GUIDE: ISO
Vad är ISO?
Text & bild: Mats Jungner
Jag har med stigande förvåning sett hur videokameratillverkarna anger videokamerornas ljuskänslighet i ”ISO”. Normen ISO 5800, som är den korrekta beteckningen, har mycket lite att göra med elektroniska kamerors ljuskänslighet. Framför allt redovisas inte signalbrusförhållandet vid olika ISO. Tillverkarna kan sätta vilka ISO-värden de vill, för det relaterar inte till någon standard. Den här utvecklingen är mycket olycklig eftersom den kan vilseleda användarna. Man kan fråga sig hur det har blivit så här.
Min personliga uppfattning är att tillverkarna för ett antal år sedan ville flirta med framför allt stillbildsfotografer och började förklara videokamerors egenskaper som om de vore stillbildskameror för kemisk film. Det finns ju likheter, men det är inte något bra sätt eftersom ISO är en mätmetod endast för kemisk film. ISO-talen kan heller inte pålitligt jämföras mellan olika kameror eftersom det finns olika sätt att redovisa ISO även för stillbildskameror.
Olika metoder att redovisa ISO
De vanligaste metoderna är Recommended Exposure Index (REI) och Standard Output Sensitivity (SOS), samt varianter av dessa. Jag har inte hittat någon videokameratillverkare som redovisat vilken metod man använder, och än mindre redovisat siffror för signalbrusförhållandet vid olika ISO-värden. Däremot finns det seriösa tillverkare som påpekar problemen i några utmärkta white papers på nätet, och även i bra redogörelser på YouTube.
Skillnad i redovisning mellan kemisk film och elektroniska sensorer
“Det är tekniskt sett vansinnigt och kommersiellt sett oansvarigt, på gränsen till nonchalant gentemot användarna.”
Den stora skillnaden i redovisningen av prestanda mellan kemisk film och elektroniska chip är i huvudsak redovisningen av brus. I en elektronisk kamera ska ljuskänslighet och signalbrusförhållande redovisas. I kemisk film är det ljuskänslighet och kornstorlek i filmen. Att då använda ISO 5800-normen för videokameror är att utesluta signalbrusförhållandet. Det är tekniskt sett vansinnigt och kommersiellt sett oansvarigt, på gränsen till nonchalant gentemot användarna.
Vad innebär begreppet ”ISO” och hur kom det till?
ISO (International Standards Organisation) är ett standardiseringsinstitut och normen för ljuskänslighet i kemisk film har beteckningen ISO 5800. Omkring år 1890 så började två kemister, Ferdinand Hurter från Österrike och Vero Driffield från England, att tillsammans utforska ljuskänsligheten i kemisk film. De presenterade sitt arbete omkring år 1895 och vetenskapen kom att kallas sensitometri. Resultatet av arbetet blev en känslighetskurva som kallades H&D-kurvan efter forskarnas initialer. Tyvärr blev den kurvan inte så praktiskt användbar eftersom ljuskänsligheten i kemisk film är logaritmiskt betingad och den plottade kurvan gav minst information där den, så att säga, bäst behövdes. Kurvans början är nästan helt vertikal och kurvans slut är nästan helt horisontell.
Bild: FIG 1
Det avhjälptes senare genom att man återgav kurvan med logaritmisk skala och då fick den ett annat utseende som var mera användbart. Den nya kurvan döptes till ”D log E Sensitometry curve” och den ser ut som ett utdraget ”S”.
Bild: FIG 2
Kurvan anger det linjära, användbara området för exponering mellan ”Toe” och ”Knee”. Nedanför och ovanför dessa punkter var kurvan krökt och exponeringen blir olinjär. Det raka området på kurvan brukar kallas latitud. En viktig parameter i diagrammet är lutningen på kurvan som anger kontrasten, och fenomenet döptes till den grekiska bokstaven ”Gamma” efter bokstaven G, som i det engelska uttrycket ”Gradient”. I slutet på 1800-talet var det nämligen högsta mode att vetenskapsmän och matematiker döpte storheter efter grekiska alfabetet. Notera att Gamma i kemisk film inte har någonting att göra med Gamma i video. Gamma och gammakorrektion i video är en helt annan ekvation.
