ISO ist kein Lichtschalter: wie viel Verstärkung eine dunkle Nacht braucht

Der ISO-Regler ist das am leichtesten erreichbare Bedienelement jeder manuellen Kamera-App, und im Dunkeln ist er zugleich das verführerischste. Dreißig Sekunden Belichtung holen die Milchstraße nicht auf den Bildschirm, also dreht man die Verstärkung hoch, die Vorschau hellt auf, die Sache scheint erledigt. Zu Hause wartet dann ein Stack mit aufgeblähten weißen Sternen auf einem Hintergrund wie nasser Sand. Dieser Regler hat noch nie ein einziges zusätzliches Photon durch das Objektiv gelassen. Zu wissen, was er tatsächlich verschiebt, entscheidet über eine genutzte und eine bloß verstärkte Nacht.

Der Photosit zählt, die Verstärkung multipliziert

Ein Photosit arbeitet in einer festen Reihenfolge. Er sammelt Photonen über die gesamte Belichtungsdauer, wandelt sie in Elektronen um und schichtet diese Ladung in einen Topf. Wie viele Elektronen darin landen, hängt an genau drei Größen: wie viel Licht dieser Himmelsausschnitt liefert, wie weit das Objektiv geöffnet ist, wie lange der Verschluss offen bleibt. Die Verstärkung tritt erst auf, wenn das Sammeln vorbei ist und die Ladung ausgelesen werden muss. Sie hebt eine Spannung an, bevor der Analog-Digital-Wandler daraus eine Zahl macht.

Deshalb ist das Wort «Empfindlichkeit» im Digitalen ein Überbleibsel aus der Filmzeit. Die zuständige Norm, ISO 12232:2019, definiert nicht eine Empfindlichkeit und damit basta: sie definiert vier Größen (Belichtungsindex, ISO speed, standard output sensitivity, recommended exposure index), und schon das ist ein Hinweis. In einer Digitalkamera ist der Zusammenhang zwischen einfallendem Licht und der Zahl in der Datei eine Konvention des Herstellers, hergestellt aus variabler Verstärkung und Verarbeitung nach der Aufnahme. Auf Film war ISO eine chemische Eigenschaft der Emulsion. Im Telefon ist es eine Umrechnungstabelle.

Das Rauschen, gegen das keine Verstärkung hilft

Es gibt eine Grenze, die vor dem Sensor liegt, vor dem Objektiv, vor allem, was Sie besitzen. Photonen treffen in zufälligen Abständen ein, ihre Zählung folgt also einer Poisson-Verteilung: das Rauschen auf N gezählten Elektronen beträgt die Wurzel aus N. Genau diese Rechnung stellt das Space Telescope Science Institute im WFPC2 Instrument Handbook an den Anfang seiner Belichtungszeitberechnung für Hubble, und sie gilt unverändert für Ihr Telefon auf einem Vierzig-Euro-Stativ.

Die Folgen sind handfest. Ein Pixel mit 100 gesammelten Elektronen trägt 10 Elektronen Eigenrauschen mit sich: Signal-Rausch-Verhältnis 10, und keine Elektronik der Welt verbessert das. Verstärken Sie um den Faktor acht, stehen 800 Elektronen Signal 80 Elektronen Rauschen gegenüber. Weiterhin 10. Das Bild auf dem Display ist heller, der Informationsgehalt hat sich nicht bewegt. Ein höherer ISO-Wert zeigt früher, was ohnehin da ist. Dazu kommt nichts.

Wo das Analoge endet und das Rechnen beginnt

Jetzt der Teil, der draußen zählt. Echte analoge Verstärkung, also die an der Spannung vor der Wandlung, existiert nur bis zu einem bestimmten Punkt der Skala. Die Dokumentation der Camera2-API von Android sagt das über die Eigenschaft SENSOR_MAX_ANALOG_SENSITIVITY unmissverständlich: unterhalb dieses Werts garantiert das Gerät reine Analogverstärkung, oberhalb kommt der Rest vom Bildprozessor, also aus einer Multiplikation bereits digitalisierter Zahlen.

Diese Multiplikation könnten Sie hinterher selbst vornehmen, mit einem beliebigen Regler. In der Kamera hat sie ihren Preis: sie treibt die hohen Werte bis in die Sättigung und schreibt sie so in die Datei, und auf Telefonen, die vor dem Speichern ein Tone Mapping anwenden, ist der Schaden endgültig. Zeigt Ihre Aufnahme-App diesen Wert an, schauen Sie ihn einmal nach und merken Sie ihn sich, denn er markiert die Decke, oberhalb derer Sie mit Dynamik für etwas bezahlen, das als Signal nie ankommt. Bleibt er verborgen, hilft der empirische Weg: in Stufen hochgehen und den Punkt suchen, an dem der Himmelshintergrund heller wird, während die schwachen Sterne keinen Kontrast mehr dazugewinnen.

