22-Bit-A/D Wandler -Pentax K10D

[Zonker!]

@Mi67
Mir ist schon klar, dass das rein theoretische Zahlen sind. Wollte nur mal auf die SNR von 22Bit hinweisen...

mfg Matthias

 

[Matthis]

Dennoch ist es vom Rauschen her gesehen besser, wenn man das analoge Signal verstärkt und nicht erst später das digitale. Ein Beispiel. Nehmen wir ich hab eine Aufnahme bei ISO 200 massiv mit 3 Blendenstufen unterbelichtet. Wenn ich diese Fehlbelichtung im Raw-Konverter korrigiere nimmt das Rauschen wesentlich stärker zu, als wenn ich schon vorher das Bild mit ISO 800 aufgenommen hätte.

Aber nur deshalb, weil die 12 Bit des RAW nicht reichen. Um 2 Belichtungsstufen gepusht, bleiben 10 Bit. Das ist dann für eine saubere Gamma-Korrektur zu wenig, Stichwort Quantisierungsrauschen. Mit 22 Bit hätte man das Problem nicht. Deshalb kann die K10D ISO 100 auf ISO 1600 hochrechnen, ohne zusätzliches Quantisierungsrauschen zu erzeugen.

 

[Mi67]

Aber nur deshalb, weil die 12 Bit des RAW nicht reichen. Um 2 Belichtungsstufen gepusht, bleiben 10 Bit. Das ist dann für eine saubere Gamma-Korrektur zu wenig, Stichwort Quantisierungsrauschen. Mit 22 Bit hätte man das Problem nicht. Deshalb kann die K10D ISO 100 auf ISO 1600 hochrechnen, ohne zusätzliches Quantisierungsrauschen zu erzeugen.

Die Gammakorrektur geschieht ja erst im Rahmen der Farbraumzuweisung, also nach der Bayer-demosaic-Rechnung. Betreibt man nur diese Rechnung in der Kamera oder im RAW-Konverter mit höherer Genauigkeit, so werden auch bei nur 10 bit-Rohdaten im Rahmen der Gammakorrektur keine Tonwertabrisse zustande kommen. In den RAW-Konvertern ist die Rechengenauigkeit sicherlich höher.

Wenn man ISO-1600 aus einem mit ISO-100 ausgelesenen Bild erzeugt, dann ist Quantisierungsrauschen das geringere Problem:
ISO-100: ca. 15-25 Elektronen Ausleserauschen auf ca. 25-40.000 full well capacity. Ergibt bei 12-Bit-Kodierung ein Umsetzungsverhältnis von ca. 4-6 Elektronen/Bit. Da ein Pixel 15-25 Elektronen rauscht, ergibt eine Quantifizierung mit 4-6 Elektronen/Bit nur einen sehr geringen zusätzlichen Rauscheintrag durch Quantisierungsrauschen. Im untersten Bits stehen fast ausschliesslich Zufallswerte, im zweituntersten auch noch >50% stochastische Daten, erst im drittuntersten Bit kommt dominant das Nutzsignal durch. Wenn ich mit 22 Bit auslese, so ist einfach die Zahl der Bits, in denen Zufallswerte stehen, nicht auf die untersten drei beschränkt, sondern auf die unteren 13 Bits.

Gehe ich aber mit diesen Daten erst nach der Wandlung auf ISO-1600, so würden die obersten 4 Nutz-Bits verworfen und die folgenden 5-6 Nutzdaten-tragenden Bits mitsamt den 1-3 (12-Bit-Kodierung) bzw. 11-13 (22-Bit-Kodierung) stochastisch besetzten Bits nach oben geshiftet. Hat keinen Vorteil in Nutzsignal, aber - wie ja bereits gefallen ist - Vorteile da sonst rein auf der Limitation der Digitalisierungsstufen Tonwertabrisse zustande kommen können. Ein RAW-Konverter, der dieses Spielchen mit 12-Bit-Datensätzen macht, müsste halt intelligenterweise die unten hineingeshifteten Bits auch noch mit Zufallswerten füllen, dann wäre es auch dort vermieden.

 

[Matthis]

Die Gammakorrektur geschieht ja erst im Rahmen der Farbraumzuweisung, also nach der Bayer-demosaic-Rechnung. Betreibt man nur diese Rechnung in der Kamera oder im RAW-Konverter mit höherer Genauigkeit, so werden auch bei nur 10 bit-Rohdaten im Rahmen der Gammakorrektur keine Tonwertabrisse zustande kommen. In den RAW-Konvertern ist die Rechengenauigkeit sicherlich höher.

