Megapixel und Rauschen

[Tiefenunschärfe]

Hallo,

man liest ja immer, (zu) viele Megapixel einer Kamera seien schlecht, weil das Rauschen, zumal bei höheren ISO-Werten, verstärkt wird.

Ich frage mich, ob und ggf. in welchem Ausmaß das eigentlich zutrifft.

Der Vergleich soll sich auf identische Ausgabegröße und identische Sensorgrößen und Sensorarchitekturen beziehen, nur die Pixelzahl soll unterschiedlich sein.

Selbstverständlich wird das Bild mit dem höher auflösenden Sensor auf Pixelebene mehr rauschen, wie aber sieht es aus, wenn beide Bilder auf dieselbe Ausgabegröße gebracht werden? Besteht dann überhaupt noch ein Unterschied und wie groß wäre er?

Kann man dafür ein ähnliches Modell konstruieren, wie Matthias es bez. der Beugung gemacht hat? Mir würde spontan nur einfallen, dass die Fläche ja gleich ist, beide Sensoren nehmen das gleiche Licht auf, also würde ich ein gleiches Ergebnis erwarten.

Evtl. würde der höher auflösende Sensor etwas weniger "effektive" Fläche bieten, weil die Bereiche zwischen den Pixeln hier größer sind und mehr Platz wegnehmen (ich weiß nicht, ob das technisch richtig ist), aber dieser Effekt müsste doch eigentlich eher gering sein.

Ich bin schon auf die Antworten gespannt.
Vielen Dank.

 

[Maximus]

Das Thema ist hier schon mehrfach besprochen worden. Resultat ist, dass es nicht auf die Pixelzahl ankommt. Lässt sich auch sehr gut an den DXO-Ergebnissen von Nex-7 und Nex-5n sehen:
http://www.dxomark.com/index.php/Ca.../(brand)/Sony/(appareil2)/737|0/(brand2)/Sony
Measurents -> SNR18% -> Print vergleicht bei gleicher Ausgabegröße

 

[Benjamin M.]

Es kommt vor allem auch auf die Kamerageneration an. Neuere Modelle rauschen trotz höherer Pixeldichte ja oft weniger als vergleichbare ältere...

 

[Gast_308519]

man liest ja immer, (zu) viele Megapixel einer Kamera seien schlecht, weil das Rauschen, zumal bei höheren ISO-Werten, verstärkt wird.

...
Der Vergleich soll sich auf identische Ausgabegröße und identische Sensorgrößen und Sensorarchitekturen beziehen, nur die Pixelzahl soll unterschiedlich sein.

DxOMark macht das schon immer in dieser Richtung.

Wenn Du Dir zu einer Kamera die Daten anschaust, gehe mal auf "Measurements".
Da z.B. auf "SNR 18%".

Links oben in der Ecke des Diagramms gibt es dann Buttons für "Screen" und "Print".
"Screen" steht da grob für den 100% Pixelpeeper.
"Print" steht für ein auf 8 MPx normalisiertes Ergebnis, das Du über alle Kameras und Auflösungen vergleichen kannst.

Entsprechende Tooltips erscheinen auch wenn der Mauszeiger darüber geht.
Übrigens ist es auch nicht doof, mal mit dem Mauszeiger rechts über den rot-gelb-grünen Farbverlaufsbalken zu gehen. das hilft der Vorstellung.

 

[Gast_194966]

Kann man dafür ein ähnliches Modell konstruieren, wie Matthias es bez. der Beugung gemacht hat?

Wenn Du mich meinen solltest: Nein, zu viel der Ehre, ich habe da nichts neues konstruiert. Ich versuche nur, es verständlich darzustellen. Aber angesichts der Reaktionen werde ich mir auch das bald abgewöhnen.

Mir würde spontan nur einfallen, dass die Fläche ja gleich ist, beide Sensoren nehmen das gleiche Licht auf, also würde ich ein gleiches Ergebnis erwarten.

Im Prinzip völlig richtig, und DxOMark macht das auch so, wie schon erwähnt wurde. Es steckt aber durchaus etwas mehr dahinter:

Die Skalierung wie bei DxOMark nimmt einfach rein statistisch an, dass das Zusammenfassen der Signale mehrerer Pixel einfach einer Mittelung entspricht. Dabei steigt das Signal-Rausch-Verhältnis um die Wurzel aus der Zahl der zusammengefassten Pixel (und bei unkorreliertem Rauschen).

Auf Sensorseite passiert etwas mathematisch ähnliches aber nur dann, wenn die Signale vom Photonenrauschen dominiert sind. Dann empfängt ein größerer Pixel im Mittel dem Flächenverhältnis entsprechend mehr Photonen und auch dabei steigt das (Photonen-) Rauschen um die Wurzel aus dem Flächenverhältnis. Bei vielen heutigen Sensoren ist das über einen Belichtungsbereich gegeben, und deshalb ist die Pixelzahl bei gleicher Ausgabegröße über einen weiten Bereich egal.

