Wie wird ISO in Digitalkameras implementiert?

Wenn ich die ISO-Einstellungen meiner Kamera ändere, erhöht sich offensichtlich die Systemverstärkung, wodurch das Signal vom Sensor verstärkt wird. Mir ist nicht klar, wo die Verstärkung stattfindet. Ich sehe mehrere Möglichkeiten:

1. Im Sensor durch Erhöhen der Spannung oder eines anderen Mechanismus
2. Über einen Analogverstärker außerhalb des Sensors
3. Digital, nachdem das Signal digitalisiert wurde, aber bevor Daten in der RAW-Datei gespeichert werden
4. Als Parameter, der ausschließlich für die Erstellung eines Bildes aus RAW verwendet wird

Wenn # 4 zutrifft, können Sie ein 4-fach überbelichtetes RAW-Bild bei ISO 1600 aufnehmen und dann bei der Nachbearbeitung ein JPEG bei ISO 100 erstellen, das dem entspricht, wenn das Originalfoto bei ISO 100 aufgenommen worden wäre.

Wenn # 1 oder # 2 zutrifft, enthält eine mit ISO 1600 aufgenommene RAW-Datei tatsächlich mehr Informationen zu Schatten, und eine ISO 100-RAW-Datei enthält mehr Informationen zu Lichtern.

1 ~ 2 und 3. Bei CCDs befindet sich der Verstärker praktisch in der Ecke des Sensors, bei CMOS ist jedoch in jede Photosite ein Verstärker eingebaut, der über den Sensor verteilt ist. Sehen Sie hier .

Wie in einer Sache erwähnte ich vor kurzem entdeckt , haben die meisten DSLRs einen Verstärker vor dem ADC (Analog-Digital-Wandlung). Sie neigen dazu, bei 800 oder 1600 ISO max und sind alle digitalen Verstärkungen danach. In den folgenden Absätzen wird von einer Kamera ausgegangen, deren analoge Verstärkung um 1600 Uhr maximal ist:

Leider hindern Sie die 12- oder 14-Bit-RAW-Dateien daran, das zu tun, was Sie beschreiben. Die digitale Verstärkung findet statt, bevor die RAW-Dateien gespeichert werden. Es gibt einen Maximalwert, der gespeichert werden kann. Wenn Sie also überbelichtete 4-Stufen-Aufnahmen machen, wird die RAW-Datei wahrscheinlich abgeschnitten, obwohl der ADC nicht gesättigt ist. Die Technik, mit der genauso viel überbelichtet wird, als dass Glanzlichter nicht abgeschnitten werden, wirkt sich jedoch auf die Rauschreduzierung aus und wird als ETTR (Expose To The Right) bezeichnet.

Ja, aufgrund der analogen Verstärkung enthalten RAW-Dateien mit höherem ISO-Wert mehr Details. ISO 1600 und ISO 12800 sollten jedoch die gleiche Menge an Schattendetails enthalten (es sei denn, es gibt eine zusätzliche Spezialverarbeitung ODER der ADC hat effektiv mehr Präzision als die Bittiefe, in der Ihre RAW-Dateien gespeichert sind).

Obwohl # 3 über ISO 1600 stimmt, enthält ein ISO 1600 RAW möglicherweise mehr Informationen zu Glanzlichtern, da diese durch den digitalen Verstärkungsprozess noch abgeschnitten werden können. Aus diesem und anderen Gründen (Akkulaufzeit, effektive Puffergröße) kann es beim Aufnehmen von RAW von Vorteil sein, ISO 1600 aufzunehmen und den Vorgang später einfach nachzubearbeiten. Auch dies habe ich nicht getestet, und wenn die effektive ADC-Bittiefe höher ist als die Bittiefe des RAW-Formats, ist dies nicht der Fall.

Ja, die ISO-Einstellung wirkt sich auf die in der RAW-Datei gespeicherten Bilddaten aus. Hier sind zwei Bilder, die zur selben Zeit / am selben Ort aufgenommen wurden (fast - dies wurde in der Hand aufgenommen, ohne viel auf die Komposition zu achten), mit derselben Blende (1: 2,8) und Verschlusszeit (1/100).

Dieses erste Bild wurde mit ISO 100 aufgenommen und +2 Blenden in ACR auf eine effektive ISO von ~ 400 eingestellt. Alle Einstellungen außer der Belichtung wurden auf Null gesetzt (keine Rauschunterdrückung, Schärfung, Kontrasteinstellung usw.).

Dieses Bild wurde mit ISO 1600 aufgenommen und -2 Blenden in ACR auf eine effektive ISO von ~ 400 eingestellt. Auch hier wurden alle Anpassungen auf Null gesetzt.

