16 BIT = Unsinn?

[Gast_84737]

Es beschäftigt mich eine Frage, die sehr komplex recherschiert werden muß - und wo ich kein Ergebnis finde. Macht es Sinn den Sensor der D3x mit 16 BIT auszulesen - oder liefern die Pixel keine genügenden Photonen hierzu? Für 14 BIT sind bereits 16.000 Photonen notwendig, für 16 BIT wären es 64.000 Photonen. Zählen die Analog-digital-Wandler der DSLR überhaupt 14 bzw. 16 BIT effektiv aus? Es geht um die volle Füllung der Photodioden des Sensors - und den angeschlossenen Wandler.

 

[Christian Knüll]

Hi,

16 Bit bringt der A/D Wandler bzw. Sensor sicher nicht - wir haben je nach Situation ja schon bei 8 Bit gelegentlich mehr Rauschen als uns lieb ist und die letzten paar Bits sind dann auch in den besten Situationen einfach nur noch Rauschen (in dem Zusammenhang wäre es sicher auch interessant sich solche Dateien mal unkomprimiert anzusehen - es wäre gut möglich, dass die hintersten Bits einfach immer Nullen sind - oder bestimmte Werte nie vorkommen).
Anyway... 16 Bit sind dennoch praktisch - es sind 2 Byte und kann ohne große Mathematik schnell zu einer standardmässigen 8Bit Grafik umgerechnet werden, indem das niederwertige Byte einfach übersprungen wird.

Viele Grüße
Christian

 

[Stempel]

Nur weil 2**14 ungefähr 16000 ist, sind keineswegs nur so'n paar popelige Photonen "erforderlich" um 14 Bits zu "bedienen". Dann wäre jedes Photo (auch 8 Bit) ein Zufallsflickenteppich, bestehend also nur aus Rauschen.

Es dürften also mindestens viele Millionen Photonen erforderlich sein, damit ein Pixel nachher sagt, es sei grad mal weiß hier.

Gruß, Wolfgang

 

[peschmae]

Photonen sind ja auch ziemlich klein, da haben schon etwas mehr als 2^14 oder 2^16 auf einer Sensorzelle Platz

 

[Gast_84737]

stengt euren Kürbis mal etwas mehr an, es geht nicht um Photonen sondern um Elektronen.

 

[scope]

- oder liefern die Pixel keine genügenden Photonen hierzu? [...] Photonen [...] Photonen.

stengt euren Kürbis mal etwas mehr an, es geht nicht um Photonen sondern um Elektronen.

Wer sollte hier seinen "Kürbis anstrengen"?

 

[Ringnebel]

stengt euren Kürbis mal etwas mehr an, es geht nicht um Photonen sondern um Elektronen.

Und was glaubst du, soll diese Elektronen auslösen? Aufforderung zurück an Absender!

 

[Christian Knüll]

Hi,

kapverd hat schon recht - es sind zwar Photonen die das Bild "machen" - aber es sind Elektronen die vom CCD bzw. CMOS verarbeitet werden. Wie das Verhältnis Photonen zu Elektronen aussieht habe ich leider bisher nicht rausgefunden - aber etwas Googeln nach der maximalen Elektronenkapazität eines Pixels hat mich dann doch etwas überrascht. Eine wissenschaftliche 1,4 Megapixel Kamera mit großem Sensor kann gerade einmal 80000 Elektronen je Pixel aufnehmen (mein Bauchgefühl hätte ein paar Größenordnungen mehr vermutet). Bei unseren kommerziellen 10+ Megapixel Monstern sieht es da wohl um Welten schlechter aus... 16 Bit gehen also gerade mal bei allerfeinstem wissenschaftlichen Equipment - zu mehr reichen nicht mal die Elektronen.

Viele Grüße
Christian

 

[Christof Abt]

Hallo,
die Daten sind byteorieniert. Die Auflösung der Sensoren ist wohl besser als 8Bit und da muss man eben auf 16Bit übergehen, obwohl die letzten Bits keine echte Information mehr beinhalten.
Gruß

 

[Ringnebel]

Hi,

kapverd hat schon recht - es sind zwar Photonen die das Bild "machen" - aber es sind Elektronen die vom CCD bzw. CMOS verarbeitet werden.

Da es aber keine halben Photonen gibt, ist die Genauigkeit mindestens durch die Photonenzahl begrenzt.

 

[Ringnebel]

Hallo,
die Daten sind byteorieniert. Die Auflösung der Sensoren ist wohl besser als 8Bit und da muss man eben auf 16Bit übergehen, obwohl die letzten Bits keine echte Information mehr beinhalten.

