ISO - Hur funkar det egentligen?

[Allthatfun]

Att Iso är ett slags benämning på kamerans ljuskänslighet har jag förstått.
Men vad händer när jag ändrar iso på kameran? Resultatet av ändringen ser jag direkt i brusigare bilder, som jag å andra sidan inte kunde tagit på lägre iso.

På den analoga tiden hade väl iso något med kornstorleken på de ljuskänsliga partiklarna på filmen att göra, medans det på digitalkameran bara är en inställning. men resultatet blir liknande.

vitbalansen kan jag också ändra med ett enkelt menyval, men där kan jag jag ju ändra i efterhand(om jag kör råformat) men det funkar inte med isoinställningen. där måste man göra rätt från början.

Alltså rent tekniskt, vad händer i/med kameran när jag ändrar Iso ??

//Anders

 

[MrDip]

Höjning av ISO är ungefär som att vrida upp volymen på en förstärkare, om du gör det utan utan insignal hör du brus. Detta är en väldigt förenklad förklaring men det är ungefär samma sak.

 

[MrDip]

Det finns en kille här som är sjukt kunnig som kan förklara detta bättre, men i princip handlar det om att när du väljer högre ISO-tal förstärker du signalen vid utläsning från bildsensorn, du förstärker även det brus som finns vid bas ISO. Tror jag...

EDIT:
En kille = The_SuedeII

 

[froderberg]

Liknelsen med en bandspelare är bra tycker jag.

Om man har en stark signal från mikrofonen så märks bruset knappt. Men om signalen från mikrofonen är svag så måste man förstärka den och då ökar också grundbruset.

Både inom ljud- och fototeknik så används begreppet signal/brus-förhållande. Vid bas-ISO (som oftast är 100) så är avståndet mellan signal och brus som störst. (förutsatt att man exponerar rätt). Avståndet mellan brus och max-signal är tonomfånget, alltså hur stora skillnader mellan ljust och mörkt som kan fångas. Det kallas också dynamiskt omfång. Ju högre ISO desto sämre signal/brus-förhållande = lägre tonomfång och högre brus.

Med vissa kameror kan man strunta i ISO-reglaget på kameran och istället ljusa upp bilden vid råkonverteringen istället och då samma resultat. I andra kameror micklar tillverkarna en del med filerna för att hålla bruset nere och då blir det sämre att ljusa upp i efterhand.

Ska man vara riktigt korrekt så är det fel att använda begreppet ISO. Det gäller för film, men man har valt att använda samma begrepp digitalt. Likheterna är så stora att man inte behöver bry sig att det inte är äkta ISO.

En skillnad mot film-ISO är att det inte är lika viktigt hur mellantonerna exponeras eftersom det går att korrigera mer i efterhand. I en digital fil så är det mest känsliga när det ljusa blir helt utfrättm när färgvärdena är 255, 255, 255. Då finns det inget att rädda. Därför kan man ibland exponera efter de ljusaste partierna man vill återge och sedan ljusa upp mellantonerna i efterhand. Detta gick inte med diafilm.

The_SuedeII förklarar säkert det här ännu bättre

 

[Pajaspojken]

Det här är jag också nyfiken på. För hela förklaringen ligger inte i att det sker en förstärkning av signalen i efterhand - i sådana fall hade man ju likt TS tänker kunnat korrigera det i efterhand, precis som för exempelvis vitbalansen.

Själv funderar jag som så, att det nånstans måste handla om förändring av det dynamiska omfånget (vid sidan om ren förstärkning). Ifall sensorn skulle ha tillräckligt stort dynamiskt omfång vid bas-ISO skulle vi kanske inte ha nån nytta av olika ISO-inställningar (förutsatt att man inte fotar JPG). Kan det möjligen vara så att det dynamiska omfånget förskjuts i sensorn, när ISO ändras? Att man vid högre ISO får sensorn att koncentrera sig till den ljussvagare delen av omfånget, och på så sätt når lite längre än vid bas-ISO? Hm... Vore som sagt intressant att höra någon som har koll förklara hur det ligger till.

