Rauschen vs. Dynamikumfang

[Gast_308519]

Hallo,

kann jemand einfach erläutern, wie es kommen kann, dass eine Kamera mit einem kleinen Sensor und kleineren Pixeln (z.B. Nikon D5100) mehr rauscht, aber einen besseren Dynamikumfang hat als eine Kamera mit einem größeren Sensor und größeren Pixeln (z.B. Canon 5DII)?

Ich glaube das ja gerne alles, aber heißt das nicht, dass manche Sensoren einfach "mehr Photonen" pro Pixel noch auslesen können, bevor sie "überlaufen"?
Nach unten hin zum "rauschigen Boden im dunklen" kann es ja keinen Vorteil geben.

 

[Frank Klemm]

kann jemand einfach erläutern, wie es kommen kann, dass eine Kamera mit einem kleinen Sensor und kleineren Pixeln (z.B. Nikon D5100) mehr rauscht, aber einen besseren Dynamikumfang hat als eine Kamera mit einem größeren Sensor und größeren Pixeln (z.B. Canon 5DII)?

Dynamik ISO = Sättigungspegel ISO / Ausleserauschen ISO

Rauschen ISO(N) = sqrt (Ausleserauschen ISO * Ausleserauschen ISO + N)

Für große Helligkeiten (N >> Ausleserauschen ISO * Ausleserauschen ISO)
spielt der Sättigungspegel die wesentliche Rolle, bei geringen Helligkeiten
(N << Ausleserauschen ISO * Ausleserauschen ISO) das Ausleserauschen.

Die 5DII hat besonders bei geringen ISO-Werten ein sehr hohes Ausleserauschen: http://www.sensorgen.info/CanonEOS_5D_MkIII.html
Die D800 hat da ein deutlich niedrigeres Rauschen:
http://www.sensorgen.info/NikonD800.html

Die Umrechnung der Werte auf gleiche Auflösung lautet:
Sättigungspegel glob = Sättigungspegel perpix * Pixelanzahl
Ausleserauschen glob = Ausleserauschen perpix * sqrt (Pixelanzahl)

 

[Gast_194966]

Moin!


Der Vergleich sollte ja aber zwischen D5100 und 5D3 sein. Und ich vermute, Du guckst auf die "Print"-Messergebnisse von DxOMark? Ja, das sieht auf den ersten Blick merkwürdig aus, dass der "SNR18%" der 5D3 bei allen ISOs größer ist als bei der D5100, aber der Dynamikumfang unter 800ISO kleiner.

Zur Erklärung guck mal auf die "full SNR"-Daten (Kameraname anklicken, dann "Measurements") und vergleiche die Kurvenverläufe am linken Ende. Den SNR 18% kannst Du direkt ablesen (einfach mit dem Cursor auf die Kurve und 18% "suchen"). Wenn Du das gleiche mal bei 0,1% machst, wirst Du bei der D5100 bessere Werte finden, und das liegt am deutlich geringeren Ausleserauschen. Die Dynamik kannst Du ebenfalls in diesen Diagrammen finden, Du musst aber etwas rechnen. Such den %-Wert, wo SNR=0dB erreicht wird (also das linke Ende der Kurve), teil 100% durch diesen Wert und berechne davon den Logarithmus zur Basis 2 (es soll ja in EV ausgedrückt werden). Nach DxOMark-Definition ist die Dynamik das Verhältnis zwischen höchster und geringster Belichtung mit einem SNR≥0dB, also quasi die Breite der Kurven oberhalb der 0dB-Linie.


Gruß, Matthias

 

[Gast_308519]

Danke schön. Muss aber nachfragen.

