Мегапиксели необходимы!
Мегапиксельная гонка, конечно, не является "ненужной". Последовательно в течение последнего десятилетия был достигнут прогресс в области мегапикселей при постоянном повышении качества изображения. Неподтвержденные пословицы заставили бы вас думать, что это невозможно, но есть немало технологических и производственных улучшений, которые сделали возможным снижение шума, более высокое отношение сигнал / шум и увеличение динамического диапазона, несмотря на сокращение областей пикселей.
Я думаю, что появление 36,3-мегапиксельного датчика Sony Exmor, используемого в настоящее время в Nikon D800, является прекрасным примером того, что могут сделать технологические усовершенствования низкого уровня, чтобы снизить шум и увеличить динамику, в то же время позволяя значительно увеличить разрешение изображения. Таким образом, я думаю, что D800 - превосходный пример того, почему мегапиксельная гонка, безусловно, еще не окончена.
Что касается того, что это просто бахвальство человека? Я сомневаюсь. Лучшие инструменты всегда можно эффективно использовать в руках опытного мастера. Более высокое разрешение и более низкий динамический диапазон с низким значением ISO имеют некоторые особые варианты использования с высокими значениями. А именно, пейзажная фотография и некоторые виды студийной фотографии. D800 находится в очень уникальном месте, предлагая качество изображения почти среднего формата в упаковке примерно в 1/10 стоимости. Некоторым студиям ничто не заменит лучшего, и они будут использовать камеры цифрового среднего формата за 40 000 долларов для обеспечения правильного восприятия для своих клиентов. Однако для многих других студий и для многих пейзажных фотографов D800 - воплощение мечты: множество мегапикселей и большой динамический диапазон.
Нет, мегапиксельная гонка, безусловно, еще не закончена, и, конечно, она не является ненужной. Конкуренция на всех фронтах приводит к прогрессу на всех фронтах, и это всегда полезно для потребителя.
Потенциал для улучшения
Если пойти немного глубже, чем мои выводы, изложенные выше, в этой истории есть нечто большее, чем просто конкуренция на всех фронтах. Технологически, физически и практически существуют ограничения, которые действительно ограничат потенциальный выигрыш, поскольку мы продолжаем увеличивать количество пикселей сенсора. Как только мы достигнем этих пределов, полезные выгоды по разумной цене должны будут быть получены в другом месте. Это может произойти в двух областях: оптика и программное обеспечение.
Технологические ограничения
Технологически, существуют четкие пределы того, насколько вы можете улучшить IQ. Основным источником ухудшения изображения в датчиках является шум, и существует множество электронно вводимых форм шума, которые можно контролировать. Я думаю, что Sony, с их датчиками Exmor, очень близка к достижению технологических пределов, если они еще не сделали. Они использовали различные патенты, чтобы уменьшить источники шума на аппаратном уровне непосредственно в своих датчиках. Основными источниками контролируемого шума являются темновой шум , считывающий шум , шаблонный шум , неравномерный шум , преобразование ( или квантование) шум и тепловой шум .
Как Sony, так и Canon используют CDS или коррелированную двойную выборку , чтобы уменьшить темновой шум. Подход Sony на ощупь более эффективен, но в обоих случаях используется один и тот же подход. Считывание шума является побочным продуктом усиления из-за колебаний тока в цепи. Существует множество запатентованных и экспериментальных подходов к обнаружению изменения напряжения в цепи и исправлению его во время усиления для получения «более чистого и точного» результата считывания. Sony использует собственный запатентованный подход к датчикам Exmor, в том числе 36,3-мегапиксельный, используемый в D800. Другими двумя типами электронного шума перед преобразованием являются шаблонный шум и неравномерный шум . Это является результатом разрывов в отклике цепи и эффективности.
