{"id":72822,"date":"2021-05-06T11:51:49","date_gmt":"2021-05-06T11:51:49","guid":{"rendered":"https:\/\/fujifilmnxtc.wpenginepowered.com\/stories\/hoe-klein-is-klein-een-discussie-over-detail\/"},"modified":"2021-05-06T11:51:49","modified_gmt":"2021-05-06T11:51:49","slug":"hoe-klein-is-klein-een-discussie-over-detail","status":"publish","type":"story","link":"https:\/\/www.fujifilm-x.com\/sk-sk\/stories\/hoe-klein-is-klein-een-discussie-over-detail\/","title":{"rendered":"Hoe klein is ‘klein’? – Een discussie over detail"},"content":{"rendered":"

De digitale sensor – Deel 2<\/h3>\n
\n

De sensor is het hart van een digitale camera, en mee bepalend voor een kwalitatief eindresultaat. De verschillen tussen allerlei types en formaten zijn echter niet altijd duidelijk. We bespraken eerder in deze blogpost<\/a> de invloed van de afmetingen van een sensor. Laten we nu kijken naar twee andere belangrijke kenmerken van een sensor: het aantal pixels, en de grootte ervan.<\/p>\n<\/blockquote>\n

Het verschil tussen de \u2018definitie\u2019 en de \u2018resolutie\u2019 van een beeld<\/h2>\n

Een digitaal beeld is opgebouwd uit een aantal beeldelementen of pixels<\/strong> (naar het Engelse \u2018picture elements\u2019), elk met specifieke informatie. Bij een RGB- kleurenbeeld horen bij elke pixel aparte helderheidswaarden voor de drie kleurcomponenten.<\/p>\n

Het totale aantal pixels<\/strong> in het beeld (aantal in breedte x aantal in hoogte) noemen we de definitie<\/strong> of de omvang<\/strong> van het beeld. De foto links in onderstaand voorbeeld telt 1800 bij 1200 pixels, en heeft dus een definitie van 2,16 megapixels. De foto rechts telt in elke richting 10x minder pixels, en heeft daarom een 100x kleinere definitie.<\/p>\n

\"\"
\nTwee foto\u2019s met verschillende definitie, even groot afgebeeld.<\/span><\/p>\n

Een digitaal beeld heeft op zich geen afmetingen: die worden immers bepaald door de grootte van de weergave of afdruk. E\u00e9n enkele pixel meet slechts enkele \u03bcm op een hoog-resolutie beeldscherm of een scherpe kwaliteitsprint, maar kan even goed een paar mm2 groot worden op een billboard of een reuze LED-scherm.<\/p>\n

Eenmaal de grootte van een afbeelding bekend kunnen we spreken over de resolutie<\/strong> \u2013 een aanduiding voor het aantal pixels per grootte-eenheid<\/strong>, uitgedrukt in pixels per inch (ppi) of dots per inch (dpi). Weergaveapparaten leggen meestal een vaste resolutie op, bv. 109 dpi voor een beeldscherm, 460 dpi voor een smartphone, of 2880×1440 dpi voor een fotoprinter. Hoe hoger de resolutie, hoe meer gedetailleerd en dus hoe scherper het beeld kan worden weergegeven.<\/p>\n

Zijn er in het beeld meer pixels per lengte-eenheid beschikbaar dan het weergavetoestel nodig heeft (m.a.w. het beeld heeft een hogere resolutie dan het apparaat), dan worden pixels gecombineerd om de afbeelding te verkleinen. In het omgekeerde geval worden pixels gerepliceerd om de afbeelding te vergroten: de detailweergave van het beeld gaat dan wel achteruit.<\/p>\n

\"\"
\nEen te lage beeldresolutie geeft aanleiding tot een wazige afbeelding.<\/span><\/p>\n

Jammer genoeg worden in het Nederlands (en het Engels) de termen \u2018resolutie\u2019 en \u2018definitie\u2019 vaak door elkaar gehaald. Zo spreekt men over een beeldscherm met een resolutie van 2560×1440 pixels, of van een beeldbestand met een resolutie van 24 megapixels. Dat zorgt al eens voor verwarring en misverstanden\u2026<\/p>\n

Een camerasensor heeft zowel een \u2018definitie\u2019 als een \u2018resolutie\u2019<\/h2>\n

Een CMOS sensor bevat een groot aantal lichtgevoelige elementen of sensels<\/strong> (sensor elements), georganiseerd in een tweedimensionale matrixstructuur, die de beeldinformatie vastleggen. Elke sensel zet de hoeveelheid invallend licht eerst om in een analoog elektrisch signaal, en stuurt die informatie vervolgens in digitale vorm door naar een beeldprocessor. Gemakshalve wordt de term \u2018pixels\u2019 ook gebruikt wanneer het eigenlijk over \u2018sensels\u2019 gaat.<\/p>\n

