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Grundlagen : Einfach Erklärt: Sensor-Dynamik, Blendenstufen und Bits (und Kerzen)

von Mo, 23.Juni 2014


Auf unserer Suche nach einfachen Erklärungen für komplexere Sachverhalte stoßen wir immer wieder auf ein paar fundamentale Grundlagen, die man als bekannt voraussetzen muss. Oder eben vorher klarstellen sollte. Darum geht es heute jetzt und hier um einen Zusammenhang zwischen Dynamik, Blendenstufen und Bits, der eigentlich ganz einfach ist...

Stellen wir uns einen dunklen Raum und ein paar Kerzen vor. Erst wenn wir eine Kerze anzünden können wir irgendetwas sehen. Und wenn wir zwei Kerzen anzünden wird uns der Raum doppelt so hell vorkommen. Damit wir den Raum ein weiteres mal doppelt so hell wahrnehmen, müssen wir 4 Kerzen anzünden. Und für die nächste Helligkeitsverdoppelung brauchen wir 8 Kerzen...

Tatsächlich bedeutet eine Verdoppelung der Raumhelligkeit immer auch eine Verdoppelung der gerade brennenden Kerzen. Eine Verdoppelung der Lichtmenge/Helligkeit entspricht auf der anderen Seite bei der Optik auch genau einer Blendenstufe. Will man also für eine Aufnahme einen Raum mit 16 Kerzen beleuchten, so ließe sich die selbe Helligkeit in der Aufnahme auch erzielen, wenn man 32 Kerzen anzündet und die BlendeBlende im Glossar erklärt um eine Stufe reduziert. Oder wenn man nur 8 Kerzen anzündet und die BlendeBlende im Glossar erklärt um eine Blendenstufe öffnet.

Auch Bits und Bytes basieren auf einem ähnlichen Zusammenhang, nämlich dass jedes zusätzliche BitBit im Glossar erklärt immer einer Verdoppelung des Wertes des vorhergehenden Bits bedeutet.

Die kleinste Einheit, die ein Computer kennt ist ein Bit. Sehr ähnlich wie unsere Kerze kann ein BitBit im Glossar erklärt nur zwei Zustände haben, nämlich 1 (Strom an) oder 0 (Strom aus). Nimmt man sich 2 Bits so kann man schon 4 verschiedene Zahlen/Kerzen (von 0 bis 3) durch die Zustände beschreiben:

0 0 : 0
0 1 : 1
1 0 : 2
1 1 : 3

Um noch größere Zahlen mit einzelnen Bits darzustellen, muss man entsprechend viele Bits zusammenfassen. Die nächst größere Einheit in der Computertechnik ist ein so genanntes Byte. Ein Byte umfasst acht BitBit im Glossar erklärt und kann bereits 256 Zahlen darstellen (von 0 bis 255):

0 0 0 0 0 0 0 0 : 0
0 0 0 0 0 0 0 1 : 1
0 0 0 0 0 0 1 0 : 2
0 0 0 0 0 0 1 1 : 3
0 0 0 0 0 1 0 0 : 4
0 0 0 0 0 1 0 1 : 5
0 0 0 0 0 1 1 0 : 6
0 0 0 0 0 1 1 1 : 7
0 0 0 0 1 0 0 0 : 8
0 0 0 0 1 0 0 1 : 9

1 1 1 1 1 1 0 1: 253
1 1 1 1 1 1 1 0: 254
1 1 1 1 1 1 1 1: 255


Nun lassen sich Bits für Menschen nicht sonderlich gut lesen: Mit Hilfe einer umgedrehten Zahlrenreihe aus Zweierpotenzen können wir jedoch etwas leichter den Zustand eines Bytes bestimmen:

128 64 32 16 8 4 2 1

Unter diese Zahlenreihe geschrieben lässt sich der Wert des Bytes 0 0 1 1 0 1 0 1 hiermit folgendermaßen bestimmen:



0 x 128 + 0 x 64 + 1 x 32 + 1 x 16 + 0 x 8 + 1 x 4 + 0 x 2 + 1 x 1 = 53

Das Byte 00000000 entspricht nach der selben Regel dem (dezimalen) Wert 0 während das Byte 11111111 den Wert 255 darstellt. Dies ist auch der größte Wert, den man mit 8 Bits auf diese Weise darstellen kann. Wollte man die Zahl 256 darstellen, so bräuchte man schon ein neuntes Bit.

