Ausgelagert: Dynamikumfang der D3200

[MarcDa]

Den dazugehörigen Text lesen und verstehen wäre hilfreich...

Das stimmt.

"Table 1 presents the relationship between the number of bits used to store digital information, the numerical equivalent in grayscale levels, and the corresponding value in decibels (one bit equals approximately 6 dB)"

Dynamicrange ist einfach ein VERHÄLTNIS zwischen einem Maximalwert und einem Minimalwert,

Soweit sind wir uns einig.

und dieses Verhältnis muss sich nicht auf einen Helligkeitsunterschied beschränken!

Hier verlierst du mich.

Und in dem Link von dir ist nicht der Hellgkeitskontrast gemeint!

Sondern?

 

[MarcDa]

Marc, auch bei dpreview darf man für sich in Anspruch nehmen dass man dazulernen darf. Dein Link zeigt auf einen Artikel aus 2000, bevor die große DSLR-Welle Fahrt aufnahm.

Die Bit-Werte in der Tabelle sind einfach aus dem - irgendwie ermittelten - Dynamikumfang errechnet. Dahinter steckt keinerlei logische Abhängigkeit.

Auch hier muss ich fragen, sondern?

Hast du den dpreview Artikel parat, der den aktuellen Sachstand erläutert?

Oder vielleicht hast du etwas anderen Lesestoff für mich, in dem deine Sicht der Dinge noch mal etwas ausführlicher erläutert wird?

Ich habe ja ein paar Sachen genannt und mir ist immer noch nicht klar was du genau meinst. Ich lerne ja gerne dazu und bin ja auch schon ein paar Jahre von der Uni weg. Vielleicht gibt es ja wirklich fundamentale Neuerungen in der digitalen Signalverarbeitung, die ich nicht mehr mitbekommen habe.

Grüße,
Marc

 

[Lukas D]

Hier verlierst du mich.



Sondern?

Es ist der Kontrast der Auflösung gemeint.

Mit 1 bit stehen dir max zwei Zustände zur Verfügung, min aber einer, der Kontrast ist 2:1 was 6dB entspricht.

Eine Auflösung von 1 bit ist das gleiche wie eine Auflösung von 6dB.

 

[MarcDa]

Ich glaube ich verstehe ja, wo das Missverständnis liegt. Ich weiß nur nicht, wie ich es besser erklären kann. Noch den aller-allerletzen Versuch:

Ich glaube hier denken viele so:

Ich betrachte meinen Sensor + Verstärker und A/D Wandler.

Mein Sensor hat eine „Leer“-Spannung von 0.1 V meinetwegen und einen „Full Well“ Spannung von 5V.

Und dieser Abstand zwischen 0.1 V und 5V bestimmt jetzt die Dynamic Range des Sensors, unabhängig davon mit welcher Bittiefe ich nachher das Signal digitalisiere. Soweit richtig?

Das funktioniert aber leider nicht ganz so.

Noch mal das Extrembeispiel mit 1-Bit Abtastung.

0.1V sind Schwarz (Signal 0)

5V sind Weiß (Signal 1)

Soweit klar. Aber wir tasten ja linear ab, also ist 2.4 V ebenfalls Signal 0 und 2.6 V sind schon Signal 1.

Merkt ihr was? Mit dieser 1 Bit Abtastung kann ich eben nicht die gleiche Dynamik Range (14 EV) aus meinem Sensor holen, als wenn ich mit 14 Bit abtaste. Denn alles was in der unteren Spannungshälfte liegt wird zu 0, alles in der oberen wird zu 1.

Und ja, natürlich kann der Sensor weiterhin auch die Maximalwerte bis zum Clipping aufnehmen, also hier 0.11V bis 4.99 V zum Beispiel. Aber davon kommt nichts bei mir an, weil ich nur mit einem Bit abtaste.

Deswegen brauche ich zum darstellen eines

Kontrastverhältnisses von 1:2 (1EV) 1 bit

Kontrastverhältnisses von 1:4 (2EV) 2 bit

Kontrastverhältnisses von 1:8 (3EV) 3 bit

Etc.

Aber ob das jetzt weiter hilft?

Grüße,
Marc

 

[Andreas H]

Ich lerne ja gerne dazu und bin ja auch schon ein paar Jahre von der Uni weg. Vielleicht gibt es ja wirklich fundamentale Neuerungen in der digitalen Signalverarbeitung, die ich nicht mehr mitbekommen habe.

Erklär doch einfach mal was man sich unter 6,1 Bit vorzustellen hat und wie das hier in die Diskussion paßt.

