Wie wird ISO in Digitalkameras implementiert?

1~2 und 3. Bei CCDs befindet sich der Verstärker effektiv in der Ecke des Sensors, aber bei CMOS ist in jede Fotostelle ein Verstärker eingebaut, der über den gesamten Sensor verteilt ist. Siehe hier .

Wie ich kürzlich entdeckt habe, haben die meisten DSLRs einen Verstärker vor dem ADC (Analog-to-Digital Conversion). Sie neigen dazu, bei 800 oder 1600 ISO maximal zu sein, und sind danach alle digitale Verstärkungen. Die folgenden Absätze gehen von einer Kamera aus, die ihre analoge Verstärkung bei 1600 maximiert:

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 4 Stufen überbelichtet aufnehmen, wird die RAW-Datei wahrscheinlich beschnitten, obwohl der ADC nicht gesättigt ist. Die Technik, die sowohl überbelichtet als auch Highlights nicht beschneidet, ist jedoch wirksam bei der Reduzierung von Rauschen und als ETTR (Expose To The Right) bekannt.

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

Auch wenn Nr. 3 über ISO 1600 zutrifft, kann ein ISO 1600 RAW mehr Informationen über Glanzlichter enthalten, da sie durch den digitalen Verstärkungsprozess immer noch beschnitten werden können. Aus diesem und vielleicht anderen Gründen (Akkulaufzeit, effektive Puffergröße) kann es bei RAW-Aufnahmen vorteilhaft sein, ISO 1600 aufzunehmen und 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 gleichen Zeit / am gleichen Ort aufgenommen wurden (fast - dies wurde aus der Hand aufgenommen, ohne viel Aufmerksamkeit auf die Komposition), mit derselben Blende (f / 2,8) und derselben Verschlusszeit (1/100).

Dieses erste Bild wurde mit ISO 100 aufgenommen und +2 Stufen in ACR auf einen effektiven ISO von ~400 angepasst. Alle Anpassungen außer der Belichtung wurden auf Null gesetzt (Keine Rauschunterdrückung, Schärfen, Kontrastanpassungen usw.)

Dieses Bild wurde mit ISO 1600 aufgenommen und in ACR um -2 Stufen auf einen effektiven ISO-Wert von ~400 angepasst. Auch hier wurden alle Anpassungen auf Null gesetzt.

Beachten Sie die ausgeblasenen Glanzlichter im zweiten Bild. Jedes Mal trifft die gleiche Lichtmenge auf den Sensor, aber es werden unterschiedliche Informationen in der RAW-Datei aufgezeichnet.

Ja. Die ISO-Einstellung ist die Empfindlichkeit des Sensors – in der Praxis der Betrag der Verstärkung, der auf das Signal vom Pixel auf dem Sensor angewendet wird, um ein echtes Ergebnis zu erhalten.

Theoretisch könnten Sie mit der Belichtungskorrektur nachbearbeiten, um ein ähnliches Ergebnis wie bei einem niedrigeren oder höheren ISO-Wert zu erzielen. Ich habe immer festgestellt, dass ich viel bessere Ergebnisse erziele, wenn ich es direkt "in der Kamera" aufnehme, was mich glauben lässt dass die Verstärkung vor der Digitalisierung analog erfolgt.

Das Kameraobjektiv projiziert ein Miniaturbild der Außenwelt auf die Oberfläche eines lichtempfindlichen Bildsensors, der sich im Inneren und auf der Rückseite 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 spielt Licht von der Szene auf die Fotoseiten. Diese empfangen Photonentreffer proportional zur Szenenhelligkeit.

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

In jedem Fall ist die Höhe der Ladung am Ende der Belichtung mickrig. Die in den Chip eingebaute 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.

Bei schwacher Ladung muss die Verstärkung erhöht werden. Die Ladung ist schwach, wenn die Szene schlecht beleuchtet ist. Die Ladung ist schwach, wenn die verwendete Verschlusszeit superschnell ist. Wir öffnen den Arbeitsdurchmesser des Objektivs, da dies mehr Lichtenergie hereinlässt. Wir können künstliches Licht einsetzen, wenn die Szenenhelligkeit verstärkt werden muss.

Reden wir über Verstärkung: Die Verstärkung in der Digitalkamera entspricht dem Aufdrehen der Lautstärke eines Radios oder Fernsehers. In der Digitalkamera erhöht eine höhere Verstärkung die Aufnahmemöglichkeiten für schwach beleuchtete Szenen und/oder hohe Verschlusszeiten. Eine erhöhte Verstärkung wird als hohe ISO-Einstellung kategorisiert. ISO steht für Internationale Organisation für Normung. Sie sind dafür verantwortlich, die Empfindlichkeit von fotografischen Filmen zu standardisieren, und die Digitalkameraindustrie hat die ISO-Methode der Empfindlichkeitskennzeichnung übernommen.

