fuji x secrets Rauschfreie Bilder mit ISO 12800? – mit ISO-Äquivalenz und passender Motivwahl kein Problem

[UweHB]

Werbung (verschwindet nach Registrierung)

vor 3 Stunden schrieb MightyBo:

Genau. Klugscheißmodus an*: Die Frequenz stellt den Energieinhalt des Photons dar. Diese Energie muss ein Mindestmaß aufweisen, also eine Mindestfrequenz, damit ein Elektron im Silizium des Pixels auf ein „höheres“ Energieniveau gehoben weden kann und damit frei im Silzium beweglich wird und so für Schaltkreise detektierbar wird. Unterhalb dieser Frequenz, bzw. Energieinhalt kann ein Sensor deshalb kein Licht detektieren. Da diese Mindestenergie bei 1,1eV liegt, sind Sensoren bis in den nicht sichtbaren Infrarotbereich, ca. 1.100nm,  „sehend“, also irrelevant für uns. Die Frequenz des Lichtes sollte nicht damit verwechselt werden wie häufig Photonen auf ein Pixel treffen. Klugscheißmodus aus*.

Peter 

Da hast du aber wirklich einiges durcheinander bekommen. Gesundes Halbwissen würde ich sagen.

[UweHB]

vor 3 Stunden schrieb FxF.jad:

@mjh, @MightyBo, Danke Michael! Danke Peter! So früh am Morgen und schon so viel gelernt. Ihr füllt da eine schmerzliche Lücke des öffentlich rechtlichen Bildungsauftrags. Da hab ich bei 50 Jahren Sendung mit der Maus doch grundlegendes verpasst. Ich fürchte nur, die Photonen sind so schnell durch mein Hirn gerauscht, wie sie gekommen sind. Das nennt man wohl Sieb. - Es klingt jetzt vielleicht all zu sehr spöttisch, ironisch , flapsig, ist aber überwiegend ernst gemeint.

Wir leben in einer Informationswelt, nicht in einer Wissenswelt. Dazu müsste man die Informationen im Gehirn verarbeiten können, um daraus Wissen zu schaffen.

[MightyBo]

vor 8 Minuten schrieb UweHB:

Da hast du aber wirklich einiges durcheinander bekommen. Gesundes Halbwissen würde ich sagen.

Dann kläre mich doch bitte auf. Ich bin wirklich interessiert!

Peter

[mjh]

vor 40 Minuten schrieb UweHB:

Mit Hilfe der auftretenden Frequenzen habe ich versucht klar zu machen, dass die Änderung in der Anzahl der Photonen die den Sensor während der Belichtung erreichen viel zu groß ist, so das diese mit einer Verschlusszeit von 1/8000s nicht festgehalten werden kann.

Es geht allein darum, wie viele Photonen während der Belichtung registriert werden. Die Frequenz des Auftreffens und die Verschlusszeit (oder die Blende, was das betrifft) sind für sich genommen irrelevant. Und die Anzahl der Photonen liegt bei Aufnahmen im hohen ISO-Bereich in einer Größenordnung, in der das Photonenrauschen deutlich sichtbar wird.

[MightyBo]

Bei einer sehr geringen "Photonendichte", die tritt ja eben bei sehr wenig Licht auf, ist selbst bei einem zeitlich konstanten Photonenstrom, die Elektonenanregung im Silizium des Pixels nicht konstant, somit kann man selbst theoretisch keine rauschfreien Aufnahmen hinbekommen, weil von Aufnahme zu Aufnahme die Anzahl an erzeugten Elektronen schwankt und somit die Pixelhelligkeit. Auch wenn die zufällige Verteilung des thermisches Lichts nicht nach der Poissonverteilung zu berechnen ist, ist die Verteilung dennoch zufällig und erstreckt sich halt über einen breiteren Bereich und ohne ausgeprägtes Maximum, wie es bei der Poissonverteilung üblich ist. 

Peter

[Rico Pfirstinger]

vor 31 Minuten schrieb mjh:

Und die Anzahl der Photonen liegt bei Aufnahmen im hohen ISO-Bereich in einer Größenordnung, in der das Photonenrauschen deutlich sichtbar wird.

