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dkamera.de Grundlagenwissen: Der Tiefpassfilter

Unser Grundlagenartikel zum Tiefpassfilter und dessen Auswirkungen bei digitalen Kameras

Über viele Jahre kamen Tiefpassfilter bei Digitalkameras standardmäßig zum Einsatz, weshalb sich Fotografen früher über dieses Thema kaum informieren mussten. Mittlerweile verzichten die Kamerahersteller jedoch immer öfter auf den Einsatz eines Tiefpassfilters, wobei diese Tatsache oftmals sogar als besondere Eigenschaft beworben wird. Wir gehen auf das Thema Tiefpassfilter genauer ein und erläutern, welche Vor- und Nachteile die Tiefpassfilterung mit sich bringt.

Damit man sich mit dem Thema Tiefpassfilter auseinandersetzen kann, ist zuerst eine kleine technische Einführung notwendig. Die allermeisten heutzutage zum Einsatz kommenden Digitalkameras besitzen einen sogenannten Bayer-Sensor. Hier wird der Bildwandler, der prinzipiell nur in der Lage ist, ein Schwarz-Weiß-Bild aufzuzeichnen, mit einem Farbfilter mit den Farben Grün (kommt doppelt so häufig wie die anderen Farben vor), Rot und Blau ausgestattet. Dieser erlaubt es der Kamera, die Farbe eines Motivs „auswerten“ zu können. Da jedes Pixel allerdings nur eine Farbe wiedergibt, müssen die restlichen Farbwerte für jedes Pixel interpoliert werden. Dieses Muster macht einen Sensor mit herkömmlicher Pixelanordnung für das Auftreten von Moiré-Artefakten besonders anfällig.

Moiré-Artefakte an einem Jackett (aufgenommen mit der Sony RX1R II und Tiefpassfilter "Off"):

Moiré-Artefakte treten immer dann auf, wenn sich das Pixelraster des Bildsensors und die Strukturen des Motivs genau überlagern. Dies ist unter anderem des Öfteren bei Kleidungsstücken sowie beispielsweise auch Jalousien der Fall. Grundsätzlich muss die Struktur dabei relativ fein ausfallen, von der Kamera aber noch aufgelöst werden können. Lassen sich Strukturen von der Kamera nicht mehr wiedergeben, sind auch keine Moiré-Artefakte zu erkennen.

Wie arbeitet ein Tiefpassfilter und wo ist dieser zu finden?
Die Tatsache, dass Moiré-Artefakte nur bei hochfrequenten Bildanteilen entstehen, machen sich die Kamerahersteller zunutze. Beim Tiefpassfilter einer Digitalkamera handelt es sich um ein optisches, vor dem Bildsensor liegendes Element, das hochfrequente Bildanteile herausfiltert und nur Signale mit niedriger Frequenz durchlässt. Daher nennt man diese Art von Filter auch Tiefpassfilter oder englisch Low-Pass-Filter. Teilweise ist zudem der Name Anti-Aliasing-Filter gebräuchlich. Der Tiefpassfilter sorgt bei der Aufnahme für eine leichte Unschärfe, die Kamera kann die feinsten Strukturen also nicht mehr wiedergeben. Im Optimalfall treten daher auch keine Moiré-Artefakte auf. Der Nachteil eines Tiefpassfilters ist naturgemäß aber natürlich die geringere Auflösung, da feine Details nicht mehr wiedergegeben werden können.

Genau genommen besteht ein Tiefpassfilter allerdings nicht nur aus einem Filter, sondern aus zwei (Dicke abhängig vom Kameramodell jeweils etwa 0,2 bis 1mm). Der erste Filter teilt die ankommenden Lichtstrahlen in vertikaler Richtung auf, der zweite in horizontaler Richtung. Beide Filter umrahmen üblicherweise den IR-Sperrfilter, noch vor den drei Filtern befindet sich im Regelfall eine spezielle Schutzschicht.