Hm. Da beim Demosaicking interpoliert wird, entstehen keine Tonwertabrisse. Aber ein Informationsverlust ist doch trotzdem da? Sonst könnte man ohne weiteres im RAW-Konverter z.B. von ISO 100 auf ISO 400 pushen ohne nennenswerte Einbusse gegenüber einer Aufnahme mit ISO 400.

... Gehe ich aber mit diesen Daten erst nach der Wandlung auf ISO-1600, so würden die obersten 4 Nutz-Bits verworfen und die folgenden 5-6 Nutzdaten-tragenden Bits mitsamt den 1-3 (12-Bit-Kodierung) bzw. 11-13 (22-Bit-Kodierung) stochastisch besetzten Bits nach oben geshiftet. Hat keinen Vorteil in Nutzsignal, aber - wie ja bereits gefallen ist - Vorteile da sonst rein auf der Limitation der Digitalisierungsstufen Tonwertabrisse zustande kommen können. Ein RAW-Konverter, der dieses Spielchen mit 12-Bit-Datensätzen macht, müsste halt intelligenterweise die unten hineingeshifteten Bits auch noch mit Zufallswerten füllen, dann wäre es auch dort vermieden.

Ist es tatsächlich so, dass diese Bits *nur* Rauschen enthalten, oder handelt es sich um ein von Rauschen überlagertes Nutzsignal?

 

[Frank Klemm]

@digidau: Der 22-Bit-Wandler hat allem Anschein nach 2 Vorteile:
1. Empfindlichkeiten über der Grund-Empfindlichkeit des Sensors (ISO 100) können durch "digitale Verstärkung" erreicht werden. Eine analoge Verstärkung fällt weg.
2. Gewisse Korrekturen, z. B. Weissabgleich, können bereits in die RAW-Daten eingerechnet werden, ohne dass Tonwertabrisse entstehen.
Die "Körnung" (alias Sensorrauschen) ist aber trotzdem noch vorhanden.
Die 22 Bit sind vermutlich deutlich mehr als nötig. Vermutlich ähnlich wie ein CD-Player mit 24-Bit-Wandler: vielleicht nützt es nichts, jedenfalls schadet es nichts denn die Technik ist nicht mehr teuer. Ausserdem hat der Nucore-Prozessor nun mal 22 Bit.
Gerüchteweise soll ein Firmwareupdate später einmal RAW-Daten mit 16 Bit ermöglichen. Darauf würde ich mich aber nicht verlassen.

Nikon speichert in den Raw-Dateien wahrscheinlich um die 8 bit mit nichtlinearer Quantisierung:

Das scheint für die Bildgenerierung auszureichen.

300...500 : 43 Linien
3000...3200: 15 Linien

Riecht danach, daß nur 9 bit pro Pixel abgespeichert werden:

UrsprünglicherWert[x] = x * (x + 72 ) / 73

oder

UrsprünglicherWert[0] = 0
UrsprünglicherWert[x] = UrsprünglicherWert[x-1] + 1 + Integer ( x / 123 )

 

[Frank Klemm]

Noch mal zur Farbwiedergabe:

Aus diesen spektralen Empfindlichkeiten könnte man ausrechnen, wie die Kameras (D70 und 10D) das Spektrum sehen.
Auf jeden Fall gibt es bei beiden Kameras Ärger mit richtigen Violett, das wird blau dargestellt. Gemixtes Violett (das ist nie so kräftig) aus Rot und Blau hat damit nichts zu tun.

 

[Mi67]

Hm. Da beim Demosaicking interpoliert wird, entstehen keine Tonwertabrisse. Aber ein Informationsverlust ist doch trotzdem da? Sonst könnte man ohne weiteres im RAW-Konverter z.B. von ISO 100 auf ISO 400 pushen ohne nennenswerte Einbusse gegenüber einer Aufnahme mit ISO 400.

Nein, die Einbusse bliebe auch bei feiner Quantisierung bestehen, da bei hoherem ISO nicht etwa der Wandler nur auf geringere Eingangsspannungen losgelassen wird, sondern die Gain-Stufe vor der Wandlung hochgedreht wird. Wenn nun also die Gainstufe nicht hochgedreht wird, bleibt das Ausleserauschen auf höchstem Niveau. Wird die Gainstufe genutzt, so wird der A/D-Wandler durch Konditionierung des Eingangssignals in seinem Optimalbereich betrieben und das Ausleserauschen sinkt ab. Daher ist ein real bei ISO-400 aufgezeichnetes Bild günstiger als ein Bild, welches von ISO-100 kommend um zwei Blenden digital push-entwickelt wird.

