Leserauschen in der Zukunft

[burkhard2]

Richtig, ein 16-bit ADC für Kameras mit großen Pixeln könnte das Szenario somitWill man eine höhere Dynamik bei basis-ISO erzielen, dann muss man an der ADC-Wandlung selbst ansetzen oder mehrschrittig auslesen. Sollte dies bei kleineren Pixeln leichter fallen, dann mag man dies gerne bei kleinen Pixeln betreiben.

Gerade beim ADC sehe ich die kleinen Pixel eher im Vorteil – gleiches Eingangssignal (nach Vorverstärkung) und gleiche ADCs vorausgesetzt. Wenn der 14 bit-Wandler ein Rauschen von 1 ADU hat, dann entspricht das beim Pixel mit 10000 Elektronen Sättigungskapazität ca. 0,6 e- Leserauschen, bei 100000 Elektronen Sättigungskapazität aber ca. 6 e-. Da würden wir uns also eher im Bereich von Szenario C bewegen. Das hieße natürlich auch entweder zehnfache Menge an ADCs oder zehnfache Wandlungszeit, insofern würde man vermutlich in der Praxis nicht die gleichen ADCs einsetzen für kleine wie große Pixel einsetzen.

L.G.

Burkhard.

 

[Mi67]

Es gibt ja zumindest die sCMOS Sensoren von Fairchild/PCO, ...

Was das genau bedeutet, weiß man wieder nicht, weil man das Datenblatt nur gegen Registrierung bekommt.

Genau solche Strategien meinte ich.
Was interessiert Dich denn zu der Kamera? Ich habe hier eine Andor Zyla 5.5 mit sCMOS in Betrieb. Sie steht m.E. als Beispiel dafür, dass Szenario A realistischer sein dürfte.

... andererseits betreiben wir auch eine Andor iXon EM-CCD-Kamera (DV887 back-illuminated), bei der die 16x16 µm² Pixel (FWC = 220.000 e-) nativ mit hohem Ausleserauschen und erst unter Anwendung einer cleveren Vorverstärkung (Korrelat eines höheren ISO-Wertes) mit unter 1 e- Ausleserauschen arbeiten. Da das Ausleseregister in seinen Amplifikations-Wells eine FWC von 800.000 e- hat, kann ein Gain >> 4-fach nur dann angewendet werden, wenn die Sensorpixel nicht in ihre FWC getrieben werden. Andernfalls clippt das Ausleseregister in den Lichtern. Bei dieser Kamera könnten also kleinere Einzelpixel durchaus auch in basis-ISO ein geringeres Ausleserauschen haben, da man den Gain umgekehrt proportional zur sinkenden FWC steigern könnte. Der Dynamikbereich wird durch 16-bit-Wandlung limitiert, was bei einem Umsetzungsverhältnis von 1 e- zu 1 ADU schon ein Kodierungsrauschen von 4 e- am Originalsensor bedingt. Das tatsächliche Ausleserauschen im EMCCD-Modus liegt je nach Auslesetakt bei 22-62 e-. I.a.W.: man benötigt eine ca. 20-60-fache Vorverstärkung, um das Ausleserauschen auf unter 1 e- zu senken. Damit wird die nutzbare FWC der Sensorpixel auf ca. 14.000-40.000 e- beschnitten. Steigert man den Gain noch weiter, so ist zwar das Ausleserauschen weiter absenkbar (bis auf ca. 0,07 e-), dabei aber sinkt die Lichterdynamik entsprechend weiter und die Hoffnung auf weitere Dynamik in den Schatten ersäuft in der stochastichen Natur des immer selteneren Photoneneinfalls. Das kann wissenschaftlich vielleicht noch sinnvoll sein, die Bildgebung aber sieht dann reichlich lausig aus!

 

[Ockham]

Bei EMCCDs kommt aber noch der excess noise factor von SQRT(2) dazu. Dadurch haben CCDs bei größeren Signalpegeln ein insgesamt geringeres Rauschen als EMCCDs. There is no free lunch...

 

[Mi67]

Bei EMCCDs kommt aber noch der excess noise factor von SQRT(2) dazu. Dadurch haben CCDs bei größeren Signalpegeln ein insgesamt geringeres Rauschen als EMCCDs. There is no free lunch...

