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Highend-Smartphonekameras / Fähigkeiten

SmartphoneCam

Themenersteller
Hallo zusammen,

auch wenn ich mich mit meinem Anliegen hier vermutlich in die Höhle des Löwen begebe, aber ich hoffe dass ihr mir hier bei meiner Frage helfen könnt.

Ich bin auf der Suche nach Aussagen zu den Fähigkeiten von Smartphone-Kameras im Highend-Segment. Generell geht es um deren theoretische Möglichkeit, kleinste Partikel zu erkennen. Es geht mir nicht darum, ob die dahinter stehende Software das kann - sondern zunächst einmal ausschließlich um die theoretische Fähigkeit der Hardware.
Ich suche mich schon seit Tagen durch das Internet, werde aber nicht wirklich schlauer. Ich als Laie habe mir grob überlegt und versucht zu errechnen, dass man im Grunde die aufgenommene Distanz (z.B. eine Fläche in der Größe eines DIN A4 Blattes) durch die Auflösung der Kamera teilen kann, habe aber keine Ahnung ob das überhaupt so funktionieren könnte.
Im Grunde versuche ich heraus zu bekommen, wie klein Punkte/Partikel sein können, damit eine Highend-Smartphonekamera (e.g. iPhone 13 Pro, Samsung S20 Ultra o.ä.) diese noch klar abgrenzen und aufnehmen kann. Konkret sollten diese Teilchen wirklich im Bereich zwischen einem Hundertstel und Tausendstel eines Millimeters liegen.

Grobes Beispiel: Auf einem weißen Blatt Papier sind irgendwo auf dem Papier einige Kleinstpartikel verteilt. Mittels der Aufnahme dieses Papiers sollte man in der Lage sein, diese Partikel zu erkennen.

Ich hoffe, dass meine Anfrage verständlich ist. Ansonsten gerne Fragen stellen.

Vielen Dank schon einmal im Voraus!
 
Um das theoretisch berechnen zu können, muss man eine ganze Menge zusätzlicher Annahmen treffen, die in der Praxis keinesfalls zutreffen müssen.

  • Welche Farbe oder allgemein optischen Eigenschaften der Hintergrund hat (wieso überhaupt Papier, das ist ja texturiert?)
  • Das selbe für die Partikel
  • Sensor-Eigenschaften (Auflösung, Tiefpassfilter, Bayer-Matrix, SNR, ...)
  • Eigenschaften des Objektivs
  • Lichtverhältnisse
Die Liste ist mit Sicherheit noch unvollständig. Dann müsste man das ganze formalisieren, um eine Schätzung aufstellen zu können.
 
Ich schätze schon mal:
Da die Partikel wie geschrieben wurde maximal 0,01 mm groß sind werden sie per Smartphone nicht zu erkennen sein - erst recht nicht wenn das Aufnahmefeld gleichzeitig die Größe eines A4-Blattes aufweist (oder war das nur als Beispiel gedacht und nicht auf die tatsächliche Situation bezogen?), und schon gar nicht die 0,001 mm großen.
Mit anderen, herkömmlichen Mitteln - z. B. Systemkanera mit Makroobjektiv - auch nicht.
 
Format A4: ca. 20x30 cm = 200 x 300 mm

Die Auflösung der besten Smartphones entspricht unter Idealbedingungen vielleicht 10.000.000 Pixel (10 Megapixel). Für dieses Anwendungsszenario dürfte das schon überfreundlich geschätzt sein, bedenkt man so Probleme wie starke Verzeichnungen der Optiken, Schärfeabfall zu den Rändern, Rauschverhalten der kleinen Sensoren.

Sensorauflösung vereinfacht: 2000 x 3000 Pixel (6 MP)

Da wären wir also bereits bei etwa 10 Körnchen pro Millimeter am Limit, also einer Partikelgröße von 0,1mm

Praktisch nehme ich an, noch deutlich früher.
 
