Ausgelagert: Dynamikumfang der D3200

[Andreas H]

Wenn ich in der Ausgabe den Wert 1 habe, kann ich daraus nur folgern, dass die Helligkeit <= 4 war, sie kann auch noch kleiner gewesen sein als das, was der Sensor überhaupt registrieren kann.
...
Nochmal anders gewendet: Die Dynamik beginnt erst bei der Helligkeit, ab der ich einen Helligkeitsunterschied feststellen kann.

In deinem Zahlenbeispiel gibt es doch einen klaren Unterschied zwischen der 0 (der du keinen Wert zuweist, weil sie außerhalb deines Messbereichs liegt), und der 1 (der du einen Wert zuweist). Du kannst also einen Helligkeitsunterschied zwischen 0 und 1 sehr wohl feststellen.

Ob das Ganze fotografisch (!) im Dynamikumfang liegt, das kann man anhand dieser Zahlenspielerei ohnehin überhaupt nicht feststellen. Die Untergrenze des Dynamikumfangs liegt in der Fotografie da, wo Strukturen im Rauschen untergehen. Das Rauschen durch Quantisierungsfehler dürfte aber eine eher untergeordnete Bedeutung haben, es ist nur einer von mehreren Faktoren.

Deshalb kann man den Dynamikumfang wohl nur durch Messungen bestimmen.

 

[Gast_194966]

Ach Leute, beißt Euch doch nicht an der Wikipedia-Definition fest. "Dynamik" oder "Dynamikumfang" beschreibt einfach nur die Spanne (das Verhältnis) zwischen kleinstem und größtem sinnvoll unterscheidbarem Messwert.

Welche "Dynamik" erreiche ich denn mit einem Zollstock, den ich auf +/-1mm genau ablesen kann? Von Dynamik würde man da wohl nicht sprechen, aber es taugt vielleicht als Beispiel. Nun, der größte Messwert ist 2000 +/-1 mm, der kleinste wäre vielleicht 2 +/-1 mm. Die "Dynamik" wäre also etwa 1000.

So weit ganz einfach. Und jetzt will ich die Ergebnisse aufschreiben und als Messwert weitergeben. Wieviele Dezimalstellen (ich benutze mal nicht bits, aber da wäre es nicht anders) brauche ich und wie beschneiden die die Spanne sinnvoller Messwerte? Reicht eine Stelle, also 0m, 1m oder 2m? Nein, offensichtlich nicht. Oder 2? 0,1m, 1,3m und 2,0m? Nein, wir brauchen 4 Stellen, um von 0,002m bis 2,000m alle Messwerte ausreichend genau darzustellen. Noch mehr Stellen helfen aber nichts, die Angabe 1,375000m enthält keine zusätzliche Genauigkeit meines Messergebnisses. Die letzten 3 Stellen sind irrelevant (und dürften da in diesem Fall gar nicht stehen) und sie wären es auch, wenn dort was anderes als "000" stünde. Und übrigens ist deshalb der Messwert "2m" etwas ganz anderes als "2,000m", denn die relevanten Nachkommastellen beschreiben die Genauigkeit des Messwerts. Die Angabe 2m sagt strenggenommen aus, dass er nicht genauer als +/-0,5m bekannt ist.

Und was wäre in diesem Kontext ein "Kontrast"?



Gruß, Matthias

 

[DefRay]

Ja, aber du kannst ihn nachher nicht mehr von den anderen Werten in dem Intervall unterscheiden. Die Information ist verloren.

Wenn du eine Szene mit 20 EV Dynamikumfang (Tunneleingang im Sonnenlicht oder so) mit deinem 14 EV Sensor fotografierst, passiert das gleiche. Du belichtest meinetwegen in die Mitte, aber die unteren 3 EV werden auf den kleinsten Messwert (Schwarz) abgebildet und die oberen 3 EV auf den größten (Weiß).

Aber unterscheiden kannst du diese Informationen nachher nicht mehr -> der (nutzbare) Dynamikumfang deiner Sensor + A/D-Wandlerkombination war zu klein für deine Szene.

