Unterschied 12-Bit / 14-Bit

[volkerm]

NACH der AD-Wandlung, das betrifft nur die Datenmenge die auf die Speicherkarte geschrieben wird.
Der Sensor liefert Spannungswerte, analoge Daten. Möchte ich die Farbtiefe digital um 1 Bit erhöhen brauche ich zuvor 4x soviele Spannungswerte die verarbeitet und letztendlich in digitale Zahlenwerte übersetzt werden müssen.

Das ist eine verwirrende Darstellung, die für wenig Sinn ergibt.

Die D/A Wandlung ist bei der D300 auch schon auf den Sensor-Chip integriert, und da stehen dann eben 14bit zur Weiterverarbeitung im magischen EXCEED Signalprozessor an anstatt 12bit. Da hat sich der Nikon Mitarbeiter mit der vierfachen Datenmenge einfach nur verrannt.

 

[ThomasNRW]

Im erwaehnten Forum wird ebenfalls bezweifelt, dass wir von der 4-fachen Datenmenge sprechen ...
Koennte also einfach einer der "Standard" Antworten von Nikon sein :-/

Der Ablauf scheint bei 14 Bit ungefaehr so auszusehen:

Pause - Klick - Pause - Klick

Bei 12 Bit sieht das so aus:

Klick - Klick

Die Pause zwischen den Klicks (Mirror Up, Mirror Down, schaetze ich mal), kann man sich ja noch erklaeren - "irgendwie" werden halt mehr Daten transportiert.
Eine Idee war, dass intern 4 Frames erzeugt werden, aber die Quintessense scheint zu sein, dass die zusaetzlichen Bits eher durch eine weitere Minimal-Belichtung erzeugt werden ("Staging").

Die Frage ist aber, welchen Zweck die Pause am Anfang hat - genau sie ist es ja auch, die die Ausloese-Verzoegerung bewirkt.
Und die fuehrt zu einer merklich langsameren Reaktion der Kamera - man loest einfach spaeter aus, als man denkt.
Sichtbar wird das schnell, wenn man mit Blitz fotografiert, oder aber etwas "schnelles" und dann die gewuenschte Komposition nicht im Bild wiederfindet.

Den Effekt mit dem Blitz und den geschlossenen Augen hatte ich bereits bei meiner grossen Portrait-Session neulich - bei zwei Frauen hatte ich fast ausschliesslich geschlossene Augen! Ich bin mir fast sicher, dass das bei 12 Bit nicht geschehen waere ...

Ich bin jedenfalls wieder auf 12 Bit zurueckgegangen!

 

[Georg1971]

Das ist eine verwirrende Darstellung, die für wenig Sinn ergibt.

Die D/A Wandlung ist bei der D300 auch schon auf den Sensor-Chip integriert, und da stehen dann eben 14bit zur Weiterverarbeitung im magischen EXCEED Signalprozessor an anstatt 12bit. Da hat sich der Nikon Mitarbeiter mit der vierfachen Datenmenge einfach nur verrannt.

Ich denke nicht, dass er sich verrannt hat, denn der A/D-Wandler unterliegt ja schliesslich auch einem Systemtakt und braucht für 4x Analogwerte natürlich auch 4x Zeit zum Wandeln. Ausserdem antwortete ich auf den Einwand von "Norden" und auch er bezieht seinen Post explizit auf den A/D-Wandler.

Alles andere macht auch irgendwie keinen Sinn. Die längere Auslöseverzögerung und Sucherverdunkelung sind deutlich wahrnehmbar und sicher nicht dadurch zu erklären, dass lediglich zwei Nullen oder Einsen mehr geschrieben werden müssen. Das Jpeg, dass dabei erzeugt wird unterliegt ja nur max. 8 Bit.

 

[Norden]

duales- oder binäres Zahlensystem:
1 Bit = Wert 2 hoch 0 (1)
2 Bit = Wert 2 hoch 1 (2)
3 Bit = Wert 2 hoch 2 (4)
4 Bit = Wert 2 hoch 3 (8)
usw...
Eine Steigerung um 1 Bit ergibt eine doppelte Datenmenge, um 2 Bit eine Vierfache.

Sorry, aber das ist einfach Quatsch. Eine Steigerung um ein Bit verdoppelt die Anzahl der möglichen Werte die eine Binärzahl annehmen kann. Eine Verdoppelung der Datenmenge liegt nur dann vor, wenn die Binärzahl vorher eine Länge von einem Bit hatte.
Genausowenig verdoppelt (bzw. vervierfacht) sich die analoge Datenmenge, da es sich um genau ein analoges Signal (nämlich eine Spannung, die der Sensor liefert) handelt. Das einzige was sich vervierfacht ist die Anzahl der Quantisierungsstufen, in die der A/D-Wandler das analoge Signal zerlegt, um es in einen digitalen Bitstrom zu zerlegen.