Wäre aber schon cool, wenn es kein Photonenrauschen gäbe – dann bräuchte man nämlich eigentlich kein HDR und müsste sich ansonsten nur mit dem Ausleserauschen herumschlagen. Um dieses ging es zuletzt in diesem Beitrag:

 

[mjh]

Werbung (verschwindet nach Registrierung)

vor 22 Minuten schrieb Rico Pfirstinger:

Wäre aber schon cool, wenn es kein Photonenrauschen gäbe

Uwe weiß ja, wie man das bewerkstelligt: Man fotografiert einfach mit inkohärentem Licht statt mit Laserlicht, und schon ändert sich die Verteilung der auftreffenden Photonen so, dass man das Photonenrauschen nicht mehr sehen kann. Problem gelöst, und schon liegt der Ball wieder im Feld der Sensorentwickler, die das übrige Rauschen weiter reduzieren müssen.

[kernpanik]

Ich verstehe zwar nur 10 Prozent des hier Geschriebenen, aber als Statistiker ist mir klar, dass das, was hier als Photonenrauschen bezeichnet wird, mit zunehmender Photonenmenge – sei es nun aufgrund längerer Belichtungszeit oder einer helleren Lichtquelle – abnimmt, weil sich Unterschiede in der Photonenmenge, die auf die einzelnen Sensorpixel trifft, mit der Zeit ausgleichen (d.h. bei einer symmetrischen Verteilung: die Menge sich auf jedem Pixel dem Mittelwert der zugrunde liegenden Verteilung annähert). 

Ein mit der Belichtungszeit zunehmendes Rauschen dürfte damit kein Photonenrauschen sein. Mit zunehmender Belichtungszeit verstärkt sich nur ein Rauschen, das streng betrachtet gar kein Rauschen (d.h. ein sich ständig änderndes zufälliges Muster) ist, sondern eine auf einzelnen Punkten einer Fläche auftretende systematische Abweichung von der eigentlich überall gleichen Lichtmenge.

bearbeitet 15. März 2021 von kernpanik
(Änderung unterstrichen)

[platti]

Am 8.3.2021 um 23:16 schrieb Rico Pfirstinger:

Was lernen wir daraus?

1. Bei ISO kann man ganz leicht lügen und gleichzeitig die Wahrheit sagen. ISO-Äquivalenz ist ein toller Trick, um mit spiegellosen Fuji-Kameras den Dynamikumfang praktisch auszureizen, man kann damit aber auch gut tricksen und eine unredliche Agenda verfolgen.

2. Es kommt aufs Rauschen des Lichts an – und somit aufs Motiv. Je nach Motiv kann ein Bild mit ISO 1600 verrauscht aussehen und eins mit ISO 12800 klar und  glatt.

3. Größere Sensoren fangen auf ihrer größeren Fläche mehr Licht ein – ergo weniger Photonenrauschen. Binsenweisheit.

... und man kann unendlich viele Forumsseiten mit ausufernden Schwatztexten füllen, tausende Smileys durch die digitalen Welten schiessen und geifernd nach der Ignorefunktion suchen ...

bearbeitet 15. März 2021 von platti

[UweHB]

vor einer Stunde schrieb mjh:

Es geht allein darum, wie viele Photonen während der Belichtung registriert werden. Die Frequenz des Auftreffens und die Verschlusszeit (oder die Blende, was das betrifft) sind für sich genommen irrelevant. Und die Anzahl der Photonen liegt bei Aufnahmen im hohen ISO-Bereich in einer Größenordnung, in der das Photonenrauschen deutlich sichtbar wird.

Was letztendlich bei einem Pixel ankommt ist eine Intensität, die mit einem gewissen Rauschen (Bose-Einstein-Statistik) behaftet ist. Dadurch das dieses Rauschen in einem sehr hohen Frequenzbereich liegt, erfolgt durch die Begrenzung der Belichtung durch den Verschluss eine Mittelwertbildung. Aus dem gleichen Grund kann unser Auge ebenfalls kein statistisches Rauschen der Photonen registrieren. Die naive Vorstellung von einzelnen diskreten Photonen die auf ein Pixel treffen ist nicht zulässig. Das entspricht mehr dem Modell der Korpuskularstrahlung von Newton, die nachweislich von der Wissenschaft als nicht korrekt abgelehnt wird. Die Quantenoptik ist ein sehr komplexes Feld, das man nicht einfach mit Regentropfen erklären kann, leider.