Efter arbetet som Hurter och Driffield gjort skapade tyska DIN (Deutsches Institut für Normung) en standard för hur man skulle beskriva ljuskänslighet i film. Den baserades på principer som en tysk astronom och professor vid Berlins universitet, Julius Scheiners, hade utarbetat i början på 1900-talet. Skalan uttryckte ljuskänsligheten i grader och skalan var logaritmisk. Tre grader motsvarade en fördubbling av ljuskänsligheten. Något senare på 1940-talet presenterade ASA (American Standards Association) en standard som baserade sig på en linjär skala framtagen av Kodak. Jämför man DIN och ASA blev en DIN-angivelse av film på 24 grader dubbelt så ljuskänslig som 21 grader, medan en film på 200 ASA var dubbelt så ljuskänslig som en film på 100 ASA.
I mitten på 1970-talet tog ISO sig an arbetet för en internationell standard och införde ISO 5800 för att ersätta DIN och ASA. Resultatet blev en kombination, till exempel ISO 100/21°. Senare på 2000-talet har ISO gjort vissa korrigeringar som jag tyvärr inte har närmare uppgifter om.
Hur man mäter videokamerors prestanda
Videokameror använder numera vanligen CMOS-chip som ljuskänslig sensor. De fungerar i princip så att inkommande ljus, fotoner, skapar laddningar i enskilda ljuskänsliga punkter, så kallade pixlar på chipet. Laddningarna läses sedan ut och skickas vidare in i kamerans kretsar som en analog elektrisk växelspänning som i sin tur digitaliseras till en binär kod, vanligen i 12 eller 14 bitar, innan övrig signalbehandling, som till exempel gammakorrigering, tar vid. Vid ljusnivåer från svart till maximalt vitt utan elektronisk förstärkning ska signal-brusförhållandet anges i decibel. Då får man ett korrekt värde på ljuskänslighet och brusnivå för CMOS-chipet och efterföljande signalbehandling, det vill säga kameran. Det värdet kan användas för att jämföra kameror.
Det finns dock en del normer för mätningen som kan variera och inställningar i kameran som påverkar bildåtergivningen vid jämförelser. Särskilt gammakorrektionskurvan är viktig. Tekniken att använda olika gammakurvor för att tillvarata moderna kamerors dynamik på ett bättre sätt påverkar signalbrusförhållandet avsevärt. Det finns mycket att tillägga om gammakurvor och brusmätning i kameror, men det får av utrymmesskäl bli en annan artikel. Hos en del tillverkare finns information om ljuskänslighet och signalbrusförhållande redovisad.
I sammanhanget kan det vara bra att veta att en bildsignal med 10-bitars digital upplösning aldrig kan överstiga 60 dB i signalbrusförhållande*. Dock finns mätnormer som kan, internt i kameran, ge högre värden än 60 dB, men det är inte vad kameran lämnar i en 10-bitars SDI-signal. De tillverkare som anger högre siffror än 60 dB relaterade till SDI-utgången kan ha sneglat på Volkswagens tidigare teknikavdelning.
* Specifikationen Rec 709 beskriver bland annat den digitala upplösningen i gråskalan. Det dynamiska omfånget från svart till vitt i en 10 bitars videosignal är 876 steg av 1024 teoretiskt möjliga steg på en gråskala. Det finns vanligen en överstyrningsreserv på c:a 10% utöver de 876 stegen. En amplitudförändring på 1:1000 motsvarar 60dB. Alltså kan inte signalbrusförhållandet bli högre än strax under 60dB i en 10 bitars videosignal.