Zuletzt bearbeitet:
Ausgehend von einem A4-Blatt bei Vollabbildung kann man bei einer
Hauptkamera mit ~20 Mp von einer Auflösung von 15 px je mm aus-
gehen.

210 x 297 mm

f 15

3150 x 4455 Pixel


bei einem 20,7 Mp Sensor (SONY) kann man z.B. somit von

3936 x 5248 Sensor

3150 x 4455 = A4

_786 / _793 px abschneiden


abacus
 
...Ich suche mich schon seit Tagen durch das Internet, werde aber nicht wirklich schlauer. ...
Bei prof. Kameratests wird dafür häufig die sog. "Linienauflösung" gemessen, also wieviele (allerfeinste) Linien der Bildsensor noch voneinander unterscheiden kann. Einen direkten Vergleich verschiedener Kameras gab es z.B. auf
www.traumflieger.de/reports/Handy-DSLR/41-Megapixel-Handy-vs-DSLR::525.html, Zitat:
"...Jetzt nehmen wir die Modelle ins Labor und untersuchen die Linienauflsöung im Standard-Verfahren. Unsere Profi-Testsoftware bescheinigt dem Nokia eine Auflösung von bis zu 3.261 Linien in der Bildhöhe. Maximal wären 5.360 möglich, sie erreicht also immerhin im Bildzentrum 61% des möglichen Wertes, allerdings nutzt sie dabei eine starke, kamerainterne Überschärfung. Korrigiert ergeben sich 2.711 Linien im Maximum und damit nur - aber immerhin - 50% der nominellen Auflösung. Im erweiteren Zentrum wird sie dann mit 2.213 und im Randbereich mit 1.750 Linien schwächer. Durchschnittlich erreicht das Nokia damit 2.222 Linien. Das iPhone bringt es im Maximum auf 1.772 und durchschnittlich auf 1.569 Linien. Auch das Samsung Note 2 ähnelt dem iPhone-Wert, maximal 1.627 und durchschnittlich 1.570 Linien liegen praktisch auf demselben Auflösungsniveau. Die EOS 70D schafft hingegen mit dem Setobjektiv bei Offenblende (Weitwinkel) maximal 2.056 und durchschnittlich 1.969 Linien. ..."
 
Da wären wir also bereits bei etwa 10 Körnchen pro Millimeter am Limit, also einer Partikelgröße von 0,1mm²

Trotzdem könnte man die Partikel erkennen, wenn sie kleiner sind, weil der entsprechende Pixel, auf den sie abgebildet werden, etwas dunkler erscheint (bei dunklen Partikeln auf hellem Hintergrund).
Das kann natürlich im Rauschen untergehen, aber da kann man etwas entgegenwirken, wenn man eine Reihe von identischen Aufnahmen macht.
 
