8 gegen die Canon IXUS 960IS

Die grundsätzliche Bewertungsgrundlage auch für diesen Vergleichstest: Gleiches Bildmotiv unter gleichen Lichtverhältnissen. Zum Kamera- bzw. Bildvergleich
 

Leica M8 mit 10.3 Megapixel und Objektiv 1:2.0/35 mm
Canon Ixus 960IS



Fazit: 

Wie hier aufgezeigt ist es nicht möglich, eine 12 Megapixel auflösende Kompaktkamera – in diesem Fall die ihren technischen Angaben sicher entsprechende Ixus 960IS – als eine fotophysikalischen Grundlagen zuwider laufende Fehlkonstruktion zu bezeichnen. Es ist außerdem nicht möglich, sorgfältig arbeitende Entwicklungsingenieure führender Kamerahersteller mit faktisch obsoleten Vorgaben gegen hochauflösende Kompaktkameras zu gängeln. Es sind vielmehr jene unkritische Pauschalisierungen voreingenommener Hobbyisten und zweifelhafter Fachleute, die mit eher tendenziösen als marktrepräsentativen Betrachtungen von zumeist minderwertigen oder eingeschränkt funktionierenden Modellen ein Zerrbild über Entwicklungstendenzen der Digitalfotografie entwerfen möchten.
 

Man hat zu keiner Zeit weder Fotoliebhaber noch Professionals verurteilt, die z.B. wegen Hochglanz-Kalenderfotos auf das nach aktuellen Vergleichsmaßstäben bis zu 20 Megapixel an Auflösung bietende 6x6-Rollfilmformat umgestiegen waren. Doch nun, im Zeitalter der Digitalfotografie angelangt, sollen wir endlich mit zweierlei Maß messen dürfen und dabei kompakt handliche Spitzenkameras jenseits der 10 Megapixel-Marke zur Absurdität erklären! Das pauschale Propagieren von »6 Megapixel als Optimum für die Kompaktkamera-Auflösung«, wie es z.B. auch Carsten Meyer in präjudizierender Argumentation unter http://www.heise.de/foto/artikel/print/108906 seiner Leserschaft glauben machen will, schließt z. T. gegenwärtige und grundsätzlich vor allem künftige technologische Spitzenleistungen in diesem Produktbereich kategorisch aus und ist daher abzulehnen.1 Es ist ohnehin unstrittig und bedarf kaum physikalisch-mathematischer Beweisführung, dass Internet-Fotografie, kleinformatige Papierabzüge, Qualitätsansprüche gemäß ehemals erschwinglichen »analogen SLRs« und selbst größere Druckvorlagen für Tagesblätter im Vergleich zu flächenintensiven Detaildarstellungen mit einer begrenzten Gesamtanzahl von Bildpixeln auskommen bzw. umzusetzen sind. Und wenn auch weiterhin manche Kameratester meinen, dozieren und monieren, wie sehr doch die Hersteller der Kompakten mit überdotierten Pixelzahlen die Käuferszene geradezu enervieren, so haben nicht wenige ihrer Leser längst realisiert, dass bei den meisten dieser Modelle dieses hochnumerische Quantum eine hervorragende Bildqualität in reduziert wählbaren Pixelformaten garantiert. Dem erfahrenen Anwender lässt sich allerdings kaum plausibel machen, warum gegenüber professionellen Digital-SLRs eine für die Brusttasche konzipierte Kamera mit deutlich geringerer Auflösung ausgestattet sein muss.

Mit der Ixus 960IS hat nicht nur Canon erheblich überzeugendere Perspektiven zum Thesengeschwafel des von Dietmar Wüller ("Image Engineering") inszenierten http://6MPixel.org aufgezeigt. Deren unvoreingenommene Leser haben ohnehin erkannt, dass pseudowissenschaftliche Folgerungen und Forderungen mit vielleicht beeindruckendem Bildmaterial und Formelwerk aus dem Physiklehrbuch jedoch nicht aufgepeppt und somit auf ein glaubwürdiges Niveau erhoben werden können. Somit bestehen auch erhebliche Zweifel an der Kompetenz und fachpublizistischen Zumutbarkeit des "6MPixel.org" unterhaltenden Ingenieurunternehmens.


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Zum Vergleichskriterium »biologische Reproduzierbarkeit« widerspricht übrigens diese Auffassung dem ornithologisch nachgewiesenen Sehvermögen von Greifvogelarten, deren nur wenige Millimeter große Augen über erheblich höhere Detailauflösung verfügen. Ein Vergleich mit den besten Studiokameras scheitert hier an deren eklatant größeren optischen Systemen. Zu biologisch höchst beeindruckenden Realisationen besteht insoweit ein fachwissenschaftlicher Konsens, dass eine am Beispiel eines Greifvogelauges orientierte Bildreproduktionsgenauigkeit bei vergleichbaren Abmessungen von Linsen- und Chip-Einheit in absehbarer Zeit erreicht werden kann. Und so wird auch Carsten Meyer anhand und gegenüber optophysikalischen Grundlagen keine plausible Begründung vermitteln können, warum das Leistungsmaß einer Kompaktkamera am eher subjektiven denn objektiven Sichtfeld und Auflösungsvermögen eines menschlichen Auges gemessen bzw. mit solchem verglichen oder angeglichen werden sollte.  Zurück zum Text