Grundlagen: Was ist der Exposure Index? Funktion und Nutzen

07.02.2022 von Rudi Schmidts



Was der "Exposure Index" (EI) bedeutet und bewirkt, ist nicht vielen Anwendern wirklich klar. Dies liegt unter anderem daran, dass der Begriff in verschiedenen Anwendungsbereichen eine unterschiedliche Bedeutung hat.

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Exposure Index als Belichtungsindex?

So hat die deutsche Übersetzung zum Exposure Index unter dem Begriff "Belichtungsindex" sogar einen eigenen Wikipedia-Eintrag, der jedoch für viele Leser nicht sonderlich erhellend formuliert ist. Hier ein paar relevante Auszüge:

Der Belichtungsindex ist in der Fototechnik ein einheitenloser numerischer Wert, der umgekehrt proportional zur fotografischen Belichtung eines Bildsensors ist.

(...)

Digitale Kameras müssen nicht bei dem durch die Eigenschaften der Hardware bestimmten oder vom Hersteller empfohlenen Belichtungsindex betrieben werden. Je höher der eingestellte Wert, desto höher ist die scheinbare Empfindlichkeit in den digitalen Bildern...

(...)

In den Rohdaten einer fotografierten Rastergrafik werden die tatsächlichen Messwerte der Bildsensoren erfasst. Wenn die entsprechende Kamera über keine Möglichkeiten der elektronischen Verstärkung (oder Abschwächung) von Lichtsignalen verfügt, hat die eventuelle Einstellung und Erfassung eines Belichtungsindexes in den Metadaten dieser Aufnahmen (siehe zum Beispiel unter Exchangeable Image File Format) lediglich dokumentierenden Charakter und keinen Einfluss auf die gespeicherten Bilddaten.

Neben den etwas angestaubten Formulierungen führt der Artikel zudem etwas in die Irre, da der englische Fachausdruck Exposure Index in der Praxis etwas enger gefasst benutzt wird. Wohl auch aus diesem Grund findet sich kein hierzu analoger englischer Wikipedia-Eintrag. Allerdings finden sich einige Worte bei der Erklärung der analogen Filmempfindlichkeit.

Dort liest man jedoch praktisch eine Definition dessen, was man heute unter ISO-Einstellungen versteht. Wir versuchen uns an einer Übersetzung:

Bei digitalen Kamerasystemen kann durch die Einstellung der Signalverstärkung des Sensors ein beliebiges Verhältnis zwischen Belichtung und Sensordatenwerten erreicht werden. Die Beziehung zwischen den Sensordatenwerten und der Helligkeit des fertigen Bildes ist ebenfalls willkürlich und hängt von den Parametern ab, die für die Interpretation der Sensordaten in einem Bildfarbraum wie sRGB gewählt werden.

Bei digitalen Fotokameras ("Digitalfotokameras") wird vom Hersteller ein Belichtungsindex (EI) angegeben, der üblicherweise als ISO-Einstellung bezeichnet wird, so dass die von der Kamera erzeugten sRGB-Bilddateien eine ähnliche Helligkeit aufweisen, wie sie mit einem Film desselben EI-Wertes bei gleicher Belichtung erzielt würde. Üblicherweise sind die Kameraparameter für die Umwandlung der Sensordaten in sRGB-Werte fest vorgegeben, und eine Reihe unterschiedlicher EI-Werte wird durch Variation der Signalverstärkung des Sensors im analogen Bereich vor der Umwandlung in den digitalen Bereich berücksichtigt.

Einige Kameradesigns bieten zumindest einige EI-Auswahlmöglichkeiten, indem sie die Signalverstärkung des Sensors im digitalen Bereich anpassen ("erweiterte ISO").

Einige Kameradesigns bieten auch eine EI-Anpassung durch eine Auswahl von Helligkeitsparametern für die Interpretation der Sensordatenwerte in sRGB; diese Variation ermöglicht verschiedene Kompromisse zwischen dem Bereich der Lichter, die erfasst werden können, und der Menge des Rauschens in den Schattenbereichen des Fotos.

Gerade der letzte Absatz trifft die Sache schon prinzipiell, hilft aber wahrscheinlich nur wenigen Anwendern in der Praxis weiter. Darum versuchen wir es nun einmal in eigenen Worten, müssen dafür jedoch noch einmal etwas ausschweifen...

Exkurs analoger Film

Beim analogen Film beschreibt der Exposure Index einen ISO-Wert, der sich von der tatsächlich benutzen Filmempfindlichkeit unterscheidet. Wenn man mit einem ISO 400 Film arbeitet, könnte man ihn beispielsweise mit dem Exposure Index 800 markieren. Damit weiß man in der Nachbearbeitung, dass man bei der Entwicklung das Material noch um eine Blendenstufe pushen muss, um die erwünschte Belichtung zu erzielen. Der Exposure Index war also ursprünglich einen Hinweis für die Nachbearbeitung, wie das Material korrekt zu entwickeln ist.

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Die meisten RAW-fähigen Kameras ermöglichen ebenfalls die Einstellung eines Exposure Index. Und wie beim analogen Film bedeutet Exposure Index auch hier, dass ein Nachbearbeitungsprozess auf das Bild angewendet werden soll.

