Rauschen reduzieren durch Pixelverringerung?

[Cheaterboyz]

Hallo zusammen,

da ich von Kameratechnik nur soviel verstehe, dass es zum Fotos machen reicht, müsst Ihr entschuldigen wenn die kommende Frage vielleicht banal oder dämlich erscheint

Soweit ich verstehe resultiert das wesentlich geringere Rauschen bei hohen ISO-Werten bei KB gegenüber APS-C daher, dass die APS-C durch den kleineren Sensor eine höhere Pixeldichte besitzen.
12MP bei Kleinbild rauscht ja bekanntlich weniger als 12MP bei APS-C. Soweit richtig?

Jetzt gibt es ja aber bei allen Kameras die Möglichkeit die Qualität der Bilder zu reduzieren. Bei Nikon z.B. durch die Optionen aus der Qualität "L" die Quälität "S" zu machen.
So wie ich das verstanden habe, bedeutet dass, es werden einfach weniger Pixel des Sonsors genutzt, dadurch reduziert sich die Datenmenge. Die relative Pixeldichte nimmt ab?

Bedeutet das, dass ich durch eine Minderung der Qualität von "L" zu "S" ein besseres Rauschverhalten erreichen kann?
V.a. in der Partyfotografie wäre das Potenziel ziemlich groß.

Hoffentlich konntet Ihr meinem Gedankengang folgen
Stimmt denn, was ich gerade erzählt habe, oder liege ich irgendwo falsch?

Grüße
Markus

 

[ManniD]

Soweit ich verstehe resultiert das wesentlich geringere Rauschen bei hohen ISO-Werten bei KB gegenüber APS-C daher, dass die APS-C durch den kleineren Sensor eine höhere Pixeldichte besitzen.
12MP bei Kleinbild rauscht ja bekanntlich weniger als 12MP bei APS-C. Soweit richtig?

Hier liegt schon der erste Fehler vor. Das Rauschen am KB ist geringer, weil die dort gesammelte Lichtmenge größer ist. Die Pixeldichte spielt da erst einmal keine Rolle.

Die Qualitäten von L und S beruhen einfach aus kleiner gerechneten Bildern, das Rauschen wird dort also bei gleicher Ausgabegröße auch wieder gleich sein. Es bringt also nichts statt L dann S Bilder zu nehmen, eher das Gegenteil wird der Fall sein, weil man die größeren Bildern dann wieder anders entrauschen kann. Also lieber bei L bleiben und wenn möglich sogar RAW nutzen, weil man mit externen Entrauschungstools wieder bessere Ergebnisse erzielen kann.

 

[lichtbildle]

Jetzt gibt es ja aber bei allen Kameras die Möglichkeit die Qualität der Bilder zu reduzieren. Bei Nikon z.B. durch die Optionen aus der Qualität "L" die Quälität "S" zu machen.
So wie ich das verstanden habe, bedeutet dass, es werden einfach weniger Pixel des Sonsors genutzt, dadurch reduziert sich die Datenmenge. Die relative Pixeldichte nimmt ab?

Technisch ist es bei den meisten Sensoren gar nicht möglich, nur eine Teilmenge der hardwaremäßig existierenden Pixel zu verwenden. Die Kamera nimmt also immer ein Bild in voller Auflösung auf und rechnet es dann in die eingestellte Auflösung um.

Rauschen kann sich bei der Verkleinerung verbessern, das hängt von den kameraspezifischen Algorithmen und Einstellungen ab (relevant wären hier neben Bildgröße und JPG-Qualität auch die für Rauschreduzierung und Schärfung, je nach Kamera evtl. noch weitere). Ob es für Deine Ansprüche etwas bringt, wäre auszuprobieren. Bei Partyfotografie ist am Ende ja normalerweise keine große Auflösung gefordert, da kann man auch recht bedenkenlos gleich die Kamera passend einstellen.

Aber damit das auch klar ist: Wer hohe Ansprüche an Bildqualität hat und nicht zwingend die Kamera auf JPG betreiben muß, der pfeift auf die Feineinstellungen der Kamera, stellt auf Raw-Format und macht den Rest mit guter Software am PC. Ist natürlich deutlich zeit- und damit beim Profi auch kostenaufwendiger.

