Ein kleines Experiment zur ISO Belichtung,stacken

Großartig! Danke!

Gruß
Jens

Hallo,

das Problem ist aber: Astrofotografie findet am Sternenhimmel statt und nicht im Keller. Da sieht die Situation einfach anders aus.

CS Frank

Sehr anschauliche Darstellung und gute Dokumentation

Auch wenn die Parameter unterm Sternenhimmel anders sein mögen, ist der Versuchsaufbau hier auf möglichst wenige Variablen eingedampft worden.
Dass die Technik im Vordergrund steht, hilft eher die Zusammenhänge zu sehen/verstehen.

Danke für den Aufwand - ich werde mir das für die nächste Session nochmal zu Gemüte führen!
Gruß
Robert

Fand es auch sehr interessant. Auch wenn es natürlich nur "Laborbedingungen" sind, helfen solche praktischen Tests doch immer, die (manchmal schwer zu verstehende) Theorie zu verdeutlichen. Ich muss das mit meiner Kamera auch mal testen, interessant wäre, gerade in Bezug auf das Rauschen, auch eine Testreihe bei verschiedenen Temperaturen. Ich steh nämlich auch oft unter dem klaren Himmel und studier dann erstmal rum, wie lange Belichten und wie hoch ich die ISO stellen soll...

Hallo Andreas,

was die Bilder zeigen, ist das niedrigere Ausleserauschen Deiner Kamera bei anteigenden Isozahlen. Daraus kann man aber nicht schließen, dass der Informationsverlust unter realen Bedingungen immer so groß ist. Normalerweise versucht man ja, ein schönes Bild zu machen. Bei deinem Test hast du aber nicht mal annährernd ausbelichtet. Anders gesagt, hättest Du bei gleichen Bedingungen mal 300 sek oder länger (in einem Stück) mit zwei unterschiedlichen ISO Zahlen aufgenommen, dann würdest Du bemerken, dass der Unterschied im Bildeindruck immer mehr verschwindet. Irgendwann kannst Du dann nicht mehr weiterbelichten, weil immer mehr Bildteile "ausbrennen" (ich hasse das Wort, aber es ist nicht mehr wegzubekommen),d.h. jetzt muss ich mit der höheren Isozahl öfters auslesen, um auf die gleiche Gesamtbelichtungszeit zu kommen.

Insofern kommst Du zum zwar zum richtigen Schluss , nämlich so lange draufhalten, wie es geht, und bei den ganz kurzen Zeiten kann eine Erhöhung der Isozahl was bringen, solange man nicht ausbrrrr...
Aber: Deine Erklärungen zum Thema Histogramm und Digitalisierung stimmen so nicht.
Ist man mit der Intensität erst mal ein Stück weg vom linken Rand
(vorzugsweise über die Belichtungszeit), bringt das Spreizen über die Isozahl nichts mehr. Die Digitalisierungsstufen sind dann ohnehin schon deutlich kleiner, als das Gesamtrauschen.

Da unterscheidet sich ein Lichtsensor wesentlich von den meisten anderen Messgeräten. Die durch das Digitalisieren zugefügte Ungenauigkeit hängt von der Intensität ab, bei einer digitalen Längenmessung zB dagegen bleibt die statistische Ungenauigkeit dagegen gleich, egal ob ich bei 10cm oder 2m messe.
Dieser Effekt hängt beim Lichtsensor nur von der Anzahl der im Sensor gesammelten Elektronen ab, egal ob sie durch Hintergrund (fehlt in deinem Test), Signal oder thermische Effekte erzeugt werden.

Das andere was Du schreibst, das mit dem schwarzen und weissen Pixel, ist mir nicht klar geworden. Nur so viel: auch Signale, die kleiner sind als eine ADU Stufe, werden auch beim Stacken richtig berücksichtigt. Aber das ist eine etwas komplexere Geschichte, die hier den Rahmen sprengen würde.

Viele Grüße
Norbert

<blockquote id="quote"><font size="1" face="Verdana, Arial, Helvetica" id="quote">Zitat:<hr height="1" noshade id="quote"> Die durch das Digitalisieren zugefügte Ungenauigkeit hängt von der Intensität ab, bei einer digitalen Längenmessung zB dagegen bleibt die statistische Ungenauigkeit dagegen gleich, egal ob ich bei 10cm oder 2m messe<hr height="1" noshade id="quote"></blockquote id="quote"></font id="quote">

sorry, hab´s genau falsch geschrieben: Das Digitalisierungsrauschen bleibt natürlich gleich, auch wenn sich die Intensität ändert, aber das Gesamtrauschen nimmt mit der Intensität zu.

