ISO-invariantie, ETTR en praktische implicaties

Er is al veel geschreven over ISO, heel veel. Iedere fotograaf heeft er wel het een en ander over gelezen. Zoals hier waar ik redelijk basic beschrijf wat het is en welke plaats ISO in de belichtingsdriehoek inneemt. Later heb ik er meer in detail over geschreven en daar ook het concept van ETTR behandeld.

Een samenvatting:

• ISO completeert de belichtingsdriehoek. Het diafragma bepaalt hoe groot de opening in de lens is (en daarmee de scherptediepte). Sluitertijd bepaalt hoe lang de sluiter geopend is. ISO is de lichtgevoeligheid.
• Een lagere ISO, liefst de basiswaarde van 100 of 200 op een DSLR, geeft de beste resultaten, d.w.z. de minste ruis.
• Ruis wordt niet veroorzaakt door een hoge ISO-waarde. Ruis wordt veroorzaakt door de afwezigheid van licht. In schaduwdelen van een foto is ruis te verwachten. Zelfs in opnames bij hele hoge ISO zal in de lichte delen amper ruis aangetroffen worden.
• Indien (delen van) het onderwerp zich in de schaduw bevinden en hier toch detail zichtbaar moet blijven, is het verstandig om over te belichten, zonder uitgebeten wit in de lichte delen van de foto te krijgen. Dit principe heet ETTR, Expose To The Right. In de nabewerking wordt de overbelichte foto softwarematig onderbelicht en wordt een juiste belichting verkregen van hogere kwaliteit. ETTR vindt plaats door het diafragma zoveel mogelijk te open te zetten en/of de sluitertijd te verlengen. ISO verhogen is de laatste stap in dit proces.

Conclusies omtrent ISO:

1. gebruik bij voorkeur een lage ISO waarde, maar:
2. liever een hoge ISO waarde dan een bewogen opname, en:
3. liever een hoge ISO waarde dan een onderbelichte opname.

Daar was ik gebleven toen de term ISO-invariantie viel. In eerste instantie kwam ik het tegen in een kort artikel waarin geclaimd werd dat er nu camera's zijn die zo goed presteren bij hoge iso-waarden, dat het verschil tussen een hoge en lage waarde niet meer zichtbaar is. 

Dit leek mij onzin. Ik heb een behoorlijk aantal professionele camera's in handen gehad en het verschil tussen hoge en lage ISO is altijd zichtbaar. De verschillen worden wel steeds kleiner, maar ze zijn er nog wel degelijk. Tijd om hier eens in te duiken, want het duikt op steeds meer plaatsen  op.

Achtergrond:

Ik heb een flink aantal artikelen doorgespit voordat ik begreep wat het het is en vooral wanneer ik dit zou kunnen toepassen. Met name DPReview had twee artikelen die diep op de materie ingingen. Voor de geïnteresseerden, hier het eerste artikel over soorten ruis en hier het vervolg artikel waar de toepasbaarheid wordt toegelicht. Ik zal het samenvatten, inclusief praktische implicaties:

Maak optimaal gebruik van licht:

