ISO In jeder elektronischen Kamera ist wie bei Filmen das Ergebnis eines kalibrierten Empfindlichkeitsindex. Aber es gibt ein paar Dinge in einer modernen Kamera, die zur ISO-Bewertung beitragen, die eine Kamera aufweist.
Fast jede Art von Bildsensor ist ein Array von Photodioden. Eine Photodiode ist eine Vorrichtung, die Elektronen leitet, wenn sie von Photonen „angeregt“ wird. Um eine Fotodiode herum gibt es eine Mikrolinse, um die maximale Anzahl von Photonen zu sammeln, und einen Farbfilter, wenn Sie ein Farbbild wünschen. Fotodioden, die heute in Kameras verwendet werden, sind empfindlich gegenüber allem sichtbaren Licht und sogar ein wenig Infrarot- und Ultraviolettlicht.
Eine perfekte Photodiode leitet ein Elektron für jeden Photoneneinschlag. Eine solche Photodiode hätte eine Quanteneffizienz von 100%. Keine echte Fotodiode hat das, aber einige erreichen in den letzten Kameras mit rückseitig beleuchteten Sensoren etwa 95%. Die Notwendigkeit, Farbe zu filtern, bedeutet jedoch normalerweise, dass etwa 1/3 der Photonen, die eine Photodiode anregen könnten, tatsächlich dazu führen, dass Elektronen geleitet werden. Eine größere Photodiode wird nicht überraschend von mehr Photonen im selben Photonenfluss getroffen und leitet natürlich mehr Elektronen.
Solange die Anzahl der Photonen, die auf eine Photodiode einwirken, eine lineare Wärmeleitung ergibt, arbeitet die Diode in ihrem aktiven Bereich und die Dinge sind gut. Es ist möglich, dass ein Anstieg der Photonen irgendwann nicht zu einem linearen Anstieg der Elektronen führt. Das bedeutet, dass die Photodiode gesättigt ist. Dies legt eine der möglichen Grenzen für den nativen ISO-Wert für einen Sensor fest.
Denken Sie nun daran, dass der Elektronenfluss basierend auf Photoneneinschlägen eine kontinuierliche Funktion ist. Eine fotografische Belichtung ist vielmehr eine Ansammlung von Licht über einen festgelegten Zeitraum. Wenn Sie sich die Photonen und ihre passenden Elektronen als Regen vorstellen, wird das nächste Element im Sensor als Ladungsbrunnen bezeichnet. Es ist dein Eimer! Ein Eimer, der Elektronen sammelt, wird in der Elektronik als Kondensator bezeichnet, aber Kameraleute neigen dazu, ihn als Ladungsbrunnen zu bezeichnen.
In einer professionellen Kamera gibt es heutzutage einen mechanischen Verschluss, der den Sensor abdeckt. Vor dem Öffnen dieses Verschlusses entleert die Elektronik jeden Ladungsschacht aller Elektronen und aktiviert dann das Fotodiodenarray. Dies geschieht durch Vorspannung jeder Fotodiode. Photodioden leiten, wie erwähnt, Elektronen, aber sie erzeugen sie nicht. Die Vorspannung ist, woher diese Elektronen kommen, und wenn sie angewendet wird oder nicht, kann ein bestimmter Satz von Photodioden im Array des Sensors lichtempfindlich werden oder nicht.
Also öffnet sich der Verschluss und Licht strömt herein. Die Photodioden leiten Elektronen, die Ladungsschächte füllen sich mit Elektronen. Wenn dies lange genug dauert, werden eine oder mehrere dieser Vertiefungen „überlaufen“ … es werden keine Elektronen mehr passen. Das bedeutet, dass die Ladung gut ist jetzt begrenzt – das ist der zweite Mechanismus, der eine native ISO setzt.
