ISO und Dynamikumfang

[cauchy]

Hab gerade gelesen, dass der Dynamikumfang bei einer geringeren Signalverstärkung (niedrige ISO-Zahlen) größer ist.
Stimmt das und wenn ja, warum ist das so?
Hat die ISO-Einstellung auch Auswirkungen auf die Farbwiedergabe oder andere Bildparamter?

 

[CaBu]

Je höher die ISO, desto grobkörniger wird ein Bild.
Es verliert also, je nach dem wie hoch die ISO eingestellt werden, von sehr gering bis massiv an Bildinformationen, somit an Schärfe und auch Dynamikumfang. Es tritt anstelle der Informationen starkes Farbrauschen im Bild auf.

 

[cauchy]

Das mit dem Rauschen und der Schärfe war mir schon klar.
Es geht um die Auswirkungen der Empfindlichkeit auf den Dynamikumfung und Farbwiedergabe/sättigung - ob es (relevante) Auswirkungen gibt und warum!

Aber danke trotzdem!

 

[CaBu]

Ist doch logisch.
Wenn die Bildinformationen flöten gehen, verlierst du natürlich auch an Dynamikumfang.

 

[cauchy]

Ist doch logisch.
Wenn die Bildinformationen flöten gehen, verlierst du natürlich auch an Dynamikumfang.

Tut mir Leid, verstehe ich nicht...

 

[ubit]

Angenommen, der Sensor liefert 10 Bit Information pro Pixel.
Davon sind die letzten 2 Bits "Rauschen" (also eher "zufällige" Bildinformationen auch wenn kein Licht auf die Zellen fällt) - liefern also keine verläßliche Information mehr.
Bleiben 8 für die Dynamik nutzbare Bits übrig - also praktisch 8 Blendenstufen.
Verstärkt man nun das Signal um den Faktor 2, so hat man plötzlich 3 Bits in denen es rauscht. Bleiben halt nur noch 7 Bits, also 7 Blendenstufen für die Dynamik übrig.
Ganz so schlimm ist es dann in der Praxis doch nicht, da die Verstärkung und die Empfindlichkeitskurven der Sensorzellen nicht wirklich linear sind. Aber das Prinzip wird durch diese vereinfachte Betrachtung wohl verständlich, oder?

Ciao, Udo

 

[scorpio]

Ist doch logisch.
Wenn die Bildinformationen flöten gehen, verlierst du natürlich auch an Dynamikumfang.

warum sollte das so sein?
dynamikumfang ist doch der unterschied zwischen dunkelstem und hellstem abbildbarem pixel. warum sollte der unterschied geringer werden, wenn sich das rauschen erhöht wegen höherer iso?

 

[cauchy]

Angenommen, der Sensor liefert 10 Bit Information pro Pixel.
Davon sind die letzten 2 Bits "Rauschen" (also eher "zufällige" Bildinformationen auch wenn kein Licht auf die Zellen fällt) - liefern also keine verläßliche Information mehr.
Bleiben 8 für die Dynamik nutzbare Bits übrig - also praktisch 8 Blendenstufen.
Verstärkt man nun das Signal um den Faktor 2, so hat man plötzlich 3 Bits in denen es rauscht. Bleiben halt nur noch 7 Bits, also 7 Blendenstufen für die Dynamik übrig.
Ganz so schlimm ist es dann in der Praxis doch nicht, da die Verstärkung und die Empfindlichkeitskurven der Sensorzellen nicht wirklich linear sind. Aber das Prinzip wird durch diese vereinfachte Betrachtung wohl verständlich, oder?

Ciao, Udo

Das hat meiner Ansicht nach mit dem Verhältnis zwischen hellster und dunkelster Bildinformation aber relativ wenig zu tun!
So kann die dunkelste Stelle im Bild immer noch den Wert 0000000000, die hellste immer noch den Wert 1111111111 haben!

 

[scorpio]

Das hat meiner Ansicht nach mit dem Verhältnis zwischen hellster und dunkelster Bildinformation aber relativ wenig zu tun!
So kann die dunkelste Stelle im Bild immer noch den Wert 0000000000, die hellste immer noch den Wert 1111111111 haben!

eben das meine ich auch. ich verliere wegen des rauschens bildinformationen und damit innerhalb des dynaikumfanges an abstufungen, klar. aber am dynamikumfang des bildes selbst ändert sich doch nicht, oder?

 

[CaBu]

Meiner Meinung nach schon.

Vielleicht nicht gerade um Blenden, aber mit Sicherheit um die eine oder andere Helligkeitsstufe, die irgendwo im Bild verloren gehen wird.
Sehr ausgeschlossen dass das Rauschen genau so fällt, dass in einem Bild mit normalen Kontrasten keine Helligkeitsstufen verloren gehen.
Also verringert sich dann geringfügig in jedem Fall der Dynamikumfang.