Im digitalen Fall entspricht die Base ISO dem benutzten analogen Filmmaterial. Abweichungen von der Base ISO beschreibt dann der Exposure Index äquivalent. Doch was zeichnet die Base ISO aus?

Die Rolle der Base ISO

Jede Lichtzelle (Sensel) in einem Sensor kann eine bestimmte Menge Licht "aufnehmen". Dies darf man sich ruhig so vorstellen, dass hier Photonen gezählt werden, die während der Belichtung auf diesem Sensel auftreffen. Wie viele Photonen hier auftreffen, ist vor allem von der Belichtungszeit und der Blende abhängig. Anschließend werden die gezählten Photonen in einen digitalen Wert umgewandelt, wofür man einen ADC (Analog/Digital-Converter) einsetzt. Dieser ADC kann den gemessenen Wert über eine "Verstärkung" (Gain) des Signals direkt am Sensor erhöhen, was das resultierende Pixel faktisch heller macht. Ebenso kann das Signal noch digital vor der Aufzeichnung verstärkt werden.

Wichtig ist vor allem, dass diese Verstärkungen nichts daran ändern, wie viele Photonen das Sensel vor der Wandlung erfasst hat. Solange der ADC hinreichend genau arbeitet und genügend Bits für die Speicherung der erfassten Daten zur Verfügung stehen, ist es in der Praxis egal, ob eine Verstärkung in der Kamera vor der Aufzeichnung eingesetzt wird oder ob man diesen erst in der Nachbearbeitung einsetzt. Doch genau dies macht letztlich den entscheidenden Unterschied zwischen einer Codec- und einer RAW-Aufzeichnung aus.

Man darf sich somit vereinfacht vorstellen, dass bei einer RAW Aufzeichnung immer eine Aufzeichnung ohne Gain/Verstärkung stattfindet. Es werden also nur die Photonen gezählt, aber nicht(s) verstärkt. Diesen Zustand eines Sensors nennt man Base-ISO. In seiner Base-ISO kann der Sensor in der Regel seinen größtmöglichen Dynamikbereich ausspielen.

Erhöht man die ISO, so erhöht man den (analogen oder digitalen) Gain und das Signal wird mit Verstärkung aufgezeichnet. Dies passiert in der Regel bei einer Codec-Aufzeichnung.

Bei einer RAW-Aufzeichnung kann man den ISO-Wert zwar meistens ebenfalls verstellen, jedoch passiert hier etwas völlig anderes: Denn hier landen weiterhin - unabhängig von der ISO-Einstellung - immer die gleichen Sensordaten in der aufgezeichneten Datei. Nämlich die gezählten Photonen ohne Verstärkung.

Der eingestellte ISO Wert wird "nur" in die Metadaten geschrieben. Viele Kameras können diesen Meta-Parameter jedoch nutzen, um die Sensel dann in der Vorschau mit einer entsprechend gewählten Verstärkung anzuzeigen. Oder Schnittprogramme nutzen diesen Wert, um diese virtuelle Verstärkung bei der Wiedergabe auf der Timeline darzustellen. In beiden Fällen wird der Gain hier also nachträglich zum "unverstärkten Original" digital hinzugerechnet. Wieviel hierbei verstärkt wird, bestimmt dann per Default die ISO in den Metadaten bzw. der entsprechende Exposure Index.

Exposure Index auch mit Log?

Bei der RAW Aufzeichnung verhält sich der Exposure Index herstellerübergreifend wie hier eben beschrieben. Bei einer Log-Aufzeichnung ist die Lage jedoch nicht so eindeutig. Denn hier ist die Aufzeichnung des Bildsignals in der Regel durch den Codec beschränkt.

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Da bei vielen Herstellern die Log-Aufzeichnung wie ein Bildprofil mit anschließender Standard Codec-Aufzeichnung implementiert ist, wird hier der eingestellte ISO Wert vor der Aufzeichnung in den Datenstrom oftmals "eingerechnet". Die Kamera zeichnet also die Log-Daten "mit Gain" auf, was die nutzbare Dynamik in der Folge einschränkt.

Eine saubere Log-Implementation sollte deswegen (wie RAW) immer mit der Base ISO aufzeichnen, egal welche ISO in der Kamera eingestellt ist. Die eingestellte ISO hilft dann (wie der Exposure Index) anschließend nur zur Interpretation der Daten bei der Sichtung und auf der Timeline.

Sollte die eigene Kamera die ISO bei der Log-Aufzeichnung dagegen "einbacken", ist es empfehlenswert die Kamera immer auf der Base-ISO eingestellt zu lassen, um die maximale Dynamik zu erhalten. Wenn die Kamera dazu keine (z.B. mit LUTs) anpassbare Verschau bietet, sollte man eventuell eine externe Monitorlösung in Betracht ziehen. Nennt eine Kamera dagegen ihre ISO explizit "Exposure Index", so darf man in der Regel davon ausgehen, dass der Gain auch bei einer Log-Aufzeichnung nicht in den Datenstrom (mit)aufgenommen wird.

   

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