 

[MarcDa]

Es ist der Kontrast der Auflösung gemeint.

Mit 1 bit stehen dir max zwei Zustände zur Verfügung, min aber einer, der Kontrast ist 2:1 was 6dB entspricht.

Eine Auflösung von 1 bit ist das gleiche wie eine Auflösung von 6dB.

Ganz genau. Jetzt feht mir aber noch der Widerspruch zu dem was ich die ganze Zeit zu schreiben versuche.

Also noch mal ganz deutlich die Frage: Kann ich deiner Meinung nach eine "Dynamic Range" eines Sensors von 14 EV in einer 12 Bit Raw Datei vollständig abbilden?

 

[Stempel]

Tach zusammen,

ich nehme nochmal Eure Seite dort:
http://learn.hamamatsu.com/articles/dynamicrange.html
und lese wörtlich ziemlich oben:

The dynamic range is expressed in decibel units according to the following equation:

Dynamic Range = 20 × Log(Nsat/Nnoise)

where N(sat) is the linear full well capacity stated as the number of electrons and N(noise) is the total value of the read and dark noise, also expressed as the number of electrons.
...
At a typical readout rate of 1 MHz, the read noise for this CCD is about 10 electrons/pixel, which yields a dynamic range of 44,900/10 or 4,490. In order to utilize the full range of grayscale levels available with this dynamic range, the camera should have a 12-bit analog-to-digital (A/D) converter capable of resolving 4096 gray levels. Controlling the size of the read and dark noise is a critical factor in maintaining a high dynamic range in these devices.

Die Definition oben hat zunächst nichts mit einer Zahlendarstellung zu tun.

Danach ist der vorletzte Satz wieder interessant (fett gemacht). Der Beginn "Inorder to utilize the full range of grayscale values..." bedeutet nur, dass zur Nutzung aller Grauwerte mindestens 12Bit erforderlich sind. Das bestreitet ja auch Niemand hier.

In Umkehrung bedeutet dies, dass bei weniger als 12Bit (zB 8Bit) nicht alle Grauwerte zahlenmäßig abgebildet werden. Dies wird aber nicht durch Abschneiden der hellsten oder dunkelsten Grauwerte (setze weiß oder schwarz) erreicht sondern durch schlechtere Auflösung der Grauwerte durch Zahlen im gesamten Grauwertebereich.

Gruß, Wolfgang

 

[Stempel]

Also noch mal ganz deutlich die Frage: Kann ich deiner Meinung nach eine "Dynamic Range" eines Sensors von 14 EV in einer 12 Bit Raw Datei vollständig abbilden?

Ja! (s.o.) Wolfgang

 

[Andreas H]

Also noch mal ganz deutlich die Frage: Kann ich deiner Meinung nach eine "Dynamic Range" eines Sensors von 14 EV in einer 12 Bit Raw Datei vollständig abbilden?

Wenn du hier mal ganz nach unten scrollst, dann findest du eine Tabelle. In der, und im Text davor, wird erklärt dass und wie man einen Eingangsspannungsbereich in einer bestimmten Auflösung darstellen kann.

Und natürlich geht das nicht nur mit 0-15 V und 4 Bit, sondern auch mit 14, 15, 16, ... EV und 12 Bit. Die Logik ist die Gleiche, die unter dem Link beschrieben ist.

 

[MarcDa]

Erklär doch einfach mal was man sich unter 6,1 Bit vorzustellen hat und wie das hier in die Diskussion paßt.

Hier die Linie der Tabelle:
400 0.89 68:1 6.1 1.8D 37

Bei ISO 400 Hat die Kamera noch ein Kontrstverhältnis von 68:1. Um das darzustellen brauchst du 6.1 bit (2^6.1~68). Das gibt es natürlich nicht, also rundest du auf auf 7 bit.

Bit einem 7-bit Wert kannst du die "Dynamic Range" der Kamera bei 400 ISO noch darstellen. Mehr geht auch, die zusätlichen Bits sind aber dann Rauschen.

Wenn du weniger nimmst (6 Bit) kannst du nur noch ein Kontrastverhältnis von 64:1 darstellen und verschekst damit ein wenig "Dynamic Range"

 

[MarcDa]

Tach zusammen,

ich nehme nochmal Eure Seite dort:
http://learn.hamamatsu.com/articles/dynamicrange.html
und lese wörtlich ziemlich oben:

Die Definition oben hat zunächst nichts mit einer Zahlendarstellung zu tun.

