ISO-Wert in der digitalen Fotografie - Wie findet die Verstärkung statt?

Hallo Community,
ich hätte mal eine Frage zum Thema „ISO-Wert“ in der digitalen Welt. Ich habe bereits einige Blogartikel gelesen und mich durch ein paar Bücher in der Bücherei gewälzt, aber irgendwie verstehe ich die Thematik noch nicht ganz.

Vorab: Ich bin nicht unbedingt der Begabteste für naturwissenschaftliche Themen (Phsyik & Co), es wäre also nett, wenn die Antworten ein bisschen auf verständlichem Laienniveau gehalten werden.

Mein Verständigungsproblem bezieht sich auf die Art der Verstärkung. Die physikalischen Eigenschaften des Kamerasensors können ja nicht verändert werden, dementsprechend sind die ganzen Aussagen, dass die Lichtempfindlichkeit verändert wird ja irgendwie Blödsinn? Es findet ja lediglich eine elektronische Verstärkung des Sensorsignals statt.

Ich verstehe aber noch nicht ganz, wie diese elektronische Verstärkung funktioniert.

Bei einer Aufnahme wird der Kamerasensor freigelegt, d.h. der Verschluss legt den Sensor frei, und nun fällt Licht auf den Sensor. Der Sensor empfängt jetzt Licht und wandelt das Licht in elektronische Ladung um. So. Jetzt haben wir Photodioden die alle eine gewisse elektronische Ladung tragen. Doch was nun? Ich komme da nicht so ganz hinter.

Was wird denn da nun verstärkt? Das eingefallene Licht kann sich ja nicht verändern. Also das tatsächlich vorhandene Licht vor der Kamera bleibt ja gleich. Wie darf man sich das denn vorstellen als Laie?

Ich komme da nicht so ganz mit. Der Sensor kann ja nicht mehr Licht auffangen als in der Umgebung vorhanden ist. Ich nehme mal an, dass die elektronische Verstärkung erst im Nachhinein stattfindet? Also alle Bilder „sozusagen“ mit ISO-100 aufgenommen werden?

Naja um den Roman nicht noch weiter auszubauen, man merkt bei mir herrscht einige Verwirrung.

PS: Mein Englisch ist grottenschlecht, deshalb bringen mir Links zu englischsprachigen Artikeln leider nichts (… wobei ich mir vorstellen kann, dass es dort sehr fundierte Artikel gibt)

Bin über Hilfe dankbar

LG

Moin

was ich wiederum nicht verstehe.,..warum man sich über solche Sachen einen Hals machen muss,
denn du kannst die Methode ja nicht ändern, im Prinzip bei allen Kameras gleich

das also elektrische Signale dort verarbeitet werden ist dir klar....
die Signale haben "einen Wert" und der kann genau definiert werden...

dann gibt es Bauteile die in der Lage sind >>> diesen Wert zu verändern...
auch das können die Bauteile der Platine exakt berechnen und ausgeben...

und nun wird bei einer Änderung der ISO...das elektrische Signal
einfach > verdoppelt oder vervierfacht ausgegeben...(so ähjnlich...)
das alles neu verrechnet und angezeigt.

digitale Verarbeitung läst es zu, sowas sehr schnell und sehr exakt zu machen...
nur die Physik begrenzt das ganze, so das man nicht "unendlich" die Werte hochschaukeln kann...

das du nicht "mehr Licht" dadurch bekommst ist dir ja wohl klar...
es ist eine Manipulation die ihre Grenzen hat.....Rauschen

war das einfach genug
Mfg gpo

Lass es uns mal konkretisieren. Ich versuche mir das Ganze begreiflich zu machen. Angenommen wir haben ein Umgebungslicht, dass eine Photodiode zu 10% füllt.

Diese 10% Füllung kann sich doch gar nicht ändern? Das Umgebungslicht gibt ja nur Licht her, um die Photodiode zu 10% zu füllen.

Die Verdopplung des ISO-Werts lässt das Ganze ja um einen Lichtwert steigern. Also wir haben die Belichtung quasi verdoppelt. Das Bild ist doppelt so hell.

Das Umgebungslicht gibt aber nur 10% Füllung her, trotzdem haben wir durch die Verstellung des ISO-Werts (von 100 auf 200) nun ein Bild das einer 20% Füllung entspricht.

Die physikalischen Gegebenheiten vor der Kamera ändern sich ja nicht. Wie kommt nun diese Erhellung zu Stande? Irgendwie muss das ja angehoben werden?

