Château de Boulogne in der Morgendämmerung. Die niedrige Bildgröße für die Web-Darstellung offenbart noch nicht, welches Potential für mehr Details in der Aufnahme mit Pixel Shift Resolution steckt |
Unter der virtuellen Lupe (4:1) wird es deutlich: die Pixel Shift Aufnahme (links) liefert sichtbar mehr Zeichnung und Schärfe |
Mit der Pixel Shift Resolution machte ich erstmals im letzten Jahr beim Testen der PENTAX K-3 II Bekanntschaft. Schon damals war ich recht beeindruckt, wie sich das Auflösungsvermögen verbessern kann bzw. ein Mehr an Details möglich ist, wenn die Rahmenbedingungen für Pixel Shift stimmen. Um so mehr war ich gespannt, wie sich dieses Feature auf die 36 Megapixel der neuen PENTAX K-1 positiv auswirken kann.
Der Artikel wird ein wenig länger als sonst, daher erst einmal ein kleiner Überblick, was erwartet werden darf. Um das Prinzip der Pixel Shift Technologie und auch deren Grenzen zu verstehen, möchte ich zunächst ein paar Grundlagen und das Funktionsprinzip zusammenfassen - zumindest so, wie ich als Laie glaube, die Technik verstanden zu haben. Das Grundverständnis ist wichtig, um die Einschränkungen von Pixel Shift zu akzeptieren und die Erwartungshaltung realistisch zu halten. Danach kommen einige Bildbeispiele um zu zeigen, was alles geht. Und was weniger gut geht. Dazu folgen ein paar Hinweise zur manuellen Retusche bevor das unvermeidliche persönliche Fazit den Text abschließt.
Rot-Grün-Blau ist alle Theorie
Die Ricoh Ingenieure haben sich nun den Aufbau des Fotosensors und der beweglichen Sensoraufhängung zu Nutze gemacht, um die RGB Farbinformationen nicht allein über Interpolation benachbarter Pixel abzuleiten, sondern direkt an einem Ort auszulesen. Die Kamera nimmt bei aktivierter Pixel Shift Resolution Funktion vier Bilder am Stück auf und verschiebt dabei pro Aufnahme den Sensor in der Kamera um je einen Pixel im Quadrat. Somit kann pro Bildpunkt ein roter, ein blauer und zwei grüne Pixel direkt ausgelesen werden. Die absolute Bildgröße der Aufnahme bleibt also gleich, aber die gewonnene Farbinformation pro Punkt wird genauer, das Bildergebnis insgesamt präziser, kurzum die Auflösung steigt. Wer eine ausführlichere Beschreibung zur Funktionsweise sucht, den empfehle ich den Artikel Exploring the K-3 II's "Pixel Shift Resolution" mode im Online-Magazin Imaging Resource. Auch finde ich die Beschreibung und insbesondere die Bebilderung der getrennten Aufnahmen für die RGB Farbinformationen auf den Ricoh Produktseiten sehr erhellend.
Ohne geht’s nicht: Pixels Shift Resolution erfordert eine stabile Auflage, am Besten ein robustes Stativ |
So weit, so gut. Damit die Umsetzung in der Praxis gelingt, sind einige Rahmenbedingungen zu beachten, die sich aus der Pixel Shift Funktionsweise zwingend ableiten. Da mehrere Aufnahmen zeitlich versetzt entstehen, dürfen offensichtlich keinerlei Bewegungen auftreten - weder bei der Kamera noch im abgelichteten Motiv. Es liegt auf der Hand, dass bei einer viermaligen, pixel-genauen Verschiebung des Sensors zur Messung eines Bildpunktes keinerlei Erschütterungen der Kamera stören dürfen. Damit wird der Einsatz eines stabilen Stativs oder sonstige Ablage zur Pflicht.