EDIT: Aha. Fröderberg skrev en massa också.

 

[MrDip]

Det här är jag också nyfiken på. För hela förklaringen ligger inte i att det sker en förstärkning av signalen i efterhand - i sådana fall hade man ju likt TS tänker kunnat korrigera det i efterhand, precis som för exempelvis vitbalansen.

Själv funderar jag som så, att det nånstans måste handla om förändring av det dynamiska omfånget (vid sidan om ren förstärkning). Ifall sensorn skulle ha tillräckligt stort dynamiskt omfång vid bas-ISO skulle vi kanske inte ha nån nytta av olika ISO-inställningar (förutsatt att man inte fotar JPG). Kan det möjligen vara så att det dynamiska omfånget förskjuts i sensorn, när ISO ändras? Att man vid högre ISO får sensorn att koncentrera sig till den ljussvagare delen av omfånget, och på så sätt når lite längre än vid bas-ISO? Hm... Vore som sagt intressant att höra någon som har koll förklara hur det ligger till.

EDIT: Aha. Fröderberg skrev en massa också.

Rätt. Det dynaminska omfånget sjunker när man skruvar upp iso, detta gäller tydligen för samtliga bildsensorer på marknaden.

 

[Grevture]

Det här är jag också nyfiken på. För hela förklaringen ligger inte i att det sker en förstärkning av signalen i efterhand - i sådana fall hade man ju likt TS tänker kunnat korrigera det i efterhand, precis som för exempelvis vitbalansen.

Faktum är att med många moderna kameror (t.ex. med Sonys mycket linjära sensorer) så fungerar det nästan så - du kan rent principiellt lika gärna fota på iso 100 och sedan dra upp i efterbearbetningen istället för att skruva på iso i kameran.

Själv funderar jag som så, att det nånstans måste handla om förändring av det dynamiska omfånget (vid sidan om ren förstärkning).

Nja, det hänger ihop. Tänk sä här: När du skruvar upp förstärkningen blir skuggorna ljusare och detaljer som finns där i informationen men som förut inte syntes börjar synas. Men, du flyttar samtidigt ned gränsen för var högdagrarna fräter ur (dvs blir så överexponerade att de inte längre innehåller information). Alltså, med högre iso minskar du omfånget upp till där högdagrarna fräter ur. Kort sagt, högre iso = mindre omfång.

Bas-iso för en sensor är helt enkelt där den har störst omfång. Och det sammanfaller inte alltid exakt med vad vi tänker på som bas-iso i kameran. En kamera där iso-skalan börjar på 100 kanske i verkligheten har ett bas-iso på säg 125, 160 eller 200. Iso-värden under bas-iso är samma som höjda värden, fast tvärtom - där resultatet att omfånget krymper är detsamma. Så man har egentligen inget att vinna på att skruva ned iso-inställningen under sensorn bas-iso. Det ger bara mindre omfång (fast ibland kan det ändå vara praktiskt att offra lite omfång för att få den tid och bländare man är ute efter).

Ifall sensorn skulle ha tillräckligt stort dynamiskt omfång vid bas-ISO skulle vi kanske inte ha nån nytta av olika ISO-inställningar (förutsatt att man inte fotar JPG).

I stort sett så ja.

Sedan är inte alla sensorer perfekt linjära och man gör dessutom en del smått hokus pokus för att anpassa en del sensorer för olika användningar. Ett exempel är ju att jämföra Nikon D800 som har en nästan linjär (Sony-baserad) sensor med ett enormt omfång på bas-iso med å andra sidan Nikon D4 där man tweakat sensorn lite efter dess målgrupp. D4 har ett mindre omfång på bas-iso (inte så prioriterat för press- och sportfotografer) medan den däremot lyckas behålla lite mer omfång högre upp i iso-skalan.

