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Dieser Artikel ist in Kooperation mit LumoLabs entstanden.

Nikon D800 AA-Filter - der Unterschied zur D800E


(Dies ist eine vereinfachte Kurzversion, für eine fundiertere wissenschaftliche Abhandlung verweise ich auf das englische Original des Artikels und das "Whitepaper: Understanding Image Sharpness” bei LumoLabs).


Der folgende Artikel ist die deutsche Fassung der technischen Studie zum Thema Anti-Aliasing-Filter (Bayer-AA-Filter) in den Nikon Kameras D800 und D800E. Das Whitepaper / Technical Study ist in englischer Sprache direkt bei LumoLabs zu finden.


1. Einführung

Nikon hatte entschieden, zwei Versionen der Nikon D800 Vollformat-SLR-Kamera, auf den Markt zu bringen.
Ein Modell mit einem Bayer-AA-Filter (die D800) und eine ohne (die D800E).

Nach unserer Meinung geschah dies nicht aus technischen Gründen,sondern Nikon schuf zwei Versionen um unterschiedliche Märkte zu bedienen.
Das Model D800, um kaufkräftige APC-C und KB-Vollformat Fotografen zur beeindruckenden Auflösung von 36 MegaPixel zu locken und die D800E um in das Segment der Mittelformat-Fotografen einzudringen.

Wie gross ist nun der Unterschied, denn beide Modelle sind technisch absolut gleich, bis auf eine einzige "Kleinigkeit": Das AA Filter (Anti-Aliasing Filter) auch als Tiefpass-Filter bezeichnet, ist in der D800 -wie in fast allen Digitalkameras- vor dem Bildsensor montiert und von der D800E wird gesagt, dass dieses AA-Filter fehlt um eine höhere Auflösung und schärfere Bilder zu ermöglichen.

Wir haben nun geprüft, wie stark der Effekt dieses AA-Filters ist und im direkten Vergleich einige Messungen durchgeführt.


2. Hintergrund

Zuallererst: Das was jeder ein "AA-Filter" oder "Tiefpassfilter" nennt, ist eigentlich keines.
Ein Tiefpassfilter zerstört die Signale höherer Frequenzen. Jede Digitalkamera hat zwar eine Tiefpassfilterfunktion, 
diese ergibt sich jedoch aus der Begrenzung der Pixelgröße.

Das "Bayer-AA-Filter" besteht typischerweise aus einem Paar Lithium-Niobat-Kristall-Platten.
Diese sind um 90° zueinander versetzt und vor dem Sensor angebracht.
Dieses Material erlaubt den Lichtstrahl zu spalten und in Kombination der Paare ergibt sich der gewünschte Effekt einer Vierfachbrechnung.
Da die Farbspeicherung/Farberzeugung üblicher Digitalkameras durch vorgesetzte Farbfilter (Rot, Grün (doppelt), Blau), d.h. durch 4 Bildpunkte (Pixel) erfolgt, sorgt das "Bayer-AA-Filter" für eine möglichst gleichmässige "Ausleuchtung" der 4 benachbarten Pixel duch den (einen) Lichtstrahl.
Das Ergebnis ist eine genaue Farbwiedergabe. Eine solches Bayer-AA-Filter wurde 100% Stärke aufweisen.

Da die Hersteller nicht die volle Auflösung des Sensors opfern wollen, entwerfen ihre Bayer-AA-Filter sie in der Regel schwächer.

Das "Bayer-AA-Filter" der D800E wird nicht durch das Weglassen des Filters realisiert, sondern durch eine Anordnung der Lithium-Niobat-Kristall-Platten um 180° zueinander, damit sich deren Wirkung gegenseitig aufhebt.
Dadurch wird der Tiefpassfiltereffekt auf nahezu 0% Wirkung reduziert.
Falls diese Filtereinheit komplett weggelassen würde, wäre die Filterwirkung zwar ebenfalls bei 0, aber der gesamte optische Weg und die Farbberechnung (Farbprofile) müssten eine andere Kalibrierung als bei der Schwester D800 erhalten. Dieser Aufwand wäre wohl aufwändiger zu realisieren als die Kosten der Filtereinheit in Kauf zu nehmen.

Das Problem des zur Zeit in Fotoforen heftig diskutierten Farbfehlers / Farbmoirés / Farbmusters ist wie folgt: Angenommen, ein Strahl (z. B. von einem Stern) erreicht die Kamera und trifft auf ein einzelnes Pixel.
Vor dem Pixel befindet sich ein grünes, rotes oder blaues Filter der Bayer-Filter-Matrix.
Dies bedeutet, dass die Kamera einen grünen, roten oder blauen Stern "sieht".
Die Kamera kann die wirkliche Farbe des Sterns nicht erkennen, und keine intelligente Software kann die fehlenden Farbinformationen berechnen.