Erhöhte ISO hat ihren Preis: Bei den meisten Bildsensoren hat jede Fotoseite ihren eigenen Verstärker. Jeder wird wahrscheinlich etwas anders verstärken als sein Nachbar. Wenn die Verstärkung zu hoch ist, werden Sehenswürdigkeiten, die schwarz wiedergegeben werden sollen, oft als dunkelgrau registriert. Dies sendet falsche Informationen, die wir als Rauschen bezeichnen. Wenn die Verstärkung zu hoch ist, kann außerdem ein Teil der Ladung in die benachbarten Photosites lecken, wir nennen dies Blooming. Ja, ein hoher ISO-Wert kann und wird beeinträchtigt, ermöglicht aber auch das Fotografieren unter schwierigen Bedingungen. Die Technologie marschiert auf den neueren Imaging-Chips und der Kamerasoftware, um Rauschen und Blooming besser zu mindern.

Wenn Nr. 3 wahr ist, könnten Sie ein 4-Stufen-überbelichtetes RAW-Bild bei ISO 1600 aufnehmen und dann in der Nachbearbeitung ein JPEG bei ISO 100 erstellen, das dasselbe wäre, als wäre das Originalfoto bei ISO 100 aufgenommen worden.

Nein. Wenn Sie mit der Einstellung ISO 100 fotografieren, 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) erreicht wird, wird Ihr ISO 1600-Bild mehr Rauschen enthalten als ein ISO 100-Bild.

Warnung: Meine Antwort ist zu 100 % anekdotisch und basiert auf Ergebnissen einer Panny FZ-28, die höchstwahrscheinlich nicht so mit RAWs umgehen kann wie eine DSLR.

Allerdings habe ich mit dieser Kamera seit Tag 1 mit dem Geräuschpegel bei schlechten Lichtverhältnissen zu kämpfen. Es gibt nur eine begrenzte Leistung, die man aus einem kleinen Sensor herausholen kann, aber ich habe eine Reihe von Dingen ausprobiert, um zu versuchen, die bestmöglichen Ergebnisse zu erzielen.

Da ich beim Erhöhen des ISO-Werts eine ziemlich dramatische Zunahme des Rauschens sehe, versuche ich normalerweise, den ISO-Wert auf oder nahe 100 zu halten. Eines der Dinge, die ich jedoch versucht habe, war RAW-Aufnahmen mit ISO 100, wobei die Aufnahme unterbelichtet war, 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 tue, nehme ich eine Menge an Rauschen auf, die ungefähr gleich zu sein scheint, als ob ich den ISO-Wert von Anfang an höher eingestellt hätte. Ich sehe einen sehr vergleichbaren Rauschpegel, wenn ich ISO und Belichtung erhöhe (damit ich die Belichtung in der Nachbearbeitung nicht erhöhen muss), was mich zu der Annahme veranlasst, dass auf diese Weise wenig bis gar kein Raum ist, um das System zu „betrügen“.

Ich habe nichts gelesen, um dies zu unterstützen, aber basierend auf dem, was ich gesehen habe, würde ich geneigt sein zu glauben, dass entweder Nr. 1 oder Nr. 2 (persönlich glaube ich, dass es Nr. 1 ist) oben wahr sind.

RAW ist so ziemlich eine direkte Ausgabe der Sensorausgabe an den Speicher, daher sind Nr. 1 und / oder Nr. 2 die offensichtliche Wahl (obwohl ich denke, dass Canon einige Daten manipuliert, bevor sie ihr RAW schreiben, und vielleicht auch andere).

Eine gute Möglichkeit, die Empfindlichkeit eines Sensors zu erhöhen, besteht darin, die darüber angelegte Spannung zu erhöhen. Dies erhöht sowohl die Ausgabe für eine gegebene Eingabe als auch das Rauschen (beides wird tatsächlich beobachtet, wenn die EI einer Digitalkamera erhöht wird).

Ich habe Schwierigkeiten, mir vorzustellen, wie Sie vor dem Sensor eine Art Lichtverstärkung anwenden würden, die im laufenden Betrieb angepasst werden kann (Sensoren haben Mikrolinsen über jedem Element, um Licht auf dieses Element zu sammeln, das die Elementgröße bestimmt und a kleiner, aber fester Effekt).

Option 3 würde die RAW-Daten nach dem Sammeln ändern, was dasselbe ist wie das Ändern der RAW-Datei nach dem Lesen von der Kamera. Einige Kameras (siehe oben) könnten dies versuchen, insbesondere um Rauschen herauszufiltern. Die meisten werden dies nicht tun und es dem Benutzer überlassen (tatsächlich gab es vor Jahren einen Kampf zwischen Canon und Nikon, bei dem Canon im Vergleich zu Nikon viel lebendigere Bilder zu produzieren schien, die durch Canon verursacht wurden, die Manipulationen in der Kamera anwendeten die RAW-Daten, was für ziemlichen Aufruhr bei Benutzern sorgte, die das von ihrer Kamera nicht wollten).

Beachten Sie, dass dies alles für Mid- / High-End-DSLRs gilt. Bei Einstiegsmodellen wird wahrscheinlich viel in der Kamera gefiltert und verbessert, aber Leute, die diese verwenden, sind normalerweise keine RAW-Shooter, und ihre RAW-Modi können auch sauber sein.