Ja, wobei dieser "excess noise" in meinen Angaben auch schon enthalten war. Liest man den exakt gleichen Sensor nicht über frame transfer und das EM-Register aus, sondern direkt über einen konventionellen Vorverstärker, so landet man bei 7 e- Ausleserauschen. Bei einer FWC von 220.000 e- ein passabler Wert von knapp 15 Blendenstufen Dynamik im "basis-ISO". ;-)


Unterhalb irgendeines Ausleserauschens wird selbiges gegenüber dem Schrotrauschen der niedrigen absorbierten Photonenzahl in den dunklen Pixeln irrelevant werden. Vielleicht sind wir sogar schon an diesem Punkt angelangt!?

Wenn eine Dynamik-Spitzenreiter-Kamera wie die Nikon D810 tatsächlich bei einem basis-ISO von 64 eine Dynamik von 14,76 EV hat, dann müsste sie bei einem Ausleserauschen von 3 e- eine FWC von 83.000 e- aufweisen. Das ist kaum mehr glaubhaft. Hat sie ein Ausleserauschen von < 1 e-, so wäre die FWC auf realistischeren < 28.000 e-. Dafür aber klopfen in den dunklen Pixeln statistisch gesehen nur noch bei jedem 2. Bild einzelne Photonen an.
Welche bildgebende Information will man aus solchen Zufallsereignissen noch ziehen?

Glaubt man dieser Berechnung nicht, so liegt die Vermutung nahe, dass die hohe Dynamik nicht alleine physikalisch-technisch realisiert wurde, sondern dass schon rechnerische Filterprozesse an der Absenkung des Rauschens mitbeteiligt waren.

 

[Balaleica]

Wenn eine Dynamik-Spitzenreiter-Kamera wie die Nikon D810 tatsächlich bei einem basis-ISO von 64 eine Dynamik von 14,76 EV hat

13,67 EV, wenn denn. Man sollte hier die Messungen zwischen Print (normskaliert auf 8MPix) und Screen (Werte auf Pixelebene) unterscheiden.

 

[Ockham]

Ja, wobei dieser "excess noise" in meinen Angaben auch schon enthalten war. Liest man den exakt gleichen Sensor nicht über frame transfer und das EM-Register aus, sondern direkt über einen konventionellen Vorverstärker, so landet man bei 7 e- Ausleserauschen. Bei einer FWC von 220.000 e- ein passabler Wert von knapp 15 Blendenstufen Dynamik im "basis-ISO". ;-)

Excess noise gibt's ja auch nur durch die Elektronenvervielfachung. Der Faktor ist übrigens materialabhängig. 7e- sind übrigens ein ziemlich schlechter Wert.

Unterhalb irgendeines Ausleserauschens wird selbiges gegenüber dem Schrotrauschen der niedrigen absorbierten Photonenzahl in den dunklen Pixeln irrelevant werden. Vielleicht sind wir sogar schon an diesem Punkt angelangt!?

Wenn eine Dynamik-Spitzenreiter-Kamera wie die Nikon D810 tatsächlich bei einem basis-ISO von 64 eine Dynamik von 14,76 EV hat, dann müsste sie bei einem Ausleserauschen von 3 e- eine FWC von 83.000 e- aufweisen. Das ist kaum mehr glaubhaft. Hat sie ein Ausleserauschen von < 1 e-, so wäre die FWC auf realistischeren < 28.000 e-. Dafür aber klopfen in den dunklen Pixeln statistisch gesehen nur noch bei jedem 2. Bild einzelne Photonen an.
Welche bildgebende Information will man aus solchen Zufallsereignissen noch ziehen?

Glaubt man dieser Berechnung nicht, so liegt die Vermutung nahe, dass die hohe Dynamik nicht alleine physikalisch-technisch realisiert wurde, sondern dass schon rechnerische Filterprozesse an der Absenkung des Rauschens mitbeteiligt waren.

Die Nikon D810 erreicht angeblich 1.3e- Rauschen und eine FWC von ~80ke-. Allerdings nicht gleichzeitig, was aber nicht am Sensor sondern an der Signalkette liegt.

 

[burkhard2]

Wenn eine Dynamik-Spitzenreiter-Kamera wie die Nikon D810 tatsächlich bei einem basis-ISO von 64 eine Dynamik von 14,76 EV hat, dann müsste sie bei einem Ausleserauschen von 3 e- eine FWC von 83.000 e- aufweisen.

