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Apropos Multishot

Die Multishot-Technik zur Auflösungsvergrößerung hatte ich letzte Woche im Zusammenhang mit der Fuji X-H2 erwähnt, aber es gibt sie in verschiedenen Varianten schon seit mehr als zehn Jahren.

Zum ersten Mal hörte ich von Multishot, während ich Redakteur von Hasselblads Kundenmagazin Victor by Hasselblad war. Hasselblad war ein Pionier dieser Methode, Bilder mit höherer Auflösung als der ihres Sensors aufzuzeichnen. Mit einem Multishot-Rückteil an einer Hasselblad-DSLR wurden aus 50 Megapixel 200 und aus 100 Megapixeln 400. Dabei war der verwendete Mechanismus, mit dem der Sensor um wenige Mikrometer verschoben werden konnte, noch relativ voluminös. Olympus und Pentax begannen ein paar Jahre später, den zum Zweck der Bildstabilisierung ohnehin verschiebbaren Sensor auch für einen Multishot-Modus zu nutzen – die nötige Hardware war bereits vorhanden, so dass die Verwirklichung dieses Features nur noch eine Sache der Firmware war. Sony, Panasonic, Leica und Fuji zogen später nach.

Apropos Multishot
Die Hasselblad H6D 400C MS kann mit einem 100-Megapixel-Sensor Bilder mit 400 Megapixeln aufnehmen. (Quelle: Hasselblad)

In der konkreten Realisierung des Multishot-Modus unterscheiden sich die Ansätze der verschiedenen Hersteller. Die ersten Multishot-Kameras begnügten sich mit Verschiebungen um jeweils eine ganze Pixelbreite oder -höhe. Mit vier Aufnahmen war es dann möglich – einen Sensor mit Bayer-Filtermuster vorausgesetzt –, jeden Bildpunkt mit je einem rot- und blauempfindlichen und zwei grünempfindlichen Sensorpixeln abzutasten, so dass man am Ende für jedes Bildpixel über alle Farbinformationen verfügt. Der Sensor liefert ja nur eine RGB-Komponente pro Pixel; die übrigen beiden Farben müssen normalerweise aus Nachbarpixeln interpoliert werden. Dank Multishot kann die Interpolation wegfallen, und so entsteht ein Bild, das zwar nicht mehr Pixel als ein im Singleshot-Modus aufgenommenes Foto enthält, Details aber viel besser und farbgetreuer auflöst. Die effektive Auflösung entspricht dann annähernd der eines Sensors mit doppelter Pixelzahl. Die erreichbare Auflösung wird ja generell durch die Zahl der grünempfindlichen Pixel bestimmt, die beim Bayer-Filtermuster 50 Prozent ausmachen, und mit Multishot sind effektiv alle Pixel grünempfindlich, also doppelt so viele.

Um die Auflösung noch weiter zu vergrößern, kann man weitere Bilder aufnehmen, bei denen der Sensor um halbe Pixelbreiten oder -höhen verschoben ist. Hasselblad begnügt sich mit zwei weiteren (also insgesamt sechs) Belichtungen, für die der Sensor je einmal waagerecht und senkrecht um ein halbes Pixel verschoben wird. Olympus-Kameras (jetzt von OM Digital Solutions) nehmen acht Bilder auf und Sony sogar 16, um alle Kombinationen von waage- und senkrechten Verschiebungen zu realisieren. Auch Fuji handhabt es so – im Mittelformatsystem GFX, während die X-H2 mit dem komplexeren X-Trans-Farbfiltermuster 20 Aufnahmen benötigt.

Durch die Verschiebungen in halben Pixelschritten wird ein Sensor mit der vierfachen Pixelzahl simuliert, um ein Bild mit der entsprechenden Auflösung zu berechnen. Die Pixel eines so hoch auflösenden Sensors wären allerdings nur ein Viertel so groß, um das optische Bild feiner abzutasten. Während man gröbere Sensorpixel mit der Multishot-Technik in einem ebenso feinen Raster positionieren kann, bleibt ihre Größe unverändert. Beispielsweise werden die 40 Millionen Sensorpixel der Fuji X-H2 an alle Rasterpositionen eines virtuellen 160-Megapixel-Sensors verschoben, aber jedes Sensorpixel erfasst weiterhin 1/40.000.000 statt nur 1/160.000.000 der Bildfläche, also die Fläche von vier virtuellen Pixeln. Gemessen an der vierfachen Auflösung des virtuellen Sensors ist das Ergebnis eine Weichzeichnung, und um aus den weichgezeichneten Aufnahmen ein einziges scharfes Bild mit vergrößerter Auflösung zu berechnen, braucht man einen Superresolution-Algorithmus, der relativ aufwendig ist und daher durchweg auf dem Computer statt bereits in der Kamera ausgeführt wird.

Die Auflösungsvergrößerung per Multishot kann Bildergebnisse zustande bringen, die tatsächlich denen einer Kamera mit doppelter bis vierfacher Megapixelzahl entsprechen – vorausgesetzt, dass sich zwischen den Aufnahmen nichts verändert hat. Weder darf sich die Kamera während der Aufnahmeserie bewegen, noch das Motiv oder der Lichteinfall. Die Montage der Kamera auf ein sehr stabiles, schwingungsfreies Stativ ist dabei nur eine Grundvoraussetzung. Schwieriger ist es, Bewegungen in der fotografierten Szene auszuschließen – etwa bei Landschaftsaufnahmen, wenn der Wind Blätter und Gräser bewegt. Schon minimale Bewegungen von Motiv oder Kamera führen zu hässlichen Artefakten, die sich im Nachhinein nur schwer beseitigen lassen. Dabei wäre es bei der Superresolution durchaus möglich, wenn auch rechenaufwendig, unbeabsichtigte Verschiebungen zu kompensieren. Man könnte beispielsweise das Bild in einzelne Kacheln aufteilen und in jeder davon die zu verrechnenden Einzelbilder zunächst in Subpixelschritten aneinander ausrichten. Die Artefakte entstehen aber bereits im ersten Schritt, in dem je vier (oder für X-Trans-Sensoren fünf) in ganzen Pixelschritten verschobene Aufnahmen zum interpolationsfreien Demosaicing miteinander verrechnet werden, und vor dem Demosaicing wäre eine Feinkorrektur kaum möglich.

Ein Ausweg besteht darin, ein gewöhnliches Demosaicing der einzelnen Bilder durchzuführen, die fehlenden Farbinformationen also wie üblich aus Nachbarpixeln zu interpolieren, und darauf zu setzen, dass ein Superresolution-Verfahren auch aus diesen Bildern immer noch ein effektiv höher auflösendes Bild berechnen kann. Ricoh bietet eine solche Option in der Pentax K-1 II und folgenden Modellen an, aber die Auflösungsvergrößerung ist dann nicht so groß wie beim klassischen Multishot-Verfahren. Ideale Einsatzfälle für Multishot bleiben daher die Still-Life-Fotografie sowie die Reproduktion, etwa von Gemälden, bei denen sich die Gefahr von Artefakten minimieren lässt und diese Technik ihre Stärken ausspielen kann.

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Michael J. Hußmann

Michael J. Hußmann gilt als führender Experte für die Technik von Kameras und Objektiven im deutschsprachigen Raum. Er hat Informatik und Linguistik studiert und für einige Jahre als Wissenschaftler im Bereich der Künstlichen Intelligenz gearbeitet.

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