• Licht komt niet perfect gelijkmatig binnen in de camera, er zit een zekere spreiding in. Bij opnames met weinig licht (schaduw, korte sluitertijd, klein diafragma), worden de pixels door een beperkt aantal fotonen geraakt. Er zal op veel pixels te weinig licht binnenkomen om boven de ruisdrempel (EN: noise floor) te komen. Gevolg is dat voor deze pixels alleen de  ruis wordt doorgegeven in de rest van het proces en niet het licht.
• Delen van de foto met meer licht worden daarom beter geregistreerd: de camera heeft een bepaalde hoeveelheid licht nodig om er iets mee te kunnen. Oplossing is dan ook licht toevoegen aan de opname. Dit kan door het diafragma verder te openen, de sluitertijd te verlengen of door een externe lichtbron (flitser/reflectiescherm/lamp) toe te voegen. NIET door de ISO te verhogen, want hierdoor raken niet meer fotonen de pixels. 
• Dit is ook exact de reden om Expose To The Right (ETTR) toe te passen: er wordt langer belicht (door langere sluitertijd/groter diafragma) waardoor alle pixels meer licht vangen. Hierdoor wordt de signaal/ruisverhouding beter. 
• Omgekeerd, als een opname onderbelicht zou worden zijn er meer delen waar het signaal (de fotonen) niet meer boven de ruisdrempel uitkomt. Dit uit zich in meer zichtbare ruis.
• Een foto die te donker is naar de smaak van de fotograaf zal in de nabewerking lichter worden gemaakt. Hierdoor wordt softwarematig het signaal versterkt, maar ook de ruis. Nabewerking kan wat dat betreft een foto nooit beter maken, alleen slechter. Omgekeerd kan een overbelichte foto (met minder ruis) wel probleemloos donkerder worden gemaakt. Zolang er maar geen uitgebeten wit (geen informatie meer) in de foto zit. ETTR is naar rechts belichten, op de grens van het histogram, maar niet over de grens heen.
• Als de ISO-instelling verhoogd wordt zal het signaal dat op de sensor is terechtgekomen softwarematig versterkt in een RAW-bestand opgeslagen worden. Dit betekent dat donkere partijen (met een slechte signaal/ruisverhouding) versterkt worden en hele lichte partijen buiten de boot gaan vallen, ze worden té licht. Dit heet clipping en is het histogram goed zichtbaar als een berg informatie aan de rechterzijde. Naarmate de ISO-waarde verder verhoogd wordt zal meer informatie op deze wijze verloren gaan. Dit is de reden dat er minder dynamisch bereik is bij hogere ISO-waarden. Zonde, zeker als bedacht wordt dat deze informatie wel door de sensor is waargenomen.
• Meer licht is de oplossing voor ruis. Naast langere sluitertijden en een groter diafragma is er nog een oplossing en dat is een grotere sensor. Bij gelijke omstandigheden (sluitertijd, diafragma) vangt een Full Frame sensor twee keer de hoeveelheid licht als een APS-C sensor. En vier keer zoveel als een Micro Four Thirds-sensor. En ongeveer 100x zoveel als op mijn smartphone camera. Dit verklaart waarom Full Frame camera's een groter dynamisch bereik hebben. En ook waarom het zo lastig is om in een restaurant/kroeg een sfeervolle foto te maken met een smartphone. De laatste jaren wordt op dit terrein forse vooruitgang geboekt. Modernere sensoren presteren steeds beter, wat wil zeggen dat de ruisdrempel lager wordt. Ondanks dat fabrikanten nog steeds meer pixels op hetzelfde oppervlak (sensor) persen. Het vergelijk met een grotere sensor dient gemaakt te worden tussen camera's van dezelfde generatie.
• Als een fotograaf besluit om in JPEG opnames te maken, dan gooit hij/zij daarmee een flink stuk (een aantal hele stops) van het dynamisch bereik van de sensor weg. Ik ga ervan uit dat wie tot hier gevorderd is in het lezen van deze droge kost in RAW werkt. 
• ETTR werkt amper in JPEG, in RAW levert het een bestand op dat de best mogelijke signaal/ruisverhouding heeft en daarmee de meeste flexibiliteit biedt.

Maak optimaal gebruik van de werking van ruis in een camera:

• Indien de ISO instellingen verhoogd worden, dan wordt de shot noise (ruis die veroorzaakt wordt door de spreiding van licht), en de 'upstream read noise' (de ruis komend van de ruisdrempel van de sensor) versterkt. Bij de basiswaarde (meestal 100 of 200 op DSLR's) vindt er geen versterking plaats. Bij ISO 800 wordt het signaal en de daarbij behorende ruis al 8x versterkt (t.o.v. ISO 100). ISO 3200 zelfs 32x. Deze ruis zal steeds zichtbaarder worden naarmate de ISO-waarden opgekrikt worden.
• Naast deze soorten ruis bestaat er ook nog 'downstream shot noise', veroorzaakt voornamelijk door elektronische versterking van het signaal, d.w.z. door de ISO te verhogen. Dus naast de hiervoor genoemde versterking van 'shot noise' en 'upstream read noise' wordt er door de ISO te verhogen nog meer ruis toegevoegd. Dit is belangrijk!
• Niet alle camera's hebben evenveel last van 'downstream shot noise'. Sommige (vaak duurdere) modellen gaan hier beter mee om. Als op een dergelijke camera de ISO-waarde verhoogd wordt resulteert dit nauwelijks in meer ruis. In ieder geval zal deze ruis wegvallen tegen de toegenomen ook aanwezige andere ruis. Op deze camera's is het verstandig om de ISO laag te houden. Zo wordt er nauwelijks ruis toegevoegd en van een maximaal dynamisch bereik gebruikgemaakt. Er wordt dan bewust een te donker beeld vastgelegd, dat in de nabewerking naar smaak lichter gemaakt zal worden. Veelal betekent dit de donkere en middenpartijen lichter maken en de lichtere partijen zo laten. 
• Er zijn ook camera's die hier minder goed mee omgaan. Deze hebben veel meer last van 'downstream read noise' en hier werkt het andersom. Op lage ISO werken en dit later opkrikken zou betekenen dat de 'downstream read noise' enorm opgeblazen wordt. De ISO-waarde zelf verhogen werkt hier gunstiger, hiermee wordt alle informatie versterkt tot boven het niveau van de 'downstream read noise'. Dit resulteert hier in een beter beeld.
• Camera's met veel 'downstream read noise' heten ISO-variant. Hebben zij dit niet dan zijn ze ISO-invariant. 