1. Was ist "N"?
2. Du schreibst a) die 5D hat bei niedrigen ISO ein hohes Ausleserauschen. Nun nutzt man niedrige ISO ja meist bei hoher Helligkeit. Dann schreibst Du aber b) dass bei hoher Helligkeit der Sättigungspegel wichtiger ist.
   Ist das nicht etwas widersprüchlich?
3. Was bedeuten diese Sachen dann in der Praxis?
   Ich hatte es mir immer so erklärt, dass ich mit beschränktem Dynamikumfang im Bild mehr/schneller abgesoffene oder ausgefressene Bereiche bekomme. Wenn ich mir die beiden von Dir genannten datensätze ansehe, würde ich daraus ableiten, dass die 5D bei kleinen ISO (z.B. 100) zwar genausowenig Probleme mit Hellen bereichen hat wie die D800 (wegen ähnlichem Sättigungspegel), aber eben dann leichter abgesoffene Schatten hat (wegen hohem Ausleserauschen). Ist das so richtig?

 

[Gast_338619]

Rauschen ISO(N) = sqrt (Ausleserauschen ISO * Ausleserauschen ISO + N)

Für große Helligkeiten (N >> Ausleserauschen ISO * Ausleserauschen ISO)
spielt der Sättigungspegel die wesentliche Rolle, bei geringen Helligkeiten
(N << Ausleserauschen ISO * Ausleserauschen ISO) das Ausleserauschen.

Klasse, kurz und knackig auf den Punkt.

 

[Gast_338619]

[*]Was ist "N"?

Pauschal: Lichtmenge; hier die in Ladung umgesetzte Lichtmenge.

[*]Du schreibst a) die 5D hat bei niedrigen ISO ein hohes Ausleserauschen. Nun nutzt man niedrige ISO ja meist bei hoher Helligkeit. Dann schreibst Du aber b) dass bei hoher Helligkeit der Sättigungspegel wichtiger ist.
Ist das nicht etwas widersprüchlich?

Guck dir mal Franks Formel nochmal genau an. Bei großer Lichtmenge (N) ist das Ausleserauschen im Verhältnis zu vernachlässigen und das Rauschen im wesentlichen durch das stochastische Rauschen des Lichtes bestimmt. Da gilt: je größer die Lichtmenge, die ein Pixel aufnehmen kann, desto größer der Signal-Rausch-Abstand.
Bei wenig Licht ist es dann umgekehrt: die Pixel werden nur wenig "gefüllt", das Ausleserauschen gewinnt überproportionalen Anteil.

würde ich daraus ableiten, dass die 5D bei kleinen ISO (z.B. 100) zwar genausowenig Probleme mit Hellen bereichen hat wie die D800 (wegen ähnlichem Sättigungspegel), aber eben dann leichter abgesoffene Schatten hat (wegen hohem Ausleserauschen).

Nicht abgesoffene, sondern verrauschte. Du kannst bei einer 5DII die Tiefen nicht so gut hochziehen wie bei einer D800. Da Rauschen aber keine (nutzbare) Information ist, verringert es natürlich auch die Dynamik.

 

[Gast_308519]

Danke an alle für die feinen Erklärungen.

Zusatzfrage: Welcher Bausteine sind denn vorrangig zuständig dafür, ein gutes oder schlechtes Ausleserauschen zu erzeugen bzw. zu vermeiden?

 

[Gast_338619]

Bei einem CMOS sitzt der Ausleseverstärker direkt am Pixel. Dessen Ladung steuert kapazitiv den Transistor. Oder zu deutsch: gutes Ausleserauschen primär durch "guten Sensor".

 

[Stempel]

CMOS sind wohl Beide.

Bei modernen Kameras bestimmt die Sensorgröße das Rauschen, weil es dominiert wird durch die Statistik einfallender Photonen.

Für die Dynamik ist außerdem die Obergrenze der zählbaren Photonen wie auch die Quantenausbeute zu bestimmen. Die dürfte von der Elektronik bestimmt sein.

Daher sind Dynamik und Rauschen zwei unabhängige Größen.

Gruß, Wolfgang

 

[Gast_338619]

CMOS sind wohl Beide.

Darum ging es gerade gar nicht und das hat ja auch niemand bestritten.

Bei modernen Kameras bestimmt die Sensorgröße das Rauschen, weil es dominiert wird durch die Statistik einfallender Photonen.

Wenn die Lichtmenge relevant groß ist, sonst eben nicht - siehe Franks Erläuterung. Dann erhält das Verstärkungsrauschen einen wesentlichen Anteil und nach dem fragte der TO.