Das sichtbare Rauschen in der Kamera kommt durch PN Übergänge in Halbleitern zustande und durch thermisches Rauschen. Durch Verbesserungen in der Kameraelektronik und durch die Entwicklung in der Sensortechnologie ist das sichtbare Rauschen auf ein minimum reduziert worden. Nimmt man an, das das Rauschen des Lichtes ein wesentlicher Bestandteil ist, wie immer gerne in einschlägigen Publikationen behauptet wird, hätte es in den vergangenen 20 Jahren wohl nur sehr begrenzte Verbesserungen im Rauschverhalten der Kameras gegeben. Ich erinnere mich in einem Beitrag gelesen zu haben, das das thermische Rauschen in der Kameraelektronik zu vernachlässigen ist. Das ist natürlich völliger Blödsinn, wie jeder Elektronikentwickler bestätigen kann.

Im übrigen ist es zwar witzig darauf hinzuweisen das ich mit  inkohärentem Licht ( thermischen Licht) fotografieren soll, aber das machen Fotografen nun mal so gut wie immer. Die Sonne ist eine thermische Lichtquelle. Und, ja richtig der Ball liegt, wie immer, im Feld der Kameraentwickler.

[MightyBo]

Das verstehe ich schon, wenn aber die Full Well Capacity des IMX 461 Sensors (GFX100(s)) im Schnitt nur 51.000 Elektronen umfasst und dabei die Quanteneffizienz 87% beträgt und der Dynamikumfang 1:14.000 beträgt, dann sind es im minimalen Falle nur 4,18 Photonen die auf ein Pixel treffen. Ich würde schon sagen, dass diese geringe Photonenmenge durchaus nach der Bose Einstein Statistik rauschrelevant ist. Gemeint ist ja das sichtbare Rauschen in den dunklen Bildpartien. Natürlich spielen auch Ausleserauschen und das Rauschen der nachgeschalteten Kreise ebenfalls eine entscheidende Rolle. 

Anbei ein paar Daten zum IMX Sensor.

Peter

[mjh]

vor 12 Minuten schrieb MightyBo:

Natürlich spielen auch Ausleserauschen und das Rauschen der nachgeschalteten Kreise ebenfalls eine entscheidende Rolle. 

Ja, aber eben eine im Laufe der Jahre stetig zurückgehende Rolle. Von Photonenrauschen war früher keine Rede, weil die Rauschquellen vom Sensor (damals durchweg ein CCD, aber CMOS-Sensoren waren wegen ihres Fixed-Pattern-Noise noch schlimmer) bis zum A/D-Wandler den größten Anteil am Rauschen hatten. Bei diesem starken Rauschen waren vier- oder fünfstellige ISO-Werte gar kein Thema, und so kam man ohnehin nicht in den Bereich, in dem das Photonenrauschen kritische Werte erreichte. Heute haben wir viel rauschärmere Sensoren, die hohe ISO-Werte und damit Belichtungen mit sehr wenig Licht erlauben, während sich am Photonenrauschen naturgemäß nichts geändert hat – außer dass es bei den nun möglichen sehr knappen Belichtungen mit sehr hohen ISO-Werten deutlich sichtbar wird.

bearbeitet 15. März 2021 von mjh

[Rico Pfirstinger]

Dem Photonenrauschen begegnet man deshalb mit Computational Photography, quasi HDR für Fortgeschrittene. Gegen den Lichtmangel in dunklen Motivteilen kann man ja naturgemäß meistens nichts machen – aber dagegen, dass die dunklen Bereiche zu kurz belichtet werden, oftmals schon.

Aus diesem Grund sind die linearen DNGs (ProRAWs) aus einem aktuellen iPhone inzwischen so flexibel wie herkömmliche RAW-Dateien aus Kameras mit sehr viel größeren Sensoren. Der Knackpunkt ist hier derzeit vor allem noch die Qualität der Bildverrechnung, aber diese Algorithmen werden immer besser und die dafür benötigte Rechenleistung wird immer verfügbarer.