De vraag is natuurlijk hoe dit getest kan worden en wat de implicaties zijn.

ISO-invariantie test

De test die ik het meest ben tegengekomen werkt betrekkelijk eenvoudig: maak een juist belichte opname op hoge ISO (vaak wordt 6400 gebruikt), en ga vervolgens bij gelijkblijvende sluitertijd en diafragma-instellingen de iso iedere keer halveren. Het resultaat is een serie opnames die steeds donkerder wordt. Deze worden in nabewerking weer lichter gemaakt naar het niveau van de initiële opname (ISO3200 wordt een stop lichter, ISO1600 twee stops, enzovoort). Ga zo door tot aan de basiswaarde van de camera.

ISO-invariantie test Nikon D600
ISO 6400 t/m ISO 50.

Met alle voorgaande theorie kan dit plaatje beter bestudeerd worden. De opnames op lagere ISO gemaakt hebben ruis die onstaat door de ISO te verhogen (downstream shot noise). Maar de aanwezige overige vormen van ruis ('shot noise' en 'upstream read noise') worden versterkt in de nabewerking.
De opnames op ISO 100 en 50 zien er minder clean uit dan de overige. Dit zijn dan ook de meest extreme voorbeelden met resp. 6 en 7 stops lichter maken in Photoshop. ISO 200 ziet er op 100% niet goed uit. ISO 400 vind ik bruikbaar. De theorie zegt dat ik beter op ISO 400 een opname kan maken en die achteraf selectief lichter kan maken, terwijl ik eigenlijk denk 6400 nodig te hebben. Ik heb aanzienlijk meer dynamisch bereik om mee te werken (met name in de lichte partijen) en het eindresultaat zal minder ruis bevatten. ISO 400 lijkt de grens. Daaronder werken is niet zinvol, dan kan beter de ISO verhoogd worden naar 400.

Nadeel is wel dat de foto op het scherm van de camera veel te donker oogt wat het lastig maakt om de compositie te beoordelen. Maar stel dat het een statisch onderwerp is, dan kan er een testfoto op hoge ISO gemaakt worden, waarna naar de grenswaarde teruggegaan wordt voor de echte opname.

Tot zover alles wat ik in internetfora ben tegengekomen.

ISO-invariantie test Nikon D600
ISO 6400 t/m ISO 50
100% crops

Ik heb dezelfde foto's als hierboven nogmaals kritisch bekeken op 100%. Ik kom nu tot een andere conclusie, namelijk dat mijn camera ISO-invariant is vanaf ISO 1600. De uitsnedes op 800 en 400 ISO vind ik dermate veel slechter dat ik de grens opschuif. Dit geldt alleen in het geval er geen verkleining van het beeld achteraf plaats mag vinden. Is het een foto voor op social media, in een beperkte resolutie, dan kan ISO 400 ook prima. Is het einddoel een hele grote afdruk, dan ligt de grens bij 1600.

Een dergelijke test kan iedereen thuis uitvoeren. Het is fijn te weten waar de grens van de camera ligt.

Praktische toepassingen

Ik wist al dat ik op mijn D600 niet boven de ISO 3200 wilde werken omdat er dan teveel ruis ontstaat, nu heb ik geleerd dat dat ook niet hoeft omdat als ik op ISO 1600 werk (met te donkere beelden) ik dan uiteindelijk een betere resultaat heb. Dit is heel prettig te weten.
Bij oudere camera's, ik moet het nog testen voor mijn good-old D90, zal dat niet zo mooi uitkomen. Ik moet daarbij niet boven de ISO 400 werken en de iso-invariantie verwacht ik dat die vrijwel afwezig is. Bovendien is ISO 3200 de hoogst instelbare waarde (ISO 6400 alleen via Hi 1). Dat zou betekenen dat er vrijwel geen speelruimte is (alleen ISO100-400) en iso-invariantie is niet van toepassing.