 

[Gast_194966]

Dann erhält das Verstärkungsrauschen einen wesentlichen Anteil und nach dem fragte der TO.

Er fragte nach der Dynamik, und vermutlich in der Definition von DxOMark. Und die wird tatsächlich vom Ausleserauschen bestimmt, denn die beziehen sich auf SNR=0dB. Eine fotografisch sinnvollere (wenn auch weniger stringente) Definition wie z.B. die von Bill Claff mit seiner "photographic dynamic range", der den unteren Bezugspunkt bei (weiß nicht mehr genau, ich müsste googlen) bei Signal/Rauschen=25 ansetzt, macht die "fotografische Dynamik" bei heutigen Kameras schon ziemlich unabhängig vom Ausleserauschen, und dann trifft Wolfgangs Aussage schon besser.


Gruß, Matthias

 

[Stempel]

Nein...

Wenn die Lichtmenge relevant groß ist, sonst eben nicht - siehe Franks Erläuterung. Dann erhält das Verstärkungsrauschen einen wesentlichen Anteil und nach dem fragte der TO.

Je größer die Lichtmenge, desdo höher die SNR durch den Photonenfluss.

Ein FX Sensor hat bei jedem Licht gegenüber einem DX Sensor (Flächenverhältnis 2,x) alleine dadurch einen Vorteil im SNR von Wurzel(2,x) also etwa fuffzich Prozente oder einen halben Lichtwert.

Der Vorteil gilt für alle Lichtverhältnisse.

Gruß, Wolfgang

 

[Gast_194966]

Der Vorteil gilt für alle Lichtverhältnisse.

Nee, das tut er eben nicht, wie das hier angefragte Beispiel zeigt. In den dunkelsten Schatten, wo das Ausleserauschen das Photonenrauschen überwiegt, ist die Sensorgröße egal. Und dann bekommt eine D5100 deshalb eine größere Dynamik als eine 5D3, obwohl sie im Bereich, der von Photonenrauschen dominiert wird (siehe SNR18%) den standesgemäßen Abstand hält.


Gruß, Matthias

 

[Stempel]

Nee, das tut er eben nicht, wie das hier angefragte Beispiel zeigt. In den dunkelsten Schatten, wo das Ausleserauschen das Photonenrauschen überwiegt, ist die Sensorgröße egal.

Das widerspricht mir nicht. Fotografiere ich ein Motiv mit "dunkelsten Schatten" an FX mit 50mm und an DX mit 35mm (äquivalente Brennweite) habe ich für die dunkelsten Schatten wieder die gleichen Vorteile großer Fläche wie für den ganzen Sensor.

Fotografier ich jedoch in beiden Fällen mit 35mm und croppe FX, verschenke ich den Flächenvorteil durch EBV. Aber dies steht hier doch nicht zur Debatte?

Gruß, Wolfgang

 

[Gast_194966]

Das widerspricht mir nicht. Fotografiere ich ein Motiv mit "dunkelsten Schatten" an FX mit 50mm und an DX mit 35mm (äquivalente Brennweite) habe ich für die dunkelsten Schatten wieder die gleichen Vorteile großer Fläche wie für den ganzen Sensor.

Guck Dir die Messwerte bei DxOMark für die beiden hier verglichenen Kameras an! Dafür ist es natürlich vollkommen egal, welche Brennweite Du benutzst, entscheidend ist: Gleiches Ausgabeformat (deshalb "print" bei DxOMark)! Bei "mitteldunklen" Schatten hat die 5D3 den standesgemäßen Vorteil, bei "ganz dunklen" Schatten gewinnt die D5100. Und an diesen "ganz dunklen" Schatten bemisst DxOMark nun mal die Dynamik.


Gruß, Matthias

 

[Gast_308519]

Eine fotografisch sinnvollere (wenn auch weniger stringente) Definition wie z.B. die von Bill Claff mit seiner "photographic dynamic range", der den unteren Bezugspunkt bei (weiß nicht mehr genau, ich müsste googlen) bei Signal/Rauschen=25 ansetzt

Warum sollte das "sinnvoller" sein?