Die normalen Kamerahersteller müssen also sehen, wie sie diese Technologie in den kommenden Jahren auch in Kameras mit größeren Sensoren bekommen. Deshalb fragt DPR derzeit auch alle Hersteller in Interviews nach ihren diesbezüglichen Plänen. Die dazu passenden großen Sensoren gibt es mittlerweile, siehe Sony A1. Der Knackpunkt ist also wirklich die Software, nicht die Hardware. Das wird spannend in den nächsten Jahren.

[MightyBo]

Der IMX455 Sensor hat im erweiterten Modus gerade mal 1 Elektron Auleserauschen! Der Dunkelstrom, der die Langzeitbelichtungen negativ  beeinträchtigt, beträgt gerade mal pro Pixel  0,002 Elektronen pro Sekunde bei 20°C.

Quelle

Peter

 

 

[Rico Pfirstinger]

vor einer Stunde schrieb kernpanik:

Ein mit der Belichtungszeit zunehmendes Rauschen dürfte damit kein Photonenrauschen sein.

Du meinst vielleicht das Dunkelstromrauschen, das sich mit zunehmender Belichtungszeit aufsummiert?

[UweHB]

vor 21 Minuten schrieb MightyBo:

Das verstehe ich schon, wenn aber die Full Well Capacity des IMX 461 Sensors (GFX100(s)) im Schnitt nur 51.000 Elektronen umfasst und dabei die Quanteneffizienz 87% beträgt und der Dynamikumfang 1:14.000 beträgt, dann sind es im minimalen Falle nur 4,18 Photonen die auf ein Pixel treffen. Ich würde schon sagen, dass diese geringe Photonenmenge durchaus nach der Bose Einstein Statistik rauschrelevant ist. Gemeint ist ja das sichtbare Rauschen in den dunklen Bildpartien. Natürlich spielen auch Ausleserauschen und das Rauschen der nachgeschalteten Kreise ebenfalls eine entscheidende Rolle. 

Anbei ein paar Daten zum IMX Sensor.

Peter

Danke für den Link. Es zeigt ja deutlich, dass durch Steigerung der Empfindlichkeit und gleichzeitiger Optimierung der Elektronik beim Sony Sensor das Signal wesentlich geringer verstärkt werden muss, als noch beim Kodak Sensor. Dadurch auch wesentlich weniger Rauschen. Wie kommst du auf die 4,18 Photonen? 

[UweHB]

vor 24 Minuten schrieb mjh:

Ja, aber eben eine im Laufe der Jahre stetig zurückgehende Rolle. Von Photonenrauschen war früher keine Rede, weil die Rauschquellen vom Sensor (damals durchweg ein CCD, aber CMOS-Sensoren waren wegen ihres Fixed-Pattern-Noise noch schlimmer) bis zum A/D-Wandler den größten Anteil am Rauschen hatten. Bei diesem starken Rauschen waren vier- oder fünfstellige ISO-Werte gar kein Thema, und so kam man ohnehin nicht in den Bereich, in dem das Photonenrauschen kritische Werte erreichte. Heute haben wir viel rauschärmere Sensoren, die hohe ISO-Werte und damit Belichtungen mit sehr wenig Licht erlauben, während sich am Photonenrauschen naturgemäß nichts geändert hat – außer dass es bei den nun möglichen sehr knappen Belichtungen mit sehr hohen ISO-Werten deutlich sichtbar wird.

Ich möchte dich an deinen Artikel in LFI 4/2010, Seite 54 erinnern. Zitat: "Der größte Teil des Bildrauschens entsteht allerdings nicht im Sensor selbst, sondern ist eine Folge der Teilchennatur des Lichts und lässt sich daher nicht mit technischen Mitteln verhindern".

Wenn in einem RAW Bild für die dunklen Stellen Werte zwischen 0 und 3 gemessen werden und dieses Signal verstärke bekomme ich vielleicht Werte, je nach Verstärkung von 4 bis 12. Dabei sind nun Werte von 4, die aus dem Sensorrauschen (1 Elektron Ausleserauschen beim IMX455) entstanden sind. Im Bild sehe ich dann das "Photonenrauschen", was man wohl als "Phantomrauschen" bezeichnen muss. Ich habe das selbst mit Hilfe von RawDigger untersucht. Das Rauschen das ich in dunklen Partien von Bildern sehe ist aufgrund der sogenannten "Leerverstärkung" entstanden, nix Photonenrauschen.

[MightyBo]

vor 26 Minuten schrieb UweHB:

Wie kommst du auf die 4,18 Photonen? 