Norbert

Hallo Dr. Backe

es is natürlich gemein wenn man jetzt die ganze Mühe die du dir gemacht hast kritisiert und auseinander nimmt. Ich entschuldige mich bereits jetzt in aller Form dafür. Aber leider gibt es viele unklare Dinge in deinem Artikel, und es ist eben trotzdem nunmal so, das diese Laborbedingungen nichts mit Astrofotografie zu tun haben. Insofern helfen sie auch nicht weiter die "Technik" zu verstehen. Eine schlimme Kritik ich weiss.

Der Schluss mit der ISO Zahl, ist so nicht richtig. Unter diesen Bedingungen wäre jede CCD Kamera Mist denn die hat keine ISO Zahl (wenn ich bestimmen dürfte, würde ich allen DeepSky Fotografen den ISO Knopf ihrer Kamera abbrechen:-)). Besser gesagt: Von Haus aus ist bei CCDs ein geringer ISO Wert eingestellt, heisst nur anders: Gain. Eine CCD würde also unter dem Quantisierungsrauschen leiden? Das sag mal nem CCD Besitzer:-)

So, es gibt ein paar Rahmen oder Spielregeln die wir festsetzen müssen. Eigentlich nur eine: Wir reden über DeepSky Fotografie! In der Planetenfotografie und auch in der dokumentierenden Astrofotografie (Polarlichter, Timelapses, Stimmungsbilder, Meteore etc etc etc.) gelten andere Regeln und Gesetze.

In der Deepskyfotografie gilt das oberste Gebot (so nenne ich das) :

PHOTONENRAUSCHEN

Es ist die wichtigste Sache mit der wir uns zuerst mal auseinandersetzen müssen. Das hat nämlich rein gar nichts mit unserer Kamera zu tun. Aufnahme rauschen alleine wegen der Photonen schon. Und DAS setzt unsere Belichtungszeit fest!! Wir müssen eine Zeit lang belichten um dem Photonenrauschen Herr zu werden. Unabhängig von allen Kamera Parametern.

Man liest ja immer wieder Sätze wie: Gegen das Rauschen hilft das stacken vieler Aufnahmen. Was heisst das? Welches Rauschen überhaupt, es gibt doch so viele? Kann ich ein rauschfreies DeepSky Bild erwarten wenn ich 1000 Bilder mit der Belichtungszeit 1/1000s stacke? Nein! Das hat viele Gründe aber ein Grund ist eben auch, das die Gesamtbelichtungszeit immer noch viel zu kurz ist.

Fazit: Wählt eure Gesamtbelichtungszeit nach dem Objekt aus. Helle Objekte brauchen wenig Belichtungszeit, sehr schwache viel. Eine einfache Regel die m.E. nach immer mehr ignoriert wird, desto öfters wir über Ausleserauschen, Dunkelstrom, ISO Werte etc etc sprechen.
Unter "Laborbedingungen" ist eine solch schwaches Licht wie es DS Objekte aussenden nicht zu simulieren. Wir müssen also immer von Belichtungszeiten im Stundenbereich sprechen.

So nun kommen wir zum zweitwichtigsten und unter Laborbedingungen fast nicht machbaren Faktor.

HIMMELSHINTERGRUND

Dieser ist Limitierungsfaktor für 2 Dinge: Der Hintergrund ist ein Faktor der überhaupt unserer Aufnahme Grenzen setzt. Ist er sehr hell bekommen wir ein Problem: Das Verhältnis von Objekt Signal (und seinem Rauschen) und Hintergrund (und seinem Rauschen) wird schlecht. Das führt dazu, das wir unsere Belichtungszeiten (gesamt) drastisch erhöhen müssen.
Also wählen wir einen sehr dunklen Standort aus. Aber der Hintergrund ist immer da, aus verschiedenen Gründen. Es gibt sozusagen keinen Null Hintergrund. Und das ist eben extrem schwer zu simulieren im Labor.
Der Hintergrund hat aber auch was gutes: Er setzt das Limit für unsere Aufnahme. Insofern das er das Ausleserauschen unserer Kamera überdeckt. und genau das ist das zweithöchste gebot in der digitalen Astrofotografie: Wir müssen hintergrundlimitierte Aufnahmen erstellen.

