Kamerasensor Nikon DX

Wissen: Kamerasensoren von Drohnen im Vergleich

Publiziert von Nils Waldmann

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Kamerasensoren spielen eine entscheidende Rolle für die Bildqualität von Drohnenkameras. In diesem Artikel gehen wir auf die verschiedenen Bauarten und Größen von Kamerasensoren ein und erklären dir, worauf es beim Kauf deiner Drohnenkamera ankommt.

Der Fotosensor einer Drohnenkamera ist eine der wichtigsten Komponenten, die großen Einfluss auf die Qualität deiner Luftbildaufnahme hat. Zusammen mit dem verwendeten Objektiv, bestimmt der Kamerasensor, was du deiner Drohne in Sachen Video- und Fotoqualität maximal abverlangen kannst.

Neben dem Kamerasensor hat natürlich auch das verwendete Videoformat und der benutzte Videocode einen Einfluss auf das Ergebnis. Außerdem wird der Look deines Materials durch spezielle Bildfilter, wie ND- oder PL-Filter verbessert.

Was genau macht ein Kamerasensor?

Der Sensor einer Drohnenkamera ist dafür zuständig, das durch das Objektiv einfallende Licht in elektronische Signale umzuwandeln. Diese Signale werden dann von einem DSP (Digital Signal Processor) verarbeitet und durch einen weiteren Chip mit einem Videocodec encodiert.

Je nachdem, wie viele Pixel der Sensor besitzt, fällt auch die maximale Auflösung der aufgenommenen Fotos und Videos auf.

Kamerasensor Nikon DX
Aufnahme von einem „großen“ Nikon DX Format Kamerasensor.

Außerdem spielt die maximale Farbtiefe eines Kamerasensors eine ebenfalls wichtige Rolle. Sie gibt an, wie viele verschiedene Farbabstufungen der Sensor für jedes Pixel verarbeiten kann. Im Normalfall besitzen Kameras eine Farbtiefe von 8 Bit (oder Bit pro Pixel). Kameras, die HDR-Video aufzeichnen können, können mit 10 BPP aufzeichnen. Professionelle Kamerasensoren, erreichen sogar Farbtiefen bis zu 12 Bit. Damit stehen einem dann noch mehr Möglichkeiten für die Post-Production und Farbkorrekturen bereit. Mehr zum Thema Farbtiefe von Drohnenkameras findest du hier.

Bei modernen Drohnen mit fest montierter Kamera sind Kamera und DSP sowie Codec-Chip meist perfekt aufeinander abgestimmt. Es bedeutet aber auch, dass sich die Spezifikationen nicht durch einen Tausch der Kameraeinheit zu einem späteren Zeitpunkt verändern lassen.

Normale Drohnen-Kamerasensoren arbeiten im Bereich des sichtbaren Lichts. Eine andere Art von Drohnenkamera ist die Wärmebildkamera. Alles, was du über Wärmebildkameras für deine Drohne wissen musst, findest du in unserem Guide über Thermal- und IR-Kameras.

Welche Bauarten von Sensoren gibt es?

Generell gibt es zwei verschiedene Bauarten von elektronischen Kamerasensoren: CCD und CMOS. Beide Typen wandeln Photonen in elektrische Signale um. Der einzige Unterschied besteht in der Art und Weise, wie das Auftreffen eines Photons auf den Kamerasensor gehandhabt wird.

Beim CMOS-Sensor (Complementary metal-oxide-semiconductor) besitzt jedes einzelne Pixel (jede einzelne Fotodiode) ihren eigenen Verstärker. Bei CCD-Sensoren (charge-coupled device) gibt es weniger Signalverstärker, die zeilenweise angesteuert werden.

CMOS-Sensoren sind heute in fast allen elektronischen Geräten mit Foto- oder Videofunktion verbaut. Sie lassen sich deutlich kostengünstiger herstellen, als CCD-Sensoren. CCD-Sensoren werden jedoch weiterhin in Kameras mit sehr hohen Qualitätsansprüchen, wie bei der TV-Übertragung verwendet.