51.000 Elektronen  (Full well capacity) / 0,87 (Quanteneffizienz) /14.000 (Dynamic range). Das Ergebnis deckt sich "zufällig" mit der anderen Quelle die ich zitiert habe. 

ich habe mir mal die Norm für die Sensoreigenschaften angesehen, die EMVA Standard 1288. Selbst da wird von der Poissonverteilung für thermisches Licht ausgegangen und so auch gerechnet. Ich habe auch viele Quellen gefunden, dass die Poissonverteilung nur für kohärentes Licht, also Laserlicht gilt und eben für thermisches Licht die deutlich flachere Bose Einstein Verteilung gilt. Ich glaube nicht das das prinzipiell ein Problem ist, aber die bequeme Rechnung ist nicht möglich.

Peter

[UweHB]

vor 6 Minuten schrieb MightyBo:

51.000 Elektronen  (Full well capacity) / 0,87 (Quanteneffizienz) /14.000 (Dynamic range). Das Ergebnis deckt sich "zufällig" mit der anderen Quelle die ich zitiert habe. 

ich habe mir mal die Norm für die Sensoreigenschaften angesehen, die EMVA Standard 1288. Selbst da wird von der Poissonverteilung für thermisches Licht ausgegangen und so auch gerechnet. Ich habe auch viele Quellen gefunden, dass die Poissonverteilung nur für kohärentes Licht, also Laserlicht gilt und eben für thermisches Licht die deutlich flachere Bose Einstein Verteilung gilt. Ich glaube nicht das das prinzipiell ein Problem ist, aber die bequeme Rechnung ist nicht möglich.

Peter

So kann man das leider nicht betrachten. Ich rate dir hier mal in H. Paul, Photonen Einführung in die Quantenoptik zu schauen. Auf Seite 71ff wird darauf genauer eingegangen. Es macht hier keinen Sinn das zu diskutieren. Besser ist hier einfach mit dem Strahlungsmodell der klassischen Physik zu arbeiten und nicht Photonen zu zählen.

Leider habe ich schon viele Berichte gelesen, die einfach von anderen Abschreiben und somit falsche Darstellungen übernehmen. Dadurch wird es aber nicht wahr und führt dann zu merkwürdigen Analogien, wie die Regentropfen. Auch Wikipedia ist hier leider nicht korrekt. Ist auch ein schwieriges Thema, denn man muss die Erfahrungen in unser umgebenden Welt über Bord werfen, um in die Quantenphysik einzusteigen. Die Dinge sind dann nicht mehr so, wie sie scheinen, oder man erwartet wie sie zu sein haben.

[kernpanik]

vor 7 Stunden schrieb Rico Pfirstinger:

Du meinst vielleicht das Dunkelstromrauschen, das sich mit zunehmender Belichtungszeit aufsummiert?

„Vielleicht“.  😇

Die Sache mit dem Photonenrauschen scheint mir immer noch ominös: Sämtliche im Netz zu findenden Beispielfotos sind grob gestrickte Simulationen. Offenbar ist – eben aufgrund des „Eigenrauschens“ aktueller Sensoren – niemand in der Lage, ein Foto zu machen, auf dem das Photonenrauschen als solches erkennbar wird.

Somit bleibt die Frage nach dem tatsächlichen Ausmaß des Photonenrauschens leider so lange unbeantwortet, bis jemand den perfekten, komplett rauschfreien Bildsensor erfindet. (Und dass mir jetzt keiner mit dem menschlichen Auge ankommt: Das hat selbst eine ganze Menge Schwächen bei der Abbildung und Signalverarbeitung. Wer schon mal in eine totale Dunkelheit gestarrt hat oder nach einem versehentlichen Blick in die Sonne minutenlang Nachbilder im Sichtfeld hatte, weiß, wovon ich rede.)

[mjh]

vor 1 Stunde schrieb kernpanik:

Die Sache mit dem Photonenrauschen scheint mir immer noch ominös: Sämtliche im Netz zu findenden Beispielfotos sind grob gestrickte Simulationen. Offenbar ist – eben aufgrund des „Eigenrauschens“ aktueller Sensoren – niemand in der Lage, ein Foto zu machen, auf dem das Photonenrauschen als solches erkennbar wird.