Da es sehr viele verschiedene Möglichkeiten gibt, wie ein A/D-Wandler funktioniert und ich weder weiss, wie es die D300 macht, noch wie die einzelnen A/D-Wandler genau funktionieren, halte ich die Aussage: "vierfache Quantisierungsgenauigkeit = vierfache Zeit für die Quantisierung" einfach für ziemlich fragwürdig.

Wenn du genaueres weisst, dann teile es gerne mit. Würde mich wirklich interessieren. Aber bitte keine Besserwisseraussagen ohne notwendiges Fundament.

 

[Norden]

Habe gerade in Wikipedia gestöbert und versucht, etwas über A/D-Wandler zu lernen. Wie gesagt gibt es viele verschiedene Methoden der Quantisierung, aber da ich nicht weiss, welche eingesetzt wird, ist es müssig, sich jetzt alle reinzuziehen und zu verstehen.
Aber, es gibt z.B. die Gruppe der "Bitweisen Umsetzer". Hierzu lässt sich folgendes finden:

Für jedes Bit an Genauigkeit benötigt ein einfacher ADU jeweils einen Taktzyklus Umsetzungszeit.

D.h., es nicht im geringsten zwangsläufig gesagt, dass eine Vervierfachung der Quantisierungsgenauigkeit eine Vervierfachung der benötigten Takte mit sich zieht. Im Fall einer bitweisen Umsetzung wäre es halt auch nur eine Verlängerung auf 14/12. Und ich glaube kaum, dass Nikon einen A/D-Wandler einsetzt der für 2 Bit mehr Genauigkeit die vierfache Zeit braucht.

 

[maikm]

Bei dem in der D300 verwendeten Sony Sensor ist nur der 12-Bit ADC on chip. Der Chip unterstützt aber auch externe ADC, und auf einen solchen schaltet die D300 dann wohl um, wenn man 14 Bit wählt. Das ist dann chipseitig mit niedrigerem Takt verbunden, um weitere Störquellen auszuschließen. Daher die niedrigere Bildrate.

Vergesst das mit den Datenmengen. Expeed wird ohnehin intern aus alignment-Gründen mit 16 Bit rechnen.

Maik

 

[Retina]

Genausowenig verdoppelt (bzw. vervierfacht) sich die analoge Datenmenge, da es sich um genau ein analoges Signal (nämlich eine Spannung, die der Sensor liefert) handelt. Das einzige was sich vervierfacht ist die Anzahl der Quantisierungsstufen, in die der A/D-Wandler das analoge Signal zerlegt, um es in einen digitalen Bitstrom zu zerlegen.

Nur fürs Protokoll: die Spannung des Sensors ist ebenfalls stark (= erkennbar) quantisiert.

Habe gerade in Wikipedia gestöbert und versucht, etwas über A/D-Wandler zu lernen. Wie gesagt gibt es viele verschiedene Methoden der Quantisierung, aber da ich nicht weiss, welche eingesetzt wird, ist es müssig, sich jetzt alle reinzuziehen und zu verstehen.
Aber, es gibt z.B. die Gruppe der "Bitweisen Umsetzer". Hierzu lässt sich folgendes finden:

Dann schaue Dir mal das Prinzip der Zählverfahren genau an. Dort ist die Konversionszeit proportional zum Wertebereich. => 2 bits mehr führen zur Vervierfachung. Dort steht bei den Vorteilen der Zählverfahren, dass der Schaltungsaufwand gering ist. Bei der D200 hatten wir vier Auslesekanäle, bei der D300 sind es tausende... Liegt da nicht der Schluss nahe, dass sich die Komplexität der Ausleseelektronik und damit das Prinzip auch verändert haben muss?

D.h., es nicht im geringsten zwangsläufig gesagt, dass eine Vervierfachung der Quantisierungsgenauigkeit eine Vervierfachung der benötigten Takte mit sich zieht. Im Fall einer bitweisen Umsetzung wäre es halt auch nur eine Verlängerung auf 14/12. Und ich glaube kaum, dass Nikon einen A/D-Wandler einsetzt der für 2 Bit mehr Genauigkeit die vierfache Zeit braucht.

Nicht zwangsläufig, aber naheliegend finde ich es schon.