Bei anderen Sensoren war/ist das aber nicht der Fall. Da würde bei einer Halbierung der Pixelgröße das Rauschen um mehr als √2 ansteigen, weil andere relevante Rauschanteile (Read Noise) neben dem Photonenrauschen hinzukommen. Und dann bliebe, wenn man hinterher wieder je 2 rechnerisch zusammenfasst, dann doch mehr Rauschen übrig.



Gruß, Matthias

 

[Tiefenunschärfe]

Das ist jetzt schon lustig.

Als ich mit der Digitalfotografie anfing, dachte ich: je mehr Megapixel, umso besser.

Dann las ich in Foren herum und kam zu dem Ergebnis, dass die wahren Cracks auf eher wenig Megapixel setzen, weil das Rauschen dann viel geringer sei. Nur Anfänger würden etwas auf hohe Auflösung geben.

Inzwischen meine ich, dass eine hohe Auflösung jedenfalls nicht nennenswert schadet. Dass die Beugung dann schlimmer sei, ist nachweislich ein Gerücht, das Rauschen ist es auf dieselbe Ausgabegröße bezogen (und nur darauf kommt es mir an) ebenfalls nicht (viel) mehr.

Mal sehen, wie ich in einem Jahr darüber denke

 

[Otzuka]

Als du mit der Digitalfotografie anfingst waren auch auf einem CMOS Sensor bzw einem Pixel nur 30% Fläche Lichtempfindlich und 70% ging auf die Elektronik drauf, heute hat sich das Blatt gewendet und wenn du dir hintergrundbeleuchtet Sensoren anschaust dann hast du quasi 100% Lichtempfindliche Fläche pro Pixel.

 

[MichaelN]

Irgendwann wird die Auflösung so hoch sein, das niemand mehr auf den Gedanken kommt auf die Pixelebene zu zoomen. Wenn man genug Pixel hat, hat man am Ende ein nahezu analoges Signal. Ich glaube, dann redet keiner mehr über Rauschen oder Detailschärfe.

Dann wird darüber diskutiert welcher Drucker die Fotos am schärfsten ausgibt.

 

[chmee]

Tatsächlich ist die Auflösung jetzt schon hoch genug, dass der Flaschenhals idR die Ausgabe auf ein Medium ist. (..wobei ich jetzt impliziere, dass (A) nicht alle ihr Bild ständig auf Posterformaten >A3 ausdrucken und (B) nicht mit der Lupe Dots auf dem Ausdruck zählen)

mfg chmee

 

[Gast_338619]

Höher auflösende Sensoren
- sind bei optimaler Optik empfindlicher gegen Spitzlichter
- ermöglichen durch statistische Methoden auf einer breiteren Datenbasis insgesamt sogar visuell rauschärmere Bilder
- lassen sich bei Nutzung niedriger auflösender Optiken wie ein Sensor geringerer Auflösung benutzen.

 

[Ger_Codiac]

Halte ich für finanziell und mechanisch unwahrscheinlich.
Das Sensorrauschen steigt bei einer höheren Pixelzahl nicht an. Jedoch benötigt der Sensor mehr Licht.
Das stört bei guten Lichtverhältnissen überhaupt nicht. In Low Light Situationen wird es aber meistens unschön. Wiso kommt es zu diesem Verhalten.
In der Kamera spielen drei Komponenten zusammen:
Sensor -> Elektrischer Verstärker -> A/D Wandler
Der Analog/Digital Wandler im Kameragehäuse verlangt eine Spannung zwischen U_min und U_max. Der Bereich dazwischen wird in die 255 Stufen eingeteilt.
Der Kapazitive Kamerasensor liefert aber nur eine Spannung die um mehrere Potenzen geringer ist als U_min.
Deswegen wird die Spannung U_Sensor verstärkt. Die Spannung die ein Halbleiterdiode erzeugt ist Abhängig von Photonenanzahl, Absorptionseffiziens (Materialabhängig) und Bestrahlungsdauer. Ein prozentualer Anteil an Photonen erzeugt jeweils ein Elektron. Die Anzahl der Photonen pro Fläche ist ohne Änderung der Belichtungszeit oder Bestrahlungsdauer gleichbleibend. Verkleinere ich einen Pixel, sinkt die Anzahl der Photonen und damit die Spannung. Wenn meine Belichtungszeit schon am Rand des möglichen ist gibt es nur noch eine Möglichkeit. Ich muss die Verstärkung also die ISO Empfindlichkeit erhöhen. Die Elektrischen Verstärker erzeugen ein Verstärkerrauschen das sich auch beim Verrechnen von mehreren Pixeln nicht reduziert. Deswegen mögen besonders Konzertfotografen und andere bei Low Light Sensoren mit großflächigen Pixeln.

