Dynamikumfang und Pixelgröße

[slashCAM]

Teure Cinema-Kameras werben mit unglaublichen Dynamikangaben. Doch eigentlich müsste die Dynamik doch physikalisch fest mit der Sensor-Pixelgröße zusammenhängen, oder etwa nicht? <i>(Sponsored by SAE)</i>


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Grundlagen: Dynamikumfang und Pixelgröße

[Skeptiker]

Interesssanter Beitrag - danke!
Bin schon gespannt, wie sich das RED-Mysterium auflöst.

Ein kleines Detail (Haarspalter-Modus ON):

"... Bei einer Sensel-Fläche von 8 µm liegen die Schätzungen zwischen ..."

tut etwas weh:

Eine Fläche, aber die Mikrometer nicht im Quadrat.
So, als schriebe man: "Die Fläche der qudratischen Küche beträgt 4m" statt '4m auf 4m'.

Genug Haare gepalten - graue Normalität wieder wieder ON.

[ennui]

Deshalb würde mich ja mal ein Vergleich C300 - C300 Mk2 interessieren (HD - 4K). Da sollte es dann doch Unterschiede geben?

[enilnacs]

Und deswegen habe ich schon immer gemeint dass 4K nichts auf S35 zu suchen hat, sondern auf 65mm, und dies zeigt die Alexa65 sonnenklar, speziell beim Rauschverhalten.
Die 14+ Blenden, SIND 14+ Blenden und kein Mist!
Deswegen hat die Alexa Studio auch "nur" 2,8K. Arri ist nicht blöd.

Das kann ich von zB der RED mit den "15+" nicht behaupten, es erreicht zwar die 15 (so so), aber es rauscht nachher im Post wie Sau wenn man Schatten komprimiert. Und das gilt für alle 4K 35 Cams!

Wie gesagt, 4K OHNE Rauschen MIT allen Blenden = 65mm. Pure Physik.
Gut geschrieben !

[Jott]

Wie wird bei den Überlegungen berücksichtigt, dass viele Sensoren schon sehr lange optische Mikroelemente auf jedem Sensel sitzen haben, die das einfallende Licht bündeln und lenken? In diesem Bereich dürften auch die Geheimnisse der Hersteller sitzen, die scheinbar aus den Grenzen der Physik ausbrechen.

[WoWu]

In diesem Licht scheint RED mit seiner Dragon-Angabe von 16,5 Blendenstufen bei 5 µm Senselbreite die physikalischen Gesetze außer Kraft zu setzen.

RED erzählt viel, wenn der Tag lang ist. Sie haben auf gesagt, 4K seien 4K und erreichen damit in der Wirklichkeit eben 2K.

Was der Artikel nicht ausreichend beleuchtet, ist das, was in den Kameras überwiegend betrieben wird: Binning, denn dadurch setzt man das SNR von mehreren kleinen Pixels deutlich über den Wert, eines Pixels, der die identische Größe hätte, setzt aber das FullWell auf den additiven Wert.
Man muss sich also genau anschauen, wie Sensoren mit kleinen Pixels ausgelesen werden und wenn 4K nur 2K mit rundgerechneten Ecken sein müssen ( siehe RED und vermutlich viele Andere), sehen die Vorgaben schon ganz anders aus und die Physik ist auch kein Zauberwerk mehr.
Und dann stimmt auch die Physik des Objektivs wieder.

Was in dem Artikel auch einwenig kurz gekommen, bzw. zu einseitig behandelt wurde ist der Umstand, dass selbst bei identischem SNR Wert der unterschiedlich großen Pixels, der kleine Pixel aufgrund der Übertragungslage ebenso um 1-2 Blenden im Nachteil ist.
Es ist also nicht nur allein der SNR Wert.

[Jott]

Binning bei RED und den meisten aktuelleren Kameras? Glaube ich nicht, war oder ist bei manchen DSLR so, aber außerhalb des Fotoapparatebereichs wird inzwischen voll ausgelesen und dann ggf. skaliert. Wenn nicht - Quelle?

[Jahdou]

Als stolzer Besitzer höre ich gerne das meine A7SII grössere Pixel hat, als eine Arri Alexa. Nicht schlecht für ein 3300 Euro Kamera!

