Meinung: Gewachsen, um zu schrumpfen - werden Cine-Sensoren bald kleiner?

11.12.2023 von Rudi Schmidts



Wer sich schon länger ernsthaft mit der Filmerei beschäftigt, kennt wahrscheinlich nur DIE eine Wahrheit: Ausschließlich große Sensoren versprechen eine wirklich hochqualitative Bildreproduktion. So gab es seit dem Beginn der digitalen Cinematographie vor rund 15 Jahren in professionellen Kameras praktisch keine Sensoren unter den Abmessungen von S35/APS-C, also sagen wir mal mit mehr als 22 mm Breite. Semiprofessionell ging eventuell noch MicroFourThirds (MFT) durch (ca. 18mm Breite). Doch der Rest aus dem mittlerweile stark ausgedünnten Broadcast- oder Camcorder-Bereich lag mit seinen Sensor-Abmessungen stets deutlich darunter. Wer bis zum heutigen Tage cinematische Bildqualität erzielen will, fordert praktisch immer einen S35-Sensor oder Größeres - da gibt es grundsätzlich wenig Diskussion.

Kein Kino ohne großen Sensor?

Doch viele Gründe für einen größeren Sensor verloren in der letzten Zeit stark an Bedeutung. Zwar korreliert die Sensorgröße mit wichtigen Qualitätsaspekten wie der Dynamik (und damit verbunden mit der Low Light-Fähigkeit und dem Bildrauschen) oder auch mit ästhetischen Gestaltungsmöglichkeiten wie der Schärfentiefe und dem Bokeh.

Doch die synthetische Simulation von all diesen Qualitätsmerkmalen erlangt (vor allem durch neue KI-Algorithmen) mittlerweile eine Qualität, die sich von der "echten" Qualität kaum noch unterscheiden lässt. Sei es in der Postproduktion oder sogar schon in der Kamera.

Dynamik und Rolling Shutter

Zudem haben große Bildsensoren nicht nur Vorteile. So geht mit ihnen meist eine ziemlich behäbige Auslesegeschwindigkeit einher, die sich in langen Rolling Shutter Zeiten niederschlägt. Um diese signifikant zu verkürzen, muss der Sensor sehr aufwändig gekühlt werden. Und so kommt es, dass sich die teuersten Cine-Kameras nicht nur in ihrer Dynamik, sondern auch durch eine sehr aufwändige Sensor-Kühlung von ihren semiprofessionellen Geschwistern unterscheiden.

Ein State-of-The-Art Cine-Sensor kann mehr als 14 Blendenstufen Dynamik liefern, was jedoch auch bedeutet, dass der Sensor hierfür mit mehr als 14 Bit Datenbreite ausgelesen werden muss. Dies sorgt wiederum für ein stark erhöhtes Datenaufkommen, das seinerseits beim Transport für zusätzliche Wärme sorgt - die entsprechend effektiv gemanagt sein will.

Und natürlich erhitzt sich bei solchen "Datenbreiten" auch der Sensor selbst stärker - signifikant stärker als ein Smartphonesensor mit sehr kleinen Senseln. Doch warum eigentlich? Wir versuchen uns an einer leicht verständlichen, wenn auch nicht im Detail korrekten Erklärung:

Großer Sensor, große Hitze

Die einzelnen Photozellen, also Sensel (bzw. nicht ganz korrekt "Pixel") eines Sensors sammeln zwischen zwei Auslesephasen Photonen ein und senden diese in jeder Auslesephane gesammelt als Elektronen weiter (an einen Analog/Digital-Wandler). Diese Elektronen verursachen einen ständigen Stromfluss, der natürlich mit der Wärme korreliert.

Nun hat jeder Sensel einen Sättigungsbereich, den sogenannten FullWell und je größer dieser ist, desto mehr Elektronen können in einem Sensor "fließen". Größere Sensel haben einen deutlich größeren FullWell, also eine höhere Sättigungsgrenze und können damit mehr Licht (Photonen) aufnehmen, bevor sie clippen (also überfüllt sind). Als Daumenregel kann dabei gelten, eine doppelt so große Senselfläche bedeutet auch den doppelten FullWell, also doppelte Elektronenzahl für die Sättigung. Zufälligerweise entspricht der doppelte FullWell auch einer Blendenstufe Dynamik in den Lichtern.