Der ISO-Standard
Nehmen wir also an, ich habe eine Kamera mit einem brandneuen Sensor hergestellt und keine Ahnung, wie hoch der ISO-Wert ist. Nehmen wir an, ich nehme meine vertrauenswürdige Olympus OM-1 Filmkamera, ein paar Kisten Film und meine Digitalkamera. Wenn ich Fotos mit demselben Objektiv und demselben Licht schieße, kann ich den Film mit der Kamera vergleichen und vielleicht eine Vorstellung von vergleichenden ISOs haben. Zum einen, wenn mein ISO 100-Film genau zur gleichen Zeit zu überbelichten beginnt, in der ich sehe, dass mein digitaler Sensor überbelichtet ist, ist das ein guter Hinweis darauf, dass der ISO-Wert meiner Digitalkamera bei etwa 100 liegt.
In der Praxis, da wir eine Sache namens ISO von der International Standards Organization haben, könnten Sie sich vorstellen, dass es eine Art Formel oder Rezept für ISO gibt. Wenn Sie bei Farbnegativfilmen „ISO“ sagen, sprechen Sie wirklich von der Norm ISO 5800: 2001. Für B & W-Negativfilm bedeutet dies tatsächlich ISO 6: 1993 und für Farbtransparenzfilm den ISO 2240: 2003-Standard.
Natürlich gibt es auch Standards für digitale Sensoren. Die aktuelle ISO 12232:2006 Spezifikation gibt Digitalkamera-Hersteller fünf verschiedene Möglichkeiten, ISO zu berechnen, von drei bedeutet in der ursprünglichen Version der Spezifikation von 1996. Nur die jüngsten beiden Methoden, die Recommended Exposure Index (REI) —Technik und die Standard Output Sensitivity (SOS), sind derzeit für Kameras japanischer Unternehmen legal – fast jeder.
Genau wie beim Film gibt es ein gewisses Maß an Urteilsvermögen, so dass es durchaus möglich ist, dass die ISO auf einer Kamera ein wenig anders sein kann als die ISO auf einer anderen, aber das Ziel ist ein Standard, der von einer Kamera zur anderen im Wesentlichen gleich ist.
Variable ISO
Bis jetzt habe ich über native ISO gesprochen, die nur eine Funktion des Ladungsschachts und des Fotodiodenarrays der Kamera ist. Aber eine Digitalkamera hat noch viel mehr zu bieten.
Wenn es an der Zeit ist, den Sensor auszulesen, wird die Ladung in jedem Ladeschacht wiederum in eine Spannung umgewandelt und in einen Analog-Digital-Wandler (ADC) geleitet. Die ADC-Schaltung ist so ausgelegt, dass ein gefüllter Ladungsschacht zu einer vollständigen Spannung am ADC führt. Aber was ist, wenn wir im Dunkeln sind und jede Ladung nur 1/2 oder 1/4 des Weges füllt? Hier kommt die variable ISO — oder Verstärkung, wie sie ursprünglich genannt wurde – ins Spiel.
Hier ist das Blockschaltbild eines tatsächlichen digitalen Bildsensors OV10822 von Omnivision. Dies ist die Art, die Sie vielleicht vor ein paar Jahren in einem Smartphone gefunden haben, aber die Idee ist für jeden Sensor die gleiche. Wenn Sie sich das Bildarray (Fotodioden) im Diagramm ansehen, befindet sich zwischen ihm und dem ADC ein Block mit der Bezeichnung „AMP“ und ein weiterer mit der Bezeichnung „Gain Control“. Dies ist, wo variable ISO passiert.
In den Tagen vor Digitalkameras hatten wir noch elektronische Kameras. Nur nannten wir sie Camcorder. Und wenn Sie die Verstärkung eines Camcorders gewählt haben, haben Sie die Verstärkung gewählt. Diese Verstärkung wurde nur in dB gemessen und auf die native ISO Ihrer Kamera angewendet, die Sie wahrscheinlich nicht kannten. Infolgedessen war es schwierig, zwei verschiedene Kameras so einzustellen, dass sie dasselbe Licht verwenden.
