Megapixels uitgelegd: is meer altijd beter?

We hadden het eerder al over de verschillende soorten sensors, maar onder fotografen gaat het al snel over het aantal megapixels daarvan. Velen zien dat immers als het alles bepalende kenmerk. Er zijn evenwel best nog andere aspecten die een belangrijke rol spelen. In de beginperiode van digitale camera’s hadden sensors maar een beperkt aantal pixels en betekende elke volgende stap een significante vooruitgang: een verdubbeling van 3 naar 6 en later 12 megapixel leverde telkens een zichtbare kwaliteitsverbetering op.

Sindsdien is de megapixelrace blijven doorgaan – volgens sommigen zelfs op hol geslagen – en wordt het voor de ’gewone’ fotoliefhebber steeds moeilijker om de voordelen van meer megapixels in de praktijk te begrijpen en door de marketing slogans heen te zien. Tijd dus om een en ander van naderbij te bekijken.

Wat is resolutie?

Een digitaal beeld is opgebouwd uit een aantal beeldelementen of pixels (afgeleid van het Engelse ‘picture elements’), elk met specifieke informatie. Bij een kleurenbeeld horen bij elke pixel aparte helderheidswaarden voor de drie primaire kleurcomponenten, meestal zijn dat rood, groen en blauw. Het totale aantal pixels in het beeld (aantal in breedte x aantal in hoogte) noemen we de definitie of de omvang van het beeld. In het voorbeeld hieronder telt de originele foto 3000 bij 2000 pixels, en heeft dus een definitie van 6 megapixels. Hoe groter de definitie van een beeld, hoe rijker de detail informatie die erin vervat zit.

Een digitaal beeld heeft op zich geen afmetingen: die worden immers bepaald door de grootte bij weergave of afdruk. De afbeelding van één enkele pixel meet dan slechts enkele fracties van een millimeter op een hoog- resolutie beeldscherm of een scherpe kwaliteitsprint, maar kan even goed een paar vierkante millimeter groot worden op een reclamebord of een reuze LED-scherm.

Eenmaal de grootte van een afbeelding bekend is kunnen we spreken over de resolutie, een aanduiding voor het aantal pixels per lengte-eenheid, meestal uitgedrukt in pixels per inch (ppi). Weergaveapparaten gebruiken normaal een vaste resolutie, bv. 109 ppi voor een beeldscherm, 460 ppi voor een smartphone, of 2.880 x 1.440 ppi voor een fotoprinter.

Hoe hoger de resolutie, hoe meer gedetailleerd en dus hoe scherper het beeld kan worden weergegeven. De uiteindelijke indruk van scherpte en detail heeft natuurlijk ook te maken met de afstand waarop naar de afbeelding gekeken wordt. Zijn er in het beeld meer pixels per lengte- eenheid beschikbaar dan het weergavetoestel nodig heeft (m.a.w. het beeld heeft omgerekend 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. Jammer genoeg worden in het Nederlands (net als in het Engels) de termen ‘resolutie’ en ‘definitie’ vaak door elkaar heen gebruikt. Zo spreekt men over een beeldscherm met een resolutie van 2560 x 1440 pixels, of van een beeldbestand met een resolutie van 24 megapixels. Dat zorgt al eens voor verwarring.

Een CMOS sensor bevat een groot aantal lichtgevoelige elementen of sensels (‘sensor elements’), georganiseerd in een tweedimensionale matrixstructuur. De fotodiode in de sensel zet de hoeveelheid invallend licht eerst om in een analoog elektrisch signaal, dat na verdere versterking en bewerking uiteindelijk in digitale vorm naar een beeldprocessor wordt doorgestuurd.

In veel gevallen worden de sensels gemakshalve ook met de term ‘pixels’ aangeduid. We nemen als voorbeeld een APS-C formaat sensor met een definitie (totaal aantal pixels) van 24 megapixels. Met een 3:2 beeldverhouding telt deze 6000 pixels langs de lange zijde, en 4000 pixels langs de korte zijde. De afmetingen van een APS-C sensor bedragen ca. 24 x 16 mm. Deze sensor heeft dus een resolutie van 6000/24 = 250 pixels per millimeter of 6350 pixels per inch.