Jede Blendenstufe im Full Well verdoppelt darum die fließenden Photonen/Elektronen. Der Elektronenfluss steigt also mit der Lichtempfindlichkeit exponentiell an. Seit Corona ist vielleicht mehr Anwendern bewusst, was ein solcher Anstieg bedeutet. Wenn ein Sensel doppelt so viele Photonen sammeln kann, bevor es clippt, werden dadurch auch entsprechend doppelt so viele Elektronen in den AD-Wandler und sorgen dort bei der Wandlung für signifikant mehr Hitze.

Kleinere Sensoren erhitzen sich nicht so stark
Kleinere Sensoren erhitzen sich nicht so stark

Auch wenn die Erklärung an einigen Stellen hinkt, darf man grundsätzlich behaupten: Kleinere Sensel clippen schneller in den Highlights, aber werden auch nicht so heiß und können somit auch in einem Smartphone ohne Lüftungsschlitze arbeiten. All dies ermöglicht in der Essenz, dass kleine Sensoren schneller ausgelesen werden können und darum auch geringere Rolling Shutter Zeiten aufweisen.

Kurzer Rolling Shutter - mehr Dynamik?

Doch was hat man von schnelleren Rolling Shutter Zeiten? Schließlich scheinen professionelle Anwender ja bereits mit 8 Millisekunden vollends zufrieden zu sein. Die Antwort findet sich in den erweiterten Möglichkeiten durch die Computational Cinematographie.

Ein extrem schnelles Auslesen des Sensors, sehr kurz hintereinander (mit unterschiedlichen Shutter Zeiten) kann beispielsweise die Dynamik signifikant erhöhen. Sofern die dadurch vergrößerten Datenmengen auch intern weggeschrieben oder anders weiterverarbeitet werden können, lässt sich auf diesem "computational" Entwicklungspfad wohl in Zukunft noch deutlich mehr Dynamik gewinnen, als man noch durch eine Verbesserung von klassischen Sensordesigns erwarten kann.

Mögliche Entwicklungsrichtung der Zukunft - Mehrfachbelichtung

Anders formuliert: Um weiter signifikante Dynamik Gewinne in den nächsten Kamera-Generationen zu erzielen, können die Hersteller nicht mehr auf die klassische Weiterentwicklung von gängigen Sensor-Designs setzen. Denn diese sind nahezu "ausentwickelt". Die Zugewinne an RAW-Dynamik wurden zwischen den letzten Generationen schon immer geringer.

Stattdessen wird man sich auf eine Mehrfachauslesung konzentrieren, was jedoch mit kleineren Sensoren viel effektiver funktioniert. Außerdem benötigt man hierfür extreme Signalverarbeitungsleistung. Diese lässt sich schon heute in vielen Smartphones günstig abrufen, da diese mit bis bis zu 3nm Fertigungsdichte extrem viel Verarbeitungsleistung in kleinsten, stromsparenden Chips unterbringen können, die in extrem hohen Stückzahlen produziert werden. Herkömmliche Kamera DSPs (als ASIC und FPGA) werden jedoch noch in viel größeren Fertigungsverfahren in relativ kleinen Stückzahlen produziert und benötigen daher für vergleichbare Signalverarbeitung-Tricks deutlich mehr Strom.

Natürlich gibt es keine sichere Prognose, aber es könnte durchaus denkbar sein, dass wir aus den genannten Gründen in naher Zukunft auch professionelle Kameras sehen werden, die kleinere Sensoren mit sehr schnellen Auslesemöglichkeiten bieten werden. Dass dieser Weg bei klassischen Smartphones bereits eingeschlagen wurde, ist offensichtlich. Allerdings könnte eine Reaktion der professionellen Kamera Hersteller ebenfalls ein Weg in diese Richtung werden.

   


Kommentare lesen/schreiben

 

Top