Was passiert beim Ändern der Einstellung "Bildgröße" und "ISO" auf dem Sensor?

[Mannimanaste]

Hallo zusammen,

ich bräuchte mal die grundlegenden digital-Basics bezüglich dessen, was physikalisch tatsächlich passiert, wenn ich bei einer Digitalkamera die Einstellung "Bildgröße (S, M und L)", die ISO Empfindlichkeit und Format RAW oder JPG ändere.

Mir geht's um die tatsächliche Grundlage der Sache, weshalb ich mir eine Erklärung wünsche, die in etwa so beginnen könnte:

Der Sensor einer Digitalkamera mit beispielsweise 16 Megapixel ist eine Fläche mit 16 Millionen lichtempfindlicher Photodioden. Diese Fläche kann je nach Format des Sensors zwischen xx Zentimeter mal yy Zentimeter und xx cm mal yy cm groß sein. Je größer der Sensor, desto größer sind bei gleicher Anzahl auch die Photodioden. Je großer die einzelne Photodiode ist, desto lichtempfindlicher ist sie. [...]

Und hier käme nun die Sache mit den Einstellmöglichkeiten der Kamera, bezüglich der Bildgröße, JPG und RAW Format und ISO. Was bedeutet das für die 16 MP auf dem Sensor?

Beispielsweise verschiedene ISO Einstellungen:
Können mehrere Photodioden zu einem Pixel zusammengefasst werden, und sind damit lichtempfindlicher?
Oder bekommen alle Photodioden mehr oder weniger 'Strom' (Spannung?)?

Oder bezüglich Bildgröße:
Werden bei den Einstellungen S und M nur ein Teil der Photodioden benützt, so dass nur eine Teilfläche des Sensors zu Einsatz kommt? Oder bleibt die Fläche gleich und es werden einzelne Photodioden über den Sensor verteilt ausgeschaltet?

Bezüglich RAW und JPG:
Gibt es da bezüglich der Photodioden auf dem Sensor überhaupt schon einen Unterschied, oder wird das nur unterschiedlich auf der Speicherkarte gespeichert?

Viele Grüße,
Martin

 

[jar]

keine Photodiode wird abgeschaltet, der Chip rechnet nur mehr runter
bei ISO hoch wird der Lautstärkeregler hochgedreht, deswegen rauscht es bei leise auch mehr

 

[Mannimanaste]

keine Photodiode wird abgeschaltet, der Chip rechnet nur mehr runter

Was bedeutet "runterrechnen" in diesem Zusammenhang?
alle 16 Millionen Photodioden sind also aktiv, egal welche "Bildgröße" ich in der Kamera vor der Aufnahme einstelle, richtig? Geht es bei dem Runterrechnen um eine Art Zusammenfassen von Photodioden gleichen Zustands (was dann ja Komprimierung bedeuten würde, richtig?)?

bei ISO hoch wird der Lautstärkeregler hochgedreht, deswegen rauscht es bei leise auch mehr

Den Vergleich verstehe ich, aber Deine Schlussfolgerung kann ich nicht nachvollziehe:
Hohe ISO heißt ja hohe ISO Zahl und damit mehr Lichtempfindlichkeit, sprich kürzere Belichtung bei gleicher Blende möglich. Du sagst, das ist gleichbedeutend mit dem laut drehen. Aber hierbei (hohe ISO-Zahl) tritt doch das ungeliebte (Bild-)Rauschen auf, und nicht beim leise-Drehen...

Alles in allem hinterlässt mich Deine Antwort fast noch verwirrter als zuvor...

Grüße,
Martin

 

[Cornea]

Was bedeutet "runterrechnen" in diesem Zusammenhang?
Geht es bei dem Runterrechnen um eine Art Zusammenfassen von Photodioden gleichen Zustands (was dann ja Komprimierung bedeuten würde, richtig?)?

Es werden die Werte benachbarter Pixel zusammengefasst. Stell dir einen einfachen schwarz-weiß Sensor vor. Du nimmst die Wert von vier Pixeln (Pixel, rechter Nachbar, unterer Nachbar, unterer rechter Nachbar), addierst sie und teilst anschließend durch vier. Diesen Wert gibst du als neues Pixel aus. Das Bild hat anschließend nur noch die halbe Kantenlänge. Das ist nur ein einfaches Beispiel.

Den Vergleich verstehe ich, aber Deine Schlussfolgerung kann ich nicht nachvollziehe:
Hohe ISO heißt ja hohe ISO Zahl und damit mehr Lichtempfindlichkeit, sprich kürzere Belichtung bei gleicher Blende möglich. Du sagst, das ist gleichbedeutend mit dem laut drehen. Aber hierbei (hohe ISO-Zahl) tritt doch das ungeliebte (Bild-)Rauschen auf, und nicht beim leise-Drehen...