Beachten Sie die ausgeblendeten Glanzlichter im zweiten Bild. Gleiche Lichtmenge trifft jedes Mal auf den Sensor, aber unterschiedliche Informationen, die in der RAW-Datei aufgezeichnet sind.

Ja. Die ISO-Einstellung ist die Empfindlichkeit des Sensors - in der Praxis die Stärke der Verstärkung, die auf das Signal des Pixels auf dem Sensor angewendet wird, um ein reales Ergebnis zu erzielen.

Theoretisch könnte man mit der Belichtungskorrektur nachbearbeiten, um ein ähnliches Ergebnis wie bei einer niedrigeren oder höheren ISO zu erzielen - ich habe immer festgestellt, dass ich viel bessere Ergebnisse habe, wenn ich direkt in der Kamera fotografiere dass die Verstärkung vor dem Digitalisieren auf analoge Weise erfolgt.

Wenn # 3 zutrifft, können Sie ein 4-fach überbelichtetes RAW-Bild bei ISO 1600 aufnehmen und dann bei der Nachbearbeitung ein JPEG bei ISO 100 erstellen, das dem entspricht, wenn das Originalfoto bei ISO 100 aufgenommen worden wäre.

Nein. Wenn Sie ein Bild mit der Einstellung ISO 100 aufnehmen, erhalten Sie eine andere Belichtung (mehr Licht auf dem Chip) als mit der Einstellung ISO 1600. Unabhängig davon, wie die Verstärkung (in Hardware oder Software) erzielt wird, ist Ihr ISO 1600-Bild stärker verrauscht als ein ISO 100-Bild.

Das Kameraobjektiv projiziert ein Miniaturbild der Außenwelt auf die Oberfläche eines lichtempfindlichen Bildsensors, der sich innerhalb und hinter der Kamera befindet. Dieser Bildsensor ist mit Millionen von Fotoseiten bedeckt. Die meisten Fotoseiten sind mit roten, grünen oder blauen Filtern überlagert. Während der Belichtung wird das Licht der Szene auf den Fotoseiten wiedergegeben. Diese erhalten Photonentreffer proportional zur Helligkeit der Szene.

Die Photonentreffer erzeugen eine elektrische Ladung innerhalb der Photosite. Die Stärke dieser Ladung ist proportional zur Anzahl der Photonentreffer. Die Trefferanzahl ist eine Kombination aus der Öffnungsdauer des Verschlusses, der Helligkeit der Szene und dem Arbeitsdurchmesser des Objektivs (Blende). Wenn die Helligkeit der Szene schwach ist, vergrößert die Kameraautomatik oder der Fotograf die Arbeitsblende und / oder die Verschlusszeit wird verlangsamt. Wenn eine kurze Verschlusszeit gewählt wird, muss die Arbeitsblende erhöht werden usw.

In jedem Fall ist die Größe der Ladung am Ende der Belichtung gering. Die im Chip integrierte Logik wandelt die Ladung in ein schwaches analoges Signal um, das dann verstärkt und in ein digitales Signal umgewandelt wird. Es ist die Anwendung der Verstärkung, nach der Sie fragen.

Ist die Ladung schwach, muss die Verstärkung erhöht werden. Die Ladung ist schwach, wenn die Szene schlecht beleuchtet ist. Die Ladung ist schwach, wenn die Verschlusszeit sehr kurz ist. Wir öffnen den Arbeitsdurchmesser des Objektivs, um mehr Lichtenergie einzuspeisen. Wir können künstliches Licht zur Geltung bringen, wenn die Helligkeit der Szene verbessert werden muss.

Lassen Sie uns über die Verstärkung sprechen: Die Verstärkung in der Digitalkamera entspricht dem Erhöhen der Lautstärke eines Radios oder Fernsehers. Bei der Digitalkamera erhöht eine höhere Verstärkung die Bildaufnahmemöglichkeit bei schwach beleuchteten Szenen und / oder hohen Verschlusszeiten. Erhöhte Verstärkung wird als hohe ISO-Einstellung eingestuft. ISO steht für International Organization for Standardization. Sie sind dafür verantwortlich, die Empfindlichkeit für fotografische Filme zu standardisieren, und die Digitalkameraindustrie hat die ISO-Methode zur Kennzeichnung der Empfindlichkeit übernommen.

