Vier Pixel werden eins: warum nachts zwölf Megapixel besser sind als fünfzig

In der Kamera-App sitzt ein Schalter, der das Vierfache verspricht. Ohne Zutun liefert das Telefon zwölf Megapixel, ein Tippen auf «50 MP» macht fünfzig daraus, bei vierfacher Dateigröße. Tagsüber ändert die Wahl wenig. Nachts entscheidet sie über das Bild, meistens zum Schlechteren, denn der Sensor hat keine Pixel dazugewonnen. Er hat aufgehört, sie zusammenzuzählen, und diese Summe war das Beste, was er für Sie getan hat.

Vier Fotodioden unter einem Farbfilter

Das Bayer-Mosaik aus dem Lehrbuch gibt jeder Fotodiode ihren eigenen Farbfilter und wechselt sie nach festem Muster durch. Die hochauflösenden Sensoren in Smartphones haben die Regeln geändert: Die Filter sitzen in Zweier-mal-Zweier-Quadraten, vier Fotodioden teilen sich eine Farbe. Samsung nennt seine Variante Tetrapixel, und das öffentliche Datenblatt des ISOCELL JN1 wird deutlich genug, um es zitieren zu können. Fünfzig Megapixel mit 0,64 Mikrometer Kantenlänge in einem Format von 1/2,76 Zoll. Vier benachbarte Pixel, die wie ein einziges 1,28-Mikrometer-Pixel arbeiten und ein Bild mit 12,5 Megapixeln und weniger Rauschen liefern. Die volle Auflösung, ergänzt dasselbe Datenblatt, entsteht durch einen Re-Mosaic-Algorithmus, der die Pixel umsortiert, und der greift bei reichlich Licht.

Diesen letzten Punkt sollte man zweimal lesen. Der native Modus dieser Sensoren ist der summierte, die volle Auflösung dagegen eine Softwarerekonstruktion eines Bayer-Musters, das unter den Filtern gar nicht existiert. Bei einer Tagesszene voller Signal gelingt diese Rekonstruktion sauber. Am Nachthimmel arbeitet sie mit dünnen Daten, und was sie dabei erfindet, ist kein Detail. Es ist eine Vermutung.

Die Rauschrechnung, ehrlich aufgemacht

Vier Fotodioden, die zu einer werden, sammeln viermal so viele Photonen. Das Zählrauschen wächst mit der Wurzel, das Signal-Rausch-Verhältnis verdoppelt sich also: zwei volle Blenden geschenkt, ohne Verschluss und Verstärkung anzufassen. Es ist dieselbe Arithmetik, auf der das Stacking beruht, nur im Chip statt in der Software.

Der naheliegende Einwand: mit fünfzig Megapixeln aufnehmen und zu Hause in Ruhe auf zwölf Komma fünf herunterrechnen. Wo das Photonenrauschen regiert, stimmt dieser Einwand, und beide Wege enden gleichauf. Die Rechnung kippt, sobald das Ausleserauschen dazukommt, jenes Rauschen, das die Elektronik im Moment der Ladungsmessung beisteuert. Werden die vier Fotodioden als Ladung summiert, bevor sie ausgelesen werden, zahlen Sie dieses Rauschen einmal auf ein vervierfachtes Signal. Lesen Sie sie einzeln aus und mitteln hinterher, zahlen Sie es viermal und halbieren es dann. Der erste Weg ist beim Ausleserauschen doppelt so gut wie der zweite, und der Nachthimmel ist genau der Ort, an dem das Ausleserauschen zählt, weil das Signal pro Pixel jämmerlich ist.

Bleiben wir genau bei dem, was tatsächlich bekannt ist. Ob ein bestimmtes Telefon Ladung im Pixel summiert oder bereits digitalisierte Werte im Bildprozessor mittelt, sagen die Hersteller selten. Der Unterschied ist real, er ist messbar, und er gehört zu den wenigen Dingen, die Sie selbst mit zwei Aufnahmeserien klären können. Bis dahin bleibt der summierte Modus der, für den der Sensor im Dunkeln gebaut wurde.

Das Objektiv hat dieses Detail nicht zu vergeben

Angenommen, Sie wollen das zusätzliche Detail trotzdem bezahlen. Irgendwoher muss es kommen, und ein Smartphone-Objektiv hat eine physikalische Grenze, um die kein Sensor herumredet. Eine Optik mit f/1.8, der übliche Wert für die Hauptkamera, erzeugt bei 550 Nanometern ein Beugungsscheibchen von rund 2,4 Mikrometern Durchmesser, gemessen bei jener Wellenlänge, für die das Auge am empfindlichsten ist und mit der sich vernünftig rechnen lässt. Auf einem 0,64-Mikrometer-Raster verschmiert dieses Scheibchen über fast vier Pixel Durchmesser. Auf dem summierten 1,28-Mikrometer-Raster deckt es knapp zwei ab, was ungefähr der richtigen Abtastung entspricht: genug, um keine Information wegzuwerfen, und nicht so viel, dass Sie leeren Raum mit vier Nachkommastellen beschreiben.