Um es mit deinen Worten zu sagen: Klar misst du diese Eingangswerte und bildest sie ab (auf Schwarz und Weiß). Aber davon hast du nix.

Viele Grüße,
Marc

Beim Übergang Motiv > Sensor wird der Kontrast aber beschnitten und das Motiv auf einen Bereich zw. 0 Photonen und Full Well Capacity begrenzt (z.B. 14EV).

Beim Übergang Sensordaten > RAW wird dagegen komprimiert, 1 Helligkeitswert statt 4, der Kontrast wird aber nicht viermal kleiner (nur ein wenig).

Ersterem kann man durch eine andere Sensortechnologie mit stark nichtlinearer Charakteristik beikommen oder durch die Erstellung von HDR-Bildern.
Letzterem durch Verwendung eines nichtlinearen ADC oder eben eines ADC mit mind. sovielen bits wie die Sensordynamik.


EDIT:

Und was wäre in diesem Kontext ein "Kontrast"?

Imho wäre in diesem Beispiel der Kontrast 1,998m, nämlich vom kleinsten zum größten Messwert.
Der Motivkontrast könnte natürlich viel größer sein (vielleicht willst du mit dem 2m Zollstock eine 10,54m lange Hauswand abmessen).
Dann kann ich nur mehrach unterschiedliche Teile messen (HDR), jeweils mit einer Dynamik von 1000 und einem Kontrast von 1,998m und diese dann zum vollem Motivkontrast bei komprimierter Dynamik zusammensetzen oder eben ein 15m Maßband nehmen das in der Mitte vielleicht sehr ungenau, an den Enden aber mm-genau misst, also "nichtlinear" arbeitet (blödes Beispiel aber was solls).

Nun kommt in der Kamera aber die Quantisierung dazu. D.h. ich könnte zwar mit einer Dynamik von 1000 die "Strecke" (Kontrast) von 2mm bis 2m messen, kann diese aber in meinem "Medium" (z.B. Notizblock) nur in 1cm-Schritten notieren. Meine Dynamik wird dann auf ca. 200 komprimiert (weil ich nur mind. 1cm messen kann), ich messe aber nach wie vor eine Strecke von knapp 2m aus.


Irgendwie werden die Beispiele hier gleichzeitig anschaulicher aber immer abwegiger =)

 

[dannysspieler85]

...

Irgendwie werden die Beispiele hier gleichzeitig anschaulicher aber immer abwegiger =)

macht aber nichts, da dann alle zumindest vom gleichen reden und damit wird das hauptproblem in dieser diskussion etwas entschärft...

 

[Gast_194966]

Irgendwie werden die Beispiele hier gleichzeitig anschaulicher aber immer abwegiger =)

Dann stell Dir vor, ich hätte ausschließlich diesen Zollstock zur Verfügung und sollte damit etwas kompexes, bspw. einen Baum, ausmessen, würde Dir die Ergebnisse nur auf 3 relevante Stellen genau mitteilen und Du solltest den Baum nachbauen. Ich könnte die Höhe des Baums gar nicht messen, sondern nur z.B. Stammdurchmesser, Äste, Zweige, vielleicht Blätter und Blüten, aber schon keine Details der Rinde, der Blätter oder Blüten. Wenn ich Dir die Daten mit voller Genauigkeit geben würde, könntest Du etwas bauen, was einem Baum noch halbwegs ähnlich sähe, aber kaum Details zeigen würde. Bei geringerer Genauigkeit käme dabei etwas kaum noch identifizierbares raus.



Gruß, Matthias

 

[Friedhelm]

Habt Ihr das schon auf dem Zettel?

DPreview Samples der 3200

Wenn ja, dann sorry.

mfg

p.s.: Die High ISO Performance (ISO 12800) beeindruckt mich dann doch etwas...

 

[Stempel]

Quantisierungsrauschen von quantisierten, ehemals stetigen Signalen bei einem Quantisierungsabstand von x liegt bei x/sqrt(12) ~ 0,29*x.