Hm jetzt sagt einer: Ja cool dann fotografiere ich nur noch unter Lichtverseuchtem Himmel, bin ich ganz schnell hintergrundlimitiert! Netter Versuch!:-)

Die Wahl der Einzelbelichtungszeit ist jetzt also schon recht kompliziert und wird noch komplexer wenn wir alle mechanischen Komponenten mit ins Spiel werfen.

Um also einen solchen Test wirklich Aussagefähig zu machen müssen wir ihn unter dunklem Himmel mit Hintergrundlimitierten Aufnahmen machen. Die Ergebnisse die dann dabei raus kommen sind die interessanten. Es wird wie folgt enden:

Lange Einzelbelichtungszeiten sind kürzeren vor zu ziehen. Also wenn jemand fragt: Soll ich viele kurze Aufnahmen machen oder wenige lange ist die Antwort die letztere.
Für DSLR Fotografen zusätzlich: Kleine ISO verwenden. Warum? Höhere ISOs bringen keinen Gewinn aber verringern die Dynamik der Kamera drastisch.

CS Frank

<blockquote id="quote"><font size="1" face="Verdana, Arial, Helvetica" id="quote">Zitat:<hr height="1" noshade id="quote"><i>Original erstellt von: frasax</i>
<br />
Für DSLR Fotografen zusätzlich: Kleine ISO verwenden. Warum? Höhere ISOs bringen keinen Gewinn aber verringern die Dynamik der Kamera drastisch.

CS Frank

<hr height="1" noshade id="quote"></blockquote id="quote"></font id="quote">
Na DAS ist mal ein wirklich interessantes Fazit. Ich war soweit der Meinung, dass man mit einem höheren ISO-Wert ein bisschen schummeln kann, in Bezug darauf, dass man die Belichtungszeit tiefer halten kann, um einer evtl. nicht perfekt eingeordneten Montierung / Nachführung entegenzuwirken.

nee, schummeln kann man gar nicht. Das hat schon seinerzeit der alte Goethe den Astrofotografen auf dem Sterbebett zugerufen: "Mehr Licht"
(ok, ist umstritten, er sagte sowas wie "macht doch den Laden auf", aber ganz bestimmt verlangte er nicht nach mehr ISO)

Nur wer nahezu freihändig knipst (also sagen wir mal bis 30 sek), der kann mit hoher ISO (nur ein bisschen, Stichwort Hintergrund) besser wegkommen, als mit niedriger, aber das ist immer deutlich schlechter, als eine entsprechende Langzeitbelichtung.
Ob man diese Bilder will, ist natürlich eine Frage des Anspruchs.

(==&gt;)Frank: bei welcher Einstellung willst Du den Iso Knopf abbrechen ?
Is nicht ernst gemeint. Aber ISO 100 ist bei einigen DSLRs wegen des Bandings nicht brauchbar.

Viele Grüße

schoene zusammenfassung - bestaetigt mich in meinen 15-20min / frame bei iso 200 :))

Jonas

<blockquote id="quote"><font size="1" face="Verdana, Arial, Helvetica" id="quote">Zitat:<hr height="1" noshade id="quote">Für DSLR Fotografen zusätzlich: Kleine ISO verwenden. Warum? Höhere ISOs bringen keinen Gewinn aber verringern die Dynamik der Kamera drastisch.
<hr height="1" noshade id="quote"></blockquote id="quote"></font id="quote">

Und warum ist das so? Weil bei höheren ISO-Werten nur die obere 'Aussteuerungsgrenze' verringert wird. Man kann sich das als Eimer vorstellen, mit dem man Wasser transportiert. In einen 10l-Eimer kann ich auch 2-3 Tropfen füllen, habe aber noch jede Menge Platz. Wenn ich jetzt _weiß_, daß ich nie mehr als 2-3 Tropfen habe, _kann_ ich auch ein Reagenzglas nehmen. Aber die gemessene Menge ist unabhängig von der Größe des Gefäßes. Und ja, eine CCD-Kamera arbeitet auch mit ganz kleinen ISO-Werten, pardon, kleiner Verstärkung. Die ist da nämlich so eingestellt, daß genau die maximal mögliche Lichtmenge (die im Chip als Elektronen gespeichert werden kann) auf die 16bit digital verteilt werden.

