Canonin ISO:t

[odzmo]

Tässä on tosiaan erotettava kameran ISO eli "herkkyys" kennon herkkyydestä. Kennon herkkyys on aina sama eli ns. natiivi herkkyys. Eli kun kameran "herkkyys" nostetaan 100 -> 200 ja sekä aika- että aukkoarvo pidetään samana, kamera todellisuudessa puolittaa valotusajan ja kertoo kennon mittausarvot kahdella. Seurauksena on dynamiikan puolittuminen eli pieneneminen yhdellä EV:llä.

Ja minä kun olen ollut siinä käsityksessä, että:
1) ISO rakentuu kennon herkkyyden ja kennoa seuraavan analogivahvistimen yhdistelmästä. Kameran ISO-nuppia kun kierretään, niin analogivahvistimen vahvistus muuttuu siten, että kokonaisuus vastaa haluttua ISO-arvoa.

2) Koska analogivahvistin on kallis rakentaa monelle eri vahvistukselle valittavaksi, niin kameroissa osa ISO-arvoista toteutetaan digitaalisesti kertomalla A/D-muuntimen tulos ISO:a vastaavalla vakiolla.

Minkä takia valotusaika puolitetaan esimerkissäsi?

Esimerkki on minun - ehkä ymmärtämättömyydessäni vajavainen - versioni seuraavasta tekstistä:

" What is ISO on a digital camera?

Reading manufacturer literature, review sites, and online discussions, one is led to believe that ISO changes sensitivity, and changes exposure. These ideas are both incorrect.

Myth #1: ISO changes sensitivity. False! Digital cameras have only one sensitivity, given by the quantum efficiency of the sensor, and the transmission of the optics and filters over the sensor. ISO is simply a post-senor gain applied to the signal from the sensor.

Myth #2: ISO changes exposure. False! When you change ISO on a digital camera, two things are changed if the camera is in one of several auto modes. ISO changes only one thing in manual mode. In an auto mode, either exposure time, or f/ratio, or both are changed. F/ratio changes the diameter of the iris diaphragm which controls how much light gets through the lens. Exposure time limits the time light is collected by the sensor. It is the lens aperture and exposure time that determines exposure, not ISO. The second thing that changes with ISO, whether in manual mode or an auto mode is the range of light that is digitized. "

Lainaus on tuolta, missä asia myös paremmin perustellaan:

http://www.clarkvision.com/articles/iso/

[Rockford]

Tuossa kakkoskohdassahan siis puhutaan siitä, että automaattivalotusta käytettäessä kamera vaihtaa valotusaikaa tai aukkoa silloin kun ISO muuttuu. Tämä on tietysti totta, mutta manuaalimoodissa kamera valottaa sen ajan mukaan minkä käyttäjä valitsee.

Toinen mitä en tuossa nyt oikein ymmärrä on kun sanotaan että ISO ei vaikuta kuvan valotukseen. Tottakai se vaikuttaa valotukseen jos valotuksella tarkoitetaan RAW-kuvan tallentamaa dataa. Eli jos kennon analogista signaalia vahvistetaan ennen AD-muunnosta enemmän silloin kun on käytössä suuri ISO-arvo niin kyllä se RAW-kuvan valotus mun mielestä on silloin eri vaikka aika ja aukko pysyis samana. Itse sensorin kannalta toki valotus on sama kuin matalammallakin ISO-arvolla koska sinnehän ei tule korkealla ISO-arvolla sen suurempaa määrää fotoneita ja sitäkautta kertyvää sähkövarausta.

[Jovala]

Kameran suurinta ISO-arvoahan on helppo kasvattaa: sen kun nostaa joko analogivahvistimen suurinta vahvistusta tai kertoo digipuolella suuremmalla vakiolla. Helposti päästään neljään miljoonaan.

Aiheen tiimoilta hajattelua:

Jos kohteen dynamiikka on sama kuin mitä A/D-muunnoksesta saadaan ulos dynamiikkaa, niin dynamiikkakin säilyy. Jos vahvistys tehdään digipuolella, ja kuvapisteen bittileveys pidetään samana, niin dynamiikkaa menetetään.
Aiemman viestin esimerkin mukaiseti, kun signaali kerrotaan digitaalisesti kahdella, tarvitaan bittileveyteen yksi lisäbitti, jotta dynamiikka säilyisi. Esimerkiksi jos A/D-muunnin antaa 11 bittiä, niin kahdella kerrottuna tarvitaan 12 bittiä informaation säilyttämiseksi. RAW-kuvat säilötään yleensä 15- tai 16-bitin levyisinä per kennon kuvapiste, joten muutama bitti on tilaa.

