Es ist wohl allgemein bekannt, dass die Sensoren keine wählbare "Empfindlichkeit" haben wie Filme; doch man kann aus mehreren ISO-Einstellungen wählen. Was steckt hinter dieser Auswahl?
Die Brunnen auf dem Sensor sammeln die Photonen in Form von elektrischen Ladungen; jede Ladung wird dann in eine Zahl umwandelt durch den A/D Konverter; die resultierende Zahlen representieren die Beleuchtung der Brunnen. Diese Umwandlung kann mit unterschiedlichen "Feinheitsstufen" erfolgen.
Beispiel: die Umwandlung kann eine Zahl zwischen 0 und 49 erzeugen, d.h. zwischen 50 Stufen der Beleuchtung unterscheiden. Aber der Brunnen kann Tausende, ja Zehntausende Photonen gesammelt haben und wir sind nicht glücklich mit nur 50 unterschiedlichen Werten. So, wir verlangen, dass die Ladung in kleineren Einheiten "gezählt" wird und das Ergebnis als eine Zahl zwischen 0 und 199 liegt. Aber das Ergebnis ist immer noch eine relative kleine Zahl, wenn die Belichtung schwach ist, so wie verlangen dass die Ladung noch genauer ermittelt wird.
Dies könnte so weiter und weiter gehen, bis das Ergebnis der Konvertierung die Zahl der erfassten Photonen ist. Allerdings, als die Zählung in kleineren und kleineren Einheiten erfolgt, wird sie weniger zuverlässig, beeinflußt durch technischer Unvollkommenheiten; dies wird durch Geräusch sichtbar.
Diese hohen Zahlen (bis in die Zehntausende) per Pixel verlangen zu viel Speicher und Verarbeitungszeit von den digitalen SLRs, von denen ja erwartet wird, dass die mehrere Bilder per Sekunde erstellen und Hunderte auf einer Speicherkarte ablegen.
Daher schränken die DSLR Kameras die numerischen Ergebnisse auf viel kleinere Werte ein, z.B. auf 4095 (12-bit depth) oder auf 16383 (14-bit depth).
Die drastische Einschränkung der numerischen Pixelwerte zwingt den Photographer zu wählen zwischen "groben" Pixelwerte, die das gesamte Spektrum abdecken, und "feinen" Pixelwerte, die aber möglicherweise abgeschnitten werden. Die groben Pixelwerte werden duch die Einstellung niedriger "ISO Empfindlichkeit" gewählt; die hohen ISO-Einstellungen resultieren in feine Werte, die weniger zuverlässig (mehr geräuschig) sind.
Die Folge der "Feineinstellung" ist, dass stärkere Belichtung nicht wiedergeben werden kann; der maximale Pixelwert wird erreicht auch, wenn ein Brunnen nur zur Hälfte, zum Viertel oder noch weniger gefüllt is. Diese Tatsache wird berücksichtigt durch die niedrigere Beleuchtung bei höheren ISO Einstellungen; doch es kann passieren, dass trotz der niedrigeren Beleuchtung Bereiche überbelichtet erschienen, obwohl die Brunnen sehr weit von der vollen Kapazität sind. Daran ist nicht zu helfen mit diesen Kameras.
All das obige bezieht sich auf die Fälle von "echten" ISO-Werte, die unterschiedliche Ausbeutung der Ladung ergeben (
ISO gain). Die meisten gängigen DSLRs bieten solche ISO Einstellungen an, die keine unterschiedliche Ausbeutung ergeben (von einer "echten" ISO Einstellung), sondern nur numerische Manipulation in der Kamera oder in der Nachbearbeitung veranlassen.
Das folgende Bild zeigt die Histograms der Rawdatei einer ISO 200 Bild (fürchterlich unterbeleutet):
(Dies und die folgenden sind von 14-bit verlustfreien Aufzeichnungen, denn die representieren den Sachverhalt besser, als die 12-bit Versionen.)
Die x-Achse ist linear, die y-Achse ist logarihtmisch. Es sind 512 Spalten, jede Spalte representiert 32 Pixelwerte. Dies ist nicht fein genug, schauen wir eine genaue Version an; jeder Pixelwert wird durch eine Spalte representiert (aber nur ein 512 weiter Ausschnitt ist dargestellt):
Die schwarzen Balken/Lücken zeigen, dass bestimmte Pixelwerte nicht vorkommen im ganzen Bild. Dies zeigt, dass der A/D Konverter weniger, als 16383 unterschiedliche Werte erzeugt (offensichtlich abhängig vom Kanal, ich kann dies nicht erklären). Dies ist kein Problem, 13600 Werte sind mehr als genug. Die Bilddaten aller ISO Einstellungen bis zu 1600 siehen genau so aus. (Man kann die Histograms von einer Menge unterschiedlichen ISO Einstellungen und von unterschiedlichen Kameras anschauen
hier.)
Aber bei ISO 3200 passiert etwas interessantes:
und ISO 6400 ist noch mehr interessant:
ISO 3200 und 6400 haben keine zusätzliche Ausbeutung ergeben (im Vergleich zu ISO 1600). Die Pixelwerte sind aufgedünnt oder gestreckt.
Die Folge ist, dass
clipping bei viel weniger Beleuchtung entsteht als mit ISO 1600, ohne, dass ein Gewinn in den darken Bereichen realisiert wäre. In anderen Worten:
ISO 3200 verringert den dynamischen Bereich (was ist dynamic range auf Deutsch?) um einen Stop, und ISO 6400 um zwei Stops.
Man könnte denken, dass dies kein Problem darstellt, denn so hohe ISO Einstellungen werden nur bei sehr schlechter Beleuchtung verwendet; aber auch unter solchen Umständen können manche stärker beleuchtete Bereiche/Objekte vorhanden sein: das Fenster eines Zimmers, eine Lampe auf der sonst darken Straße, etc. Diese könnten möglicherweise gerettet werden bei ISO 1600, aber ISO 3200 kann all das vernichten.
(Wenn jemand JPEG erstellt in der Kamera, hat man keine Wahl - dies ist auch ein Argument für Rawdateiaufzeichnung.)
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Nun, es ist bald Mitternacht hier, ich gehe schlafen. Falls dies gewünscht wird, kann ich noch auf die Zwischenstop-ISOs (wie 500, 640, etc.) eingehen. ISO 100 ist ein gänzlich unterschiedliches Thema.
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Bemerkung: die meisten digitalen Mittelformats (MFDBs) speichern 16 Bits per pixel, immer in der "feinsten Einstufung", ohne ISO Auswahl (die bieten zwar ISO Auswahl an, aber sie beeinflußt nur die Nachbearbeitung). Diese Kameras können selten mehr als ein Bild per Sekunde erstellen, die Dateien sind sehr groß, und die Kameras sind sehr schwer (und ein bißchen teurer als z.B. ein D300).