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


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Hier kann man kostenlos ganz gut dargestellt die Photonenstatistik für thermisches Licht und Laserlicht nachlesen und auch nachrechnen. Ab Seite 29.

Ich verstehe das so, dass für thermisches Licht die statistische zeitliche Verteilung der Photonen deutlich breiter ist als für Laserlicht (Abbildung 1.17). Das Bunching ist auch noch mal dargestellt. Für mich eine deutlicher Hinweis auf natürliches Photonenrauschen bei geringer Photonenanzahl (aber das ist ja auch das Thema).

Noch mal eine Anmerkung zum Sensorauschen. Ich habe ja weiter oben die Specs des IMX 455 Sensors gezeigt. Die Rauschanteile sind ja quasi perfekt. Ein Elektron Ausleserauschen ist quantenmechansich schon äußerst schwierig  und 0,002 Elektronen Dunkelstrom pro Sekunde Belichtungszeit ist so gut wie nichts. Da muss man schon 500 Sekunden oder über 8 Minuten belichten, um ein Elektron pro Pixel zusammenzukratzen. Dann bleibt noch das zusätzliche Rauschen der AD Wandlung und Verstärkung und plötzlich erscheinende und verschwindende Elektronen durch Quanteneffekte. Ich würde meinen, dass die Sensoren selbst nahezu perfekt sind. 

Peter

bearbeitet von MightyBo
RS
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Am 16.3.2021 um 18:38 schrieb MightyBo:

Hier kann man kostenlos ganz gut dargestellt die Photonenstatistik für thermisches Licht und Laserlicht nachlesen und auch nachrechnen. Ab Seite 29.

Ich verstehe das so, dass für thermisches Licht die statistische zeitliche Verteilung der Photonen deutlich breiter ist als für Laserlicht (Abbildung 1.17). Das Bunching ist auch noch mal dargestellt. Für mich eine deutlicher Hinweis auf natürliches Photonenrauschen bei geringer Photonenanzahl (aber das ist ja auch das Thema).

Noch mal eine Anmerkung zum Sensorauschen. Ich habe ja weiter oben die Specs des IMX 455 Sensors gezeigt. Die Rauschanteile sind ja quasi perfekt. Ein Elektron Ausleserauschen ist quantenmechansich schon äußerst schwierig  und 0,002 Elektronen Dunkelstrom pro Sekunde Belichtungszeit ist so gut wie nichts. Da muss man schon 500 Sekunden oder über 8 Minuten belichten, um ein Elektron pro Pixel zusammenzukratzen. Dann bleibt noch das zusätzliche Rauschen der AD Wandlung und Verstärkung und plötzlich erscheinende und verschwindende Elektronen durch Quanteneffekte. Ich würde meinen, dass die Sensoren selbst nahezu perfekt sind. 

Peter

Interessant, nur passt das hier leider nicht, um das angeblich sichtbare Photonenrauschen zu erklären. Tatsächlich liefert aber das Dokument genau die Aussage, die ich schon weiter oben gemacht habe.

Zitat auf Seite 38: "Da die Kohärenzzeit von typischen thermischem Licht bei 1015  109 s liegt und damit unterhalb der Zeitauflösung von herkömmlichen Photodetektoren, ist es praktikabel, eine wie in Abschn. 1.2.3 vorgestellte quasithermische Lichtquelle zu verwenden."

1015  109 s, das ist mit CMOS basierten Detektoren, wie die Sensoren in den derzeitigen Kameras, nicht auflösbar (sichtbar)! Dazu benutzt man in dem Versuch einen sog. Photomultiplier (Zählrate: 106 Photonen/s) und eine angepasste Lichtquelle. Damit erübrigt sich jeder weitere Versuch das angeblich sichtbare Photonenrauschen in den Bildern zu erklären.

Es gibt bis heute diverse Versuche, von renommierten Wissenschaftlern auf diesem Gebiet, den quantenbasierenden Photoelektrischen Effekt zu erklären. Derzeit kann wohl nur soviel gesagt werden, das bei der Anregung eines Atoms im Sensor eine Entnahme eines Energiequants aus einem Lichtfeld statt findet. Sich das Lichtquant, oder Photon als ein räumlich ausgedehntes Teilchen vorzustellen, das wie auf einer Schur aufgereiht auf das Pixel zufliegt ist nicht korrekt und somit auch alle Erklärungsversuche die sich dieser Analogie bedienen.