Erhöhte ISO-Werte haben ihren Preis: Bei den meisten Bildsensoren verfügt jede Fotosite über einen eigenen Verstärker. Jeder verstärkt sich wahrscheinlich ein wenig anders als sein Nachbar. Wenn die Verstärkung zu hoch ist, werden Bilder, die so schwarz wiedergegeben werden sollen, häufig als dunkelgrau registriert. Dies sendet falsche Informationen, die wir als Rauschen bezeichnen. Wenn die Verstärkung zu hoch ist, kann ein Teil der Ladung in die angrenzenden Fotoseiten entweichen, was wir als Blooming bezeichnen. Ja, ein hoher ISO-Wert kann und kann sich verschlechtern, aber er ermöglicht auch das Fotografieren unter schwierigen Bedingungen. Technologiemärsche auf den neueren Imaging-Chips und der Kamera-Software lindern Rauschen und Überbelichtung besser.

Warnung: Meine Antwort ist zu 100% anekdotisch und basiert auf Ergebnissen einer Panny FZ-28, die möglicherweise nicht die gleichen RAW-Daten wie eine DSLR verarbeitet.

Trotzdem habe ich seit Tag 1 mit dieser Kamera mit Rauschpegeln bei schlechten Lichtverhältnissen zu kämpfen. Es gibt nur so viel Leistung, die Sie mit einem kleinen Sensor erzielen können, aber ich habe eine Reihe von Dingen ausprobiert, um die bestmöglichen Ergebnisse zu erzielen.

Da ich beim Erhöhen des ISO-Werts einen ziemlich dramatischen Anstieg des Rauschens sehe, versuche ich normalerweise, den ISO-Wert bei oder nahe 100 zu halten. Eines der Dinge, die ich jedoch versuchte, war RAW bei ISO 100 mit unterbelichteter Aufnahme, um den Verschluss beizubehalten Geschwindigkeit, die ich wollte. Mit der Nachbearbeitung kann ich die Belichtung (bis zu einem gewissen Grad) korrigieren, aber wenn ich das mache, nehme ich ein Rauschen wahr, das ungefähr so ​​aussieht, als würde ich die ISO-Empfindlichkeit zunächst auf einen höheren Wert einstellen. Ich sehe einen sehr vergleichbaren Rauschpegel, wenn ich den ISO-Wert und die Belichtung erhöhe (damit ich die Belichtung bei der Nachbearbeitung nicht erhöhen muss), was mich zu der Annahme veranlasst, dass es kaum bis gar keinen Raum gibt, das System auf diese Weise zu "betrügen".

Ich habe keine Lektüre gemacht, um dies zu unterstützen, aber basierend auf dem, was ich gesehen habe, würde ich eher glauben, dass entweder # 1 oder # 2 (ich persönlich glaube es ist # 1) oben wahr sind.

RAW ist so ziemlich ein direkter Speicherauszug der Sensorausgabe an den Speicher. Daher liegen # 1 und / oder # 2 auf der Hand (obwohl ich denke, dass Canon einige Manipulationen an Daten vornimmt, bevor sie ihre RAW schreiben, und vielleicht auch an anderen Stellen).

Eine gute Möglichkeit, die Empfindlichkeit eines Sensors zu erhöhen, besteht darin, die über ihn angelegte Spannung zu erhöhen. Dies erhöht sowohl die Ausgabe für einen bestimmten Eingang als auch das Rauschen (was tatsächlich beobachtet wird, wenn der EI bei einer Digitalkamera erhöht wird).

Es fällt mir schwer, mir vorzustellen, wie Sie vor dem Sensor eine Art Lichtverstärkung anwenden, die im Handumdrehen angepasst werden kann (Sensoren haben Mikrolinsen über jedem Element, um Licht für dieses Element zu sammeln, wodurch die Elementgröße bestimmt wird und a angezeigt wird) kleiner, aber fester Effekt).

Option 3 würde die RAW-Daten nach dem Sammeln ändern. Dies entspricht dem Ändern der RAW-Datei nach dem Lesen von der Kamera. Einige Kameras (siehe oben) versuchen dies möglicherweise, insbesondere um Rauschen herauszufiltern. Die meisten werden es nicht und überlassen es dem Benutzer (tatsächlich gab es vor Jahren einen Kampf zwischen Canon und Nikon, bei dem Canon wesentlich lebendigere Bilder zu produzieren schien als bei Nikon, die durch die Manipulation in der Kamera bei Canon verursacht wurden) die RAW-Daten, die bei Benutzern, die dies mit ihren Kameras nicht wollten, für Aufsehen sorgten).

Beachten Sie, dass dies alles für DSLRs im mittleren und oberen Preissegment gilt. Bei Einsteigermodellen wird wahrscheinlich viel in der Kamera gefiltert und verbessert, aber die Leute, die diese verwenden, sind normalerweise keine RAW-Schützen, und ihre RAW-Modi sind möglicherweise auch sauber.