in

ISO – invariantie



15 oktober 2015, 09:00

In dit artikel gaat Martijn in op een eigenschap van digitale camera’s die soms onderbelicht is: ISO invariantie. In het kort beantwoordt dit artikel de vraag of je beter tijdens de opname de ISO waarde kunt verhogen of juist beter achteraf in de RAW bewerking de belichting kunt verhogen.

Ruis door belichting

Een groot deel van ruis in digitale fotografie wordt al geïntroduceerd tijdens het belichten van de sensor. Bij het maken van een foto worden er fotonen verzameld op het sensoroppervlak. Je kunt elke sensor-site zien als een opvangbakje van fotonen. De fotonen komen niet als een perfect egale bundel binnen, maar ze vallen willekeurig verspreid op het sensoroppervlak. Deze verschillen in helderheid per pixel zie je terug als ruis. Voor ruis geldt: als het eenmaal aanwezig is zal het niet meer verminderen. Je kunt het verbloemen, maar dat heeft altijd zijeffecten. Details die verloren zijn gegaan door ruis zullen nooit meer terugkomen.

Hoeveelheid ruis

De hoeveelheid ruis ontstaan tijdens het belichten is afhankelijk van de hoeveelheid licht. Hoe meer licht er binnenkomt, hoe minder ruis. De hoeveelheid ruis ontstaan door belichting kun je verminderen door:
langere sluitertijd
groter diafragma
meer licht toevoegen aan de scene (bijvoorbeeld flitsen)

Let op dat het geen zin heeft de ISO waarde te verhogen voor ruis ontstaan tijdens de belichting. Aangezien de ISO waarde een versterking betreft zal dit niet leiden tot meer licht op het sensor oppervlak. Met het versterken van het beeldsignaal zal ook het ruis-signaal mee versterkt worden. De signaal/ruis verhouding zal in theorie dus gelijk blijven.

Hogere iso -> niet meer ruis

Eigenlijk is de veel voorkomende stelling dat een hoge ISO waarde meer ruis veroorzaakt dus verkeerd. Door een hoge ISO waarde gaat wel meestal de echte belichting omlaag. De lichtmeter zal namelijk een hoge ISO waarde compenseren door het diafragma te verkleinen of de sluitertijd te verkorten. Er vallen dan minder fotonen op het sensoroppervlak. Minder fotonen betekent meer belichtingsruis. Als je op de handmatige stand de ISO waarde verhoogd en de andere instellingen gelijk houdt zal er dus geen extra ruis geïntroduceerd worden. Wel wordt het dynamisch bereik verkleind door de ISO waarde te verhogen.

Toch levert een hogere ISO waarde in sommige gevallen een foto op met minder ruis dan wanneer het beeld in de nabewerking helderder is gemaakt.

ISO invariante camera’s

Als je een foto maakt, gaat een beeld door de volgende stappen. Elke stap heeft een beeld als input en een beeld als output. Dit is een versimpelde weergave van de werkelijkheid, maar voldoende voor dit onderwerp.

Scene -> belichting op sensor (diafragma en sluitertijd) -> versterker (ISO) -> analoog/digitaal omzetting -> RAW bestand -> JPEG bestand

Als de sensor een beeld vastlegt met een bepaalde signaal/ruis verhouding door belichting kan de signaal/ruis verhouding bij elke volgende stap op zijn best gelijk blijven. Maar meestal zal het beeld alleen meer ruis krijgen.

Een ISO invariante camera is een camera die, tijdens versterking en tijdens het omzetten van een analoog naar digitaal signaal, geen of meestal bijna geen ruis toevoegt aan het beeld. Dit betekent dat bij zo’n camera op de manuele stand alleen het verhogen van de ISO waarde weinig tot geen invloed heeft op de signaal/ruis verhouding. Of je nu op ISO 100 of ISO 800 werkt, de signaal/ruis verhouding blijft gelijk. Het signaal en de ruis worden namelijk met precies dezelfde factor versterkt.

Wel kan er door het verhogen van ISO clipping optreden. Als een pixel te veel versterkt is, kan deze pixel tijdens analoog-digitaal omzetting verzadigd raken. Je houdt nu dus minder dynamisch bereik over terwijl er geen verbetering van signaal-ruis verhouding is.

Bij een puur ISO-invariante camera is het dus voor de ruis theoretisch het beste om base ISO te gebruiken, dit is vaak ISO 100 of ISO 200. Base ISO is de ISO waarde waarbij er geen versterking toegepast wordt. Je legt hiermee het hoogste dynamisch bereik vast dat je camera kan vastleggen. Dit betekent wel dat je achteraf in de nabewerking van het RAW bestand de belichting vaak zult moeten verhogen en dat je op je camera een te donker beeld te zien krijgt. Natuurlijk is dit vaak niet praktisch. Maar in sommige gevallen is het belangrijk om de maximale beeldkwaliteit te bereiken. Zoals bijvoorbeeld bij melkwegfotografie.

100% ISO invariant

Camera’s zijn nooit 100% ISO-invariant. Nikon en Sony hebben echter een aantal camera’s die wel grotendeels ISO-invariant zijn. Deze sensoren zijn meestal pas ISO invariant na een paar ISO stops vanaf base ISO. Dat betekent dat het in dat geval wel zin heeft de ISO waarde iets te verhogen tot bijvoorbeeld ISO400. De rest van de helderheid zou je kunnen verhogen in de nabewerking. Zo houdt je het maximale dynamisch bereik met zo min mogelijk ruis over.

ISO variante camera’s

Bij een ISO variante camera levert de analoog/digitaal convertor in de laagste stops alleen maar ruis op. In de donkerste delen van een foto introduceert de A/D convertor dus extra ruis waardoor details in schaduwen verloren gaan.