Willkürliche Grenzen reinzuziehen macht ja unmittelbar aus einer objektiven Beobachtung eine x-beliebige Einzel-Meinung.

Wo wäre das besser, als wenn ich einfach mal "definiere", dass niemand Bilder größer als 10 x 15 cm ansieht und näher als 20cm und alle Aussagen zu Bildeigenschaften dahingehend zu normieren sind (was fotografisch auch sehr leicht als extrem sinnvoll zu argumentieren ist, weil alles andere wohl eher nur im Bruchteil von Promillebereich interessant ist)?
​

Mal abgesehen davon führt das ja immer noch nicht dazu, dass die Relationen sich völlig auflösen. Selbst mit diesem Effekt ist der Dynamikumfang einer APS-C D5100 bei den durchaus interessanten ISOs 100 bis 250 besser als der von KB D3s oder 5D3. Konkret sehe ich da bei ISO 100 soviel Vorsprung, wie es bei den höheren ISOs Nachteile hat.

Ich gebe gerne zu, dass ich mich auf seiner Website nicht gut auskenne und die nicht sehr übersichtlich finde.

 

[Gast_194966]

Warum sollte das "sinnvoller" sein?

Hälst Du einen Bildanteil mit SNR=0dB für fotografisch sinnvoll nutzbar? Ich nicht. Wo da nun jeder seine Grenze zieht, ist Ansichtssache. Was ich sagen wollte: Diese willkürliche Grenze beim unteren Bezugswert bestimmt ganz maßgeblich den Unterschied zwischen verschiedenen Kameras, und in diesem Fall sogar mit verschieden großen Sensoren. Wenn man den Grenzwert etwas höher ansetrzt, kommt man immer näher an den Unterschied aufgrund der reinen Sensorgröße.


Gruß, Matthias

 

[Gast_194966]

Willkürliche Grenzen reinzuziehen macht ja unmittelbar aus einer objektiven Beobachtung eine x-beliebige Einzel-Meinung.

Der Grenzwert 0dB ist genauso willkürlich, er ist nur zufällig 1:1. Man könnte ebenso gut 1:7 erlauben (was für Passbilder sogar funktionieren mag) oder 342:1, was dann eben für schrankwandgroße Bilder aus Armlänge passend sein mag. Das ist ja das Problem mit der Dynamik, sie ist willkürlich, weil sie immer "nutzbar" inpliziert.


Gruß, Matthias

 

[Gast_308519]

Wo da nun jeder seine Grenze zieht, ist Ansichtssache.

Wie praktisch alles, was auf eine Wertung "besser" oder "schlechter" hinausläuft. Mir fällt spontan nix ein in der Fotografie, wo man objektiv sagen könnte, dass es grundsätzlich "besser" oder überlegen ist. Alles nur (absolut:irrelevante) Meinungen. Grosser Sensor ist nicht besser. Viel Licht ist nicht besser usw.

Wenn man den Grenzwert etwas höher ansetrzt, kommt man immer näher an den Unterschied aufgrund der reinen Sensorgröße.

Ja und die Aussagekraft schwindet gegen Null. Wenn ich Parameter beseitige, die meiner Doktrin widersprechen, kann ich genausogut "Ich will aber!" als Grund ausrufen.

Der Grenzwert 0dB ist genauso willkürlich, er ist nur zufällig 1:1.

Das sehe ich anders, führt aber letztenendes nur zu philosophischen Diskussionen über Neutralität und Willkür.

Egal. Meine Fragen wurden in den ersten paar Posts hinreichend klar beantwortet.

Einzig die Folgefrage bleibt ungeklärt: Wo hat Herr Claff erläutert, wieso er genau die von Dir zitierte Grenze nutzt? (Link wäre nett)

 

[Gast_338619]

Er fragte nach der Dynamik

Meine Antwort bezog sich auf seine 2. Frage, ist jetzt aber ohnehin nicht mehr relevant.

Der Vorteil gilt für alle Lichtverhältnisse.

Über die Fläche habe ich gar nicht geschrieben.