16 BIT = Unsinn?

[Mi67]

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.

Nein, das war von mir nicht so gemeint. zunächst schrieb ich, dass selbst ohne Ausleserauschen eine ideale 16-Bit-Wandlung eines Sensorpixels mit FWC = 15.000 Nonsense wäre, da die Digitalisierungsstufen der untersten beiden Bits dann die Viertelphotonen und die Halbphotonen repräsentieren würden. Im folgenden sagte ich dann, dass man hoffen dürfe, dass durch das Verklappen der untersten Bits wenigstens die Hoffnung bestünde, dass die oberen Bits sauber gewandelt sind und nicht zusätzlich zum Ausleserauschen noch ein signifikantes Quantisierungsrauschen mit hinzukommt.

Nehme ich eine Kamera mit einem exzellenten SNR (z.B. die Nikon D700) und wandle diese mit 10 Bits, so würden selbst ideale Wandlerbausteine durch eine relativ grobe Diskretisierung ein signifikantes Quantisierungsrauschen erzeugen. Mit 12-, 14- oder 16-bit Wandlung senke ich dieses Risiko in der Tendenz ab, wobei die Annahme getätigt wird, dass ein 16-bit Wandler in seinen obersten 10 Bits sauberer arbeitet, als ein 10-Bit-Wandler über seinen Gesamtbereich.

 

[zzzip]

Mit 12-, 14- oder 16-bit Wandlung senke ich dieses Risiko in der Tendenz ab, wobei die Annahme getätigt wird, dass ein 16-bit Wandler in seinen obersten 10 Bits sauberer arbeitet, als ein 10-Bit-Wandler über seinen Gesamtbereich.

Irgendwie lese ich immer das Gleiche aus Deinen Antworten. Ein Signal, dessen Darstellung 10 Bits in einem 16 Bit Wandler braucht, ist nicht besser aufgelöst als eines, das 10 Bit in einem, sonst gleichen, 10 Bit Wandler braucht. Ich sehe nur den Vorteil die sowieso verrauschten niederwertigen Bits des 16 Bit Wandlers einfach weglassen zu können. Das man mit 16 Bit Wandlung weniger Quantisierungsrauschen als z.B. 10 Bits bekommt, ist nur richtig, wenn der Bereich auch ausgenutzt wird.

Aber ich will mich gar nicht am Quantisierungsrauschen festbeissen. Wenn der Sensor in erster Instanz gar kein hinreichend gutes Signal liefert, treten die nachfolgenden Verschlechterungen in den Hintergrund.

 

[Mi67]

Irgendwie lese ich immer das Gleiche aus Deinen Antworten. Ein Signal, dessen Darstellung 10 Bits in einem 16 Bit Wandler braucht, ist nicht besser aufgelöst als eines, das 10 Bit in einem, sonst gleichen, 10 Bit Wandler braucht. Ich sehe nur den Vorteil die sowieso verrauschten niederwertigen Bits des 16 Bit Wandlers einfach weglassen zu können.

Und was machst Du mit einem *realen* 10-Bit-Wandler, der seinerseits in den untersten beiden Bits nur Müll erzeugt? Es liegt auf der Hand, dass ein idealer 14-bit-Wandler vermutlich besser als ein schlechter 16-bit-Wandler sein kann. An welchen Specsheets aber will man dies festmachen? Als Nutzer wird man nur hoffen können, dass die Teile in den Produkten gut aufeinander abgestimmt sind und nicht ein schlechter Wandler den Sensor und dessen Ausleseelektronik böse in Mitleidenschaft zieht.

Das man mit 16 Bit Wandlung weniger Quantisierungsrauschen als z.B. 10 Bits bekommt, ist nur richtig, wenn der Bereich auch ausgenutzt wird.

Nicht wirklich. Das Quantisierungsrauschen an sich ist die Störkomponente, welche durch die Stufigkeit des AD-Wandlers erzeugt wird. Sie wird durch geeignete Dimensionierung des AD-Wandlers hoffentlich nicht relevant und geht infogedessen im Ausleserauschen unter. Anders wäre dies, wenn Du eine Nikon D3 bei niedrigem ISO mit einem perfekten 6-bit-Wandler kastrieren würdest. Das Bild wäre voller Quantisierungsartefakte und massiv in Dynamik und Tonwertskala beeinträchtigt.

