Posted by on 23. Januar 2019

Revelio!

Zauberspruch aus J.K. Rowling’s „Harry Potter“

Alle, die sich an diesen Artikel machen, möchte ich zuvor warnen, dass dieser auf einer Skala von 1 bis 10 einen Nerd-Faktor von ca. 9 aufweist. Des weiteren können die, die der Meinung sind, dass JPG’s den Raw-Dateien überlegen sind, hier aufhören zu lesen, um auf Ken Rockwell’s Seite zurückzukehren und sich seine dicken Kinder anzugucken. Den Link dazu gebe ich hier nicht, aber die besagte Zielgruppe hat ihn sicher unter „Favoriten“ abgespeichert (es ist nicht alles BS, was KR von sich gibt, aber bei seinem Talent für alternative Fakten könnte er auch amerikanischer Präsident werden. Den Job hat ihm allerdings schon ein Meister dieses Fachs weggeschnappt. Was mich daran erinnert, dass der bildkompositorische Begriff „negativer Raum“ seit Trump’s erstem Schädel-CT Einzug in die Neurochirurgie gehalten hat).

Vor kurzem beschäftigte ich mich mit der Leica D-Lux 7. Auslöser war der Review der Panasonic Lumix DC-LX100 II, auf der die D-Lux 7 basiert. Der ISO-Invarianz-Test zeigte, dass der Sensor der Kamera sich etwa ab ISO 400 invariant verhält. Ich konnte feststellen, dass sich diese Annahme auf die D-Lux 7 übertragen lässt. Dabei sagte ich irgendwo in einer Klammer: „Die Leica Q und die M sind nicht ISO-Invariant“. Offenbar nagte diese Bemerkung in meinem Unterbewusstsein. Dass die Q nicht im definierten Sinn Invariant ist, wusste ich sicher. Aber wer hätte je gesagt, dass das für die M10 genauso gilt, nur weil die M240 auch nicht invariant ist? Ich machte mich auf die Suche nach Hinweisen. Aber zuvor noch ein Exkurs zum Thema: Was ist Invarianz? Ich stiess 2015 durch Rishi Sanyal’s exzellenten Artikel bei DPreview das erste Mal auf den Begriff. Zu der Zeit gab es schon länger Sony- (oder Fuji-)Sensoren mit dieser Eigenschaft, aber es war das erste Mal, dass darüber geredet wurde, wie man sich das in der „praktischen Fotografie“ zunutze machen kann.

Rockband. Es ist nicht schlimm, wenn die Scheinwerfer ausbrennen, aber die Gesichter der Musiker, auf die die Spots gerichtet sind,  sind „verloren“, wenn man einfach Mittenbetont (oder Mehrfeld) misst und mit Zeitautomatik loslegt.  Die Kamera will viel zu großzügig belichten. Praktischer ist, den Belichtungsspielraum der Kamera zu nutzen. Hier ist sogar noch ISO 200 möglich, das ist die ISO-Einstellung mit der größten Dynamik (wird bei der M10 mit ca. 13,2 EV angegeben).

Exkurs: Was ist Invarianz?

Um das zu verstehen, gebe ich hier ein simplifiziertes Modell wieder. Wer sich in die Materie stärker einlesen will, dem empfehle ich Dr. Schuhmachers ausführlichen Artikel dazu.

Basiswissen zum Verständnis: Wie entsteht die Raw-Datei, woher kommt das Bildrauschen und was wird wo verstärkt?

Invarianz

Hier eine schematische Darstellung, wo Bildrauschen entsteht (selbst zusammengestellt und nicht „geklaut“). Der „Read Noise“ ist die Summe aus Photonenrauschen (Shot Noise), Up- und Downstream Noise. Gleichzeitig kann man sehen, an welcher Stelle die Signalverstärkung bei höherer ISO-Einstellung an der Kamera stattfindet. Allerdings hört die Verstärkung des analogen Signals (bei „klassischen“ Sensoren) häufig deutlich unter dem maximalen ISO-Wert auf. Das Signal wird dann nach dem ADC weiter verstärkt. Dann wird der im ADC entstehende „Downstream Noise“ immer evidenter. Bei invarianten Sensoren ist der Level des Downstream Noise so gering, das dessen Verstärkung nur eine geringe Rolle spielt.

1. Licht fällt auf den Sensor. Die Photonen werden durch div. Filter vor dem Sensor geschwächt. Sie werden am Pixel-Ort („Pixel-Well“) gesammelt und in Elektronen umgewandelt (es spielt ausserdem die Quanteneffizienz eine Rolle, auf die ich nicht näher eingehe). Hier wird der Begriff der „Full Well Capacity“ (FWC) wichtig. Das ist ein Maß dafür, wieviele Elektronen sich in einem Pixel sammeln können. In der Regel wird die Analogie zu einem Eimer Wasser benutzt. Ist der Eimer voll, entspricht das der dynamischen Breite des Sensors. Läuft er über, ist das Pixel ausgebrannt. Oder in Zahlen: Nehmen wir an, ein fiktiver Pixelort kann 1000 Elektronen fassen, und von 1 bis 1000 Elektronen unterscheiden. Dann ist seine dynamische Breite 1000:1 oder (ungefähr) 2 hoch 10, also 10 EV (das heisst übrigens nicht, dass sich das 1:1 in die dynamische Breite der Raw-Datei übersetzt). Noch etwas nebenbei: Die FWC ist also eine der eigentlichen Bezugsgrössen für die Qualität eines Sensors, die Fläche (FF, APS-C, M4/3, 1″ etc.) spielt dafür keine Rolle. Ein weiterführender Artikel von Michael Hußmann hier.

