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Was genau macht die ISO Einstellungen

andyma

Mitglied
Hallo Zusammen,

mich interessiert, was technisch genau passiert, wenn ich an meiner DSLR die ISO hochdrehe. Eigentlich interessiert mich der gesamte Ablauf. Die Photonen landen ja auf dem Sensor und lösen Elektronen aus. Was passiert nun genau wenn die Elektronen ausgelesen werden und welchen Einfluss hat die ISO Einstellung darauf? Welchen Einfluss hat nun die ISO Einstellung auf das Rauschen? Kann das hier drin jemand anschaulich erklären oder kann mir eine gute Website oder ein Video dazu empfehlen?

Danke im Voraus

Andy
 

zuiop94

Mitglied
Hallo,

ein Thema, das mich auch sehr interessiert.
Hier mein aktuelles Verständnis:
Die Photonen lösen die Elektronen aus der lichtempfindlichen Schicht. Dadurch entsteht eine Spannung, die nach Ende der Belichtung ausgelesen wird. Diese Spannung wird nun in der Regel noch verstärkt und genau hier kommt die ISO ins Spiel. Sie gibt einen Faktor an, mit dem diese Analoge Verstärkung stattfindet.
Die verstärkte Spannung wird dann schließlich im ADC in ein digitales Signal umgwandelt und Pixel für Pixel gespeichert.
Warum nun das Ganze?
Man könnte ja auch einfach direkt die Spannung aus dem Pixel in den ADC füttern und dann beliebig digital verstärken.
Dabei treten aber zwei Nachteile auf:
Erstens tritt bei den elektronischen Prozessen vom Pixel zum ADC Rauschen auf, das dieser mit aufzeichnen würde. Wenn man das analoge Signal aber sofort verstärkt, steigt das Signal/Rauschverhältnis.
Zweitens ist die durch die Quantisierung der Photonen gegebene Körnigkeit oft feiner als die des ADC. Dadurch kann es zu Tonwertabrissen kommen, wenn man das unverstärkte Signal einspeist.
Ein Beispiel: Ein Pixel hat eine Kapazität von 10k Elektronen. In den dunklen Bildbereichen landen bei einer bestimmten Belichtungszeit 100-200 Photonen, was bei 100% Effizienz auch 100-200 Elektronen entspricht. Will man diese jetzt in einen ADC mit 10 Bit einlesen, hat man nur 1024 Graustufen zur Verfügung, für die dunklen Bereiche bleiben da nur 10 Werte. Wenn man das analoge Signal vorher verstärkt, werden es mehr.
In den letzten Jahren hat sich aber einiges geändert. Die Ausleseelektronik ist besser geworden und auch die ADCs haben häufig eine höhere Bittiefe. Dadurch wird inzwischen oft ganz oder teilweise auf die analoge Verstärkung verzichtet und alles nach der Digitalisierung der Daten einfach berechnet.
Nun kann man natürlich dieses digitale Signal auch bei der Nachbearbeitung noch nach Belieben verstärken und unter gewissen Umständen ist das auch ohne Einbußen möglich, was dazu führt, dass man von ISO-Invarianz spricht, also davon, dass ISO keine Rolle spielt, weil man auch ein fast schwarzes Bild im Anschluss noch so aufhellen kann, dass man es nicht von einem "richtig" belichteten unterscheiden kann.

Gruß
Thomas
 

andyma

Mitglied
Hallo Thomas, erstmals vielen Dank für deine Informationen. Wenn ich die ISO hochstelle wird also die Spannung verstärkt. Ich gehe davon aus, dass das bereits enthaltene Rauschen gleichermaßen verstärkt wird. Der ISO Wert hat dann doch auch noch Einfluss auf das Ausleserauschen und die Dynamik.

Will man diese jetzt in einen ADC mit 10 Bit einlesen, hat man nur 1024 Graustufen zur Verfügung, für die dunklen Bereiche bleiben da nur 10 Werte.
--> Wie kommst Du auf die 10 Werte?