Alle modernen Drohnenkameras setzen auf einen CMOS-Sensor, da CCD-Sensoren im Normalfall deutlich schwerer und aufwendiger anzusteuern sind. Darüber hinaus spielt auch der Energieverbrauch eine wichtige Rolle. Mehr zu den unterschiedlichen CMOS-Sensortypen lest ihr weiter unten.

Quad-Bayer-Matrix, RYYB und Co

Mit diversen Entwicklungen auf dem Smartphone-Markt haben auch verschiedene neuere Sensortechnologien Einzug in den Drohnenbereich gehalten. Im Grunde setzen viele Consumer-Kameradrohnen auf die gleichen Sensoren, die sich auch in (hochwertigen) Smartphones finden.

Ein Stichwort, dass dabei öfter genannt wird, sind Kamerasensoren, die nach dem Quad-Bayer-Prinzip arbeiten. Manchmal wird dies auch als Quad Bayer Coding Technologie (QBC) bezeichnet. Diese Art von Fotosensor kann in zwei verschiedenen Modi betrieben werden.

Im sogenannten Pixel Binning Modus werden jeweils vier im Quadrat zusammen liegende Pixel gemeinsam ausgelesen und agieren als „ein großes Pixel“. Das funktioniert, weil der Sensor für jeweils vier Pixel einen gemeinsamen Farbfilter verwendet. Und das ist auch der große Unterschied zu „normalen“ Sensoren, bei dem benachbarte Pixel eigene Filter besitzen. In diesem Modus ist der Sensor deutlich lichtempfindlicher und Aufnahmen rauschen weniger bei geringem Restlicht. Dafür steht dann nur noch ein Viertel der ursprünglichen Auflösung zur Verfügung.

Der Sensor lässt sich aber auch im „normalen“ Modus verwenden. Dann werden alle Pixel einzeln ausgelesen. Da auch hier jeweils vier Pixel eigentlich denselben Farbfilter verwenden, findet ein Prozess statt, den man als „Remosaic“ bezeichnet (auch de-bayer genannt). Dabei wird jedes Pixel nachträglich so behandelt, als hätte es einen eigenen Farbfilter mit jeweils abwechselnden Filtereigenschaften (R, G oder B). In diesem Modus stehen dann die vollen Auflösung zur Verfügung, dafür ist die Lichtempfindlichkeit der Kamera geringer.

RYYB verfolgt einen anderen Ansatz und stellt die Zusammensetzung der Farben gegenüber normalen RGB-Sensoren (Red, Green, Blue) ein wenig auf den Kopf. Die Idee dahinter ist simpel, die Umsetzung nicht. Anstelle eines grünen Farbkanals (G), haben Kamerasensoren mit RYYB-Design zwei gelbe Farbkanäle (Red, Yellow, Yellow, Blue). Die Überlegung: Der Sensor wird durch die gelben Kanäle des Filters lichtempfindlicher.

Die Herausforderung: Die Reproduktion der Farben erfolgt, nicht mehr wie bei RGB durch Addieren der einzelnen Grundfarben, sondern durch ein komplexes Verfahren, bei dem der Rot- und Blaukanal „normal“ ausgelesen werden und die zwei Gelbkanäle lediglich Informationen über die Helligkeitsintensität liefern. Besonders die Reproduktion grüner Farben ist bei RYYB herausfordernd. In der Praxis erreichen RYYB dafür sehr hohe Sensorempfindlichkeiten bei vergleichsweiser kleiner Sensorfläche.

Warum ist die Größe des Kamerasensors wichtig?

Unabhängig vom Typ werden Kamerasensoren in unterschiedlichen Größen eingesetzt. Die Größe wird meist in Zoll angegeben und beschreibt die Außendiagonale des Sensors. Die lichtempfindliche Sensorfläche ist jedoch in der Regel kleiner.