Wir können also mit 8 BitBit im Glossar erklärt 256 verschiedene Helligkeitsabstufungen (von 0 bis 255) beschreiben, bzw. aufzeichnen.

Betrachtet man nur die Helligkeit im Raum, ohne die Anzahl der Kerzen zu sehen, so kann das Auge klar einen Unterschied zwischen keiner und einer Kerze wahrnehmen. Und auch den Unterschied zwischen 2 und 4 Kerzen, sowie einen Unterschied zwischen 64 und 128 Kerzen wird man deutlich erkennen, weil man diese Unterschiede als doppelt so hell wahrnimmt. Es bleibt immer der Helligkeits-Unterschied von einer Blendenstufe. Oder von einem zusätzlichen Bit.

Den Unterschied zwischen 127 und 128 Kerzen wird man dagegen kaum wahrnehmen. Und noch weniger den Unterschied zwischen 254 und 255 Kerzen. Um die nächste Verdoppelung der Raumhelligkeit bzw. Blendenstufe zu erreichen bräuchten wir schon 511 Kerzen, die sich gerade noch in 9 BitBit im Glossar erklärt darstellen ließen, und danach dann 1023 Kerzen, was dem maximalen 10 BitBit im Glossar erklärt Wert entspricht.

Und jetzt versuchen wir das Rad rund zu machen: Ein Sensor-Pixel (übrigens eindeutiger als Sensel bezeichnet), sammelt und zählt Photonen wie Kerzen. Je mehr Lichteinheiten er aufsammelt, desto mehr negativ geladene Elektronen (e-) gibt er ab. Der Zusammenhang zwischen eintreffenden Photonen und abgegebenem Strom ist linear.

Unsere Augen-Hirn-Kombination bzw unsere Wahrnehmung erfasst dagegen eine Zunahme an Helligkeit/Photonen dagegen logarithmisch. Eben wie die Zahlensprünge bei den Bits und Bytes. Die Veränderung von 8 auf 16 Photonen wird so ähnlich wahrgenommen, wie eine Veränderung von 512 auf 1024 Photonen. Und dieser Sprung (durch Verdoppelung oder Halbierung an Photonen) entspricht weitläufig dem, was man unter einer Blendenstufe versteht.

Um die Dynamik einer einzigen Blendenstufe aufzuzeichnen, braucht man nur 1 Bit. Es gibt nur hell oder dunkel. Um acht Blendenstufen linear aufzuzeichnen, benötigt man folglich 8 BitBit im Glossar erklärt, bzw ein Byte. Ein 12Bit Sensor kann in einer optimalen Situation 12 Blendenstufen messen. Und ein 14 BitBit im Glossar erklärt Sensor folglich 14 Blendenstufen.

Kameras, die behaupten mehr als 14 Blendenstufen erfassen zu können, müssen daher theoretisch einen Sensor besitzen, der mindestens ebenso viele Bits in seiner Analog-Digitalwandlung nutzt. Oder der seine Sensel nicht linear digitalisiert. Wer dies alles verstanden hat, dem können wir bald noch weitaus mehr Grundlagen zum Thema erklären.


    

[63 Leserkommentare] [Kommentar schreiben]   Letzte Kommentare:
CameraRick    19:48 am 26.6.2014
Hi Jungs, die Bluray besitze nicht ich, aber meine bessere Hälfte. Ich habe leider keinen Player im PC, aber ich werde mal versuchen am TV Fotos davon zu machen, oder so. Ja ich...weiterlesen
WoWu    23:27 am 25.6.2014
Vielleicht hat er ja 'ne Raubkopie :-(( (das war jetzt nicht ernst gemeint) :-) Aber durchaus möglich.
dienstag_01    23:13 am 25.6.2014
Die Frage war ja hier nicht, wie du und ich arbeiten, sondern warum auf einer BluRay speziell in Bildern mit Nebel Banding entsteht. (Die Frage kommt nicht von...weiterlesen
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