Was ist Unity ISO - GAIN

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ThE_cORe

ThE_cORe

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Ich hab beim Stöbern hier meine Kamera aufgesucht und leider bin ich etwas über den Test verwirrt was genau mit unity gain gemeint ist.
Übersetzer versagen größtenteils.
Ich bin der meinung es ist das Arbeits ISO bis zu dem hat man keine einbußen ?
Aber das könnte auch das Invarianz ISO darstellen.
Kann mich jemand aufklären was da gemeint ist.
 
Hallo Sebastian,

unter Gain versteht man die Signalverstärkung einer digitalen Kamera. Diese Verstärkung kann je nach Kamera/Sensortyp vor oder nach der Analog-Digital-Umwandlung stattfinden. Das ist analog zu den ISO-Einstellungen bei einer DSLR.
Die Bezeichnung ISO stammt noch aus den Zeiten der chemischen Filme, wo die Empfinglichkeit vom verwendeten Filmtyp abhängig war.

Hoher Gain-Wert = Hoher ISO-Wert = Hohe Signalverstärkung.
Niedriger Gain-Wert = Niedriger ISO-Wert = Geringe Signalverstärkung.

Bei einer digitalen Kamera werden die bei der Belichtung eingesammelten Photonen als Elektronen pro Pixel in einen digitalen Pixelwert (ADU) umgewandelt. Bei einer 16-Bit-Kamera sind das Pixelwerte von 0..65535.

Die Astro-Kamerahersteller geben hierzu entsprechende Parameterkurven für die verwendten Sensoren an. Siehe hier für die ASI1600.

ASI1600MM Pro (mono) | ZWO ASI

astronomy-imaging-camera.com astronomy-imaging-camera.com
Dort siehst Du eine Kurve Gain(e-/ADU), die beschreibt wieviele Elektronen einem Pixelwert entsprechen.

Bei der niedrigsten Signalverstärkung (Gain 0) sind hier 5 Elektronen für 1 ADU nötig.
Bei der höchsten Signalverstärkung (Gain 300) sind nur es 0.1 Elektronen für 1 ADU.

Der Signalverstärkungswert (hier Gain 139) bei der es 1 Elektron/ADU ist bezeichnet man als "Unity Gain".
Ohne das noch weiter auszuführen, ergeben sich abweichend vom Unity-Gain verschiedene Effekte wie z.B. der Quantisierungfehler, der sich u.U. negativ auf die Aufnahmen auswirken kann.

CS
Sven
 
Hi Sven,

Zitat von svenk123:
Ohne das noch weiter auszuführen, ergeben sich abweichend vom Unity-Gain verschiedene Effekte wie z.B. der Quantisierungfehler, der sich u.U. negativ auf die Aufnahmen auswirken kann.
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Sehr interessantes Thema finde ich. Steve geht in seinem Video darauf gar nicht ein leider.
Es wird ja häufig die Frage nach der richtigen Gain/ISO Einstellung gefragt was oft begründet wird mit dem Ausleserauschen bei höheren Gains auf der einen Seite und der Dynamik (beides im positiven Sinne) bei niedrigen Gains. Viele entscheiden sich dann für relativ hohe Gain/ISO Werte auch bei DeepSky langen (Einzel)belichtungszeiten. Jetzt ist meine Überlegung die, dass man wenn man hintergrundlimitiert ist, das Ausleserauschen nicht mehr juckt, und darum würde ich mich immer für niedrige ISO/Gain Einstellungen entscheiden um eben die Dynamik zu erreichen die DeepSky Objekte benötigen.
Der Quantisierungsfehler (in der statistischen Betrachtung als Quantisierungsrauschen) wird nun in den meisten Fällen dem Ausleserauschen zugeordnet. Vielleicht kannst du mich da mal aufklären? Wie sehen diese negativen Auswirkungen genau aus? Ist meine Annahme richtig dass zumindest das Ausleserauschen bei hintergrundlimitierten Aufnahmen aussen vor ist, und kann man den Quantisierungsfehler dem Ausleserauschen zuordnen? Ich wollte dazu immer einen Test machen, aber das hat sich leider noch nicht ergeben. Solange kann man es ja in der Theorie mal vertiefen:-)

CS Frank
 
Kurz und knapp
Unity Gain / ISO = 1ADU =1 photon

Bei unserem Licht Mangel vermutlich die beste Wahl in erster Linie

Höhere Werte ergeben dann Probleme da ja keine 0.5 Photonen herum fliegen und dann falsch Erkennung statistisch möglich werden.
Kleinere Werte wären bei genug Licht kein Problem.