Genau, im Prinzip müsste man Techniken aus der Astrofotgrafie anwenden. Da wird ja auch aus verhältnismäßig (d.h. im Verhältnis zur Himmelsgröße) winzigen Sensoren das letzte bisschen rausgequetscht, was geht.
Zuallererst muss dafür gesorgt werden, dass die computional photography abgestellt wird und das Handy wirklich nur das aufzeichnet, was es als Lichtinformation erhält, d.h. eine unverfälschte RAW-Datei - vor allem auch ohne Verzeichnungs- und Vignettierungskorrektur.
Dann muss man davon möglichst viele machen und die verrechnen. Ab hier wird es aber sinnvoll, sich mal mit den Methoden der Astrofotografie zu befassen. Denn der Signal-Rausch-Abstand z.B. ist nicht immer bei der niedrigsten ISO am besten etc., da muss man schauen, bei welcher ISO man am besten arbeitet. Da gibt es online Listen, zumindest zu Kamerasensoren.
In jedem Fall wird das schon sehr schnell sehr aufwändig und technisch. Letztlich gilt: Smartphonekameras erzeugen ein gut wirkendes Bild, aber sind in der Wiedergabe von Details konzeptbedingt mit vielen Nachteilen behaftet. Die kann man teilweise kompensieren durch viele Aufnahmen (was die heutigen Geräte automatisiert sowieso schon machen), aber solche Tricks kann man auch mit einer Kamera mit größerem Sensor anwenden (bei statischen Motiven) und dadurch letztlich wieder wesentlich detailiertere Bilder erhalten.
Wenn es wirklich auf reale Bilddetails ankommt und nicht nur auf eine subjektiv ästhetische Bildanmutung, ist der technisch weniger anspruchsvolle Weg immer, eine Kamera mit besserem Objektiv und größerem Sensor zu nutzen. Im Zweifelsfall gilt bei statischen Motiven, dass immer mit möglichst vielen Aufnahmen gearbeitet werden muss für maximalen Detailreichtum. Bei bewegten Motiven funktioniert das entsprechend nicht. Aber für einen Fussel auf einem Blatt schon. Stichwort Blatt: Papier besteht ja letztlich aus vielen kleinen verklumpten Fusseln. Da dürfte es besonders schwierig sein, kleine Partikel zu entdecken. Eine ebene Fläche (poliertes Metall / Glas) im Hintergrund dürfte da bessere Dienste leisten. Da ist man dann bei den Techniken des Mikroskopierens.
 
Dunkel auf Hell ist schwierig, wie schon beschrieben.
Frage: kann man die Fragestellung umkehren, d.h. Hell auf Dunkel, z.B. durch Fluorezenz? Denn das wiederum ist kein so großes Problem, da ist die Auflösung nicht (so) relevant. Man könnte damit z.B. die Anzahl der Partikel bestimmen, wenn sie nicht zu dicht nebeneinander liegen.
 
Format A4: ca. 20x30 cm = 200 x 300 mm

Die Auflösung der besten Smartphones entspricht unter Idealbedingungen vielleicht 10.000.000 Pixel (10 Megapixel). Für dieses Anwendungsszenario dürfte das schon überfreundlich geschätzt sein, bedenkt man so Probleme wie starke Verzeichnungen der Optiken, Schärfeabfall zu den Rändern, Rauschverhalten der kleinen Sensoren.

So klein sind die Sensoren nicht. Der sehr gute Sony-Sensor im Google Pixel 6 ist zum Beispiel 1/1,3 Zoll, das Xiaomi Mi Ultra hat sogar 1/1,1 Zoll.
Die Sensoren in aktuellen Flagship-Smartphones sind durchwegs auf dem Leistungsniveau teurer Edelkompakten und Sony und Sharp bauen in die Frühjahrs-Smartphinemodelle sogar den Sensor der RX100/7 ein.

Unterschätzen würde ich die Smartphones also nicht.
 
Die Größe der Sensoren ist rein mathematisch betrachtet irrelvant. Da ist erstmal nur die Auflösung wichtig, so daß es außer bei der Variante mit der Fluoreszenz, bei der die Objekte größer erscheinen als sie sind, nicht ausreichen dürfte für Partikelgrößen von 0,01 mm bis 0,001 mm. Zumal noch nicht einmal gesagt wurde, ob sie kompakt sind und nicht vielleicht sogar noch feiner, weil vielleicht länglich statt bspw. annähernd kreisrund.

Und was auch immer da dem TO im Hinterkopf für eine Anwendung vorschwebt, erscheint es mir fraglich, ob dafür ein Smartphone rein praktisch, schon allein auch mit Blick auf die dort verwendeten Weitwinkeloptiken vor den Hauptsensoren und der vermutlich nur sehr begrenzt umgehbaren internen Optimierung, vor allem der Entrauschung, ein brauchbares Ergebnis erzielt werden könnte, selbst wenn es rein von der Technik her rechnerisch reichen würde.