Bei dem in der D300 verwendeten Sony Sensor ist nur der 12-Bit ADC on chip. Der Chip unterstützt aber auch externe ADC, und auf einen solchen schaltet die D300 dann wohl um, wenn man 14 Bit wählt. Das ist dann chipseitig mit niedrigerem Takt verbunden, um weitere Störquellen auszuschließen. Daher die niedrigere Bildrate.

In einen früheren Beitrag hattest Du ´mal geschrieben, dass die in den Nikon Kameras verwendeten Chip nikonspezifische Modifikationen gegenüber den veröffentlichten Sony Datenblättern haben. Das scheint mir ganz plausibel und könnte den Ausleseteil betreffen. Dort ist mit wenig Aufwand eben genau die Modifikation von 12 auf 14 Bits bei Vervierfachung der Digitalisierungzeit möglich. Die Taktrate ist dabei gleich, lediglich die Rampe wird langsamer durchgefahren.

Der einzige Haken bei der Sache ist, dass es das veränderte Auslösegeräusch nicht erklärt, da die längere Digitalisierungzeit nicht notwendigerweise einen Einfluss auf die mechanische Ablaufsteuerung hat...

Gruß,
Burkhard

 

[ThomasNRW]

Der einzige Haken bei der Sache ist, dass es das veränderte Auslösegeräusch nicht erklärt, da die längere Digitalisierungzeit nicht notwendigerweise einen Einfluss auf die mechanische Ablaufsteuerung hat...

Vor allem erklaert es nicht die Pause am Anfang - also die Ausloese-Verzoegerung.

Im oben angegebenen Link wird vermutet, dass der Sensor erst noch "gesaeubert" wird, also von Bits - um eine bessere und exaktere Datenbasis fuer die 14 Bit zu erhalten ...

 

[Norden]

Nur fürs Protokoll: die Spannung des Sensors ist ebenfalls stark (= erkennbar) quantisiert.

Ok, was aber nichts daran ändert, dass es sich um ein (analoges) Signal handelt.

Dann schaue Dir mal das Prinzip der Zählverfahren genau an. Dort ist die Konversionszeit proportional zum Wertebereich. => 2 bits mehr führen zur Vervierfachung. Dort steht bei den Vorteilen der Zählverfahren, dass der Schaltungsaufwand gering ist. Bei der D200 hatten wir vier Auslesekanäle, bei der D300 sind es tausende... Liegt da nicht der Schluss nahe, dass sich die Komplexität der Ausleseelektronik und damit das Prinzip auch verändert haben muss?

Das bestreite ich auch nicht. Mir ging es nur darum, dass sich die benötigte Zeit bei 2 zusätzlichen Bits nicht zwangsläufig vervierfachen muss. Und solange wir nicht genau wissen, nach welchen Prinzip der ADC arbeitet, bleibt halt alles Spekulation.

Meine Aussagen bezogen sich übrigens auch auf die Aussage des Nikon-Mitarbeiters, dass sich mit zwei zusätzlichen Bits die Datenrate vervierfacht. Ob es jetzt Ungenauigkeit in seiner Aussage oder schlichtweg Unwissenheit war, kann ich nicht sagen - so stimmt das jedenfalls nicht. Und wie wir jetzt wissen, dürfte sich die Verarbeitungsdauer der digitalen Daten gar nicht verändern, wenn man von 12 auf 14 Bit geht, weil der Expeed-Prozessor intern eh mit 16 Bit rechnet.

Sind wir jetzt eigentlich schlauer oder nur etwas weniger verwirrt?

 

[JackMcBeer]

Im oben angegebenen Link wird vermutet, dass der Sensor erst noch "gesaeubert" wird, also von Bits - um eine bessere und exaktere Datenbasis fuer die 14 Bit zu erhalten ...

Wahrscheinlich von Spannungsabfällen, die sich noch irgendwo im Bayer-Raster verfangen haben....


jan.

 

[ThomasNRW]

Wahrscheinlich von Spannungsabfällen, die sich noch irgendwo im Bayer-Raster verfangen haben....

Schon wieder so ein Posting ... dass den Leuten nicht langweilig wird.
Offenbar reagiere ich mehr und mehr empfindlich - siehe unten.

On Topic: Nein, ich sprach vom Rauschen - eine Vorbereitungs-Phase, um genau dieses moeglichst zu verringern.

Hier ein Zitat aus der dpreview-Diskussion, vielleicht wird es dann deutlicher:

I think this satisfies my desire to have the A/D distributed between the sensor and the processor. All that Nikon has to do to make a 14-bit A/D is to count to 16,384 instead of 4096 when they create the ramp. However, it's not that simple. They still need to get GOOD 14-bit data. Thus I think they start by more tightly specifying the sensor...ie, Nikon takes the better sensors. Then, the EXPEED processor slows the ramp down to allow electronic noise to settle before reading the comparator outputs. Plus, they are doing something mysterious at the beginning...perhaps letting the sensor cool off...perhaps removing any stray electrons folating around in the substrate.