Bildbeispiele
Erfreulicherweise geht der Export auch in der Stapelverarbeitung für mehrere Bilder auf einmal. Zu mehr mochte ich DCU auch nicht verwenden, es ist einfach zu schwerfällig (zumindest für meinen zwei Jahre alten i7 PC), und die Bedienoberfläche wirkt wenig einladend. Die exportierten TIFFs mit und ohne Pixel Shift wurden in Lightroom importiert und in der Vergleichsansicht in 4:1 (also als 400% Crop) gegenübergestellt, um die Unterschiede plakativ darstellen zu können. Zusätzlich habe ich für einige Crops die Bilder in Schwarz-Weiß gewandelt und die Klarheit in Lightroom auf den maximalen Wert geregelt, um die Unterschiede noch besser abgrenzen zu können.
Das erste Beispiel zeigt zwei Fotos von Le Bosquet, einem alten, charmanten Landgut aus dem 18. Jahrhundert in Südfrankreich. An dem Tag war es fast windstill und die Kamera fest auf einem Stativ verankert. Zusätzlich hatte ich das Glück, dass die Katze im Eingangstor während des Auslösens in Schockstarre verharrte. Insbesondere feine Strukturen im Bild wie das Fell der Katze, das Mauerwerk, Gräser oder aber auch das Netz des Basketballkorbs konnten in der Pixel Shift Aufnahme von mehr Zeichnung und Details profitieren.
Das nächste Beispiel zeigt eine klassische Landschaftsaufnahme im Massiv der Monts Dore (Les Roches Tuilière et Sanadoire - ohne die GPS Funktion der K-1 hätte ich wohl nicht mehr den genauen Ort nachträglich bestimmen können). Hier lag die Kamera auf einer Mauer und wurde mit 2-Sekunden Selbstauslöser und Pixel Shift ausgelöst.
Zum Zeitpunkt der Aufnahme wehte eine sehr leichte Brise. Der Wind konnte die Aufnahme aber nicht stören, da die abgebildeten Wälder in sehr weiter Entfernung lagen und somit etwaige Bewegungen von Blättern oder Ästen sich nicht auswirken konnten. Das Foto wirkt auf mich insbesondere als Panorama, so dass ich das Ausgangsbild sehr stark beschnitten und damit bewusst auf viele Megapixel "verzichtet" habe. Hier verschafft Pixel Shift eine Reserve, so dass die verbliebenen Megapixel ein Optimum an Details liefern können.
Eine weitere vorteilhafte Situation für Pixel Shift sind Architekturaufnahmen, da Gebäude in der Regel still stehen bleiben. Das Motiv zeigt adrette Dächer und Häuserfronten von Balazuc, einem 350-Seelen Dorf an der Ardèche. Hier schafft es die Pixel Shift Resolution beispielsweise die Ziffern in der Kirchturmuhr ein wenig deutlicher herauszuarbeiten.
Bewegen verboten
Wie oben angeklungen muss für den Erfolg von Pixel Shift das Bildmotiv mitspielen und sollte schön ruhig halten, da es ansonsten zu Geisterbildern und Bewegungsartefakten in Form von Karo-Mustern bzw. "Reißverschlüssen" (Zipper) kommen kann, wenn die vier Aufnahmen zu einer verrechnet werden. In der Natur halten sich leider bereits Bäume und Sträucher bei leichter Brise nicht immer an diese Vorgabe, ebenso wenig wie Vögel im Flug, fließendes Wasser oder vorbeiziehende Wolken, um prominente Störelemente für Landschaftsaufnahmen aufzuzählen.
Um dennoch Pixel Shift mehr oder weniger sorgenfrei anwenden zu können, bieten Kamera und Bildbearbeitungsprogramme wie DCU oder auch die Open-Source Lösung dcrawps eine automatische Bewegungskorrektur. Lightroom 6 habe ich übrigens genau deswegen (noch) nicht für die Pixel Shift Entwicklung genutzt, weil das Adobe Produkt hier wohl noch einigen Nachholbedarf hat (und mir auch die Zeit zur Evaluierung fehlte). Bei PENTAX heißt der Versuch zur automatischen Korrektur von Bewegungsartefakten Motion Correction (kurz MC). Hier dürfen aber keine Wunder erwartet werden. Wer genau hinschaut, wird zumindest bei Fotos in der Natur immer mal wieder Karos bzw. Zipper in Blattwerk entdecken können, besonders wenn das Grün in naher oder mittlerer Entfernung liegt.
