Basiswissen Videoproduktion : Der Bildwandler (CCD

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Basiswissen Videoproduktion : Der Bildwandler (CCD - CMOS)

von rudi So, 3.Januar 2010

Nachdem das Licht durch die Optik gewandert ist, trifft es auf einen Bildwandler, der früher meist ein CCD (Charge Coupled Device) war. Heute werden fast nur noch CMOS-Typen (Complementary Metal Oxide Semiconduktor)verbaut. Dieser Bildwandler wandelt das Licht in analoge Ströme um.

Grundsätzlich unterscheidet man bei Kameras (noch) zwischen zwei Geräteklassen: 1 Chip-Modelle (Einchipper) und Kameras mit 3 Bildwandlern (Dreichipper). Nehmen wir zuerst an, dass unser Gerät nur einen Chip besitzt.

Dieser Chip besteht aus vielen einzelnen lichtempfindlichen Zellen, die auf Helligkeit reagieren. Die Anzahl der Zellen wird mit der Pixelzahl des Bildwandlers definiert. Trifft das Licht auf den Chip, so zerlegt dieser quasi das das Bild in einzelne kleine Bildelemente, die man auch Pixel (PICture ELement) nennt. Je mehr Pixel ein Bildwandler besitzt, desto mehr Details eines Bildes kann dieser aufzeichnen.

Ja nach Videostandard nimmt eine Kamera immer in einer festen Auflösung auf. Diese beträgt hierzulande bei SD-PAL-Video 720 x 576 Pixel. Bei FullHD sind es 1920 x 1080 Pixel. Auf der ersten Blick könnte man daher meinen, dass für ein FullHD Bild ein Bildwandler mit 2.073.600 Pixeln ausreichen sollte, um die maximale Bildschärfe des FullHD-Standards ausreizen zu können. Dem ist jedoch nicht so.

Bei Camcordern mit nur einem Bildwandler müssen alle drei Grundfarben auf einem Chip erzeugt werden. Leider kann ein CCD nur Helligkeitsunterschiede, jedoch keine Farbunterschiede wahrnehmen. Wenn nur ein CCD zum Einsatz kommt, wird daher vor jede lichtempfindliche Zelle ein Farbfilter gesetzt. Diese Filter werden als Farbmatrix in der Regel folgendermaßen über den einzelnen Pixeln angeordnet:

Mit einem Bildwandler kann ein Pixel nur entweder einen roten, grünen oder blauen Farbton aufnehmen.

Oftmals werden hierfür auch die Komplementärfarben Magenta, Cyan und Gelb eingesetzt, jedoch spielt dies zum weiteren Verständnis keine Rolle. Wichtig ist jedoch, dass ein einzelnes Pixel nun keine exakte Helligkeitsinformation mehr liefert und eine RGB-Farbinformation erst durch mehrere, nebeneinander liegende Pixel errechnet werden kann. Es geht also Helligkeits- und Farbinformation verloren, weil nicht jeder Pixel eine eigene RGB-Information liefert, sondern nur einen Teil davon.

Aus diesem Grund werden (meist) professionellere Camcorder mit 3 Bildwandlern ausgeliefert. Hierbei wird das Licht über ein Prisma in drei Grundfarben zerlegt, die jeweils auf einen separaten Chip treffen. Dadurch nimmt jeder Chip nur die Helligkeitsinformation einer Grundfarbe (Rot, Grün, Blau) auf.

Bei drei Bildwandlern wird das Bild über ein Prisma in die drei Grundfarben Rot, Grün und Blau zerlegt. Für jede Grundfarbe steht dabei ein eigener Chip zur Verfügung.

Wird diese Information später zusammengerechnet, hat jedes Pixel einen exakten RGB-Wert. Wenn die drei Chips jeweils 2.073.600 Pixel besitzen, kann die komplette FullHD-Auflösung von 1920 x 1080 Pixel ohne Verluste aufgenommen werden. In älteren Camcordern der Consumerklasse finden sich oft auch CCDs mit weniger effektiven Bildpunkten, die sich der so genannten Pixelshift-Technologie bedienen. Dabei wird ein Chip um einen halben Pixel versetzt montiert. In der nachträglichen Zusammenführung der einzelnen Farbsignale kann hieraus die volle Luminanz-Auflösung errechnet werden. Da alle gängigen Videoformate maximal die halbe Chrominanz-Auflösung besitzen, fällt die Verschiebung einer Farbe um einen halben Pixel nicht ins Gewicht. In der Praxis zeigt sich jedoch, dass die Pixelshift-Technologie niemals die Schärfe einer echten 3-CCD-Konstruktion mit 3 x 2.073.600 Pixel erreicht hat.Mittlerweile verkehrt sich diese Problematik jedoch ins Gegenteil. So besitzen die meistens aktuellen Geräte weit mehr als 2 Mio Pixel, was ganz andere Probleme mit sich bringt, die wir später erörtern wollen.

Wir wollen noch kurz die Frage anreissen, wie viele Pixel ein 1-Chip-Camcorder theoretisch besitzen muss, damit dieser eine optimale FullHD-Qualität erreichen kann. Diese Frage ist leider nicht so leicht zu beantworten, weil diese Summe von vielen Faktoren abhängt. Beispielsweise spielt die Anordnung der Pixel auf dem CMOS eine wichtige Rolle. Auch die Art der Interpolation ist für die Qualität entscheidend. Man könnte einfach behaupten, dass ein CMOS mit der dreifachen Auflösung (also ca. 6 Megapixel) auf der sicheren Seite wäre. Doch mit einigen Tricks in der Anordnung und Ausnutzung der verringerten Chrominanzauflösung könnten auch Modelle mit deutlich weniger Pixeln die optimale FulHD-Qualität erreichen. Und umgekehrt schaden zu viele Pixel auch der Bildqualität meistens sichtbar. Denn beim Herunterskalieren auf die FullHD-Auflösung entstehen oft sichtbare Moires bzw. AliasingArtefakte.

Auch wird oft nur ein Teil der existieren Pixel für die Videoaufnahme genutzt. Die restlichen Pixel stehen dabei meistens nur für Fotofunktionen oder einen elektronischen Bildstabilisator zur Verfügung. Dies bringt dann weitere Nachteile mit sich. Erstens wird durch die kleinere Chipfläche der Weitwinkel auch geringer und zweitens sind die einzelnen Pixel auf dem Bildwandler so klein, dass die Lichtempfindlichkeit darunter leidet.

Unsere aktuelle Erfahrung (Stand Ende 2009) ist zumindest die, dass die schärfsten HD-Camcorder ohne Aliasing-Artefakten in unserem Testlabor immer die waren, deren Pixelanzahl 3x2 Mpix(3 Chipper), bzw. zwischen 2-und 3 Mpix (Einhipper) betrug.