Dann kann man sie auch weglassen und den Speicherplatz sparen, so wie man es heute mit den RAW-Formaten tut. Die Ausgabemedien schaffen sowieso allesamt keine 16Bit. Daher muss ohnehin irgendwann umgerechnet werden.

 

[palooza]

Dann kann man sie auch weglassen und den Speicherplatz sparen, so wie man es heute mit den RAW-Formaten tut. Die Ausgabemedien schaffen sowieso allesamt keine 16Bit. Daher muss ohnehin irgendwann umgerechnet werden.

ja, aber wenn die information da wäre, erhielte man mehr spielraum bei der bearbeitung, bzw der auswahl welche informationen man denn dann bei der runterrechnung erhalten möchte.

 

[Ringnebel]

ja, aber wenn die information da wäre, erhielte man mehr spielraum bei der bearbeitung, bzw der auswahl welche informationen man denn dann bei der runterrechnung erhalten möchte.

Hast du denn bei 14Bit Probleme damit feststellen können?

 

[Christof Abt]

Dann kann man sie auch weglassen und den Speicherplatz sparen, so wie man es heute mit den RAW-Formaten tut. Die Ausgabemedien schaffen sowieso allesamt keine 16Bit. Daher muss ohnehin irgendwann umgerechnet werden.

Hallo,
die Daten vom Sensor werden ja erstmal nicht gespeichert sondern in JPEG oder RAW umgerechnet und dann gespeichert. Diese Rechnerei erfolgt eben mit 8Bit oder 16Bit oder 32Bit.
Gruß

 

[Ste]

Es beschäftigt mich eine Frage, die sehr komplex recherschiert werden muß - und wo ich kein Ergebnis finde. Macht es Sinn den Sensor der D3x mit 16 BIT auszulesen - oder liefern die Pixel keine genügenden Photonen hierzu? Für 14 BIT sind bereits 16.000 Photonen notwendig, für 16 BIT wären es 64.000 Photonen. Zählen die Analog-digital-Wandler der DSLR überhaupt 14 bzw. 16 BIT effektiv aus? Es geht um die volle Füllung der Photodioden des Sensors - und den angeschlossenen Wandler.

Mir ist noch nicht klar, ob der A/D Wandler mit 16Bit ausgelesen wird oder nur die Weiterverarbeitung mit 16Bit stattfindet. Das ist ja nicht präzise formuliert von Nikon. Die verweisen nur auf den Expeed Processor. Das Auslesen geht aber bisher nur dann schnell, wenn es auf dem Sensor erfolgt. Das war ja auch die Innovation der neuesten Nikon Kameras. Und da sah man auch, dass bei 14Bit die Seriengeschwindigkeit stark abnahm. Nicht umsonst hat die a900 von Sony nur 12Bit A/D. Die Serienbildgeschwindigkeit bei der D3x ist aber für die Datenmenge hoch. Das spricht für mich gegen 16 Bit A/D Wandler auf dem Sensor. Und wenn doch, kann man gleich die Frage nach dem Rauschen anfügen, da der Chip dann ziemlich warm werden dürfte.

Ansonsten hängt Sinn und Unsinn sehr stark an der Full Well Kapazität des einzelnen Pixels. Und da diese grundsätzlich kleiner wird bei sich verkleinernden Pixel, wäre der Wert schon interessant. Wenn er deutlich unter 64.000 Photonen liegt brauch man nämlich keine 16 Bit.

Also es bleibt spannend.

 

[Mi67]

Mir ist noch nicht klar, ob der A/D Wandler mit 16Bit ausgelesen wird oder nur die Weiterverarbeitung mit 16Bit stattfindet.

Es würde zumindest einen gewissen Sinn machen, wenn die Quantisierungsgenaugkeit von Wandler und Weiterverarbeitung übereinstimmen. Welche sinnvolle (oder sinnlose) Quantisierungstiefe nachher beim Abspeichern noch beibehalten wird, steht dann auf einem anderen Blatt.

@OP:
- 16-Bit-Wandler = 65.536 Stufen der Digitalisierung
- Einzelpixel = ca. 10.000-40.000 Elektronen maximale Speicherkapazität
- Ausleserauschen typischerweise um 15-25 Elektronen

Das Umsetzungsverhältnis bei Wandlung wird dann entweder 0,15-0,7 Elektronen / digit betragen oder die obersten Bits des Wandlers würden sinnloserweise nicht genutzt werden.