Das folgende Beispiel zeigt die Stadtansicht von Vollore Ville im Naturpark Livradois-Forez in Südfrankreich. Wie gehabt profitieren die statischen Bildelemente von der Pixel Shift Resolution, während im Blätterwald erste störende Karos zu entdecken sind, die die Bewegungskorrektur nicht auffangen konnte. Sie halten sich aber noch stark in Grenzen, insgesamt hat MC hier einen guten Job gemacht.
Bei der folgenden Aufnahme mit fließendem Wasser hat die Korrektur ebenfalls gut funktioniert. In der Vergleichsaufnahme ist links MC aktiviert, während rechts die Pixel Shift Aufnahme ohne Bewegungskorrektur deutliche Karo Artefakte zeigt.
Aus meiner Sicht ist es gerade bei aktivierter Pixel Shift Auflösung sehr wichtig, nicht allein im JPEG Format zu fotografieren, sondern immer (auch) in einem Rohdaten-Format (PEF, DNG). Nur dies ermöglicht eine nachträgliche, manuelle Retusche. Das Raw speichert alle vier Bilder der Pixel Shift Aufnahme in einer einzigen Datei ab, bildet also einer Art Container. Im Notfall kann dann immer auch ein einzelnes Bild ohne Pixel Shift Verrechnung aus dem Raw-Container extrahiert werden, eben als ob es sich um eine konventionelle Einzelaufnahme handelt. Damit steht immer ein Backup zur Verfügung, falls die Pixel Shift Aufnahme aufgrund von Verwacklungen doch insgesamt unbrauchbar geworden ist.
Die nächste Landschaftsaufnahme mit Blick von Château d'Arlempdes hinunter auf die Loire entstand, indem die Kamera auf eine Mauer schräg aufgelegt und mit der Hand scheinbar stabilisiert wurde - allerdings nicht ausreichend genug, wie der erste Vergleich mit und ohne aktivierter Bewegungskorrektur zeigt. Offenbar war die Verwacklung zwischen den vier Bildern der Pixel Shift Aufnahme stark genug, um das Kirchengemäuer deutlich zu erschüttern. Dies wurde aber dennoch nicht von der Bewegungskorrektur erkannt. Der zweite Vergleich mit einer extrahierten Einzelaufnahme zeigt jedoch, dass die Verschlusszeit von 1/50s allein ausreichend kurz für ein scharfes Foto war.
Zur Verdeutlichung des Ausmaßes der Störung im Gesamtbild möchte ich einen kurzen Exkurs einlegen und auf das Open-Source Kommandozeilen-Werkzeug dcrawps (Download für Windows) als alternatives Werkzeug zum Entwickeln von Pixel Shift Aufnahmen eingehen. Das Programm kann als zusätzliche Option kritische Bereiche lilafarben markieren. Dazu nutzt es den Umstand, dass für den Grün-Anteil eines Pixel zwei Messungen bei der Pixel Shift Aufnahme durchgeführt wurden. Bei perfekt statischen Bedingungen müssten die Helligkeitswerte der paarweisen Pixel bezüglich des Grün-Anteils gleich sein. Weichen die Werte ab, muss eine Veränderung vorliegen. Wie hoch die Abweichung sein muss, um als unerwünschte Bewegung interpretiert zu werden, ist als Schwellwert in dcrawps einstellbar. Das ist ein Vorteil gegenüber DCU oder der Kamera selbst, wo keine Anpassung der Empfindlichkeit für die Bewegungskorrektur möglich ist. Der Nachteil des Verfahrens: er bezieht sich ausschließlich auf einen Farbkanal.
