Druckfehler bei sensorgen

[Gast_430858]

Liebe Fotografierende,

die schoene Seite sensorgen.info wurde erfreulicherweise gerade um einige (auch aeltere) Kameramodelle erweitert. Einige von uns koennen jetzt endlich bequem nachschlagen, was der Sensor taugt, und muessen dazu nicht mehr selbst fotografieren. Weniger erfreulich ist die hohe Zahl an Druckfehlern (z.B. hat dort die Nikon D70 bis zu 400e- Ausleserauschen bei 2,78 Quanteneffizienz).

Wie kann man solche Fehler detektieren?

Ich stelle mal die folgende These auf:

Wenn bei einer Kamera die Beziehung

2,1 * 10^14 * Quanteneffizienz = Cropfaktor^2 * MeasuredISO * Pixelsaettigung * Pixelzahl

krass verfehlt wird, so liegt ein Druckfehler vor.


Gruesse,
Paul

 

[Waartfarken]

Ich vermute, da sind einfach nur ein paar Kommastellen verrutscht, übrigens bei den betroffenen Kameras nicht in allen ISO-Stufen. Das wird bei dpreview schon länger diskutiert und liegt wohl daran, dass DxOMark die Eingangsdaten jetzt etwas anders formatiert. "Tippfehler" bei sensorgen sind aber ausgeschlossen, die Seite rechnet vollautomatisch.

 

[Waartfarken]

Ach ja, die Formel:

2,1 * 10^14 * Quanteneffizienz = Cropfaktor^2 * MeasuredISO * Pixelsaettigung * Pixelzahl

Das sieht für mich vernünftig aus, ich habe aber nicht nachgerechnet, ob der Faktor 2,1E14 stimmt. Wenn er stimmt, könnte man ihn interpretieren als die Photonenzahl, die einen ganzen KB-Sensor bei 1ISO (wenn er das könnte) gerade zu 100% sättigen würde (die Sättigungsgrenze liegt aber bei 141%).

Was nicht drin vorkommt, ist das Ausleserauschen. Sensorgen bestimmt alle Parameter über eine Kurvenanpassung, deshalb kommt dort im Detail bestimmt was anderes raus. Aber zumindest im tiefen und mittleren ISO-Bereich sollte diese Abschätzung funktionieren:

Bei 18% Bildhelligkeit dominiert bei weitem das Photonenrauschen und das bedeutet, dass DxOMarks "SNR18%", natürlich delogarithmiert, gerade die Wurzel aus der Photonenzahl N18 ist, also N18=10^(SNR18%/10). Bei 100% ist entsprechend N100=N18/0,18.

Am unteren Ende der Dynamik (in DxOMark-Definition) dominiert das Ausleserauschen RA. Der angegebene Dynamikbereich (unter "screen") D gibt an, um wieviele LW unter "100%" ein SNR=0dB erreicht wird. Dort ist dann das Signal (als Photonenzahl) N0 = RA. Andererseits ist N0 = N100/2^D. Und damit hätte man einen "Kontrollwert" für das Ausleserauschen:

RA = 10^(SNR18%/10)/(0,18*2^D)

Bei nicht zu kleinem Ausleserauschen und nicht zu großen ISO sollte das stimmen. Ich kann es aber grad nicht überprüfen, weil ich DxOMark nicht aufrufen kann.

 

[Gast_430858]

Das sieht für mich vernünftig aus, ich habe aber nicht nachgerechnet, ob der Faktor 2,1E14 stimmt. Wenn er stimmt, könnte man ihn interpretieren als die Photonenzahl, die einen ganzen KB-Sensor bei 1ISO (wenn er das könnte) gerade zu 100% sättigen würde (die Sättigungsgrenze liegt aber bei 141%).

Was nicht drin vorkommt, ist das Ausleserauschen.

Vielen Dank fuer deine Einschaetzung!

Der Faktor 2,1 * 10^14 stammt aus den sensorgen-Daten der Nikon D7100 bei Basis-ISO.