Kann man das so stehen lassen?
 
Hallo Frank,

die Frage nach dem richtigen Gain/ISO-Einstellungen kommt ja immer wieder auf. Aber das ist pauschal gar nicht zu beantworten. Es kommt immer drauf an, für welchen Parameter man als Optimum anstrebt.
Das kann man aus den Kurven der Kamerahersteller rauslesen.

Beispiel:

Niedrige Signalverstärkung "niedriger Gain"
- Hoher Dynamikumfang
- Hohes Ausleserauschen
- Hoher Quantisierungsfehler
- Geringere "Empfindlichkeit" => lange Einzelbelichtungen

Signalverstärkung 1 Elektron/ADU "Unity Gain"
- Verminderter Dynamikumfang
- Höheres Ausleserauschen
- Niedrigster Quantisierungsfehler
- Mittlere Belichtungszeiten

Hohe Signalverstärkung "hoher Gain"
- Niedriger Dynamikumfang
- Niedriges Ausleserauschen
- Hoher Quantisierungsfehler
- Hohe "Empfindlichkeit" => kurze Einzelbelichtungen

Das Wort "Empfindlichkeit" habe ich bewusst in Anführungszeichen geschrieben. :)

Wie man sieht kommt es immer drauf an was das Ziel ist. Schwer zu sagen was der richtige "Gain" ist.

Noch zum Quantisierungsfehler. Diesen kann man durch Stacken verringern. Hier hilft einem die Statistik.

CS
Sven
 
Hallo Sebastian,

soweit passt das. Wobei das mit dem Elektron nur eine grobe Veranschaulichtung ist. Auf einem Sensor werden ja keine Elektronen gezählt, sondern Spannungen gemessen und in einen digitalen Wert umgewandelt. Aber das führt hier sonst zu weit.

Wie gesagt, Du kannst natürlich auch mit anderen ISO/Gain-Werten als "Unity-Gain" arbeiten. Ob der Quantisierungsfehler so dramatisch in der endgültigen Aufnahme ist muss jeder selber entscheiden.

CS
Sven
 
Hallo zusammen,

es ist ein weit verbreitetes Missverständnis, dass Unity Gain die optimale Einstellung sei, eben wegen 1 Elektron/ADU .
Das ist aber leider nicht so, da dies nur für eine ideale Kamera ohne Auslesrauschen gilt. Jede reale Kamera rauscht, und damit "verschmieren" sozusagen die Werte über die Auflösung des ADC (stark vereinfacht ausgedrückt).
Dazu gibt es seitenweise Diskussionen in Cloudynights, mit den immer gleichen Fragen und Erklärungen.

Sehr schön hat Dr. Qiu, Gründer und CEO von QHY, ein sinnvolles Vorgehen in diesem Artikel zusammengefasst:

Wenn man sich mal in die Mathematik einfuchst, dann gilt folgendes (wenn man hintergrundlimitierte Einstellungen voraussetzt, wovon ich jetzt einfach mal ausgehe):
- am besten ist der niedrigste Gain bzw. niedrigste ISO (dieser ISO-Wert sollte aber der niedrigste ISO-invariante Wert sein. Da muss man v.a. bei Canon aufpassen). Grund: Dann hat man die höchste Dynamic Range
- wenn man mit diesen Einstellungen die Full Well Capacity seines Sensors nicht ausnützt, dann sollte man die Gain/ISO so weit erhöhen, dass dies der Fall ist. Grund: Dann nutzt man die Auflösung seines ADC über den ganzen Bereich optimal.
- das ganze sollte man nicht übertreiben, da man ansonsten für jede Kombination ein neues Master-Dark anlegen darf... ;-)