Шаблонный шум является фиксированным аспектом каждого из транзисторов, используемых для построения одиночного пикселя датчика, и электронных затворов, используемых для инициирования считывания и сброса сигнала. На квантовом уровне практически невозможно сделать каждый отдельный транзистор точно идентичным друг другу, и это создает фиксированный рисунок горизонтальных и вертикальных линий в шуме датчика. Вообще говоря, шаблонный шум вносит незначительный вклад в общий шум и действительно является проблемой только в областях с очень низким SNR или при очень длительных воздействиях. Шаблонный шум может быть относительно легко устранен, если вы правильно подойдете к проблеме. «Темная рамка» может быть построена путем усреднения нескольких выборок вместе, чтобы создать шаблон шаблонного шума, который можно дифференцировать с цветной рамкой для удаления шаблонного шума. Это, по сути, то, как работает шумоподавление при длительной экспозиции, а также то, как можно вручную удалить фиксированный шаблонный шум при длительной экспозиции. На аппаратном уровне фиксированный шаблонный шум может быть уменьшен путем записи в шаблоне, который инвертирует эффекты FPN, так что различия могут добавляться / вычитаться во время чтения, подобно CDS, тем самым улучшая «чистоту» считывания пикселей. Сегодня существует множество экспериментальных подходов к записи в шаблонах FPN, а также более абстрактных подходов.
Шум неравномерности, часто называемый PRNU или неравномерностью отклика пикселя, является результатом незначительных изменений квантовой эффективности (QE) каждого пикселя. QE относится к способности пикселей захватывать фотоны и обычно оценивается в процентах. Например, у Canon 5D III коэффициент QE составляет 47%, что указывает на то, что он достаточно эффективен для регулярного захвата 47% фотонов, которые достигают каждого пикселя. Фактическое QE для каждого пикселя может изменяться на +/- пару процентов, что создает другой источник шума, поскольку каждый пиксель может не захватывать то же количество фотонов, что и его соседи, несмотря на получение одинакового количества падающего света. PRNU также изменяется с чувствительностью, и эта форма шума может усиливаться при увеличении ISO. PRNU можно уменьшить, нормализуя квантовую эффективность каждого пикселя, сводя к минимуму различия между соседями и по всей площади сенсора. Улучшения в QE могут быть достигнуты за счет уменьшения зазора между фотодиодами в каждом пикселе, введения одного или нескольких слоев микролинз над каждым пикселем для преломления падающего света, не связанного с фотодиодами, на фотодиод и использования сенсорной технологии с задней подсветкой (которая сильно перемещается) или все считывающие провода и транзисторы за фотодиодом, исключая вероятность того, что они могут препятствовать падающим фотонам и отражать их или преобразовывать в тепловую энергию.)
Тепловой шум - это шум, создаваемый теплом. Тепло, по сути, является просто другой формой энергии, и оно может возбуждать генерацию электронов на фотодиодах так же, как фотон может. Тепловой шум вызывается непосредственно под воздействием тепла, часто через горячие электронные компоненты, такие как процессор изображения или АЦП. Его можно уменьшить путем тепловой изоляции таких компонентов от датчика или путем активного охлаждения датчика.
Наконец, есть шум преобразования или шум квантования. Этот тип шума генерируется из-за собственных неточностей во время АЦП или аналого-цифрового преобразования. Неинтегральное усиление (десятичное усиление с целой и дробной частями) обычно применяется к аналоговому сигналу изображения, считанному с датчика, при оцифровке изображения. Поскольку аналоговый сигнал и усиление являются действительными числами, цифровой (интегральный) результат преобразования часто не согласуется. Усиление 1 даст один ADU на каждый электрон, захваченный пикселем, однако более реалистичное усиление может составить 1,46, и в этом случае вы можете получить 1 ADU на электрон в некоторых случаях и 2 ADU на электрон в других случаях. Это несоответствие может вносить шум преобразования / квантования в цифровой выход после АЦП. Этот вклад в шум довольно низкий, и производит довольно точное отклонение шума от пикселя к пикселю. Это часто довольно легко удалить с помощью программного шумоподавления.
Удаление электронных форм шума может улучшить черную точку и чистоту черного изображения. Чем больше форм электронного шума вы можете устранить или смягчить, тем лучше будет отношение сигнал / шум даже при очень низких уровнях сигнала. Это основной фронт, в котором Sony добилась значительных успехов со своими датчиками Exmor, что открыло возможность истинного 14-ступенчатого динамического диапазона с поистине потрясающим восстановлением теней. Это также основная область, в которой отстают многие конкурирующие технологии изготовления датчиков, в частности, датчики Canon и среднего формата. В частности, датчики Canon имеют очень высокие уровни шума считывания, более низкие уровни нормализации QE, более низкое общее QE и используют только CDS для снижения темнового шума в своих датчиках. Это приводит к гораздо меньшему общему динамическому диапазону и, в частности, к плохому SNR тени и DR DR.
