Es wäre falsch zu glauben, dass eine Erhöhung des ISO-Werts überhaupt keine "physischen" Änderungen an der Kamera zur Folge hat. Das Problem mit ISO ist, dass die Leute es oft Empfindlichkeit nennen . Das ist wirklich eine Fehlbezeichnung. Die Empfindlichkeit ist ein festes Attribut eines bestimmten Sensors und kann nicht geändert werden.
Die Empfindlichkeit ist wirklich gleichbedeutend mit der Quanteneffizienz der Fotodioden, wobei der Prozentsatz des Lichts berücksichtigt wird, der durch das IR-Sperrfilter, das Low-Passe-Filter und das Farbfilter-Array herausgefiltert wird. Im Allgemeinen haben die meisten DSLRs heutzutage eine "Lichtempfindlichkeit" von 13 bis 18%. Dies bedeutet, dass nur etwa 13 bis 18% des durch das Objektiv geleiteten Lichts tatsächlich die Fotodiode erreicht und tatsächlich ein Elektron abgibt. Ungefähr 60% des Lichts oder mehr werden durch den Filterstapel und die CFA gefiltert, und die Quanteneffizienz von Photodioden (die Rate der Photonenstöße zur Elektronenfreisetzung) in modernen Sensoren reicht von ~ 45% bis ~ 60%.
ISO ist eigentlich nur eine Anweisung an die Elektronik der Kamera, um zu ändern, wie die im Sensor gespeicherte elektronische Ladung, das analoge Signal, verstärkt wird, um eine ordnungsgemäße Belichtung zu erzielen. In diesem Sinne gibt es eine "physikalische" Änderung dessen, was tatsächlich mit dem Bildsignal in der Elektronik des Sensors geschieht. Beim Auslesen wird eine bestimmte Verstärkung auf das Originalsignal im Sensor angewendet. Durch Erhöhen der ISO wird diese Verstärkung geändert, was zu einer immer stärkeren Verstärkung des Signals führt.
Ihre Frage ist, spielt das Erhöhen der ISO eine Rolle, und wirkt sich das Ändern der ISO auf die RAW aus? Die Antwort lautet JA und JA! Wenn Sie alles mit ISO 100 aufgenommen und die "Verstärkung" in der Post digital geändert haben, sind Ihre Bilder viel rauschintensiver als wenn Sie die am besten geeignete Einstellung in Ihrer Kamera verwenden. Die von der Kamera durchgeführten Mechanismen zur Verstärkung des Bildsignals sind Ihrer grundlegenden digitalen ISO-Anhebung mit einer Art Nachbearbeitungstool wie Lightroom weit überlegen. Das Beispielbild von Matt Grum, auf das Sie im Originalbeitrag verwiesen haben, sollte ein ideales Beispiel dafür sein. Beachten Sie, wie viel stärker das Rauschen im digital verstärkten ISO 100-Bild ist als im ISO 1600-Bild? Es gibt viel blaues Farbrauschen, Streifenmuster tauchen allmählich auf und es kommt zu Detailverlusten. Die Kamera hat eine viel bessere Arbeit geleistet, als ihr gesagt wurde, dass sie ISO 1600 verwenden soll ... es gibt weniger Rauschen, mehr Details, schärfere Details.
Der Grund, warum ISO in der Kamera verstärkt wird, ist, dass es mit dem ursprünglichen, nativen Signal direkt vor dem Sensor funktioniert, bevor eine nachgeschaltete Elektronik die Möglichkeit hat, zusätzliches Rauschen einzuführen. In einem CMOS-Bildsensor (CIS) ist in jedem Pixel eine Rauschunterdrückungsschaltung (CDS, Correlated Double Sampling) eingebaut. Diese misst die Dunkelstromladung im Pixel zum "Rücksetzzeitpunkt" und speichert sie so kann beim Auslesen subtrahiert werden) sowie ein eingebauter Verstärker. Wenn jede Pixelspalte ausgelesen wird, wird die Ladung des Pixels zuerst durch die CDS-Schaltung entgiftet, und diese "saubere" Ladung wird dann direkt verstärkt, bevor sie zu der vom Chip gesendeten Ausleseschaltung gesendet wird. Die Analog-Digital-Umwandlung (ADC) erfolgt bei den meisten Kameras außerhalb des Sensorchips in einem DSP-Chip (es gibt einige Ausnahmen, mehr gleich).
ADCs sind normalerweise mäßig parallel, es können acht, sechzehn oder mehr in einer bestimmten Kamera sein. Trotz der Parallelität muss jeder Hunderttausende, wenn nicht Millionen von Pixeln in einem Bruchteil einer Sekunde verarbeiten. Dies erfordert eine hohe Betriebsfrequenz, die zu zusätzlichen Geräuschen neigt. Dies ist die Hauptquelle für Farb- und Streifenrauschen in den meisten DSLRs, die solche Störungen aufweisen. Das ISO 100-Image, das nach dem Lesen verstärkt wurde, verstärkt auch dieses zusätzliche Rauschen nach dem Lesen, das nach dem Sensor auftritt .
Durch Erhöhen der ISO-Empfindlichkeit in der Kamera wird das Bildsignal direkt verstärkt, und alle weiteren nachgeschalteten Störfaktoren wirken sich nur auf das untere Ende des Signals aus. Dadurch bleibt das Verhältnis von Bild zu elektronischem Rauschsignal erhalten. Es gibt einen zusätzlichen Störfaktor, der nichts mit der Elektronik zu tun hat. Die Zufälligkeit des Lichts selbst führt zu einer Poisson-Verteilung der Photonenstöße. Wenn weniger Gesamtlicht auf den Sensor fällt, ist das Poisson-Rauschen höher. Wenn Sie einen rauschfreien Sensor hätten, der überhaupt kein elektronisches Rauschen verursacht ... dann wäre die Verwendung von ISO 1600 dasselbe wie die Verwendung von ISO 100 und die Erhöhung der Belichtung um vier Nachstopps. Die Menge an Rauschen in den beiden Bildern wäre identisch, und es wäre alles Rauschen, das sich aus der zufälligen physikalischen Natur des Lichts ergibt.