Was bedeutet das übersetzt für den Techniklaien:

Bei 0,25 Elektronen / digit würden also paradoxe sub-Elektronen-Genauigkeiten notwendig sein, um in den untersten 2 Bits sinnvolle Daten zu bekommen. Selbst in den Bits 3 und 4 werden Zufallszahlen stehen, während bei den Bits 5 und 6 langsam zum Rauschen ein nutzbarer Signaltrend hinzukommt. Bits 7 und 8 werden dann zunehmend von Nutzdaten dominiert und die Bits 9-16 tragen zuverlässige Nutzinformation.

Ergo hat man hinter einer 16-Bit-Wandlung natürlich immer noch keine 16-Bit Nutzinformation. Dies dürfte man von einem 16-Bit-Wandlerbaustein allerdings auch nicht erwarten. Wenn dieser über die oberen 14 Bits auber arbeitet, dann ist es schon ein besseres Teil. Wenn dann im Verbund mit einem exzellenten Sensor 12 Blendenstufen Dynamik herauskommen, dann ist dies ein ganz exzellenter Wert!

Ergo: 16-Bit Wandlung braucht man nur in dem Sinn, als dass man dann davon ausgehen darf, dass die Wandlung über die oberen 12-14 Bits schon sehr gut ist und dass sich ein Quantisierungsrauschen nur in sehr geringem Ausmass auf das Ausleserauschen aufmoduliert.

 

[Gast_84737]

So ähnlich habe ich befürchtet. Die Auslesegenauigkeit wird mit 16bit besser ohne das mehr Inforamtionen da sind. Aber immerhin, es scheint eine Fehlerquellenminimierung zu sein.

 

[zzzip]

Ergo: 16-Bit Wandlung braucht man nur in dem Sinn, als dass man dann davon ausgehen darf, dass die Wandlung über die oberen 12-14 Bits schon sehr gut ist und dass sich ein Quantisierungsrauschen nur in sehr geringem Ausmass auf das Ausleserauschen aufmoduliert.

Wenn mein Nutzsignal 14Bit umfasst, ist die Quantisierung immer gleich groß, egal ob mit originär 14 Bit gemessen wurde oder 16 Bit durch Division mit 4 auf den selben Umfang heruntergerechnet wurden. Das außerdem Meßfehler und anderer Unrat in den unteren 2 Bits wegfallen dürfte der Haupteffekt sein. Pentax hatte die K10D seinerzeit auch mit 22 Bit Verarbeitung angekündigt. Effektiv gemeint war wohl nur, daß man bei der Verarbeitung des Meßwertes ohne Rundungen auskam.

 

[Mi67]

Wenn mein Nutzsignal 14Bit umfasst, ist die Quantisierung immer gleich groß, egal ob mit originär 14 Bit gemessen wurde oder 16 Bit durch Division mit 4 auf den selben Umfang heruntergerechnet wurden. Das außerdem Meßfehler und anderer Unrat in den unteren 2 Bits wegfallen dürfte der Haupteffekt sein. Pentax hatte die K10D seinerzeit auch mit 22 Bit Verarbeitung angekündigt. Effektiv gemeint war wohl nur, daß man bei der Verarbeitung des Meßwertes ohne Rundungen auskam.

Ich bin mir nicht ganz sicher, ob Du meinen Satz verstanden hast.
Das Nutzsignal ist zunächst mal ein analoges Signal und hat keine Bits sondern allenfalls einen Maximalausschlag und ein Signalrauschen, zwischen denen ein SNR liegt, den es möglichst verlustarm zu sampeln gilt. Gemessen wird also immer erst mal analog, die Wandlung kann nun mit x-Bit Digitalisierungstiefe geschehen, wobei angenommen werden sollte, dass das Signal vor der Wandlung so konditioniert wird, dass der Nutzbereich des AD-Wandlers gut ausgeschöpft wird, d.h. bei 16-Bit-Wandlung hinten Werte von seagen-wir-mal 50-50.000 herauskommen. der Bereich oberhalb 50.000 werde als "Sicherheitsabstand" nach oben hin offen gelassen, die unteren Grenzen entstehen durch Rauschen, Dunkelstrom, ... irgendwelche Konstantsignale, die später im Rahmen der Schwarzpunkt-Definition teils wieder subtrahiert werden können.

 

[zzzip]

Ich bin mir nicht ganz sicher, ob Du meinen Satz verstanden hast.

Ich glaube schon. Du schreibst doch, daß 16 Bit Digitalisierung mit anschließender Reduktion auf 14 Bit geringeres Quantisierungsrauschen produzieren als direkte Digitalwandlung mit 14 Bit. Das ist nicht so. Das die höhere Bittiefe technische Vereinfachungen oder Verbesserungen bringt, ist unbestritten.