Verhältnis von Rauschen und Dynamik

PENTA-X · 13. Apr. 2011

Hi,

gerade in den Testberichten zur K-7 war des öfteren zu lesen, dass, wenn die K-7 ein anderes Rauschverhalten zeigen würde, automatisch der Dynamikumfang zunehmen würde.

Da ich mir das nicht vollkommen erklären kann, frage ich hier mal bzw. stelle es zur Diskussion: Inwiefern gibt es einen Zusammenhang zwischen Rauschen und Dynamik?

Bei einer Audioquelle ist es recht einfach so zu erklären, dass erstmal das Niveau der Störgeräusche erreicht werden muss, um darauf dann das eigentliche Audiosignal wahrzunehmen.

Aber ist das bei einer Bildquelle analog?
Denn hier sind ja helle und dunkle Bildanteile im Spektrum, die nicht einfach durch das Rauschen überlagert werden, sondern immer noch als hell oder dunkel wahrnehmbar sind.

Nilfisk · 13. Apr. 2011

PENTA-X schrieb:
Bei einer Audioquelle ist es recht einfach so zu erklären, dass erstmal das Niveau der Störgeräusche erreicht werden muss, um darauf dann das eigentliche Audiosignal wahrzunehmen.

Aber ist das bei einer Bildquelle analog?
...

Was Du hier beschreibst ist das Rauschen selber. Der Dynamikbereich entspricht dem Verhältnis des größtmöglichen Nutzsignals zum Rauschen (Signal-Rausch-Abstand oder engl. Signal to Noise). Für einen Audioübertragungspfad wird das Signal mit der größten Amplitude, die noch unverzerrt übertragen werden mit dem Eigenrauschen des Kanals in Beziehung gesetzt. Ganz analog ist es - vereinfacht gesagt - beim Bildsensor das Verhältnis der hellsten Struktur, die noch differenziert dargestellt werden kann zum Eigenrauschen des Sensors, also der dunkelsten Struktur, die man noch darstellen kann.
Wenn man etwas genauer hinsieht, wird vor allem das Rauschen nicht nur durch den Sensor, sondern auch durch die folgende Verstärkung, Filterung und Quantisierung (Analog-Digital-Wandlung) beeinflusst. Es wird Rauschen hinzufügt, wodurch der Signal-Rausch-Abstand nochmals sinkt (der Dynamikbereich leidet). Das ist eine der Ursachen dafür, dass ein und der gleiche Sensor in unterschiedlichen Kameras verbaut bessere oder schlechtere Ergebnisse im Rauschen und in der Dynamik liefern kann.

BAIP · 13. Apr. 2011

Ich befürchte, das ist noch ein wenig komplizierter.
Was wir Menschen im Bild noch erkennen können, hängt vom CNR ab - CNR = Contrast to Noise Ratio. Umfangreiche Tests - u.a. bei Boeing - haben gezeigt, dass für normale Darstellungen auf dem Computer Monitor mit 300cd/m^2 (Weisswert bei 1cd/m^2 Schwarzwert) ein CNR von 2,5 notwendig ist, damit ein 4 Pixel grosses Detail mit 96% Wahrscheinlichkeit erkannt wird.
Das nächste Punkt ist die Kontrast-Auflösung des Sensors. Die K7 hat eine auf hohen Kontrast-Auflösungen getrimmten Sensor; er bildet auf den 255 als JPG herausgegebenen Stufen einen geringen Helligkeits-Bereich ab, dafür aber sehr fein abgestuft. Im Ergebnis stehen dann bei (rauscharmen ISO100) nur 7,8 Blendenstufen zur Verfügung. Der Vorteil ist, dass kleine Helligkeitsunterschiede (mit CNR>2,5) aufgelöst werden, also erkennbar sind. Der Nachteil ist, dass leicht Bereiche in die Sättigung gehen (nur noch weiss) oder im Dunklen absaufen (im Rauschen untergehen oder gleich ganz schwarz sind). Das wird allgemein als geringe Dynamik bezeichnet.
Die K5 mit dem SONY Sensor ist genau anders herum aufgestellt - sie erlaubt einen großen Dynamik-Umfang im Bild (ca. 9,7 Blendenstufen); das wird zum einen durch eine geringere "Steilheit" erzielt, zum anderen durch ein sehr geringes Eigenrauschen (und ISO80 - damit kann mehr Licht auf den Sensor gebracht werden und das Quantenrauschen wird noch geringer). Man kann also die dunklen Bereiche noch etwas "aufdrehen", ohne dass das Rauschen sichtbar wird und dadurch in den interessanten Bereichen eine ähnliche Kontrast-Auflösung wie die K7 bekommen - besonders bei Teleaufnahmen, die eher Kontrast-arm ausfallen, wird das gern gemacht.