Laten we een voorbeeld nemen van een camera die in de A/D convertor 2 stops aan schaduwdetails kwijt raakt. De sensor kon deze donkere gebieden nog vastleggen, maar ze verdwijnen in ruis tijdens omzetting naar een digitaal signaal. Bij de basis ISO zal dit in hooglichten dezelfde kwaliteit beelden opleveren als een ISO-invariante camera. Maar in de schaduwen zal er minder detail opgeslagen worden dan de sensor vastgelegd heeft, zelfs bij het gebruik van RAW.

De fotograaf kan er voor kiezen de ISO waarde met 2 stops te verhogen zodat de schaduwen ook boven de ruisdrempel van de A/D convertor uitkomen. Zo krijg je toch detail in de schaduwen te zien. Het signaal in de schaduwen dat wel op de sensor vastgelegd kan worden wordt dan verhoogd voordat het bij de A/D convertor komt. De schaduwdetails vallen nu dus boven de ruis-drempel van de A/D convertor. Uiteraard komen nu de hooglichten boven de clipping drempel want het dynamisch bereik zal niet verbeteren. Er gaat dus detail verloren in de hooglichten. Effectief houd je nu 2 stops minder dynamisch bereik over, maar de schaduw details zijn terug.

Dit schaduwdetail zou je nooit meer kunnen terughalen in de nabewerking, want het is immers grotendeels verloren gegaan tijdens A/D conversie. Met een ISO variante camera is het dus belangrijk om de helderheid van de foto met behulp van de ISO waarde goed te krijgen tijdens het maken van de foto en niet achteraf. Dit levert het minste ruis op.

Het voorbeeld met een ruisdrempel van 2 stops is dus een camera die ISO variant is tot en met ISO 400. Daarboven, vanaf ISO 800, kun je deze camera ook ISO invariant noemen. Vanaf ISO 800 win je dus nog steeds de 2 stops details in de schaduwen, maar je verkleint het dynamisch bereik omdat de hooglichten gaan vollopen.

Vergelijkend voorbeeld

Vergelijkend voorbeeld: ISO invariantie van een Nikon D750 vs een Canon 6D
Om het effect te illustreren zocht ik, vriend en eigenaar van een Nikon D750, Jasper Mandos op. Samen maakten we een serie foto’s van precies dezelfde positie met een 70 mm brandpuntsafstand. Eerst met de Canon 6D en vervolgens met de Nikon D750.


Testopstelling

Een belichting van ISO 6400 f/8 en 1/15 seconde is het uitgangspunt. Dezelfde foto maakten we nog eens 7 keer, steeds door de ISO waarde te halveren, ofwel 1 stop te verlagen. De andere instellingen hielden we gelijk. De foto’s worden dan dus steeds donkerder. In Lightroom maakten we de belichting weer gelijk. De Canon en Nikon camera’s laten een vergelijkbare ruis zien bij ISO 6400. Hierin zijn beide camera’s erg goed. Het grote verschil laat zich echter zien als we de ISO gaan verlagen om in de nabewerking pas de belichting te corrigeren.

Bij de Canon zijn de foto’s gemaakt met ISO 50 en 100 niet meer te redden. Er is nog wel wat detail te zien, maar de hoeveelheid ruis wordt onprettig. ISO 400 met 4 stops correctie komt al iets meer in de richting, maar laat nog aardig wat ruis zien. ISO 800 wordt al acceptabel. Maar we zien dat de foto’s vanaf ISO 1600 en hoger vergelijkbaar zijn wat ruis betreft. Deze camera zou je dus ISO invariant kunnen noemen vanaf ISO 1600.

De Nikon laat hier echter zijn kracht zien. De foto met ISO 50 met maar liefst 7 stops digitale correctie laat eigenlijk best een nog bruikbaar beeld zien. Bij verhoging naar ISO 100 is het beeld nog vergelijkbaar. ISO 200 is al erg netjes. Maar bij ISO 400 en 4 stops digitale correctie is de foto amper te onderscheiden van ISO 6400. Deze camera is dus ISO invariant vanaf ISO 400. Dit betekent dat je in de nabewerking behoorlijk wat ruimte hebt om detail uit de schaduwen terug te halen bij onderbelichting.

Canon 6D

Klik op afbeelding voor grotere weergave.

Nikon D750

Klik op afbeelding voor grotere weergave.

Tot slot

Het helpt om je bewust te zijn van de werking, tekortkomingen en sterkten van je camera. Dit geldt ook voor ISO invariantie. Het is fijn te weten dat je best wat speelruimte in de nabewerking hebt bij onderbelichting.

Vanaf de ISO invariantie drempel maakt het voor ruis dus eigenlijk niet veel uit of je de ISO verhoogt tijdens het maken van de foto of pas in de nabewerking. Tot en met die drempel is het altijd beter om de ISO waarde te verhogen in de camera en zo min mogelijk in de nabewerking.

Probeer zelf deze drempel te bepalen voor je eigen camera met een vergelijkbare test opstelling. Als je een foto wilt maken met een maximaal dynamisch bereik en zo min mogelijk ruis gebruik je dus het beste de gevonden ISO waarde en je neemt voor lief dat je foto’s in de camera te donker zijn. Dit corrigeer je in de nabewerking. Je loopt dan niet het risico dat je dynamisch bereik inlevert al bij het maken van de foto.

Mis niks met de wekelijkse Zoom.nl nieuwsbrief!

E-mailadres

Review Sony HX90V

Review: Jinbei HD600 draadloze studioflitser