Kamera fest auf Raw hat nebenbei auch den Vorteil, daß sie (abgesehen von ISO natürlich) nie versehentlich noch vom Vorabend falsch eingestellt ist.

 

[ManniD]

Technisch ist es bei den meisten Sensoren gar nicht möglich, nur eine Teilmenge der hardwaremäßig existierenden Pixel zu verwenden.

Wenn sie es so machen würden, wäre dies sogar negativ fürs Rauschen, da die genutzte Sensorfläche kleiner würde und smit weniger Licht gesammelt würde, was zu einer Erhöhung des Rauschen führen würde.

 

[Biker x]

Kamera fest auf Raw hat nebenbei auch den Vorteil, daß sie (abgesehen von ISO natürlich) nie versehentlich noch vom Vorabend falsch eingestellt ist.

äh? ich kann zwar im raw prima den wb nachträglich ändern, wenn aber vom vortag die kamera auf tv 1/8000 - iso automatik - af servo ect. steht nützt das raw mal garnüscht.

 

[Gast_473664]

Das Rauschen am KB ist geringer, weil die dort gesammelte Lichtmenge größer ist.

Röntgenärzte kennen das. Wenn die Lichtmenge kleiner wird, muß man gut abwägen, ob man mehr Rauschen bei gleicher Auflösung, oder gleiches Rauschen bei niedrigerer Auflösung haben möchte.

Im Eingangspost ist die Auflösung bei beiden Sensoren gleich und der kleinere Sensor rauscht dann mehr, wenn er weniger Photonen sammelt.

 

[Cheaterboyz]

Danke für die Erklärungen!

Heißt, die Pixeldichte hat nichts mit dem Rauschen zutun.
Wieder schlauer geworden

 

[picture_perfect_pathetic!]

äh? ich kann zwar im raw prima den wb nachträglich ändern, wenn aber vom vortag die kamera auf tv 1/8000 - iso automatik - af servo ect. steht nützt das raw mal garnüscht.

wahrschlein meint er so Sachen wie den Weissabgleich, verschiede Farbprofile/PictureStyles und etc

 

[scorpio]

wahrschlein meint er so Sachen wie den Weissabgleich, verschiede Farbprofile/PictureStyles und etc

Was er wahrscheinlich meint, ist reine Spekulation und hat - völlig unabhängig davon - nichts mit dem Threadthema zu tun.

 

[anathbush]

12MP bei Kleinbild rauscht ja bekanntlich weniger als 12MP bei APS-C. Soweit richtig?

Das kommt darauf an. Wenn Du z.B. ein Bild mit APS-C extra bei f/8 machst, damit Du genug Schärfentiefe hast, dann wirst Du bei KB mehr abblenden müssen, dann rauscht es mehr oder weniger gleich. Wenn Du zwei mal bei Offenblende f/2.8 fotogarfierst, hast Du bei KB weniger Schärfentiefe und weniger Rauschen. Es ist also nicht ganz so einfach.

 

[dwuen]

Heißt, die Pixeldichte hat nichts mit dem Rauschen zutun.

Bei gleichem technologischem Niveau ist das Rauschen umso kleiner, je größer die Pixelfläche ist, denn mit einer größeren Pixelfläche können mehr Photonen eingefangen werden.

Was bedeutet eigentlich Rauschen? Der Bildsensor und die Kameraschaltkreise bestehen aus Halbleitern. Digitale Schaltktreise kennen nur L (Signal da) und 0 (kein Signal da). Soweit die Theorie. In der Praxis fließt trotz Sperrrichtung trotzdem ein kleiner Strom, je wärmer der Schaltkreis ist, desto mehr. Die Höhe dieses Stromes ist auch vom Metalloxid (MO) des CMOS-Schaltkreises abhängig. Dieser Strom in Sperrichtung fließt nicht gleichmäßig, sondern unregelmäßig. Dieser Sperrstrom verursacht bei Digitalkameras und in der Akustik das "Untergrundrauschen". Wenn nun bloß wenige Photonen eingefangen werden, dann ist das durch diese verursachte Nutzsignal nur knapp über diesem Rauschen. Wenn der ISO-Wert hochgesetzt wird, wird das Nutzsignal verstärkt - aber zwangsläufig auch das Untergrundrauschen mit.