Edit: Habe initial negativ auf Dein Posting reagiert - daher die kleine Korrektur im Ausdruck
Nimm´s bitte nicht persoenlich - es gibt regelmaessig Antworten dieser Art in etlichen Topics und meine Reaktion darauf wird immer negativer.

 

[JackMcBeer]

Schon wieder so ein konstruktives Posting - das den Leuten nicht langweilig wird. Aber was erwarte ich bei dem Nick auch ...

Danke für die Blumen.


Btw: und Du meinst ernsthaft, dass sich da gemütlich noch ein paar Elektronen tummeln und Däumchen drehen?

Sorry, aber solchen Nonsens hab ich selten gehört. (Edit: Nicht gegen Dich, Du hasts ja nicht verfasst.)
Das das irgendjemand bei dpreview geschrieben hat, steigert auch nicht unbedingt die Glaubwürdigkeit.

Es wird ja wohl kein Problem sein, die Schaltung im unbenutzten Zustand, zwischen den Aufnahmen oder davor, wie es bei allen Schaltungen üblich ist, in einem definierten Zustand zu halten und nicht erst vorher mal "die vagabundierenden Elektronen rauszukehren". Und warum soll das bei 14bit notwendig sein und bei 12bit nicht?

Ich denke, der Grund liegt woanders.
Bin aber auch kein Mikroelektroniker. Als ich mich damit noch ernsthaft damit befasst habe gabs noch die DDR-Mikroelektronik, die war einfach nicht kleinzukriegen (Stichwort: Eigenbaucomputer, also nicht nur zusammengesteckt, sondern Leiterplatte geäzt und selbst bestückt, Tastatur aus einem alten Fernschreiber zusammengebastelt etc.)!

jan.


Edit: danke für die pn, keine Ursache, ich reagiere da schon länger etwas gelassener. Sind in letzter Zeit wohl alle etwas gereizter: Nokia, Börsencrash, Rauchverbot, Tempolimit, neue unbezahlbare Linsen etc. Schon nicht einfach...

 

[maikm]

Btw: und Du meinst ernsthaft, dass sich da gemütlich noch ein paar Elektronen tummeln und Däumchen drehen?

Bißchen leger formuliert, aber im Prinzip ja, soweit ich das verstehe. Die wells müssen auf Null Ladung gebracht werden, bevor die Photonen drauf losgelassen werden können. Das kann man mehr oder weniger sorgfältig tun. Was genau dann "mehr oder weniger sorgfältig" bedeutet, wissen allerdings vermutlich nur die eingefleischten Ingenieure dieses Gebietes, tut aber nichts zur Sache; jedenfalls wird tendenziell die benötigte Zeit mit höherer Sorgfalt steigen müssen.

Und warum soll das bei 14bit notwendig sein und bei 12bit nicht?

Weil die zusätzlichen zwei Bit die niederwertigsten sind. Wo bei 12 Bit noch keine Rolle spielt, ob da ein paar einzelne Elektronen noch flattern, gelten bei 14 Bit vierfach höhere Anforderungen an die Genauigkeit. Wozu vierfache Genauigkeit beim Auslesen, wenn man nicht auch für ein entsprechend sauberes Signal sorgt? Sonst würden die zusätzlichen 2 Bit ja nur Rauschen enthalten.

Maik

 

[JackMcBeer]

Ich seh das eigentlich etwas anders:
Wir haben einen Objektumfang von 100% vom hellsten zum dunkelsten Punkt. Daraus pickt sich jetzt der Sensor einen Bereich heraus (der Sensor hat nur einen bestimmten Bildumfang), der durch Blende und Bel.Zeit festgelegt ist.
Und dieser Bereich wird nun während der A-D Wandlung bei 8bit in 256 Stufen je Kanal zerlegt, bei 12bit in 4096 und bei 14bit eben dann in 16384 Stufen. Und da gibts eben erheblich mehr zu rechnen. Der Bildumfang wird nicht größer, "nur" die Feinheit der Abstufung (die man an einem mit 8bit arbeitenden Monitor theoretisch nicht mal sehen kann, gedruckt wird auch nur mit 8bit).
Ich denke mal, ihr lasst Euch von den Bit zusehr irritieren, die Anzahl der Bit hat doch nur mit der Speicherung zu tun, der springende Punkt ist doch die Auflösung, bzw. die Abtastung des Ausgangssignales in entsprechende Helligkeitsstufen, also 4096 zu 16384. In dem Anfangspost war doch so ein Link, in dem konnte man sehr gut sehen, dass beim niedriger abgetasteten Signal eben hin und wieder ein Balken verschwunden war, er ist eben wegen der weniger zur Verfügung stehen Stufen weginterpoliert worden.