Die FWC kann man leicht aus dem SNR bei ca 1% Belichtung abschätzen, indem man das Rauschen dort als reines Photonenrauschen interpretiert. Damit kommt man mit den Werten von DxO auf eine FWC von ca. 72000 e-, der tatsächliche Wert dürfte demnach etwas darüber liegen. Die Dynamik eines einzelnen Pixels ist nach der DxO-Messung 13,67 EV, macht ein Leserauschen von ca. 5 e-.

Dafür aber klopfen in den dunklen Pixeln statistisch gesehen nur noch bei jedem 2. Bild einzelne Photonen an.

Selbst wenn es so wäre (und bei fünfstelligen ISOs ist man bei vielen Kameras in dem Bereich): nicht bei jedem 2. Bild, sondern bei jedem 2. Pixel. Wenn man genügend Pixel hat, ist das für das fertige Bild kein Problem.

L.G.

Burkhard.

 

[herbie.t]

Genau solche Strategien meinte ich.
Was interessiert Dich denn zu der Kamera? Ich habe hier eine Andor Zyla 5.5 mit sCMOS in Betrieb. Sie steht m.E. als Beispiel dafür, dass Szenario A realistischer sein dürfte.

>120 dB in UDR mode

Interessieren würde mich vor allem, was der UDR mode macht. 120 dB wären ja 20 lineare bits. Oder arbeiten die dann mit nichtlinearen Sensorkennlinien? In CMOS Technik kann man ja auch logarithmische Pixelzellen bauen.

 

[Mi67]

Interessieren würde mich vor allem, was der UDR mode macht. 120 dB wären ja 20 lineare bits. Oder arbeiten die dann mit nichtlinearen Sensorkennlinien? In CMOS Technik kann man ja auch logarithmische Pixelzellen bauen.

Sorry, aber da kann ich Dir mit unserer Kamera nicht weiterhelfen. Sie hat einen anderen Sensor (http://www.fairchildimaging.com/catalog/focal-plane-arrays/scmos/cis2521), der diesen UDR mode nicht bietet. Falls aber der Daten-Output bei 16 bit liegt, kann ja eigentlich nur nicht-linear gemappt werden.

 

[Ockham]

Nichtlineares Konvertieren ist ja auch sinnvoll, weil das Shot Noise eh mit dem Signalpegel ansteigt und die Quantisierungsschritte weit übersteigt.

 

[Mi67]

Nichtlineares Konvertieren ist ja auch sinnvoll, weil das Shot Noise eh mit dem Signalpegel ansteigt und die Quantisierungsschritte weit übersteigt.

Für Bildgebung (Foto/Video) vielleicht, für die Verwendung der Kameras als Messinstrument eher nicht.

 

[Frank Klemm]

Wenn eine Dynamik-Spitzenreiter-Kamera wie die Nikon D810 tatsächlich bei einem Basis-ISO von 64 eine Dynamik von 14,76 EV hat,

13,67 EV bezogen auf Pixelebene, 14,76 EV bezogen auf 8 MPixel.

dann müsste sie bei einem Ausleserauschen von 3 e- eine FWC von 83.000 e- aufweisen.

Das ist kaum mehr glaubhaft. Hat sie ein Ausleserauschen von < 1 e-, so wäre die FWC auf realistischeren < 28.000 e-.

Bei ISO 64: FWC = 78000 e-, RON = 5,7 e-
Bei ISO 200: FWC = 24800 e-, RON = 4,1 e-
Bei ISO 400: FWC = 12500 e-, RON = 3.7 e-
Bei ISO 1600: FWC = 3200 e-, RON = 3.5 e-

Bei ISO 200 sind es ca. 25000 e- bei 4,1 e- RON.
Nichts mit < 1 e-.

Dafür aber klopfen in den dunklen Pixeln statistisch gesehen nur noch bei jedem 2. Bild einzelne Photonen an.
Welche bildgebende Information will man aus solchen Zufallsereignissen noch ziehen?

Ganz normal. Je nach Noise-to-Signal-Ratio wird scharf- oder weichgezeichnet. Ganz normaler Wiener.