Somit bleibt die Frage nach dem tatsächlichen Ausmaß des Photonenrauschens leider so lange unbeantwortet, bis jemand den perfekten, komplett rauschfreien Bildsensor erfindet.

Vom komplett rauschfreien Sensor sind wir nicht mehr weit entfernt. Man kann dem Rauschen zwar nicht ansehen, was es verursacht, aber wenn man weiß, wie gering das im Sensor entstehende Rauschen ist, muss alles andere logischerweise Photonenrauschen sein.

Wie Rico schon andeutete: Wenn das Rauschen bei gleicher insgesamt registrierter Lichtmenge mit der Belichtungszeit zunimmt, ist Dunkelstromrauschen ein heißer Kandidat. Um so mehr, wenn sich auch die Temperatur als Faktor erweist. Es ist bloß so, dass das Dunkelstromrauschen bei modernen Sensoren meist keine wesentliche Rauschquelle mehr ist.

[MadCyborg]

Nur mal kurz für mich zum mitmeißeln: Wenn das kleinste Bit eines Pixels bei ca. 4 Photonen umklappt, dann ist doch eigentlich völlig klar, dass man auch schon mal rein zufällig den Verschluss schon vor dem 3. oder nach 5. Photon zumacht? Was mal eben eine Abweichung von 25 % vom wahren Wert ergibt?

 

Und die Photonen selbst: Mal angenommen ich habe eine ganz kleine Lampe, die auf ein ganz kleines Objekt leuchtet. Das Objekt reflektiert zufällig genau alle Photonen auf einen Pixel. Es entsteht quasi eine Art Perlenkette aus Photonen. Wie verteilen sich die Photonen entlang dieser Kette? Gleichmäßig? Oder in Grüppchen? Oder völlig zufällig?

[mjh]

vor 28 Minuten schrieb MadCyborg:

Nur mal kurz für mich zum mitmeißeln: Wenn das kleinste Bit eines Pixels bei ca. 4 Photonen umklappt, dann ist doch eigentlich völlig klar, dass man auch schon mal rein zufällig den Verschluss schon vor dem 3. oder nach 5. Photon zumacht? Was mal eben eine Abweichung von 25 % vom wahren Wert ergibt?

Wenn die Helligkeit so ist, dass pro Sekunde 400 Photonen auftreffen, wären es bei einer Verschlusszeit von 1/100 s rein rechnerisch vier Photonen. Aufgrund des Photonenrauschens können es aber auch mal drei oder fünf sein. Wenn Du viele Pixel gleichmäßig beleuchtest, wirst Du also manchmal eine 1 und manchmal eine 0 im niedrigstwertigen Bit vorfinden, und aus der relativen Häufigkeit der Nullen und Einsen könntest Du den präzisen Helligkeitswert berechnen. Natürlich nur dann, wenn es eine größere, einheitlich leuchtende (oder das Licht reflektierende) Fläche gibt. Wenn das Photonenrauschen feinste Details überdeckt, klappt das naturgemäß nicht, aber dann kann die KI helfen, die echte Details von Rauschen unterscheiden kann.

[MightyBo]

vor 47 Minuten schrieb MadCyborg:

Wie verteilen sich die Photonen entlang dieser Kette? Gleichmäßig? Oder in Grüppchen? Oder völlig zufällig?

Durchaus in Grüppchen "Bunching Effekt". Dieser Grüppchen Effekt ist ja auch ein Grund für Photonenrauschen, weil eben die Photonen nach Bose-Einstein Statistik eben nicht zeitlich gleichmäßig auf einer Linie daherkommen. Man darf hier nicht mehr nach Newton denken, sondern Quanteneffekte berücksichtigen.

Peter

[MadCyborg]

Na prima, das deckt sich mit meiner Vorstellung.

 

(Mit Messtechnik bin ich vertraut, mit Physik (abseits von Strom) nur bis zum Abitur-Grundkurs 😅)

bearbeitet 16. März 2021 von MadCyborg

[Dein Support für das Forum]

Hat dir das Forum geholfen? So kannst du das Forum unterstützen!

Premium Mitglied werden | Spenden | Bei Amazon* oder eBay* kaufen
Software: Topaz* | DxO Nik Collection* | Skylum Luminar* (–10€ mit Gutschein FXF) | * Affiliate Links