Iso på filmtiden kom ur verkligt olika egenskaper hos olika filmer. Medan sensorn är (rent fysiskt) exakt densamma vilket iso-värde vi än ställer in. Iso-värdet hos moderna linjära sensorer (man kallar dem ibland rent av "iso-lösa") är med andra ord till största delen bara en bekväm genväg - om man nu kör råfiler alltså.

 

[Pajaspojken]

Ja, jag har hört just såna saker sägas om Sonys senare sensorer. Det är ju bra förstås.

Och jag är helt med på det faktum att det dynamiska omfånget krymper när ISO ökas - det känns t o m självklart.

Det jag däremot inte förstår med detta, är hur vissa sensorer vid högre ISO-inställningar tycks förskjuta den undre gränsen (gränsen för hur mörka skuggor som kan registreras) längre ut på skalan, då ISO ökas. Alltså inte som Sonys sensorer (nästan) gör.

Hur tusan funkar det? Det är DET i alla fall jag undrar.

Jag slängde ihop en makalös liten illustration för att ytterligare precisera.

 

[Przemek]

Måste fråga en sak nu när vi pratar om ISO och förstärkning:

Testade att fota två bilder (i RAW) med min D700, med samma bländare och tid, men denna skillnad:

Bild 1 fotades på ISO 800
Bild 2 på ISO 200.

I lightroom importerade jag dem och gav bild 2 värdet +2 i exponering, så att de blev lika ljusa.
Till min förvåning så blev skuggorna i bild 1 rätt så mycket renare än de i bild 2 (med +2 exponering).
Fotar jag alltså en bild med ISO 800 istället för att fota den i ISO 200 och sen öka exponering i lightroom, så blir bilden renare.

Någon som vet hur det kommer sig?

 

[Pajaspojken]

Måste fråga en sak nu när vi pratar om ISO och förstärkning:

Testade att fota två bilder (i RAW) med min D700, med samma bländare och tid, men denna skillnad:

Bild 1 fotades på ISO 800
Bild 2 på ISO 200.

I lightroom importerade jag dem och gav bild 2 värdet +2 i exponering, så att de blev lika ljusa.
Till min förvåning så blev skuggorna i bild 1 rätt så mycket renare än de i bild 2 (med +2 exponering).
Fotar jag alltså en bild med ISO 800 istället för att fota den i ISO 200 och sen öka exponering i lightroom, så blir bilden renare.

Någon som vet hur det kommer sig?

Det är just precis den saken som jag själv också är ute efter. Uppenbart är, att ökning av ISO inte bara handlar om en förstärkning av signalen. Vad är det mer som sker?

 

[Grevture]

Måste fråga en sak nu när vi pratar om ISO och förstärkning:

Testade att fota två bilder (i RAW) med min D700, med samma bländare och tid, men denna skillnad:

Bild 1 fotades på ISO 800
Bild 2 på ISO 200.

I lightroom importerade jag dem och gav bild 2 värdet +2 i exponering, så att de blev lika ljusa.
Till min förvåning så blev skuggorna i bild 1 rätt så mycket renare än de i bild 2 (med +2 exponering).
Fotar jag alltså en bild med ISO 800 istället för att fota den i ISO 200 och sen öka exponering i lightroom, så blir bilden renare.

Någon som vet hur det kommer sig?

Generellt har det där att göra med att sensorn i D700 (som ju har några år på nacken) inte är lika linjär som de lite nyare sensorer som bland annat Sony byggt på senare år.

Många äldre sensorer (som den i D700) är lite olinjära en bit upp i iso-skalan och blir sen hyfsat linjära högre upp i skalan (dvs där är det enbart ren signalförstärkning efter utläsning). Om du gör motsvarande experiment med t.ex. iso 3200 vs iso 12800 som kommer nog resultatet vara mer linjärt.

Ytterligare andra har lite andra beteenden.

Att sensorerna inte är helt linjära hör nog ofta samman med att göra med att man så att säga bearbetar signalerna lite i själva sensorn eller under själva utläsningen av dem (t.ex. före eller under A/D-omvandlingen), dvs innan de sparas som rådata.

