"Dual Gain" Sensoren

DrZoom · 1 April 2016

Es gibt widersprüchliche Beschreibungen dazu im Netz, z.B.:

https://www.arri.com/camera/alexa/technology/arri_imaging_technology/alexas_sensor/

The Dual Gain Architecture simultaneously provides two separate read-out paths from each pixel with different amplification. The first path contains the regular, highly amplified signal. The second path contains a signal with lower amplification, to capture the information that is clipped in the first path. Both paths feed into the camera's A/D converters, delivering a 14 bit image for each path. These images are then combined into a single 16 bit high dynamic range image. This method enhances low light performance and prevents the highlights from being clipped, thereby significantly extending the dynamic range of the image.

Oder:

http://www.sansmirror.com/newsviews/dual-gain-becoming-the-norm.html

In essence, digital sensors don’t actually have a varying response to light: they capture light the same no matter how you set the ISO. If the sensor captured 1000 photons at base ISO and converted them to electrons, the same thing happens at any other ISO you set: only 1000 photons were captured ;~). The ISO value you set, though, determines a switch in capacitance in the charge/volt conversion stage (gain) prior to reading out the data that is used in the sensor to reset the pixel values upwards in the bit values recorded. What dual gain systems do is change the gain value at some particular higher ISO value. Dual gain systems use one gain value with lower ISOs, another when higher ISO values are set.

This dual gain approach was first realized by Aptina, then licensed from them by Sony.

So here’s the sequence:

Photons are absorbed and create electron/hole pairs in the photo diode.
Electrons are collected and stored.
The collected electrons determine the voltage of the storage node.
The voltage in the storage node is increased by a programmable gain amplifier (PGA).
The resulting voltage is fed to the analog-to-digital converter and we get a number to be recorded in the raw data (typically called a DN, or digital number).

Typically, ISO changes are achieved by changing value in the PGA in Step 4. Dual gain sensors change what happens in Step 3. Essentially, starting at some ISO level the capacitance of the storage node is changed so that the final voltage is magnified.

Why do they do that? To reduce a component of read noise at higher ISO values, basically.

The Fujifilm bumps gain at ISO 800, the Sony at ISO 400. But it’s probably the same point in the sensor ;~). Sony uses a base ISO of 100 for the sensor, Fujifilm 200. Why does Fujifilm use a higher ISO value than Sony? Essentially it provides Fujifilm the highlight headroom necessary to implement the "extended range" settings the X system claims to provide, at the penalty of producing a slightly noisier mid-tone than does the Sony implementation.

Oder auch: http://www.andor.com/learning-academy/dual-amplifier-dynamic-range-scmos-dynamic-range

The Dual Amplifier architecture of sCMOS sensor CIS 2051 in Neo and Zyla uniquely circumvents the need to choose between low noise or high capacity, in that signal can be sampled simultaneously by both high gain and low gain amplifiers respectively. As such, the lowest noise of the sensor can be harnessed alongside the maximum well depth, affording the widest possible dynamic range.

Traditionally, scientific sensors [...] demand that the user must select 'upfront' between high or low amplifier gain (i.e. sensitivity) settings, depending on whether they want to optimise for low noise or maximum well depth. Since the true dynamic range of a sensor is determined by the ratio of well depth divided by the noise floor detection limit, then choosing either high or low gain settings will restrict dynamic range by limiting the effective well depth or noise floor, respectively.

[...]

The method of combining signal from two 11-bit ADCs can be divided into four basic steps: 1) At the end of the analogue chain the "Signal" voltage is applied to two independent amplifiers: the high gain amplifier and the low gain amplifier. This results in two separate digital data streams from the sensor. 2) In the camera, the FPGA selects which data stream to use on a pixel per pixel, frame by frame basis using a threshold method. 3) The data is then corrected for DC offset and gain. Again, this is done on a pixel by pixel basis using the correction data associated with the data stream. The gain corrects for pixel to pixel relative QE, pixel node amplifier and the high and low amplifier relative gains. 4) The pixels are then combined into a single 16-bit image for transfer to the PC.