Ich weiß da greifen sich jetzt alle an den Kopf, aber ich stehe noch bisschen auf dem Schlauch.

gpo schrieb:

Moin

was ich wiederum nicht verstehe.,..warum man sich über solche Sachen einen Hals machen muss,
denn du kannst die Methode ja nicht ändern, im Prinzip bei allen Kameras gleich

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Weil sie nicht bei allen Kameras gleich ist? Fakt ist: Eine Veränderung der Iso sorgt nicht für mehr Licht auf dem Sensor, sondern nur für eine Signalverstärkung - wie das passiert, ist aber durchaus von Kamera zu Kamera verschieden und macht durchaus in der Anwednung einen Unterschied - bei manchen Kameras ist es egal ob due die Bildhelligkeit über die Iso direkt in der Kamera oder später in der EBV korrigierst, bei manchen Kameras ist es das nicht und es lohnt sich gleich in der Kamera den richtigen Wert einzustellen

@Emmi: Ein Schallplattenspieler liefert auch nur eine Laut-/Signalstärke, der Verstärker verstärkt dieses Signal - inkl. aller Fehler, sprich Rauschen usw. In der Kamera passiert grob nichts anderes, ein el. Signal wird verstärkt

Verstehe ich das also richtig, dass im Grunde genommen alle Bilder mit der Nominalempfindlichkeit aufgenommen werden? Also bei meiner Canon80D beispielsweise mit ISO-100.

Die Kamera macht erst ein Bild mit ISO-100 und anschließend wird das Bild elektronisch verstärkt. Das heißt die Sensorspannung selbst wird gar nicht verändert? Ein höherer ISO-Wert sorgt dementsprechend nicht für einen höheren Stromverbrauch und/oder eine größere Sensorwärme, weil die Verstärkung des Signals erst stattfindet, wenn die Photodiode ihren Lichteinfangprozess (so nenn ichs mal) beendet hat?

Also angenommen das Umgebungslicht gibt ein Licht her, dass eine Photodiode zu 10% füllt. Dann wird erst die Photodiode zu 10% gefüllt und anschließend in der Signalverarbeitung die Verstärkung draufgehauen?

Es findet immer eine Normierung statt, das ist eine festgelegte Zahl, das kann 1 sein oder eben bei 14bit 16383. Dunkel 0, hell 1, 0.5 halbhell etwa. oder 0 dunkel, 16383 hell und dazwischen wieder die anderen Helligkeiten, das muß nicht linear sein, ist es auch nicht.

Das ist der signalverarbeitende Weg, wo im Prinzip die ISO festgelegt wird, also der Faktor zwischen Rohsignal und Ausgabesignal.

Beispiel 0..20 : -> 0..16383 -> Verstärkungfaktor ca. 820
Beispiel 0..4000 -> 0..16383 -> Verstärkungsfaktor ca. 4

Diese Fakoren sind die ISO vereinfacht ausgedrückt.

Natürlich wird beim Verstärken auch das Rauschen erhöht, ist etwa das Grundrauschen immer 10 (temperaturabhängig) ist das bei Beispiel 1 maximal 0..8200, während es bei Beispiel 2 geringer ist 0..40

gpo schrieb:

was ich wiederum nicht verstehe.,..warum man sich über solche Sachen einen Hals machen muss, denn du kannst die Methode ja nicht ändern, im Prinzip bei allen Kameras gleich

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Es soll Leute geben, die einfach gern Zusammenhänge verstehen.

Emmi87 schrieb:

Verstehe ich das also richtig, dass im Grunde genommen alle Bilder mit der Nominalempfindlichkeit aufgenommen werden?

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So könnte man das sagen. Die Empfindlichkeit des eigentlichen Sensors wird jedenfalls nicht verändert. Die gleiche Belichtung (=Lichtmenge pro Fläche) löst immer im Mittel die gleiche Zahl Elektronen pro Fläche aus, egal wie die ISO eingestellt ist. Und allein diese Elektronenzahl sorgt schon für den größten und wichtigsten Rauschanteil, das "Photonenrauschen". Auch das ändert sich also nicht, wenn man die ISO verändert, zumindest wenn man das Rauschen in e- (Eektronenzahl) misst. Die ISO hat aber einen (bei einigen Kameras nur kleinen) Einfluss auf das Ausleserauschen, und einen großen und unvermeidbaren auf die Sättigung der Signalverarbeitungskette.