Die ISO-Spezifikationen werden verwendet, um eine ISO-Skala für eine Digitalkamera zu kalibrieren. Wenn ich in diesem 1/2 Full Charge Well-Gehäuse eine 2-fache Verstärkung anwähle, habe ich von nativem ISO, sagen wir ISO 100, auf ISO 200 angehoben. Ich habe jetzt ein verstärktes Signal, das den ADC speist, und der vollständige Wert davon ist jetzt 1/2 des vollen Ladeschachtpegels.
ISO und Rauschen
Das Interessante hier ist, dass ich bei der Steigerung der Ausgabe der Charge Well-Konvertierung den Sensor in keiner Weise geändert habe. Wenn ich einen 14-Bit-ADC bei nativer ISO verwendete, lese ich jetzt ein Bit darunter und werfe das obere Bit weg — was ich bei meinem schlechten Licht immer als Null erwarte. Ich zähle darauf, dass die Kamera genug Empfindlichkeit hat, um nützliche Informationen aus dem Verstärker zu liefern.
Warum nicht? Lärm! In jedem elektrischen System gibt es immer Geräusche. Der Schlüsseltrick in digitalen Systemen besteht darin, alles in eine Zahl umzuwandeln, sodass wir normalerweise die analoge Natur der Signale ignorieren können, aus denen diese Bits bestehen. Aber der Bildsensor selbst ist eine rein analoge Sache, bis zu dem Punkt, an dem wir den ADC erreichen.
Rauschen kommt von mehreren Quellen. Wenn Sie Wärme haben, haben Sie zufällige Elektronenaktivität. Einige Geräusche sind also auf Hitze zurückzuführen, und ja, wenn Sie an einem sehr kalten Tag im Freien fotografieren, sehen Sie bei derselben ISO weniger Rauschen in Ihren Bildern als an einem heißen Sommertag. Formal wird dies als thermisches Rauschen bezeichnet.
Eine weitere Geräuschquelle ist die Kamera selbst. Während einer Belichtung kann der Sensor ziemlich leise sein, aber irgendwann müssen alle möglichen zusätzlichen Schaltkreise aktiviert werden, um den Sensor auszulesen. Dies erzeugt Rauschen, das seltsamerweise als Leserauschen bezeichnet wird.
Und schließlich haben wir dieses seltsame Ding namens Schussrauschen oder Pixelrauschen. Ich erwähnte, dass Photonen auf Photodioden treffen und Elektronen leiten. Das Licht durch Ihre Linse wird als Fotofluss bezeichnet, und es ist nicht der kontinuierliche Strahl, von dem Sie vielleicht denken, dass er es ist, sondern eine statistische Stichprobe von Photonen, die der Poisson-Verteilung folgt.
Warum ist das so? Nun, bei hellem Licht tut es das nicht, da Sie Tausende, sogar Millionen von Elektronen zählen. Aber wenn das Licht schwächer wird, werden immer weniger Photonen von einer Kamera erfasst. Und allmählich ist die Zahl klein genug, dass die Zählung, die von identisch gefärbten, identisch beleuchteten Abschnitten eines Bildes erfasst wird, nicht gleich ist. Und so sehen wir dies als unterschiedliche Leuchtdichte und Farbe zwischen Dingen, die gleich sein sollten: Rauschen.
ISO tritt hier direkt ein. Wenn ein Signal verstärkt wird, so ist das Rauschen in diesem Signal. Höhere ISO-Werte bedeuten also immer mehr Rauschen. Ein leiserer Sensor, ein größerer Chip usw. kann ein größeres Signal-Rausch-Verhältnis im Sensor bedeuten. Im Laufe der Zeit sind die Sensoren also viel leiser geworden. Und wenn ein Sensor größer wird und größere Fotodioden liefert, sammelt er mehr Photonen im selben Licht als der kleinere Sensor. Es wird also eine statistisch solide Anzahl von Elektronen in der Art von Licht haben, die Rauschen auf einer kleineren Kamera zeigen würde.