CS
Stefan
 
Zitat von ThE_cORe:
Ich bin der meinung es ist das Arbeits ISO bis zu dem hat man keine einbußen ?
Aber das könnte auch das Invarianz ISO darstellen.
Kann mich jemand aufklären was da gemeint ist.
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Unter "ISO Invarianz" versteht man in der Regel den Bereich, in welchem eine Änderung des ISO-Wertes linear mit der Änderung der Dynamic Range einher geht. In der Regel ist das oberhalb eines bestimmten ISO-Wertes.
In diesem Bereich kann man Kamera-Einflüsse ggü. externen Einflüssen vernachlässigen, d.h. es ist egal, ob man einen höheren ISO-Wert einstellt oder später in der Bildbearbeitung das Bild aufhellt. Nachteil eines hohen ISO-Wertes ist dann aber die geringere Dynamic Range, weswegen man typischerweise den kleinsten ISO-Wert wählt, ab dem eine DSLR ISO-invariant ist.

Chris van der Berge hat sich auf seiner Homepage intensiv mit dem Thema beschäftigt und das anschaulich erklärt:
dslr-astrophotography.com

What is the best ISO for your DSLR for astrophotography?

ISO has nothing to do with the sensor's sensitivity to light. ISO in digital cameras explained and an explanation of the best ISO to use for your DSLR
dslr-astrophotography.com dslr-astrophotography.com

CS Stefan
 
Zitat von svenk123:
Niedrige Signalverstärkung "niedriger Gain"
- Hoher Dynamikumfang
- Hohes Ausleserauschen
- Hoher Quantisierungsfehler
- Geringere "Empfindlichkeit" => lange Einzelbelichtungen
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Hi Sven, mich persönlich interessiert eigentlich nur dieser Fall und wie stark (sichtbar/messbar) sich der Quantisierungsfehler hier zeigen würde.
Geringere "Empfindlichkeit" erlaubt lange Belichtunsgzeiten aus meiner Sicht, aber führt nicht zwangsläufig dazu, meinen wir da das gleiche?

Hallo Stefan,
Chris habe ich bereits gestern kontaktiert, da wir befreundet sind. Seine Ausführungen beziehen sich immer auf das Ausleserauschen, welches ja m.M.n. bei Hintergrundlimitation keine Rolle mehr spielt. Darum bin ich unsicher ob seine Ausführungen für den Fall überhaupt gelten.
Das mit der niedrigsten ISO die invariant ist leuchtet ein, aber auch verstehe ich noch nicht, wodurch eine ISO Varianz überhaupt zu Stande kommt (wenn nicht durch Ausleserauschen). Hier hatte ich den Quantisierungsfehler in Verdacht.
Möglicherweise übersehe ich aber auch etwas oder habe es einfach noch nicht verstanden!?

CS Frank
 
Hallo Frank,

ich habe das so verstanden: ISO ist im Gegensatz zu Gain bei CCD/CMOS deutlich komplizierter. Die Kamera-Hersteller haben da interne Algorithmen implementiert, welche v.a. das Rauschen adressieren, die aber nicht alle dokumentiert/veröffentlicht sind. Deswegen sind ISO und Gain nicht 1:1 vergleichbar, weil ISO zwar quasi eine Verstärkung ist, aber eben nicht nur.
Es ist ja bekannt, dass Nikon-DSLRs bis hin zu sehr niedrigen ISO-Werten ISO-invariant sind, im Gegensatz zu vielen Canons. Diskussionen und Untersuchungen dazu finden sich auch in "normalen" Fotografie-Foren.
Mehr weiß ich leider auch nicht... ;-)

CS
Stefan
 
Hallo Frank,

der Quantisierungsfehler macht sich als eine Art Rauschen bemerkbar. Schau Dir mal den Post Nr. 19 von Jon Rista hier an:

www.cloudynights.com

Unity Gain and Bit Depth and Gain Setting ASI1600: Is there any reason to use something other than Unity Gain? - Experienced Deep Sky Imaging - Cloudy Nights

Page 1 of 10 - Unity Gain and Bit Depth and Gain Setting ASI1600: Is there any reason to use something other than Unity Gain? - posted in Experienced Deep Sky Imaging: Am I missing something: Is there any reason to set the gain to other than unity? I will refer below to the ASI-1600, which I...
www.cloudynights.com www.cloudynights.com

Der hat da eine sehr schöne animierte Grafik erstellt. Es sind natürlich alle theoretische Betrachtungen. Wie stark sich das Wirklich bei realen Astrobildern auswirkt würde mich auch interessieren.