Muss mal schauen ob ich ein Bild oder Video finde wo gezeigt wird, was wann kommt... Sensor ADC usw.
 

zuiop94

Mitglied
Der Einfluss auf das Ausleserauschen ist stark von der Kamera abhängig. Bei einigen Modellen sinkt es mit steigender ISO linear, bei anderen in Stufen.
Die Dynamik ergibt sich ja aus dem Faktor zwischen dem schwächsten Signal, das nicht im Rauschen untergeht und dem stärksten Signal, das nicht die Fullwellkapazität erreicht.
Da bei höherer ISO die Fullwellkapazität sinkt, wird natürlich auch die Dynamik geringer.

Der ADC muss ja die erwarteteten Spannungswerte linear an den verfügbaren Speicher adressieren.
Angenommen 10k Elektronen entsprechen dieser Spannung, dann entsprechen 100 Elektronen einem Hundertstel von dieser.
Ich bleibe mal bei 10bit als Beispiel:
10k Elektronen wären 1024ADU
1k Elektronen wären 102ADU
200 Elektronen wären 20ADU
100 Elektronen wären 10ADU
Für schwache Kontraste stehen also sehr wenige Abstufungen zur Verfügung.
Wenn man das Signal vorher verstärkt, werden es mehr, natürlich auf Kosten der Fullwellkapazität.

Das alles hat natürlich in der Praxis nur relevanz, wenn man so kurz belichtet, dass die verschiedenen Rauschquellen in der Kamera einen signifikanten Einfluss auf das Gesamtrauschen haben, was man vermeiden sollte. Wenn der Himmelshintergrund sehr hell ist, muss man sich in der Regel keine Sorgen um das Ausleserauschen machen, denn das Rauschen, das mit dem Signal auf den Chip fällt ist konstant, egal an welcher Stelle und wie stark ich verstärke. Somit wird es auch nie eine Kamera geben, bei der man Nachts einfach die ISO aufdreht und bei kurzen Belichtungszeiten und kleiner Blende tolle Bilder bekommt. Wenn das Signal schon schlecht ist, hilft es auch nicht, wenn die Kamera keine Fehler hinzufügt. Was hilft ist mehr Belichtungszeit oder eine schnellere Optik.
 

andyma

Mitglied
Danke nochmals..
Für schwache Kontraste stehen also sehr wenige Abstufungen zur Verfügung. --> wird deshalb versucht ETTR zu belichten oder?
die Fullwellkapazität: Findet man da Angaben dazu, wie viele Photonen (oder Elektronen) es braucht bis die bei einem bestimmten ISO Wert gesättigt ist?
 

andyma

Mitglied
Stimmt das so? Photonen treffen auf den Sensor. Dabei werden im Halbleiter Elektronen (Elektronen-Lochpaare) freigesetzt, einige davon werden aber auch durch die benötigte Elektronik und durch die Wärme freigesetzt. Diese Elektronen werden in eine Spannung umgewandelt. Diese Spannung wird dann, abhängig durch die eingestellte ISO Zahl verstärkt. Die verstärkte Spannung wird dann an den ADU weitergeleitet, welcher die Spannung in einen digitalen Bit Wert umwandelt.
 

UwePilz

Mitglied
> Die Photonen lösen die Elektronen aus der lichtempfindlichen Schicht. Dadurch entsteht eine Spannung, die nach Ende der Belichtung ausgelesen wird.

Ausgewertet wird die Ladung, nicht die Spannung. Durch den Auslesevorgang bekommt man die Ladungsmenge je Zelle und damit ein Bild, welches der "natürlichen ISO" entspricht. Bei modernen Chips liegt die so um 400 ASA.
Wenn man ASA/ISO hochdreht, dann wird einfach diese Ladung mit einem Faktor multiploziert. Der Unterschied wzsichen geringster und höchster Ladung (=Helligkeit) ist dann wieder ca. gleich, aber die Abstufung wird gröber.
 
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