Im Inneren der Kamera verbergen sich ein 24 Megapixel APS-C CMOS-Sensor und ein Prime III Bildprozessor für effektive Rauschunterdrückung und hohe Verarbeitungsgeschwindigkeit. Der Empfindlichkeitsbereich reicht von ISO 100 bis 51200. Auf einen herkömmlichen Tiefpassfilter wurde verzichtet. Die kameraintegrierte Shake Reduction mit Tiefpassfilter-Simulation verhindert das Auftreten ungewünschter Moiré-Effekte. Dank der neuen „Pixel Shift Resolution“ Technologie, bietet die K-3 II die Möglichkeit, vier Aufnahmen in Serie zu machen, bei denen der Sensor jeweils nach oben, unten, links und rechts verschoben wird. Die Kamera errechnet aus den Einzelbildern ein Bild, welches als JPEG- oder RAW-Datei gespeichert wird. So werden alle 24,35 Megapixel bildwirksam. Beim 3D-Bildstabilisator kommen Gyrosensoren am Bildsensor zum Einsatz. Diese erkennen horizontale, vertikale sowie in die Tiefe gehende Verschiebungen und gleichen diese durch Gegenbewegungen des Sensors aus. Die Leistung der einzelnen Komponenten bietet jetzt eine Verwacklungssicherheit von bis zu 4,5 Lichtwerten. Neu ist auch, dass die Pentax K-3 II über eine Erkennung von Kameraschwenks verfügt, die gewollte „Mitzieher“ automatisch erkennt und diese nicht ausgleicht. Das Autofokusmodul arbeitet mit 27 Messfeldern, davon 25 Kreuzsensoren und ist mit einem Arbeitsbereich von LW -3 bis LW +18 besonders lichtempfindlich. Dabei sind drei zentral angeordnete Sensoren auf die Lichtempfindlichkeit eines F2,8 Objektivs ausgelegt. Aufnahmeserien sind mit einer Geschwindigkeit von 8,3 Bildern pro Sekunde möglich. Der Bildprozessor erlaubt Bilderserien von bis zu 22 RAW-Aufnahmen und 60 JPEG-Aufnahmen in Folge. Videos nimmt die Kamera entweder in HD oder Full-HD mit einer Bildfrequenz von 60i, 50i, 24, 25 oder 30 Bildern pro Sekunde im H.264 Format auf. Das 3,2 Zoll Display löst mit 1.037 Mio. Punkten auf. Der Sucher der K-3 II zeigt ein Bildfeld von 100% bei einem Vergrößerungsfaktor von 0,95x an. Als zusätzliches Feature ist die Kamera mit einer GPS-Einheit ausgestattet, die sich anstelle des eingebauten Blitzgerätes, wie beim Vorgängermodell, befindet. Diese bietet neben dem elektronischen Kompass sowie den Funktionen zur Ansicht und Aufzeichung der Geodaten der Bilder auch die Möglichkeit, komplette Touren aufzuzeichnen und diese später nachzuvollziehen. Bei der Astrotracer-Funktion wird bei Aufnahmen des Nachthimmels der bewegliche Sensor parallel zur Erdrotation bewegt, wodurch Sterne nicht als Striche, sondern als Punkte abgebildet werden. Die optional erhältliche FLU Card mit 16 GB Speicherplatz ermöglicht eine kabellose Verbindung zwischen Kamera und Computer, SmartPhone oder Tablet sowie ein Live-View-Bild auf dem jeweiligen Monitor. Dadurch wird auch die Fernsteuerung diverser Kamerafunktionen möglich. Das Gehäuse besteht aus einer Magnesiumlegierung und ist mit 92 Spezialdichtungen staub- und wetterfest sowie kälteresistent bis -10° C.
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