Um die beste Detailwiedergabe mit den immer höher auflösenden Bildsensoren realisieren zu können, verzichten allerdings immer mehr Hersteller auf den Einsatz eines Tiefpassfilters. Dabei lassen diese den Tiefpassfilter in der Regel allerdings nicht komplett weg, sondern ersetzen den zweiten Tiefpassfilter mit einem Modell, welches die getrennten Lichtstrahlen wieder zusammenführt. Der zweite Tiefpassfilter arbeitet also umgedreht zum ersten. Dies führt zum Aufheben der Tiefpassfilterung des ersten Filters. Canon nennt den zweiten Filter daher auch ganz offiziell Tiefpassaufhebungsfilter. Die Vorgehensweise, zwei Filter zu verwenden, statt den Tiefpassfilter komplett wegzulassen, vereinfacht unter anderem den Entwurf von Kameramodellen, die mit sowie ohne Tiefpassfilter auf den Markt kommen. Würden bei einem Sensor beide Filterelemente weggelassen werden, müsste die Lage des Sensors entsprechend verändert werden.

Die Nikon D800E war eine der ersten DSLR-Kameras ohne Tiefpassfilter:

Zu den ersten Kameramodellen ohne Tiefpassfilter zählen die 2012 vorgestellte Nikon D800E und die im selben Jahr auf den Markt gebrachte Pentax K-5 IIs. Beide Kameras wurden parallel zu ihren Geschwistermodellen Nikon D800 und Pentax K-5 II vorgestellt und unterscheiden sich von diesen nur durch die nicht vorhandene Tiefpassfilterung. In beiden Fällen wurden die Kameras ohne Tiefpassfilterung für einen höheren Preis verkauft, was unter anderem durch eine niedrigere Stückzahl begründet wurde.

Die Nikon D800E mit 36 Megapixel und die Pentax K-5 II mit 16,1 Megapixel haben den Trend zu Kameras ohne Tiefpassfilterung gestartet, mittlerweile ist die Anzahl der Modelle deutlich angestiegen. Vor allem Nikon und Pentax verzichten bei vielen Kameramodellen heutzutage auf einen Tiefpassfilter. Hierzu zählen unter anderem die Nikon D810 (Testbericht) , die Nikon D7200 (Testbericht) , die Nikon D5500 (Testbericht) , die Pentax K-1 (Testbericht) , die Pentax K-3 II (Testbericht) sowie die Pentax K-S2 (Testbericht) . Canon verzichtet aktuell nur beim Megapixel-Flaggschiff Canon EOS 5DS R (Testbericht) darauf, mit der Canon EOS 5DS (Testbericht) wird allerdings auch ein identisches Modell mit Tiefpassfilterung angeboten. Ebenfalls ohne Tiefpassfilterung kommen die Panasonic Lumix DMC-GX80 (Testbericht) , die Olympus PEN-F (Testbericht) sowie die Sony Alpha 7R (Testbericht) bzw. Sony Alpha 7R II (Testbericht) aus.

Die Panasonic Lumix GX80 besitzt keinen Tiefpassfilter, aber eine integrierte Moiré-Erkennung:

Wie lassen sich Moiré-Artefakte bei Kameras ohne Tiefpassfilter vor dem Sensor verhindern?
Das Auftreten von Moire-Artefakten kann in der Fotopraxis ein echtes Ärgernis darstellen, nicht umsonst wurden und werden Tiefpassfilter bei vielen Kameras noch eingesetzt. Um unschöne Artefakte zu verhindern, setzen manche Hersteller auf spezielle Methoden. Panasonic gibt für die Lumix DMC-GX80 an, dass eine integrierte Erkennung des Bildprozessors Moiré-Artefakte reduziert. Bei den Modellen von Pentax lässt sich der bewegliche Sensor zum Vermeiden von Moire-Artefakten einsetzen. Dieser wird in sehr feine Vibrationen versetzt, was die Auflösung wie beim Einsatz eines Tiefpassfilters reduziert. Feine Strukturen werden dadurch nicht mehr wiedergegeben.

Hierzu sei noch erwähnt, dass Tiefpassfilter unterschiedlich stark filtern können. Die Kamerahersteller können für jede Kamera neu entscheiden, wie stark der Filterungseffekt ausfallen soll. Deshalb gibt es Modelle mit weniger „aggressiven“ und „aggressiveren“ Tiefpassfiltern. Diese Tatsache beeinflusst natürlich die Detailwiedergabe.