Das Quantisierungsrauschen spielt bei unserem Problem nicht mit. Quantisierungsrauschen ist zum Design zum von CD Systemen wichtig, wenn entschieden wird, in welcher Qualität man welche Vielfalt von anologen Geräuschen digital wiedergegeben werden soll.

Hier gibt es keine Vielfalt. Es wird exakt die lineare Abbildung y = ax + b digitalisiert, d.h. als Treppe diskretisiert. Dadurch gibt es natürlich Abweichungen von der Geraden. Diese Abweichungen unterliegen aber keinerlei Zufall sondern sind völlig im Vorraus bekannt. Ohne König Zufall keine Statistik, ohne Statistik kein Rauschen.

Bekannt ist dabei insbesondere, dass diese Abweichungen an den Eckpunkten der Treppe exakt 0 sind. Damit wird der Dynamikumfang des Eingenngssignals vollständig abgebildet.

Überschattet wird die Exaktheit allerdings vom bereits hinlänglich diskutierten Ausleserauschen, welches das untere Ende der Treppe festlegt. Da es konstant in absoluten Werten des Eingangs (zB 42 Ladungsträger) ist, zieht es sich bis oben durch. Da am hellen Ende die Zahl der Ladungsträger durch Photonenbeschuss bei meitetwegen 2^14 liegt, spielt es oben keine wichtige Rolle mehr.

 

[MarcDa]

Beim Übergang Motiv > Sensor wird der Kontrast aber beschnitten und das Motiv auf einen Bereich zw. 0 Photonen und Full Well Capacity begrenzt (z.B. 14EV).

Beim Übergang Sensordaten > RAW wird dagegen komprimiert, 1 Helligkeitswert statt 4, der Kontrast wird aber nicht viermal kleiner (nur ein wenig).

Ersterem kann man durch eine andere Sensortechnologie mit stark nichtlinearer Charakteristik beikommen oder durch die Erstellung von HDR-Bildern.
Letzterem durch Verwendung eines nichtlinearen ADC oder eben eines ADC mit mind. sovielen bits wie die Sensordynamik.

Da hast du natürlich recht. Ich versuche einfach mit fotografischen Bespielen zu erklären warum die Abbildung 14 EV Sensor -> 12 Bit RAW eine Funktion ist, d.h. jedem Eingangswert des Sensors ist ein Wert im RAW zugeordnet, aber leider keine bijektive Funktion, da einem Wert im 12 Bit Raw mehrere Eigangswerte zugeordnet sind, was in diesem Fall zum Verlust von Dynamikumfang führt.

Irgendwie werden die Beispiele hier gleichzeitig anschaulicher aber immer abwegiger =)

Absolut. Irgendwie ist das Ganze hier schon ziemlich surreal. Aber ich kann den Faden auch irgendwie nicht ignorieren, so sehr ich mich auch bemühe.

Viele Grüße,
Marc

 

[Andreas H]

Ich versuche einfach mit fotografischen Bespielen zu erklären warum die Abbildung 14 EV Sensor -> 12 Bit RAW eine Funktion ist, d.h. jedem Eingangswert des Sensors ist ein Wert im RAW zugeordnet, aber leider keine bijektive Funktion, da einem Wert im 12 Bit Raw mehrere Eigangswerte zugeordnet sind, was in diesem Fall zum Verlust von Dynamikumfang führt.

Das Eingangssignal ist analog. Damit ist bei der A/D-Wandlung einem digitalen Ausgangswert immer ein analoger Wertebereich zugeordnet, sowohl bei 12 als auch bei 14 Bit.

Dass in einem Fall ein einziger Eingangswert einem einzigen Ausgangswert zugeordnet wäre, das ist also nicht richtig.

 

[MarcDa]

Das Eingangssignal ist analog. Damit ist bei der A/D-Wandlung einem digitalen Ausgangswert immer ein analoger Wertebereich zugeordnet, sowohl bei 12 als auch bei 14 Bit.

Dass in einem Fall ein einziger Eingangswert einem einzigen Ausgangswert zugeordnet wäre, das ist also nicht richtig.