Auch wenn der Sensor wie du schreibst quasi Perfekt ist, rauscht aber die übrige Elektronik. Durch Verstärkung, also alles was ISO-mäßig über die Basisempfindlichkeit liegt, führt zu zusätzlichen Rauschen, in der Regel thermisches Rauschen. Auch der AD Konverter rauscht. Das lässt sich leicht nachweisen: wenn ich nicht den ISO Wert herauf setze, sondern nach der AD Wandlung im Bildbearbeitungsprogramm die Belichtung anhebe, sehe ich im Bild weniger Rauschen. Hier im Fujiforum wird das dann als ISO-Invarianz verkauft. Wenn ich dann noch vorher Schwankungen in den beiden unteren Bits auf Null setze gibt es trotz Multiplikation (da digitale Verstärkung) im Bildbearbeitungsprogramm kein sichtbares Rauschen in den dunklen Bildbereichen. Dabei büßt man dann 4-5 EV ein, aber das ist nicht unbedingt sichtbar, da Monitore und Drucker i.d.R. eh nicht mehr als 8 Bit auflösen können. Zudem kann ich ja auch noch das Bild mit Hilfe der Gradationskurve anpassen.

 

Ich betrachte die Diskussion über das angeblich sichtbare Photonenrauschen in Bildern von Digitalkameras als abgeschlossen. 

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vor 2 Stunden schrieb UweHB:

1015  109 s, das ist mit CMOS basierten Detektoren, wie die Sensoren in den derzeitigen Kameras, nicht auflösbar (sichtbar)! Dazu benutzt man in dem Versuch einen sog. Photomultiplier (Zählrate: 106 Photonen/s) und eine angepasste Lichtquelle. Damit erübrigt sich jeder weitere Versuch das angeblich sichtbare Photonenrauschen in den Bildern zu erklären.

 

Das ist ja nur die Koherenzzeit, die naturgemäß beim thermischen Licht sehr kurz ist. Wir wollen ja das Licht nicht interferieren lassen, dazu wäre ja eine  ausreichend lange Koherenzzeit eine Voraussetzung.  Gerade der Bunching Effekt und die sehr breite Zufallsverteilung für thermisches Licht zeigt doch gegenüber dem kohärenten Laserlicht eine deutlich stärkere "Zufälligigkeit", so dass die kurze Koherenzzeit eher ein Grund für Photonenrauschen ist,

Ich lese gerade deine Buchempfehlung dazu. Die empfohlenen Seiten ab S.65 waren noch nicht so zielführend, jetzt habe ich mal von vorne angefangen.

Peter

 

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Also mir gefiel ja das mit dem Blatt Papier im Regen. 

Die letzten Beiträge (ich maße mir jetzt nicht an die zu beurteilen) geben mir eher das Gefühl in der Schule zu viel an anderes gedacht zu haben (was zutreffen mag). 
Gebt bitte Bescheid wenn ihr eine Erklärung habt, die man auch über „die Maus“ vermitteln kann 🤔😉

bearbeitet von AS-X
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vor 4 Minuten schrieb AS-X:

Also mir gefiel ja das mit dem Blatt Papier im Regen. 

Die letzten Beiträge (ich maße mir jetzt nicht an die zu beurteilen) geben mir eher das Gefühl in der Schule zu viel an anderes gedacht zu haben (was zutreffen mag). 
Gebt bitte Bescheid wenn eine Erklärung habt, die man auch über „die Maus“ vermitteln kann 🤔😉

Ist ja auch schwer. Ich habe eine Frage formuliert und die an Prof. Dr Josef. Gaßner übermittelt. Mal sehen ob er sich dieser widmet. Wenn ja, dann wird das was, schließlich erklärt er  genauso gut.

Peter

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vor 1 Stunde schrieb MightyBo:

Das ist ja nur die Koherenzzeit, die naturgemäß beim thermischen Licht sehr kurz ist. Wir wollen ja das Licht nicht interferieren lassen, dazu wäre ja eine  ausreichend lange Koherenzzeit eine Voraussetzung.  Gerade der Bunching Effekt und die sehr breite Zufallsverteilung für thermisches Licht zeigt doch gegenüber dem kohärenten Laserlicht eine deutlich stärkere "Zufälligigkeit", so dass die kurze Koherenzzeit eher ein Grund für Photonenrauschen ist,

Ich lese gerade deine Buchempfehlung dazu. Die empfohlenen Seiten ab S.65 waren noch nicht so zielführend, jetzt habe ich mal von vorne angefangen.

Peter

 

Die statistischen Schwankungen liegen im Bereich der Kohärenzzeit von Nanosekunden, was dann als Rauschen sichtbar wäre. Was die Kamera sieht ist ein Mittelwert, sozusagen eine Integration in der Größenordnung der Verschlusszeit (Tiefpass 1. Ordnung).