Ich habe den Eindruck, dass jeweils bei jeder Kamera das Produkt MeasuredISO * Pixelsaettigung einigermassen konstant bleibt bei den einzelnen ISO-Stufen, auch wenn das Ausleserauschen stark schwankt. Deshalb habe ich das Ausleserauschen erst mal nicht beruecksichtigt.

Gruesse,
Paul

 

[Waartfarken]

Ich habe den Eindruck, dass jeweils bei jeder Kamera das Produkt MeasuredISO * Pixelsaettigung einigermassen konstant bleibt bei den einzelnen ISO-Stufen,

Das ist ja auch kein großes Wunder: Die Verdopplung der ISO sollte (jenseits der Basis-ISO zumindest) die Sättigung halbieren, also bleibt das Produkt konstant.

auch wenn das Ausleserauschen stark schwankt. Deshalb habe ich das Ausleserauschen erst mal nicht beruecksichtigt.

Das Ausleserauschen hat mit dem Zusammenhang in Deiner Formel ja auch nichts zu tun, da geht es ja um die Sättigung, also das "helle Ende" der Dynamik, nicht das "dunkle", wo Ausleserauschen relevant wird.

 

[burkhard2]

Ich stelle mal die folgende These auf:

Wenn bei einer Kamera die Beziehung

2,1 * 10^14 * Quanteneffizienz = Cropfaktor^2 * MeasuredISO * Pixelsaettigung * Pixelzahl

Mit "Pixelsättigung" meinst du die Sättigungskapazität in Elektronen? Bei der Bezeichnung dachte ich erst an die Sättigung in Prozent.

Der Faktor links müsste theoretisch eher bei 2,76e14 liegen (für 555 nm und Sensorsättigung gerechnet und gleiche Spektralempfindlichkeit wie beim Auge vorausgesetzt) – im Prinzip hast du dann die Formel, nach der Sensorgen vermutlich die QE bestimmt.

Wenn die Daten von sensorgen stimmen, dann wäre allerdings die QE des Sensors von der ISO-Einstellung abhängig, was ich nicht so recht glauben kann. So wie DxO die measuredISO bestimmt, müsste eigentlich bei konstanter QE bei gleichem Sensor über den gesamten ISO-Bereich das Produkt MeasuredISO*SatCap. konstant bleiben. Ich habe mal vor einiger Zeit ein paar Werte von Hand nachgerechnet (Sättigungskapazität aus Rauschen im mittleren Tonbereich abgeschätzt) und kam da auf viel konstantere Werte für die QE.

L.G.

Burkhard.

 

[Gast_430858]

Mit "Pixelsättigung" meinst du die Sättigungskapazität in Elektronen? .....

Wenn die Daten von sensorgen stimmen, dann wäre allerdings die QE des Sensors von der ISO-Einstellung abhängig, was ich nicht so recht glauben kann.

Ja genau, Pixelsaettigung soll hier die Saettigungskapazitaet eines Pixels in Elektronen bedeuten (also bei sensorgen.info die Zahl unter "Saturation (e-)").

Das mit der QE ist interessant. Ich hatte eigentlich gehofft, dass sich eventuelle Abweichungen bei der Formel vielleicht mit einer ISO-abhaengigen QE erklaeren liessen (und dass sensorgen nur so etwas wie eine gemittelte QE angibt).


Gruesse,
Paul

 

[Waartfarken]

Der Faktor 2,1 * 10^14

Der Faktor links müsste theoretisch eher bei 2,76e14 liegen

Die beiden sehen so verdächtig nach einem Verhältnis von ungefähr √2 aus. Ok, nicht ganz, aber fast. Kann das damit zusammenhängen, dass die FWC bei sensorgen für 100% Belichtung gerechnet wurde, die Sättigungsgrenze aber bei 141% liegt?

 

[burkhard2]

Die beiden sehen so verdächtig nach einem Verhältnis von ungefähr √2 aus. Ok, nicht ganz, aber fast. Kann das damit zusammenhängen, dass die FWC bei sensorgen für 100% Belichtung gerechnet wurde, die Sättigungsgrenze aber bei 141% liegt?