Как только все формы электронного шума будут уменьшены до уровней, на которых они больше не будут иметь значения, мало кто из производителей сможет сделать что-то для улучшения самих датчиков. Как только эта точка достигнута, единственной вещью, которая действительно будет иметь значение с точки зрения квантовой эффективности на пиксель, является площадь пикселя ... и с почти идеальными электронными характеристиками мы могли бы, вероятно, выдержать размеры пикселей, значительно меньшие, чем у зеркальных сенсоров с наивысшей плотностью сегодня (это будет Nikon D800 с 4,6 микронными пикселями, Canon 7D с 4,3 микронными пикселями и, в конечном счете, Nikon D3200 с 3,8 микронными пикселями). Датчики сотового телефона используют пиксели размером около 1 микрона и продемонстрировали, что такие пиксели жизнеспособны и могут производить довольно приличный IQ. Та же технология в DSLR может пойти еще дальше с максимальным шумоподавлением, поэтому у нас действительно есть долгий путь.
Физические ограничения
Помимо технологических ограничений на совершенство качества изображения, существует несколько физических ограничений. Два основных ограничения: фотонный шум и пространственное разрешение . Это аспекты физической реальности, которые мы не можем контролировать. Они не могут быть уменьшены с помощью технологических усовершенствований и присутствуют (и присутствовали) независимо от качества нашего оборудования.
Фотонный шум, или фотон выстрел шум, является формой шума из-за непредсказуемой природы света. На квантовом уровне мы не можем точно предсказать, какой пиксель может ударить фотон или как часто фотоны могут ударить один пиксель, а не другой. Мы можем приблизительно подогнать удары фотонов к кривой вероятности, но мы никогда не сможем сделать идеальную подгонку, поэтому фотоны от равномерного источника света никогда не будут идеально и равномерно распределяться по площади сенсора. Этот физический аспект реальности создает большую часть шума, с которым мы сталкиваемся на наших фотографиях, и усиление этого вида шума усилителями датчика является основной причиной, по которой фотографии становятся более шумными при более высоких настройках ISO. Более низкие отношения сигнал / шум означают, что общий диапазон сигналов для захвата и усиления фотонов меньше, поэтому более высокое SNR может помочь смягчить эффекты фотонного шума и помочь нам достичь более высоких настроек ISO ... однако сам фотонный шум не может быть устранен и всегда будет ограничением для цифровой камеры IQ. Программное обеспечение может сыграть роль в минимизации шума от фотонного выстрела, и, поскольку в свете существует некоторая предсказуемость, усовершенствованные математические алгоритмы могут устранить подавляющее большинство этой формы шума после того, как фотография была сделана и импортирована в формате RAW. Единственным реальным ограничением здесь будет качество, точность и точность программного обеспечения для шумоподавления.
Пространственное разрешение - это еще один физический аспект двухмерных изображений, с которым нам приходится работать. Пространственные частоты или двумерные формы волны различной яркости представляют собой способ концептуализации изображения, проецируемого объективом и записываемого датчиком. Пространственное разрешение описывает масштаб этих частот и является фиксированным атрибутом оптической системы. Когда дело касается датчиков, пространственное разрешение является прямым следствием размера датчика и плотности пикселей.
Пространственное разрешение часто измеряется в парах линий на миллиметр (lp / mm) или в циклах на миллиметр. D800 с его 4,3 микронными пикселями или 4912 строками пикселей на 24 мм высоты сенсора способен работать с 102,33 lp / мм. Интересно, что Canon 7D с 3456 рядами пикселей при высоте сенсора 14,9 мм способен на 115,97 lp / мм ... более высокое разрешение, чем D800. Аналогично, Nikon D3200 с 4000 рядами пикселей при 15,4 мм высоты сенсора будет способен поддерживать 129,87 lp / мм. И 7D, и D3200 - это APS-C или датчики с кадрированной рамкой ... меньше по физическим размерам, чем полнокадровый сенсор D800. Если бы мы продолжали увеличивать количество мегапикселей в полнокадровом датчике до тех пор, пока они не будут иметь тот же размер пикселя, что и D3200 (3,8 микрона), мы могли бы создать сенсор с разрешением 9351x6234 пикселя или 58,3 мегапикселя. Мы могли бы довести эту мысль до крайности и предположить, что возможно создать полнокадровый сенсор DSLR с тем же размером пикселя, что и сенсор в iPhone 4 (который, как известно, делает несколько очень хороших фотографий с IQ, хотя не так хорошо, как от DSLR, более чем приемлемо), что составляет 1,75 мкм. Это было бы преобразовано в сенсор 20571x13714 пикселей, или 282.1mp! Такой датчик будет способен с пространственным разрешением 285,7 lp / mm, число, которое, как вы скоро увидите, имеет ограниченную применимость.