Ganz ganz wenige Spitzen-DSLR mit sehr vielen Megapixeln sowie Röntgenflachdetektoren besitzen für ein sehr geringes Nutzsignal die Möglichkeit eines Binnings. Dabei werden z.B. 4 Pixel elektronisch zusammen geschalten, so dass diese wie ein großes Pixel wirkt. Normale DSLR können so etwas nicht.

Warum rauschen neuere Kameras bei gleicher Pixelgröße etwas weniger als ältere Kameras?

- Die reale Pixelfläche ist deutlich kleiner als die theoretische Pixelfläche, da ja auch Platz für die elektrischen Zuleitungen (Metallbahnen, meist Cu oder AL) benötigt wird. Man kann die reale Pixelfläche erhöhen, wenn man den Platz für die Metallbahnen reduziert, z.B. Cu statt Al oder wenn man die Metallbahnen nicht an der Oberfläche des Schaltkreises verlegt, sondern eine Ebene tiefer.
- Man plaziert über jedes Pixel eine winzige Linse, so dass das Licht eines theoretischen Pixels auf das reale Pixel fokussiert wird.
- Man verwendet ein besseres Metalloxid, z.B. statt Siliziumdioxid Hafniumoxid. Dadurch wird der Strom in Sperrrichtung kleiner und damit das Rauschen.

 

[Gast_473664]

Ganz ganz wenige Spitzen-DSLR mit sehr vielen Megapixeln sowie Röntgenflachdetektoren besitzen für ein sehr geringes Nutzsignal die Möglichkeit eines Binnings. Dabei werden z.B. 4 Pixel elektronisch zusammen geschalten, so dass diese wie ein großes Pixel wirkt.

Welche Kameras können das denn? Werden dann auch kleinere (weniger Pixel) Roh-Dateien erzeugt?

 

[Waartfarken]

Welche Kameras können das denn?

Unter aktuellen Digitalkameras kenne ich keine, auch und gerade keine "Spitzen-DSLR". Es wäre auch ziemlich sinnlos, man kann ja schließlich die Signale mehrerer Pixel zusammenrechnen, das macht jedes EBV-Programm. Beim Photonenrauschen kommt das aufs selbe raus. Das Ausleseraushen wird dadurch etwas vergrößert. Allerdings wäre das bei einer Ausleseelektronik, die das vierfache Signal verarbeiten können muss, vermutlich auch etwas größer.

 

[Waartfarken]

Was bedeutet eigentlich Rauschen?

Was Du beschreibst, ist jedenfalls nicht das, was üblicherweise als Bildrauschen wahrgenommen wird. Du beschreibst thermisches Rauschen, das bei Langzeitbelichtungen eine Rolle spielt, erwähnst aber die beiden i.a. weit überwiegenden Rauschanteile mit keinem Wort.

Die reale Pixelfläche ist deutlich kleiner als die theoretische Pixelfläche....

Wie groß die tatsächliche Pixelfläche ist, ist gar nicht so wichtig, sondern die Fläche, auf der Photonen "gesammelt" werden, und die ist dank Mikrolinsen schon bei fast 100% der Sensorfläche. Verbessert wurde und wird die Effektivität, mit der Photonen erfasst werden (Quanteneffizienz), die Aufnahmekapazität für Elektronen pro Pixel bzw. pro Fläche ("full well capacity") und die Messgenauigkeit der Ausleseelektronik (Ausleserauschen). Ja, und bestimmt auch das thermische Rauschen.

 

[Frank Klemm]

Bei gleichem technologischem Niveau ist das Rauschen umso kleiner, je größer die Pixelfläche ist, denn mit einer größeren Pixelfläche können mehr Photonen eingefangen werden.

Ja.
Eingefangene Photonen ~ Fläche
Eingefangene Photonen ~ Quanteneffizienz.
Eingefangene Photonen ~ 1/Blendenzahl²
Eingefangene Photonen ~ Belichtungszeit

Was bedeutet eigentlich Rauschen? Der Bildsensor und die Kameraschaltkreise bestehen aus Halbleitern. Digitale Schaltktreise kennen nur L (Signal da) und 0 (kein Signal da). Soweit die Theorie. In der Praxis fließt trotz Sperrrichtung trotzdem ein kleiner Strom,