Sieht zwar erst mal so aus, aber die FWC bei Sensorgen stimmt eher mit dem Wert überein, den man aus dem Rauschen bei DxO bekommt. Außerdem müssten dann die Dynamikwerte von Sensorgen um 1/2 Blendenstufe geringer ausfallen als bei DxO.

L.G.

Burkhard.

 

[Waartfarken]

Sieht zwar erst mal so aus, aber die FWC bei Sensorgen stimmt eher mit dem Wert überein, den man aus dem Rauschen bei DxO bekommt. Außerdem müssten dann die Dynamikwerte von Sensorgen um 1/2 Blendenstufe geringer ausfallen als bei DxO.

Sensorgen benutzt ja die Werte von DxOMark.

Meine Hinweise darauf, dass sowohl DxOMark als auch Sensorgen mit 100% und nicht mit der Sättigungsgrenze rechnen:

In den Kurven "full SNR" kann man sich Werte anzeigen lassen, wenn man mit dem Cursor drübergeht. Und da kann man den Punkt SNR=0dB suchen und findet z.B. für die D750 und 100ISO (nominell) die Zahl 0,007%. Wenn man das Verhältnis zwischen 100% (und eben nicht der Sättigungsgrenze bei 141%) und dieser Zahl berechnet, also LOG2(100%/0,007%) = 13,8, ist das genau die von DxOMark angegebene Dynamik unter "screen". Die Dynamik ist also offenbar auf 100% bezogen.

Wenn man sich weiterhin in "full SNR" eine ISO-Stufe aussucht, die linear bis zum rechten Rand ansteigt, also z.B. 6400ISO, dort den SNR bei 100% abliest (30,5dB) und daraus die Elektronenzahl ausrechnet, also 10^(30,5/10)= 1122, dann entspricht das recht gut der "saturation" von 1210 bei Sensorgen. Bei kleineren ISO, wo die Kurve nach rechts flacher wird, passt es nicht mehr so gut, denn Sensorgen modelliert dieses Abflachen gar nicht, überschätzt also die "saturation". Edit: Nein, das muss ich anders sagen. Das zugrundliegende Modell enthält die Abflachung aufgrund von "PRNU" (pixel response non-uniformity), aber die zugehörigen Parameter werden nicht angegeben.

 

[burkhard2]

In den Kurven "full SNR" kann man sich Werte anzeigen lassen, wenn man mit dem Cursor drübergeht. Und da kann man den Punkt SNR=0dB suchen und findet z.B. für die D750 und 100ISO (nominell) die Zahl 0,007%. Wenn man das Verhältnis zwischen 100% (und eben nicht der Sättigungsgrenze bei 141%) und dieser Zahl berechnet, also LOG2(100%/0,007%) = 13,8, ist das genau die von DxOMark angegebene Dynamik unter "screen". Die Dynamik ist also offenbar auf 100% bezogen.

Das passt nur nicht zur Definition der Dynamik bei DxO – die ist auf jeden Fall auf die Sättigungsgrenze des Sensors bezogen:

Dynamic range is the ratio between the highest and the lowest gray luminance a sensor can capture. The highest gray luminance value is easily computed as the minimum luminance required to saturate the sensor; the lowest gray luminance is the gray luminance for which the SNR is larger than 0.
(http://www.dxomark.com/Reviews/Canon-500D-T1i-vs.-Nikon-D5000/Dynamic-range-and-noise-source)

Die 100% in der Full SNR-Kurve bei DxO beziehen sich, so wie ich das sehe, nicht auf die Standardbelichtung mit Headroom, sondern auf den Sesnor-Output. Ich glaube, das stand früher auch so an der x-Achse. (Etwas seltsam/inkonsequent ist, dass sich auch der 18%-SNR auf diese 100% beziehen und nicht auf 18% Grau.)

L.G.

Burkhard.

 

[Waartfarken]

Ich habe lange an diesen Zahlen geknapst, weil es vorn und hinten nicht zusammenpasste. Seit ich mich damit abgefunden habe, dass DxOMark etwas anderes tun, als sie selber schreiben, passt plötzlich alles. Und die Macher von Sensorgen scheinen etwas ähnliches zu verstehen:

Zitat Sensorgen:

DxOmark provides a number of measurements on is site. The ones used for this analysis are the 'ISO sensitivity' figures and the 'FullSNR curves'.

und

G is the charge/grey scale conversion factor or 'gain'. This is the nuber of photoelectrons representing 1% grey scale level. In other words, 100G is the number of photoelectrons representing 'white' or 'full scale'. This is an unconventional scaling of this measure, but allows direct use of data from DxO plots.