Die Randbereiche der Aufnahmen kann man vermutlich vergessen, wegen des Schärfeabfalls, was die nutzbare Sensorfläche weiter reduziert und dann frage ich mich, was das für eine Oberfläche wäre, auf der sich die winzigen Objekte befinden, denn diese müßte schon extrem glatt und strukturarm sein und auch damit einen guten Kontrast zu den Partikeln aufweisen.

Und so dürfte, ganz gleich was da geplant ist, wie schon jemand anderes erwähnte, eine Systemkamera mit einem guten Objektiv ungleich geeigneter sein, sofern denn die Auflösung tatsächlich aus irgendeinem Grund ansatzweise reichen sollte. Vielleicht mittels einer Hasselblad H6D-400c. Vielleicht nähert man sich mit solch einem Megapixelboliden der Lösung.
 
Zuletzt bearbeitet:
...Ich als Laie habe mir grob überlegt und versucht zu errechnen, dass man im Grunde die aufgenommene Distanz (z.B. eine Fläche in der Größe eines DIN A4 Blattes) durch die Auflösung der Kamera teilen kann, habe aber keine Ahnung ob das überhaupt so funktionieren könnte.
[...]
Konkret sollten diese Teilchen wirklich im Bereich zwischen einem Hundertstel und Tausendstel eines Millimeters liegen.
...

Ein DIN A4 Blatt hat an der kurzen Kante 210mm - also ca. 200mm.
Deine großen Teilchen sollen 0,01mm Durchmesser haben, dann passen 20000 Teilchen lückenlos nebeneinander. Da aber lückenlos aneinanderliegende Teilchen nicht unterscheidbar sind, muss zwischen den Teilchen jeweils eine gleichgroße Lücke frei bleiben, also passen dann ca. 10000 unterscheidbare Teilchen auf die kurze Kante.
Damit ein Sensor zwei solche Teilchen unterscheiden kann, braucht er 4 Pixel (Nyquist-Grenze), d.h. der Sensor brauch an der kurzen Kante 20000 Pixel, was bei einem Seitenverhältnis von 3:2 dann 600 MPixel ergibt.

Bei dieser Auflösung werden die Teilchen dann nur als strukturlose Tüpfelchen abgebildet, erkennbar was die Teilchen darstellen, ist damit noch nicht.
Und da ist die Beugung noch gar nicht berücksichtigt.

Welche Smartphonekamera hat 600 MPixel?
 
Wo steht eigentlich, dass man das ganze A4 Blatt auf einmal sehen muss.
Einfach näher ran gehen. Such dir das Smartphone mit dem größten Abbildungsmaßstab. Und schon wird es viel leichter, bzw die auflösbaren Partikel kleiner.

Grüße
Florian
 
Die Frage ist mal ob der Kontrast hoch genug zum Papier ist bzw. ob man den Kontrast irgendwie vergrößern kann.
Bei zu geringen Kontrast werden die kleinen Partikel wahrscheinlich im Rauschen untergehen.
Kontrast vergrößern zB durch eine bestimmte Beleuchtung. Backlight oder UV-Licht zB. Kommt auf die Partikel an und wie sie sich verhalten.

Da du am Ende nur die Helligkeitswerte vergleichst spielt bei Farbsensoren die (Bayer) Matrix ein große Rolle. Die nutzbare Auflösung reduziert sich enorm, da immer mehrere "Pixel" zur Helligkeitsberechnung der Cluster herangezogen werden.

Oder du hast ein glattes Spezialpapier OHNE Struktur und kannst seitlich beleuchten, dann zieht sich der Schatten bei den Partikeln in die Länge und könnte messbar bzw. zählbar werden.

Partikel mit 1/10 mm sind wahrscheinlich kein Problem aber 1/100 mm ist ein anderes Thema.
Zur Veranschaulichung kann man mit den Kugelschreiber einen Punkt machen - die haben üblicherweise Strichstärken von 5/10 - 3/10mm - den kann man ohne Probleme auflösen.
 