Exkurs „DCG“: Eine große FWC ist erstrebenswert und erfordert große Pixel, in der Regel müssen für eine gute Auflösung also auch die Sensoren gross sein. Wenn man aber knapper belichtet (bei höherer ISO), sind die grossen „Pixel Wells“ auch weniger gefüllt, die Spannung beim auslesen sinkt. Dadurch wird der Anteil an Shot Noise (Photonenrauschen) größer, die grossen Pixel sind dann kontraproduktiv. Es wird bei manchen Kameras auf eine kleinere Kapazität umgeschaltet, eine Eigenschaft, die man als „Dual Conversion Gain“ (DCG) bezeichnet. Die künstlich verkleinerten Pixel Wells haben wieder eine höhere Auslesespannung  und das Ausleserauschen verringert sich. Bei der M10 wird das nicht angewendet, bei der Q vielleicht. Etwas mehr zu DCG weiter unten.

2. Der Anzahl Elektronen im Pixel entspricht eine elektrischen Spannung, die ein analoger Wert ist. Das ausgelesene Signal wird dann verstärkt (im Analogue Amplifier). Ein Teil des Rauschens entsteht bei diesem Prozess (Upstream Noise). Bei einem Sensor im klassischen Sinn wird dieser analoge Wert bei an der Kamera eingestelltem höheren ISO-Werten immer mehr verstärkt, damit leider auch der Upstream Noise (ebenso wie der Shot Noise, das Photonenrauschen, siehe hier den Artikel von Richard Butler). Nebenbei: Man beachte die Ironie. Die sogenannte „digitale Fotografie“ beruht auf analogen Daten!

3.Das analoge Signal wird von einem Analog-Digital-Wandler (ADC) digitalisiert, die Spannung in einen numerischen Wert übersetzt und in die Raw-Datei geschrieben. Durch Imperfektionen dieses Vorgangs entsteht „Downstream Noise“. Der Downstream Noise ist immer gleich gross. Wie gross, das ist Sensor-abhängig, und hier liegt der Unterschied bei invarianten Sensoren.

Kurz: Bei einem „klassischen“ Sensor wird bei steigender ISO das analoge Signal verstärkt (upstream), bei einem „invarianten“ Sensor das digitale Signal (downstream).

Bei einem „ideal“ invarianten Sensor wäre der Downstream Noise gleich Null. Das ist er nie, aber immerhin so gering, dass er keine Rolle spielt. Hat eine Kamera einen solchen Sensor, wird bei höher eingestelltem ISO-Wert nicht mehr das analoge Signal verstärkt (und damit auch nicht das darin enthaltene Rauschen), sondern das erfolgt erst nach der Digitalisierung. Der „Read Noise“ (das sind alle Rauschquellen zusammen) wird zwar allmählich angehoben, aber der Rauschlevel ist insgesamt so niedrig, dass das nur mässig und (ohne DCG) eher linear ansteigt (siehe auch Diagramm weiter unten „Read Noise in DN’s versus ISO-Setting“).

Dreht man am ISO-Rad, geschieht das also in der Kamera nach dem ADC. Aber man kann auch einen niedrigen ISO-Wert belassen, die gleichen Belichtungsparameter (Blende, Zeit) wie bei einem hohen ISO-Wert einstellen und die Raw-Datei im Raw-Konverter (z.B. Lightroom, ARC) „hochziehen“. Mehr zum Unterschied von Up- und Downstream Noise bei klassischen und invarianten Kameras hier von Richard Butler/Rishi Sanyal.

Versucht man im Gegensatz dazu, eine unterbelichtete Raw-Datei niedriger ISO bei einer Nicht-Invarianten Kamera hochzuziehen, wird der höhere Pegel beim Downstream Noise immer evidenter, insbesondere wenn das Rauschen durch bestimmte Eigenschaften des ADC irgendwelche Muster beinhaltet („Banding“, z.B. bei der Leica Q oder M240).

Praktischer Nutzen

Worin liegt ein Vorteil der Invarianz? Speziell bei Low-Light Fotografie (aber auch bei Szenen mit hoher Dynamik, z.B. bei Gegenlicht) hat man damit die Möglichkeit, mit einem niedrigen ISO-Wert unterzubelichten, damit die Highlights zu schonen und das entstehende Raw-Bild später im Raw-Konverter anzupassen (tonemapping). Dies widerspricht keinesweg der alten Regel „ETTR“ (expose to the right), de facto wird ja auf die Highlights belichtet. Inwiefern man allerdings ETTR heutzutage noch durchziehen muss, relativiert sich bei den modernen Sensoren zwar, gilt aber im Prinzip immer noch. Eine direkte Anwendung der Invarianz „in camera“ ist zum Beispiel die Fuji „DR“-Einstellung (die vermutlich in Form der „i.Dynamik“ von Panasonic existiert). Auch zu der Thematik gibt es einen Artikel von Richard Butler: „You probably don’t know what ISO means„.