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Die bisherigen Darstellungen zum Photonenrauschen haben mir keine Ruhe gelassen. Ich habe auch versucht, das Rauschverhalten meiner Kameras zu untersuchen (Photon-Transfer-Technique) und dabei, wie in der Literatur üblich, eine Poissonverteilung für die Statistik der vom Sensor eingesammelten Photonen unterstellt.  Deshalb hier meine Meinung zu dem Thema.:

Die Photonen aus einer thermischen Lichtquelle gehorchen einer Bose-Einstein-Verteilung. Allerdings stammen die von einem Kamerasensor aufgesammelten Photonen aufgrund der vielfältigen Wege zum Sensor durch Reflexionen und Streuungen in der fotografischen Praxis aus unterschiedlichen Lichtströmen, die wegen der gegenüber der Kohärenzzeit großen Laufzeitunterschiede und der vergleichsweise langen Belichtungszeit als voneinander statistisch unabhängig angesehen werden können. Die Photonen aus der Überlagerung solcher Bose-Einstein-verteilter Lichtströme weisen eine sog. Negativ-Binominalverteilung auf. Diese wiederum nähert sich mit zunehmender Anzahl der Überlagerungen immer stärker einer Poisson-Verteilung an ( siehe auch: Bahaa E. A. Saleh, Malvin Carl Teich; Fundamentals of Photonics; Copyright © 1991 John Wiley & Sons, Inc.), so dass die allgemein übliche Annahme einer Poissonverteilung in der praktischen Fotografie eine gute Näherung für die Statistik der vom Sensor „eingesammelten“ Photonen darstellt.

Weiterhin sind auch die von den Photonen ausgelösten Vorgänge im Innern des Sensors (Löcher/Elektronen-Transport, -Rekombination usw.) ebenfalls quantenmechanischer Natur und mit entsprechenden Unsicherheiten behaftet, die sich in gleicher Weise der Photonenstatistik überlagern und ebenfalls zum Rauschen beitragen. Ich würde daher auch nicht von Photonenrauschen sondern eher von photoneninduziertem Rauschen sprechen. Letztlich ist es für die Praxis nur wichtig, die verschiedenen Rauschquellen zu identifizieren und ihren Einfluss im Aufnahmeprozess zu kennen und zu berücksichtigen, also zu wissen, welche Anteile vom Licht stammen und per ISO-Wahl mehr oder weniger verstärkt werden, welche vom Sensor unabhängig vom Lichteinfall generiert werden und ebenfalls per ISO beeinflusst werden können, welche Anteile die Kameraelektronik beim Auslesen produziert und in etwa zu verstehen, wie die Kamerasoftware damit umgeht.

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  • 1 month later...

Vielleicht nicht ganz passend zum Thema hier, aber ganz witzig fand ich bei meiner NIKON Z5, dass bei der RAW Dateien im LR/ACR je nach ISO, die Rauschreduzierungsregler (Luminanz und Farbe) verschiedene Werte zeigen, obwohl ich alles in Kamera selbst auf "AUS" gestellt habe. Ich habe so etwas nie gehabt, muss etwas neues bei NIKON + ACR/LR sein. Ganz schlecht ist, dass die (Standard) Werte versionsabhängig sind. Z.B. im ACR v-13.0.2 ist Rauschreduzierung auf 6, und in v.13.2. auf 26 Steht. Genauso unterschiedlich ist es bei (Farb)Rauschreduzierung. Also diese Werte variieren je nach ISO. Soweit dürften die meiner Meinung nach nicht reingreifen. Mit welchen Rezepten jeweilige Kamerahersteller ihre JPGs kameraintern backen ist schon ein Geheimnis, aber RAWs sollten schon auf gewisser Niveau ungetoucht bleiben. In meinem Fall ist es noch nicht so schlimm, da ich eine optimale Vorgabe für Z5 erstellt und als RAW Standard in meinem Konverter bereits eingebettet habe, so dass es ohne weitere Klicks direkt korrekt geöffnet wird.

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bearbeitet von zoom
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  • 1 month later...

RAW-Konverterhersteller können und sollen für jede unterstützte Kameras jeweils eigene Profile erstellen, gerade das macht nämlich die vollumfängliche Unterstützung einer neuen Kamera aus. Diese Profile können nicht nur die Farben, Helligkeiten und Kontraste betreffen, sondern auch Anpassungen für das Schärfen und die Rauschunterdrückung beinhalten, oder auch optische Anpassungen wie digitale Objektivkorrekturen.

Wenn man in Lightroom die Schärfe stets auf 25 stellt, dann bekommt man mit Kamera A häufig eine andere Schärfe angezeigt als mit Kamera B – sogar dann, wenn beide Kameras den gleichen Sensor haben. Das liegt daran, dass die Regler für Dinge wie Luminanzrauschen, Farbrauschen und Schärfung bei Adobe einen Gewichtungsfaktor haben, den der Profilersteller für die jeweilige Kamera intern hinter den Kulissen einträgt. In Iridient X-Transformer kann man diesen Faktor übrigens selbst auswählen oder mit "Default" die Gewichtung des Profilerstellers für die jeweilige Kamera verwenden.

Darüber hinaus gibt es seitens Adobe die Möglichkeit, die Import-Standardeinstellungen abhängig vom Kameramodell herstellerseitig anzupassen. Gerade bei besonders populären Kameras und Smartphones (iPhone) wird davon gern Gebrauch gemacht. Wenn ich etwas RAWs oder ProRAWs vom iPhone importiere, bekomme ich bei vielen Reglern andere Standardwerte als beim Import eines Fuji-RAWs.

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