Alle drei Links scheinen wieder etwas leicht anderes zu sagen. Der erste Link behauptet, beide Kanäle werden gleichzeitig gelesen und später kombiniert. Der zweite Link behauptet, je nach ISO wird der eine oder der andere Kanal gewählt. Der dritte Link behauptet sogar, das je nach Pixel der eine oder andere Kanal gewählt wird.

Was genau ist Dual Gain also ?

Borgefjell · 1 April 2016

Ich denke da es kein fest definierter, wissenschaftlicher Begriff ist evtl. sogar alles. Die Definition von Sansmirror scheint mir zumindest für die a7s und die a7rII zu passen, also verschiedene gains bei verschiedenen Isos:

http://www.photonstophotos.net/Charts/RN_ADU.htm#Sony ILCE-7RM2_14,Sony ILCE-7S_14

01af · 1 April 2016

Re: "Dual Gain"-Sensoren

DrZoom schrieb:
Was genau ist Dual Gain also?

Immer gerade das, was der jeweilige Hersteller unter dieser Bezeichnung implementiert.

Mi67 · 1 April 2016

DrZoom schrieb:
Was genau ist Dual Gain also ?

Du hast es ja schön zusammengetragen: es gibt verschiedene Implementierungen der Thematik.

Die Konsequenz ist aber in allen Fällen recht ähnlich: man erzeugt einen Sensor, der bei tiefen ISO-Werten einen mehr oder weniger deutlich erweiterten Dynamikbereich hat. Vorteile von "dual gain" bestehen nur unterhalb jener ISO-Werte, die nicht ohnehin schon mit dem höchsten Gain arbeiten und von dort an ohnehin ein quasi ISO-loses Verhalten aufweisen.

Was ich nicht weiß ist, ob alle Kameras mit sehr breitem ISO-losem Verhalten eine dual-gain-Strategie nutzen oder/und welche der genannten Strategien das jeweils sind. Zu den Kameras, die aktuell am klarsten ein ISO-loses Verhalten an den Tag legen, gehört die Nikon D7200. Bei ihr kann man schon ab basis-ISO und dann über den kompletten ISO-Einstellbereich hinweg das gleiche Ausleserauschen beobachten. Man gewinnt also keine SNR oder Dynamik hinzu, wenn man den ISO über den basis-ISO anhebt. Das ist ein sehr gut(mütig)es Verhalten, welches im Prinzip für alle Kameras wünschenswert wäre. Hier mal als Beispiel die genannte D7200 neben einer Sony a6300, die nur eingeschränkt ISO-los ist und in zwei Stufen eine geringgradige Verbesserung der Schatten-Dynamik erzielt und dazu noch die "alte" Canon 1Dx, bei der jede Drittelstufe des ISO mit einer Dynamikänderung verbunden ist, also vermutlich kein dual gain-readout am arbeiten ist:
http://photonstophotos.net/Charts/PDR_Shadow.htm#Nikon D7200,Sony ILCE-6300,Canon EOS 1D X

Anm.:
Bei den genannten Andor sCMOS-Kameras gibt es überhaupt keinen ISO (sie sind ja auch keine Kameras im "fotografischen Sinn"). Sie arbeiten entweder immer in "basis-ISO" mit erweitertem Dynamikbereich (= dual gain-readout mit "Pixel-für-Pixel-Entscheidung" über den jeweils genutzten Kanal) oder man kann isoliert nur den einen (high capacity) oder den anderen (high sensitivity) Modus anwählen.

Borgefjell · 1 April 2016

Die isolosen Kameras haben eben keinen "dual-gain" und sind damit zwar wie du sagtest "sehr gutmütig", besser wäre es aber wenn bei jeder Iso durch die passende Signalverarbeitung das Maximum rausgeholt werden könnte. Damit würde ich dann zwar den Vorteil verlieren beim Aufhellen keine Bildqualität zu verschenken, hätte aber gleichzeitig bei korrekter Einstellung eine bessere Bildqualität - was ich bevorzugen würde. Dunkle Aufnahmen aufhellen geht dann ja immer noch und der Sensor liefert ja immer noch die gleiche Bildqualität als wäre er isolos

Mi67 · 1 April 2016

Borgefjell schrieb:
Die isolosen Kameras haben eben keinen "dual-gain" und sind damit zwar wie du sagtest "sehr gutmütig", besser wäre es aber wenn bei jeder Iso durch die passende Signalverarbeitung das Maximum rausgeholt werden könnte.