CS
Sven
 
Dieser Link ist echt cool! :cool:
Ich bewundere Jon Rista ja für sein ausgedehntes Fachwissen und seine endlose Geduld, nicht nur im CN-Forum...

CS
Stefan
 
ISO-Invarianz meint digitales statt analoges gain. Damit vermeidet man das analoge Verstärkerrauschen. Früher ging es nur mit analogen Verstärkern vor dem ADC. Heute braucht man das nicht mehr, sondern multipliziert nach dem ADC digital hoch.

Dafür braucht man ein insgesamt geringes Ausleserauschen vor dem ADC/Verstärker, damit das Bild von Photonenrauschen dominiert wird und natürlich einen guten ADC. Der Wegfall der analogen Verstärker ergibt dann noch weniger Ausleserauschen.

Michael
 
Ja dieser Thread ist echt der Hammer. (y)
Da wir in unserer Firma verschiedene ADCs produzieren kann ich viele der Dinge nachverfolgen und da waren sehr interessante und korrekte Aspekte dabei, allerdings auch physikalisch falsche Annahmen. Trotzdem sehr lehrreich.
 
Uff danke für die vielen Links.
Sehr viel englisch heute und viel Neues gelesen nur jetzt muss ich aufhören mein Kopf raucht in Kombination mit Grippe.
Irgendwie bin ich nun verwirrter als vorher und das ist vermutlich das ganze Problem an der Thematik es gibt nicht "das Beste".
So hat, es glaub ich auch Jon R. dem Herrn versucht zu erklären, wo ich irgendwann aufgehört habe zu lesen denn 10 Seiten sind doch recht viel. Situativ meinte er ja, je weniger Licht man hat, umso höheres ISO macht Sinn (er verglich Schmalband mit LRGB aufnahmen)

Im Großen und Ganzen ist das Unity Gain nicht unbedingt das Beste da man bessere Ergebnisse mit höherem ISO erreichen kann da man damit das Ausleserauschen verringert (Jon meinte da ja 2xUnity Gain oder 4x macht eher sinn). Im Schnitt sinkt das Ausleserauschen Dramatisch bei Canon bei ISO800 und nochmal markant bei ISO1600. Auch hab ich aufgeschnappt das ich mit längeren Aufnahmezeiten dem Ausleserauschen entgegenwirkt. Somit komm ich zum Entschluss das ich eventuell gar nicht so übel liege mit meinen 10min@ISO800 aufnahmen. Vermutlich wird dem auch zu viel Aufmerksamkeit geschenkt und am Ende wird ein Bild nicht daran scheitern, ob nun ISO800 oder 1600.
 
Hallo Michael,

Zitat von Michael_Haardt:
ISO-Invarianz meint digitales statt analoges gain. Damit vermeidet man das analoge Verstärkerrauschen. Früher ging es nur mit analogen Verstärkern vor dem ADC. Heute braucht man das nicht mehr, sondern multipliziert nach dem ADC digital hoch.

Dafür braucht man ein insgesamt geringes Ausleserauschen vor dem ADC/Verstärker, damit das Bild von Photonenrauschen dominiert wird und natürlich einen guten ADC. Der Wegfall der analogen Verstärker ergibt dann noch weniger Ausleserauschen.
Klicke in dieses Feld, um es in vollständiger Größe anzuzeigen.

stimmt, das hatte ich nicht erwähnt.