Invarianz

Waghalsig in Paris: Leica M10, 28mm Summicron bei f/2.0 1/500s ISO 200 +2,5 EV. Bei diesem Bild musste nicht nur das starke Gegenlicht berücksichtigt werden (die Farben des Sonnenuntergangs sollten nicht ausbrennen), sondern es war auch eine kurze Belichtungszeit erforderlich.

Das obige Bild, wie aufgenommen. In Lightroom wurde es nicht nur um 2,5 EV angehoben, sondern auch die Tiefen um 85% „geholt“. In den Tiefen kommt man vermutlich auf insgesamt ca. 4-5 EV mehr.

Zurück zur M10

Und weil sowohl letztgenannter Richard Butler oder Rishi Sanyal bei DPreview sich am meisten mit der Eigenschaft der Invarianz von Kameras beschäftigen, führte meine Suche zu Hinweisen in Bezug auf die M10 erstmal dorthin. Es gibt einen „first impressions review“ von Barney Britton (der die M10 2017 für sich zur „Camera of the Year“ erklärte, was mich mit Dpreview auf gewisse Weise versöhnte). In dem Review wird erwähnt, dass die Kamera bei z.B. starkem Gegenlicht voll auf die Highlights belichtet und die dunklen Bereiche ohne Strafe in Form von Rauschen später angehoben werden können. Der Autor sagt, „wie bei meiner Nikon D 750“, die vollkommen invariant ist. Leider kam es nie zu einem „Full Review“, in dem die Kameras standardmässig auf Invarianz getestet werden. Ich nahm mir also vor, das mit den mir zur Verfügung stehenden Mitteln selbst zu machen, schliesslich ist das keine Raketentechnologie.

Der Basiswert von ISO 200 bei der M10

Im letzten Jahr gab es bereits eine interessante Entwicklung (oder eher „Enthüllung“) in Bezug auf den Sensor der M10. Der „echte“ ISO Basis-Wert liegt bei 200, ISO 100 ist ein „Pull-Wert“. Warum ist das von Bedeutung? Die dynamische Breite der Raw-Datei nimmt mit steigender ISO ab, aber ist auch bei Pull-Werten geringer. Ein dynamisch komplexes Motiv wird also im konkreten Fall bei ISO 200 (sagen wir mal Blende f/5.6, 1/500s) mehr Informationen in der Raw-Datei enthalten als die ISO 100 Raw-Datei bei äquivalenter Belichtung (f/5.6, 1/250s). Darum wurde im damaligen Firmware-Update die niedrigste Auto-ISO fortan bei 200 festgelegt. Jonathan Slack hat darüber einen Artikel verfasst.

Im Slider zwei Bildschirmfotos aus Lightroom, eine ISO 100-Datei und eine ISO 200-Datei, die äquivalent (über-) belichtet wurden. Die Überbelichtungsmarkierung (rot) zeigt die ausgebrannten Bereiche. Bei der 200 ISO-Datei ist das eine kleinere Fläche

Beide Bilder in Lightroom (nur Tonwerte) eingestellt. Schon ohne Vergrösserung erkennbar: Das ISO 200-Bild zeigt wesentlich bessere Dynamik und Highlight-Recovery.

Detailvergleich bei 100%: Bei der 100 ISO-Datei links fehlt einiges, das nicht wiederherstellbar ist. Die ISO 200-Datei rechts zeigt wesentlich geringere Verluste

Übrigens nebenbei mal wieder soviel zur Verlässlichkeit und Aussagekraft von DxO-Mark-Sensordaten. Wie man in der Kurve sieht, nimmt die dynamische Breite von ISO 100 an kontinuierlich ab. In der „realen“ Welt aber müsste ISO 100 niedriger sein, ISO 200 höher und dann langsam abnehmen. Das heisst nicht, dass DxO grundsätzlich falsch liegt, aber die standardisierten Verfahren funktionieren vielleicht nicht immer bei der technischen Vielfalt der Sensortechnik.

Quelle: DxO-Mark, Leica M10 Measurements Die hier dargestellte Kurve stimmt nicht mit der realen Welt überein. DR müsste bei ISO 200 höher sein als bei ISO 100.

Forth-Bridge bei Edinburgh. Die Scheinwerfer an der Brücke waren so stark, dass das Brückengerüst in deren Nähe bei zu langer Belichtungszeit immer ausbrannte. Erst bei Belichtungskorrektur von -3 EV liess sich das vermeiden.

Invarianz-Test

Bei jedem verfügbaren (vollem) ISO-Wert der Kamera wird die gleiche Belichtung (Zeit, Blende) durchgeführt. Das heisst, Shot- und Upstream Noise bei jeder Aufnahme ist konstant, die einzige Veränderung findet beim Downstream Noise statt. Ist die Kamera (der Sensor) invariant, können die niedrigen ISO-Werte im Raw-Konverter um mehrere EV angehoben werden (z.B. ISO 200 +5EV entspricht ISO 6400), ohne dass der Rauschpegel dabei deutlich steigt. Bei den meisten invarianten Kameras erstreckt sich das kontinuierlich über den gesamten ISO-Bereich (von „Pull-Werten“ abgesehen).