Auflösung und dumme Software-Tricks
Schauen wir uns also die Einzelheiten der Sache an, die ich hier mache. In diesem Blockdiagramm des Smartphone-Sensors können Sie sehen, dass der ADC 10-Bit ist. Das bedeutet, dass der ADC maximal 0-1023 als Zahl vom Eingang einlesen kann. Ich schlug auch vor, dass wir einen 14-Bit-Sensor haben könnten – das ist es, was man heute normalerweise in einer Vollformat-Digitalkamera findet, Ebenen von 0-16.383.
Schauen Sie sich nun das JPEG-Format an: Es sind 8 Bit pro Pixel – Werte von 0-255 für jede Farbe (JPEG codiert nicht in RGB, sondern in YUV, aber Sie dekomprimieren in RGB). Was also, wenn wir eine native ISO von 100 haben, aber JPEGs bei ISO 50 anbieten wollten? Das ist mit einem 10-Bit-Sensor völlig machbar, mit einem 14-Bit-Sensor noch einfacher. Stellen Sie sich das so vor, als würden Sie ein 8-Bit-Fenster über einen viel größeren Zahlenbereich schieben.
Dies könnte natürlich am anderen Ende erfolgen. Wenn meine Kamera nur bis zu ISO 25.600 geht, könnte ich vielleicht Software verwenden, um die ISO auf 51.200 zu erhöhen. In der Software kann ich einfach Bits höherer Ordnung auswählen, die bei Bit 1 und nicht bei Bit 0 beginnen – mathematisch ähnlich wie in diesem Fall das Multiplizieren mit zwei.
Dies ist eine Softwareverstärkung, die zumindest teilweise in fast jeder Kamera verwendet wird. Die meisten Kameras haben „erweiterte“ ISO-Bereiche, wie die von mir vorgeschlagene ISO50 oder 51.200. Beide sind in gewisser Weise nicht ganz ideal, da sie in diesem Fall von Software abgeleitet sind, sodass der Hersteller sie als „erweitert“ kennzeichnet, um Sie darüber zu informieren. Wenn eine Software-erweiterte ISO jedoch immer noch sowohl den ISO-Spezifikationen als auch den Herstellerstandards für die Bildqualität entspricht, muss eine Software-abgeleitete ISO kein spezielles Label haben.
Hinweise zu Real World JPEG
Ich wollte nicht auf die Komplexität eingehen, aber wie Dave Martindale in den Kommentaren darauf hingewiesen hat, können JPEG-Encoder eine Dynamikbereichskomprimierungsfunktion verwenden, die als Gammakurve bezeichnet wird, um einen Teil des Geschmacks eines höheren Dynamikbereichs zu liefern, auf Kosten von Zwischenfarben und manchmal Farbstreifen im Bild. Ihr 8-Bit-Computermonitor oder Fernseher macht dasselbe, nur als Inverse, um eine linear aussehende Ausgabe zu liefern. Der Kamerasensor sieht Licht linear, Ihr Auge jedoch nicht. So kann die Gammakurve auf ein 10-Bit- oder 12-Bit-Bild angewendet werden, um eine nichtlineare Dynamikbereichskomprimierung als Teil der JPEG-Codierung zu liefern.
Die meisten Kameras können genau eingestellt werden, was sie mit Farbe tun, wenn ein JPEG zu schaffen, so ist dies eine Sache, ein fortgeschrittener Benutzer steuern kann. Der Nachteil der Gammakorrektur ist, dass sie ein JPEG sehr „zerbrechlich“ macht — selbst kleine Korrekturen an Farbe, Luminanz, Kontrast usw. kann sich bewegen, wo diese auf der Gammakurve hingehört hätten, zu Orten, zu denen sie nicht gehören. Vielleicht sehen Sie in Ihrem ursprünglichen JPEG keine Streifen, aber nehmen Sie ein paar Änderungen vor, und Sie haben ein heiliges Durcheinander an Ihren Händen. Aus diesem Grund wird JPEG von Fachleuten weitgehend als nicht bearbeitbar angesehen. Ja, Sie können Änderungen vornehmen, wenn Sie vorsichtig sind, aber auch hier ist es sehr zerbrechlich.