Demnach verlangen hohe Pixeldichten immer Lichtempfindlichere Objektive, bessere Verstärker oder bessere Sensormaterialien. Deswegen wird es Kameras mit sehr hoher Auflösung sicher geben. Ob diese sich jedoch im Breiten Markt durchsetzen kann ich nur schwer einschätzen.

 

[Gast_194966]

Die Elektrischen Verstärker erzeugen ein Verstärkerrauschen das sich auch beim Verrechnen von mehreren Pixeln nicht reduziert.

Wieso nicht? Es wird selbstverständlich reduziert, bloß derzeit noch nicht auf das Maß, das entsprechend größere Pixel hätten. Aber je weiter die Entwicklung in Richtung "ISO-los" (vernachlässigbarer Read Noise) fortschreitet, desto kleiner wird der Abstand.


Gruß, Matthias

 

[Ger_Codiac]

Einfach formuliert ohne Physik und Wahrscheinlichkeitsrechnung bis ins Extrem zu treiben. Weil das Verstärkerrauschen nichtlinear mit der Verstärkung zunimmt. Natürlich reduziert verrechnen das Rauschen aber niemals um den gleichen Wert den ein Verstärker mit niedriger Verstärkungsleistung erreichen kann. Auch nicht wenn man die Verstärker weiter verbessert.
Ich musste genau das mal in einer Übung rechnerisch beweisen. Hat mich ein Nachmittag gekostet deswegen weiß ich das noch.

 

[Gast_194966]

aber niemals um den gleichen Wert den ein Verstärker mit niedriger Verstärkungsleistung erreichen kann. Auch nicht wenn man die Verstärker weiter verbessert.

Habe ich was gegenteiliges gesagt?

Aber je weiter die Entwicklung in Richtung "ISO-los" (vernachlässigbarer Read Noise) fortschreitet, desto kleiner wird der Abstand.

Gruß, Matthias

 

[Ger_Codiac]

Du hast nichts anderes behauptet. Wollte dir auch nicht Wiedersprechen.
Die Verstärker werden auch noch besser werden. Die große unbekannte ist wie viel Verbesserungspotential in diesem Bereich noch Steckt. Wie weit die die Pixeldichte noch erhöht werden kann ist schwer einzuschätzen. Ich glaube nicht das ich dazu eine klare Aussage treffen kann.
Mir fallen nur immer wieder verschiedene Faktoren ein die auf kurz oder lang diese Entwicklung stoppen werden.
Für eine Pin-Diode in Idealen Verhältnissen kann ich das Limit mal heraussuchen. War glaube ich bei 30-40 Photonen realistisch in Laborbedingungen.

 

[Gast_338619]

All zu viel Luft ist mit der Quanteneffizienz auch nicht mehr drin. Vielleicht ist bei 100 MP Schluss, weil das Ausleserauschen selbst bei niedrigeren ISO zu auffällig wird - keine Ahnung. Letzten Endes wird der Markt ja zeigen, was die Kunden an Pixel vs. Rauschen zu akzeptieren bereit sind und danach wird es dann bestenfalls Späßchen wie MCP o.ä. geben (können).

 

[Ger_Codiac]

Wobei es dann nicht langweiliger wird es gibt noch so viel zu verbessern
Ich vermute ja das die Hersteller über diese Akzeptanzgrenze erst ordentlich hinaus rennen werden. Das wird dann von den Käufern abgestraft und danach wird man ein Sinnvolles Maß finden. Eventuell kommt es dann noch zu einer Differenzierung. Also eventuell ein paar unterschiedliche Pixeldichten je nach Einsatzzweck.
z.B. Eine Studiocam mit besonders hoher Pixeldichte zur Verwendung mit viel Licht. Viele Allrounder im Mittelfeld und ein paar Low Light Cams mit geringer Pixeldichte.

Mit der Sensorgröße kann man dann ja immer noch herum spielen
Ach das wird in den nächsten Jahren richtig spannend was auf dem Gebiet noch alles passiert.

 

[chmee]

Clark (von clarkvision) hat in seiner Betrachtung der 1DIV auch geschrieben, er wünsche sich eher 16Bit breites Auslesen, das darf dann auch von ihm aus dauern, aber es würde die möglichen 15 Blenden des Sensors ausschöpfen. (conclusion)

Möglichkeiten gibt es viele, um die Bildqualität zu steigern.

mfg chmee

 

[Gast_194966]

Clark (von clarkvision) hat in seiner Betrachtung der 1DIV auch geschrieben, er wünsche sich eher 16Bit breites Auslesen, das darf dann auch von ihm aus dauern, aber es würde die möglichen 15 Blenden des Sensors ausschöpfen.

Oh weh! Lass das bloß nicht Stempel-Wolfgang hören.


Gruß, Matthias

 

[chmee]

insider? nix verstehen..