Es gibt nicht nur DxO. Auf der Seite „Photons to Photos“ von Bill Klaff gibt es eine Vielzahl interaktiver Diagramme mit Sensorwerten aller gängigen Kameramodelle. Hier der Rauschlevel des analogen Signals in Abhängigkeit von der (an der Kamera eingestellten) ISO-Zahl, dies entspricht dem „Upstream Noise“ (in dem allerdings auch der „Photon Noise“ enthalten ist).  Durch die Messmethode wird der „Downstream Noise“ ausgeschlossen. Zum besseren Vergleich die M10 und die Sony A7, da bei der Sony A7 Mark II und Mark III die Kurve durch „DCG“ (siehe weiter unten) völlig anders aussieht.

Der gesamte Rauschlevel in Abhängigkeit von der eingestellten ISO. Die linear aufstrebenden Werte weisen auf ein Rauschverhalten hin, dass vom Upstream-Noise dominiert wird, ein Hinweis auf Invarianz des Sensors (kein Beweis!)

Aber man kann sich an solchen Diagrammen von Bill Klaff oder DxO-Mark die Augen wund sehen, am besten ist es immer, seine eigenen Beobachtungen anzustellen. Für meinen Invarianz -Test bei der M10 „baute“ ich mir ein Motiv aus Farben, hellen und dunklen Bereichen und feinen Strukturen. Als Optik wählte ich das 100mm R-Apo-Elmarit. Licht war Tageslicht (aber kein direktes Sonnenlicht), den Weissabgleich habe ich mit der WhiBal-Karte vorher eingestellt. Ich machte mehrere Belichtungsreihen jeweils von ISO 25.000 absteigend bis ISO 100. Bei der ersten Reihe wurde die Belichtung passend für ISO 12500 eingestellt. Alle darauffolgenden sinkenden ISO-Werte wurden entsprechend dann in Lightroom von +1 bis +7 EV angehoben (für +6 und +7 EV wählte ich den Workaround mit Verlaufsfilter). Der ISO 100-Wert fällt eigentlich etwas heraus, weil es ein „Pull-Wert“ ist. Trotzdem liess sich auch diese Datei +7 EV anheben, wenn auch mit Abstrichen, auf deren Gründe ich weiter unten eingehe.

Die Belichtungsreihe im Slider, bei der ISO 12.500 „neutral“ belichtet wurde, ISO 25.000wurde -1 EV zurückgenommen, ISO 100 +7 EV (Workaround mit Verlaufsfilter). Die +6 und +7 EV angehobenen Dateien zeigen Verschiebungen im Weissabgleich, die vermutlich eher durch Lightroom erzeugt werden.

Die Leica M10-DNG’s werden in Lightroom automatisch mit unterschiedlichem Level an Rauschunterdrückung (Luminanzrauschen) importiert (diese Einstellung ist im DNG enthalten), den ich für alle Bilder genullt habe. Früher habe ich mich darüber beschwert, aber eigentlich ist das ehrlicher, als die Rauschunterdrückung bei den hohen ISO-Werten einfach klammheimlich in der Raw-Datei vorzunehmen, ohne das man daran irgendetwas ändern kann (hallo, Fuji…). Das Farbrauschen ist gleichfalls auf Null zurückgesetzt, denn in LR ist der Wert sonst standardmässig auf 25 gestellt.

Belichtungsreihe mit ISO 6.400 „neutral“ belichtet. ISO 12.500 wurde -1 EV eingestellt, ISO 200 liegt bei +5 EV, ISO 100 bei +6 EV

Im Ergebnis lassen sich alle ISO Werte ohne grössere Probleme auf ISO 12.500 (und höher) angleichen, wenn auch ab (oder auch schon bei) +5 EV einige Dinge immer mehr eine Rolle spielen:

  1. Lightroom mag es nicht besonders, Dateien über +5 EV anzuheben. Die Dynamik scheint zu leiden, Verschiebungen im Weissabgleich sind möglich.
  2. Der Downstream Noise wird trotz des geringen Levels verstärkt und zeigt sich allmählich
  3. Bei ISO 100 und 200 könnte zudem Zutage treten, dass auch der Level des Upstream Noise höher liegt. Siehe Diagramm weiter oben „Input-referred Read Noise versus ISO-Setting„. Bereits ab ISO 400 ist weniger Rauschen im analogen Bereich.
Invarianz

100%-Vergleich ISO 6400 („neutral“ belichtet) zu ISO 400 (+4 EV angehoben). Mit blossem Auge scheint das Rauschverhalten so gut wie identisch. Was sich schwer sehen lässt, ist der Unterschied in der dynamischen Breite, der bei ISO 400 auf jeden Fall deutlich höher ist.

Invarianz

100% Vergleich ISO 6400 zu ISO 200 (+5 EV). Bei 200 +5 EV mehr Rauschen als bei 400 +4 EV.

