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Pixel Shift

Als „Pixel Shift“ bezeichnet man ein Verfahren, das die Auflösung eines Bildes durch die Kombination von mehreren, um Mikro­meter zueinander verschobene Aufnahmen erhöht. Eine Olympus-Kamera machte diesen Vorteil für jeden Fotografen verfügbar.

Die Aufnahmesensoren einer Digitalkamera haben eine fest definierte Auflösung: In einem regelmäßigen Raster sind zum Beispiel 4.608 lichtempfindliche Zellen in der Breite und 3.456 Pixel in der Höhe darauf angebracht. Daraus ergibt sich eine Gesamtpixelzahl von 15.925.248 Bildpunkten, also 16 Megapixel.

Zwischen den einzelnen Zellen besteht ein winziger Abstand, der etwa durch die Leiterbahnen hervorgerufen wird. In diesen Bereichen wird kein Bilddetail erfasst, doch findige Ingenieure sind auf die Idee gekommen, durch winzige Verschiebungen des Sensors solche Bereiche auch zu fotografieren und diese Zusatzaufnahmen gemeinsam mit dem Ursprungsbild zu einer Datei mit erhöhter Auflösung zu verrechnen. 

Pixel-Shift
Beim „Pixel-Shift“-Verfahren entstehen mehrere Aufnahmen eines Motivs, wobei der Sensor nach jedem Bild minimal verschoben wird. Die Olympus OM-D E-M5 Mark II nimmt dafür acht Bilder auf, die sich durch ihre Verschiebungen nach rechts, oben, links und unten zu einem Foto zusammensetzen lassen, bei dem auch die „Lücken“ zwischen den Bildpunkten des Sensors erfasst werden.
Hasselblad H5D-200c
Die Hasselblad H5D-200c MS ist ein Sondermodell der 50-Megapixel-Mittelformatkamera H5D. Sie kann per „Pixel Shift“ mehrere Aufnahmen einer Szene zu einem 200-Megapixel-Bild kombinieren.

Vorteile

Der auch als „Pixel Shift“ bezeichnete Trick hat sich vor allen Dingen als Zusatzfunktion bei der Aufnahme mit Mittelformatkameras etabliert. Er ist nämlich besonders für qualitativ hochwertige Produktaufnahmen wichtig, für die diese Kameras häufig eingesetzt werden.

Durch die höhere Auflösung lassen sich nicht nur mehr Details in den Bildern wiedergeben, sondern sie bannt auch die Gefahr von Moiré-Mustern. Diese schillernden Farbmuster treten auf, wenn es zur optischen Überlagerung von feinen Strukturen im Motiv mit der Rasterstruktur des Bildsensors kommt.

Besonders fein gemusterte Kleidungsstoffe sind dafür anfällig, doch verhindert der Pixel-Shift-Trick mit seinen zusätzlichen „Lückenaufnahmen“ den Fehler. Da es sich bei den genannten Motiven meist um völlig statische Aufnahmen handelt, die zudem unter exakt steuerbaren Studiobedingungen fotografiert werden, lässt sich die Operation problemlos durchführen.

In kleineren Digitalkameras war das Pixel-Shift-Verfahren dagegen selten zu finden. In der Digitalfotografie-Frühzeit verhalfen Kompaktmodelle wie etwa Ricohs RDC-7 oder die JVC GC-X1 ihren Fotos durch zwei schnell hintereinander und um jeweils ein Pixel verschobene Aufnahmen zu höher aufgelösten Daten. Aber in den meisten Fällen müssen aktuelle Kameras ohne das Verfahren auskommen – mit einer in diesen Tagen vorgestellten Ausnahme.

Olympus OM-D E-M5 Mark II
Der Fünf-Achsen-Stabilisator der Olympus OM-D E-M5 Mark II erlaubt ein Verschieben des Aufnahmesensors in Halb-Pixel-Schritten. Das kann man nicht nur nutzen, um verwacklungsfreie Bilder zu produzieren, sondern um mittels Pixel-Shift-Verfahren auch zu höher auflösenden Fotos zu kommen.

... auch für Systemkameras

Die Olympus OM-D E-M5 Mark II von 2015 war die erste spiegellose Systemkamera, die die Technik der Pixelverschiebung nutzte und sie damit „Normalfotografen“ an die Hand gab. Sie bietet dazu einen speziellen Modus, der Aufnahmen mit 40 Megapixel statt der normalerweise mit ihrem Micro-Four-Thirds-Sensor erreichbaren 16 Megapixel produziert.

Dazu nimmt die neue Olympus acht Bilder auf, wobei der Sensor zweimal um jeweils ein halbes Pixel nach rechts, oben, links und unten verschoben wird. Durch die Verschiebungen decken die Olympus-Aufnahmen die „Lücken“ ab, die sonst zwischen den Punkten des Pixelrasters auf dem Sensor entstehen. Die Grafik oben verdeutlicht das Schema.

Fasst man die Doppelverschiebung um jeweils ein halbes Pixel als vier „Vollpixelverschiebungs“-Aufnahmen zusammen, würde sich rein rechnerisch eine Auflösung von vier mal 16 und damit 64 Megapixel ergeben. Da durch das Bayer-Muster mit seiner RGB-Anordnung aber ein Überhang von grünen Bildinformationen entsteht, berechnet die Olympus-Kamera ihre finalen Bilder als 40 Megapixel große Fotos.

In der Praxis

Die Bedienung  der Pixel-Shift-Funktion in der Olympus OM-D E-M5 Mark II ist sehr einfach: Im Menü wählt man „Hochaufl. Aufnahme“ und kann danach in deren Untereinstellungen noch einen Verzögerungswert in Sekunden vorgeben, die zwischen Druck auf den Auslöser und der tatsächlichen Pixel-Shift-Aufnahme vergehen sollen.

Die Kamera muss für das Verfahren nämlich absolut ruhig stehen, um ihre um nur eine halbe Pixelbreite verschobenen Aufnahmen immer scharf abzubilden. Befindet sich die Olympus nicht in diesem absoluten Ruhezustand, zeigt sie das mit einem kleinen Symbol auf dem Monitor an und verweigert die Mehrfachbildaufnahme.

Der Hersteller kündigte an, dass er die Pixel-Shift-Funktion erweitern wird. Die Einzelbilder sollen dann so schnell hintereinander aufgenommen werden können, dass die 40-Megapixel-Bilder der E-M5 Mark II auch ohne Stativ, also „frei aus der Hand“ entstehen sollen. Es bleibt also spannend, wie sich der Pixelverschiebungstrick in Zukunft noch weiter entwickeln wird.

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Das Gesamtbild.
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Der Ausschnitt des 16-MP-Fotos ohne Pixel Shift.
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Der Ausschnitt des 40-MP-Fotos mit Pixel Shift.