Toinen asia on sitten se, että kameroiden A/D-muunnoksen bittileveys ei kerro välttämättä sitä, missä muunnin saturoituu (on siis "tapissa").
Esimerkiksi mun vanha Canon saturoituu arvossa 5248 (nyhtäsin taskusta noin arvion, en viitsi tarkistaa), jota suurempia arvoja kennosta ei saa ainakaan ISO-asetuksella 100 (en tiedä mikä saturoitumisrajan määrää), vaikka valottaa kuinka pitkään täydellä aukolla kirkasta valkosta seinää. Sehän on arvona bittileveyksien 12- (4096) ja 13-bitin (8192) välissä.

Jos hommaan otetaan mukaan kohinat, niin voidaan puhua dynamiikasta, jossa on huomioitu kohinan vaikutus: Kuinka monta bittiä irtoaa kuvapisteestä eri intensiteettejä. Se on aina pienempi tai yhtä suuri kuin A/D-muuntimen saturoitumisraja (yo. Canonissa 5249).

Parhaan resoluution määrää taas kuvakennon herkkyys. Herkimmät kykenevät erottamaan yhden fotonin - niitä voidaankin käyttää fotonilaskureina. Dynamiikka-alueen resoluution toinen ääripää onkin tässä: yksi bitti vastaa yhtä fotonia.

[Rockford]

RAW-kuvat säilötään yleensä 15- tai 16-bitin levyisinä per kennon kuvapiste, joten muutama bitti on tilaa.

OT, mutta Nikonin RAW on ymmärtääkseni (toistaiseksi) aina 12- tai 14-bittistä.

[odzmo]

Kameran suurinta ISO-arvoahan on helppo kasvattaa: sen kun nostaa joko analogivahvistimen suurinta vahvistusta tai kertoo digipuolella suuremmalla vakiolla. Helposti päästään neljään miljoonaan.

Aiheen tiimoilta hajattelua:

Jos kohteen dynamiikka on sama kuin mitä A/D-muunnoksesta saadaan ulos dynamiikkaa, niin dynamiikkakin säilyy. Jos vahvistys tehdään digipuolella, ja kuvapisteen bittileveys pidetään samana, niin dynamiikkaa menetetään.
Aiemman viestin esimerkin mukaiseti, kun signaali kerrotaan digitaalisesti kahdella, tarvitaan bittileveyteen yksi lisäbitti, jotta dynamiikka säilyisi. Esimerkiksi jos A/D-muunnin antaa 11 bittiä, niin kahdella kerrottuna tarvitaan 12 bittiä informaation säilyttämiseksi. RAW-kuvat säilötään yleensä 15- tai 16-bitin levyisinä per kennon kuvapiste, joten muutama bitti on tilaa.

Toinen asia on sitten se, että kameroiden A/D-muunnoksen bittileveys ei kerro välttämättä sitä, missä muunnin saturoituu (on siis "tapissa").
Esimerkiksi mun vanha Canon saturoituu arvossa 5248 (nyhtäsin taskusta noin arvion, en viitsi tarkistaa), jota suurempia arvoja kennosta ei saa ainakaan ISO-asetuksella 100 (en tiedä mikä saturoitumisrajan määrää), vaikka valottaa kuinka pitkään täydellä aukolla kirkasta valkosta seinää. Sehän on arvona bittileveyksien 12- (4096) ja 13-bitin (8192) välissä.

Jos hommaan otetaan mukaan kohinat, niin voidaan puhua dynamiikasta, jossa on huomioitu kohinan vaikutus: Kuinka monta bittiä irtoaa kuvapisteestä eri intensiteettejä. Se on aina pienempi tai yhtä suuri kuin A/D-muuntimen saturoitumisraja (yo. Canonissa 5249).