\"\"<\/span>Kenmerkende parameters voor een typische APS-C sensor.<\/span><\/p>\n

Bekijken we als voorbeeld een APS-C formaat sensor met een definitie<\/strong> (totaal aantal pixels) van 24 Mpx, eerder gebruikt bij o.m. de Fujifilm X-T2. Met een 3:2 beeldverhouding telt deze sensor 6000 pixels langs de lange zijde, en 4000 pixels langs de korte zijde.<\/p>\n

De afmetingen van een APS-C sensor bedragen ca. 24×18 mm. Deze sensor heeft dus een resolutie<\/strong> van 250 pixels per mm (6000\/24 of 4000\/16) of 6350 pixels per inch.<\/p>\n

De afstand tussen de middelpunten van aaneenliggende pixels \u2013 de pixelafstand<\/strong> (pixel pitch) \u2013 bedraagt 4 \u03bcm (24\/6000 of 16\/4000). De pixelgrootte<\/strong> (de effectieve lichtgevoelige oppervlakte van een pixel) valt in de praktijk altijd iets kleiner uit dan de verwachte 4×4 \u03bcm.<\/p>\n

Sensordefinitie en beelddetail<\/h2>\n

Hoe meer pixels een sensor bevat \u2013 hoe hoger de definitie<\/strong> dus \u2013 hoe meer elementen beschikbaar staan om het opgenomen beeld te beschrijven, en dus hoe meer gedetailleerd dat beeld zal zijn (voor zover het gebruikte objectief een voldoende hoog scheidend vermogen biedt, en er verder in de beeldbewerkingsketen geen informatie verloren gaat).<\/p>\n

Meer pixels laten toe om met behoud van detail op een groter formaat af te drukken, of om een kleinere beelduitsnede te gebruiken zonder merkbaar kwaliteitsverlies. De digitale camera industrie is daarom altijd op zoek naar manieren om het totaal aantal pixels te verhogen.<\/p>\n

Bij een constant sensorformaat<\/strong> kan de definitie enkel verhoogd worden door de pixelgrootte te verkleinen (en dus de resolutie te verhogen).<\/p>\n

\"\"
\nToenemende definities bij eenzelfde sensorformaat leiden tot dalende pixelgroottes.<\/span><\/p>\n

Er bestaan evenwel beperkingen aan de minimale pixelgrootte bij een gegeven sensortechnologie of productieproces. Zo geldt voor elk sensorformaat een \u2018maximum haalbare\u2019 definitie, die langzaam toeneemt naarmate de CMOS technologie evolueert. Op dit moment hanteren state-of-the-art sensors pixelgroottes tussen 3,5 en 4,5 \u03bcm.<\/p>\n

Bij een constante definitie<\/strong> (zelfde totaal aantal pixels) neemt de pixelgrootte toe (en de resolutie af) met de afmetingen van de sensor. Beelden opgenomen met dergelijke sensors vertonen geen onderling verschil in detailweergave als ze worden weergegeven of afgedrukt op dezelfde grootte.<\/p>\n

\"\"
\nVerschillende sensorformaten met gelijke definitie hebben een vari\u00ebrende pixelgrootte.<\/span><\/p>\n

Dit verklaart waarom hogere sensordefinities eerst opduiken bij sensors met grotere afmetingen, omdat daar een relatief grotere pixelgrootte mogelijk is. Anderzijds begrenzen technische en economische factoren het maximale sensorformaat dat nog op een winstgevende wijze gefabriceerd kan worden. Op dit moment ligt die limiet rond 54x40mm.<\/p>\n

Houden we een constante pixelgrootte<\/strong> aan (en dus een gelijke resolutie), dan bekomen we een reeks sensors waarvan de definitie oploopt met het sensorformaat.<\/p>\n

\"\"Bij gelijke pixelgrootte bepaalt de sensorafmeting het totaal aantal pixels.<\/span><\/p>\n

Alle recente Fujifilm X-Series en GFX camera\u2019s<\/a> gebruiken eenzelfde CMOS sensor technologie, met een pixelgrootte van 3,76 \u03bcm<\/strong>. Bij de APS-C modellen \u2013 o.m. X-T4<\/a>, X-Pro3<\/a>, X-S10<\/a> en X100V<\/a> \u2013 resulteert dat in een definitie van 26,1<\/strong> megapixels. De groter-dan-full-frame sensor van de GFX100<\/a> en GFX100S<\/a> telt in totaal maar liefst 102<\/strong> megapixels.<\/p>\n

Kleur kost (een beetje) resolutie<\/h2>\n

Op het eerste gezicht levert elke sensorpixel de informatie voor \u00e9\u00e9n pixel in het resulterende beeld. Sensels zijn evenwel kleurenblind: ze \u2018zien\u2019 enkel een helderheidswaarde. Om toch een kleurenbeeld te verkrijgen wordt boven de sensor een filter geplaatst met een RGB-kleurenpatroon. Zo registreert een individuele sensel hetzij een rode, een groene of een blauwe waarde. De RGB-kleurwaarden voor een beeldpixel worden berekend door informatie van nabijgelegen sensels te combineren.<\/p>\n

