Vergleichstest Rauschverhalten Canon EOS 20D und 40D

Im Oktober 2007, direkt zur Markteinführung der neuen Canon 40D DSLR habe ich mich entschlossen von meiner bisher benutzen Canon 20D, mit der ich bis dato hoch zufrieden war, auf eine 40D zu wechseln.
Da ich die Kamera u.a. für die Astrophotographie einsetzte, war eine der Kaufentscheidungen der neue Live-View der 40D, der – wie sich später herausstellte – wirklich Gold wert ist für eine ordentliche und schnelle Fokussierung am Teleskop.
Allerdings hatte sich Canon entschlossen das Rennen um immer mehr Pixel auf gleich bleibender Sensorfläche weiterzuführen und die Pixelzahl von 8 MP bei der 20D/30D auf 10 MP zu erhöhen. Damit sinkt allerdings die Pixelgröße und – so zumindest physikalisch – steigt das Rauschen bedingt durch eine geringere Anzahl von Photonen pro Zeiteinheit, die einen Pixel belichten. Laut Aussage von Canon sollte allerdings die Rauschperformance der 40D im Vergleich zur Canon 30D/20 besser sein trotz geringerer Pixelgröße von nunmehr 5,9 µm (6,4 µm bei der 30D/30D). Da solche Aussagen grundsätzlich zu bezweifeln sind, wollte ich die Rauschperformace der 40D mit meiner alten 20D vergleichen.
So bestellte ich also direkt am ersten Tag der Markteinführung ein Exemplar bei einem Internetversandhaus, welches leider zu meiner Enttäuschung Fehler an der Gummiarmierung aufwies. Allerdings bekam ich dann ein zweites Exemplar günstig bei einem Fotohändler. Bevor ich das defekte Gerät zurückschickte hatte ich also die Möglichkeit, den CMOS-Chip beider Kamera hinsichtlich ihrer Rauschperformance direkt zu vergleichen und in Bezug zu setzen zur meiner Canon 20D.
In einem Halbleiterprozess kommt es immer zu fertigungsbedingten Schwankungen (Stichworte wie Defektdichte und Dotierungsschwankungen seien hier nur kurz genannt). Somit sollten eigentlich auch Unterschiede der beiden Exemplare der 40D zu sehen sein. Da Canon eine eigene Wafer-FAB hat und davon auszugehen ist, dass beide Sensoren damit den gleichen Grundprozess gesehen haben, allerdings nur aus unterschiedlichen Charge stammen, war dieser Vergleichganz interessant.

Testdurchführung – Dunkelrauschen:

Dazu wurde bei geschlossenem Objektivdeckel und Augenmuschel 4 min. bei 1600 ASA und rund 20°C belichtet. Beide kameras waren auch nur kurz in betrieb und konnten sich daher nicht signifikant aufheizen. Das entstandenen Dunkelbild wurde im RAW-Format abgespeichert, nach 8-bit TIFF konvertiert ohne weitere Bildanpassungen vorzunehmen, und in MaximDL dann in Einzelkanäle zerlegt und mit dem Histogrammtool die Histogrammwerte der drei Farbkanäle R, G und B in einer Exceltabelle abgespeichert. In den drei Excel-Diagrammen sind nun für Rot-, Grün- und Blaukanal die Anzahl der Pixel für jeden der 256 Helligkeitswerte vergleichend für die beiden 40Ds und die 20D doppellogarithmisch aufgetragen.







 

1. In allen drei Kanälen ist deutlich zu sehen, dass die 20D für niedrige Pixelintensitäten ein geringeres Intensitätsniveau besitzt, also weniger rauscht.
2. Erst bei sehr großen Pixelintensitäten liegt die Kurve der 20D über der Kurve der 40D, allerdings bei relativ geringen absoluten Pixelzahlen von einigen Dutzend. Dies sind sogennante Bright Pixel oder Bright Wounded Pixel. Dies ist auch optisch zu sehen: das Dunkelbild der 20D weißt eine größere Zahl von hellen Pixel auf (in allen drei Kanälen), während die 40Ds so gut wie gar keine störenden Bright Pixel zeigen. Canon hat offensichtlich im lauf der mittlerweile 3 Jahren den Halbleiterprozess so optimiert, dass solche Pixeldefekte bei neueren CMOS-Bildsensoren nur noch vernachlässigbar selten auftauchen. Dazu muss gesagt werden, dass meine 20D auch eines der ersten am Markt verfügbaren Modelle war und Canon sich wohl erst am Anfang der Lernkurve befand.
3. Bei niedrigen Intensitäten allerdings zeigt die 20D deutlich weniger Rauschen. Lediglich der Grünkanal zeigt Schwächen.
4. Das Bild wirkt auch bei Tageslichfotographie der 20D in dunklen Partien „glatter“ als beider 40D. Von daher beweist sich also die Annahme, dass die geringere Pixelgröße der 40D zu einer deutlich wahrnehmbaren Zunahme des Rauschens geführt hat! Dies kann ich auch rein  subjektiv bei Vergleich von Tageslichtfotos der beiden Kameras im Vergleich feststellen.

Damit hat die 40D insbesondere für die Astrophotographie einen deutlichen Nachteil gegenüber der 20D. Das erhöhte Dunkelrauschen hellt den Himmelshintergrund auf und führt zu einem „Zulaufen“ beispielsweise lichtschwacher Nebelgebiete bei der Deep Sky Fotographie.