Alles in allem hinterlässt mich Deine Antwort fast noch verwirrter als zuvor...

Grüße,
Martin

Hohe ISO-Werte bedeuten eben keine höhere Lichtempfindlichkeit, sondern hörere Verstärkung des aufgenommenen Signals. Ein Sensor zählt die auftreffenden Photonen. An deren Anzahl ändert sich nichts, wenn man den ISO-Wert ändert. Bei jedem Photo-Sensor führen aber nicht nur wie gewünscht Photonen zu zählbaren Ereignissen, sondern z.B. auch thermisches Rauschen (deswegen werden CCD-Kameras für astronomische Aufnahmen aufwendig gekühlt). Erfasst wird das im sogenannten Signal-Rausch-Verhältnis. Bei geringen ISO-Werten braucht man viele Photonen, um den Eindruck "weiß" zu erzeugen. Bei hohen ISO-Werten genügen entsprechend weniger Photonen, aber der gleichbleibende Anteil von zufälligen Werten macht sich zunehmend als störendes Rauschen bemerkbar. Man kann das Rauschen dann durch Überlagerung mehrerer Aufnahmen reduzieren.

 

[frauldabissen]

Das "Herunterrechnen" ist hier wunderbar erklärt Dichteinterpolation

 

[jar]

Den Vergleich verstehe ich, aber Deine Schlussfolgerung kann ich nicht nachvollziehe:
Hohe ISO heißt ja hohe ISO Zahl und damit mehr Lichtempfindlichkeit, sprich kürzere Belichtung bei gleicher Blende möglich. Du sagst, das ist gleichbedeutend mit dem laut drehen. Aber hierbei (hohe ISO-Zahl) tritt doch das ungeliebte (Bild-)Rauschen auf, und nicht beim leise-Drehen...
Alles in allem hinterlässt mich Deine Antwort fast noch verwirrter als zuvor...
Grüße,
Martin

ne wenn du leise mehr hochdrehst hörst du mehr Rauschen als den Ton den du willst

ich schrieb nicht leise drehen ! ich schrieb wenns leise ist (wenig Licht) und du hochdrehst wirds zwar lauter, aber nicht nur der Ton sondern auch das Rauschen.

 

[n.nescio]

ich weiß jetzt nicht, um welche cam es geht, denke mir aber, daß es bei allen gängigen modellen wie folgt aussieht:

1) wenn du in RAW fotografierst, wird in der RAW-bilddatei ein abbild aller pixelinformationen gespeichert (pixelhelligkeit, pixelfarbe). für jedes der 16mio pixel.
zusätzlich wird in der RAW-datei gespeichert, also als nicht pixelinformationsverfälschende zusatzinformation, welche einstellungen an der cam du gewählt hast betreffend jepg-einstellungen (S,M, L, kontrast, schärfe, entrauschstärke etc.)

d.h. die einzigen bildinformationen, die du nicht nachträglich am pc ändern kannst, sind diejenigen, die das durch das objektiv kommende licht in den pixeln bewirkt hat.
alle "kamerabildverarbeitungseinstellungen" verändern das RAW nicht und können jederzeit am pc ohne qualitätsverlust geändert werden.

(a) es gibt multiformatsensoren (z.b. eineige panasonic cams haben das), und auch da werden im raw alle pixelinformationen gespeichert - nur daß du durch die bildseitenformateinstellung vor der belichtung auswählst, ob die fürs bild zu verwendenden 16 megapixel aus den vorhandenen senorpixeln im 4:3-format oder im 3:2 format ausgewählt werden. )

2) fotografierst du im JPG, dann wandelt die cam die raw-datei entsprechend den kameraeinstellungen gleich in der cam in ein jpg um und speichert das jpg entsprechend ab, also mit direkter auswirkung der kontrast-, entrausch-, pixelschärfeeintstellungen. und hier bei der kamera-internen RAW-zu-jpg-umwandlung wird dann aus einem 16 megapixel-raw entweder ein 16-megapixel-jpg imt geringer kompression oder hoher kompression (JPG"-quality HQ or LQ) oder aber bei einstellung bildgröße "M" z.b. wandelt die jpg-engine das 16 megapixel-raw in ein 4 megapixel-jpg um, wobei die pixelinformationen aller 16 megapixel einfließen, d.h. die inofrmationen von z.b. jeweils 16 sensorpixeln werden durch interpolation in 4 bildpixel gepresst.

so denke ich, läuft das im groben ab. sollte jemand meinen, da sei was falsch dran, dann bitte, in einem entprechenden posting deutlich sagen ...
lg gusti

 

[Otzuka]

@TO
wo hast du den dieses Zitat her? Es stimmt doch schon alleine nicht das die Empfindlichkeit der Photodiode auf ihrer Größe zurückzuführen ist, wenn den hier mit Photodiode der Pixel gemeint ist.