Das könnt ihr z.B. mit Filtern in PS (der extremste Posterize, wie heisst der eigentlich auf deutsch?) oder dem erhöhen des Kontrastes (=weniger Dynamikumfang) gleich setzen.

 

[ubit]

Das hat meiner Ansicht nach mit dem Verhältnis zwischen hellster und dunkelster Bildinformation aber relativ wenig zu tun!
So kann die dunkelste Stelle im Bild immer noch den Wert 0000000000, die hellste immer noch den Wert 1111111111 haben!

Eben nicht. Das dunkelste Pixel im Bild hat zwar möglicherweise noch den Wert 0000000000, aber dabei rauscht es halt stärker. Im DURCHSCHNITT werden die dunklen Bereiche damit deutlich heller. Da der Wert der unteren Bits mit steigender Verstärkung immer zufälliger wird und keinen Bezug mehr zu den eigentlichen Bildinformationen hat, zählt das einfach nicht mehr.
Man könnte also - ohne Informationsverlust - die unteren Pixel einfach abschneiden. Was übrig bleibt, ist die echte Dynamik des Bildes - der Bereich in dem HelligkeitsINFORMATION steckt. Wobei eben diese Komponente Information das Entscheidende ist. Zufall enthält halt keine Information und trägt damit zum Bild nicht wirklich etwas bei - und damit auch nicht zum Dynamikumfang.

Ciao, Udo

 

[CaBu]

Anscheindend fallen durch die Signalverstärkung Bits am unteren Ende oder am oberen Ende raus.
Es endet also immer in einer Beschneidung des Dynamikumfangs, da das Ausgangssignal immer das selbe bleibt (hinzugefügt kann dort nichts werden), aber durch die Signalverstärkung wird verschoben, dabei kommt dann z.B. das obere Ende, also die Lichter schneller in die Sättigung.

 

[ubit]

Anscheindend fallen durch die Signalverstärkung Bits am unteren Ende oder am oberen Ende raus.
Es endet also immer in einer Beschneidung des Dynamikumfangs, da das Ausgangssignal immer das selbe bleibt (hinzugefügt wird also nichts), aber durch die Signalverstärkung wird verschoben, dabei kommt dann z.B. das obere Ende, also die Lichter schneller in die Sättigung.

Falsch! Das kompensiert man schließlich durch die geänderte Belichtung. Diese passt man ja an den ISO-Wert an!
Das einzige was passiert, nochmal in Kürze:
Die unteren Bits "verschwimmen" im Rauschen. Damit ist in den dunklen Bildpartien einfach keine Differenzierung unterschiedlicher Helligkeitswerte mehr möglich, da sie im Rauschen versinken. DAS verringert die Dynamik.

Ciao, Udo

 

[cauchy]

Falsch! Das kompensiert man schließlich durch die geänderte Belichtung. Diese passt man ja an den ISO-Wert an!
Das einzige was passiert, nochmal in Kürze:
Die unteren Bits "verschwimmen" im Rauschen. Damit ist in den dunklen Bildpartien einfach keine Differenzierung unterschiedlicher Helligkeitswerte mehr möglich, da sie im Rauschen versinken. DAS verringert die Dynamik.

Ciao, Udo

Natürlich wird die tatsächliche Bildinformation mit vom Zufall abhängigem Rauschen überlagert, was gewisserweise die möglichen Abstufungen verringert.
Nur sollte dieses zufällige Rauschen selbstverständlich normalverteilt sein, soll heißen, dass alle Pixel eines gewissen Helligkeitswertes im Mittel wieder diesen Helligkeitswert haben sollten (Mittelwert verschiebt sich nicht).
Ist halt die Frage, ob das auch für die "Randbereiche" (0000000000 und 1111111111) gilt. Wenn ja, dann ändert sich am Dynamikumfang gar nichts!
Dagegen spricht die Tatsache, dass der niedrigste Wert 0000000000 einer völlig ungeladenen CMOS-Einheit, der höchste Wert 1111111111 einer komplett geladenen entsprechen sollte. Somit wäre das Rauschen in diesen Randbereichen nicht mehr normalverteilt und damit würde sich der Dynamikumfang tatsächlich ändern! Ich wage aber zu behaupten, dass das nicht wirklich relevant ist!

 

[CaBu]

Was heisst, dass in dem Masse, wie die oberen rausfallen, die unteren nicht gleich nachziehen, sondern quasi "gestreckt" werden (verschwimmen).
Du verschiebst ja quasi alles, hast aber nach wie vor immer die gleichen Informationen vom D/A-Wandler. Also muss irgendwo gestreckt werden.

 

[cody29]

ich glaube, es ist zu unterscheiden, dass das entstehende Bild immer noch den gleichen Dynamikumfang hat (#000000 bis #ffffff) aber nicht mehr den Dynamikumfang des abzubildenen Objektes abbilden kann/könnte.