Das habe ich auch nicht geschrieben. Vielen Analogen Werten -einem bestimmten Intervall- wird ein diskreter Wert zugeordent. Das ist die A/D Wandlung.

Aber was du schreibst ist ja genau der Punkt, den ich ausdrücken wollte. Insofern ist das ja schon mal ein Schritt nach vorne.

Dann bleibt noch das Problem, wie ich eine linare Abbildung eines Einganssignals mit 14 EV auf einen Ausgangssignal mit einem Dynamikumfang von 12 EV gestalten soll, ohne 2 EV an Dynamikumfang zu verlieren.

Grüße,
Marc

 

[Frithjof.B]

Hallo,

jetzt meldet sich noch mal der Nichttechniker, der das alles gerne ein wenig verstehen würde (bitte um Nachsicht).

Wenn der Sensor 14 EV verarbeiten kann, also Werte von 1 bis 16384,

Nein, da ist schon der erste Denkfehler drin, denn für den Dynamikumfang ist

Das Eingangssignal ist analog. Damit ist bei der A/D-Wandlung einem digitalen Ausgangswert immer ein analoger Wertebereich zugeordnet, sowohl bei 12 als auch bei 14 Bit.

eben die Eigenschaften des analoge Signals des Sensors verantwortlich. Erst der A/D Wandler macht aus dem ANALOGEN(!) Sensorsignal ein digitales.

Der Dynamikumfang ist mit der Frage verknüpfe, bei welchem Helligkeitsunterschieden erhalte ich eine messbare(!) Änderung des analogen Signals, das über dem Grundrauschen liegt.

Warum sich hier Leute mit 12, 14 oder 60Bit AD Wander aufhalten, weiss ich nicht. Hat jedenfalls nichts mit der Frage des Dynamikumfangs eines Sensors zu tun.

 

[MarcDa]

Warum sich hier Leute mit 12, 14 oder 60Bit AD Wander aufhalten, weiss ich nicht. Hat jedenfalls nichts mit der Frage des Dynamikumfangs eines Sensors zu tun.

Weil das die einzige Information ist, mit der ich arbeiten kann. Ich habe in meiner RAW Datei nur das stehen, was aus dem A/D Wandler kommt. Was davor ist mag zum Angeben auf irgendwelchen Datenblättern nützlich sein, anfangen kann ich damit in der fotografischen Praxis aber leider nichts.

Deswegen.

Grüße,
Marc

 

[Andreas H]

Weil das die einzige Information ist, mit der ich arbeiten kann. Ich habe in meiner RAW Datei nur das stehen, was aus dem A/D Wandler kommt.

Dann steht in deinen Raw-Dateien nicht das Gleiche wie in meinen.

In meinen Raw-Dateien stehen ganz gewiss keine ehrlichen Sensorrohdaten als Ergebnis einer A/D-Wandlung, sondern in einer komplexen Signalverarbeitung aufbereitete (teilweise entrauschte, pixelfehlerkorrigierte) Daten.

Die Untergrenze des Dynamikumfangs wird auch nicht durch die A/D-Wandlung bestimmt, sondern der nutzbare Dynamikumfang ist in der Regel kleiner als der Dynamikumfang des Sensors. Seine untere Grenze wird bestimmt durch das Rauschen, und das spielt sich natürlich im gespeicherten Datenbereich ab.

Deshalb glaube ich dass für den Dynamikumfang die Frage nach der Bittiefe der A/D-Wandlung nur von untergeordneter Bedeutung ist. Anders könnte ich mir auch nicht erklären dass ich bei Vergleichsaufnahmen mit 12 und 14 Bit gleiche Histogramme bekomme. Unterschiede muss man sich mühsam durch extreme Tonwertmanipulationen herausarbeiten, da kommt dann irgendwann mal die unterschiedliche Abstufung zum Tragen.

 

[Stempel]

Ich gab zu, die falsche und außerdem eine unsinnige Formel verwendet zu habe. Das habe ich korrigiert.

Moment, du hast bei 15:0 0dB angegeben, und bei 16:1 unendlich. Die 1 macht aber nichts kaputt.