Invarianz

Derselbe Vergleich, aber diesmal mit ganz leichter Rauschunterdrückung. Bei beiden Fotos Luminanzrauschen Slider in LR auf 14, Farbrauschen Standardeinstellung (25). Trotz +5 EV sehr sauber wirkende Datei ohne merklichen Verlust

+5 EV wird schon Problematisch, aber das liegt wahrscheinlich auch zum Teil am RAW-Konverter. Die Dateien von +4, +3, etc. EV sehen fast identisch aus. Es spricht also vieles dafür, dass der Sensor der Leica M10 (in gewisser Weise) invariant ist. Zumindest verhält er sich so, und das kann man sich zunutze machen.

Das Tal des Tarn nach einer Gewitternacht. Gegenlicht, Blickrichtung Osten gegen die Sonne, sehr heller Himmel. Das Bild wurde in LR nicht nur +1 EV angehoben, vor allem die Tiefen wurden zu 100% „geholt“, das sind 3-4 EV in den dunklen Bildbereichen.

Konsequenz

Die alte Regel „ETTR“ (expose to the right) gilt weiterhin. Bei normalen Lichtverhältnissen so belichten, dass die hellsten Bezirke im Motiv noch gerade innerhalb des rechten Randes des Histogramms erscheinen, will man die dynamische Breite des eingestellten ISO-Wertes wirklich voll ausnutzen. Möglichst nur „echte“ ISO-Werte benutzen, keine Push- oder Pull-Werte. Bei der M10 würde ich sagen, dass das von 200 – 6400 ISO reicht. Die native Basis liegt bei 200 (oder zumindest in der Nähe). Die „Zwischenwerte“ (ISO ISO 250, 320, 500 u.s.w) sind bei der M10 ebenfalls „echte“ ISO-Werte und können benutzt werden. Ich erwähne das extra deshalb, weil es Kameras gibt, die diese Werte nur simulieren (z.B. die Canon EOS 5D Mark III), also in Wirklichkeit ein Stufe unter oder über dem nächsten vollen Wert bleiben.

Natürlich ist es immer erstrebenswert, die ISO mit der größtmöglichen Dynamik zu nutzen, aber nur, um davon wieder etwas opfern zu können. Wie ist das gemeint? Ein Bild, in dem die volle Dynamik enthalten ist, würde sehr „flach“ wirken, fast ausgewaschen. In der Regel lässt man einiges in den Schatten fallen und hebt den Kontrast an, um mehr „Punch“ zu haben. Man kann im allgemeinen besser auf Details im tiefen Schatten verzichten als auf Highlights.

Egal, ob es sich um eine invariante Kamera im definierten Sinn handelt oder schlicht um eine Kamera mit großem Belichtungsspielraum, bei Szenen mit hoher Dynamik (Gegenlichtfotos, Low-Light mit sehr hellen Bildanteilen, etc.) sollte man ein paar EV unterbelichten und später im RAW-Konverter korrigieren. Es mag sein, dass mal ein halber Stopp Schattendetails verlorengeht, dafür hat man z.B. keine ausgebrannten Gesichter. Das kommt häufig vor, wenn in ansonsten dunkler Umgebung z.B. Akteure von Spots angeleuchtet werden. Nicht selten muss man -3 bis -4 EV unterbelichten.

Und die Leica Q?

Vorweg: Misstrauisch geworden, machte ich auch den ISO 100 vs ISO 200 – Äquivalenz-Belichtungstest wie oben bei der Leica M10. Zur Beruhigung: ISO 100 hat leicht höhere Dynamik als ISO 200, wie es sein soll. Man kann also davon ausgehen, das der Basis-ISO Wert der Q auch wirklich bei 100 (oder in der Nähe) liegt.

Mittlerweile gibt es aber auch invariante Sensoren neuerer Generation, die über zwei Strecken Invarianz zeigen, z.B die Sony A7 III von ISO 100 bis (kurz vor) 800 und dann von 800 bis 51200. Die Abschnitte können variieren, je nach Zielsetzung für die Performance der Kamera. Die Sony A7 S II hat die Abschnitte 100 bis 1600 und (etwas über) 1600 bis 100.000. Da sorgt für die überragende Low-Light Fähigkeit der Kamera. Der Trick dabei ist ein „Dual Conversion Gain“, das ist ein Umschalten von großer auf eine kleinere Full Well Capacity, was bei höheren ISO-Werten (und wenig Licht) zu höherer Spannung und geringerem Ausleserauschen (upstream noise) führt. Dies findet also im „analogen Bereich“ statt, noch vor der Umwandlung in Numerische Werte.  Wem das in einem Satz zu kurz war, kann das hier bei Michael Hußmann nachlesen.

Invarianz

Rausch-Level des analogen Signals bei Leica Q, Sony A7 Mark III und Sony A7S. Charakteristische Absätze, wenn DCG einsetzt. Der „Upstream Noise“ (+Photon Noise). Der Unterschied: Bei der Leica Q wird dieses Signal bei steigender ISO-Zahl vom analogen Verstärker angepasst, bei den Sonys geschieht das erst nach der Analog zu Digital-Konversion, da sie bekanntermassen invariant sind. Die Absätze in den Kurven zeigen die Anwendung von „DCG“

Invarianz

Der Rauschlevel bei steigendem ISO-Wert nach der Verstärkung (Shot Noise+Upstream Noise+Downstream Noise= Read Noise). Dabei spielt keine Rolle, wo diese Verstärkung stattfand. Aber auch hier zeigen die Absätze in den Kurven die Anwendung von DCG

Bei Betrachtung des Rauschverhaltens der Sensoren mit „Dual Gain Conversion“ fiel mir auf, dass die Leica Q genau so einen charakteristischen Absatz in der Kurve zeigt wie Kameras, bei denen ich mit Sicherheit wusste, dass DCG angewandt wird. Es ist zwar Spekulation, aber es sieht so aus, als wäre es bei der Leica Q genauso. Zwischen ISO 200 und 400 gibt es eine merkliche Verringerung im Rauschen des analogen Signals, danach bleibt es fast auf gleichem Level. DCG?