In Ergänzung: z.B. hier findet sich ganz unten auf der Seite eine Aufstellung der Kameras, welche diese neue Architektur haben (ohne Gewähr): https://www.foto-schuhmacher.de/artikel/hardware/iso-invarianz.html

Aber auch bei "ISO-varianten" Kameras mit der "alten" Architektur gibt es i.d.R. Bereiche, in denen sich der Kamera-Chip ISO-invariant verhält. Das hatte ich mit meinem Beitrag oben gemeint.
Auf die Gefahr, dass das in eine Linksammlung ausartet: Auf dieser Seite von Ian Norman finden sich nicht nur Kurven, sondern auch Bildbeispiele dazu: How to Find the Best ISO for Astrophotography: Dynamic Range and Noise

CS
Stefan
 
Hallo Sebastian,

deine Zusammenfassung trifft es ziemlich gut finde ich. Die ganzen Diskussionen führen irgendwie nicht dazu, dass man am Ende weiss was jetzt das beste ist und was man tun sollte. Dein letzter Satz ist aus meiner Sicht der Clou bei der Sache.
Ich mache ja gerne das Gedankenexperiment was wäre wenn man das alles gar nicht einstellen könnte? Denn genau das ist bei den klassischen CCDs der Fall. Und damit werden geniale Aufnahmen gemacht:)
Man schraubt am Gain/ISO rum, einfach weil es geht (und vielleicht weil es bei extrem kurzen Belichtungszeiten durchaus auch Sinn macht).
Nichtsdestotrotz ein interessantes Thema. Die meisten wird es aber einfach verwirren, da bin ich ganz bei dir.

CS Frank
 
Zitat von vichman:
Auf die Gefahr, dass das in eine Linksammlung ausartet: Auf dieser Seite von Ian Norman finden sich nicht nur Kurven, sondern auch Bildbeispiele dazu: How to Find the Best ISO for Astrophotography: Dynamic Range and Noise
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Hi Stefan,

das sind tolle Artikel, gerade den fand ich sehr aufschlussreich. Aber alle Bildbeispiele sind mit kurzen, mit Sicherheit nicht hintergrundlimitierten Belichtungszeiten gemacht. Das macht mich noch ganz kirre:-)
Die gleichen Aufnahmeserien mit 10min oder weingstens 5min wären interessant.

CS Frank
 
Moin,

einer der spannendesten Threads seit Langem - die Links sollte man sammeln, da steckt sehr viel Wissen drin, schade wenn das untergeht.

CS
Jörg
 
Hallo Jörg,

das sehe ich ganz anders. Der Foto-Schumacher Beitrag z.B. ist an manchen Stellen schlicht falsch, und Chris hat auf seiner Seite einige sehr missverständliche Passagen. (Er hat sich von Jon Rista dafür ja auch mehrfach korrigieren lassen müssen) Und wenn eine Seite zum Thema "best ISO" benannt ist, suggeriert das doch, dass man sein Bild deutlich verbessert, wenn man ISO nur richtig wählt. Zum Glück hat Sebastian die richtige Schlußfolgerung getroffen, andere haben immer noch Angst, sie verlieren mit dem nicht optimalen Setting erheblich. (Klar fährt das Mofa 2 km/h schneller, wenn man sich duckt, aber es sieht bescheuert aus)
Ansonsten ist der Thread ziemlich aus dem Ruder gelaufen. Die Frage ging in Richtung der Bedeutung von Unity Gain, und wurde von Sebastian als Besitzer einer Canon 6D Mark II gestellt. Nach Bill Claffs Seite photonstophotos.net geht der Read Noise dieser Kamera von 35 e- bei ISO 100 bis 2 e- bei ISO 12800 herunter. Das ist alles andere als "iso-less"
Wozu also das Abschweifen über Isoless Kameras ? Oder über Quantisierungsnoise, der steckt in meisten Readnoise Angaben doch schon mit drin.
Unity gain liegt der gleichen Quelle nach irgendwo zwischen 200 und 400 ISO, wo der Read Noise noch ziemlich hoch ist.
An dieser Stelle passiert aber auch nichts besonderes. Wichtig wäre eher, dass bei Schmalband , oder sehr dunklem Himmel
ISO nicht zu niedrig gewählt wird, weil die erforderliche Belichtungszeit für die Hintergrundlimitierung mit dem Quadrat des Readnoise einhergeht. Aber auch das wäre wieder eine andere Baustelle.