[WoWu]

Binning bei RED und den meisten aktuelleren Kameras? Glaube ich nicht, war oder ist bei manchen DSLR so, aber außerhalb des Fotoapparatebereichs wird inzwischen voll ausgelesen und dann ggf. skaliert. Wenn nicht - Quelle?

Du musst mal lernen, genau zu lesen.

[enilnacs]

Binning bei RED und den meisten aktuelleren Kameras? Glaube ich nicht, war oder ist bei manchen DSLR so, aber außerhalb des Fotoapparatebereichs wird inzwischen voll ausgelesen und dann ggf. skaliert. Wenn nicht - Quelle?

Du musst mal lernen, genau zu lesen.

Du, nein, da hat er wirklich Recht, es gibt bei RED kein Binning, sogar das Rescaling auf 4K wird im ASIC gemacht, ebenso alle "guten" RAW Cams von Alexa bis Sony. Das würde auch niemand kaufen, speziell weil man in Post keinen echten 1:1 RAW Mapping hätte, und den braucht man. RED komprimiert zwar die Datei, aber das war es auch, die Pixel sind aber alle da (ein wenig lossy).
Mehr Dynamik ist nicht = Binning, da wird was anderes gemacht, und zwar auch wenn die Pixel 1:1 ausgelesen werden, werden die 15 Blenden mit dem Preis des ISO bezahlt. Sprich man kann die Dynamilk erreichen wenn man bereit ist den Sensel schneller zu "beschneiden" (gate time). Es verrauscht halt dann mehr... ajha, und die Schatten sind.. ich sag lieber nix. :-D
Deswegen ist dann das Debayering dann zwar 5K, aber nicht wirklich... Man bekommt die 15 fstops, für das debayering dann auf 3-4K. Das Meiste kommt eh auf 2K dann raus. Quasi, das "Pixelbinning" als Subsampling ist im Rechner. ;-) Aber immer noch besser so, statt in der Kamera. Das wäre für die Sau.

[andieymi]

So gut ich solche Grundlagenartikel prinzipiell finde, Dynamik rein auf die Senselgröße zu reduzieren ist möglicherweise nur die eine Seite der Medaille.

Der ziemlich unbestreitbare Vorsprung des ALEVIII resultiert nach Angaben von Arri auch aus der Dual Gain Architecture. Details dazu findet man leider (wie bei vielen Sensordesigns) nur spärlich, Arri selbst beschreibt es aber ganz gut: Zweifacher Readout, einmal mit wenig, einmal mit viel Gain - die 14Bit-Signale, die an den A/D Wandlern ankommen werden dann zu einem 16-Bit Bild verrechnet.

Blackmagic verwendet laut eigenen Angaben eine ähnliche Technik - was nicht bedeutet, dass andere es nicht ähnlich handhaben, Infos darüber sind wie gesagt aber recht spärlich zu finden.

[WoWu]

@ enilnacs
Deswegen hatte ich auch zu JOTT gesagt, er solle mal richtig lesen, denn ich habe nirgends geschrieben, dass RED binnt.
Die RED Antwort bezog sich, auf das angeführte Zitat, in dem RED mal wieder die Grenzen der Physik auszuhebeln vorgibt.

Was das Binnng betrifft, machen das natürlich nicht alle Kameras, nur die Verwendung, wie Canon es angeht, ist eine ebensolche Art des Binnings, außerdem müssen Binns nicht immer Pixels sein, die beieinander liegen, es kommt lediglich darauf an, welche Cluster man bildet. Binning ist also nicht immer so offensichtlich.
Binningcluster können auch diagonal oder über eine größere Anzahl von Pixels gebildet werden und die ganze Auslesumg des Sensors als Zeichen dafür zu nehmen, dass nicht gebannt wird, ist ein Zeichen dafür, das man gar nicht richtig weiß, was im Binning eigentlich geschieht.

