Informationspeicherung bei RAW-Dateien

[lumacro]

Ich hätte eine Frage bezüglich Sensortechnik. Unter dem Bayer-Farbfilter befinden sich ja jeweils Gruppen von 4 Subpixeln, wovon jedes einzelne einen bestimmten Helligkeitswert misst. Diese Informationen werden dann zur Zusammensetzung des späteren Bildes genutzt.
Wenn man nun beispielsweise ein RAW-Bild mit einem leicht überbelichteten Himmel nachträglich am Computer wieder abdunkelt, kommen neue Strukturen, zum Beispiel die Wolken, zum Vorschein. Nun frage ich mich wie es dem Sensor überhaupt möglich ist, mehrere Helligkeitswerte während eines Belichtungsvorgangs zu speichern. Kommt einmal zuviel Licht auf, sollte doch dieser Wert ("100% Licht") erfasst sein und die Photodiode könnte nicht mehr als das wahrnehmen, da die Auslesung erst nach der Belichtung stattfindet (?). Genauso ist es bei nachträglicher Aufhellung: Woher kommen diese neuen Informationen?

 

[Georgius]

Sie sind nicht neu, sie werden nur nicht sichtbar.

 

[nobs82]

Kurz gesagt: Ein Raw hat einen größeren Dynamikumfang als das, was Dir dargestellt werden kann..

Als Beispiel mal jpg (8bit) zu RAW (12bit):
8bit entspricht 256 Helligkeitsstufen, 12bit entspricht 4096 Stufen und damit 16mal so vielen.. Ein Wert bei 8bit entspricht 16 Werten bei 12bit.. Somit kann ein überstrahlter Pixel bei 8bit bei 12bit immer noch 16 verschiedenen Werten entsprechen.. Es wird also nichts erfunden, nur erst dann sichtbar/darstellbar..

Allerdings kann natürlich der Diodentopf auch mal übergelaufen sein, dann ist der Dynamikumfang egal, voll ist voll..

 

[messenger]

In den Schatten entsteht nix neu. Du kannst ebenso das jpeg aufhellen und hast den gleichen Punkt, an dem keine Zeichnung mehr sichtbar ist.

Beim Pushen des RAW sind allerdings die Informationen der Schatten deutlich enger abgestuft so daß du eine feinere Abstufung und bessere Farben beim Aufspreizen bekommst.

Gruß messi

 

[Gast_99693]

8bit entspricht 256 Helligkeitsstufen, 12bit entspricht 4096 Stufen und damit 16mal so vielen.. Ein Wert bei 8bit entspricht 16 Werten bei 12bit.. Somit kann ein überstrahlter Pixel bei 8bit bei 12bit immer noch 16 verschiedenen Werten entsprechen.. Es wird also nichts erfunden, nur erst dann sichtbar/darstellbar..

Ganz so einfach ist es nicht. Die RAW-Bitauflösung ist linear (Sensor = Photonenzähler). D.h. doppelt so viele Photonen => doppelt so großer Wert im RAW. Im JPEG wird aber 8 Bit mit einer Gamma-Kurve gespeichert, das ist also nicht vergleichbar: http://www.adobe.com/digitalimag/pdfs/linear_gamma.pdf.

Der Grund, warum im RAW in den Lichtern noch Reserven stecken, ist ein anderer: Die Kamera-Hersteller (und die RAW-Konverter in Default-Einstellung) nutzen für JPEGs nicht den vollen Wertebereich 0...4095 (12 Bit) bzw. 0...16383 (14 Bit) aus, sondern benutzen z.B. nur 0...3000 (bei 12 Bit). Über die Gründe kann man spekulieren, evtl. weil die Sensoren im Bereich darüber nicht mehr ganz linear arbeiten, oder auch ganz banal weil die OOC-JPEGs knackiger (kontrastreicher) aussehen sollten (Fotos mit großem Dynamikbereich können leicht flau wirken). Ein Foto, wo Wolken im Bereich 3000...4095 sind, ist dort als OOC-JPEG komplett überbelichtet, kann aber durch Anpassen des Weißpunktes im RAW-Konverter noch gerettet werden.