Das ist das Falsch-Farben-Problem, wenn das sogenannte Demosaicing solche Glanzlichter ("Sterne") oder kontrastreiche Kanten nicht korrekt darstellen/erkennen kann.

Wenn kontrastreiche Kanten nun ein regelmäßiges Muster bilden, wird die falsche Farbe variieren und sich über das Bild legen, was dann unser störendes Farb-Moiré-Muster ergibt. Es kann z.B. wie "Regenbogenfarben" aussehen.

In Bild 1 ist nun durch die Struktur des Stoffes genau so ein regelmäßiges Muster  gegeben und links ist ein Farb-Moiré zu sehen:


Je stärker nun das AA-Filter die höheren Frequenzen wegfiltert umso schwächer werden solche Farb-Moiré Störungen.
Gleichzeitig verlieren wir aber auch die Auflösung und Bildschärfe.

Die Nikon D800E besitzt mit dem 0% AA Filter also eine höhere Wahrscheinlichkeit solche Farb-Moiré Störungen zu produzieren, aber wieviel schärfer können die Bilder werden als bei der D800?

Andersrum ausgedrückt: Mehr als 100% geht nicht (D800E), also wie stark dämpft die AA-Filtereinheit in der D800 dir hohen Frequenzen und somit die feinsten Details in den Bildern?

Das finden wir jetzt raus:

3. Testvorbereitung

Nun kurz, einfach und ohne Formeln:
Um die Anforderungen für perfekt vergleichbare, perfekt scharfgestellte und garantiert unverwackelte Testbilder zu erfüllen, haben wir das gleiche Objektiv an beiden Kameras verwendet.
Es war ein Nikkor 24-70/2.8G, bei 50mm f/4.0 in der Mitte, mit Spiegelvorauslösung, Fernauslöser und Studioblitz um keine Bewegungsunschärfe zu erhalten. Der Abstand zum Testchart betrug 2,5 m (50x Brennweite).
Dieser Aufwand ist selbstverständlich notwendig, denn kleinste Verwacklungen und feinste Fehljustage der Fokusebene würde sich spürbar auf die Bildschärfe auswirken.
Da das AF System - egal ob Phasen-AF oder Kontrast-AF - nicht ausreichend präzise ist, nahmen wir eine Fokusreihe auf. D.h. mehrere Aufnahmen mit am Objektiv fest eingestelltem Fokus bei denen die gesamte Kamera auf einer Schiene in der Fokusachse von Bild zu Bild um eine definierte Strecke verschoben wird.
Alle Aufnahmen wurden per MTF Software ausgewertet und die jeweils schärfsten Bilder für die finale Berechnung verwendet.


4. Die Testaufnahmen

Wir verwenden eine modifizierte Version ds ISO 12233 Testcharts, hier ein kleiner Ausschnitt, der einen relevanten Bereich aus der Bildmitte zeigt:

D800


D800E

Es ist zu erkennen, dass bei der D800E die Farbstörungen etwas ausgeprägter auftreten.
Unterschiede in der Linienauflösung sind zu erahnen, aber nicht so deutlich als erwartet.


Mit "quickmtf" können wir nun die entsprechenden MTF Werte der ungeschärften Bilder berechnen:

MTF der Nikon D800 (untere Linie) und D800E (obere Linie).

Da beide Kameras (D800 und D800E) eine Tiefpassfilterfunktion aufweisen, können wir aus dem Unterschied der Grenzfrequenz die Stärke des Bayer-AA-Filters der D800 berechnen:
Aus
sinc (x): = sin (x) / x
leiten wir ab:
MTFBAA (f) = sinc ((1+σ) π f) / sinc (π f)

σ drückt die Stärke des AA-Filters aus, dies im Bereich von 0 to 1, oder  0% bis 100%

Der berechnete Stärke des Bayer-AA-Filters der D800 beträgt 75% ± 7%.


5. Praktische Berücksichtigung

Ein Bayer-AA-Filter einer Stärke von ~ 75% ist moderat. Unter besten Aufnahmebedingunen (niedrige ISO, hochauflösendes Objektiv, kein Verwackeln, perfekter Fokus etc.) ergibt sich genügend Kontrast bei der Nyquist-Frequenz um alle Details wie bei einen Sensor mit der gleichen Auflösung, aber ohne Bayer-AA-Filter zeigen könnte.
Auf der anderen Seite, wird das Risiko von Farbmoiré nicht komplett obsolet, nur die Wahrscheinlichkeit und die Stärke wird etwas reduziert.
Eine noch schwächere Bayer-AA-Filter Stärke von ~ 50% würde zu viel Kontrast bei der Nyquist-Frequenz zeigen und die Reduzierung der Farbmoirés wäre marginal.
Es sieht nach einen sehr guten Kompromiss aus, den Nikon mit diesem ca. 75% Filter konstruiert hat.