Redovisning av videokamerors prestanda
Videokamerans ljuskänslighet skall anges vid 0 dB förstärkning och vid en exponering av 90 procent av en vit yta vid ljusmängden 2 000 lux. (En vit yta, till exempel ett testkort reflekterar 90 procent av ljuset). Bländaröppningen får då ett värde, till exempel F 11. Ljuskänsligheten i kameran regleras, förutom av bländaren, också med elektrisk förstärkning. Den anges i dB och är vanligen +3, +6, +9 dB, och så vidare. Med förstärkningen ökar brusnivån, och signalbrusförhållandet försämras. Decibelskalan är logaritmisk och en ökning av 6 dB motsvarar en fördubbling av den elektriska nivån. Metoden har använts i 60 år för att ange prestanda hos videokameror och är fortfarande aktuell.
Olikheter vid ISO-angivelse i videokameror
“Ett exempel på hur konstigt det blir när man skall jämföra ISO-värden hos kameror är vid användning av olika gammakorrigeringskurvor i kameran.”
Ett exempel på hur konstigt det blir när man skall jämföra ISO-värden hos kameror är vid användning av olika gammakorrigeringskurvor i kameran. Eftersom kamerasensorer numera kan klara en betydligt större dynamik än de sex bländarsteg som standarden ITU-BT Rec. 709 begränsar till, kan man använda annan gammakorrigering och komprimera kamerans dynamik. I efterbearbetningen mappas sedan kurvan enligt LUT-tabeller och får ett annat kontrastomfång. Det här är en olinjär hantering av dynamiken och komprimeringen sker i de ljusa delarna av bilden. Coloristen kan då i efterhand kontrollera dynamiken och skapa ett större kontrastomfång i delar av gråskalan. Gammakurvorna skiljer sig åt av olika skäl och kan heta ”Normalgamma”, det vill säga gammavärde 0,45 = ITU-BT Rec.709, eller specialkurvor som ”Cinegamma”, ”Hypergamma”, ”Filmgamma”, ”C-log” ”S-log”, med flera, beroende på egenskaper och vilken tillverkare som tagit fram dem.
Om vi tar exemplet med Sonys S-log2-kurva och kameran FS-7 är ljuskänsligheten angiven till ISO 800 vid 0 dB och normalgamma 0,45. När man slår om till S-log2 blir ISO-värdet 2 000 men, märk väl, även där vid 0 dB! Bilden blir inte ljusare. Det som händer är att gammakurvan tillåter ett drygt bländarsteg ner i chipets svartnivå. Det område som enligt normalgamma, Rec. 709, är svart. Man ser då också brus som hela tiden funnits där men som normalgamma inte tar med. Så chipet har inte blivit brusigare eller ljuskänsligare. En manipulering av gammakurvan har plötsligt gett kameran ett betydligt mer säljande ISO-värde på bekostnad av signalbrusförhållandet.
Förvisso är denna manipulering till för att få fram bättre bildegenskaper i kameran efter grading-processen, men ovanstående är ett talande exempel på hur förvirrande det är att använda ISO för videokameror. Resultatet blir en ökad dynamik och ökad brusnivå, inte en ökad ljuskänslighet. ISO-värdet ter sig i detta fall mera som ett demagogiskt verktyg för att ge kameran ett mer säljande ISO-värde. Det är tvärt emot hur tillverkarna i allmänhet beskriver ISO-värdet i försäljningsbroschyrer.
Slutsats
ISO kan vara en praktisk metod att arbeta med i varje enskild kamera, men det ger ofullständig information om kamerans prestanda eftersom ISO helt bortser från signalbrusförhållandet. Det gör det därmed svårt att både tolka och jämföra olika kamerors egenskaper. Om man tar till en långsökt jämförelse så är det lika tokigt som om bilar med förbränningsmotorer skulle ha en mätare för ångtrycket i stället för en varvräknare bara för att ångloksförarna skulle känna sig hemmastadda i förarmiljön.
Tack till: Quantum Scientific Imaging, Robert Goodman, Alister Chapman och Charles Poynton, från vilka jag har hämtat fakta och inspiration.