Jeder Sensor hat eine bestimmte Anzahl an Fotodioden, in der Höhe und in der Breite. Diese bestimmen die Auflösung des Sensors. Ein 20-MP-Sensor kann also zum Beispiel mit 5000 x 4000 Pixeln auflösen. Dabei spielt es erst einmal keine Rolle, wie groß die Sensordiagonale ist.

Bildquelle: MarcusGR / Lesqual / Karsten Meyer | CC BY-SA 3.0
Der Größenvorteil von S35-Kameras im Vergleich zum 1-Zoll-System oder MFT wird deutlich.

Die Größe des Sensors bestimmt jedoch, wie groß jedes einzelne Pixel auf der Sensoroberfläche sein kann. Und hierbei gilt: je größer, desto besser. Denn wenn ein Sensor mehr Platz pro Pixel zur Verfügung hat, kann mehr Licht pro Pixel auf den Sensor einfallen. Das wiederum bedeutet eine bessere Leistung bei geringem Umgebungslicht. Man spricht hier auch von einer höheren Lichtempfindlichkeit.

Teilweise geben Drohnenhersteller die Größe des einzelnen Pixels sogar in den technischen Daten an. Im Normalfall liegt die Größes eines Pixels auf einem Sensor dann im Mikrometerbereich (μm). Da Pixel quadratisch sind, ist mit einer Angabe von 1,2 μm die Kantenlänge gemeint. Das Pixel hat dann also eine Abmessung von 1,2 μm x 1,2 μm oder nimmt eine Fläche von 1,44 μm2 auf dem Sensor ein. Je höher dieser Wert, desto größer ist das Pixel und desto höher ist auch die Lichtempfindlichkeit.

Die Faustformel lautet daher: Je größer der Sensor, desto besser die Low-Light-Performance. Bei gleicher Auflösung wird ein größerer Sensor bei wenig Restlicht so immer das rauschärmere und hellere Bild liefern können.

Außerdem beeinflusst die Größe des Sensors die Schärfentiefe der Kamera. Genauer gesagt wird mit steigender Sensorgröße der Schärfentiefebereich der Kamera verkleinert. Das führt dazu, dass die Aufnahme Kino-ähnlicher aussehen. Während das im Fokus stehende Objekt scharf ist, schwindet die Schärfe, je weiter andere Objekte hinter dem Fokuspunkt liegen. Man spricht hier auch vom Freistellen des Objektes.

Back-Illuminated-CMOS vs. Stacked-CMOS-Sensor: Eine Ausnahme

Zwar gelten die obigen Erklärungen in Bezug auf die Größe des einzelnen Pixels universell, moderne CMOS-Sensoren schränken die Vergleichbarkeit unterschiedlicher Sensortypen anhand der Gesamtdiagonale des CMOS-Chips mittlerweile jedoch ein.

Back-Illuminated-CMOS

Bisher waren sogenannte Back-Illuminated-CMOS-Sensoren (auch „BSI“ für back side illuminated) die Bauform mit der größten Verbreitung. Gegenüber klassischen CMOS-Sensoren, bei denen die Verdrahtung für die Fotodiode auf der Vorderseite lag, wird bei dieser BSI-Baumform auf der ursprünglichen Rückseite die Siliziumschicht der Diode abgeschliffen, sodass diese „von hinten“ belichtet wird.

Bei gleichzeitigem Umdrehen der Dioden, schafften es BSI-CMOS-Sensoren, dass mehr lichtempfindliche Fläche pro Diode und weniger Verschattung durch elektrische Verbindungen zur Verfügung standen. Um jede Fotodiode herum wurden aber weiterhin Komponenten, wie die High-Speed-Schaltkreise am Rande jeder Fotodiode auf der gleichen Ebene platziert. Somit gibt es einen Rand um jedes einzelne Pixel, der keine Photonen erkennen kann und somit die gesamte lichtempfindliche Fläche des Sensors verringert.

