Blog

Sensorgeflüster: Von ISO bekommt man nie genug

Moderne Sensoren erlauben Aufnahmen mit extrem hohen ISO-Werten bei immer noch mäßigem Rauschen, aber manche kriegen nie genug und fordern weitere Steigerungen der Empfindlichkeit. Doch ist das überhaupt realistisch?

In der guten, alten, analogen Zeit legte man einen ISO-1600-Film – damals sagte man 33 DIN – nur ein, wenn es gar nicht anders ging. Die sichtbare Körnigkeit solcher Filme nahm man hin, oder erklärte sie trotzig zum Stilmittel. Heute liegt ISO 1600 noch an der Grenze des Empfindlichkeitsbereichs, den man ohne große Bedenken nutzen kann, denn das bisschen Rauschen, das dabei entsteht, bekommt eine gute Rauschunterdrückung in den Griff. Die Grenze aktueller Kameramodelle ist erst bei mehreren hunderttausend ISO erreicht – die Bildqualität ist dann zwar jenseits von Gut und Böse, aber man bekommt immer noch eine erkennbare Abbildung seines Motivs.

In Fotoforen lese ich dennoch oft von der Hoffnung, neue Modelle möchten Aufnahmen mit noch höheren ISO-Werten bei weniger Rauschen ermöglichen – teilweise in vorwurfsvollem Ton vorgetragen, so als gäbe es an der Leistung von Sensoren nach dem Stand der Technik etwas zu meckern. Wie stehen die Chancen, dass sich solche Wünsche erfüllen?

Moderne CMOS-Sensoren sind bereits so rauscharm, dass im Sensor selbst kaum noch Rauschen entsteht. Das Dunkelstromrauschen ist ebenso wie das Ausleserauschen auf ein Minimum reduziert. Im hohen ISO-Bereich ist es das Photonenrauschen, also das Rauschen des Lichts selbst, das hier dominiert, und das lässt sich nicht durch technologische Kniffe reduzieren – weniger Rauschen erfordert mehr Licht, und mehr Licht gibt es nur mit niedrigeren ISO-Werten.

Sensorgeflüster: Von ISO bekommt man nie genug
CMOS-Sensoren mit rund 60 Megapixeln im Kleinbildformat sind aktuell Stand der Technik. (Foto: Sony)

Nehmen wir beispielsweise Sonys Kleinbildsensor IMX 551 mit rund 60 Millionen Pixeln in einem 3,76 Mikrometer weiten Raster – Pixel dieser Größe verwendet Sony in Sensoren aller gängigen Formate von Micro-FourThirds bis zum Mittelformat. Der Ladungsspeicher eines solchen Sensorpixels fasst bis zu 52.000 Elektronen, bevor er überläuft. Das gilt wohlgemerkt, wenn man den Sensor bei seiner Grundempfindlichkeit von ISO 100 belichtet. Wählt man stattdessen einen extremeren Wert wie ISO 104.000, dann reduziert sich die Kapazität eines Pixels auf 52.000 × 100 / 102.400 = 50 Elektronen. Dem entspräche rechnerisch ein Dynamikumfang von 5,64 EV, aber tatsächlich ist er geringer, weil das Signal vom Photonenrauschen überdeckt wird. Einem mittleren Grauwert entsprächen 7 Elektronen, und das Verhältnis von Signal zu Rauschen beträgt dann nur noch 2,66/1. Vorausgesetzt, dass der Sensor dem Photonenrauschen nicht noch eigenes Rauschen hinzufügt, was er tatsächlich kaum tut.

Mit den Mitteln der Sensortechnologie lässt sich hier nichts mehr verbessern. Aber das heißt nicht, dass man gar nichts mehr tun könnte. Smartphones machen es vor: Mit einem elektronischen Verschluss kann man den Sensor mehrmals in schneller Folge belichten und auslesen und die Bilddaten dann miteinander verrechnen. Auf diese Weise simuliert man eine längere Belichtung, die mehr Licht einfängt, und dementsprechend steigen Dynamikumfang und Rauschabstand. Das gelingt naturgemäß nur, wenn sich zwischen den Belichtungen nichts verändert. Neuere, auf neuronalen Netzen basierende Rauschunterdrückungsverfahren können das Rauschen unterdrücken und Details hervorheben. Solche Netze sind darauf trainiert, realistische Bilddetails zu rekonstruieren, nicht jedoch typische Rauschstrukturen. Das funktioniert auch recht gut, nur gibt es mit steigendem Rauschen immer weniger Sicherheit, dass die vom neuronalen Netz vermeintlich erkannten Details auch eine reale Entsprechung haben.

Die digitale Kameratechnik hat in den letzten Jahren gewaltige Fortschritte gemacht, den Bereich hoher und höchster ISO-Werte zu erschließen, wovon man in der analogen Zeit nur träumen konnte. Wir sind aber mittlerweile an einem Punkt angelangt, an dem die bislang so erfolgreichen Strategien nicht länger verfangen.

Zeig mehr

Michael J. Hußmann

Michael J. Hußmann gilt als führender Experte für die Technik von Kameras und Objektiven im deutschsprachigen Raum. Er hat Informatik und Linguistik studiert und für einige Jahre als Wissenschaftler im Bereich der Künstlichen Intelligenz gearbeitet.

Ähnliche Artikel

2 Kommentare

  1. Wenn man die grossen Fotos der Meister sieht, die oft im Schatten entstanden, hält man mehr als 800 ASA für überflüssig. Aber Spezialfälle wie Downhill-Abfahrten durch den Wald sind damit nicht mehr scharf zu kriegen. Etwas Schärfentiefe braucht man eben auch bei schneller AF.
    Eine Herausforderung sind klassische Musiker in ihren dunklen Anzügen und blinkenden Blech-Instrumenten. Meist kommt die Beleuchtung von oben, sodass die Partitur hell erscheint, die Augen jedoch im Dunkeln liegen. Kürzlich sollten bei 3200 ISO und Blende 4 – für etwas Schärfentiefe – lediglich 1/20s möglich sein. Da sind die 25.000 ISO einer Sony 7S III schon eine Hilfe. Damit sind 17160 s möglich.
    Aber das sind natürlich Ausnahmen.

Schreibe einen Kommentar

Schaltfläche "Zurück zum Anfang"