Parhaan resoluution määrää taas kuvakennon herkkyys. Herkimmät kykenevät erottamaan yhden fotonin - niitä voidaankin käyttää fotonilaskureina. Dynamiikka-alueen resoluution toinen ääripää onkin tässä: yksi bitti vastaa yhtä fotonia.

Vieläkin olen ns. pihalla asiasta, joten pari lisäkysymystä.

Kohinatko selittävät sen, että digikameroiden kennojen dynamiikka, signaali-kohinasuhde ja väriherkkyys(?) putoavat kuin lehmän häntä ISO-arvoa suurennettaessa (dynamiikka 1 Ev kun ISO tuplataan)? Esimerkkinä D800:

http://www.dxomark.com/Reviews/Nikon-D8 ... erformance

Vai miten noita linkin käppyröitä on tulkittava?

[BacWooZ]

Yritän vääntää rautalangasta:

Pikseli koostuu valonkeräimestä, jossa valo muodostaa jännitteen johon kameran herkkyysasetus ei vaikuta. Seuraavaksi tätä jännitettä vahvistetaan analogisesti kameraan asetetun herkkyyden mukaisesti. Vasta tämän jälkeen tehdään A/D-muunnos.

Kohinaa syntyy jokaisessa vaiheessa, eli kohina kertautuu "käsittelyketjussa". Suuremmilla ISO arvoilla jo lähtöarvossa, eli siinä "valonkeräimen" jännitteessä on enemmän kohinaa. Analoginen vahvistus vahvistaa kohinaa yhtä paljon kuin itse "puhdasta" signaalia.

[odzmo]

Yritän vääntää rautalangasta:

Pikseli koostuu valonkeräimestä, jossa valo muodostaa jännitteen johon kameran herkkyysasetus ei vaikuta.
- - -
Suuremmilla ISO arvoilla jo lähtöarvossa, eli siinä "valonkeräimen" jännitteessä on enemmän kohinaa.

Eikös tässä ole jotain väärin?
Mistä valonkeräin tietää kohisevansa sitä enemmän mitä suurempi ISO-arvon asetus on?

[BacWooZ]

Arvasin, että vaikea on rautalangasta vääntää oikoen teorian mutkat suoriksi :)

Jos leikitään että yhden pikselin asteikko on 0-10 Volttia. Tilanteessa jossa ISOa joudutaan nostamaan, kennolle tulee vähemmän valoa, eli valonkeräimien koko asteikko ei ole enää käytössä. Jos ISO 100:lla kirkkaimmat kohdat kuvassa on esim 8 V, niin linssiä pari aukkoa himmentämällä ja nostamalla herkkyys 400:n huippuvalojen jännite onkin enää 2 V.

Edit: Kun tarkastellaan yksittäistä pikseliä aika-akselilla, valonkeräimen jännite sahaa kaiken aikaa. Mitä pienempi jännite on - sitä suurempi tämä sahausliike on suhteessa oikeaan signaaliin.

[Pros]

Kohinaa syntyy jokaisessa vaiheessa, eli kohina kertautuu "käsittelyketjussa". Suuremmilla ISO arvoilla jo lähtöarvossa, eli siinä "valonkeräimen" jännitteessä on enemmän kohinaa. Analoginen vahvistus vahvistaa kohinaa yhtä paljon kuin itse "puhdasta" signaalia.

Eikös tämä ole päinvastoin? Sen sijaan kohinaa on suhteessa signaaliin enemmän (mikä on se merkittävä asia).

[BacWooZ]

Kohinaa syntyy jokaisessa vaiheessa, eli kohina kertautuu "käsittelyketjussa". Suuremmilla ISO arvoilla jo lähtöarvossa, eli siinä "valonkeräimen" jännitteessä on enemmän kohinaa. Analoginen vahvistus vahvistaa kohinaa yhtä paljon kuin itse "puhdasta" signaalia.

Eikös tämä ole päinvastoin? Sen sijaan kohinaa on suhteessa signaaliin enemmän (mikä on se merkittävä asia).

Nyt taisi mennä puurot ja vellit sekaisin. Ehkä minä tulin väärinymmärretyksi:

"Suuremmilla ISO arvoilla jo lähtöarvossa, eli siinä "valonkeräimen" jännitteessä on enemmän kohinaa"

Tämä kohta tarkoittaa, että kohina lisääntyy herkkyyttä nostaessa - ei sitä, että kohinaa on enemmän kuin signaalia.