 

[burkhard2]

Zitat Sensorgen:

Ja, damit ist klar, dass Sensorgen die 100% bei DxO als Sensorsättigung interpretiert – nur dann passen die Zahlen, die sie bei der QE ausrechnen. Wäre die Sensorsättigung bei 141%, dann müsste die QE ebenfalls um den Faktor 1,41 größer sein.

L.G.

Burkhard.

 

[Waartfarken]

Ja, damit ist klar, dass Sensorgen die 100% bei DxO als Sensorsättigung interpretiert – nur dann passen die Zahlen, die sie bei der QE ausrechnen. Wäre die Sensorsättigung bei 141%, dann müsste die QE ebenfalls um den Faktor 1,41 größer sein.

Tut mir leid, das..

This is the nuber of photoelectrons representing 1% grey scale level. In other words, 100G is the number of photoelectrons representing 'white' or 'full scale'. This is an unconventional scaling of this measure, but allows direct use of data from DxO plots.

..verstehe ich anders.

Wie die Quanteneffizienz berechnet wird, ist in einem Link zu Dpreview zu finden:

Here are work flow to calculate the QE from the DXO-data:

QE = Fullwell [e- per pixelarea] / photon density P [Ph per pixelarea]

1. Calcualtion of the photon density P from the ISO sensitivity
First the measured ISO has to be transformed into expose H [lux s]:
H = 78 / ISO

(according to http://www.dxomark.com/index.php/eng/Technologies/Measurement-definitions )

Using the definition of illuminance I get 1 lux = 4.1E9 Photons/mm² s for 555nm light.
Thus, photon density is P = 4.1E9 x 78 / 1E6 = 320112 ISO [Ph/µm²]

2. Calcualtion of the Full Well Capacity

I evaluate the "Full SNR" data using the noise equation used by DXO-lab: http://www.dxomark.com/index.php/eng/Technologies/Noise-characterization/Summary

This curve fitting was done with excel. With this I was able to fit the read nosie, the full well capacity and the PRNU (pixel response non uniformity). I did this fit for 400, 800 and 1600 ASA.

3. Finally, I calculated the ratio QE = FW / P which is the quantum efficiency of the pixel.

This QE is for the greeen channel, since this channel saturates as first. I am working to get also the QEs for the red and blue channel using the "Relative sensitivities" data from DXO.

So, this was a lot of theory. The reason why I did this was mainly to know which DSLR is the best for astrophotography. For that use QE is very important!!

Von dort wird dann wieder zu DxOMark rückverlinkt, und da steht:

The mean reflectance of a natural scene is known to be about 18%. If the camera sets its exposure parameter to reach saturation on an object with a reflectance close to 100% (a “white” object), then the SNR 18% value is representative of the level of noise in the scene.

Für mich passt all das nur zusammen, wenn die mit "18%" wirklich "18% von 100% Weiß" meinen, und nicht 18% der Sättigung (da wäre der "Standard" dann ja ohnehin 12,7%).

 

[burkhard2]

Für mich passt all das nur zusammen, wenn die mit "18%" wirklich "18% von 100% Weiß" meinen, und nicht 18% der Sättigung (da wäre der "Standard" dann ja ohnehin 12,7%).

Den Widerspruch bei DxO sehe ich auch, hatte ich auch schon vorhin geschrieben.

Aber wenn ich die QE wie bei dpreview/sensorgen berechne, brauche ich die Sättigungskapazität des Sensors (die 78 lux s sind aus der ISO-Norm sind ja incl. der halben Belichtungsstufe Headroom). Auf die Werte von sensorgen komme ich nur, wenn ich die Sättigungskapazitäten nicht auf 100% Weiß bei normaler Belichtung, sondern auf Sensorsättigung (also incl. headroom) beziehe:

Bei der D7100 und nominellen ISO 400 (DxO: 279) komme ich mit der Formel von dpreview auf 17360 eintreffende Photonen. Die Sättigungskapazität lt. sensorgen ist 8978 e-, macht eine QE von knapp 52%. Bis auf ISO 100 und 25600 liegen die anderen Werte auch in diesem Bereich.