Die Beugung ist erst der Anfang. Dazu kommen die Abbildungsfehler am Bildfeldrand, bei jedem Smartphone-Weitwinkel großzügig bemessen, und dazu kommt die Bewegung. Auf festem Stativ beginnen Sterne binnen Sekunden zu verziehen, und ihr Abbild ist schon breiter als das theoretische Scheibchen, bevor der Sensor es überhaupt abtastet. Wie lange es bis dahin dauert, hängt von Deklination und Brennweite ab, und diese Zahlen stehen in einem anderen Beitrag. Die volle Auflösung verspricht Strukturen aufzulösen, die feiner sind als das, was Optik und Mechanik überhaupt liefern.

Was die API erklärt, und was die App durchreicht

Seit Android 12 behandelt die Plattform diese Sensoren als eigene Kategorie: Neben dem Standardmodus gibt es einen Modus für maximale Auflösung, und die Kamera-Dokumentation führt ein Flag namens SENSOR_RAW_BINNING_FACTOR_USED, das angibt, ob der empfangene RAW-Puffer gebinnt wurde. Es existiert, weil es gebraucht wird. Ohne dieses Flag weiß eine App nicht, was sie in den Händen hält.

Die praktischen Folgen sind greifbar. Ein RAW in voller Auflösung kann der im Maximalmodus ausgelesene Sensor sein oder das Ergebnis des Re-Mosaic, und beim Stacken verhalten sich die beiden unterschiedlich. Umgekehrt gilt dasselbe: Manche Telefone speichern ein DNG «mit 50 MP», dessen Feinzeichnung aussieht wie ein hochgerechnetes 12,5er. Zeigt Ihre Aufnahme-App das Flag an, schauen Sie hin. Zeigt sie es nicht, hilft die alte Gewohnheit, nachzusehen, was wirklich in einer Datei steckt, statt dem Etikett zu glauben.

Bezahlt wird weiter hinten in der Kette

Viermal so viele Pixel heißt viermal so viele Daten zum Schreiben, Lesen, Ausrichten und Summieren. Über eine Sitzung mit dreihundert Aufnahmen ist das kein theoretischer Unterschied: Es ist der freie Speicher des Telefons, es sind die Minuten, in denen der Prozessor heizt, während Sie lieber weiterfotografieren würden, und es ist die Sensortemperatur, die genau dann steigt, wenn Sie das thermische Rauschen niedrig halten wollen. Die Ausrichtung schlägt gesondert zu Buche, denn sie erkennt Sterne, und schwache Sterne liegen im Bild mit voller Auflösung deutlich näher am Hintergrund.

Wann sich die volle Auflösung lohnt

Zwei Fälle, und man sollte sie fair benennen. Der Mond schickt Photonen im Überfluss und liegt in einem Bereich, in dem das Rauschen nichts und die Auflösung alles entscheidet: Liest Ihr Telefon den Sensor tatsächlich im Maximalmodus aus, kann ein Krater mehr überleben, und der Versuch lohnt sich. Die Sonne hinter einem zertifizierten Filter gehört aus denselben Gründen in dieselbe Schublade. Überall sonst, bei Deep Sky, Konjunktionen, weiten Feldern und Nachtlandschaften, dreht sich die Rechnung um, und Megapixel werden zum Kostenfaktor.

Ein einziger, gut genutzter Abend beendet die Debatte. Gleiches Ziel, gleiches Stativ, zwei Serien zu fünfzig Aufnahmen kurz hintereinander, eine im Normalmodus und eine in voller Auflösung. Danach die zweite Serie auf die Größe der ersten herunterrechnen und drei Dinge ansehen: das Korn im Himmelshintergrund bei gleicher Darstellungsgröße, die Halbwertsbreite eines einzeln stehenden Sterns und die Zahl der schwachen Sterne, die das Strecken überstehen. Das Urteil gilt für Ihr Telefon und für kein anderes, und genau diese Sorte Wahrheit brauchen Sie auf dem Feld.

Die große Zahl im Datenblatt wurde für den Verkaufsraum geschrieben. Nachts weiß der Sensor von allein, was zu tun ist.