Se että kohinaa olisi enemmän kuin signaalia on jo toivoton tapaus.

[Jovala]

Edellä toinen puhuu kohinan ja signaalin absoluuttisesta määrästä ja toinen suhteellisesta:)

Jos määkin yritän jonkinlaista selostusta sorvata:

Kennon kuvapisteeseen mahtuu jokin maksimimäärä fotoneita, jonka jälkeen sen varaus ei enää kasva. Jos tuosta varauksesta käytetään vain murto-osa, niin kenno kohisee suhteellisesti enemmän.

1) Miksi sitten käytetään vain murto-osa kennon varauskyvystä: kun ISO-arvoa nostetaan, se tapahtuu sen takia, ettei kennolle saada riittävää fotonivirtaa, kun valoa ei ole tarpeeksi, jolloin kennon kuvapiste ei täyty valotusaikana fotoneista kirkkaimmallakaan kohdalla. Kuvapisteen signaalia tarvii siis vahvistaa enemmän ennen A/D-muunnosta, jotta muuntimen koko dynamiikka-alue tulisi käytettyä hyväksi.

2) Miksi kohina on suurempaa kun käytetään vain murto-osaa kennon kuvapisteen varauskyvystä: Kenon kohina on suhteessa suurempi kun käytetään kennon varauskyvyn murto-osaa muodostamaan koko A/D-muuntimen dynamiikka-alue (tarkemmin ottaen biaksesta saturoitumispisteeseen). Kuvapisteen kohina ei muutu, vaikka varauskyvystä käytetään vain osaa.

Eo. on lennosta sävelletty, enkä ole ollenkaan varma, että huomioin kaikki asian laidat:)

[Jovala]

Vieläkin olen ns. pihalla asiasta, joten pari lisäkysymystä.
Kohinatko selittävät sen, että digikameroiden kennojen dynamiikka, signaali-kohinasuhde ja väriherkkyys(?) putoavat kuin lehmän häntä ISO-arvoa suurennettaessa (dynamiikka 1 Ev kun ISO tuplataan)? Esimerkkinä D800:
http://www.dxomark.com/Reviews/Nikon-D8 ... erformance
Vai miten noita linkin käppyröitä on tulkittava?

Kannattaa lukea noi dxomark:n selostukset mittaustavoista ja tulosten käsittelystä. Mä en ole lukenut, enkä osaa siten myöskään sanoa mitään heidän käppyröidensä tulkinnasta.

[odzmo]

Edellä toinen puhuu kohinan ja signaalin absoluuttisesta määrästä ja toinen suhteellisesta:)

Jos määkin yritän jonkinlaista selostusta sorvata:

Kennon kuvapisteeseen mahtuu jokin maksimimäärä fotoneita, jonka jälkeen sen varaus ei enää kasva. Jos tuosta varauksesta käytetään vain murto-osa, niin kenno kohisee suhteellisesti enemmän.
- - -

No joo, nyt taitaa alkaa "valottua"...

Sorvasin päivällä ennen näitä viimeisimpiä vastauksia pari lisäkysymystä, joten laitan ne vielä tähän. Jos sen jälkeen saisi jätettyä teidät rauhaan...

Lainaus siis sivulta
http://www.clarkvision.com/articles/iso/

- - -
"But you may say when I change ISO in my camera, I record different amounts of light (in an auto mode).

Let's say you are working in aperture priority mode where you choose the aperture and the camera meters the scene and choose the exposure.

Let's say you are at f/5.6 and 1/500 second at ISO 100.

You change ISO to 200 and the camera changes the shutter speed to 1/1000 second.

Thus, the sensor now records half the light.

So the ISO change instructed the camera to shorten the exposure time,
thus recording less light,
and then instructed the camera electronics to amplify the signal from the sensor and
digitize a smaller range (see ISO 100 and 200 in Figure 1).
That amplification fools photographers that the pixel is full again (the 0 to 255 scale).

So what the camera says is max signal (255 on the 8-bit scale) is actually changing with ISO.