Danach ist der vorletzte Satz wieder interessant (fett gemacht). Der Beginn "Inorder to utilize the full range of grayscale values..." bedeutet nur, dass zur Nutzung aller Grauwerte mindestens 12Bit erforderlich sind. Das bestreitet ja auch Niemand hier.

In Umkehrung bedeutet dies, dass bei weniger als 12Bit (zB 8Bit) nicht alle Grauwerte zahlenmäßig abgebildet werden. Dies wird aber nicht durch Abschneiden der hellsten oder dunkelsten Grauwerte (setze weiß oder schwarz) erreicht sondern durch schlechtere Auflösung der Grauwerte durch Zahlen im gesamten Grauwertebereich.

Gruß, Wolfgang

Genau und das bedeutet, dass ich weniger "Dynamic Range" habe. Siehe mein 1 bit Beispiel vorher.

Bei der 14EV/12 Bit Ausgangsfrage entsprechen die 2 fehlenden Bit am Ende der Binärzahl genau 2 EV am unteren Ende der "Sensorspannung", das was du mit "schlechterer Auflösung" beschreibst.

Wegen der logarithmischen Skalen sind entsprechen 2 EV am unteren Ende ja im 5V Beispiel:
5/4096 = 0,00122V (kleinster auflösbarer Wert in 12 bit)
5/16583 = 0.00030V (kleinster auflösbarer Wert in 14 bit)

Oh Wunder, genau der Faktor 4.

Aber gut, jetzt ist wirklich mal Pause für mich.

Viele Grüße,
Marc

 

[Stempel]

Bei ISO 400 Hat die Kamera noch ein Kontrstverhältnis von 68:1. Um das darzustellen brauchst du 6.1 bit (2^6.1~68). Das gibt es natürlich nicht, also rundest du auf auf 7 bit.

Die so benannten 6,1Bits sind nichts anderes als die Benennung des Kontrastumfangs in 6,1LW (oder engl EV). Das hat nichts mit der Zahl im RAW zu tun
Gruß, Wolfgang

 

[Lukas D]

Und dieser Abstand zwischen 0.1 V und 5V bestimmt jetzt die Dynamic Range des Sensors, unabhängig davon mit welcher Bittiefe ich nachher das Signal digitalisiere. Soweit richtig?

Jop

Das funktioniert aber leider nicht ganz so.

Doch

Noch mal das Extrembeispiel mit 1-Bit Abtastung.

0.1V sind Schwarz (Signal 0)

5V sind Weiß (Signal 1)

Beweis erbracht

Soweit klar. Aber wir tasten ja linear ab, also ist 2.4 V ebenfalls Signal 0 und 2.6 V sind schon Signal 1.

Macht ja nix, zeigt nur dass die Auflösung schlecht ist

Merkt ihr was? Mit dieser 1 Bit Abtastung kann ich eben nicht die gleiche Dynamik Range (14 EV) aus meinem Sensor holen, als wenn ich mit 14 Bit abtaste. Denn alles was in der unteren Spannungshälfte liegt wird zu 0, alles in der oberen wird zu 1.

Macht wieder nix, die max mögliche Dynamik ändert sich dadurch nicht

 

[Andreas H]

Bei ISO 400 Hat die Kamera noch ein Kontrstverhältnis von 68:1. Um das darzustellen brauchst du 6.1 bit (2^6.1~68). Das gibt es natürlich nicht, also rundest du auf auf 7 bit.

Daraus ist doch ersichtlich dass die 6,1 Bit - wie ich oben geschrieben habe - zur Veranschaulichung errechnet wurden. Ansonsten hätte sich ja wohl eine ganze Zahl von Bits ergeben.

Bei der 14EV/12 Bit Ausgangsfrage entsprechen die 2 fehlenden Bit am Ende der Binärzahl genau 2 EV am unteren Ende der "Sensorspannung", das was du mit "schlechterer Auflösung" beschreibst.

Nein, die fehlen weder am Anfang noch am Ende. Es ist einfach eine gröbere Abstufung. Nochmal, wenn du eine Länge anstelle in cm in Zoll mißt, dann enthält die Länge weniger Schritte. Kürzer wird sie aber nicht, und weder am Anfang noch am Ende wird etwas fehlen.

 

[MarcDa]

Daraus ist doch ersichtlich dass die 6,1 Bit - wie ich oben geschrieben habe - zur Veranschaulichung errechnet wurden. Ansonsten hätte sich ja wohl eine ganze Zahl von Bits ergeben.