Gut zu wissen: FujiFilm verzichtet bei seinen Kameramodellen mit X-Trans CMOS Sensor generell auf einen Tiefpassfilter, hat wegen der besonderen Farbfilteranordnung (angelehnt an die Verteilung der Silberhalogenidkristalle bei analogem Filmmaterial) allerdings mit keinen Moiré-Artefakten zu kämpfen. Dies gilt ebenso für den dreischichtigen Foveon-X3-Sensor der Digitalkameras von Sigma. Auch hier ist grundsätzlich kein Tiefpassfilter notwendig, wobei diese Modelle ganz ohne Farbfilter auskommen.

Ein Sonderfall: Kameras mit variablem Tiefpassfilter
Bis vor noch nicht allzu langer Zeit musste man sich vor dem Kauf entscheiden, ob die Kamera einen Tiefpassfilter besitzen soll oder nicht. Dies hat Sony mit der im Herbst 2015 vorgestellten Sony Cyber-shot DSC-RX1R II (Testbericht) geändert. Jene besitzt eine neu entwickelte Tiefpassfiltertechnologie mit einem speziellen Filterelement, das seine optische Eigenschaft durch einen Spannungswechsel verändern kann. Dadurch ist es möglich, die Stärke der Tiefpassfilterung jederzeit zu ändern bzw. diesen ganz auszuschalten. Bei der Cyber-shot DSC-RX1R II stehen die Optionen „LPF Off“, „LPF Standard“ und „LPF High“ zur Wahl, wobei LPF hier für Low Pass Filter steht.

Bei der Sony RX1R II kann die Tiefpassfilterung in der Kamera konfiguriert werden:

Das Menü der RX1R II mit den angebotenen Tiefpass-Optionen:

Wegen des variablen Tiefpassfilters ist die Sony Cyber-shot DSC RX1R II sehr gut zur Demonstration der Wirkung eines Tiefpassfilters geeignet. Anhand von drei Beispielbildern können Sie im bereits weiter oben gezeigten Bild "Vergleich der Tiefpassfilterung ..." den Effekt der Tiefpassfilterung vergleichen. Bei der ersten Aufnahme wurde die Tiefpassfilterung deaktiviert, bei der zweiten mit der Einstellung „Standard“ betrieben und bei der dritten auf den maximalen Wert (= High) gestellt.

Wie lassen sich Moiré-Artefakte entfernen?
Moiré-Artefakte treten in der Regel nicht zu stark auf, im Extremfall können sie die Aufnahmen aber deutlich beeinflussen. Einige Bildbearbeitungsprogramme bieten mittlerweile spezielle Möglichkeiten an, um diese zu verringern oder vollständig verschwinden zulassen. Wir haben eine derartige Funktion am Beispiel von Camera RAW 9.6.1 ausprobiert. Die Moiré-Reduzierung ist hier nach dem Anwählen des Korrekturpinsels verfügbar. Nachdem alle Bereiche eines Bildes mit dem Korrekturpinsel markiert wurden, lässt sich die Moiré-Korrektur per Slider (-100 bis +100) vornehmen.

Dieses Bild zeigt deutliche Moiré-Artefakte:

Die identische Aufnahme nach der Moiré-Korrektur in Camera RAW:

In der Praxis konnte uns das Ergebnis überzeugen, die Artefakte wurden gut bis sehr gut entfernt und die eigentliche Aufnahme kaum negativ beeinträchtigt. Besitzt das Bildbearbeitungsprogramm der Wahl kein Moiré-Werkzeug, ist das Entfernen schon deutlich aufwendiger oder die Detailwiedergabe der Aufnahmen wird stärker beeinflusst. Grundsätzlich gilt deshalb: Moiré-Artefakte sollten schon bei der Aufnahme so gut wie möglich verhindert werden.

Ihre Kamera besitzt einen Tiefpassfilter, aber bei Videos sehen Sie stärkere Moiré-Artefakte?
Wenn Sie bei den Videoaufnahmen ihrer Kamera Moiré-Artefakte erkennen, hat dies mit der Tiefpassfilterung nichts zu tun. Die Moiré-Artefakte entstehen bei Videos durch die unzureichende Abtastung des Motivs (= Undersampling). Während bei Fotos der ganze Sensor ausgelesen wird, ist dies bei Videos wegen der zu niedrigen Rechenleistung der Kameraprozessoren oftmals nicht der Fall. Deshalb werden nicht alle Zeilen und Spalten eines Sensors ausgelesen und das Videosignal anhand von zu wenigen Informationen generiert. Motive mit problematischen Strukturen (wie Dächer mit Ziegeln oder Stoffe mit feinen Strukturen) sorgen daher für sehr deutliche Moiré-Artefakte.