Aber ich will mich gar nicht am Quantisierungsrauschen festbeissen. Wenn der Sensor in erster Instanz gar kein hinreichend gutes Signal liefert, treten die nachfolgenden Verschlechterungen in den Hintergrund.

Ebend. Deswegen würde mich eine vergleichende Werbung "Produkt X wandelt mit 12 Bits, Produkt Y mit 16 und Produkt Z gar mit 22 Bits" nicht sonderlich beeindrucken. Wie schon ein gewisser Altkanzler sagte: "Entscheidend ist, was hinten ...".

 

[zzzip]

Das Quantisierungsrauschen an sich ist die Störkomponente, welche durch die Stufigkeit des AD-Wandlers erzeugt wird.

Meine Rede. Deswegen sind die Abstufungen eines Signals auch gleich, wenn sie in x Bits kodiert werden, egal ob der A/D-Wandler viel mehr Abstufungen darstellen kann. Natürlich wird dadurch ein Teil des Eingangsbereichs des leistungsfähigeren Wandlers verschenkt. Das ist genau der Effekt, den man mit "Expose to the right" umgehen will.

 

[Mi67]

Meine Rede. Deswegen sind die Abstufungen eines Signals auch gleich, wenn sie in x Bits kodiert werden, egal ob der A/D-Wandler viel mehr Abstufungen darstellen kann.

Selbst wenn die vermehrten Zwischenstufen einer 16-Bit-Wandlung nur stochastisches Rauschen repräsentieren sollten, die Abstufungen sind eben nicht die gleichen, als wenn sie in deutlich geringerer Bittiefe gewandelt wären. Letzteres birgt nun mal die Gefahr der Tonwertabrisse.

Vielleicht hilft ja diese Lektüre etwas im Verständnis dessen, was ich meine:
https://www.dslr-forum.de/showthread.php?t=400734

Hier wird durch Simulation eines Rauschens in den unteren Bits eine Artefakt-ärmere Darstellung erzeugt, die eine bereits geschehene diskrete Tonstufung (Quantisierungsproblem) aufwändig wieder elimiert. Der gleiche Effekt würde auch dann auftreten, wenn die Sensorsignale nicht mit etwas "Überexaktheit" abgetastet werden, sodass flächenhaft identische Tonstufen erzeugt würden. Meine 5D kann ich problemlos in diese Problemzonen treiben. Die Farbtiefe der damaligen CR2 RAW-Abspeicherung reicht gerade nicht ganz aus, um bei niedrigen ISO-Werten die Daten ohne Quantisierungsartefakte abzuspeichern. Erzeugt man später stärkere Belichtungskorrekturen, so erhält man trotz RAW deutliche Farbwertstufen ( aka: Tonwertabrisse oder "posterization").

 

[Manni1]

Für 14 BIT sind bereits 16.000 Photonen notwendig, für 16 BIT wären es 64.000 Photonen.

Woher haste diese Erkenntnis? Ich kenne keinen, der mir die genaue Anzahl meiner fotografierten Photonen nennen könnte.
Nebenbei - was ist an der genauen Zahl denn so wichtig? Bin froh, wenn ein Bild ordentlich belichtet wurde...

Und nochwas - Du schreibst später "stengt euren Kürbis mal etwas mehr an, es geht nicht um Photonen sondern um Elektronen."
Spar Dir den pampigen Ton & überleg Dir bei der Fragestellung, welche Elementarteilchchen Du suchst.

 

[Gast_84737]

Woher haste diese Erkenntnis? Ich kenne keinen, der mir die genaue Anzahl meiner fotografierten Photonen nennen könnte.
Nebenbei - was ist an der genauen Zahl denn so wichtig? Bin froh, wenn ein Bild ordentlich belichtet wurde...

Und nochwas - Du schreibst später "stengt euren Kürbis mal etwas mehr an, es geht nicht um Photonen sondern um Elektronen."
Spar Dir den pampigen Ton & überleg Dir bei der Fragestellung, welche Elementarteilchchen Du suchst.

Hallo, ich denke du solltest den Bezug zu meiner Antwort herstellen. Ich bezweifele ernsthaft, ob du dich angesprochen fühlens solltest. Und wie aus meinem unbeholfenen Einstieg festzustellen war, fehlt mir die Kenntnis zu den Elemtarteilchen die gesucht und gefunden wurden.