Ik kan me levendig voorstellen dat dit een verwarrend verhaal is. Het is lang en gaat vrij diep op de materie in. Bovendien lijkt het soms tegenstrijdig te zijn, daarom een samenvatting:

• Werk in RAW voor het beste resultaat
• Full Frame camera's presteren per definitie beter dan die met een kleinere sensor
• Nieuwere camera's doen het bijna altijd beter dan oudere
• Meer licht resulteert in minder ruis. ETTR is de meest praktische methode voor minder ruis. Meer licht dient bereikt te worden door de sluitertijd te verlagen en/of het diafragma verder te openen.
• Het is niet altijd verstandig om de ISO-instelling verder op te schroeven. Er is een grens waarbij het een beter resultaat oplevert door op een lagere ISO-instelling een te donker beeld te maken en dit in de nabewerking te corrigeren. Dit is de ISO-invariantiegrens.
• In het geval van een bewegend onderwerp wordt het lastiger: 
• Bij ETTR wordt hier al tegenaan gelopen: als het maximale diafragma al bereikt is en de sluitertijd wordt te lang om het onderwerp te bevriezen dan wordt ETTR lastig. Nu is de enige optie namelijk om de ISO-instelling te verhogen. Het is te hopen dat er niet voorbij de grens van 'hoogst bruikbare iso' gegaan wordt.
• Als er een hogere ISO nodig blijkt dan de ISO-invariantiegrens, dan kan beter de camera op deze grenswaarde ingesteld worden, hetgeen resulteert in een te donker beeld, dat dan weer opgelicht zal gaan worden tijdens de nabewerking.
• Indien het maximale diafragma al gebruikt wordt en de ISO-invariantiegrens is bereikt en nog zijn de sluitertijden te lang, dan blijft over:
• gebruik een lichtsterker objectief
• ga pannen, deels bewogen beelden voegen vaak dynamiek toe aan een beeld
• voeg extern licht toe, bijvoorbeeld een flitser
• schroef de ISO toch verder op: beter ruis dan een bewogen opname
• Voor de volledigheid: bij een statisch onderwerp is het altijd het beste (vanuit ruis-standpunt) om de basiswaarde te gebruiken. Dit kan resulteren in het moeten gebruiken van een statief vanwege lange sluitertijden.

Glow 2015, Inside Out: De Kathedraal
ISO 100, f/8, 15 sec.

De basiswaarden van ISO 100 (bij diafragma f/8) resulteerde in een belichting van 15 seconden. Zonder statief is dat niet mogelijk. Het beeld is echter wel zonder zichtbare ruis.

Glow 2015
ISO 1600, f/4, 0.6 sec. vanaf statief

Dit is een opname van een continue veranderend beeld. Een veel kortere sluitertijd is hier nodig, vandaar de 0.6 seconden. Toch is dit beeld niet optimaal, ik had ook nog op ISO 800 kunnen werken, want nu heb ik de foto in de nabewerking donkerder moeten maken. ISO 800 had dat opgelost en tegelijkertijd een ruimer dynamische bereik betekent en daarmee een betere foto. Het diafragma had ook nog naar f/2.8 gekund, maar daar heb ik uit creatief oogpunt bewust niet voor gekozen.

Vechtende nijlpaarden, Zambia, Oktober 2014
ISO 6400, f/2.8, 1/50e, uit de hand
Nikon D600 met 300 mm f/2.8, VR aan

Met wat ik nu weet, had bovenstaande foto beter gekund. Ik had achteraf beter kunnen kiezen voor ISO 1600 bij dezelfde instellingen en dan in nabewerking lichter maken. Of ISO 3200 en 1/100e seconde i.p.v. 1/50e (of zelfs 1/200e bij ISO6400): ik heb nu veel opnames moeten wissen vanwege bewegingsonscherpte.

Nou, dat maakt een eind aan een van de lastigste en langste artikelen die ik geschreven heb. Bedankt voor  het lezen. Zijn er vragen, stel ze gerust, graag zelfs.

Robert van Brug


Een paar van de camera's die anno 2015 als volledig ISO-invariant worden beschouwd, gebaseerd op dit artikel:

• Nikon D810, D750, D5500, D7100
• Sony a7RII
• Fuji XT1, X100, XE1

ISO-variante camera's anno 2015:

• Canon 5DMKIII, 6D, 60D, 70D, 7D

Een paar van de gebruikte definities:

• De spreiding van licht wordt 'shot noise' genoemd. 
• Alles wat daarna aan ruis ontstaat is 'electronic noise'. 
• 'Upstream read noise' wordt veroorzaakt door de ruisdrempel (EN: noise floor) van de pixel/sensor. 
• 'Downstream read noise' wordt veroorzaakt door softwarematige versterking van het signaal (ISO verhogen) en andere componenten in de camera, zoals bijvoorbeeld de analoog/digitaal converter (ADC).