Ist es tatsächlich so, dass diese Bits *nur* Rauschen enthalten, oder handelt es sich um ein von Rauschen überlagertes Nutzsignal?

Ich werfe einen Stein in die tosende Brandung und sage, dass der folgende Brecher nur die Wellen meines Steines überlagere.

 

[eReL]

Schön, dass niemand versucht, die theoretische Diskussion mit praktischen Ergebnissen aus der K10D zu unterbrechen...

Ich wäre übrigens selbstlos bereit, für 2000,- Euro (Vorkasse) meine K10d demjenigen zur Verfügung zu stellen, der sie auseinanderbauen und die Elektronik analysieren möchte!

 

[Mi67]

Ich wäre übrigens selbstlos bereit, für 2000,- Euro (Vorkasse) meine K10d demjenigen zur Verfügung zu stellen, der sie auseinanderbauen und die Elektronik analysieren möchte!

Normalerweise mache ich so etwas ja nicht, aber: OK, ich nehme die Kamera - die Kontoverbindung, auf die Du die 2000 ? vorab überweisen darfst, schicke ich Dir nach Bestätigung per PN.

 

[kassandro]

Aber nur deshalb, weil die 12 Bit des RAW nicht reichen. Um 2 Belichtungsstufen gepusht, bleiben 10 Bit. Das ist dann für eine saubere Gamma-Korrektur zu wenig, Stichwort Quantisierungsrauschen. Mit 22 Bit hätte man das Problem nicht. Deshalb kann die K10D ISO 100 auf ISO 1600 hochrechnen, ohne zusätzliches Quantisierungsrauschen zu erzeugen.

Quantisierungsrauschen ist genau das richtige Wort, das mir fehlte.

Gehe ich aber mit diesen Daten erst nach der Wandlung auf ISO-1600, so würden die obersten 4 Nutz-Bits verworfen und die folgenden 5-6 Nutzdaten-tragenden Bits mitsamt den 1-3 (12-Bit-Kodierung) bzw. 11-13 (22-Bit-Kodierung) stochastisch besetzten Bits nach oben geshiftet. Hat keinen Vorteil in Nutzsignal, aber - wie ja bereits gefallen ist - Vorteile da sonst rein auf der Limitation der Digitalisierungsstufen Tonwertabrisse zustande kommen können. Ein RAW-Konverter, der dieses Spielchen mit 12-Bit-Datensätzen macht, müsste halt intelligenterweise die unten hineingeshifteten Bits auch noch mit Zufallswerten füllen, dann wäre es auch dort vermieden.

Würde man es so machen, so würde man das Quantisierungsrauschen wohl mindern, dafür aber auch Details verlieren. Dann wäre es wirklich besser, einfach die Schatten zu glätten.

 

[patrickhh]

bevor mir nicht jemand das gegenteil beweist halte ich die 22 bit für den marketinggag. es handelt sich wohl eher um einen 12bit wander mit 10bit zufallszahlengenerator.
kein technisches oder elektronisches gerät kann so viel nuancen eines messwertes erfassen. ich kann ja auch nicht mit einer lkw-waage messen wie viel ein vogel wiegt

Meine Soundkarte konnte schon vor 6 Jahren in 24 bit sampeln.
Wieviel Rauschen das Eingangssignal mitbringt, ist natürlich ne andere Sache.

 

[Mi67]

Quantisierungsrauschen ist genau das richtige Wort, das mir fehlte.

Würde man es so machen, so würde man das Quantisierungsrauschen wohl mindern, dafür aber auch Details verlieren. Dann wäre es wirklich besser, einfach die Schatten zu glätten.

Nehmt einfach mal eine der Rausch-ärmsten DSLRs, die Canon 5D, fotografiert in ISO-100 in RAW und zieht die Schatten hoch. Was da zutage tritt, ist dann zum allerkleinsten Teil ein Quantisierungsrauschen. Wenn man sich über Tonwertabrisse beklagt, so kann man die Kamera selbst mit ihrer Wandler- und Speichertaktik nur dann beschuldigen, wenn ein aus RAW in 16-Bit TIFF gewandeltes Bild auch noch diese Tonwertabrisse zeigt.

 

[Mi67]

Meine Soundkarte konnte schon vor 6 Jahren in 24 bit sampeln. Wieviel Rauschen das Eingangssignal mitbringt, ist natürlich ne andere Sache.

... ebenso wie die Frage, wieviel Rauschen die Eingangsstufe und die Wandlerelektronik der Soundkarte selbst noch mitbringen.