Es gibt heute einen Sensor auf dem Markt, der nahezu geräuschlos ist. Der Sony Exmor- Sensor verwendet ein hochmodernes, spaltenparalleles ON-DIE-Digital-ADC / CDS-Auslesedesign. Im Gegensatz zu den meisten Sensoren, die ein analoges Signal über die gesamte Pipeline vom Sensor zum DSP (bis kurz nach dem ADC) aufrechterhalten, führt Exmor sowohl CDS als auch ADC On-Die und auf digitale Weise durch. Anstatt jedes Pixel mit einer analogen CDS-Schaltung zur Messung des Dunkelstroms pro Pixel führt Exmor einen Reset-Lesevorgang durch, wobei der Reset-Lesevorgang sofort in digital umgewandelt wird und die gesamte Dunkelstromladung des Sensors in einem virtuellen Bild mit negativen Werten speichert. Bei einer Belichtung wird das Bildsignal ausgelesen, in ein digitales umgewandelt und das negative Rücksetzbild auf das positive Belichtungsbild angewendet.
Da es in Exmor einen ADC pro Spalte gibt und nicht einen ADC pro Dutzend Spalten, können sie mit einer niedrigeren Frequenz arbeiten. Zwischen der Verwendung von digitalem CDS, spaltenweisem ADC und niederfrequenten Komponenten führt Exmor fast kein Rauschen ein , führt keine sichtbaren Streifen oder Musterrauschen ein und kann in jeder Hinsicht als "rauschfreier" Sensor angesehen werden.Es ist immer noch etwas Lärm zu hören, und eine ausreichende Erhöhung der Postexposition führt letztendlich dazu, dass dieser Lärm sichtbar wird. Man könnte jedoch ein Foto mit ISO 100 aufnehmen, es um vier Stufen anheben und es ungefähr so gut aussehen lassen wie ein Foto mit ISO 1600. Tatsächlich, im Fall von Exmor ... das ist GENAU der Fall! Alle "Verstärkungen" in Exmor sind von Natur aus digital, obwohl die Sensorelektronik in der Regel besser darin ist, als die Belichtung in der Post manuell um einen kleinen Abstand anzuheben.
Es ist auch wichtig zu wissen, dass die Erhöhung der ISO selbst selbst kein Rauschen verursacht. ISO ist keine Rauschquelle! Unter der Annahme eines rauschfreien Sensors ist bei Belichtung einer statischen Szene mit ISO 100 und Belichtung derselben statischen Szene mit ISO 3200 das Rauschen höher. Warum fragst du? Ursache ist das Poisson-Rauschen, besser bekannt als Photon-Shot-Rauschen oder Rauschen, das durch die zufällige Natur des Lichts verursacht wird. Im korrekt belichteten ISO 100-Bild verwenden Sie entweder eine größere Blende, einen längeren Verschluss oder beides. Nehmen wir zur Diskussion an, wir ändern nur die Verschlusszeit, um den DOF beizubehalten und bei ISO 100 und ISO 3200 genau die gleiche Szene zu erzielen. Der Unterschied in der Verschlusszeit beträgt fünf Blendenstufen. Das ist ein zweiunddreißigfacher Unterschied in der Lichtmenge am Sensor! Je mehr Licht Sie haben, desto weniger Rauschen tritt auf. Das Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) des Bilds zum eigenen natürlichen Rauschen ist bei einem korrekt belichteten ISO-100-Bild höher und bei einem wesentlich niedriger korrekt belichtetes ISO 3200-Bild.
Wenn wir die Nikon D800 (die einen Sony Exmor-Sensor verwendet) verwenden, ein um fünf Stufen unterbelichtetes Bild bei ISO 100 und ein ordnungsgemäß belichtetes Bild bei ISO 3200 aufnehmen und das ISO 100-Bild verstärken, wird es noch etwas rauschiger als das ISO 3200-Image. Es hat effektiv das gleiche SNR im Verhältnis zum Photonenrauschen und wird auch einen sehr kleinen Beitrag zum Leserauschen haben, der zusammen mit dem Rest des Bildes verstärkt wird.
Nun, Sie wollten genau wissen, wie ISO in einer modernen Digitalkamera funktioniert. Dies ist keine vollständige Erklärung, und verschiedene Hersteller behandeln bestimmte hohe ISO-Einstellungen unterschiedlich. Beispielsweise verstärken Canon-Sensoren das Bildsignal direkt vom Sensor nur bis zu einem bestimmten Punkt und verwenden dann einen zusätzlichen nachgeschalteten Verstärker zwischen dem Sensor und dem ADC, um die obersten Stopps zu erzielen (dh in einer Kamera, zu der sie gehen) ISO 6400, ISO 1600 ist die maximale "nativ verstärkte" Einstellung, und ISO 3200 und 6400 beinhalten eine zusätzliche nachgeschaltete, aber immer noch analoge Verstärkung digitaler Boost. Eine Einstellung mit der Bezeichnung HI oder H1, H2 usw. ist also keine echte ISO-Einstellung. Es handelt sich um eine gefälschte ISO-Einstellung.