Es gibt keine Sperrrichtung. Die lichtempfindlichen Elemente agieren als Photovoltaik-Elemente, die selbst Ladung liefern. Ohne Vorspannung. Die wäre überflüssig (Auslesezeit liegt eher bei 10 ms statt bei <100 ns) und schädlich (Bias).

je wärmer der Schaltkreis ist, desto mehr. Die Höhe dieses Stromes ist auch vom Metalloxid (MO) des CMOS-Schaltkreises abhängig. Dieser Strom in Sperrichtung fließt nicht gleichmäßig, sondern unregelmäßig. Dieser Sperrstrom verursacht bei Digitalkameras

Spielt bei Langzeitaufnahmen eine Rolle. Astroaufnahmen oder Nachtaufnahmen mit Stativ. Sonst uninteressant.

und in der Akustik das "Untergrundrauschen".

In der Akustik spielt das überhaupt keine Rolle.
Genauso wie in der Mechanik, der Elektrodynamik und der Quantentheorie. Akustik hat nichts mit Tonaufnahmen selbst zu tun.
Es ist die Theorie der Schallausbreitung und -erzeugung, ggf. noch die Auswirkungen auf den von Menschen empfundenen Klang (Psychoakustik).

Wenn nun bloß wenige Photonen eingefangen werden, dann ist das durch diese verursachte Nutzsignal nur knapp über diesem Rauschen. Wenn der ISO-Wert hochgesetzt wird, wird das Nutzsignal verstärkt - aber zwangsläufig auch das Untergrundrauschen mit.

Bei "normalen" ISO-Zahlen spielt das Rauschen der Sensoren so gut wie keine Rolle mehr. Das Licht selbst rauscht. Folgt aus der Feldquantisierung

Ganz ganz wenige Spitzen-DSLR mit sehr vielen Megapixeln sowie Röntgenflachdetektoren besitzen für ein sehr geringes Nutzsignal die Möglichkeit eines Binnings. Dabei werden z.B. 4 Pixel elektronisch zusammen geschalten, so dass diese wie ein großes Pixel wirkt. Normale DSLR können so etwas nicht.

Moderne Sensoren können das prinzipbedingt nicht mehr, weil Ladung direkt vor
Ort, wenige Mikrometer vom Entstehungsort entfernt, in eine Spannung umgewandelt
werden und nicht erst durch die Weltgeschichte transportiert werden.
Das heutige Entwicklungsziel ist es, die Pixel selbst rauscharm zu machen und alles
zu vermeiden, was dem im Weg steht.

Warum rauschen neuere Kameras bei gleicher Pixelgröße etwas weniger als ältere Kameras?

- Die reale Pixelfläche ist deutlich kleiner als die theoretische Pixelfläche, da ja auch Platz für die elektrischen Zuleitungen (Metallbahnen, meist Cu oder AL) benötigt wird. Man kann die reale Pixelfläche erhöhen, wenn man den Platz für die Metallbahnen reduziert, z.B. Cu statt Al oder wenn man die Metallbahnen nicht an der Oberfläche des Schaltkreises verlegt, sondern eine Ebene tiefer.

Nennt sich Quanteneffizienz. Inbesondere bei sehr kleinen Pixeln läßt sich die Ursache
für reduzierte QE gar nicht mehr in ihre Teilursachen auseinanderdividieren.
Sind es spektrale Effekte (die für eine Farbkamera notwendig sind) oder sind des Flächeneffekte (Abschattungen), die die QE reduzieren.
Man sieht nur das Produkt aus beiden Effekten.

- Man plaziert über jedes Pixel eine winzige Linse, so dass das Licht eines theoretischen Pixels auf das reale Pixel fokussiert wird.

State of the Art seit etwa 15 Jahren. Fehlende Mikrolinsen spielten bei den ersten Digitalkameras eine Rolle.

- Man verwendet ein besseres Metalloxid, z.B. statt Siliziumdioxid Hafniumoxid. Dadurch wird der Strom in Sperrrichtung kleiner und damit das Rauschen.

Spielt bei Kamera-Sensoren keine Rolle.
Die dort verwendeten Strukturgrößen sind die, die Intel für ihre Prozessoren in den 1990er Jahren verwendet haben. Hafniumoxid ist daher überflüssig bis schädlich (kein Dielektrikum bekommt man so gleichmäßig wie SiO2 hin).