Sicher ist, dass die Leica Q nicht ISO-Invariant ist, die Verstärkung der in den Pixel-Wells erzeugten Spannung findet im anlogen Bereich statt, aber vermutlich stoppt das auch nach ISO 6400 (vielleicht auch bei ISO 3200). Bei noch höherer ISO wird das Signal nach der Umwandlung in einen Numerischen Wert weiter angehoben. Dies beschert uns eine entsprechende Verstärkung des Downstream Noise, der im ADC erzeugt wird. In diesem Downstream Noise ist ein regelmässiges Muster enthalten, das „Banding“. Egal, ob die entsprechende Raw-Datei in der Kamera oder später im Raw-Konverter (Lightroom) zu stark angehoben wird, tritt es dann in den dunklen Bildbereichen auf.

Auf DPreview gibt es den Test auf „Exposure Latitude“, den ich als „Belichtungsspielraum“ übersetzen würde. In dessen Grenzen kann man bei Low Light-Verhältnissen ebenfalls die Highlights schonen, indem man etwas unterbelichtet. Bei Dpreview wird der nutzbare Spielraum mit 3EV angegeben. Ich machte wieder mehrere Belichtungsreihen, um das zu prüfen. Mit dem Ergebnis, dass man das so pauschal nicht ausdrücken kann, denn der Belichtungsspielraum nimmt (erwartungsgemäss bei einer nicht-invarianten Kamera) mit steigender ISO langsam ab. Es sind aber bei ISO 200 noch +5 EV akzeptabel (warum nicht ISO 100? Davon später), nur dass man wieder ein Problem mit Lightroom-bedingten Veränderungen im Weissabgleich hat.

Ich habe mehrere Belichtungsreihen wie beim Invarianz-Test gemacht, ausgehend von „neutralen“ Belichtungen bei ISO 25.000, ISO 12.500, ISO 6400 und ISO 3.200. In den jeweiligen Reihen wurde die Belichtung der nachfolgenden Werte dann entsprechend angepasst.

Im Slider die Belichtungsreihe, bei der ISO 3200 „neutral“ belichtet wurde, alle anderen ISO-Werte sind entsprechend in der Helligkeit angepasst. Trotz identischen Weissabgleichs verschiebt sich die Farbe bei der +5 EV angehobenen 100 ISO-Datei nach Grün.

100%-Vergleich der 200 ISO-Datei +4EV (rechts) und der 6.400 ISO-Datei. Die 200 ISO Datei hat etwas Grünstich bekommen, das könnte man zur Not ausgleichen.

Ich machte auch die standardmässigen Belichtungsreihen für den Exposure Latitude Test, wie er auch auf DPreview durchgeführt wird. Dabei wird bei bei jeder ISO einmal „neutral“ belichtet, dann die Belichtungszeit jeweils halbiert.  Die resultierenden Dateien wurden von bis zu -5 EV wieder auf die richtige Helligkeit angehoben und mit der „richtig“ belichteten Datei verglichen.

Ich zeige jetzt nicht alle Belichtungsreihen, ich fasse nur daraus zusammen. Es zeigt sich , dass die ISO Werte bis 800 einen Belichtungsspielraum von bis +4 EV haben, 1600 geht bis etwa +3 EV, ISO 3200 +2 EV und danach sollte man nicht mehr als +1EV riskieren. Bleibt man innerhalb dieser Werte, ist der Gesamt-Rauschlevel akzeptabel, wobei natürlich jeder eine individuelle „Schmerzgrenze“ hat. Anders als bei der (vermutlich) invarianten M10 nimmt das Rauschen mit Anstieg der ISO proportional zu. Zieht man zu sehr hoch und hebt dann womöglich noch die Tiefen an, ist „Banding“ vorprogrammiert, da der Downstream Noise aus dem ADC in den dunklen Bereichen stark zutage tritt.

Belichtung mit der Leica Q

Fazit: Wenn ich bei wenig Licht mit niedriger ISO und einer längeren Belichtungszeit noch Fotos aus der Hand machen kann (dank der Bildstabilisierung), so ist das vorzuziehen! Will ich Highlights schonen, sollte ich meine gewünschte Blende und Belichtungszeit einstellen, mit Auto-ISO anmessen und dann eine 2 bis 3 EV niedrigere ISO fest einstellen. Manuelle Belichtung bei Low Light bringt bessere Ergebnisse, als sich auf die Kamera-Automatik zu verlassen!