If sensitivity changed with ISO, the number of photons recorded would change and all the pixels
in Figure 1 would be like the ISO 100 pixel: the pixel would be full."
- - -

Siis tuo maksimisignaalin pienentyminen ISO-arvoa nostettaessa pudottaa dynamiikkaa, kun käytetään aukkoprioriteettia (A). Eikös maksimisignaalin puolittaminen ISO-arvoa tuplattaessa vastaa periaatteessa kennon arvon jakamista kahdella?


Vielä yritän kuvitella, mitä tapahtuu, kun kuvataan manuaalilla artikkelin 5D mk2 -kameralla:

Otan kuvan (a) samoilla lähtöasetuksilla kuin edellä (aukko 5.6, aika 1/500, ISO 100).
Muutan ISO-arvoksi 200 (muut samoja) ja otan toisen kuvan (b) samasta kohteesta samalla valaistuksella.
Nyt kuvassa b joka pikselin arvo on tupla verrattuna kuvaan a (oletetaan, ettei kummassakaan kuvassa missään pikselissä ns. päätä lyöty kattoon eli ei puhki palamista) eli dynamiikka on tuplaantunut (+ 1Ev) eli elektroniikan kohina ei "syö" hyötyä dynamiikkakäppyrän mukaisesti?

Toinen tapaus: otan kuvan (c) arvoilla aukko 5.6, aika 1 s ja ISO 3200.
Muutan ISO-arvoksi 6400 ja otan toisen kuvan (d). Oletetaan edelleen, ettei kuvissa tapahtunut puhki palamista.
Saanko taas kuvaan d tupladynamiikan vai olenko joutunut dynamiikkakäppyrän "uhriksi" eli dynamiikka onkin puolittunut?

[odzmo]

Kannattaa lukea noi dxomark:n selostukset mittaustavoista ja tulosten käsittelystä. Mä en ole lukenut, enkä osaa siten myöskään sanoa mitään heidän käppyröidensä tulkinnasta.

No joo, netistä löytyy näemmä kritiikkiä puolesta ja vastaan. Tässä yksi esimerkki mittaustulosten tulkinnasta:

http://photo.stackexchange.com/question ... -represent

[BacWooZ]

Siis tuo maksimisignaalin pienentyminen ISO-arvoa nostettaessa pudottaa dynamiikkaa, kun käytetään aukkoprioriteettia (A). Eikös maksimisignaalin puolittaminen ISO-arvoa tuplattaessa vastaa periaatteessa kennon arvon jakamista kahdella?

Tarkemmin sanottuna vain "valonkeräimiin" kerääntyvien fotonien osalta. Eli keräävät vain puolet valoa kun ISO tuplataan.

Vielä yritän kuvitella, mitä tapahtuu, kun kuvataan manuaalilla artikkelin 5D mk2 -kameralla:

Otan kuvan (a) samoilla lähtöasetuksilla kuin edellä (aukko 5.6, aika 1/500, ISO 100).
Muutan ISO-arvoksi 200 (muut samoja) ja otan toisen kuvan (b) samasta kohteesta samalla valaistuksella.
Nyt kuvassa b joka pikselin arvo on tupla verrattuna kuvaan a (oletetaan, ettei kummassakaan kuvassa missään pikselissä ns. päätä lyöty kattoon eli ei puhki palamista) eli dynamiikka on tuplaantunut (+ 1Ev) eli elektroniikan kohina ei "syö" hyötyä dynamiikkakäppyrän mukaisesti?

Kuvassa a ja b valonkeräimet keräävät saman määrän fotoneja, eli ISOn nosto vain vahvistaa valonkeräimien signaalia (sekä kohinaa) tuplaksi. Lopputuloksena teoriatasolla aika identtinen kuva (valoisuudet jälkikäsittelyssä tasaamalla). Käytännössä kuitenkin kuvissa on jonkin verran eroa, koska vahvistaminen lisää omaa kohinaansa sitä enemmän mitä enemmän vahvistetaan. Ja koska signaali menee A/D muuntimelle erilaisena sekin lisää kuvaan omat mausteensa.

Toinen tapaus: otan kuvan (c) arvoilla aukko 5.6, aika 1 s ja ISO 3200.
Muutan ISO-arvoksi 6400 ja otan toisen kuvan (d). Oletetaan edelleen, ettei kuvissa tapahtunut puhki palamista.
Saanko taas kuvaan d tupladynamiikan vai olenko joutunut dynamiikkakäppyrän "uhriksi" eli dynamiikka onkin puolittunut?