Wie dcrawps funktioniert, habe ich übrigens erst in diesem erhellenden Post auf Pentaxforums.com gefunden. Im Beispiel von Château d'Arlempdes spricht die lila Einfärbung klar dafür, die verunglückte Pixel Shift Aufnahme fallen zu lassen und sich mit einer Einzelaufnahme zu begnügen. Glücklich, wer in so einer Situation im Raw Format fotografiert, um zumindest noch eine normale Aufnahme retten zu können (oder neben Pixel Shift zur Sicherheit eine normale Aufnahme gemacht hat).
Vereinzelt habe ich an der ein oder anderern Stelle im Netz und auch Fachzeitschriften gelesen, dass Pixel Shift Aufnahmen aus der Hand gelingen können. Für meine Hand kann ich eindeutig feststellen: nicht möglich. Mir fehlt auch die Fantasie zu glauben, wie es klappen soll, eine Kamera über mehr als eine Sekunde lang pixel-genau ohne SR Unterstützung still halten zu können. Was mir aber bei meinen Freihand-Versuchen gelang, war insgesamt so stark zu verwackeln, dass die Bewegungskorrektur fast jeden Bereich als gestört erkannt und entsprechend alles korrigiert hat, so dass am Ende von den vier internen Aufnamen im Grunde nur noch eins in das Bildergebnis wirksam einging. Faktisch gibt es dann keinen Unterschied zu einer Einzelaufnahme ohne Pixel Shift.
Folgendes Foto der Église Saint-Loup im kleinen französischen Dorf Mercuer dokumentiert so einen "Erfolg". Verdächtig ist bereits die Gegenüberstellung der Pixel Shift Aufnahme mit Bewegungskorrektur und ohne Pixel Shift, die gleich scharf aussehen. Die Entwicklung ohne Bewegungskorrektur bzw. die Analyse mit dcrawps offenbart dann, dass eine Einzelaufnahme zwar beeindruckend scharf, die Pixel Shift Aufnahme aus der Hand aber hoffnungslos verwackelt war.
Retuschieren erlaubt
Wenn nun trotz automatischer Korrektur störende Bewegungsartefakte in einer Aufnahme vorhanden, aber überschaubar und wenig verteilt sind (z.B. Wasser), lohnt sich eventuell eine manuelle Retusche. Diese muss gar nicht mal so kompliziert sein. Ausgangspunkt ist erneut die Raw-Datei, aus der zuerst (bspw. mit DCU wie oben beschrieben) neben der Pixel Shift Variante auch ein Bild ohne Pixel Shift Verrechnung extrahiert wird. In einem beliebigen Grafikprogramm mit Ebenen können dann die kritischen Bereiche in der Pixel Shift Aufnahme als obere Ebene gezielt retuschiert werden, in dem sie einfach transparent radiert werden, so dass die Aufnahme ohne Pixel Shift in der unteren Ebene durchscheint.
Das folgende Foto vom Rozenhoedkaai in der belgischen Stadt Brügge wurde so in kürzester Zeit retuschiert, indem einfach die gesamte, von der Bewegungskorrektur weichgespülte Wasserfläche mit der der normalen Einzelaufnahme ohne Pixel Shift ersetzt wurde. Das fertige Bild habe ich dann wieder als TIFF exportiert und in Lightroom endgültig bearbeitet. Zunächst aber einmal wieder der Vergleich Mit-Pixel-Shift versus Ohne-Pixel-Shift, um zu zeigen, dass sich die Retusche für dieses Bild auch gelohnt hat, da die nicht beweglichen Bildteile erneut deutlich mehr Details zeigen. Dagegen sind Wasseroberfläche und insbesondere der Schwan durch die Pixel Shift Bewegungskorrektur verschlimmbessert worden.