Ob das "besser" wäre, kommt auf das Absolutniveau des Ausleserauschens an. Wenn eine Nikon D7200 bereits im basis-ISO ein so niedriges Ausleserauschen bietet, wie eine Sony a6300 erst ab ISO-400 aufwärts, dann liegt in der Sony-Strategie kein Vorteil mehr.

Man fragt sich jedoch, wie es sein kann, dass nur Nikon es (in einigen Modellen) schafft, die Sensoren bereits im Basis-ISO und mit einem einzigen Gain so rauscharm auszulesen. Möglicherweise steckt dort auch ein dual gain-Prinzip dahinter.

Eine Andor-sCMOS-Kamera hat gar keine verstellbaren ISO-Werte, verfügt aber dennoch über dual gain. Man benötigt für die Definition von dual gain oder dual readout nicht verschiedene ISO-Stufen.

Damit würde ich dann zwar den Vorteil verlieren beim Aufhellen keine Bildqualität zu verschenken, hätte aber gleichzeitig bei korrekter Einstellung eine bessere Bildqualität - was ich bevorzugen würde. Dunkle Aufnahmen aufhellen geht dann ja immer noch und der Sensor liefert ja immer noch die gleiche Bildqualität als wäre er isolos[/QUOTE]

Borgefjell · 1 April 2016

Mi67 schrieb:
Ob das "besser" wäre, kommt auf das Absolutniveau des Ausleserauschens an. Wenn eine Nikon D7200 bereits im basis-ISO ein so niedriges Ausleserauschen bietet, wie eine Sony a6300 erst ab ISO-400 aufwärts, dann liegt in der Sony-Strategie kein Vorteil mehr.

Man fragt sich jedoch, wie es sein kann, dass nur Nikon es (in einigen Modellen) schafft, die Sensoren bereits im Basis-ISO und mit einem einzigen Gain so rauscharm auszulesen. Möglicherweise steckt dort auch ein dual gain-Prinzip dahinter.

Eine Andor-sCMOS-Kamera hat gar keine verstellbaren ISO-Werte, verfügt aber dennoch über dual gain. Man benötigt für die Definition von dual gain oder dual readout nicht verschiedene ISO-Stufen.

Damit würde ich dann zwar den Vorteil verlieren beim Aufhellen keine Bildqualität zu verschenken, hätte aber gleichzeitig bei korrekter Einstellung eine bessere Bildqualität - was ich bevorzugen würde. Dunkle Aufnahmen aufhellen geht dann ja immer noch und der Sensor liefert ja immer noch die gleiche Bildqualität als wäre er isolos

[/QUOTE]

http://www.photonstophotos.net/Charts/RN_ADU.htm#Nikon D7200_14,Sony ILCE-6300_14

Auch die Nikon D7200 ist nicht wirklich isolos sondern nur bei den vollen Iso-Stufen - aber Nikon hat die Sony-Sensoren bemerkenswert gut im Griff (falls in der D7200 ein Sony-Sensor steckt), das ist unbestritten

Mi67 · 1 April 2016

Borgefjell schrieb:
Auch die Nikon D7200 ist nicht wirklich isolos sondern nur bei den vollen Iso-Stufen - aber Nikon hat die Sony-Sensoren bemerkenswert gut im Griff (falls in der D7200 ein Sony-Sensor steckt), das ist unbestritten

Kommt immer auf die Lesweise der Grafiken an. Siehe z.B. eine andere Auftragung, die m.E. etwas besser illustriert, was ISO-los ist und was nicht:
http://photonstophotos.net/Charts/PDR_Shadow.htm#Nikon D7200,Canon EOS 1D X,Sony ILCE-6300

Außerdem: wieso sollte Nikon für Drittelstüfchen einen speziellen Umstand machen, wo selbst ganze Stufen bereits ISO-los sind?

wuiffi · 1 April 2016

Borgefjell schrieb:
falls in der D7200 ein Sony-Sensor steckt

Toshiba

whr_ · 3 April 2016

Sony.

http://www.theverge.com/2015/12/4/9848222/sony-buys-toshiba-image-sensor-business