Hallo Norbert

Ok brechen wir ihn bei ISO 200 ab.

CS Frank

Hallo,

ich möchte dich eigentlich nicht mit Dr.Backe ansprechen:-)

Doch ich habe deinen Beitrag gelesen. Aber was sagt dein Beitrag aus in Bezug auf die reale Situation der Astrofotografie. Nochmals 1000x 1/1000s ist sehr rauscharm, ja von welchem Rauschen reden wir denn? Ich rede vom Photonenrauschen, und das Deepsky Objekt wird dann so gut wie nicht sichtbar sein. Wem nützt das jetzt was?

P.S. ich bemühe mich sehr die Stochastik zu verstehen:-)

CS Frank

<blockquote id="quote"><font size="1" face="Verdana, Arial, Helvetica" id="quote">Zitat:<hr height="1" noshade id="quote">Statistisch bedeutet Rauschen erst einmal ein zufälliges Signal, aus welcher Quelle ist dem statistischen Verfahren (wie es im DSS verwendet wird) völlig wurscht.
<hr height="1" noshade id="quote"></blockquote id="quote"></font id="quote">

Also ich (und die einschlägige Literatur) verstehe unter Rauschen vereinfacht gesagt die Abweichung eines Intensitätswertes von seinem Mittelwert, den man bei mehrfacher Wiederholung der Aufnahme erhält. Beispiel: Ich habe 100 Photoelektronen im Pixel gesammelt (CCD oder CMOS ist dabei wurscht). Die Elektronik kann die 100 recht präzise abzählen, das eigentliche Problem ist aber, dass es keinen statistischen Prozess bei der Photonenerzeugung gibt, der mir ein solches konstantes Signal liefert. Das gleiche gilt für den Dunkelstrom. Hier muss ich mit der statistischen Unsicherheit des Erzeugungsprozesses in die Rauschbetrachtung reingehen.
Die Elektronik kann so rauscharm sein, wie sie will, bei 100 Photo(+Dunkel)elektronen bekomme ich bei wiederholter Messung Werte, die meistens in den Bereich 70 bis 130 fallen, etwa zwei Drittel davon in den Bereich 90-110. Dieses Zappeln des Signals steigt mit der Wurzel des Signals an, das Verhältnis des Signals zum Rauschen allerdings ebenfalls. Gegen dieses Rauschen hilft elektronisch gar nix.
Das ist die rein zeitliche Betrachtung. Jetzt nehmen wir mal zwei benachbarte Pixel an, die sich um 1% in der "echten" Beleuchtungsstärke unterscheiden, also ein schwacher Kontrast.
Der eine zappelt jetzt zwischen 90 und 110, der andere zwischen 91 und 111 rein zufällig hin und her. Es ist klar, dass ich diesen schwachen Kontrast in einer Einzelaufnahme nicht auflösen kann.
Dafür bräucht ich mindestens 10000 Photoelektronen, dann hätte ich sehr große Chancen, dass das Signal nur zwischen 9900 und 10100 hin und herzappelt.
Was ändert eine hohe Isozahl daran ? Erst mal gar nichts.
Aber wir haben es ja nicht nur mit dem "natürlichen" Rauschen zu tun, sondern auch mit der Genauigkeit des A/D Wandlers und des Vorverstärkers. Die scheren sich beide erst mal nicht um die Signalhöhe, sondern liefern eine bestimmte Genauigkeit im Bereich einiger Elektronen ab. Die liegt bei guten DSLRs und CCDs im einstelligen Elektronenbereich (also z.B. 5 e-)
Um das Gezappel an einem Pixel zu quantifizieren, addiert man die Rauschquellen geometrisch (man bildet die Wurzel aus der Summe der Quadrate), da sich die zufälligen Abweichungen dadurch reduzieren, dass die Maximalauschläge ja nicht immer zusammenfallen.
Haben ZB zwei Größen je 10% Ungenauigkeit, haben sie in der Addition nur noch 14%.
Zurück zur Kamera: Nehmen wir obige Zahlen als Beispiel, zappelt bei einer Kamera mit 5 e- read noise das 100er Signal wie folgt:
Das Rauschen des Signals liegt bei 10 e-, die Kamera hat 5 e-
Im geometrischen Mittel habe ich Wurzel aus (100+25) , also ungefähr 11 e- Rauschen. Für das Verhältnis Signal zu Rauschen hab ich also durch die reale Kamera eine Änderung von 10 auf etwa 9.
Je höher das Signal wird, desto mehr ist das Ausleserauschen egal.
Bei 10000 Photoelektronen wäre das 100 zu 99.88, also völlig vernachlässigbar.
Unter Signal versteht sich hier übrigens die Gesamtsumme aus Objektlicht, Hintergrund und Dunkelstrom. Da kommt einiges zusammen. Und je mehr zusammen kommt, desto weniger fällt das Ausleserauschen des Sensors ins Gewicht.

