Full-Well / Dynamic Range, gleicher Sensor, unterschiedliche Kurven

[TonyStark]

Zum thema full-well und dynamic range bräuchte ich mal einen denkanstoß...

Unter full-well versteht man doch die menge an photonen/signal die ein pixel empfangen kann bis es "voll" ist und nur noch weiß anzeigt, oder?
Das heißt, je höher der wert, (achtung tageslichtphotografie) desto höher der dynamikumfang des sensors in blendenstufen.

Für den imx585 sensor habe ich mir die diagramme bei svbony angeschaut:

Die kausalität erschließt sich mir irgendwie nicht...
Stimmt meine herleitung bzgl. dynamikumfang nicht oder ist das diagramm einfach nur quatsch?!


Desweiteren finde ich zu ein und dem selben sensor (imx585 als beispiel) stark unterschiedliche diagramme.

Kurve1 von qhy, gain50 -> ca. 7000e-

Kurve2 von svbony. gain 50 -> ca. 21.000e-

Übersehe ich was? Habt ihr dafür eine erklärung?

 

[growers]

Das Mapping von Gain-Werten auf die echet Verstärkung kann bei unterschiedlichen Herstellern ganz unterschiedlich sein. Das ist bei den beiden Kameras klar der Fall, wenn du dir den Wertebereich für den Gain-Faktor anschaust. Man muss sich bewusst sein, dass das ganze Gain-Mapping völlig willkürlich ist und jeder Hersteller da tun kann, was er richtig findet.

Weiterhin haben manche moderne Kameras verschiedene Auslesemodi, die dann zu einem unterschiedlichem Dynamikbereich führen. Manche Hersteller bieten einfach beide Modi im Treiber an, andere schalten ab einem bestimmten Gain-Wert automatisch um. Die SVBony scheint wohl letzteres zu machen.

Insofern passen die Diagramme schon.

 

[TonyStark]

das ganze Gain-Mapping völlig willkürlich ist

Ok, wenn gain 50 nicht gleich gain 50 ist, erklärt das natürlich die völlig unterschiedlichen jeweiligen full-well angaben.

Aber wie ist der (nicht vorhandene) zusammenhang der beiden ersten diagramme bzgl. full-well und dynamic range?

 

[growers]

Aber wie ist der (nicht vorhandene) zusammenhang der beiden ersten diagramme bzgl. full-well und dynamic range?

Welchen "nicht vorhandenen" Zusammenhang siehst du da denn? Mehr Gain -> kleinerer Dynamikbereich. Umschaltung des Auslesemodus bei ca. Gain 260.

 

[TonyStark]

Mehr Gain -> kleinerer Dynamikbereich

Wenn ich das sehen könnte, wäre es logisch - so ist es aber eben nicht zu sehen.

Ich sehe das sich der full well wert halbiert bei gain0->50 und sich die dynamic range komplett gar nicht ändert.
Ich sehe das sich der full well wert viertelt bei gain0->100 und sich die dynamic range um ca. 5% ändert.

Das ist doch kein zusammenhang.

 

[growers]

Doch, das ist einer. Nur nicht so wie du ihn erwartest.

Beim Dynamikbereich hast du einen Denkfehler, wenn du mit so etwas wie "5% Änderung" rechnest, denn prozentuale Angaben machen da gar keinen Sinn. Der Dynamikbereich ist nämlich schon mal logarithmisch, also musst du da substrahieren, nicht multiplizieren.

Halbe Fullwell-Capazität ist übrigens nicht gleich Dynamikbereich -1. Wenn das Rauschen nämlich sinkt, ist der potentielle Wertebereich oben zwar nur noch die Hälfte, unten aber dafür tiefer, woraus sich eine grössere Dynamik als die auf den ersten Blick richtige "-1" ergibt.
Wenn ich z.B. ein Ausleserauschen mit einem Mittelwert von 8 habe und eine Fullwell-Capazität von 8000 habe ich die gleiche Dynamik wie bei einem Rauschen von 1 und Fullwell-Capazität von 1000.

Das ist im Prinzip überall so. Im Audiobereich ist der Dynamikbereich auch der Abstand des maximalen Signals zum Rauschpegel. Weniger Rauschen bei gleichem Maximalwert -> grösserer Dynamikbereich.

Auch die lineare Änderung im unteren Gain-Bereich kann durchaus sein, wenn die es geschafft haben, das Ding etwas anders zu optimieren als z.B. ZWO. Ansonsten passt die Grafik nämlich ziemlich genau zu dem was auch ZWO zeigt. Da man die Sachen recht einfach mit Sharpcap nachmessen kann, gehe ich mal davon aus, dass die Hersteller da nicht allzu viel Mist machen.

Letztendlich würde ich bei den absoluten Werten aber auch nicht allzu genau hinschauen, denn wirklich viel geben werden sich da unterschiedliche Hersteller nichts. Ich denke aber, es ist wichtig, zu verstehen, wenn eine Kamera eine interne Modusumschaltung hat, wie das mit ZWO und SVBony der Fall ist.

 

[TonyStark]

Beim Dynamikbereich hast du einen Denkfehler, wenn du mit so etwas wie "5% Änderung"

Von blendenstufen zu sprechen wäre natürlich besser gewesen, allerdings wäre dann bei
gain0->50 - 0 blendenstufen unterschied
gain0->100 - 0,x blendenstufen unterschied
was mir ein weinig zu reißerisch formuliert wäre und angeblich geht das ausleserauschen bei dem sensor ja fast gegen null.

Wenn ich z.B. ein Ausleserauschen mit einem Mittelwert von 8 habe und eine Fullwell-Capazität von 8000 habe ich die gleiche Dynamik wie bei einem Rauschen von 1 und Fullwell-Capazität von 1000.