Stacked-CMOS-Sensor

Die neuste Generation nennt sich Stacked-CMOS-Sensor. Stacked kommt vom englischen Bergiff „gestapelt“. Es handelt sich hierbei um die Weiterentwicklung des Back-Illuminated-CMOS-Sensors. Anstelle die High-Speed-Schaltkreise und Prozessoren auf der gleiche Ebene, wie die Fotodiode zu platzieren, werden diese Komponenten bei einem Stacked-CMOS-Sensor gestapelt. Dadurch wird auf der obersten Ebene mehr Fläche für die eigentliche Fotodiode frei. Das Licht kann außerdem ungehindert einfallen.

Auf den gesamten Sensor gerechnet, können Stacked-CMOS-Sensor also bei kleinerer Gesamtdiagonale eine gleiche oder höhere Lichtempfindlichkeit aufweisen, womit der einfache Merksatz, „ein 1-Zoll-Sensor ist besser als ein 1/1,3-Zoll-Sensor“ über Sensoren verschiedener Technologien hinweg nicht mehr länger gelten muss.

Bei Stacked-Sensoren bekommt jede Fotodiode außerdem ihren eigenen Steuerchip und häufig sogar DRAM-Cache. Das ist auch der Grund, warum Stacked-Sensoren mit vergleichsweise hohen Bildraten ausgelesen werden können.

Welche Sensorformate gibt es?

Bleibt also abschließend die Frage zu klären, welche Größen und Formate es für Kamerasensoren im Drohnen-Markt gibt. Dazu haben wir euch eine Tabelle vorbereitet, die die verschiedenen Sensorgrößen inklusive Abmessungen und Namen darstellt. Viele Sensoren haben keinen dedizierten Namen, sondern werden einfach als x-Zoll-Sensor bezeichnet und fallen damit in eine ganze Gruppe ähnlich oder gleich abgebauter CMOS-Chips.

Außerdem haben wir bekannte Drohnen-Modelle ergänzt, die einen entsprechenden Kamerasensor verwenden. Ihr findet obendrein einige Informationen zu Sensoren aus Highend-Produktionskameras, die ebenfalls via Gimbal mit Drohnen durch die Luft getragen werden können. Einen großartigen Vergleichsrechner findet sich zudem hier.

BezeichnungDiagonale (mm)Breite (mm)Höhe (mm)Drohne / Drohnenkamera
1/2.8"-Sensor6,04,83,6PowerVision PowerEgg X
1/2.6"-Sensor6,865,54,1Hubsa Zino Mini SE
1/2.4"-Sensor7,56,04,5Parrot ANAFI, Parrot ANAFI Thermal, Parrot ANAFI USA
1/2.3"-Sensor7,76,24,6DJI FPV, DJI Mavic Mini, DJI Mini 2, DJI Mini SE, DJI Spark, DJI Mavic Air, DJ Mavic 2 Zoom, DJI Mini SE 2, Phantom 3 SE, Yuneec Mantis Q, Yuneec Mantis Q, Yuneec E50, Yuneec CGO3+, Yuneec CGO3, Autel EVO, Skydio 2, Fimi X8 SE, Hubsan Zino 2, PowerVision PowerEgg, ZeroZero Robotics V-Coptr Falcon
1/1.28"-Sensor---Autel EVO Nano+, Autel EVO Lite
1/2"-Sensor86,44,8Autel EVO 2, Autel EVO 2 Dual, Autel EVO 2 Dual 640T Enterprise, Autel EVO Nano, DJI Mavic Air 2, DJI Mavic 2 Enterprise Advanced, Telekamera der Mavic 3, 166-mm-Zoomkamera der Mavic 3 Pro
1/1.7"-Sensor9,57,605,7DJI Avata, DJI Zenmuse H20 / H20T
1/1.3"-Sensor129,67,2DJI Mini 4 Pro, DJI Air 3, DJI Mini 3, DJI Mini 3 Pro, Hubsa Zino Mini Pro, 70-mm-Kamera der Mavic 3 Pro
1"-Sensor, CX1613,28,8DJI Air 2S, DJI Mavic 2 Pro, DJI Phantom 4 Advanced, DJI Phantom 4 Pro, DJI Phantom 4 Pro V2.0, Zenmuse X4S, Yuneec E90, Yuneec C23, Yuneec ION L1 Pro (Yuneec H3), Autel EVO 2 Pro, Autel EVO 2 Pro Enterprise, Autel EVO Lite+, DJI Zenmuse L1
4/3″, Four-Thirds, Micro-Four-Thirds, MFT21,317,313,0DJI Zenmuse X5 / X5R / X5S, Yuneec CGO4, DJI Mavic 3, DJI Mavic 3 Cine, DJI Mavic 3 Classic, DJI Mavic 3 Pro
Blackmagic S3529,07**25,3414,25Blackmagic URSA Mini Pro 4.6K G2
DJI Super 3528,3**23,515,7DJI Zenmuse X7
RED S35 33,829,915,77RED EPIC HELIUM 8K S35
Full Frame43,336,024,0z.B. Nikon Z6*, DJI Zenmuse P1, DJI Zenmuse X9-6K & X9-8K, DJI Inspire 3 (Zenmuse X9-8K Air)
ARRI S3544,7136,7025,54ARRI Alexa, ARRI Alexa LF
RED MONSTRO46,3140,9621,60RED EPIC MONSTRO 8K VV