Wenn das Rauschen steigt (z.B. weil weniger Licht den Sensor erreicht und umgesetzt wird), steigt der mittlere Schwarzwert um den halben Rauschpegel an (aber auch die Varianz einer einfarbigen Fläche wird größer). Es reduziert sich das CNR, denn bei gleichem Kontrast steigt das Rauschen. Im gleichen Masse reduziert sich dann auch der Dynamik-Umfang, weil "unten" etwas wegfällt.
Fast alle Kameras haben die höchste Dynamik bei den geringsten Empfindlichkeiten (meist ISO 100 oder ISO 80).

Klaus89 · 13. Apr. 2011

BAIP schrieb:
Ich befürchte, das ist noch ein wenig komplizierter.
Was wir Menschen im Bild noch erkennen können, hängt vom CNR ab - CNR = Contrast to Noise Ratio. Umfangreiche Tests - u.a. bei Boeing - haben gezeigt, dass für normale Darstellungen auf dem Computer Monitor mit 300cd/m^2 (Weisswert bei 1cd/m^2 Schwarzwert) ein CNR von 2,5 notwendig ist, damit ein 4 Pixel grosses Detail mit 96% Wahrscheinlichkeit erkannt wird.
Das nächste Punkt ist die Kontrast-Auflösung des Sensors. Die K7 hat eine auf hohen Kontrast-Auflösungen getrimmten Sensor; er bildet auf den 255 als JPG herausgegebenen Stufen einen geringen Helligkeits-Bereich ab, dafür aber sehr fein abgestuft. Im Ergebnis stehen dann bei (rauscharmen ISO100) nur 7,8 Blendenstufen zur Verfügung. Der Vorteil ist, dass kleine Helligkeitsunterschiede (mit CNR>2,5) aufgelöst werden, also erkennbar sind. Der Nachteil ist, dass leicht Bereiche in die Sättigung gehen (nur noch weiss) oder im Dunklen absaufen (im Rauschen untergehen oder gleich ganz schwarz sind). Das wird allgemein als geringe Dynamik bezeichnet.
Die K5 mit dem SONY Sensor ist genau anders herum aufgestellt - sie erlaubt einen großen Dynamik-Umfang im Bild (ca. 9,7 Blendenstufen); das wird zum einen durch eine geringere "Steilheit" erzielt, zum anderen durch ein sehr geringes Eigenrauschen (und ISO80 - damit kann mehr Licht auf den Sensor gebracht werden und das Quantenrauschen wird noch geringer). Man kann also die dunklen Bereiche noch etwas "aufdrehen", ohne dass das Rauschen sichtbar wird und dadurch in den interessanten Bereichen eine ähnliche Kontrast-Auflösung wie die K7 bekommen - besonders bei Teleaufnahmen, die eher Kontrast-arm ausfallen, wird das gern gemacht.

Wenn das Rauschen steigt (z.B. weil weniger Licht den Sensor erreicht und umgesetzt wird), steigt der mittlere Schwarzwert um den halben Rauschpegel an (aber auch die Varianz einer einfarbigen Fläche wird größer). Es reduziert sich das CNR, denn bei gleichem Kontrast steigt das Rauschen. Im gleichen Masse reduziert sich dann auch der Dynamik-Umfang, weil "unten" etwas wegfällt.
Fast alle Kameras haben die höchste Dynamik bei den geringsten Empfindlichkeiten (meist ISO 100 oder ISO 80).

Hallo Baip,
super Beschreibung einer etwas schwierigen Materie. Frage hierzu: Du beschreibst eine Tonwertabstufung von 255 (=8 bit). Hat die im Gespräch von Nikon (D700) 16 bit und damit 64 k Abstufungen im SW-Bereich. Wäre ja grandios. Nur welcher Drucker kommt da noch hinterher.
Gruß Klaus

-drs- · 14. Apr. 2011

Klaus89 schrieb:
...Nur welcher Drucker kommt da noch hinterher.
Gruß Klaus

keiner!!! die 16 Bit werden für "saubere“ 12 Bit verwendet die restlichen 4 Bit sind quasi „Opferbits“ die das Rauschen von den 12 Bit weiter nach hinten weg ziehen, die Unterschiede sind sichtbar (obwohl viele es eher bestreiten wollen) reißt der Tonwert bei 16 Bit weniger ab als mit 12 Bit... aber 16 Bit haben ja nur die MF-Kameras oder? bei der K5 sind es nur 14 Bit, diese haben die Aufgabe den Dynamikumfang des K5 Sensors von 14 Ev zu überbrücken...