Und eine Kamera ist ein Messgerät einer physikalischen Eigenschaft. Du willst also behaupten, man könne physikalische Eigenschaften nicht messen und aus gemessenen Werten einen Dynamikumfang berechnen, weil es "nur Zahlen" sind?
Und nu hast du herausgefunden, was ich vorher selbst schon schrieb, dass es unter anderem Raws mit Offset gibt.

Die 1 macht nichts kaputt und liefert Deine genannten 4Bit oder 4EV. Gleichwohl ist die 1 ein ebenso beliebeiger Offset wie ihn Canon benutzt. Nimmst Du den, schrumpft der "Dynamikumfang" auf wenig über 0.

Gleichwohl sind die Daten in allen diesen Raws (0-15, 1-16, 1024-1039) exakt gleich nutzbar. Was soll da diese Verhältnisbildung?

Gruß, Wolfgang

 

[bocka]

Deshalb glaube ich dass für den Dynamikumfang die Frage nach der Bittiefe der A/D-Wandlung nur von untergeordneter Bedeutung ist.

Nein, genau da liegt der Denkfehler, wenn das Quantisierungsrauschen / der Quantisierungsfehler nicht mit einbezogen wird. Je kleiner die Auflösung, desto größer dieser Fehler. Das größte max. mögliche Eingangssignal ist von der Auflösung des ADCs unabhänging, nicht jedoch das kleinstmöglich, auflösbare Eingangssignal, welches 1/2^N des max. Eingangssignals beträgt (N: Auflösung des ADCs) und nicht kleiner als der Quantisierungsfehler werden kann. Da der Dynamikumfang als max. Signal / min. Signal definiert ist, beträgt der (Ausgangs-)Dynamikumfang 2^N.

Anders könnte ich mir auch nicht erklären dass ich bei Vergleichsaufnahmen mit 12 und 14 Bit gleiche Histogramme bekomme.

Das liegt an der nicht ausreichenden Auflösung der Histogramme, die immer mehrere Wertebereiche in Klassen zusammenfassen. Würdest du z.B. 12-bit direkt als Histogramm darstellen, müsste Dein Monitor 4096 Pixel auflösen... Deswegen wird der Histogramm-Bereich in Klassen eingeteilt, was auch Sinn macht, um unabhängig von der Auflösung der RAW Daten zu sein.

 

[Mike`]

Gleichwohl ist die 1 ein ebenso beliebeiger Offset wie ihn Canon benutzt. Nimmst Du den, schrumpft der "Dynamikumfang" auf wenig über 0.

Nein, es ist kein Offset. Durch einen Offset ist das Raw nicht mehr (streng) linear, dazu muss der Offst erst wieder abgezogen werden.
In einem linearen Raw (also ohne Offset) ist der gemessene Wert 2 (circa) doppelt so hell wie der Wert 1. Addierst du einen Offset von 1000 dazu, ist plötzlich der Wert 1002 doppelt so hell wie der Wert 1001. Deswegen ist mit Offset der Dynamikumfang natürlich zwischen 1001 und 16383 immer noch ~15383:1, weil der gemessene Bildpunkt mit dem Wert 16383 nicht 16383/1001 ~= 16 mal heller ist als der mit 1001, sondern eben ~15383 mal. Du kannst dir die Kamera als Messgerät einer physikalischen Größe vorstellen, als Messgerät für die Helligkeit deines Motivs. Ja, reale Raw-Dateien haben teilweise Offsets, vll. eine nicht ganz lineare Kennlinie, und andere "Fehler". Aber welches Messgerät ist schon perfekt.

 

[MarcDa]

Dann steht in deinen Raw-Dateien nicht das Gleiche wie in meinen.

In meinen Raw-Dateien stehen ganz gewiss keine ehrlichen Sensorrohdaten als Ergebnis einer A/D-Wandlung, sondern in einer komplexen Signalverarbeitung aufbereitete (teilweise entrauschte, pixelfehlerkorrigierte) Daten.