... wieso sollte man bei Binning kein 1:1 RAW Mapping haben ?
Das Binning wird bei modernen Sensoren bereits auf dem Sensor gemacht und ob ich nun aus 4 oder mehr Fotozellen einen Wert bekomme, oder nur aus einer Zelle, das wird außen bei RAW gar nicht dargestellt.
Binning bedeutet so nämlich auch niedrigere Taktrate oder ersatzweise höhere Bildfrequenz.
Der Vorteil von Binning liegt ja nicht nur im höheren Störabstand und der damit verbundenen besseren Dynamik.
Das war vor 20 Jahren mal so, dass erst im Prozessweg gebinnte wurde.


@andieymi

Doch, über die mehr-chain Auslesumg gibt es ganz detaillierte Unterlagen. Die Vorteile liegen aber eigentlich nur darin, dass die unteren Werte bei Schwarz besser genutzt werden können, weil man rauschfreiere Verstärkungskennlinien benutzt und erst im oberen Bereich eine andere Kennlinien.
Das Bildsignal entsteht dann aus der Differenz der beiden Verstärkungskennlinien.
Solche Comperatorschaltungen haben dafür aber andere Nachteile.

An der realen Dynamik, die sich zwischen durkcurrent und FullWell ergibt, ändert das nichts.
ARRI gibt aber auch häufig keine Blenden mehr an, sonderExposure Latitude, wobei dann schon mal 2-3 Werte mehr anfallen, weil man Rauschen bewertet mitzählen kann.
Nur es ist eben so, dass selbst bei einem Sensor, der dasselbe SNR wie ein anderen Sensor hat, aber kleinere Pixels, mit einem niedrigeren FullWell, schon 1-2 Blenden verloren gehen.

Und hier ging es ja gerade um die kleinen Pixels.
Dass man hinterher auf dem Verstärkerweg noch dazu beitragen kann, dass der gesamte Rauscheindruck besser wird, steht außer Frage, das wirks sich dann aber eher im Verstärkungsverlauf aus und weniger im effektiven Störabstand, denn d wird nur im unteren Bereich, sensorbedingt bewertet, obwohl natürlich Rauschen auch im Verstärkerweg anfällt und ebenso im hellen Breich wirkt, was aber im Bezug auf SNR, in Bezug auf Dynamik, nicht gewichtet wird.

[enilnacs]

@ enilnacs
... wieso sollte man bei Binning kein 1:1 RAW Mapping haben ?
Das Binning wird bei modernen Sensoren bereits auf dem Sensor gemacht und ob ich nun aus 4 oder mehr Fotozellen einen Wert bekomme, oder nur aus einer Zelle, das wird außen bei RAW gar nicht dargestellt.

Natürlich heisst (wenn wir die teuren Sensoren beiseite lassen) nicht dass RAW automatisch kein Binning heisst. Aber das wäre RAW Pfusch und das kann man sehr einfach testen, eben durch das 1:1 RAW Pixelmapping, einfach durch ein simples Linienchart. Das meinte ich, das können sich DSLRs leisten, aber keine teuren Cinecams wo wir dann mit RAW > 444 EXR die letzten Haare filtern müssen in Post.
Dass ich deine Aussage nicht so wahrgenommen habe... sorry.

[srone]

es gibt jede menge bezahlbare mittelformat-objektive auf ebay, warum nicht und ich glaube die zeit ist reif, selbige an passenden sensoren nutzen? :-)

lg

srone

[Roland Schulz]

Binning bei RED und den meisten aktuelleren Kameras? Glaube ich nicht, war oder ist bei manchen DSLR so, aber außerhalb des Fotoapparatebereichs wird inzwischen voll ausgelesen und dann ggf. skaliert. Wenn nicht - Quelle?

Nix da, auch Deine (...und meine) PXW-X70 liest z.B. in Full-HD nicht voll aus! Das Ding ist in FHD weich wie warme Butter (ich übertreibe), dabei aber "schnell"!
UHD runterskaliert wird richtig detailliert, auch ohne Nachschärfung. Der Rolling Shutter steigt dagegen enorm an, da der Sensor nicht in der gleichen Zeit, sondern nur mit der gleichen Pixelfrequenz ausgelesen werden kann.