Bei ISO 100 wird eben bis weit in Schatten noch scharfgezeichnet, bei ISO 51200 werden die Lichter gerade noch durchgewinkt und alles andere wird mehr oder weniger rauschgefiltert.

Crispe Pixel (Anheben der MTF bis knapp an die Nyquist-Grenze) hast Du in Bereichen mit mehr als etwa 1000 Photonen. Unterhalb von 120 Photonen wird es langsam schmoddrig (auf Pixelebene). Wahrscheinlich ist das Bild dort noch nicht mal schlecht, es wird nur nicht mehr sonderlich nachgeschärft.

Bei der D810 wären das:
* Crispe Pixel bei ISO 64 bis 1,5% schwarz
* Crispe Pixel bei ISO 3200 bis 60% fast-weiß

* Schmodder bei ISO 64: unterhalb 0,2% schwarz
* Schmodder bei ISO 800: unterhalb 2% schwarz
* Schmodder bei ISO 6400: unterhalb 18% grau
* Schmodder bei ISO 25600: unterhalb 75% weiß

Pixelebene heißt hier 36 MPixel, Unschärfe auf Pixelebene fällt damit bei Prints nicht sofort auf.

Glaubt man dieser Berechnung nicht, so liegt die Vermutung nahe, dass die hohe Dynamik nicht alleine physikalisch-technisch realisiert wurde, sondern dass schon rechnerische Filterprozesse an der Absenkung des Rauschens mitbeteiligt waren.

Das ist egal, solange das Rauschen der Pixel untereinander unkorreliert sind. Bei Videos käme noch eine zeitliche Unkorreliertheit hinzu.
Destruktive Rauschfilterung siehst Du sofort in der KKF.
Ansonsten ist nichts verkehrtes daran, Fehler im Signal zu bestimmen und abzuziehen.

 

[Frank Klemm]

Interessieren würde mich vor allem, was der UDR mode macht. 120 dB wären ja 20 lineare bits. Oder arbeiten die dann mit nichtlinearen Sensorkennlinien? In CMOS Technik kann man ja auch logarithmische Pixelzellen bauen.

Solche Videosensoren passen adaptiv die Belichtungszeit an. Ausgelesen wird Lichtmenge und die verwendete Belichtungszeit. Die höchste Dynamik hat man bei der längsten Videobelichtungszeit.

Gibt es schon ziemlich lange. Tauchte am Anfang bei gering auflösenden Sensoren (720 x 512) auf. Heutzutage gibt es das auch bei HD.
Die 120 dB erreicht man durch Reduktion der Belichtungszeit auf 1/75.000 sec, während normale dunkle Pixel bis 1/30 sec belichten können. In den sehr hellen Bereichen ist das SNR aber auch nicht mehr so besonders hoch, da es Belichtszeitfehler gibt, die das Rauschen in hellen Bildbereichen wieder kräftig ansteigen lassen.

Aber bei 120 dB ist ohnehin außer bei Sternenhimmelaufnahmen das Falschlicht der Optik der begrenzende Faktor.

 

[Mi67]

13,67 EV bezogen auf Pixelebene, 14,76 EV bezogen auf 8 MPixel.

Bei ISO 64: FWC = 78000 e-, RON = 5,7 e-
...
Ansonsten ist nichts verkehrtes daran, Fehler im Signal zu bestimmen und abzuziehen.

Schon klar, was ich mich aber frage ist, ob die Abschätzungen zu FWC und RON tatsächlich zutreffen, wenn sie in Abwesenheit technischer Datenblätter zumeist aus dem RAW-Datenmaterial abgeschätzt werden und die in-camera-Verarbeitungsschritte bis dahin ebenso nicht offengelegt werden. Gäbe es nicht auch Filterfunktionen, die anders als das stumpfe Überbügeln einer Matrix in der Kreuzkorrelation nicht so direkt sichtbar werden?

 

[Gast_430858]

Und um den Threadersteller hier noch maximal zu verwirren, gleich auch noch Frank Klemms Konzept zum 1-bit-Sensor, welches die Pixelverkleinerung auf ein Maximum steigert: https://www.dslr-forum.de/showthread.php?p=11878089

Welches Leserauschen waere denn bei einem solchen Sensor zu erwarten?