 

[Mi67]

Bei "normalen" ISO-Zahlen spielt das Rauschen der Sensoren so gut wie keine Rolle mehr. Das Licht selbst rauscht. Folgt aus der Feldquantisierung

Das stimmt zumindest für korrekt belichtete Motive mit moderatem Kontrastumfang. Will man aber mit ISO-100 im RAW-Format durch ein Fenster sichtbare helle Himmelsanteile vor dem Ausfressen bewahren und gleichzeitig den Innenraum darstellen, dann schöpft einen maximalen Dynamikbereich der Kamera aus. Dabei entscheidet in den dunklen Bildpartien (ca. 10-13 EV unter den hellsten Partien) dann doch wieder das Sensorrauschen mit darüber, wie gut die stark aufgehellten Bereiche aussehen. Offensichtlich schaffen einige Nikon-Kameras (D7200, D810, ...) diesbezüglich schon ganz hervorragende Kennzahlen.

Das heutige Entwicklungsziel ist es, die Pixel selbst rauscharm zu machen und alles zu vermeiden, was dem im Weg steht.

Wie schätzt Du diesbezüglich die aktuelle Limitation durch hohe Taktraten der A/D-Wandlung ein? Ganz aktuell wird ja berichtet, dass die Nikon D5 deutlich schlechtere Dynamikwerte haben könnte, als die mit geringerer Serienbildfrequenz (und somit auch geringerer Taktrate?) auslesenden Kameras der gleichen Firma. Auch die "dual pixel"-Konfiguration für PD-AF könnte sich prinzipiell ungünstig auf die Sensorparameter auswirken ...

 

[Frank Klemm]

Das stimmt zumindest für korrekt belichtete Motive mit moderatem Kontrastumfang. Will man aber mit ISO-100 im RAW-Format durch ein Fenster sichtbare helle Himmelsanteile vor dem Ausfressen bewahren und gleichzeitig den Innenraum darstellen, dann schöpft einen maximalen Dynamikbereich der Kamera aus.

Bei dieser Art von Motiven hat man eher ein Problem mit Streulicht und dem durch
das Streulicht verursachte Rauschen.
Bei z.B. der D7200 und mindestens bei ISO 100 und ISO 200.
Wenn sich jedes 9000. Photon verirrt und dann doch noch auf den Sensor auftrifft,
dann ist das Rauschen von Streulicht genauso groß wie das des Sensors.

Wie schätzt Du diesbezüglich die aktuelle Limitation durch hohe Taktraten der A/D-Wandlung ein?

Die sind eher niedrig.

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Wirklich schnelle Wandler sind verbaut...

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[dwuen]

Offensichtlich gibt es verschiedene Meinungen zu diesem Thema.

Mir ist nicht bekannt, dass man mit CMOS-Transistoren wie bei einer Photodiode Strom erzeugen kann. Es gibt aber Forschungen von Fraunhofer, Photodioden auf einem CMOS-Schaltkreis unterzubringen.

Die geäußerte Meinung entgegen dem Metalloxid Hafniumoxid ist m.E. falsch. Das ist zumindest bei Prozessoren die entscheidende Technologie, um das Rauschen zu minimieren. Durch den niedrigeren Rauschpegel konnte die Spannung von 5 V auf ca. 3 V und jetzt auf reichlich 1 V gesenkt werden.

Nur dadurch werden leistungsstarke Prozessoren nicht überhitzt, denn durch die niedrigere Spannung fällt auch weniger Abwärme an und der Strombedarf sinkt drastisch. Nur so können Klappcomputer und Smartphones mit leistungsstarken Schaltkreisen eine vertretbare Akku-Laufzeit (gemeint ist nicht Lebensdauer, sondern eine Ladung) haben.

Früher hatten alle CMOS-Schaltkreise Siliziumdioxid als Metalloxid, weil das prozesstechnisch viel einfacher ist als andere Metalloxide. Deshalb ist bei technologisch weniger anspruchsvollen Schaltkreisen nach wie vor Siliziumdioxid als Metalloxid im Einsatz.

Was so als Wärmerauschen abgetan wurde, ist m.E. nach die entscheidende Ursache des Rauschens. Nicht umsonst werden hochauflösende Kameras, und da meine ich nicht nur Infrarotkameras, gekühlt.