Sie sind nicht neu, sie werden nur nicht sichtbar.

Teilweise sind sie auch neu, d.h. wirklich "geraten" und keine echten Daten. ACR macht das z.B. bei der Wiederherstellung (wenn ich das richtig verstanden habe): Wenn einer der drei RGB-Kanäle übersteuert ist, d.h. für 12 Bit bei 4095, siehe oben *), würde sich eigentlich ein Farbstich ergeben. ACR versucht aber anhand der Umgebung zu raten, was die richtige Farbe ist und interpoliert den übersteuerten Wert entsprechend, er wird also höher angesetzt als er im RAW steht. Ich hatte dazu hier mal einen Test gemacht, wie ACR ausgefressene Wolkenteile korrigiert, im Gegensatz zu DPP, welches dort ganz konservativ einfach weiß darstellt, weil die Farbe im Grunde nicht mehr bestimmt werden kann.

*) Es kann auch sein, dass der Sensor selbst schon vorher übersteuert, z.B. bei 4000 - dann wird es für den RAW-Konverter etwas schwieriger, das richtig zu erkennen.

 

[Frank Klemm]

Kommt einmal zuviel Licht auf, sollte doch dieser Wert ("100% Licht") erfasst sein und die Photodiode könnte nicht mehr als das wahrnehmen, da die Auslesung erst nach der Belichtung stattfindet (?). Genauso ist es bei nachträglicher Aufhellung: Woher kommen diese neuen Informationen?

Beispiel Canon EOS 7D, 14 bit-Modus, ISO 100, Farbtemperatur 6500 K.
Jeweils die Werte für Rot, Grün, Blau.

* 0% Schwarz : [1000,1000,1000]
* 3% Schwarz: [1100,1250,1170]
* 18% Grau: [1610,2480,2040]
* 100% Weiss: [4380,9240,6770]
* 186% Weiss: [7300,16383,11700]
* 267% Weiss: [10000,OVER,16382]
* 455% Weiss: [16382,OVER,OVER]
* heller als 455%: [OVER,OVER,OVER]

OVER = 16383

Die kamerainterne Software landet beim Weiß auf dem Bildschirm meist schon ab 186% Weiß. Danach kommt es zu Verfärbungen
(Himmel: blau => cyanfarben => weiß, Haut: orangefarben => gelb => weiß), daher ist es meist einfacher, das ganze als Weiß darzustellen.
Viele RAW-Konverter kitzeln hier aber noch was raus.

 

[hexdump]

Der Grund, warum im RAW in den Lichtern noch Reserven stecken, ist ein anderer: Die Kamera-Hersteller (und die RAW-Konverter in Default-Einstellung) nutzen für JPEGs nicht den vollen Wertebereich 0...4095 (12 Bit) bzw. 0...16383 (14 Bit) aus, sondern benutzen z.B. nur 0...3000 (bei 12 Bit).

Hast Du eine Quellenangabe dafür?

 

[Georgius]

...

Woher kommen diese Werte?

 

[Gast_99693]

Hast Du eine Quellenangabe dafür?

Leider nicht. Diese Info habe ich mir im Laufe der Zeit von mehreren Stellen zusammengelesen. Wirklich belegen kann ich es also nicht, insofern mit Vorsicht zu genießen. Googeln nach den Stichwörtern "RAW", "Headroom" etc. hat jetzt komischerweise auch nichts weiter zu Tage gefördert...

Edit: Anders kann man aber wirklich nicht erklären, warum im RAW je nach Kamera in den Lichtern noch Reserven stecken: Würde die Kamera den gesamten Wertebereich des RAWs in das OOC-JPEG übernehmen, wären im RAW auch keine Reserven mehr drin - es sei denn, man betreibt Ratespielchen wie ACR.