 

[Ste]

... Ich kenne keinen, der mir die genaue Anzahl meiner fotografierten Photonen nennen könnte.
....

Das nicht, aber die maximale Photonenzahl die ein Pixel aufnehmen kann, die kann man schon errechnen. Das ist dann die maximale Signalstärke (sozusagen das reine Weiss, weisser geht es nicht (oder der Eimer ist voll, voller geht es nicht) und weitere Photonen werden deshalb dann üblicherweise abgeleitet bzw. es kommt zu unschönen Effekten. Und wenn diese Anzahl mit 14 Bit abgedeckt wird (zB. 16000 Photonen als Maximum = full well capacity), braucht man theoretisch keine 16 Bit und kann trotzdem allen Zwischenstufen abbilden.

 

[Mi67]

Das nicht, aber die maximale Photonenzahl die ein Pixel aufnehmen kann, die kann man schon errechnen. Das ist dann die maximale Signalstärke (sozusagen das reine Weiss, weisser geht es nicht (oder der Eimer ist voll, voller geht es nicht) und weitere Photonen werden deshalb dann üblicherweise abgeleitet bzw. es kommt zu unschönen Effekten. Und wenn diese Anzahl mit 14 Bit abgedeckt wird (zB. 16000 Photonen als Maximum = full well capacity), braucht man theoretisch keine 16 Bit und kann trotzdem allen Zwischenstufen abbilden.

Zwischen den Bits und den Photonen liegen so viele Zwischenschritte, dass dieser Vergleich so sehr hinkt, wie die Feststellung, dass Flensburg und Garmisch 1000 km voneinander entfernt liegen und man daher 2^16 Leitpfosten brauche.

Selbst bei einer Full-Well-Capacity von 800.000 Elektronen benötigt man nicht zwangsläufig 20 Bits, oder auch 16 Bits um das Ganze zu digitalisieren.

Unsere wissenschaftlichen "Wald-und-Wiesen-Kameras" schlucken maximal so um die 18.000 Elektronen /Pixel (entspr. ca. 40.000 Photonen im Grünbereich). Dennoch werden sie mit einer 10-Bit-Wandlung gut ausgelesen. Klar ist hier die Wandlerelektronik deutlich feiner geraten, als bei einer DSLR. Dennoch: Bittiefe der Wandlung und Full Well Capacity können einen variablen Zusammenhang ergeben. Die kennzahl, die dies beschreibt, ist das Umsetzungsverhältnis (in Elektronen per digital number).

 

[Ockham]

Das nicht, aber die maximale Photonenzahl die ein Pixel aufnehmen kann,

Pixel die Photonen speichern? Das könnte den Nobelpreis bedeuten.

 

[Ste]

Zwischen den Bits und den Photonen liegen so viele Zwischenschritte, dass dieser Vergleich so sehr hinkt, wie die Feststellung, dass Flensburg und Garmisch 1000 km voneinander entfernt liegen und man daher 2^16 Leitpfosten brauche.

Selbst bei einer Full-Well-Capacity von 800.000 Elektronen benötigt man nicht zwangsläufig 20 Bits, oder auch 16 Bits um das Ganze zu digitalisieren.

Unsere wissenschaftlichen "Wald-und-Wiesen-Kameras" schlucken maximal so um die 18.000 Elektronen /Pixel (entspr. ca. 40.000 Photonen im Grünbereich). Dennoch werden sie mit einer 10-Bit-Wandlung gut ausgelesen. Klar ist hier die Wandlerelektronik deutlich feiner geraten, als bei einer DSLR. Dennoch: Bittiefe der Wandlung und Full Well Capacity können einen variablen Zusammenhang ergeben. Die kennzahl, die dies beschreibt, ist das Umsetzungsverhältnis (in Elektronen per digital number).

Naja, eben das spricht dafür das 16 Bit bei der Kamera eben nicht nötig oder sinnvoll sind. Das war ja mal die Ausgangsfrage. Schliesslich glauben ganz viele, dass eben dieses das Alleinstellungsmerkmal sei und die Kamera sozusagen auf dieser Basis den digitalen Mittelformatkameras insbesondere im Dynamikbereich entspricht. Die Bilder werden es zeigen (oder auch nicht).