 

[Grevture]

Det är just precis den saken som jag själv också är ute efter. Uppenbart är, att ökning av ISO inte bara handlar om en förstärkning av signalen. Vad är det mer som sker?

Det här med helt linjära ("iso-lösa") sensorer är lite av ett ideatillstånd som man bara nyligen kommit riktigt nära (vi är ju inte till 100% där ens med de bästa sensorerna).

Innan man kommit dit har man hållt på och håller fortfarande på och fixar lite med utlästa data direkt i sensorn och/eller under A/D-omvandlingen. Kort sagt, rent praktiskt är det inte så att iso-skalan enbart är förstärkning, men till största delen är det så. Som jag nämnde i ett tidigare svar är ofta sensorer (eller rättare sagt de data vi läser ut från dem) olinjära i delar av sitt iso-omfång och mer linjära i andra. Om du ritar kurvor är det sällan några helt raka streck, det man uppnått med en del nyare sensorer (främst från Sony) är att de beter sig mycket nära linjärt under nästan hela känslighetsskalan.

Men om man skall ge ett enkelt och kort populärvetenskapligt svar på grundfrågan i den här tråden så kan man göra den lilla förenklingen att säga att iso-skalan handlar om förstärkning. Det är med en annan approximation ett sisådär till 90% korrekt svar

 

[Pajaspojken]

Det här med helt linjära ("iso-lösa") sensorer är lite av ett ideatillstånd som man bara nyligen kommit riktigt nära (vi är ju inte till 100% där ens med de bästa sensorerna).

Innan man kommit dit har man hållt på och håller fortfarande på och fixar lite med utlästa data direkt i sensorn och/eller under A/D-omvandlingen. Kort sagt, rent praktiskt är det inte så att iso-skalan enbart är förstärkning, men till största delen är det så. Som jag nämnde i ett tidigare svar är ofta sensorer (eller rättare sagt de data vi läser ut från dem) olinjära i delar av sitt iso-omfång och mer linjära i andra. Om du ritar kurvor är det sällan några helt raka streck, det man uppnått med en del nyare sensorer (främst från Sony) är att de beter sig mycket nära linjärt under nästan hela känslighetsskalan.

Men om man skall ge ett enkelt och kort populärvetenskapligt svar på grundfrågan i den här tråden så kan man göra den lilla förenklingen att säga att iso-skalan handlar om förstärkning. Det är med en annan approximation ett sisådär till 90% korrekt svar

Att det till största del handlar om förstärkning har jag nog också kunnat konstatera. Men det är det andra (de s k tio procenten) som är det intressanta - eftersom det inte känns självklart hur det faktiskt fungerar. Och den där extra informationen som utvinns ur skuggorna, vid högre ISO-tal, innebär en tämligen betydande effekt på bilden. Så det känns verkligen som en relevant fråga. Och relevanta frågor kräver svar! Hur ska vi annars kunna sova på nätterna??

 

[erro.se]

Man ska väl också komma ihåg att sensorn är analog (den samlar bara in ljus) och råfilen är digital. Någonstans på vägen sker en A/D-omvandling. Om vi "förstärker" signalen i tex LR så är det en helt digital förstärkning. Kameratillverkaren (eller sensortillverkaren) kan ju komma åt signalen i ett mycket tidigare skede, faktiskt redan som analog signal, och har därmed fler möjligheter att påverka den. Hur mycket sedan detta påverkar har jag ingen aning om, men Suede eller nån kan säkert det.

 

[eskil23]

Man ska väl också komma ihåg att sensorn är analog (den samlar bara in ljus) och råfilen är digital. Någonstans på vägen sker en A/D-omvandling. Om vi "förstärker" signalen i tex LR så är det en helt digital förstärkning. Kameratillverkaren (eller sensortillverkaren) kan ju komma åt signalen i ett mycket tidigare skede, faktiskt redan som analog signal, och har därmed fler möjligheter att påverka den. Hur mycket sedan detta påverkar har jag ingen aning om, men Suede eller nån kan säkert det.