Wenn ich die SNR-Werte direkt bei DxO ablese, bekomme ich bei 1,56% einen SNR von 21,3 dB – bei reinem Photonenrauschen entspricht das 135 Photonen, also 8647 Photonen bei 100% oder 12228 Photonen bei 141%. Entsprechend hätte ich eine QE von 49,8% oder 70,4%. Die Werte für 100% passen zu denen bei sensorgen, insofern gehe ich davon aus, dass sensorgen die 100% bei DxO als Sensorsättigung interpretiert.

L.G.

Burkhard.

 

[Waartfarken]

...insofern gehe ich davon aus, dass sensorgen die 100% bei DxO als Sensorsättigung interpretiert.

Ja, das glaube ich mittlerweile auch.

Die Zahlen bei DxOMark passen in sich zueinander, wenn "100%" eben nicht die Sättigung bei 141% meint, sondern ein "100% Weiß". Dann passt die Angabe von "18% Mittelgrau" und die Dynamik bezöge sich auf eben diese 100%.

Sensorgen rechnet daraus eine "saturation" aus und hält das für 141% Sättigungsgrenze, aber es wäre dann nur eine Sättigung zu eben diesen ominösen 100%, 0,5LW unter der Grenze. Würde das daraus berechnete Ausleserauschen deshalb falsch? Ich glaube nicht, das wird ja auf der "Elektronenseite" der Umrechnung bestimmt. Falsch, nämlich um den Faktor √2, würde dann eigentlich nur die berechnete Quanteneffizienz, die wäre um √2 zu hoch. Oder nicht?

Ich habe schon mehrfach die einschlägige Diskussion bei dpreview daraufhin abgesucht, ob da jemand auf einen solchen eventuellen Fehler aufmerksam gemacht hat. Gefunden habe ich nichts, nur Hickhack (und KGW mittendrin).

Na wie auch immer, auf der einen oder der anderen Seite passt was nicht zusammen. Und ich neige dazu, dass das Missverständnis bei sensorgen liegt.

 

[burkhard2]

Die Zahlen bei DxOMark passen in sich zueinander, wenn "100%" eben nicht die Sättigung bei 141% meint, sondern ein "100% Weiß". Dann passt die Angabe von "18% Mittelgrau" und die Dynamik bezöge sich auf eben diese 100%.

Von den reinen Zahlen her kann man leider nicht entscheiden, was DxO wirklich meint – die 18% sprechen für deine Interpretation, aber für die sättigungsbasierte ISO müssen sie eigentlich bis zur Sättigungsgrenze des Sensors messen – warum tauchen dann die Messwerte jenseits von 100% nirgends auf? Meiner Vorstellung von Dynamik würde es auch nicht entsprechen, wenn man den headroom jenseits der 100% nicht mit einrechnen würde, aber das kann man natürlich auch anders handhaben. Vielleicht frage ich einfach mal bei DxO nach.

Würde das daraus berechnete Ausleserauschen deshalb falsch? Ich glaube nicht, das wird ja auf der "Elektronenseite" der Umrechnung bestimmt.

Das sehe ich auch so.

Falsch, nämlich um den Faktor √2, würde dann eigentlich nur die berechnete Quanteneffizienz, die wäre um √2 zu hoch. Oder nicht?

Meiner Meinung nach wäre sie um einen Faktor √2 zu niedrig – sensorgen hätte ja die Photonenanzahl bei Weiß genommen und nicht die Sättigungskapazität des Sensors, die dann um den Faktor √2 höher liegen würde – siehe die Beispielrechnung in meinem letzten Post.

L.G.

Burkhard.

 

[Waartfarken]

Meiner Meinung nach wäre sie um einen Faktor √2 zu niedrig –

Stimmt, da hab ich mal wieder falschrum gedacht.