De afstand tussen de middelpunten van aaneenliggende pixels – de pixelafstand (pixel pitch) – bedraagt in dit geval 4 micrometer (24/6000). De pixelgrootte (de effectieve lichtgevoelige oppervlakte van een pixel) valt in de praktijk altijd kleiner uit dan de verwachte 4 bij 4 micrometer, onder meer door de aanwezigheid van pixeltransistoren.

Definitie en detail

Hoe meer pixels een sensor bevat – dus hoe hoger de definitie – hoe meer elementen beschikbaar zijn om het opgenomen beeld te beschrijven, en dus hoe meer gedetailleerd dat beeld inherent zal zijn (mits het gebruikte objectief een voldoende hoog scheidend vermogen biedt, en er verder in de bewerkingsketen geen informatie verloren gaat).

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. Dat is de drijfveer voor de camera industrie om naar steeds meer megapixels te streven. Bij een constant sensorformaat kan de definitie enkel verhoogd worden door de pixelgrootte te verkleinen (en dus de resolutie te verhogen). Een 24 megapixel APS-C sensor heeft dus een hogere resolutie dan een 24 megapixel full-frame type (hoe raar dit ook klinkt!).

Er bestaan evenwel beperkingen aan de minimale pixelgrootte bij een gegeven sensortechnologie of productieproces. Voor elk sensorformaat geldt een minimum haalbare waarde, die langzaam toeneemt naar mate de chiptechnologie evolueert. Op dit moment hanteren state-of-the-art types pixel groottes tussen 3,5 en 4,5 micrometer; verdere evolutie gaat wellicht richting 3 micrometer. Bij een constante definitie (zelfde totaal aantal pixels) neemt de pixelgrootte toe (en dus 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. Hogere sensor definities duiken gewoonlijk eerst op bij sensors met grotere afmetingen, omdat daar de pixels langer relatief groter blijven. Anderzijds begrenzen allerlei technische factoren het maximale sensorformaat dat nog op een economisch gunstige wijze gefabriceerd kan worden. Op dit moment ligt die limiet rond 54x40mm.

Houden we een constante pixelgrootte aan (en dus een gelijke resolutie), dan bekomen we een reeks sensors waarvan de definitie oploopt met het sensorformaat. Deze zijn dan alle gebaseerd op eenzelfde chiptechnologie, die verder opgeschaald wordt. Een op dit moment veel gebruikt gamma van Sony Semiconductors (de grootste fabrikant van CMOS sensors) heeft een pixelgrootte van 3,76 micrometer. Dat leidt op APS-C, fullframe en grootformaat tot definities van respectievelijk 26 megapixel, 61 megapixel en 102 megapixel.

Sensors zijn kleurenblind

Op het eerste gezicht levert elke sensorpixel de informatie voor één pixel in het resulterende beeld. Sensels zijn evenwel kleurenblind: ze ‘zien’ enkel een helderheidswaarde. Om toch een kleurenbeeld te verkrijgen wordt boven op de sensor, net onder een laag met micro lenzen, een filter geplaatst met een RGB kleurenpatroon.

Zo registreert elke individuele sensel hetzij een rode, een groene of een blauwe waarde. De RGB kleurwaarden voor de overeenstemmende beeldpixel worden dan later opnieuw berekend via een complex algoritme, waarbij informatie van enkele nabijgelegen sensels en exacte kennis van de filters in rekening gebracht worden (‘demosaiceren’).

Veruit de meeste digitale camera’s maken gebruik van een Bayer kleurenmatrix, opgebouwd door herhaling van een 2 x 2 patroon met telkens één rode, één blauwe en twee groene zones (ons oog is immers meer gevoelig voor groen dan voor andere kleuren). De resolutie van de informatie over kleur is daardoor ongeveer tweemaal lager dan die over helderheid. Dat is helemaal niet erg: ook het menselijk zicht is veel minder gevoelig voor kleurverschillen dan voor helderheidvariaties.