 

[Mi67]

Schliesslich glauben ganz viele, dass eben dieses das Alleinstellungsmerkmal sei und die Kamera sozusagen auf dieser Basis den digitalen Mittelformatkameras insbesondere im Dynamikbereich entspricht. Die Bilder werden es zeigen (oder auch nicht).

OK, wenn man sich auf das noch ungeborene Kind namens D3x beziehen will, so ist das natürlich zum jetzigen Zeitpunkt reine Dampfplauderei. Ich versuchte die Sache eher prinzipiell anzugehen.

BTW: da eine evtl. irgendwann erscheinende D3x sicherlich nicht einen Sensor hat, der größer als KB ist, dabei aber eher mit kleineren Pixeln eine höhere Auflösung annehmen wird, als die inder Dynamik derzeit führende D3/D700, darf man derzeit davon ausgehen, dass eine D3x nicht unbedingt bahnbrechend neue Dynamik-Rekorde erklimmen wird. Damit dürfte sich die Frage nach besonders fein gestufter AD-Wandlung auch schon wieder erübrigt haben. Ich denke eher, dass 12, 14 oder 16 Bit Datensatzlänge in der Verarbeitungsgeschwindigkeit keine Unterschiede mehr machen und dass ein 16-bit A/D-Wandlerbaustein auch keinen größeren Kostenfaktor mehr ergibt. Erst im Moment des Abspeicherns muss man die Hosen herablassen und nachweisen, dass eine Farbtiefe von mehr als 12 (14) Bit/Farbauszug in RAW noch zusätzlich nutzbare Daten mit sich bringt.

 

[Rudeofus]

Ich bin ein bisserl erstaunt, warum jetzt alle die Hände über dem Kopf zusammenschlagen wegen dem angeblichen 16-Bit-ADC. Wenn ihr euch die Nikon CoolScan Filmscanner anschaut, da haben die teureren auch 16-Bit-Wandler drin, der CoolScan V (billiger als eine DSLR) immerhain auch 14 Bit. Daraus schließe ich, dass Nikon das (zumindest bei Liniensensoren) im Griff hat - seit Jahren. Würde ein DSLR-tauglicher Wandler wirklich nur 10 Bit schaffen, dann wäre das RAW-Format ziemlich hinfällig, weil 8 Bit kann JPEG auch ....

 

[Mi67]

Wenn ihr euch die Nikon CoolScan Filmscanner anschaut, da haben die teureren auch 16-Bit-Wandler drin, der CoolScan V (billiger als eine DSLR) immerhain auch 14 Bit.

Zustimmung.

Kleine ausführende Anmerkung hierzu: Diascanner brauchen wegen der großen Dichteunterschiede bei Diapositiv (ca. 3-3,5 Zehnerpotenzen) unbedingt eine enorm hohe Dynamik. Dies ist wegen der geringeren Geschwindigkeitsanforderungen (Zeilensensoren) und einer guten Lichtquelle auch etwas leichter zu erzielen, als mit einer DSLR. Die Wandler können hier also relativ gemächlich getaktet arbeiten, was der Bestimmungsgenauigkeit entgegenkommt. Sollte die Dynamik immer noch nicht genügen, so kann man auch zwei Scandurchläufe mit unterschiedlicher Lampenhelligkeit bzw. Integrationszeit für die Digitalisierung heranziehen (z.B. per Silverfast-Scansoftware).
A/D-Wandlerbausteine sind Standardteile, die nicht notwendigerweise von den Kameraherstellern selbst kommen müssen und in unterschiedlichen Gütespezifikationen (und Preisen) bezogen werden können.

Würde ein DSLR-tauglicher Wandler wirklich nur 10 Bit schaffen, dann wäre das RAW-Format ziemlich hinfällig, weil 8 Bit kann JPEG auch ....

JPEG zieht bei Standardeinstellungen in seinen 8 Bit Farbtiefe durch nicht-lineare Skalierung (im sRGB-Farbraum) sogar schon gut 9 Blendenstufen Eingangskontrast zusammen.

 

[laerche11]

Die Auflösung der Sensoren ist wohl besser als 8Bit

Wenn Du damit glücklich wirst, dann glaube es.

wegen der großen Dichteunterschiede bei Diapositiv (ca. 3-3,5 Zehnerpotenzen)

Da muss ich doch was verschlafen haben: Dias hatten zumindest zu der Zeiz,als ich Dia fotografiert habe, ca. 9 Blendenstufen Dynamik. Das sind 0,5 Zehnerpotenzen.