Haben sie ja im Text geschrieben:

Bits - the number of digital bits required to store the resultant dynamic range (thus a result of 7.8 bits would require 8 bits to store the data)

 

[Mike`]

In Umkehrung bedeutet dies, dass bei weniger als 12Bit (zB 8Bit) nicht alle Grauwerte zahlenmäßig abgebildet werden. Dies wird aber nicht durch Abschneiden der hellsten oder dunkelsten Grauwerte (setze weiß oder schwarz) erreicht sondern durch schlechtere Auflösung der Grauwerte durch Zahlen im gesamten Grauwertebereich.

Es wird schlechter aufgelöst, und der hellste Wert wird nicht beschnitten, stimmt. Aber der dunkelste(ungleich 0) wird durch die schlechtere Auflösung beschnitten. Folglich hat man nun auch einen geringen Dynamikumfang.

Angenommen eine Aufnahme nutzt den vollen Umfang eines 14Bit Raws aus, dh. der dunkelste Wert (ungleich 0) ist 1, der hellste 16383, somit haben wir einen Dynamikumfang von 16383:1. Wird das gleiche Eingangssignal nun mit 12Bit kodiert, bleibt der hellste Wert gleich, dh 16383 wird nun als 4095 repräsentiert. Doch am unteren Ende sieht das anders aus, hier verliert man die Helligkeitswerte für 1,2 und 3 aus der 14Bit-Kodierung. In 12Bit ist der dunkelste Wert auch wieder 1, dieser entspricht aber ungefähr der Helligkeit des Werts 4 in der 14Bit-Kodierung. Nun hat man einen maximalen Dynamikumfang von ~16383:4 bzw 4095:1.

Das man das ohne Aufhellung nicht sieht, wenn man in den Schatten 2 EV bzw die untersten 3 Raw-Werte ungleich 0 verliert, wundert vermutlich nicht sonderlich, zudem die Sensoren auch Rauschen. Trotzdem verliert man diese 2EV zumindest theoretisch, wenn sie nicht schon durch das Rauschen vorher vernichtet worden sind.

 

[MarcDa]

Macht wieder nix, die max mögliche Dynamik ändert sich dadurch nicht

Sorry, wenn du jetzt ernsthaft argumentierst, dass ich mit einem Bit 14 EV "Dynamic Range" darstellen kann, dann bin ich mit meinem Latein am Ende.

Warum überhaupt 14 und nicht gleich 15? oder 38?

Ich wünsch euch was.

 

[Nasan]

Bei entsprechendem Mapping kann man mit 1bit tatsächlich einen unendlichen Dynamikumfang abbilden. Dann ist 0 als absolutes Dunkel und 1 als absolutes Licht definiert. Man kann dann zwar nichts ausser den 2 Zuständen speichern aber der Dynamikumfang ist unendlich.

 

[Stempel]

Sorry, wenn du jetzt ernsthaft argumentierst, dass ich mit einem Bit 14 EV "Dynamic Range" darstellen kann, dann bin ich mit meinem Latein am Ende.

Das hat der Lukas hier schon öfter getan, und andere wie ich pflichteten bei. Ich versuch es noch einmal anders am Beispiel:

Wir nehmen 2(!) Sensoren und benennen die Grauwerte mit Zahlen. Gleiche Zahl ist gleicher Grauwert. Dieses sind reelle Zahlen, und wir haben eine stetigen Graukeil.

Sensor eins kann die Grauwerte 41-52 und Sensor 2 speichert 1-100. Gleiche Zahl ist gleicher Grauwert. Kleine Zahl ist dunkel, große Zahl ist hell.

Nun kommt der tolle AD Wandler oder eine andere Blackbox und macht daraus ganze Zahlen für die RAW Dateil. Wir haben aber nur die Zahlen 0-3 (=2Bits).

Dann werden bei Sensor eins für die Grauwerte
41-43 die 0
44-46 die 1
47-49 die 2
50-52 die 3
zugeordnet.

Bei Sensor 2 sind dies:
1-25 die 0
26-50 die 1
51-75 die 2
76-100 die 3

Erst viel später werden den Zahlen 0-3 des RAW Farben des Bildes zugeordnet.

Gruß, Wolfgang

 

[Mike`]

Bei entsprechendem Mapping kann man mit 1bit tatsächlich einen unendlichen Dynamikumfang abbilden. Dann ist 0 als absolutes Dunkel und 1 als absolutes Licht definiert. Man kann dann zwar nichts ausser den 2 Zuständen speichern aber der Dynamikumfang ist unendlich.

Ich wäre der Meinung, mit einem Bit ist der Dynamikumfang eins - der hellste Wert ist 1, der dunkelste ungleich 0 ist aber genau der gleiche: 1:1=1.