Was wäre, wenn wir überhaupt keine ISO hätten!
Tatsächlich gibt es einige Kameras, von denen behauptet wird, dass sie „ISO-weniger“ sind. Was das sowieso bedeuten sollte, ist, dass es nie eine analoge Verstärkung gibt. Jedes Bild wird mit Basis-ISO aufgenommen und nur per Software auf höhere oder niedrigere ISO-Werte manipuliert. Das Problem dabei ist die Auflösung.
Angenommen, ich habe eine Kamera mit einem nativen ISO-Wert von 100 und einem 12-Bit-ADC. Das gibt mir natürlich ein 8-Bit-JPEG bei ISO 100, ISO 200, ISO400, ISO 800 und ISO 1600 … darüber hinaus würde ich anfangen, die Abtastung für jede neue ISO-Geschwindigkeit um ein Bit zu reduzieren.
In einer professionellen Kamera besteht jedoch die Möglichkeit eines Raw-Bildes. Mein 12-Bit-ADC würde mir 12 Bit bei ISO 100, 11 Bit bei ISO 200, 10 Bit bei ISO 400 usw. geben. nur mit Software. Mit Hilfe der Hardware-Verstärkung, bringe ich in 12-Bit bei jeder ISO-Einstellung …. aber das ist nur das, was ich digitalisiere. Der tatsächliche effektive Wert basiert auf dem Grundrauschen des Systems – erinnern Sie sich an das Geräusch, das ich erwähnt habe? Es besteht also eine ziemlich gute Chance, dass ich immer noch nützliche 12-Bit-Informationen mit dieser 2-fachen Verstärkung bei ISO 400 habe. Vielleicht auch bei ISO 800…. aber schließlich wird all diese Verstärkung nur den Geräuschpegel erhöhen. Und genau deshalb sind Extended High ISOs fast immer Software. Sobald dieser 12-Bit-ADC 11 Bit Signal und 1 Bit reines Rauschen einbringt, müssen Sie absolut keine Verstärkung mehr hinzufügen … mit Software können Sie genau das gleiche Ergebnis erzielen.
Das Neue: Dual Native ISO
Wie bereits erwähnt, basiert die native ISO auf verschiedenen Eigenschaften des Sensors: Photodiodenempfindlichkeit, Photodioden-Vorspannung, Ladungsschachtkapazität usw. Und es ist durchaus möglich, einen Sensor zu entwerfen, der redundante Schaltungen für diese Dinge hat, jeder ein wenig anders gemacht. Geben Sie zwei Lesepfade ein und der Sensor hat eine doppelte native ISO.
Wovon rede ich hier? Nehmen wir meinen ursprünglichen Sensor mit einer nativen ISO von 100. Ich habe sehr große Ladungsschächte gebaut, damit all diese Photonen in hellem Licht gesammelt werden können. Aber was ist, wenn ich eine zweite, viel höhere ISO für wenig Licht liefern möchte. Ich kann eine zweite Ladung gut Kondensator bauen. Ich muss mich nicht mit hellen Lichtern befassen, daher kann dies relativ winzig sein. Und vielleicht kann ich, indem ich es sehr klein halte, diesen Datenpfad für sehr geringes Rauschen anstelle von hoher Kapazität optimieren. Der Sensor kann je nach Einstellung entweder den nativen Pfad zur Speisung des variablen Verstärkers oder des ADC verwenden. Wenn Sie also die ISO über zwei native ISOs erhöhen, steigt die Bildqualität auf höhere ISO-Werte.