BAIP · 14. Apr. 2011

Zum Glück ist auch das nicht so ganz richtig. Professionelle Drucker für Röntgenbilder schaffen schon den Bereich bis D4,5 - das reicht für 16 Bit. Der Film/Folie ist dann so dunkel, dass man problemlos damit in die Sonne schauen kann.
Unsere Digital-Detektoren für Röntgenaufnahmen von industriellen Objekten schaffen auch 16 Bit; die Signale werden mit 18 Bit digitalisiert und 2 Bit als Rausch-Bits geopfert (auch um die Datenübertragung kompakt zu halten). Im PC integriert können sogar bis zu 24 Bit realisiert werden, nur sind dann Belichtungszeiten wie zu Filmzeiten von 25 Minuten angesagt. Der Dynamik-Umfang reicht dann, um 0,05% Kontrast-Auflösung von 1mm bis 100mm Aluminium zu erzielen.
Die 14 Bit der K5 habe ich einmal gegen einen sehr guten Röntgenfilm (Agfa D2) verglichen - die K5 löst bis in die letzten beiden Bits auf - sofern ausreichend Licht vorhanden ist. Das entspricht auch dem Dynamik-Umfang des Film bzw. ist etwas darüber. Die K7 kann das bei weitem nicht so gut, da reichte es nicht einmal für den D4 Film ...

@Klaus89:
Die 255 Abstufungen pro Farbe bezogen sich nur auf das JPG Bild DooC. Mit JPEG 2000 wäre natürlich auch 16 Bit (65.keks) Abstufungen pro Farbe drin, aber das wird nur von wenigen Kameras unterstützt und imho nicht von Pentaxen (oder?).

kollege_tom · 15. Apr. 2011

Nur mal ne ganz blöde Frage:

Wenn bei der k-7 von 7,8 Blendenstufen gesprochen wird, bezieht sich das ja auf jpg. Im Vergleich mit der k-5 wird von 14 Blendenstufen geredet, das bezieht sich aber "nur" auf Raw.
Wenn ich beispielsweise dpreview nehme, so spricht deren Test sogar von "nur" 8,5 EV bei den Base jpg Einstellungen bezüglich der k-5 , je nach Veränderung der Einstellungn von knapp unter 10 EV.
Im Rawr springt wie gesagt die k-5 Performance auf 14 EV, die der k-7 "nur" auf 10,5.
Trotzdem ist es ja irgendwie wie mit den Äpfel und Birnen, wenn man den jpg DR der k-7 mit dem Raw DR Bereich der k-5 vergleicht, oder?

Natürlich ist die k-5 da massiv besser - 2,x Blendenstufen mehr in Standardeinstellungen und über 3 in Raw ist schon ne Hausnummer.
Trotzdem schleicht sich da bei mir das Gefühl ein, dass die k-7 da schlechter gemacht wird, als sie ist.

Und ja, mir ist bewusst, dass sich der nutzbare EV Bereich der 7 vor allem im jpeg mit steigenden Isozahlen extrem verkleinert.

Gruß,
Tom

Matthis · 15. Apr. 2011

BAIP schrieb:
Die K7 hat eine auf hohen Kontrast-Auflösungen getrimmten Sensor; er bildet auf den 255 als JPG herausgegebenen Stufen einen geringen Helligkeits-Bereich ab, dafür aber sehr fein abgestuft. Im Ergebnis stehen dann bei (rauscharmen ISO100) nur 7,8 Blendenstufen zur Verfügung. Der Vorteil ist, dass kleine Helligkeitsunterschiede (mit CNR>2,5) aufgelöst werden, also erkennbar sind. Der Nachteil ist, dass leicht Bereiche in die Sättigung gehen (nur noch weiss) oder im Dunklen absaufen (im Rauschen untergehen oder gleich ganz schwarz sind). Das wird allgemein als geringe Dynamik bezeichnet.
Die K5 mit dem SONY Sensor ist genau anders herum aufgestellt - sie erlaubt einen großen Dynamik-Umfang im Bild (ca. 9,7 Blendenstufen); das wird zum einen durch eine geringere "Steilheit" erzielt, zum anderen durch ein sehr geringes Eigenrauschen (und ISO80 - damit kann mehr Licht auf den Sensor gebracht werden und das Quantenrauschen wird noch geringer). Man kann also die dunklen Bereiche noch etwas "aufdrehen", ohne dass das Rauschen sichtbar wird und dadurch in den interessanten Bereichen eine ähnliche Kontrast-Auflösung wie die K7 bekommen - besonders bei Teleaufnahmen, die eher Kontrast-arm ausfallen, wird das gern gemacht.

Du sprichst von unterschiedlich "getrimmten" Sensoren. Ist es nicht so, dass die Sensoren alle grundsätzlich eine lineare Charakteristik haben, derjenige der K-7 aber schlicht mehr rauscht, was (in RAW) zu einem höheren Schwarzwert führt, der bei der Umsetzung in JPEG dadurch kaschiert wird, dass der Schwarzpunkt höher gesetzt wird mit der Folge einer steileren (kontrastreicheren) Gradation?

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