Im übrigen sehe ich nicht den von Michael und Stefan dargestellten Wechsel in der Sensorstruktur: Es gibt nach wie vor eine analoge Verstärkung vor dem ADC, auch haben die meisten als Iso-Less bezeichneten Sensoren immer noch einen gain-abhängigen Readnoise, lediglich zu hohen ISO Werten wird dank insgesamt niedrigerem Rauschpegel und verbesserter Bildverarbeitung immer weiter digital gestretcht, weshalb diese Werte für die Astrofotografie letztlich auch uninteressant sind, Stretchen und Entrauschen können wir schließlich selber.
Canon veröffentlicht leider herzlich wenig an Details über seine Sensoren, aber die vereinfachte Darstellung wie in dem foto-schumacher Artikel halte ich für zu vereinfacht.

Grüße
*entfernt*
 
Wenn die tage nicht so rar wären um all das zu testen zumal die Bedingungen halt auch täglich so unterschiedlich sind wie eh und jeh

Mir kommt die Idee einfach mal ein Haus zu fotografieren Langzeit und damit vergleiche zu machen ist halt für mich die eheste Variante

Oder kann man sich eine künstlichen Nebel zum Testen erstellen ? künstliche Sterne sind ja gang und gebe
 
Wow, das habe ich erstmal googlen müssen.
Und jetzt such ich schon nach Bau Anleitungen ?

Ich frage mich gerade welches Licht macht genug wenig Licht für Belichtungszeit ~10min

Selbst das äußere Licht könnte schon zu viel werden ?

Aber das wäre eine echte Alternative für u50€ kann man eigentlich alles testen
 
Bitte sehr:


Kosten: Bisschen Kunststoff, Kleber und Farbe. Die Kugel ist nicht ganz lichtdicht und für Langzeitbelichtungen kommt noch ein Karton drüber. Der Arbeitsaufwand war schon hoch, wobei ein Teil dafür drauf ging, zu verstehen wie man das rechnet und worauf es ankommt.

Es ist sehr angenehm, wenn Du eine Messung mehrmals machst und immer das gleiche, reproduzierbare Ergebnis bekommst. Ausserdem umgehst Du durch die homogene Winkelverteilung und ohne Optik Vignettierung, Theater mit den Mikrolinsen und Schmutz. Letzterer kann Dir Rauschmessungen versauen, kein Scherz. Als ich vor ein paar Jahren mit Sensoranalyse anfing, habe ich mich nach den Ratschlägen im Netz gerichtet, mit diffusen Targets und so, und viel Zeit mit Problemen im Aufbau verschwendet. Mit einer Ulbrichtkugel vermeidet man sehr viele Fehlerquellen und Unsicherheiten. Du kannst ein günstiges Luxmeter als Helligkeitssensor verwenden, wenn Du kein Computerinterface brauchst. Zur Kalibrierung brauchst Du eh eins.

Die LED-Lichtquelle kannst Du mit bisschen Lochrasterplatine aufbauen. Mit einem simplen Vorwiderstand wird Dir die Helligkeit immer wegdriften, aber mit dem OpAmp bleibt das stundenlang 1a stabil.

Es geht natürlich einfacher: Styroporhohlkugel innen anschleifen, streichen, Luxmeter mit Panzerband ankleben, alles in einen Karton und fertig. Aber ein hübscher Aufbau bietet auch was für's Bastlerherz. :)

Als Software empfehle ich Dir ImageJ. Grausig zu benutzen, aber man kann sich damit arrangieren. Und danach musst Du keinem mehr was glauben, sondern kannst alles selbst messen, was Du wissen willst.

Michael
 
Ich habe mir das wesentlich einfacher gedacht
Styrophoor Kugel, Licht dran und Kamra Langzeit aufnahme.
Hier gehts einfach nur darum Low light eigenschaften der Kamera zu erforschen.
Etwas länger darüber nachgedacht ist es doch nix für eine Testreihe denn gerade wenn es ums Rauschen geht wäre eine Struktur Hilfreich denn Durch Rauschen, Stacking, Darks und co. wird so einiges am Bild Verändert und Teilweise von einem mehr als vom Anderen.
 
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