Ich denke mal das ist ein Gedankenexperiment. Aber da er die Bedingungen nur sehr grobe skizziert hat, bleibt ziemlich viel Raum für Spekulationen und verschiedene Auffassungen.

Grüße
Florian
 
Hallo zusammen,

wow, vielen Dank für die vielen zahlreichen Antworten / Meinungen zu meinem Anliegen.
Ich bitte vielmals um Entschuldigung, wenn das Beispiel mit dem DIN A4 Blatt zu so viel Bedeutung geführt hat. Das sollte eigentlich nur der Illustrierung meiner Frage dienen. Das kann also absolut variieren. Wichtig ist, dass es um das Erkennen von eingearbeiteten oder aufgesetzten Partikeln auf einer Fläche geht.
Spannend, dass ihr direkt auch an die Fluoreszenz-Variante gedacht habt. Tatsächlich geht es um eine Technik, die mit Fluoreszenz im dunklen Raum schon heute ähnlich funktioniert, wie von mir skizziert.
Gerade versuchen wir daran zu arbeiten, wie wir diese Technologie im hellen anwendbar machen. Grob kann man sich das vorstellen wie das Abscannen eines QR-Codes / Barcodes - nur eben viel genauer bzw. mit viel kleineren Nuancen. Daher sollen diese Partikel auch erkannt werden, wenn Smartphone in der Hand liegt und nicht statisch irgendwo befestigt ist.

Danke schon einmal im Voraus für eure vielen Meinungen!!
 
Schön, dass du dich meldest!
Wer ist denn "wir"?

Hatte ja schon vermutet, dass das A4 Blatt nur ein Beispiel war. In dem Fall spielt die Naheinstellgrenze bzw der Abbildungsmaßstab des Objektivs eine große Rolle. Es gibt sogar Smartphones mit eigener Makrokamera für solche Zwecke.

Grüße
Florian
 
"Wir" sind mein Kollege und ich, die diese Idee gerade verfolgen :).
Bedeutet das, dass beispielsweise QR-Codes oder Barcodes nicht mit der "normalen" Kamera des Smartphones erkannt werden, sondern mit eben dieser Makrokamera oder ist das eher der seltenere Fall, dass Smartphones eine solche haben?
 
Barcodes bekommt so ziemlich jedes Smartphone erkannt. Die sind schließlich alles andere als klein. Ganz gleich ob da eine Richung Makro ausgelegt Optik verbaut ist, oder nicht, das Problem bleibt die geringe Auflösung bei euren hohen Ansprüchen. Außerdem werden solche Makrolinsen teilweise nur aus Marketinggründen verbaut, so daß sie am Ende weniger Auflösung liefern als beschnittene Fotos der Hauptkamera mit dem größeren und damit besseren Bildsensor dahinter. Und Makro bedeutet bei Smartphones vermutlich auch regelmäßig nicht 1:1. Da wird man sich eher an einer Abbildungsgröße von 1:1 an APS-C orientieren, also dessen Sensorgröße. Vielleicht würde aber eine gute Vorsatzlinse etwas helfen.

Das zusätzliche Problem mit dem Makroaufnahmen ist aber, daß man in dem Moment keine große, sondern nur noch eine entsprechend kleinere Fläche fotografiert. Wollt ihr dann bspw. eine A4-Fläche abfotografieren, müßt ihr entsprechend viele Aufnahmen mit ausreichenden Überlappungen anfertigen. Der Zeitaufwand würde also noch größer und die Fehlerquote ebenso, weil um so näher ihr dem Makrobereich kommt, zumal Freihand, desto schneller rutscht das Motiv (teilweise) aus der Schärfeebene heraus. Und je nach Motiv ist das dann auch nur schwer erkennbar, zumal auf dem kleinen Display des Smartphones.
 
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