 

[n.nescio]

bei manchen nikon KB-kameras geibt es einen modus, wo z.b. bei der d800 statt aller 36 megapixel nur die mittleren 15 megapixel genutzt werden. ob da die "ausgeblendeten pixel" mit ausgelesen werden und nur softwarmäßig unterdrückt werden, weiß ich nicht.

bei canon gibt es das sRAW-format, wo auch nicht alle pixelinformationen genutzt werden, um speichervolumen und speicherzeit zu sparen. wie das im datail funktioniert, weiß ich auch nicht.

aber generell gibt es für jeden kamerasensor einen optimalen versorgungsspanunnungsbereich und mit dieser optimalen versorgungsspannung werden alle pixel betrieben, ganz egal, wie viel licht auf den sensor fällt.
eine iso-verstärkung, so es sie bei modernen cams noch gibt, erfolgt nicht in der lichtempfindlichen sensor-photodiode, sondern in eigenen verstärkern, die nachgeschaltet sind. diese verstärker sitzen bei manchen sensortypen direkt in jedem pixel oder bei anderen orgendwo anders lokal konzentriert für pixelgruppen.

meist gilt, daß der sensorinhalt, so wie er ist, ausgelesen wird und etwaige bildoptimierungs- oder umwandlungsalgorithmen softwaremäßig im kameraprozessor funktionieren. meist gilt, daß das RAW ein 1:1 abbild des sensorinhaltes ist. das jpg wird dann durch den kameraprozessor aus dem RAW konvertiert, auch wenn das raw nicht unbedingt abgespeichert werden muß.

 

[n.nescio]

die lichtempfindlichkeit der sensorfotodioden ergibt sich prinzipiell aus der art des aufbaus der photodiode (material, materialanordnung), und eventuell einer äußeren elektronischen beschaltung der diode.

wie viel licht eine photodiode einsammelt, ergibt sich aus
- wie viel licht kommt durchs objektiv durch?
- wie viel licht schlucken filter vor dem pixel?
- wie viel licht trifft das pixel (mikrolinsen, auftreffwinkel der leichtstrahlen/beschattung/reflexion, öffnung der mikrolinsen)
- wie groß ist die mirkolinsenfläche, welche das lciht zum pixel schickt
- ist die phtodiode optimal bemessen was photonenfaßvermögen betrifft
- wie viele photoelektronen gehen durch rekombination wieder verloren, bevor sie an die auswerteelektronik weitergereicht werden können?
- wie groß ist die umwandlungsrate phtonen zu photoelektronen?


ob ein größerer sensor mit weniger photodioden größere photodioden hat, ist nicht immer zu sagen, da es natürlich große leerräume zwischen zwei pixeln gibt. aber normalerweise sind die mikrolinsen, welche den phtodioden optisch vorgeschaltet sind schon nahtlos aneinandergereiht ...

grundsätzlich lassen sich aussagen von laien über sensorqualität zwischen unterschidelichen cams nur über meßwerte treffen, denn die milchmädchenrechnungen von pixelgröße und bildqualität ignorieren wesentliche faktoren.

lg gusti

 

[endsommer]

Der Sensor macht immer die gleiche Arbeit egal was du eingestellt hast. Die Signalverarbeitung danach bzw. noch die Verstärkung verändert sich noch bei der Verstellung der ISO-Werte.

Die Bildgröße bei JPG oder auch bei RAW verändert sich dann erst softwareseitig in der Kamera, was ja nichts mehr direkt mit dem Sensor zu tun hat.

Pixel zusammen fassen tun wohl die DSLR nicht - wenn sind es wohl sehr große Ausnahmen.

Könnte mir auch bei Nikon gut vorstellen dass der Sensor erst mal alles gleich macht egal ob FX oder DX eingestellt ist und erst im Nachhinein in der Signalverarbeitung der Ausschnitt bei DX gewählt wird.

 

[Otzuka]

Pixel zusammen fassen tun wohl die DSLR nicht - wenn sind es wohl sehr große Ausnahmen.

Die 5D mark III macht das im Videomodus...