Een opmerkelijke uitzondering vinden we bij de Fujifilm X-Series camera’s, die voorzien zijn van een eigen X-Trans filter. Hier wordt een groter 6 x 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 moirépatronen bij de kleinere (APS-C) sensors. Bij een grootformaat sensors spelen deze overwegingen een mindere rol, dus kregen de GFX-camera’s wel een Bayer filter mee.

Grotere sensor is niet altijd beter

Een sensor met een bepaalde afmeting ontvangt een totale hoeveelheid licht, onafhankelijk van de sensordefinitie. Telt die sensor meer sensels, dan moet het invallende licht daarover en verhoogt de lichtefficiëntie van de sensor aanzienlijk, en verlaagt daarmee eveneens het ruisniveau.

Nog meer optimalisaties vinden we terug in de verwerkingsketen, zoals een variabele analoog/digitaal omzetting (‘dual ISO’, om een breed dynamisch bereik over een groter helderheidsgebied te behouden) en meer performante algoritmes voor signaalver werking en digitale ruisonderdrukking. Het geheel van deze ingrepen laat toe om bij recente sensors de definitie op te voeren (en dus de pixelgrootte te verkleinen) met een zo goed als verwaarloosbare impact op de uiteindelijke beeldkwaliteit.

Stacked sensors

Met het alsmaar toenemend aantal pixels loopt ook de hoeveelheid informatie op die zo snel mogelijk moet worden verzameld en doorgestuurd voor verdere verwerking. Een volledige uitleescyclus voor een klassieke FSI of BSI sensor neemt al gauw 1/10 tot 1/50 seconde in beslag. Bij de allernieuwste stacked BSI sensors wordt de uitleeselektronica overgebracht van het randgebied rond het pixelveld naar een aparte halfgeleiderlaag net daaronder.

De extra beschikbare ruimte laat meer parallelle verbindingen en schakelingen toe, zodat de dataverwerking sneller en efficiënter verloopt. Door voor elke laag de optimale chiptechnologie te kiezen wordt ook het stroomverbruik gereduceerd. Stacked sensors met zeer korte uitleestijden (rond 5 milliseconde) vinden we op dit moment al terug in ‘flagship’ camera’s zoals de Sony A1, Canon R3, Nikon Z9, OM Systems OM-1 en Fujifilm X-H2S. De recent gelanceerde Nikon Z6III komt dan weer met een half-stacked sensor.

In combinatie met even krachtige beeldprocessoren versnellen ze de rekencycli voor automatische belichting en scherpstelling en voor gezicht- of onderwerp herkenning. Bij gebruik van de elektronische sluiter worden dan continu reeksopnames aan 30 beelden per seconde of meer mogelijk, met meerdere AE/AF-bijsturingen tussen opeen volgende shots in, en met flikkervrije zoeker beelden zonder waarneembare black-out tijdens het fotograferen.

Bij de Nikon Z9 werd de mechanische sluiter zelfs helemaal weggelaten! Ook voor videotoepassingen bieden stacked sensors voordelen. Clips kunnen worden vastgelegd met hogere definities en/of snellere frame rates: combinaties als 4K/240fps tot 8K/60fps worden stilaan gemeengoed. Daarenboven worden de hinderlijke rolling shutter vervormingen gevoelig gereduceerd. Die ontstaan omdat een sensor over het algemeen rij-per-rij wordt uitgelezen. Het verschil in uitleesmoment voor opeenvolgende rijen leidt bij bewegende onderwerpen tot verschuivingen van beelddelen. Hoe sneller de sensor wordt uitgelezen, hoe minder ook die verschillen een rol spelen.