Wobei der Ort der Signalverstärkung unterschiedlich ist und bei manchen Kameras direkt am/auf dem Sensor erfolgt

Borgefjell schrieb:

Wobei der Ort der Signalverstärkung unterschiedlich ist und bei manchen Kameras direkt am/auf dem Sensor erfolgt

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Heißt das in einem solchen Fall, dass das auch Auswirkungen auf die Sensorwärme hat? Ich habe das bisher so verstanden, dass die elektronische Verstärkung im Nachhinein erfolgt und dementsprechend gar keinen Einfluss auf die Betriebstemperatur vom Sensor hat.

Das weiß ich nicht, wenn dann hat es zumindest keine im praktischen Alltag sichtbare Effekte

Sehr intersannt. Vielen Dank. Ich fasse das Ganze nochmal zusammen, nur damit ich ohne Denkfehler aus der Unterhaltung gehe:

Bezogen auf die digitale Fotografie handelt es sich beim ISO-Wert nicht, wie oft geschrieben wird, um eine Erhöhung der Lichtempfindlichkeit des Sensors, sondern lediglich um eine elektronische Verstärkung. Dies liegt darin begründet, dass die physikalischen Eigenschaften des Sensor nicht verändert werden können, sondern nur der nachträgliche Umgang mit den erfassten Signalen.

Letztlich wird jedes Bild mit der Nominalempfindlichkeit der Kamera aufgenommen, d.h. mit der kleinstmöglich-einstellbaren ISO-Zahl. Eine Photodiode ist nicht in der Lage das Umgebungslicht zu verändern, weshalb die erfassten Grundinformationen gleich sind.

Die elektronische Verstärkung findet im Nachhinein statt, allerdings kann der Ort der Signalverstärkung auch am oder auf dem Sensor liegen. Da die Photodioden selbst nicht lichtempfindlicher gemacht werden können, sondern lediglich die Grundinformationen verstärkt werden, hat der eingestellte ISO-Wert vermutlich keinerlei Einfluss auf die Betriebstemperatur des Sensors.

Die Erhöhung des ISO-Werts hat unweigerlich auch eine Erhöhung des Rauschens zur Folge. Grund hierfür ist, dass der Sensor eine Vorspannung benötigt, um funktionieren zu können. Diese Vorspannung sorgt bereits für elektronische Ladungen innerhalb der Photodioden. Des Weiteren ist der Sensor elektromagnetischen Einflüssen in seiner Umgebung ausgesetzt, welche ebenfalls für elektronische Ladungen in den Photodioden sorgen kann.

Der Sensor ist gar nicht (oder nur bedingt) in der Lage, dass gewollte Nutzsignal vom ungewollten Störsignal zu unterscheiden. Bei einer Aufnahme werden die bereits eingefangenen Elektronen durch die Vorspannung sowie der umliegenden Einflüsse mit den neuen Elektronen durch die Belichtung vermischt. Letztlich enthält die elektronische Ladung in den Photodioden sowohl gewollte als auch ungewollte Anteile, welche aber - wie bereits erwähnt - von der Kamera kaum unterschieden werden können, weshalb sich bei einer elektronischen Verstärkung (ISO-Erhöhung) sowohl die gewünschten als auch ungewünschten Anteile verstärken.

PS: Natürlich dient der Text dazu, dass ihr mich korrigiert, falls etwas falsch sein sollte

Emmi87 schrieb:

Ich habe das bisher so verstanden, dass die elektronische Verstärkung im Nachhinein erfolgt und dementsprechend gar keinen Einfluss auf die Betriebstemperatur vom Sensor hat.

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Es gibt verschiedene Varianten von Sensoren:

• reines Photodiodenarray mit Schaltern: da wird aus Licht Ladung, die Ladungsspeicher werden dann sehr schnell nacheinander auf eine begrenzte (z. B. 4, 8, 12) Anzahl von Ausgangsleitungen geschaltet. Ein zweiter Baustein, als AFE (analogue front end) bezeichnet, verstärkt diese kleinen Ströme und wandelt sie in Digitalsignale; ältere Sensoren von Nikon/Sony und (m. W.) die aktuellen von Canon arbeiten so;
• Photodiodenarray mit Schaltern, Verstärkern und ADC: Anfang wie oben, es gibt aber sehr viele Ausgänge (üblicherweise so viele wie Spalten, also mehrere Tausend) mit je einem ADC mit veränderlicher Empfindlichkeit (Verstärkung); die ADC sind sehr einfach aufgebaut und arbeiten langsam, dafür sind es viele; das führt tendenziell zu niedrigerem Ausleserauschen; alles auf der Oberseite des Sensors, die ADCs oberhalb oder unterhalb der Spalten; Nikon und Sony seit ca. 8 Jahren;
• BSI- und stacked Sensoren: auf der einen Seite/auf dem einen Chip sind die Photodiodenarrays mit Schaltern, auf der anderen Seite/dem zweiten damit fest verbundenen Chip die Verstärker und ADCs; damit sind noch mehr ADCs möglich (mehr als 10.000), so daß für eine Spalte mehr als ein ADC zur Verfügung steht; damit lassen sich höhere Frameraten erreichen; Nikon D850 oder Sony A9; bei stacked sensors ist außerdem noch DRAM-Speicher auf dem Sensor (z. B. Sony RX100 ab IV), was Bursts mit sehr hohen Frameraten ermöglicht.

http://www.foto-schuhmacher.de/artikel/hardware/stacked-cmos.html

Edit:

Emmi87 schrieb:

Bezogen auf die digitale Fotografie handelt es sich beim ISO-Wert nicht, wie oft geschrieben wird, um eine Erhöhung der Lichtempfindlichkeit des Sensors, sondern lediglich um eine elektronische Verstärkung.

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Das ist spätestens dann, wenn der Verstärker Bestandteil des Sensors ist, das gleiche.

Sensor und Photodiode sind nicht das selbe.

Die Ursache des Ausleserauschens liegt mehr beim Verstärker als bei der Photodiode (tatsächlich in der Kombination). Dazu kommt Schrotrauschen (=Quantenrauschen, Photonenrauschen) durch die Natur des Lichts und den Detektionsprozess an sich.

Okay mir war schon klar, dass das alles sehr komplex ist (und werden kann) ... aber Photodiodenarray, AFE, DRAM-Speicher, Quantenrauschen ... ich glaub ich verbring den Tag heute bisschen mit auf dem Schlauch stehen und was liegt bei euch so an?

Ich kämpfe gegen die Entropie und deren Phänomene an und kann nur verlieren. Ich räume das Arbeitszimmer auf.

So ist das wohl in der Entropie: Wenn ich etwas verstehe (Gedanken sinnvoll ordnen) entsteht unvermeidlich ein Mehr an Durcheinander dazu.

Also Kerngedanken merken und belastendes Übergewusel wegschieben.

Gruß messi

Emmi87 schrieb:

Okay mir war schon klar, dass das alles sehr komplex ist (und werden kann) ... aber Photodiodenarray, AFE, DRAM-Speicher, Quantenrauschen ... ich glaub ich verbring den Tag heute bisschen mit auf dem Schlauch stehen und was liegt bei euch so an?

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Stell Dir ein Mikrofon vor, das ist auch immer gleich empfindlich.
An einen Verstärker angeschlossen, daran ein Lautsprecher. Ziel, der Ton aus dem Laustprecher soll dieselbe Lautstärke (Bildhelligkeit) haben.

Sprichst Du laut hinein (viel Licht) musst Du weniger verstärken, um die gewünscht Lautstärke zu erreichen.
Sprichst Du leise rein (wenig Licht) musst Du mehr verstärken, um dieselbe Lautstärke zu erreichen.

Die stärkere Verstärkung erhöht gleichzeitig das Rauschen.

Hinkt wie jeder Vergleich, hilft aber vielleicht beim Vorstellen.

Emmi87 schrieb:

Die Erhöhung des ISO-Werts hat unweigerlich auch eine Erhöhung des Rauschens zur Folge. Grund hierfür ist, dass der Sensor eine Vorspannung benötigt, um funktionieren zu können. Diese Vorspannung sorgt bereits für elektronische Ladungen innerhalb der Photodioden. Des Weiteren ist der Sensor elektromagnetischen Einflüssen in seiner Umgebung ausgesetzt, welche ebenfalls für elektronische Ladungen in den Photodioden sorgen kann.

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Nein, eigentlich nicht. Aber zum Verständnis gewöhn Dir an, in "Belichtung" zu denken als der Lichtmenge pro Fläche des Sensors, die sich ergibt aus Blende, Belichtungszeit und Motivhelligkeit, aber nicht ISO, die Belichtung strikt von der Bildhelligkeit zu unterscheiden, und das Rauschen in e- zu denken und messen.