Anhand der freien und sehr populären Bildverarbeitung GIMP möchte ich kurz die manuelle Retusche skizzieren. Die ist als Anregung zu verstehen, es einmal selbst zu probieren und zu erfahren, wie einfach und effizient ein solches Bild gerettet werden kann. Über "File > Open as Layers ..." werden die aus DCU exportierten TIFFs für Pixel Shift mit MC sowie ohne Pixel Shift als Ebenen in ein neues Bild geladen. Im oberen Layer mit dem Pixel Shift Foto wird der Alpha-Kanal aktiviert ("Add Alpha Channel"). Nun können über den Radierer kritische Bereiche ausradiert werden, so dass das Bild ohne Pixel Shift aus dem unteren Layer als Korrektur durchscheint. Im GIMP Screenshot unten wurde zunächst der Kopf des Schwan sowie zur Verdeutlichung eine senkrechte Linie im Wasser korrigiert. In der endgültigen Bearbeitung habe ich einfach großzügig die gesamte Wasserfläche im Pixel Shift Bild weggepinselt und mit der intakten Struktur des Wassers der Ohne-Pixel-Shift-Aufnahme ersetzt.
Keine Angst vor Bildrauschen
Pixel Shift hat noch einen angenehmen Nebeneffekt. Das Bildrauschen wird bei Aufnahmen mit hohen ISO Werten gemildert und der Kontrastumfang steigt gegenüber einer herkömmlichen High-ISO Aufnahme. Das ist nicht so überraschend, da auch andere Kamera-Hersteller Mehrfachbelichtungen nutzen, um das Bildrauschen als zufällige Pixel-Streuung in einem gewissen Grad herausrechnen zu können. Sony nennt dies bspw. Multi Frame Noise Reduction und Canon Mulit-Shot Noise Reduction. Dieses Prinzip kann auch manuell in der Bildbearbeitung angewandt werden, in dem die verschiedenen Belichtungen als einzelne Ebenen importiert und in unterschiedlichen Transparenz-Einstellungen überblendet werden (Image Averaging). Für Pixel Shift ist der Effekt der Rauschreduzierung quasi eine positive Begleiterscheinung.
Für mich persönlich hat sich allerdings noch keine Anwendungsfall in der Praxis erschlossen, da ich bei Pixel Shift statische, bewegungslose Motive fotografieren muss, die in der Regel dann auch längere Belichtungszeiten bei geringeren ISO Werten vertragen können.
Mein Fazit
Aus technischer Sicht finde ich die Pixel Shift Resolution faszinierend. Sie zeigt den Erfindungsreichtum der Ricoh Ingenieure, neben der klassischen Bildstabilisation immer wieder neue Funktionen (Horizont-Korrektur, Astro-Tracer, Anti-Aliasing-Filter) aus der beweglichen Sensor-Einheit ableiten zu können. Sofern die Rahmenbedingungen der Unbeweglichkeit von Motiv und Kamera stimmen, sind die Ergebnisse unter der virtuellen Lupe für die Pixel-Peeper unter uns sehr beeindruckend. Wer den Sinn von Pixel Shift in Frage stellt, weil dieser sich sicher in Grenzbereichen abspielt, kann auch den Sinn von 36 Megapixel in Frage stellen. Klar, für die Full-HD oder 4K Darstellung auf einem TV oder Monitor oder einem einfachen Abzug auf 13x18 Papier oder in einem Fotobuch benötigt man keine so hohe Bildgröße - und dann bringt auch eine Verbesserung der Auflösung durch Pixel Shift nichts, wenn eh für das Ausgabemedium drastisch herunter skaliert wird. Wenn man ehrlich ist, reichen dann bereits weniger als 10 Megapixel. Die Frage ist aus meiner Sicht wie immer der Anwendungsfall. Man erhält eben zusätzliche Spielräume, egal ob durch steigende Bilgröße im Allgemeinen oder durch Steigerung der Auflösung durch Pixel Shift Resolution im Besonderen.
