Warum besteht eine nichtlineare Beziehung zwischen dem Rauschpegel (des dunklen Rahmens) und der ISO-Einstellung?

Ändert die ISO-Änderung einer modernen Digitalkamera wirklich die Verstärkung eines elektronischen Verstärkers? , verstärkt der ISO das Signal physisch auf analoge Weise, ist also effektiver als die digitale Verstärkung, da er kein vom ADC erzeugtes nachgeschaltetes Rauschen verstärkt.

Um die Beziehung zwischen Rauschpegel (Standardabweichung) und ISO zu verstehen, nehme ich eine Folge von Dark Frames mit unterschiedlichem ISO auf (3 Frames für jeden ISO und andere Einstellungen sind identisch). Die Dunkelbilder werden in einer lichtlosen Umgebung mit aufgesetztem Kameraobjektiv aufgenommen, daher sollte der Standardwert eines Bildes den Rauschpegel dort widerspiegeln.

Die erfassten Darkframes und ihre zugehörigen Statistiken werden unten angezeigt:

|  ISO | Frame # |   Mean  |  Std  |
|  100 |    1    |  511.89 | 2.553 |
|  100 |    2    |  511.89 | 2.555 |
|  100 |    3    |  511.89 | 2.555 |
|  200 |    1    |  511.84 | 2.620 |
|  200 |    2    |  511.85 | 2.618 |
|  200 |    3    |  511.84 | 2.620 |
|  400 |    1    | 2048.00 | 3.618 |
|  400 |    2    | 2048.02 | 3.618 |
|  400 |    3    | 2048.01 | 3.617 |
|  800 |    1    | 2047.95 | 5.261 |
|  800 |    2    | 2047.96 | 5.260 |
|  800 |    3    | 2047.96 | 5.260 |
| 1600 |    1    | 2047.99 | 8.650 |
| 1600 |    2    | 2048.04 | 8.654 |
| 1600 |    3    | 2047.99 | 8.631 |

Bevor ich die realen Messungen sehe, habe ich erwartet, dass zwischen ISO und dem Standardwert des Frames eine sublineare Beziehung besteht (da eine reine digitale Verstärkung eine lineare Beziehung aufweisen sollte).

Obwohl meine Hypothese möglicherweise richtig ist, wenn nur die Daten mit ISO von 400 bis 1600 untersucht werden, kann die sublineare Funktion die Beziehung im ISO-Bereich von 100 bis 400 nicht interpretieren.

Seltsam ist auch, dass der Schwarzwert bei ISO >= 400 von 512 auf 2048 angepasst wurde.

Wie können wir also interpretieren, dass der Standardwert des Frames nahezu konstant ist, wenn ISO von 100 auf 200 geändert wird, und warum passt sich der Schwarzwert an, wenn ISO >= 400?

Alle Daten werden in einer Canon EOS 5D Mark IV Kamera gesammelt.

AKTUALISIEREN

Ich finde das folgende Bild von http://www.clarkvision.com/articles/iso/index.html scheint für meine Frage sehr relevant zu sein, aber ich kann die Beschreibung dort nicht vollständig verstehen.Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

Wie hast du den Mittelwert genau berechnet?
Der Mittelwert wird einfach berechnet, indem alle Pixelwerte in einem Frame gemittelt werden. In einigen Literaturstellen wurde gesagt, dass der Dunkelrahmen ein Dunkelsignal und verschiedene feste Musterrauschen enthalten sollte, aber ich kann kein festes Muster finden, indem ich viele Rahmen inspiziere. Dies könnte auf die Dunkelstromunterdrückungstechnologie auf dem Sensor zurückgeführt werden, die in modernen High-End-DSLR-Kameras verwendet wird ( clarkvision.com/articles/dark-current-suppression-technology ). Das Dunkelbild würde also nur zeitliches Rauschen und den Mittelwert enthalten wird nur verwendet, um anzuzeigen, dass der Rauschmittelwert (Erwartung) 0 ist, während der Schwarzpegel angezeigt wird.
OK. Wie sieht es mit dem absoluten Wert aus? Du verwendest 14 Bit Raw? Was ist der maximal mögliche Wert? Ist es 2^14? 2048 ist 2 ^ 11 ... Wie kommt es, dass dieser hohe Wert als Schwarzwert angesehen werden kann?
Ja, ich verwende 14-Bit-Raw und bin mir nicht sicher, was der von Ihnen erwähnte absolute Wert ist. Die Canon EOS 5d Mark IV zeichnet 14-Bit-Rohdaten auf, deren maximal möglicher Wert 16383 beträgt. Ich stimme zu, dass 2048 ein hoher Wert ist, aber dieser Wert wird von libraw/dcraw bestätigt. Ich werde es später mit einer kommerziellen Software (wie LightRoom oder Opensource Darktable) erneut überprüfen.
Ich stimme dafür, diese Frage als nicht zum Thema gehörend zu schließen, da sie nicht versucht, ein Problem zu lösen, das mit dem tatsächlichen Fotografieren verbunden ist.
Ja, vielleicht hast du recht. Aber der Ergebnis- und Analysebeitrag hier zeigt, wie wir unsere Kamera besser nutzen können, da Rauschen eine wichtige Komponente ist, die beim Fotografieren berücksichtigt werden muss. Zumindest zeigt es den Vorteil, ISO 200 statt 100 für wenig Geld zu verwenden.
Bei einem "perfekten" Sensor, bei dem das einzige Rauschen das physikalisch bedingte Photonenrauschen ist, steigt das Grundrauschen bei jeder 4-fachen ISO-Erhöhung genau um 2 Stufen. In Wirklichkeit ist das Grundrauschen durch thermische und AtoD-Konvertierungen höher. Das sieht man am Plateau am unteren Ende der ISOs.

Antworten (1)

Basierend auf der Untersuchung Ihrer "erfassten Dunkelbilder und der zugehörigen Statistiken" und einiger Erfahrung in der Dokumentenscannertechnologie scheint Canon zwischen ISO 400 und 200 zwei niedrigstwertige Bits weggeschoben zu haben, was den größten Teil des Rauschens darstellt, das Sie zu messen versuchten .

Was das Clark-Diagramm anbelangt, so fehlt bei "ISO-losen" Belichtungen, die ISO über 1600 wollen, einfach genug Signal von Photonen, um den Dynamikbereich des ADC zu sättigen. In der Zwischenzeit wird der Dynamikbereich für Belichtungen, die einen ISO-Wert von weniger als 200 benötigen, nominell durch die ADC-Bittiefe eingeschränkt. Mein Verständnis für diese Erhöhung des Dynamikbereichs bei ISO 50 ist eine Produktentscheidung, da viele Bildvergleiche mit konkurrierenden Kameras bei ISO 100 durchgeführt werden, sodass eine künstliche Reduzierung der Verstärkung sauberere Schatten und monochromatische Farben ergibt.

Warum besteht eine nichtlineare Beziehung zwischen dem Rauschpegel (des dunklen Rahmens) und der ISO-Einstellung?
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