Die Untergrenze des Dynamikumfangs wird auch nicht durch die A/D-Wandlung bestimmt, sondern der nutzbare Dynamikumfang ist in der Regel kleiner als der Dynamikumfang des Sensors. Seine untere Grenze wird bestimmt durch das Rauschen, und das spielt sich natürlich im gespeicherten Datenbereich ab.

Deshalb glaube ich dass für den Dynamikumfang die Frage nach der Bittiefe der A/D-Wandlung nur von untergeordneter Bedeutung ist. Anders könnte ich mir auch nicht erklären dass ich bei Vergleichsaufnahmen mit 12 und 14 Bit gleiche Histogramme bekomme. Unterschiede muss man sich mühsam durch extreme Tonwertmanipulationen herausarbeiten, da kommt dann irgendwann mal die unterschiedliche Abstufung zum Tragen.

Von untergeorneter Bedeutung, da stimme ich dir zu. Aber eben nicht vollkommen irrelevant, wie hier ja oft behauptet wurde.

Ich kann mir schon vorstellen, dass durch die gestiegene Dynamik bzw. das gesunkene Rauschen der aktuellen Sensoren, das Thema inzwischen größere Bedeutung bekommen hat, als noch bei der D300. Aber wieviel das in der Praxis ausmacht muss ich für mich noch testen.

Dann sind wir uns ja offenbar langsam einig.

Grüße,
Marc

 

[kaha300d]

Ich hätte da ein Progrämmchen geschrieben, damit könnt ihr eure RAW-Dateien anschauen:

www.kaha300d.at/BayerHistogramm.exe

Hilfe-Button drücken, da ist alles erklärt.

Gruß,

Karl-Heinz

 

[Mike`]

Unterschiede muss man sich mühsam durch extreme Tonwertmanipulationen herausarbeiten, da kommt dann irgendwann mal die unterschiedliche Abstufung zum Tragen.

Die 2 EV, die man im Schatten verliert, fallen bei 12 EV und mehr Dynamikumfang vermutlich auch nicht so schnell auf.
Unsere Monitore können nur ungefähr 10 EV darstellen, wenn ich mich nicht irre.
In der Regel belichten wir ja meist so, dass wir den Sensor möglichst gut aussteuern, so dass wir auf dem Bildschirm dann auch meist die oberen Tonwerte sehen. Mit Dynamikkompression kann man dann die aufgenommen 12 oder 14 EV auf die 10 EV zusammenquetschen, also den Kontrast durch eine entsprechende Kurve reduzieren. Bei 14 EV muss das natürlich "extremer" erfolgen, als wenn man nur 12 EV sehen möchte.

 

[Stempel]

Deshalb glaube ich dass für den Dynamikumfang die Frage nach der Bittiefe der A/D-Wandlung nur von untergeordneter Bedeutung ist. Anders könnte ich mir auch nicht erklären dass ich bei Vergleichsaufnahmen mit 12 und 14 Bit gleiche Histogramme bekomme. Unterschiede muss man sich mühsam durch extreme Tonwertmanipulationen herausarbeiten, da kommt dann irgendwann mal die unterschiedliche Abstufung zum Tragen.

Es gibt noch mindestens einen anderen Grund, warum eine beliebige Erhöhung der Bittiefe keinen Sinn macht. Dazu habe ich mein neulich gezeigtes Bild um einen Grauschleier erweitert. Er zeigt die 1 Sigma Breite des Ausleserauschens (Nr = 10) über die gasamte abzubildende Gerade. In dieser Breite der Eingangsdaten wird mit etwa 2/3 Wahrscheinlichkeit ein bestimmter Ausgabewert getroffen.

Mache ich die "Treppe" meiner Digitalwerte (Ausgabe) enger, erhöht sich die Wahrscheinlichkeit beträchtlich, dass zu einem Eingangswert der Ausgangswert mehrere Stufen daneben liegen kann.

Engere Stufen als durch das Ausleserauschen vorgegeben bringen somit keinen Vorteil mehr. Ob der Prozess wichtig ist??? Bei fortschreitender Technik und stetig besserem Ausleserauscehn????

Naja, egal und Gruß, Wolfgang