Mir ist nicht bekannt, dass das Licht an sich nennenswert rauscht. So etwas kommt höchstens bei Lichtquellen vor, die elektronisch gesteuert werden und nicht träge sind, wo sich also das Rauschen der Elektronik auf die Lichtquelle überträgt. So etwas kommt bei Röntgenröhren vor.

Soweit mir bekannt ist, ist die werkseigene Mikroelektronik von Canon stark veraltet und geschätzte 15 Jahre hinter dem jetzigen Standard. Bei Bildaufnahmeschaltkreisen braucht man keine so extreme minimale Deteilgröße wie bei Prozessoren. Eine 14 nm-Technologie wird hier nie gebraucht werden. Etwas anderes ist es mit den Prozessoren in der Kamera. Hier wird eine bestimmte Leistung gebraucht für das schnelle Auslesen der Bildsensoren und die kamerainterne Bildverarbeitung.

Entscheidender Entwicklungsschritt wäre der Einsatz von Hafniumoxid als Metalloxid im CMOS-Transistor. Das hätte folgende Effekte:
- weniger Rauschen
- höhere ISO-Werte möglich
- viel großere Akku-Haltbarkeit (mehr Bilder)
- höherer Dynamikumfang

Ich bin mir aber nicht sicher, ob Canon diesen Weg gehen wird und das aus mehreren Gründen:

- Die CMOS-Technologie ist für Bildsensoren eine Auslauftechnologie, aber für Kameraschaltkreise weiter im Einsatz. Es ist aber noch nicht 100%ig sicher, wann die Nachfolgetechnologie in die Massenfertigung kommt und wie diese genau aussieht. Ich habe da etwas nebulös formuliert einen Artikel von Fraunhofer gelesen, wo dieser technologische Schritt erwähnt wird.
- Der Umstieg auf eine aktuelle Mikroelektroniktechnologie würde Canon ca. 5 ... 7 Mrd. Dollar kosten und das Geld soll Canon nicht haben. Das liegt u.U. an finanziellen Nachwirkungen der Tsunamie-Katastrophe und dem starken Rückgang bei den Verkaufszahlen aller Arten von Disgitalkameras, auch von DSLR. Ich vermute mal, Canon wird erst einmal mit so großen Investitionen abwarten, wie schnell die angedeutete neue Technologie für Bildsensoren großtechnisch umgesetzt werden kann und es kann auch sein, dass auch Canon künftig seine Bildsensoren als Lohnfertigung herstellen lässt.

 

[Waartfarken]

Was so als Wärmerauschen abgetan wurde, ist m.E. nach die entscheidende Ursache des Rauschens.

Erklär dann doch mal bitte, wie es zu dem typischen Verlauf der "full SNR"-Kurven bei DxOMark kommen kann? Da steigt der Rauschabstand über einen weiten Bereich proportional zur Wurzel aus der Belichtung (=Lichtmenge pro Fläche). Wie kommt das, wenn nicht durch Photonenrauschen?

Nicht umsonst werden hochauflösende Kameras, und da meine ich nicht nur Infrarotkameras, gekühlt.

Nennst Du uns bitte eine einzige hochauflösende handelsübliche Fotokamera, die zwangsgekühlt wird?

 

[dwuen]

Zum Binning: Warum ist Binning in DSLR noch nicht im Einsatz?

Zunächst erst einmal, Binning funktioniert. Das ist durch Verwendungen z.B. in Rasterelektronenmikroskopen bewiesen, wenn auch der Effekt nicht ganz so groß ist wie theoretisch angenommen. Binning ist auch bei einem Elektronenbeugungsverfahren (EBSD) im Einsatz, insbesondere wenn die Intensität der Begungsreflexe nur sehr wenig über dem Rauschen liegt, also ein analoges Probklem wie in der Fotografie.

Heute ist man sich im Foto-Lager weitgehend einig, dass man für ein gutes Bild mindestens 12 bis 16 Megapixel braucht. Damit ein Binning Sinn macht, sind also Bildaufnahmeschaltkreise mit 48 ... 64 Megapixel erforderlich (Binning von 4 Pixeln). Solche Megapixel-Kameras haben jedoch so kleine Pixelflächen, dass das Rauschen bei wenig Licht sehr hoch wird. Durch Binning wird die Pixelfläche vervierfacht, aber die Ortsauflösung wird eben dadurch entsprechend kleiner.