** errechnete Diagonale. Bezieht sich im Gegensatz zu den anderen Diagonalen-Angaben auf die effektive Sensorfläche.

Die Tabelle zeigt recht deutlich, dass professionelle Filmkameras aktuell fast ausschließlich auf eine Abwandlung des Super35-Format-Sensors setzen. Dieser „Full Frame“-Sensor bietet durch seine deutlich größere Sensoroberfläche die Möglichkeit mehr Informationen einzufangen, die später in der Nachbearbeitung des Videos nützlich sind.

Dazu sei noch gesagt, dass viele der S35-Kameras auch mit 5K, 6K oder gar 8K aufzeichnen können. Diese hohe Auflösung wird oft dazu verwendet, um Crops (Bildausschnitte) in 4K zu produzieren oder aber das gesamte Material auf 4K herunterzurechnen, um somit ein extrem sauberes UHD-Bild zu erhalten.

Kamerasensoren mit 5K-Auflösung (5,1K oder 5,4K) sind außerdem bereits in kleineren Sensoren, wie 1-Zoll-Sensoren oder 4/3-Zoll-Chips angekommen und werden somit auch von Drohnen aus dem Consumer-Bereich unterstützt. Prominente Beispiele dafür sind die DJI Air 2S (zum Testbericht) oder die DJI Mavic 3 Familie (zum Testbericht).

Schlusswort

Wir hoffen, dir hat unser Artikel über Drohnen-Kamerasensoren weiter geholfen und du hast etwas über die verschiedenen Sensorformate gelernt.

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Quelle: Wikipedia

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Nils Waldmann

Hi, ich bin Nils! Ich bin leidenschaftlicher Modellbauer, Hobby-Fotograf, Akku-Liebhaber und RC-Pilot. Ich berichte hier über die neusten Entwicklungen in der Drohnen-Branche und kümmere mich um detaillierte Anleitungen, Guides und Testberichte.

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2 Gedanken zu „Wissen: Kamerasensoren von Drohnen im Vergleich“

  1. Avatar-Foto

    Hallo Nils Waldmann,
    da hat sich wohl ein kleiner Fehler eingeschlichen… denn die Kamera E90 (am H520) von Yuneec besitzt einen 1-Zoll-Sensor, mit 20 Megapixeln an Auflösung. Somit gehört sie in diejenige Gruppe, in welcher sich auch die Mavic 2 Pro befindet.
    Ich kann das deshalb so getrost behaupten, weil ich beide Drohnen besitze und intesiv mit ihnen arbeite.
    Mit freundlichem Gruß
    Stefan Fischer

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    • Avatar-Foto

      Hallo Stefan,
      du hast natürlich Recht. Vielen Dank für den Hinweis, wurde direkt ausgebessert.
      Viele Grüße und allzeit guten Flug,
      Nils

      Antworten

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