 

[hexdump]

@starscapefan:
Ist es nicht eher so, dass die Tonwertübertragungskurve im den Lichtern (und in den Tiefen) abgeflacht ist. Im JPEG macht dann eine Blende im Licht 8 Stufen aus, die in den Mitteltönen mit 32 Stufen differenziert ist (die Zahlen als Hausnummern!). Der Übergang ist also fließend. Um so heller, um so weniger differenziert ist das dann im JPEG zu sehen.
Der ganze Dynamikbereich des Sensors gleichmäßig in ein JPEG übertragen dürfte sicherlich meist zu flauen Bildern führen. Da stimme ich Dir zu.
Die von Dir genannte feste Grenze bezweifle ich.
Je nach Weißabgleich werden die Farbkanäle unterschiedlich gewichtet. Dabei kann auch in einzelnen Farbkanälen verwertbare Information über die Clippinggrenze hinaus entstehen. Falls diese bildwirksam werden sollen, muss dann die Farbe in den anderen Kanälen rekonstruiert (geraten) werden. Und das geht ja beim Demosaicing auch mit gutem Erfolg ;-)

 

[Gast_99693]

Ist es nicht eher so, dass die Tonwertübertragungskurve im den Lichtern (und in den Tiefen) abgeflacht ist. (...) Der Übergang ist also fließend.

Ja, stimmt, das kommt auch noch hinzu. Damit kann das Bild gleichzeitig kontrastreich sein und einen relativ großen Dynamikumfang abdecken.

Die von Dir genannte feste Grenze bezweifle ich.

Es könnte beides zusammenkommen, und ich weiß jetzt glaube ich auch woher ich mein gefährliches Halbwissen zum Teil herhabe: Z.B. die dpreview-Reviews, hier z.B. ganz unten ("RAW headroom") auf der DR-Seite vom 50D-Review. Man sieht, dass sowohl ACR-Default/OOC- als auch die "ACR Best"-Einstellungen mit einer leichten S-Kurve arbeiten, aber der Unterschied bei zwischen beiden ist, dass das JPEG bei ACR-Default/OOC früher in den Lichtern ausbrennt (die im Text erwähnten "typically around 1 EV") als bei "ACR Best", auch wenn diese Stelle "unterschiedlich steil angesteuert" wird.

Also gibt es in Richtung der Lichter sowohl eine abgeflachte Tonwertübertragungskurve als auch eine feste Grenze. Das kann aber je nach Kamera total unterschiedlich ausfallen.

 

[hexdump]

@ starscapefan:
Das hat Du schön zusammengefasst.
Ja, die dpreview Kurven zeigen das ganz gut ...

 

[Stuessi]

Hallo,

bei meiner ersten Spiegelreflex Dynax 7D bin ich der Sache mal auf den Grund gegangen.
Ein weißes Blatt Papier habe ich mit Glühlampenlicht (hoher Rot-Anteil) beleuchtet und eine Belichtungsreihe von 1/4000 s bis 6 s gemacht. Alle Bilder wurden bei gleichem Weißabgleich mit dem RSE-Konverter ausgewertet zur Ermittlung der "weiß-JPEG-Werte". Weiter wurden aus den RAW-Dateien (12 Bit!) in Bildmitte aus einem 100x100 Pixel großen Bereich 2500 R-, 5000 G- und 2500 B-Pixel ausgelesen.
Die Tabelle im Anhang zeigt die Ergebnisse. Bei kurzen Zeiten nur Rauschen und JPEG-Wert 0 für schwarz.
Zusätzlich habe ich meinen Farbkreis und eine Graustufenreihe unter gleichen Bedingungen fotografiert und mit RSE und ps6 versucht, eine optimale Darstellung zu erhalten.

Gruß,
Stuessi