Im Moment sehe ich da 2 verschiedene Szenarien:

1. Die "18%" bei DxOMark sind tatsächlich die üblichen Graukarten-18% von "100% Weiß" (bzw. 12,7% der Sättigungsgrenze). Dann müssten die "full-SNR"-Kurven eigentlich bis 141% weitergehen. Die Dynamik (bei DxOMark) und "saturation" (bei Sensorgen) wären dann auf "100% Weiß" bezogen (was unüblich ist), das Ausleserauschen wäre korrekt, die Quanteneffizienz (beide bei Sensorgen) aber um √2 zu klein.

2. Die 100% an der x-Achse der "full SNR"-Kurven beziehen sich auf die Sättigungsgrenze. Dann wären Dynamik und "saturation" tatsächlich auf die Sättigungsgrenze bezogen, Ausleserauschen und Quanteneffizienz wären korrekt, bloß der Messpunkt "18%" wäre dann bei 18% der Sättigungsgrenze bzw. "25% Mittelgrau" (und das wäre auch sehr unüblich).

Um all das noch weiter zu verwirren, werde ich nachher, wenn ich dazu komme, mal für den 18%-Punkt und die für den geltende ISO-Definition 10/H (statt 78/H bei Sättigung) die Quanteneffizienz ausrechnen uner der Annahme, dass bei 18% ausschließlich Photonenrauschen vorliegt (also ganz ohne Kurvenanpassung). Das ist bei geringen ISO nicht ganz richtig, denn ohne PRNU wäre der SNR18% noch höher, ich unterschätze so also die Elektronenzahl und überschätze die Quanteneffizienz. Bei höheren ISO und moderatem Ausleserauschen sollte die Abschätzung halbwegs stimmen.

 

[Waartfarken]

Um all das noch weiter zu verwirren, werde ich nachher, wenn ich dazu komme, mal für den 18%-Punkt und die für den geltende ISO-Definition 10/H (statt 78/H bei Sättigung) die Quanteneffizienz ausrechnen.....

Das habe ich gestern abend für die Nikon D750 noch schnell getan und komme tatsächlich auf etwa 70% Quanteneffizienz, und damit wirklich um etwa √2 mehr als Sensorgen.

Beim Versuch, die Berechnungen bei Sensorgen nachzuvollziehen (das habe ich für die Q.E. vorher nie versucht), bekomme ich aber den Eindruck, dass dort einfach mit dem Strahlungsäquivalent K= 683lm/W gerechnet wird. Das wäre korrekt, wenn die Belichtung nur mit Grün bei 555nm erfolgen würde, sie ist aber Weiß nach CIE-D50. Das D50-Spektrum ist über einen weiten Bereich relativ eben, da kann man spektrale Unterschiede wohl erstmal vernachlässigen. Nicht eben ist aber die V(λ)-Kurve abseits von 555nm. Und das bedeutet, dass man für die gleiche Belichtung (in photometrischen lx.s) bei 500nm oder 600nm mehr Photonen braucht als bei 555nm. Und das bedeutet, dass die einfache Rechnung mit 683lm/W die tatsächliche Photonenzahl unterschätzt und die Quanteneffizienz also überschätzt. Aber wie groß ist der Fehler, den man damit macht? Irgendwo hatte ich gelesen, dass bei weißem Tageslicht die "Lichtausbeute" nur etwa 30% sein soll, dann wäre der Fehler ein Faktor 3!?

 

[Gast_430858]

Was nicht drin vorkommt, ist das Ausleserauschen.

Ich hab mir bei sensorgen nochmal die krassen Ausreisser beim Ausleserauschen angeschaut. Die bekannte Beziehung

Ausleserauschen * 2^DynamicRange = Pixelsaettigung

ist auch da ganz gut erfuellt und die Angaben zum DynamicRange (DR) sehen ganz vernuenftig aus. Es sieht so aus, als wuerden Ausreisser beim Ausleserauschen immer parallel zu Ausreissern bei der Pixelsaettigung vorliegen. Sie werden deshalb wohl durch den Test in Beitrag 1 erfasst und muessen nicht separat getestet werden.


Gruesse,
Paul