[Roland Schulz]

Alles Theorie hier, aber nur zum Teil in der Praxis relevant. Liest sich fast so als wäre die Pixelgröße alleine für den Dynamikumfang verantwortlich - totaler Quatsch!! Da spielen ne Menge weiterer Faktoren rein.
Das der Dynamikumfang unmittelbar mit dem S/N Ratio der Sensoreinheit (nicht der einer nachgeschalteten Rauschunterdrückung) zu tun hat sollte klar sein. Ich will nur mal ein paar dort relevanter Faktoren aufführen:

Microlinsen, die einfallendes Licht bündeln (Jott) und eine größere Pixelgröße suggerieren, BSI oder FSI Sensor, "Qualität" der Analogverstärkung auf dem Array, A/D-Wandler direkt auf dem Sensor oder extern (z.B. Sony vs. Canon, extern ist das Signal viel anfälliger gegen Störungen->Rauschen, trotz Abschirmung von Leitungen), Qualität der Spannungsversorgung, Abschirmung des Sensorarrays, Dichte der Farbfilter (wobei das eher linear ist und auf die Empfindlichkeit wirkt), Eindringtiefe des Lichts in das Silizium (vgl. Foveon/Sigma X3) usw.. Nicht zu vergessen sind Dual-Pixel Designs, die es z.B. mal bei Fuji im Fotobereich gab (SR Sensor mit großem und kleinem Pixel, alternativ über Filtermatrix).

Von Contax (Philips CCD) gab es im Fotobereich mal eine N Digital mit vollem Kleinbildsensor und nur 6MP Auflösung - die allerdings bereits bei ISO200 schon rauschte wie die Pest. Vielleicht ist die Canon EOS 1Ds noch etwas geläufiger, ebenfalls mit Kleinbildsensor und "nur" 11MP, da war bei ISO800 (nicht 8000) auch bereits die Grenze des Sinnvollen überschritten.
Nein, die Pixelgröße allein macht´s LANGE nicht!!!

[WoWu]

Das, was Du da beschreibst trägt sicher alles zu einer besseren Bildqualität bei, aber lange nicht alles zu einer höheren Dynamik.
Nimm nur mal die Microlinsen. Sie gleichen lediglich die größere Fläche an Zwischenstegen aus, die bei kleineren Pixeldesigns notwendig sind und den Pixelpitch im Verhältnis zu großen Pixels unverhältnismäßig vergrößern würden. Es ist also lediglich die Kompensation eines weiteren Nachteils aber noch kein Vorteil.
Die verwendeten Verstärker sind ebensowenig ein Vorteil, weil sie erst hinter dem Eigenrauschen des Sensors wirken und, egal wie gut sie auch sind, das Rauschen des Sensor immer mit verstärken.
Bessere Verstärker wären also nur dann ein Vorteil, wenn sie ursprünglich schlechter als das Eigenrauschen des Sensors wären.
Damit sind sie, wie auch sämtliche ändern Elemente, Teil des Prozessweges.
Dynamik definiert sich aber zwischen Sensorrauschen und FullWell und, wie ich oben schon beschrieben habe, gehen Rauschelemente des Verstärkerzuges gar nicht in diese Definition ein, denn dann müsste man sämtliche hohen ISO Werte, die noch unterhalb von FullWell liegen, von der Dynamik wieder abziehen. Ist aber nicht so, obwohl Rauschen deutlich sichtbar wird.

Ansonsten treffen viele Deiner Beispiele zwar auf die Unterschiede verschiedener Sensoren und Kameras -und deren Entwicklung zu, aber nicht den Vergleich großer Pixel zu kleiner Pixel - und darum ging es hier - nicht aber darum, ob unterschiedliche Sensortechnologien und Prozessweges zu untereinanderschiedlichen Bildeindrücken führen.
Das ist ganz sicher so.
Was man schon eher dazu zählen müsste, ist der geringere Kontrast bei hohen Ortsfrequenzen, durch die oft nicht ausreichende MTF der Objektive verursacht, die bei kleinen Pixels erforderlich ist ... wobei sich das nur am Rande auf die Dynamik als vielmehr auf die Auflösung auswirkt.
(Du beklagst es ja selbst).

Kleine Pixels haben also nicht nur Auswirkung auf Dynamik sondern auch auf die spatiale Bildauflösung. -ein weiterer, zusätzlicher Nachteil-
Das wäre aber dann eine andere Betrachtung.
Hier geht es nur um Dynamik.