Der Vergleich der beiden 40Ds zeigt interessanter weise auch Unterschiede.

1. Das Modell mit der defekten Gummiarmierung (im Diagramm als Canon 40D CU-B benannt) zeigt bei hohen Pixelintensitäten ein erhöhtes Rauschen in allen drei Farbkanälen, während das andere Modell im Blaukanal bei niedrigen Pixelintensitäten deutliche Schwächen aufweist.
2. Beider 40Ds sind aber in Rot- und Blaukanal mit signifikant mehr Rauschen behaftet als die 20D.
3. Die größere Anzahl an Dead oder Wounded Pixel bei der 20D stört auf Grund der geringen Anzahl und der Möglichkeit der Korrektur in der Bildbearbeitung kaum.

Ich will allerdings eine weitere mögliche Erklärung für das unterschiedliche Rauschniveau hier kurz aufzeigen: Bei Fotographie einer Graukarte mit gleichen Belichtungseinstellungen zeigt die 40D ein deutlich dunkleres Bild als die 20D. Offensichtlich ist hier auch die interne Verstärkung der Bildsignale von 20D und 40D leicht unterschiedlich. Dies kann beispielsweise auf eine unterschiedliche Auslegung der Sensor-internen Verstärker für die drei Farbkanäle zurückzuführen sein. Zudem können die Verstärkungsfaktoren der Kanäle untereinander auch schwanken. Auch die Kamera-interne Bildverarbeitung (Stichwort Picturestyles) kann dafür verantwortlich sein. Das macht ein direkten Vergleich der 20D und 40D schwierig. Ggf. hat dies Canon aber auch bewusst gemacht...

 

Testdurchführung – Rauschen bei Tageslichtaufnahmen:

Zuletzt wurde das Rauschen der 40D im Vergleich zur 20D für Tageslichtaufnahmen verglichen. Dazu wurde eine schwach beleuchtete Szene mit Grauanteilen aufgenommen bei 1/20 Sek und 800  ASA bei gleichem Objektiv und Blende 4. Die Custom-Funktionen zur Rauschreduzierung waren abgeschaltet. Dann wurde das Bild in MaximDL geladen und das Histogramm für einen Bildbereich mit ca. 400 Pixeln erzeugt und die Standardabweichung für alle drei Farbkanäle berechnet.

Das Ergebnis ist nicht ganz eindeutig:

1. Bei hellen Grautönen bis kurz an die Sättigungsgrenze ist die Standardabweichung der Pixelwerte bei der 40D etwas geringen als die der 20D.
2. Umso dunkler die Graubereiche werden umso geringer ist die Standardabweichung der 20D verglichen zur 40D.

Hier spielt offenbar die Kamera-interne Rauschreduzierung (auch ohne eingeschaltete Rauschreduzierung per Custom-Funktion) mit eine Rolle, die das Rauschen in hellen Bildbereichen offensichtlich besser unter Kontrolle hat als bei der 20D.

 

Fazit:

Die Rauschperformace der 40D ist gegenüber der 20D durchwachsen. Das Dunkelrauschen der 40D ist für zwei der drei Farbkanäle deutlich höher. Das Rauschen in Graubereichen bei schwacher Beleuchtung und hoher ISO-Zahl hängt stark von der Helligkeit ab und ist für geringe Helligkeiten schlechter als bei der 20D. Verbessert hat sich die Rauschperformance damit eindeutig nicht – entgegen der Werbeversprechen Canons. Damit habe ich allerdings auch nicht gerechnet.

Ob die 20D nun insgesamt doch die „bessere“ Kamera ist, ist allerdings zu bezweifeln. In der Astrophotographie ist die Live-View Funktion der 40D ein sehr großer Vorteil, und bei Tageslichtfotographie ist der große Monitor der 40D ein deutliches Plus an Komfort. Zudem lassen sich bei der 40D nun RAW-Bilder mit 14 bit statt 12 bit bei der 20D/30D abspeichern; ein weiterer Vorteil bei Astro- und Tageslichtfotographie, so dass die 40D im Endeffekt doch eine deutliche Verbesserung gegenüber der 20D darstellt.
Ich kann nur hoffen, dass Canon die nächsten Kameragenerationen mit APS-C Sensorformat nicht mit noch höheren Pixelzahlen und damit geringeren Pixelgrößen ausstatten wird, da 10 MP eindeutig ausreichend sind für alle denkbaren Anwendungen in Amateurfotobereich, eingeschlossen der Astrophotographie, die überdies immer schwierig wird mit schrumpfenden Pixelgrößen, da wesentlich höhere Anforderungen an die abbildende Astrooptik und die Nachführung gestellt werden.

Update: Canon hat nun die 50D mit sagenhaften 15 Mpix herausgebracht. Obwohl von mir nicht getestet vermute ich stark eine schlechtere Rauschperformance als bei der 40D. Diese Vermutung wird noch unterstützt von dem neuen Feature, das es erlaubt die kamerainterne Rauschunterdrückung in mehreren Stufen frei zu wählen. Canon ergreift offenbar die Flucht nach Vorne und erlaubt dem Nutzer die destruktive Rauschunterdrückung, die diese Kamera offensichtlich benötigt, nach eigenem Geschmack einzustellen.....