Bei sehr schnell wechselnden Lichtverhältnissen als Kompromiss Auto-ISO belassen, Blende und Belichtungszeit fest einstellen und beim Blick durch den Sucher die Belichtungskorrektur nach unten stellen (was bei der Q haptisch hervorragend gelöst ist).

Eine Beobachtung aus den Belichtungsreihen gilt es noch zu berücksichtigen: Offenbar ist in der 100 ISO-Datei mehr Rauschen verborgen, dass bei +4 oder +5 EV stärker hervortritt als bei den 200 – 400 ISO-Dateien. Nach den Kurven von „Photons to Photos“ (siehe oben die Kurve der Leica Q) hätte ich diesen geringeren Rauschlevel eher ab ISO 400 erwartet. Real tritt er früher ein (dies zeigte sich in mehreren Belichtungsreihen). In Konsequenz sollte man bei Low-Light lieber innerhalb der Werte von ISO 200 bis ISO 1600 bleiben, je nachdem, wie wenig Licht ist, oder wie kurz man die Belichtungszeit braucht, um Bewegungsunschärfen zu vermeiden.

Vergleich ISO 200 und ISO 100, äquivalent belichtet, beide Dateien um +4 EV in LR hochgezogen. Die ISO 200-Datei zeigt weniger Rauschen, bei der ISO 100-Datei kommt bereits eine Spur „Banding“ zutage.

Zweiter Vergleich ISO 200 und ISO 100, äquivalent belichtet, beide Dateien diesmal um +5 EV in LR hochgezogen. Die ISO 200-Datei zeigt wieder weniger Rauschen, bei der ISO 100-Datei kommt es zu „Banding“

Vergleich aus der „Exposure Latitude“ Belichtungsreihe: Bei ISO 100 „normal“ belichtet (links) und von -5 EV hochgezogen. Banding und viel Rauschen

Zweiter Vergleich aus einer „Exposure Latitude“ Belichtungsreihe: ISO 200 lässt sich von -5 EV besser hochziehen (rechts) als ISO 100 (siehe voriges Bild). Mit etwas Rauschunterdrückung wäre die Datei (zur Not) brauchbar.

Auch ohne Invarianz hat die Leica Q überragende Low-Light Eigenschaften, technisch zwar von den Sony-Sensoren übertroffen, aber da ist eben keine Leica Q drum herum gebaut…

In der „Aven Armand“ (ich nenne sie die „Augenkrebs-Höhle“). Speziell wenn soviel Rot im Bild ist, muss man aufpassen, denn der rote Kanal brennt am schnellsten aus (Mohnblumen in der Sonne). Belichtungskorrektur nach unten!

Wünsche

Warum spielt eigentlich die Kameraindustrie nicht mit offenen Karten? Was fällt ihnen für ein Zacken aus der Krone, wenn sie die Eigenschaften des jeweilig verwendeten Kamerasensors (für die Zielgruppe der RAW-Shooter) mitteilen? Stattdessen muss man sich mühsam mit einer Art „reverse engineering“ die erforderlichen Informationen zur optimalen Belichtung verschaffen. Und wenn ich schon dabei bin: Ist das denn wirklich so schwierig, das Kamera-Histogramm (zumindest optional) auf einem RAW-Bild basieren zu lassen? Bei der Monochrom (die einzige Kamera, die das bietet) scheint das einfach zu sein, vermutlich, weil sie keine Farbkanäle hat. Möglicherweise liegt es einfach daran, dass es mehr JPG-Shooter gibt, aber technisch müsste das doch drin sein.

Wenn eine Kamera invariant ist (oder einen sehr breiten Belichtungspielraum hat, wie immer man das ausdrücken will) ist eigentlich so eine DR-Funktion wie bei Fuji ganz hilfreich. Mir ist klar, dass z.B. im Fall der M10 gegen den Grundsatz des simplen Menüs verstösst (wäre halt ein Punkt zur Auswahl mehr). Oder man will vielleicht die M-Shooter nicht brüskieren, weil die ja alle „ach so routinierte“ Fotografen sind und das selber wissen und entsprechend einstellen… und die Erde ist übrigens eine Scheibe.

Comments

  1. Kai
    30. Januar 2019

    Leave a Reply

    Moin Claus,
    ich dachte, Du warst schon generdet:-) Das hier liest man nicht gerade mal eben, ist aber wirklich aufschlussreich und ich verstehe jetzt endlich, warum die ISO erst bei 200 beginnt.
    Davon abgesehen geht es in den Foren viel zu sehr um die technischen Möglichkeiten einer Kamera, aber so gut wie nie um die Charakteristik eines Sensors, der ja in meinen Augen nichts anderes ist wie ein bestimmter Filmtyp im analogen. Denn übertragen sind die Eigenschaften nichts anderes bei einem Sensor oder Film.
    Und so kam es vor wenigen Tagen, dass mich eine der besten Reisebloggerinen ansprach auf eine neue Kamera, ihr gefällt nämlich die Charakteristik des Sony Sensors gar nicht. Und nun überlegt sie, für eine bessere Ausgewogenheit und Bildsprache auf Leica umzusteigen.
    Aber jetzt warte ich erst einmal auf den Abschluss Deines japanischen Sprachdiploms:-)
    Lieber Gruß
    Kai

    • Claus Sassenberg
      31. Januar 2019

      Leave a Reply

      Hollo Kai,

      da hast du vollkommen recht, sagenhafte Sensorleistungen sind nicht alles, das Gesamtpaket muss stimmen. Bei Leica macht sicher die Optik (sei sie auch von Voigtländer oder Zeiss etc.) viel aus, daneben muss der Sensor auch darauf abgestimmt sein (zumindest funktionieren vor allem die weiten Linsen nicht vor einer Sony A7). Dann gibt es noch die M9 mit dem CCD… da gibt es ja eine Menge Leute, die auf dessen „analoge Bildwirkung“ schwören. Da ist was dran.
      Japanisch lernen habe ich verschoben, ich arbeite erst mal an einem analogen Gegenstück zu dem Artikel hier.