Ich denke immernoch, dass vor der Belichtung schon sorgfältig dafür gesorgt wird, dass alle Photodioden die gleiche Spannung abbekommen und die nachfolgenden Verstärker auf einem definierten Level liegen, egal ob 12 oder 14bit.

Oder sehe ich jetzt irgendwas völlig falsch? Lass mich gern von was anderen inspirieren, aber nicht nur von was irgendwo gehörten...

jan.

 

[maikm]

Und dieser Bereich wird nun während der A-D Wandlung bei 8bit in 256 Stufen je Kanal zerlegt, bei 12bit in 4096 und bei 14bit eben dann in 16384 Stufen. Und da gibts eben erheblich mehr zu rechnen.

Da gibt es überhaupt nirgends was zu rechnen, Jan, jedenfalls nicht im ADC. Der zählt nur Elektronen. Zu rechnen gibts erst später was im Expeed, und das wird dem herzlich egal sein, wieviel Bit die Zahl hat, die er da verrechnet, solange es nicht mehr als 16 sind. Wobei die zusätzliche Reserve 14/16 da auch nützlich ist, um Rundungsfehler bei Zwischenergebnissen zu vermeiden. Das war damals der wesentliche Fortschritt von der D70 zur D50 trotz fast gleichem Sensor, die D50 brachte erheblich bessere Jpegs zustande, die D70 hatte nur eine 8-Bit Jpeg Engine. Beide lasen 12 Bit vom Sensor aus.

Maik

 

[JackMcBeer]

Seh ich immernoch nicht ein, sorry.
Ob rechnen oder zählen, ist ja erstmal wurst, aber das eine mal zählt er eben nur bis 4096, das andere Mal aber 4x solange, nämlich bis 16384, um einen Wert abzubilden. Und auf der Sony Seite steht, dass der Sensor nur 12bit ausliefert, also muss irgendwo gezaubert werden, möglicherweise mit 4fach leicht versetzten Werten oder so. Und Rundungsfehler entstehen doch dort, wo ein wert nicht genau zuordbar ist, also einmal im ADC, weil der Helligkeitswert genau der Schaltschwelle entspricht und einmal beim runterpolieren auf eine geringere Bittiefe aus dem selben Grund (weiss jetzt nicht, ob das möglich ist, wahrscheinlich nicht, weil 16384 genau durch 4 teilbar ist und damit keine Zwischenwerte möglich sind, auch 16bit, also 65536 lassen sich exakt durch 4 oder 16 teilen). Trotzdem nimmt doch der Rechenaufwand beim Ausrechnen zu, sieht man ja auch deutlich an den verlängerten Pausen zwischen den Aufnahmen.

Alles nicht so einfach...
jan.

 

[volkerm]

Alles nicht so einfach...

Wird darum auch im Studium etwas ausführlicher abgehandelt, weil es nicht völlig trivial ist. Ihr habe beide ein wenig Recht.

 

[maikm]

aber das eine mal zählt er eben nur bis 4096, das andere Mal aber 4x solange, nämlich bis 16384, um einen Wert abzubilden.

Ich hab mir das Material jetzt nochmal zu Gemüte geführt und komme jetzt auch zu dem Schluß, daß der Zähler vermutlich mit gleichem Takt läuft wie im 12 Bit Betrieb und daher 4mal so lange braucht. Soweit okay.

Trotzdem nimmt doch der Rechenaufwand beim Ausrechnen zu, sieht man ja auch deutlich an den verlängerten Pausen zwischen den Aufnahmen.

Aber hier widersprichst Du Dir doch jetzt selbst, oder? Eben führst Du die geringe Bildrate noch auf die ADC-Counter zurück, und jetzt soll dieselbe geringe Bildrate plötzlich auf einen erhöhten "Rechenaufwand" hinweisen? Was denn nun? Und was soll da überhaupt ausgerechnet werden, und wo?

Maik

 

[ThomasNRW]

Demnach hat die D3 einen Sensor mit nativem 14 Bit A/D Wandler?

 

[maikm]

Demnach hat die D3 einen Sensor mit nativem 14 Bit A/D Wandler?

Vermutlich - lohnt sich aber wohl nicht drüber zu spekulieren, denn dazu gibts keine öffentlichen Specs.

Maik