 

[Mi67]

Da muss ich doch was verschlafen haben: Dias hatten zumindest zu der Zeiz,als ich Dia fotografiert habe, ca. 9 Blendenstufen Dynamik. Das sind 0,5 Zehnerpotenzen.

Diapositiv-Emulsionen haben ca. 6-7 Blendenstufen Eingangsdynamik, die durch eine sehr steile Schwärzungsfunktion in gut 3 Dichtestufen Ausgabekontrast umgesetzt werden. Aus diesem Grund (Kontrastaufsteilung) wirken ja Dias so brilliant.

9 Blendenstufen hat meines Wissens kein Diafilm als Eingangsdynamik gebracht. Ausserdem: 2^9 = 512 = 10^2,7. 9 Blendenstufen entsprechen also 2,7 Zehnerpotenzen.

 

[stephan2807]

Da muss ich doch was verschlafen haben: Dias hatten zumindest zu der Zeiz,als ich Dia fotografiert habe, ca. 9 Blendenstufen Dynamik. Das sind 0,5 Zehnerpotenzen.

Wie Du auf die 0,5 Zehnerpotenzen kommst ist mir schleierhaft. 10 Blendenstufen sind 3 Zehnerpotenzen. 9 dann etwa 2.7.

Und ja: die Sensoren liefern problemlos mehr als 8 Bit an nutzbarer Helligkeitsinformation. Einige aktuelle Kameras auch mehr als 11 Bit.

Die hohen Werte können aber zwar ohne nennenswert Information zu verlieren erheblich komprimiert werden, Kompression vor der Quantisierung nutzt aber meines Wissens keine aktuelle Kamera. Und auch wenn: ein 8Bit-Wandler wäre immer noch knapp.

 

[Mi67]

... ein 8Bit-Wandler wäre immer noch knapp.

... zumal ein "einfacher 8-bit Wandlerbaustein" typischerweise nicht über die gesamten 8 Bit komplett akkurat wandelt. Wenn bei einem 10-bit Wandler die oberen 8 Bits sauber sind, dann ist das schon OK. Analog: der 12-Bit Wandler bringt vielleicht die oberen 10 Bits sauber, etc. ...

 

[stephan2807]

... zumal ein "einfacher 8-bit Wandlerbaustein" typischerweise nicht über die gesamten 8 Bit komplett akkurat wandelt. Wenn bei einem 10-bit Wandler die oberen 8 Bits sauber sind, dann ist das schon OK. Analog: der 12-Bit Wandler bringt vielleicht die oberen 10 Bits sauber, etc. ...

Jepp. Alleine der Gain-Error liegt normalerweise schon deutlich über einem LSB, und da kommen noch ein paar andere Fehler dazu.
Dann noch der ganze Mist mit Tonwertabrissen bei so ner knappen Quantisierung. Nee, dann doch lieber etwas höher auflösen.

 

[laerche11]

Wie Du auf die 0,5 Zehnerpotenzen kommst ist mir schleierhaft. 10 Blendenstufen sind 3 Zehnerpotenzen. 9 dann etwa 2.7

.

OK. Hab nicht nachgerechnet, nur geschätzt, und das daneben. Jedenfalls sind´s nicht bis zu 3,5 Zehnerpotenzen, wie Mi67 behauptet.

Und ja: die Sensoren liefern problemlos mehr als 8 Bit an nutzbarer Helligkeitsinformation. Einige aktuelle Kameras auch mehr als 11 Bit.

Als Gerücht höre ich es immer wieder. Es mag vielleicht für MF - Kameras gelten. Aber an einer Crop - Kamera hab ich persönlich noch nichts gesehen, was deutlich über 8 Blendenstufen hinausgeht. Schon bei mittleren ISO (und oft auch bei ISO unter 200) bleiben nur mehr 6 bis 7 Blendenstufen übrig.

Wenn mans genau nimmt, ist die Dynamik von der Skala abhängig, die man betrachtet. Wenn du die Information über den ganzen Sensor mittelst, kommst Du natürlich auf riesige Werte. Mit einem knackigen Foto hat das aber nichts zu tun.