Was ich persönlich an der K-1 zu schätzen gelernt habe, ist die Möglichkeit den Bildausschnitt später am Rechner zu bestimmen und das Bild deutlich zu beschneiden. So, als ob ich mit einer Kamera mit einem höheren Crop-Faktor fotografiere. Das muss nichts mit mangelnder Sorgfalt bei der Bildkomposition zu tun haben, ganz im Gegenteil, so etwas kann bereits bei der Aufnahme bewusst entschieden werden. Das Fotografieren im 1,5er Crop Modus der K-1 ist ein konkretes Beispiel, oder die Kompensation einer fehlenden Tele-Brennweite. Dann helfen sowohl 36 Megapixel Auflösung als auch Pixel Shift zur Steigerung der verbliebenen Auflösung.
Pixel Shift ist eine Option für Perfektionisten, die unter statischen Bedingungen ein optimales Bildergebnis haben wollen, soweit es die vorgeschaltete Optik erlaubt. Pixel Shift erweitert die fotografischen Möglichkeiten. Aber die Bedingungen müssen stimmen. Eine sorgenfreie Anwendung an der freien Luft ist sicherlich nicht gegeben, aber Sorgfalt und manuelle Nachbereitung kann das Bildergebnis im Vergleich zur Aufnahme ohne Pixel Shift aufwerten. Ob sich der zeitliche Mehraufwand bei der Aufnahme und in der Nachbearbeitung am Rechner lohnt, ist in erster Linie vom geplanten Verwendungszweck der Bilder abhängig - und von der Freude an einem technisch möglichst perfekten Foto. Ein typisches Anwendungsfeld ist sicherlich die Produktfotografie, einen interessanten Erfahrungsbericht liefert hier der Artikel Pixel Shift in the Studio.
Mein persönliches Fazit? Ich verbuche die Pixel Shift Funktion als Gewinn, die mich technisch fasziniert und zum Charakter der K-1 als stilles, präzises Werkzeug für höchste Bildqualität passt. Pixel Shift ist keine Vollautomatik für bessere Bilder, sondern sie Bedarf der Auswahl der richtigen Aufnahmesituation, sorgfältiger Ausführung und Geduld. Dann belohnt sie mit besserer Detailauflösung und leichtem Aha-Effekt, wohl wissend dass dieser Vorteil auch nur dann sichtbar wird, wenn das Ausgabemedium diese Auflösung erfordert.
Hallo Dirk,
AntwortenLöschensehr gut geschriebener, aufwendig erstellter Artikel, gefällt mir sehr gut und motiviert mich zusätzlich, wieder mehr mit Pixelshift zu fotografieren!
Vielen Dank fürs Teilen auf www.pentaxians.de ! :)
Viele Grüße
Frank
Gerne geschehen :-) Und vielen Dank für Deinen netten Kommentar! Bis bald mal wieder.
AntwortenLöschenHallo Dirk,
AntwortenLöschenvielen Dank für den ausführlichen und aufschlussreichen Test.
Ich bin gerade dabei pixelshift support in RawTherapee zu implementieren.
Aktuell bin ich soweit, dass RawTherapee jeden einzelnen frame einer pixelshift-Aufnahme und auch die Kombination der 4 frames anzeigen und exportieren kann. Bewegungserkennung ist auch in Planung. Vorher sind aber noch einige andere Sachen zu lösen. Daher meine Frage: Wärest Du bereit pixelshift raw Dateien zur Verfügung zu stellen um die Entwicklung zu unterstützen?
Falls Interesse deinerseits besteht, hier 2 links zum aktuellen Stand:
https://discuss.pixls.us/t/support-for-pef-dng-from-pentax-k-70-and-pixel-shift-resolution/2560
https://github.com/Beep6581/RawTherapee/issues/3489
Viele Grüße, Ingo
Vielen Dank. Cool, wenn der Beitrag so helfen kann. Schick mir doch mal eine "klassische" Mail an ishootpef@ardesco.de und ich schaue mal, was ich noch an Pixel Shift raws auf der Platte habe. VG Dirk
LöschenHallo Dirk!
AntwortenLöschenInteressanter Artikel, der mich bezüglich PixelShift, mit dem ich mich bisher kaum beschäftigt habe, weiter bringt.
Ich lese hier immer wieder gerne mit. Danke für deine Mühe und den Aufwand, den du betreibst.