I princip är det spänningen över sensorelementen som man ökar när man ökar ISO. Högre spänning = högre förstärkning.

 

[TTgH]

Som jag förstått det så består bruset av "shot noise" och "read noise".

Shot noise är den slumpmässiga fördelningen av fotoner, beror bara på totala mängden fotoner som registreras av kameran. (1000 fotoner per bild ger mer brus än 1000000000 fotoner per bild). Fysikens lagar och påverkas inte av ISO utan bara av bländare, slutare och effektiviteten hos sensorn.

Read noise är bruset som introduceras av sensorn. Read noise MINSKAR av att man höjer ISO. På "ISO-lösa" kameror (D600/D7000/D800 är de jag kommer på nu, D4 har högt read noise på bas-ISO, men väldigt lågt read noise på högre ISO ) så är read noise redan väldigt låg på bas-ISO så det spelar inte så stor roll att mixtra med ISO. Det är faktiskt bättre att ha för låg ISO för då kan man behålla mer högdagrar utan att de blir utfrätta*.
På D600 kan jag ta en bild på ISO 200 och dra upp exp 4 steg i PP och få näst intill identiska resultat både i mellandagrar och skuggor som om jag fotat bilden på ISO 3200 från början. Vid ISO100 (5 steg underseponerat) så ballade auto-WB ur (bilden var ju nästan svart) men efter lite justeringar av WB så var den också väldigt lik ISO 3200 bilden efter att ha ökat exponeringen 5 steg i PP.

Källa.
http://www.josephjamesphotography.com/equivalence/#noise
Klicka speciellt på hans länkar till sensorgens hemsida

* Man ska alltid försöka fånga så många fotoner som möjligt per bild men om man är begränsad i sitt val bländare och slutare så är det en bra ide att underexponera ett par steg m.h.a. ISO när man tar bilden och dra uppexponeringen i PP, för då kan man rädda högdagrar.






Edit:
Det här förklarar även Pajaspojkens diagram. Högre ISO = lägre read noise = fler mörka toner kan detekteras över brus-tröskeln. Om man inte har en ny sony-sensor då....

 

[erro.se]

Precis, men analog förstärkning kanske har nån finess som digital dito inte har? Och även tvärtom kanske? Som jag fattat det så har många kameror ett antal "vanliga" ISO-steg där analog hantering används, och sedan några "extended ISO"-lägen (ofta kallade HI-1, HI-2 osv) där ren digital förstärkning används. Nån skillnad borde det ju vara på dessa två metoder?

 

[Allthatfun]

Oj, helt fantastiskt! skriver en fråga sent på kvällen för att till frukost ha det "förenklade" svaret, det "fördjupade" svaret, samt några följdfunderingar redan besvarade.

Stort tack till alla som tagit sig tid att förklara, och jag kommer med stort intresse följa eventuella fortsatta inlägg.

//Anders

 

[Helmetrock]

Precis, analog förstärkning ger mindre brus än motsvarande digital förstärkning.

Sedan har vi som sagt det här med att man alltid får lika mycket ljus på sensorn vid samma bländare och samma tid oavsett ISO, att höja ISO är som att behöva späda ut för lite färg och måla en för stor tavla. Det är samma sak med ljuset, man tappar dynamiskt omfång och kvalité eftersom det helt enkelt inte räcker.

 

[TTgH]

Precis, analog förstärkning ger mindre brus än motsvarande digital förstärkning.

det var sant fram till D7000. I o m D7000 så är read noise så lågt att digital förstärkning fungerar i princip lika bra.

Det är också fortfarande sant för tex D4 och Canon kameror
http://www.sensorgen.info/NikonD800.html
vs
http://www.sensorgen.info/NikonD4.html
http://www.sensorgen.info/CanonEOS_5D_MkIII.html