 

[UnclePat]

Könnte mir auch bei Nikon gut vorstellen dass der Sensor erst mal alles gleich macht egal ob FX oder DX eingestellt ist und erst im Nachhinein in der Signalverarbeitung der Ausschnitt bei DX gewählt wird.

Ich glaube mich zu erinnern, dass bei dem DX-Beschnitt auch nur der DX-Bereich ausgelesen wird und dadurch hoehere Bildfrequenzen erreicht werden koennen.

 

[endsommer]

wenn die 5D III im Videomodus wirklich die Pixel zusammen fasst dann müsste das auch heißen, dass die Videoauflösung ganzzahlig in die Vollauflösung passt.

Vielleicht kann jemand mehr dazu sagen ob man denn beim Sensor nicht nur Zeilenweise auslesen kann oder auch Teile davon - weiterverarbeitet wird sicher nur der Ausschnitt.

 

[Mannimanaste]

Hallo zusammen,

vielen Dank für die vielen Beiträge, die mir insgesamt schon ein deutlich klareres Verständnis der Zusammenhänge und physikalischen Vorgänge in der D-Kamera verschafft haben.

Ich resümiere mal aus dem Gedächtnis was ich an neuen Erkenntnissen bekommen habe:

1. Nahezu in allen möglichen Fällen sind sämtliche Pixel des Sensors aktiv;
2. Alle Einstellungen bezüglich Bildgröße und ISO wirken sich nicht auf den Sensor oder dessen Pixel aus, sondern auf die Verarbeitung des Signals, die der Sensor und seine Pixel an die Kamera weiter gibt;
3. ISO Zahl erhöhen bedeutet weder, dass die einzelnen Pixel lichtempfindlicher werden, noch dass mehrere Pixel zu einem zusammengefasst werden, dadurch mehr Licht sammeln würden, aber das Bild grobkörniger machen würden (was die Analogie zum Zelluloid-Film wäre);
4. RAW Format speichert die reinen Sensor/Pixel Informationen, vorbei an sämtlichen möglichen Kamera-Einstellungen (auch vorbei an der ISO Einstellung);

Kann man das so stehen lassen?

Grüße,
Martin

 

[Spacemarine2009]

4. RAW Format speichert die reinen Sensor/Pixel Informationen, vorbei an sämtlichen möglichen Kamera-Einstellungen (auch vorbei an der ISO Einstellung);

Nein, das stimmt so nicht. RAW speichert den Wert, den der AD-Wander ausgibt, nachdem er das verstärke Pixel-Signal digital gewandelt und ausgegeben hat. Da die Verstärkung vom ISO-Wert abhängt, hat das einen Einfluss auf die RAW-Datei.

Die anderen Punkte ( 1- 3 ) stimmen.

 

[Mannimanaste]

Hallo Spacemarine2009,

danke für den Hinweis. Das bedeutet also, dass speziell die ISO Einstellung besonders reiflich überlegt sein sollte, weil sie in der RAW-Datei nicht nachträglich geändert werden kann, richtig?

Das würde dann wiederum bedeuten, dass ISO-Reihen zusammen mit Belichtungsreihen die wichtigsten Aufnahme-Reihen sind, die man machen kann.

Im Gegensatz dazu wären Weißabgleich-Reihen nachträglich zu bewerkstelligen.

Oder stimmt das auch nicht, und der WA verändert ebenfalls die Daten der RAW-Datei?

Gruß,
Martin

 

[n.nescio]

weißabgleich:
alle bekannten dslr machenden weißabgleich auf der digitalseite der prozeßkette, d.h. nach dem adc bzw. im kameraprozessor.

allerdings gab (oder gibt?) es bei nikon (z.b. d300) bereits eine wb-vorverstärkung auf der analogseite in dem fall, wo der wb extrem korrigieren müßte (z.b. bei glühlampenlicht) ... hat in einem forum ein damals anerkannter nikonianer geschrieben ...

lg gusti

 

[Frank Klemm]

Nein, das stimmt so nicht. RAW speichert den Wert, den der AD-Wander ausgibt, nachdem er das verstärke Pixel-Signal digital gewandelt und ausgegeben hat.

Nö.
Wer das glaubt, wird selig.
Das, was aus dem AD-Wandler kommt, will nicht wirklich jemand haben.

 

[Markus42]

Nö.
Wer das glaubt, wird selig.
Das, was aus dem AD-Wandler kommt, will nicht wirklich jemand haben.

Was wird da sonst noch gemacht? Hot pixel entfernt? Oder sind die Pixel zu ungleichmäßig?