Also die Ursprungsfrage mal praktisch aufgegriffen:
Wenn ich einen Landschaftsaufnahme mit hellem Himmel und Schatten (z.B. unter Bäumen) habe, hat dann die .jpg Datei mehr ausgefressene Lichter und mehr abgesoffenere Schatten wenn ich die ISO Empfindlichkeit erhöhe? Und dabei bitte die praktische Seite betrachten, wenn nun ein Pixel durchs Rauschen heller und damit überstrahlt, gibt es sicher auch Pixel die durchs Rauschen dunkler und damit nicht überstrahlen.

hoffentlich habe ich mich hier nicht zu kompliziert ausgedrückt :-(

 

[scorpio]

eine verringerung des dynamikumfanges würde für mich bedeuten, dass pixel, die vorher (auf 8 bit bezogen) den wert 10,10,10 hatten, nun den wert 0,0,0 aufweisen und alles was kleiner war, abgesoffen ist. nach oben genau so. 250,250,250 wird zu 255, 255,255, allses was drüber war, ist weg.
nun habe ich gegenüber dem ausgangsbild eines, dem unten 10 werte und oben 5 fehlen. das wäre eine verringerung des dynamikumfanges.

wenn sich lediglich innerhalb des umfanges durch das rauschen werte verschieben, also aus 10,10,10 wird 2,2,2, bedeutet das keine verringerung des umfanges an sich.

 

[ubit]

Natürlich wird die tatsächliche Bildinformation mit vom Zufall abhängigem Rauschen überlagert, was gewisserweise die möglichen Abstufungen verringert.
Nur sollte dieses zufällige Rauschen selbstverständlich normalverteilt sein, soll heißen, dass alle Pixel eines gewissen Helligkeitswertes im Mittel wieder diesen Helligkeitswert haben sollten (Mittelwert verschiebt sich nicht).
Ist halt die Frage, ob das auch für die "Randbereiche" (0000000000 und 1111111111) gilt. Wenn ja, dann ändert sich am Dynamikumfang gar nichts!
Dagegen spricht die Tatsache, dass der niedrigste Wert 0000000000 einer völlig ungeladenen CMOS-Einheit, der höchste Wert 1111111111 einer komplett geladenen entsprechen sollte. Somit wäre das Rauschen in diesen Randbereichen nicht mehr normalverteilt und damit würde sich der Dynamikumfang tatsächlich ändern! Ich wage aber zu behaupten, dass das nicht wirklich relevant ist!

Das Rauschen ist NICHT normalerverteilt. Denn es besteht aus mehreren Komponenten.
Einmal gibt es das thermische Rauschen. Dieses ist völlig unabhängig davon, ob überhaupt Licht auf den Sensor fällt.
Dann gibt es das Quantisierungsrauschen - eine Art "Ungenauigkeit" bei der Digitalisierung der Helligkeitsinformation. Diese kann durchaus Normalverteilt sein, spielt aber in diesem Bereich kaum eine Rolle.
Gerade bei den dunklen Bereichen ist das thermische Rauschen das Hauptproblem. Und das hebt sich halt einfach konstant mit steigender Verstärkung und verschluckt damit Helligkeitsinformationen, da wir ja knapper belichten müssen um "oben" nicht in die Sättigung zu laufen.
Klar ist, dass meine Ausführung stark vereinfacht ist. Es geht bei einer zweifachen Verstärkung nicht wirklich eine Blendenstufe verloren, sondern weniger. Es ging ja auch nur ums Prinzip.

Ciao, Udo

 

[cauchy]

Es kann ja einer von euch gerne Testreihen machen und die Standartabweichung bei hverschiedenen ISO-Zahlen ermitteln, dann können wir ja abschätzen wie stark sich der Dynamikumfang tatsächlich ändert - meiner Meinung nach minimal!

Dazu kommt übrigens auch noch die Tatsache, dass das Rauschverhalten wie zuvor schon erwähnt über die Helligkeitswerte nicht konstant bleibt. So ist das Rauschen in dunklen Bildpartien wesentlich ausgeprägter als in den helleren.

Fazit: Lieber ISO raufdrehen und ein Bild mit unwesentlich geringerem Dynamikumfang machen, als gleich darauf zu verzichten!

 

[cauchy]

Das Rauschen ist NICHT normalerverteilt. Denn es besteht aus mehreren Komponenten.

Ich bin mir schon sehr sicher, dass das Rauschen in guter Näherung normalverteilt ist! Sowohl das thermische Rauschen als auch das Rauschen durch die Signalverstärkung sollte normalverteilt sein - in dem Sinn, dass die Helligkeitsstufe 100001 (ich nehm der Einfachheit halber mal nur 6 Bits - man möge mir verzeihen ) bei höherem Rauschen im Mittel nachwievor 100001 bleibt (bei höherer Standartabweichung)!