Die ISO Einstellung ändert nun den Readnoise (warum, kann ich ein andermal erklären). Gleichzeitig halbiert sie aber mit jeder Stufe den zur Verfügung stehendenden Maximalausschlag.
Bei älteren DSLRs gibt es teilweise gar keine Verbesserung im Read Noise (siehe auch "echtes" und berechnetes ISO), bei den gängigen kleineren Modellen (1000d,450d,350d) fälltt der Read Noise von 20e- auf 5-8 e- herunter, bei den neuesten Modellen wurden auch schon fast 2 e- realisiert (habs nicht gemessen, klingt aber plausibel)
Nur : Sobald man sich im Bereich hoher Intensitäten bewegt, bringt dieser Gewinn im Read Noise eben kaum einen Effekt. Wenn ich aber die Belichtung früher abbrechen muss, weil der A/D Wandler in Sätttigung ist, wiegt die Einbuße in der Dynamik eben mehr.

war das jetzt zu weit off Topic ?

Hallo Andreas

Im großen und ganzen werden wir uns sicher einig.
Was mir fehlt in deinen Überlegungen ist der Himmelshintergrund. Darum trenne ich ganz strikt kurzbelichtete Aufnahmen von langen. Die übliche Literatur geht auch immer von der optimalen Vorgehensweise aus. Vielleicht setze ich das auch immer falsch voraus.

CS Frank

Hallo Andreas

Aber genau darauf zielt meine Kritik doch ab. Der Hintergrund ist immer da wenn wir über Astrofotografie sprechen.
Darüber hinaus sehe ich es genau andersherum. Der Himmelshintergrund macht vieles einfacher.
Norbert hat das auch mehrfach angesprochen.

CS Frank

Das ist mal eine schöne Arbeit, danke! Die frage nach dem Vergleich 1x10 Minuten zu 10x 1 Minute Verschlusszeit habe ich mir schon oft gestellt.
Das Problem dabei hatte ich mal mit einem Freund und seiner 6D eindrucksvoll gezeigt: Mit entsprechender ISO brauchten wir 5 Minuten Verschlusszeit und das Bild war so hell, dass man kaum noch Sterne erkennen konnte. Das konnte man in CS6 zwar abziehen, es sah aber danach zum kreischen aus.
Heißt, wenn man keinen pechschwarzen Himmel hat, ist ohnehin nach wenigen Minuten Schluss oder man stellt die ISO-Zahl sehr niedrig ein. Es entscheidet also doch hauptsächlich der Hintergrund...

Bis dann,

Michael

Sobald das Photonenrauschen des Hintergrundes größer ist als das Quantisierungsrauschen und / oder das Ausleserauschen, spielt die ISO-Einstellung für schwache Signale (am unteren Ende des Histogramms) keine Rolle. Am oberen Ende definiert aber die ISO-Einstellung die maximal nutzbare Dynamik. Je kleiner der ISO-Wert, desto größer die Dynamik. Fazit: Iso-Wert _immer_ so niedrig wie möglich einstellen. So niedrig wie möglich heißt für mich auch, daß möglichweise 1600 ISO oder gar 6400 ISO notwendig sein können, je nach Kamera und Einsatz.

<blockquote id="quote"><font size="1" face="Verdana, Arial, Helvetica" id="quote">Zitat:<hr height="1" noshade id="quote">da das Bild einfach schwarz bleibt, durch den riesigen Quantisierungsfehler.<hr height="1" noshade id="quote"></blockquote id="quote"></font id="quote">

Das galt früher, als noch mit 8 bit/Farbe digitalisiert wurde und das Ausleserauschen nicht größer war als 1 digit.

Gruß

ullrich