Verschillende pixels voor verschillende toepassingen

Hoeveel pixels moet een digitaal bestand nu omvatten voor een beeld met hoge kwaliteit? Het antwoord is verschillend naargelang van de toepassing en het reproductieproces. Kijken we eerst naar digitale displays: die hebben de facto een vaste weergavedefinitie. Veel beeldschermen volgen de Quad HD standaard, wat bij een 16:9 verhouding neer komt op 2560 x 1440 pixels (ca. 3,7 megapixels).

Smartphones en tablets gebruiken schermdefinities (2500-2800 x 1100-1700) in diezelfde grootteorde. 4K UHD displays tellen met 3840 x 2160 tweemaal zoveel beeldpunten, en krijgen optimaal beelden aangeboden met een definitie van 8,3 megapixels. De beste digitale laser projectoren in bioscopen hanteren eveneens het 4K UHD formaat. De schermresolutie hangt dan weer samen met de schermgrootte: rond 110 ppi bij 27 inch QHD displays, ongeveer 265 ppi voor 11-13 inch tablets, en zowat 460 ppi voor 6 inch smartphones.

In al deze gevallen ontstaat daarmee een zeer goede detailweergave bij de normaal gebruikelijke kijkafstanden. Bij afdrukken op papier (bedoeld om relatief dichtbij te bekijken) wordt over het algemeen de kwaliteitsnorm van offsetdruk aangehouden: dat proces vraagt 300 pixels per inch op weergaveformaat, wat overkomt met 118 pixels per centimeter. Voor een A4-afdruk (21,0 x 29,7 cm) betekent dat ongeveer 2480 x 3508 of 8,7 megapixel. Een optimale A3-print vereist zo’n 17,4 megapixel, een 40 x 60 cm vergroting net geen 50 megapixel. Bij mindere papiersoorten (kranten) of bij grotere kijkafstanden (wanddecoratie, reuze reclameborden of banners) kan de 300 ppi norm zonder veel kwaliteitsverlies versoepeld worden naar 240 à 150 ppi; de optimale beeld definitie wordt zo 1,5 tot 4 keer kleiner.

Speelruimte

Alle bovenvermelde streefwaarden gelden voor de bestanden die uiteindelijk naar het scherm of de printer worden gestuurd. Als we verder rekening houden met ingrepen tijdens de nabewerking voorzien we best wat meer beeldinformatie, om bv. foto’s (met mate) bij te snijden of om geometrische correcties door te voeren. Bij videoclips komt de aanwezige marge soms van pas voor (extra) digitale beeldstabilisatie.

Soms zijn (heel) wat meer megapixels gewenst of zelfs onontbeerlijk. Een fine-art of landschapsfotograaf wenst veelal imposante afdrukken met een maximum aan detail. Een wildlife- of sportfotograaf heeft soms nood aan extreme crops, voor die gevallen waar zelfs de langste telelenzen tekortschieten.

Voor de commerciële studiofotograaf is het zinvol om ruime composities te kunnen maken, zodat de klant achteraf voor verschillende toepassingen (magazine cover, dubbele-pagina spread, billboard …) gepast kan bijsnijden.

In die gevallen komen (zeer) hoge sensor definities van pas. Daarnaast betekenen (te) veel megapixels soms eerder een nadeel dan een voordeel: een sport– of nieuwsfotograaf bijvoorbeeld verkiest kleinere bestanden die sneller bewerkt en doorgestuurd kunnen worden.

Conclusie

Met dit alles in gedachten kunnen we besluiten dat de typische hobbyfotograaf eigenlijk voldoende heeft aan sensordefinities van om en bij de 24 megapixel. Bij die ‘sweet spot’ zijn zowel kwaliteitsafdrukken tot 40 x 60 cm als 4K videoclips nog goed mogelijk. Eenmaal boven 30-35 megapixel komen prints tot 60 x 90 cm en 8K video binnen bereik. Wedden dat velen onder ons toch onverminderd uitkijken naar nog meer megapixels bij een volgende camera?