Und dann solltest Du für die folgenden Überlegungen 4 völlig verschiedene Einflüsse der eingestellten ISO unterscheiden:

1. Die eingestellte ISO verändert bei einigen Sensorsystemen das Ausleserauschen, gemessen in e-, es wird mit steigender ISO kleiner! Sensoren, bei denen es auch bei veränderter ISO gleich bleibt, nennt man ISO-los. Das ist ein physikalischer Effekt, den man nachträglich nicht ändern kann.
2. Die eingestellte ISO verändert bei allen Sensorsystemen die Sättigungsgrenze, und zwar sinkt die pro ISO-Stufe um 1LW. Bei höherer ISO "verträgt" der Sensor nur weniger maximale Belichtung. Auch das ist ein physikalischer Effekt, den man nachträglich nicht ändern kann.
3. Die eingestellte ISO verändert bei gegebener Belichtung (Definition s.o.) die Bildhelligkeit. Das ist ein Effekt, der auch problemlos in weiten Grenzen nachträglich geändert werden kann. Aber leider glauben heute noch viele, es sei der eigentlich Sinn des ISO-Einstellrads.
4. Die eingestellte ISO wirkt auf den Belichtungsmesser, so dass der dann bei gegebener Motivhelligkeit die Belichtung so steuert, dass (2.) und (3.) automatisch halbwegs gut passen. Für höhere ISO wird automatisch weniger belichtet, und diese geringere Belichtung ist der Grund für mehr Rauschen, nicht die ISO selber. Der Einfluss auf Belichtungsmessung und -steuerung ist aber nichts weiter als eine Automatik, die für die weiteren Überlegungen einfach ignoriert werden sollte, denn sie verwirrt nur. Deshalb denkt man lieber in "Belichtung".

Und damit ist es eigentlich schon gesagt: Nicht hohe ISO führt zu stärkerem Rauschen, sondern die dafür i.a. automatisch gesteuerte geringere Belichtung. Die eingestellte ISO hat sogar einen kleinen gegenteiligen Effekt: Wenn Du Blende, belichtungszeit und Motivhelligkeit konstant hälst, dann ein Foto mit bspw. 1600ISO und eins mit 100ISO machst, dann beide nachträglich auf die gleiche Bildhelligkeit bringst (das 100ISO-Bild muss dafür um 4LW "aufgehellt" werden), dann wird das Bild mit der geringeren ISO etwas stärker rauschen, nicht umgekehrt.

Und all die Temperatur- und sonstigen Effekte auf dem Sensor spielen bei normalen Fotos praktisch keine Rolle, die sind nicht für das Rauschen verantwortlich, sondern primär die Belichtung.

Ich gehe jetzt von der kamerainternen Lichtwaage aus. Ich habe erst ein Bild gemacht mit +1 (ISO-100) und anschließend ein Bild mit -3 (ISO-1600).

Danach habe ich das Bild mit -3 (ISO-1600) in Photoshop geöffnet und via Camera RAW um 4 Stufen nach oben gehoben. Es ist sehr schwer zu sagen, welches Bild mehr rauscht.

Fakt ist jedoch, dass das nahezu identisch ist. SEHR SPANNEND!

Die nachträgliche Anhebung via Software ergibt "fast" den gleichen Effekt, zumindest auf den ersten Blick.

das wird mich jetzt verfolgen haha

Ich habe schon das Gefühl, dass das aufgehellte ISO-100 Bild mehr rauscht als das ISO-1600 Bild. Andererseits hat das ISO-100 Bild mehr Farbbrillanz, wenn man das so formulieren darf.

Natürlich ist das kein Test unter Laborbedingungen (oder so), aber auf den ersten Blick macht es den Eindruck als kauft man sich das geringere Rauschen bei einem höheren ISO-Wert mit Farbverlusten ein.

Da stellt sich doch die Frage, ob man nicht direkt im Vorfeld gezielt unterbelichten soll? Also lieber ISO-100 nehmen statt z.B. ISO-800 und dafür lieber 3 Blendenstufen/Lichtwerte nachträglich aufhellen.

PS: Weiß nicht, ob das relevant ist, aber das Bild wurde mit der "Canon 80D" gemacht. Als Objektiv habe ich das "EF 35mm 1:2 IS USM" verwendet. Das Bild entstand mit einer Mischung aus Kunstlicht (Deckenlampe) und natürlichem Licht (Fenster). Beide Bilder sind RAW-Files die mit Adobe Photoshop geöffnet wurden. Die Aufhellung erfolgte mit CameraRAW.