In welcher einheit wird denn in diesem beispiel das ausleserauschen angegeben?
Lt. den diagrammen wird sowohl das das ausleserauschen (einstellige werte) als auch der full well wert (fünfstellige werte) in e (korrekter weise e-) angegeben.
Wenn der full well wert 4 größenordnungen über dem ausleserauschen liegt, ist es doch völlig egal wie hoch der absolute wert des ausleserauschens ist?!

es ist wichtig, zu verstehen, wenn eine Kamera eine interne Modusumschaltung hat, wie das mit ZWO und SVBony der Fall ist.

absolut

Das soll keine "sinnlosdiskussion werden, ich würds nur gern verstehen - ist ein interessantes thema

 

[growers]

Wenn der full well wert 4 größenordnungen über dem ausleserauschen liegt, ist es doch völlig egal wie hoch der absolute wert des ausleserauschens ist?!

Nein, ist es gerade nicht. Der Dynamikumfang ist das Verhältnis zwischen dem kleinsten und dem grössten darstellbaren Signal. Und da darfst du nicht subtrahieren, sondern musst dividieren. Das kleinste Signal ist nicht 0, sondern immer ein Wert grösser 0. Und dieser Wert ist genauso entscheidend für den Dynamikumfang wie der Wert des grössten Signals.

Schau dir nochmal meine Beispielrechnung mit Fullwell 8000 vs. Fullwell 1000 oben an.
Oder ein anderes Beispiel: Fullwell-Capazität von 100000 mit einem Rauschen von 50000 gibt gerade mal eine Blendenstufe Dynamikbereich, auch wenn die 50000 Differenz mal nach ganz toll viel aussehen.

Hier mal Wikipedia dazu: Dynamikumfang – Wikipedia

 

[growers]

und angeblich geht das ausleserauschen bei dem sensor ja fast gegen null.

Bei "fast gegen 0" wird es halt besonders interessant. Das Rauschen von 100 auf 80 zu reduzieren, bringt nicht so wahnsinnig viel. Wenn ich das Rauschen aber von 4 auf 1 reduziere, gewinne ich (bei angenommener gleicher FWC) gleich ganze 2 Blendenstufen Dynamik.

 

[TonyStark]

Das diagramm auf der wiki seite muss ich mir mal durch den kopf gehen lassen
Die herangehensweise mit der division ebenso...

 

[TonyStark]

Nach ein wenig lesen und drüber schlafen
habe ich mal etwas mit excel gespielt und mir drei verschiedene gain werte angeschaut


Soweit - so klar

Allerdings kam mir dabei ein neuer gedanke...
Wieso wird der wert vom ausleserauschen kleiner wenn ich den gain/verstärker weiter aufdrehe?!
(von der umschaltung bei gain ca. 270 mal abgesehen)

 

[growers]

Wieso wird der wert vom ausleserauschen kleiner wenn ich den gain/verstärker weiter aufdrehe?!

Das ist eine normale Eigenschaft von CMOS-Sensoren. Die Verstärkung geschieht ja vor dem Auslesen. Wenn ich jetzt also das Signal vor dem Aulesen verstärke, wird das Rauschen beim Auslesen in Bezug auf das zu lesende Originalsignal kleiner.
Verwirrend ist das, da das Ausleserauschen nicht in Sampling-Bits angegeben wird, sondern in der Einheit "e", die sich auf das unverstärkte Signal bezieht.
Ganz linear ist das nicht, da die Verstärkung selbst auch wieder Rauschen hinzufügen kann. Allerdings ist das bei CMOS-Sensoren im Vergleich zum Ausleserauschen scheinbar sehr gering.

 

[TonyStark]

Die Verstärkung geschieht ja vor dem Auslesen.

Hier kommt man ja vom 100sten ins 1000ste ^^

[...]da die Verstärkung selbst auch wieder Rauschen hinzufügen kann[...]

Genau das war mein gedanke.

 

[growers]

Ja, ist nicht ganz trivial ;-) Das Verstärkerrauschen ist halt im Vergleich zum Ausleserauschen sehr gering.

Das ist im Prinzip bei den meisten Analog-Digital-Wandlungen ähnlich: Man versucht immer erst das Signal mit einem rauscharmen Verstärker auf einen Level zu bringen, der den ADC möglichst weit aussteuert (ohne aber ins Clipping zu kommen) um die grösste Dynamik zu erreichen.

Rauscharme Verstärker bekommt man heute ganz gut hin. Der einzige Haken: Je rauschärmer, desto niederohmiger muss das ganze sein. Das heisst, es fliessen grössere Ströme und das Ding wird daher wärmer. Daher läuft ein ungekühlter Chip auch nicht einfach bei Umgebungstemperatur, sondern wird einiges wärmer. Das ist schon einigen Digitalkameras zum Verhängnis geworden, die im Video-Modus dann bei längeren Aufnahmen ausgestiegen sind (vermutlich nicht nur wegen dem Sensor, sondern auch wegen der CPU).

 

[TonyStark]

Das Verstärkerrauschen ist halt im Vergleich zum Ausleserauschen sehr gering.

Na mal sehen ob ich mal muße habe mich da weiter einzulesen,
aber aktuell erklären sich mir die kurven grundlegend und damit kann ich sie vergleichen und einschätzen bzw für mich bewerten.

Daher läuft ein ungekühlter Chip auch nicht einfach bei Umgebungstemperatur

Na in glück das ich jetzt doch bei einer gekühlten zugeschlagen habe.
Die 600€ für eine gekühlte kamera mit IMX533 waren dann doch zu verlockend im vergleich zum deutlich kleineren 300€ ungekühlten IMX585 chip.
Der sommer naht und steuerbare temps für lights und darks sind sicherlich auch nicht schlimm