Esimerkki ei eroa mitenkään ensimmäisestä.

[olli R]

Olin viime viikon reissussa ja en osallistunut tähän keskusteluun. Jos jota kuta vielä kiinnostaa, niin olen jo aiemmin kirjoitellut tällaisen, jossa yritetään avata hiukan lisää tuota herkkyyden säätöä:

http://www.digifaq.info/digi_omat/rants/herkkyys.html


Kommentoisin vielä sellaisen asian, että kohinaa ei synny pelkästään kameran elektroniikassa, vaan itse valosignaali jo sisältää kohinaa. Siis kohteesta tuleva valo ei toistakaan kohteen valoisuutta täydellisesti.

Valosignaalin kohina on sikäli mielenkiintoinen, että se on verrrannollista signaalin voimakkuuteen. Mitä enemmän valoa, sitä enemmän myös kohinaa. Mutta verrannollisuus on suhteessa signaalin neliöjuureen, joten mitä voimakkaampi signaali, sitä parempi signaali/kohina -suhde. Täten jo pelkästään kuvattavan tilanteen valoisuus vaikuttaa kuvan kohinaisuuteen. Hämärässä tilanteessa otetussa kuvassa on lähtökohtaisesti kohinaa enemmän.

Kameran luoma kohina taas on melko lailla vakiosuuruista. Tällöin alivalotus ja herkkyyden nosto tuo juuri tätä kameran kohinaa enemmän esille. Periaatteessa siis kannattaisi valottaa enemmän, jos tavoitteena on kohinattomampi kuva (aika ilmeisesti).

[bugi]

2) Koska analogivahvistin on kallis rakentaa monelle eri vahvistukselle valittavaksi, niin kameroissa osa ISO-arvoista toteutetaan digitaalisesti kertomalla A/D-muuntimen tulos ISO:a vastaavalla vakiolla.

Jo keskikastin digijärkkäreiden hintaluokassa VGA (variable gain amplifier) on halpa osa, ja niissä voi hyvinkin olla esim. satakunta eri vahvistustasoa, suoraan yhden pienen satiaisen sisällä. Samoin moni integroitu VGA on vähempikohinainen kuin tehdä sama erillisistä (mutta halvemmista) osista. (Eri asia sitten onko sellaista käytetty, on se silti kalliimpi kuin vakiovahvistin.) Sen verran kun olen joidenkin kameroiden mitattuja itse-kohinoiden käppyröitä nähnyt, niin vaikutti kovasti siltä, että ihan riittävästi on analogista vahvistusta valittavaksi, mutta jotkin väliportaat voi olla jossain tilanteissa hyvä jättää käyttämättä jos se viimeisinkin bitin murto-osa dynamiikkaa tarvitaan.

Kameran luoma kohina taas on melko lailla vakiosuuruista. Tällöin alivalotus ja herkkyyden nosto tuo juuri tätä kameran kohinaa enemmän esille. Periaatteessa siis kannattaisi valottaa enemmän, jos tavoitteena on kohinattomampi kuva (aika ilmeisesti).

Kameran itse lisäämä kohina on kyllä hiukan monimutkaisempi juttu kuin melko lailla vakio... mutta tästä on jo tainnut olla tässä ketjussa juttua. (Lyhyesti muistista heittäen, ainakin analogisen vahvistuksen kohina riippuu vahvistuksen määrästä, tosin pienillä herkkyyksillä se on usein mitätön. Toinen on AD-muunnoksen kvantisointikohina, eli joskus saattaisi olla parempi vahvistaa enempi analogisesti kuin digitaalisesti jälkikäsittelyssä.)

Mutta noiden optimointi taitaa olla enempi astro-puolen ongelmia, tavallinen kuvaaja pystyy yleensä luottamaan tuohon "kannattaa valottaa enemmän" sääntöön.

[olli R]

Kameran itse lisäämä kohina on kyllä hiukan monimutkaisempi juttu kuin melko lailla vakio...

On toki siinäkin muuttuvia osia, mutta lähinnä tarkoitin sitä, ettei kameran luoma kohina muutu valosignaalin myötä toisin kuin valon oma kvanttikohina.

Ja analogiavahvistin toki vahvistaa itse luomaansakin kohinaa.