Moiré-Artefakte bei der Videoaufnahme liegen nicht am Tiefpassfilter der Kamera:

Kaufempfehlung: Sollte eine Kamera mit oder ohne Tiefpassfilter erworben werden?
Hier lässt sich nur die klassische Antwort „kommt darauf an“ geben. Generell können Kameras ohne Tiefpassfilter bzw. Tiefpassfilterung bei gleicher Auflösung etwas mehr Details wiedergeben. Dies aber nur, wenn die verwendeten Objektive in der Lage sind, sehr viele Details aufzulösen. Selbst bei den besten Objektiven ist der Unterschied in der Regel trotzdem recht gering. Nur wer große Aufnahmen druckt und die besten Objektive besitzt, sollte aus unserer Sicht – sofern eine Wahlmöglichkeit besteht – zu einer Kamera ohne Tiefpassfilter greifen. Dann ist allerdings eine erhöhte Wachsamkeit bei Motiven, die Moiré-Artefakte "provozieren" können, angeraten. Im Regelfall gilt allerdings auch, dass Moiré-Artefakte in der Praxis nur selten deutlich zutage treten. Wer nicht ständig wirklich problematische Motive wie zum Beispiel Kleidung bzw. Stoffe fotografiert, wird von der Moiré-Problematik kaum betroffen sein.

Noch ein Tipp:
Wer eine Kamera ohne Tiefpassfilter besitzt und bei der Aufnahme stärkere Moiré-Artefakte bemerkt, kann die leichte Unschärfe des Tiefpassfilters auch simulieren, indem das Motiv bewusst sehr leicht unscharf aufgenommen wird. Dazu muss die Kamera nach dem Scharfstellen beispielsweise nur minimal nach vorne oder hinten bewegt werden (abhängig vom Motiv, der Aufnahme-Entfernung und den weiteren Belichtungseinstellungen). Dies ist zur Moiré-Reduzierung oftmals ausreichend.

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Kommentare

Moiré-Artefakte treten bei Kameras ohne ...

Moiré-Artefakte treten bei Kameras ohne Tiefpassfilter nach eigenen Erfahrungen mit Panasonic GX80 & G81 wesentlich mehr negativ in Erscheinung als angenommen.
Bei Naturaufnahmen mit feinem Geäst, bei Innenaufnahmen mit Vorhängen...etc.
Ich würde auch nie ein Familienfest oder gar eine Hochzeit mit einer solchen Kamera fotografieren, sondern immer auf eine Kamera mit Tiefpassfilter (ausgenommen Fuji) ausweichen.
Der Trend, den Tiefpassfilter zugunsten der messbaren aber kaum sichtbaren Zunahme der Auflösung wegzulassen, kann ich nicht nachvollziehen.
Der Tipp, bei einem Moiré im Bild das Objektiv leicht unscharf einzustellen mag funktionieren, erscheint mir aber schon fast irrwitzig.
Auch das rausrechnen per EBV könnte man sich sparen.

Dem stimme ich zu bis ...

Dem stimme ich zu bis auf die Aussage zu Fuji. Auch Fuji zeigt in den typischen Situationen Moirè, wie z.B. hier mit Bildbeispielen belegt wird: martin-doppelbauer.de/foto/tippstricks/aliasfilter/index.html

Es ist einfach Physik (Nyqvist-Shannon'sches Abtasttheorem), welche die Rahmenbedingungen bestimmt, daran kann KEIN Hersteller etwas ändern. Keiner.

Die Frage ist inzwischen vielmehr: welche neuen Kameras gibt es überhaupt noch MIT Tiefpassfilter?

Ich habe keinen kompletten Marktüberblick, bei Nikon beispielsweise kommen alle DSLR-Modelle von der billigsten bis in die gehobenen Sphären der APS-C-Modelle ohne Tiefpassfilter. Die Olympus OM-D E-M5 II als Konkurrenzmodell zur Panasonic G81 hat genausowenig ein Tiefpassfilter. Es gibt wohl kaum oder sogar keine Alternativen mehr ...

Wunsch an die Redaktion: nehmt dieses Ausstattungsmerkmal bitte mit in die Datenblätter auf. Es ist wirklich wesentlich ...

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