Um ein paar Beispiele zur Detail-Rekonstruktion durch Nachschärfung zu zeigen,vergleichen wir die Zahlen der MTF50 Auflösung, mit den Ergebnissen die wir von beiden Kameras durch unterschiedliche Schärfe-Parameter erhalten.

5.1. Schärfungs-Parameter

Der wichtigste Faktor für jede digitale MTF50 Messung ist ... schärfen!


Die Werte der MTF50 Auflösungen einer D800 und D800E bei verschiedenen Werten für die Schärfung.

Die Bilder (RAWs) wurden mit Adobe Lightroom PV2010 mit Standard-Parametern entwickelt (außer Schärfen).
Diese Einstellung erhöht bereits etwas den Kontrast und die Auflösung, sogar bei Null Schärfung.
Alle anderen (Schärfungs-) Parameter sind wie in der Tabelle unten angegeben.
Das Detail-Regler war auf dem Standard-Wert von 25% mit Ausnahme der "D1"-Markierung, wo er bei 100% lag.

Da es dabei bereits um eine Dekonvolution handelt, wurden die betreffenden beiden Säulen in der obenstehenden Grafik mit einer leichten Transparenz versehen.
Für beste Ergebnisse würde die D800E eine Dekonvolution mit weniger als 0,5 px Radius benötigen, was Lightroom jedoch nicht bietet.

Wenn wir die jeweils optimalen* Schärfungswerte für jede Kamera verwenden, ergibt sich ein Unterscheid von nur 4% in der Auflösung.

1. D800:  1.0 px radius, 100 % ergeben 3537 LW/PH resolution (MTF50)
2. D800E: 0.8 px radius,  70 % ergeben 3684 LW/PH resolution (MTF50)

* Die optimalen Schärfungsparameter werden in der Praxis - um einen optimalen Schärfeeindruck zu erhalten - auch durch den Bildinhalt bestimmt.
Die beiden angegebenen Werte sind optimal um diese beiden Testbilder derart zu schärfen, dass die nachfolgende MTF Messung ohne störende Artefakte und ohne Überschärfung durchgeführt werden konnte.

Die beiden MTF Kurven im Vergleich:

Die schwarze Linie zeigt die D800E, die beiden grauen zeigen die D800, einmal ungeschärft und die andere geschärft.
Die schwarze Linie der D800E zeigt denselben MTF 75 Wert, wie die Kurve des geschärften D800 Bildes.

Hier nun die beiden geschärften Testbilder:

100% Ausschnitt aus dem geschärften D800 Testbild


100% Ausschnitt aus dem geschärften D800E Testbild

Vergleichen wir beide geschärften Bilder wird offensichtlich, dass der Unterschied in der Auflösung sehr gering ist.
Das Farbmoiré der D800E ist allerdings etwas stärker ausgeprägt und die D800 zeigt ebenfalls leichtes Farbmoiré.


6. Fazit

Das Bayer-AA-Filter in der Nikon D800 zeigt nach unseren Messungen eine eher schwache Dämpfung mit nur rund 75% der vollen Stärke.

Somit st der Unterschied zwischen der D800 und D800E nicht so groß wie man denkt:
Unter kontrollierten Aufnahmebedingungen, können die D800 Bilder bis knapp an die Auflösungswerte der D800E geschärft werden.
Der Nachteil ist, dass auch die D800 Farbmoiré zeigt, wenn auch weniger wahrscheinlich und in geringerem Maße.

Dies bedeutet nicht, dass man die Bilder der D800E nicht auch schärfen kann, aber Sie sollten schwächere Einstellungen verwenden.

Nach unserer Meinung ist es in den allermeisten Fällen nicht entscheidend, welche der beiden Modelle verwendet werden.

Die 36 MP der D800 bedeuten einerseits, dass - je nach Ausgabegröße - die volle Pixel-Qualität kaum mehr eine Rolle spielt und
andererseits schrunpft der Unterschied dieser beiden hochauflösenden Kameras insbesondere durch die Möglichkeiten der Nachschärfung auf ein zu vernachlässigendes Maß zusammen.

Ergo, können zum größten Teil die Unterschiede zwischen einer D800 und D800E tatsächlich ignoriert werden.
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