Veruit de meeste digitale camera\u2019s \u2013 inclusief de Fujifilm GFX50S<\/a>\/GFX50R<\/a> en GFX100<\/a>\/GFX100S<\/a> \u2013 maken gebruik van een Bayer<\/strong> kleurenmatrix<\/strong>, opgebouwd door herhaling van een 2×2 patroon met telkens \u00e9\u00e9n rode, \u00e9\u00e9n blauwe en twee groene zones. De resolutie van de informatie over kleur is daardoor ongeveer tweemaal lager dan die over helderheid. Dat is helemaal niet erg: het menselijk zicht is veel minder gevoelig voor kleurverschillen dan voor helderheidvariaties.<\/p>\n

\"\"
\nDankzij een kleurenfilterpatroon registreren sensors ook kleurinformatie.<\/span><\/p>\n

Op enkele instapmodellen (zoals XF10<\/a>, X-A7<\/a> en X-T200<\/a>) met een 24 Mpx sensor na gebruikt Fujifilm bij de X-Series camera\u2019s een eigen X-Trans<\/strong> kleurenfilter. Hier wordt een groter 6×6 patroon gebruikt met twintig groene, acht rode en acht blauwe vlakjes, met als doel een hogere scherpte en kleurzuiverheid, en een lagere kans op moir\u00e9-interferentiepatronen.<\/p>\n

Kleinere pixelgrootte, lagere beeldkwaliteit?<\/h2>\n

Een sensor met een bepaalde afmeting ontvangt een totale hoeveelheid licht, onafhankelijk van de sensordefinitie. Als die sensor meer sensels telt, dan moet het invallende licht daarover \u2018verdeeld\u2019 worden, en ontvangt elke sensel een kleinere hoeveelheid. De resulterende helderheidsinformatie kan daarom gevoeliger zijn voor stoorsignalen.<\/p>\n

Vaak wordt dan kort-door-de-bocht geconcludeerd dat camera\u2019s met een hogere sensordefinitie bij minder goede lichtomstandigheden (en dus hogere ISO-instellingen) een slechtere beeldkwaliteit zouden leveren, met meer storende ruis.<\/p>\n

De snelle evolutie van de sensortechnologie heeft dit probleem evenwel in grote mate weggewerkt. Zo verbeterden zowel de effici\u00ebntie van de microlenzen (die het invallende licht per pixel bundelen) als de transmissie van licht doorheen het kleurenfilter. Ook een slimmere opbouw van de CMOS sensor zelf leverde een belangrijke winst op. Bij het klassieke type liggen er elektrische verbindingen langs de bovenzijde van de halfgeleiderlaag: daardoor kan een deel van het invallende licht de fotodiodes niet bereiken.<\/p>\n

\"\"
\nDe schematische opbouw van een klassieke (front illuminated) CMOS sensor.<\/span><\/p>\n

Door die halfgeleiderlaag om te keren en de fotodiodes als het ware vanaf de achterzijde te belichten (\u2018back-side illuminated<\/strong>\u2019) wordt de lichteffici\u00ebntie van een BSI-CMOS<\/strong> sensor aanzienlijk verhoogd en wordt de ruisgevoeligheid verminderd.<\/p>\n

\"\"
\nEen \u2018back-side illuminated\u2019 (BSI-CMOS) sensor vangt meer licht en is daarom effici\u00ebnter.<\/span><\/p>\n

Nog meer verbeteringen vinden we terug in de verdere verwerkingsketen, zoals een variabele analoog\/digitaal omzetting (behoud van dynamisch bereik over een groot helderheidsgebied) en meer performante algoritmes voor signaalverwerking en digitale ruisonderdrukking.<\/p>\n

Alle recente Fujifilm X-Series en GFX camera\u2019s<\/a> gebruiken dezelfde state-of-the-art BSI-CMOS<\/strong> sensortechnologie met 3,76 \u03bcm pixelgrootte en dual-gain analoog\/digitaal conversie. Die levert samen met de X-Processor 4<\/strong> verwerkingseenheid haarscherpe, kleurgetrouwe beelden met een groot dynamisch bereik.<\/p>\n

\"\"
\nDetail van installatie The Accused van Mark Dion, collectie Verbeke Foundation.<\/span>
\nOpname met GFX100S<\/a> en GF80mmF1.7<\/a> (f\/8, 2,5s, ISO 400 \u2013 ca. 62 Mpx na bijsnijden).<\/span><\/p>\n

De vier 100% uitsneden hieronder illustreren de uitstekende detailweergave, ook bij weinig licht.<\/p>\n