Gruesse,
Paul

 

[Balaleica]

Schon klar, was ich mich aber frage ist, ob die Abschätzungen zu FWC und RON tatsächlich zutreffen, wenn sie in Abwesenheit technischer Datenblätter zumeist aus dem RAW-Datenmaterial abgeschätzt werden und die in-camera-Verarbeitungsschritte bis dahin ebenso nicht offengelegt werden.

Hier mal Samsung NX1 anklicken und dann das Paper mal lesen.

Beim 2013er Workshop wurde glaube ich der Sensor der Leica M240 vorgestellt (von CMOSIS), damit sollte sich auch ein Vergleich anstellen lassen.

 

[Ockham]

Schon klar, was ich mich aber frage ist, ob die Abschätzungen zu FWC und RON tatsächlich zutreffen, wenn sie in Abwesenheit technischer Datenblätter zumeist aus dem RAW-Datenmaterial abgeschätzt werden und die in-camera-Verarbeitungsschritte bis dahin ebenso nicht offengelegt werden. Gäbe es nicht auch Filterfunktionen, die anders als das stumpfe Überbügeln einer Matrix in der Kreuzkorrelation nicht so direkt sichtbar werden?

Man braucht kein Datenblatt um Gain (e/DN) und RON zu messen (Photon Transfer Curve). Daraus ließe sich dann Sensor-FW errechnen, wenn nicht vorher der ADC begrenzen würde.

 

[Ockham]

Für Bildgebung (Foto/Video) vielleicht, für die Verwendung der Kameras als Messinstrument eher nicht.

Messinstrumente haben idR eine hinreichende Auflösung, also z.B. 16 bit.

 

[Mi67]

Welches Leserauschen waere denn bei einem solchen Sensor zu erwarten?

Gar keines. Er ging m.W. von einem 2D-Array aus, der neben der Ortsinformation auch eine Zeitinformation zu einzelnen Ladungstrennungen liefert (z.B. in Art von avalanche-Photodioden). Die Zeitinformation wird dann als Helligkeit interpretiert und die Belichtungszeit kann für dunkle Pixel länger als für helle ausfallen. Die maximale Belichtungszeit wird dann durch die Schattenpartien definiert, wo das stochastische Photonenkonzert so lange registriert wird, bis man einen für die Szene hinreichenden Dynamikumfang abbilden kann.

Eine zweite Variante, die auch mit 1-bit-Registrierung arbeiten könnte, nutzt die Stochastik nicht in der Zeitdomäne, sondern in der Ortsdomäne. Ein Sensor mit "nano-Pixeln" (Größe irgendwo unterhalb 500 nm) könnte per "Dithering-Registrat" ähnlich arbeiten, wie ein Farblaser (oder Tinte) im Output.

 

[Mi67]

Hier mal Samsung NX1 anklicken und dann das Paper mal lesen.

Beim 2013er Workshop wurde glaube ich der Sensor der Leica M240 vorgestellt (von CMOSIS), damit sollte sich auch ein Vergleich anstellen lassen.

Ein feiner Sensor, keine Frage. Falls es sich in dem Paper um den gleichen Sensor handeln sollte, ist der RON mit 1,8 e- bei +24 dB analog-Gain angegeben. Ob die +24 dB eine Verstärkung ist, die den "basis-ISO" repräsentiert oder jene, die einem ISO-Setting von 25.600 entspricht? Der über die Bilddaten abgeleitete RON würde eher für Letzteres sprechen: http://www.photonstophotos.net/Charts/RN_e.htm

Was mich aber mehr irritiert, sind die Inhomogenitäten im ISO-abhängigen RON-Verlauf z.B. bei der Son a7s oder der a7rII. Dort macht oberhalb eines ISO-Wertes der RON einen abrupten Sprung nach unten. Das sieht in meinen Augen nach rechnerischer Datenprozessierung aus.

Auch irritieren mich die aus DxO-Daten abgeleiteten FWC. Der Sensor der a7r und jener der Nikon 810 sollten doch identisch sein!? Die FWC ist aber deutlich unterschiedlich. Nur ein Clipping-Effekt in der Ausleseelektronik? Diese sollte bei den CMOS doch weitgehend auf dem Sensor integriert sein. Auch gibt es unterschiede im apparenten RON der beiden Kameras. How comes?