Das eine Rauschen, an dem die Verstärkung wirklich etwas ändert

Eine ehrliche Ausnahme gibt es, sonst liefen alle Kameras mit fester Verstärkung. Das Ausleserauschen, das die Elektronik im Moment der Ladungsmessung beisteuert, verhält sich anders als das Poisson-Rauschen: erhöht man die Umwandlungsverstärkung, wird das Nutzsignal vor der rauschenden Stufe angehoben, und das eingangsbezogene Ausleserauschen sinkt. Deshalb tragen moderne Sensoren eine doppelte Umwandlungsverstärkung mit einem Modus für dunkle Szenen.

Der Preis steht in derselben Zeile. Eine höhere Umwandlungsverstärkung verkürzt den Topf. Ein gut dokumentiertes Pixel, das 0,8-Mikrometer-Design mit doppelter Umwandlungsverstärkung für einen 64-Megapixel-Sensor, 2019 auf der IEDM vorgestellt, gibt eine Sättigungskapazität von 12000 Elektronen an. Auf diesem Niveau liegt das Poisson-Rauschen bei rund 110 Elektronen, das Signal-Rausch-Verhältnis also bei etwa 110: mehr ist aus diesem Pixel in einer Einzelaufnahme theoretisch nicht herauszuholen. Im Hochverstärkungsmodus schrumpft der Topf, und diese Obergrenze schrumpft mit. Sie gewinnen in den Schatten und zahlen in den Lichtern. Helle Sterne wohnen in den Lichtern.

Die Praxis, in drei Schritten

Die Belichtungszeit wird zuerst festgelegt, und festgelegt wird sie von der Erdrotation über die Grenze, ab der Sterne zu Strichen werden. Das ist eine geometrische Vorgabe. Alles andere stellt sich dahinter an.

Steht die Zeit, hat die Verstärkung genau eine Aufgabe: den Himmelshintergrund vom unteren Skalenende abzuheben. Klebt das Himmelssignal auf der Null, werden die wenigen gesammelten Elektronen in die untersten Stufen des Wandlers gequetscht, und die Quantisierung frisst einen Teil davon. Maßgeblich ist das Histogramm und nicht die Vorschau: der Himmelspeak soll sich vom linken Rand lösen und sich bei etwa einem Zehntel der Höhe einrichten. Jede ISO-Stufe darüber ist verschenkte Dynamik.

Dritter Schritt, der immer vergessen wird. ISO bleibt über die ganze Session identisch, Kalibrierbilder eingeschlossen: Ausleserauschen und Offset verschieben sich mit der Verstärkung, und ein bei anderem ISO aufgenommenes Dark zieht etwas ab, das in Ihren Lights gar nicht steckt. Umgekehrt gilt dasselbe. Drehen Sie mitten in der Nacht hoch, weil der Mond untergegangen ist, haben Sie zwei Serien, und zwei Serien wollen auch so behandelt werden.

Dreihundert Aufnahmen schlagen jeden Regler

Die abschließende Rechnung bleibt immer dieselbe. Beim Stapeln von N ausgerichteten Aufnahmen wächst das Signal mit N, das zufällige Rauschen mit der Wurzel aus N: hundert integrierte Belichtungen sind das Zehnfache des Signal-Rausch-Verhältnisses einer einzelnen wert. Keine Stellung des ISO-Reglers leistet Vergleichbares, aus dem schlichten Grund, dass die Verstärkung jenes Rauschen mitvergrößert, das sie zudecken soll. Gesamtzeit auf dem Objekt ist die einzige Währung, die der Himmel annimmt.

Daraus folgt eine Regel, die faul klingt und besser funktioniert als alles andere: nehmen Sie die niedrigste Verstärkung, die Ihren Himmelshintergrund von der Null wegholt, lassen Sie sie danach in Ruhe und arbeiten Sie an der Anzahl der Aufnahmen. Dreihundert Frames bei moderater Verstärkung liefern Sterne mit lesbarer Farbe, einen streckbaren Hintergrund und Kalibrierbilder, die noch etwas bedeuten. Dreißig Frames bei ISO-Anschlag hatten schon alles gezeigt, während Sie noch auf das Display sahen.

Der Himmel ist geizig mit Photonen, aber gerecht dabei. Er gibt sie dem, der am längsten draußen bleibt.