      Liebe Grüße,

      Claus

  2. Jens Michael Schuh
    25. Januar 2019

    Leave a Reply

    Da hat aber jemand die Forumsbeiträge von Rico in den letzten 3 Jahren fleißig gelesen und verstanden. 🙂

    • Claus Sassenberg
      25. Januar 2019

      Leave a Reply

      Schön, dass das im Forum war… aber da lese ich seit Jahren nicht mehr (ausser wenn ich mal wissen will, warum ich verlinkt wurde). Rico kenne ich nicht, aber er scheint auf jeden Fall in meine Nerd-Selbsthilfegruppe zu gehören 🙂

      Mit der Invarianz-Sache habe ich mich schon seit 2015 beschäftigt und recherchiert (entspr. Blog-Beiträge daselbst) und dieser Beitrag wurde durch die Sache mit der D-Lux 7 getriggert. Woraufhin ich mich noch mal auf die Suche nach aktuellen Informationen machte. Vermutlich kommt man immer so ziemlich auf die gleichen Quellen.

      Nur für’s Protokoll: Den Beitrag habe ich selbst zusammengestellt, es hat lange gedauert, alles so zu komprimieren (bei dem komplexen Thema verrennt man sich leicht, darum die vielen weiterführenden Links).

  3. Dirk
    25. Januar 2019

    Leave a Reply

    Moin Claus,
    so, ich bin durch und hoffe, daß ich das Fazit richtig verstanden habe und auf die Q anwende und habe hoffentlich auch richtig verstanden, daß es bei der D810 anders ist.
    Ist die Klausur mit Textfragen (wie bei Santa) oder multiple Choice (wie in Biochemie)?

    Super gemacht und spannend zu lesen.
    LG Dirk

    • Claus Sassenberg
      25. Januar 2019

      Leave a Reply

      Lieber Dirk,

      da will ich mal gnädig sein… bei dem Ding hat man schon bestanden, wenn man unten angekommen ist!

      Aber da du es erwähnst, ich würde gern mal eine meiner alten Klausuren ansehen, die wir bei Prof. Santamaria geschrieben haben. Vor allem, als wir ZNS oder Histo gemacht haben. Dagegen ist der Blog-Beitrag hier populärwissenschaftliches Gesäusel.

      Liebe Grüße in die Pfalz,

      Claus

      P.S. War letztes WE in Münster und habe – wirklich rein zufällig – bei einem Konzert in der Musikhochschule Prof. Ott getroffen!

      • Dirk Säger
        28. Januar 2019

        Leave a Reply

        Lieber Claus,
        wie geht es dem Göttlichen?
        In meiner Erinnerung waren die Klausuren nicht soo schwer, aber lesen würde ich sie auch gern noch mal.

        Ich wünsche Dir eine schöne Woche und viele gute Motive,
        Dirk

        • Claus Sassenberg
          28. Januar 2019

          Leave a Reply

          Er sieht original aus wie vor 30 Jahren (es gibt ja so zeitlose Typen), aber er scheint arge Rückenprobleme zu haben, musste sich nämlich bei jeder Gelegenheit mal hinstellen (sass ganz am Rand). Er ist erst seit 3 Jahren Emeritus (!!).

          Stimmt, es war weniger der Schwierigkeitsgrad bei Santas Klausuren als vielmehr die Gedächtnisleistung, die man bringen musste.

          Dir auch frohes Schaffen, schöne Woche,

          Claus

  4. Jürgen
    24. Januar 2019

    Leave a Reply

    Hallo Claus,
    nachdem ich am Ende Deines Blogs angekommen bin, beunruhigt mich eine Aussage besonders: wenn dieser Artikel bei Dir „nur“ den Nerdfaktor 9 erhält, wie soll dann eine 10 aussehen? Aber vielen Dank für Deine großartige Zusammenfassung! Es wäre wirklich besser, wenn eine (Teil-)Invarianz schon ziemlich weit oben in den Specs zu jeder Kamera auftauchen würde. Könnte man sich gleich drauf einstellen und müsste nicht selbst rumprobieren.
    Jürgen

    • Claus Sassenberg
      24. Januar 2019

      Leave a Reply

      Für Nerdfaktor 10 müsste der Artikel auf Japanisch sein 😉

Leave a Reply


You may use these HTML tags and attributes: <a href="" title=""> <abbr title=""> <acronym title=""> <b> <blockquote cite=""> <cite> <code> <del datetime=""> <em> <i> <q cite=""> <s> <strike> <strong>

*