Реальный вопрос - выгодно ли такое разрешение в форм-факторе DSLR. Ответ на этот вопрос потенциально . Пространственное разрешение сенсора представляет собой верхний предел возможностей всей камеры, при условии, что у вас был соответствующий объектив, способный выдавать разрешение, достаточное для максимизации потенциала сенсора. Объективы имеют свои собственные физические ограничения на пространственное разрешение проецируемых ими изображений, и эти ограничения не являются постоянными ... они различаются в зависимости от диафрагмы, качества стекла и коррекции аберрации. Дифракция - это еще один физический атрибут света, который уменьшает максимальное потенциальное разрешение при прохождении через все более узкое отверстие (в случае объектива это отверстие является апертурой.) Оптические аберрации или недостатки в преломлении света линзой, являются еще одним физическим аспектом, который уменьшает максимальное потенциальное разрешение. В отличие от дифракции, оптические аберрации увеличиваются при расширении апертуры. У большинства линз есть «сладкое пятно», в котором эффекты оптических аберраций и дифракции примерно эквивалентны, и линза достигает своего максимального потенциала. «Идеальный» объектив - это объектив, который не имеет каких-либо оптических аберраций и поэтому ограничен дифракцией . Линзы часто становятся дифракционными, ограниченными примерно f / 4.
Пространственное разрешение объектива ограничено дифракцией и аберрациями, и, поскольку дифракция увеличивается, когда диафрагма уменьшается, пространственное разрешение уменьшается с размером входного зрачка. При f / 4 максимальное специальное разрешение идеального объектива составляет 173 lp / mm. На f / 8 дифракционно-ограниченная линза способна на 83 lp / мм, что примерно столько же, сколько у большинства полнокадровых зеркальных фотокамер (исключая D800), которые варьируются от 70 до 85 lp / мм. При f / 16 дифракционно-ограниченный объектив способен всего лишь на 43 lp / мм, что составляет половину разрешения большинства полнокадровых камер и менее половины разрешения большинства камер APS-C. Более широкое, чем f / 4, для объектива, на который все еще влияют оптические аберрации, разрешение может быстро упасть до 60 lp / mm или менее и всего до 25-30 lp / mm для сверхбыстрых широкоугольных f / 1.8 или более быстрых простых чисел , Возвращаясь к нашему теоретическому 1,75-микронному пиксельному FF-сенсору с диагональю 282 мегапикселя ... он будет иметь пространственное разрешение 285 lp / mm. Вам понадобится идеальный объектив с дифракционной диафрагмой f / 2.4 для достижения такого большого пространственного разрешения. Такой объектив потребует экстремальной коррекции аберраций, что значительно увеличивает стоимость. Существуют некоторые линзы, которые могут достигать почти идеальных характеристик при еще более широкой диафрагме (вспоминается специализированная линза от Zeiss, которая предположительно способна выдерживать около 400 lp / мм, для которой потребуется апертура около f / 1,6-f / 1,5), однако они редки, узкоспециализированы и чрезвычайно дороги. Намного легче достичь совершенства в диапазоне f / 4 (если намеки на последние несколько десятилетий производства линз есть какой-либо намек), что указывает на то, что максимально жизнеспособное и экономически эффективное разрешение для объектива составляет около 173 lp / мм или меньше на ощупь.
Когда мы учтем физические ограничения в уравнении окончания мегапиксельной гонки, мы обнаружим, что (при условии почти технологического совершенства) самое высокое экономически эффективное разрешение составляет около 173 lp / мм. Это примерно 103-мегапиксельный полнокадровый или 40-мегапиксельный датчик APS-C. Следует отметить, что повышение разрешения датчика до такого высокого уровня приведет к преимуществам только во все более узкой полосе диафрагмы около f / 4, где производительность объектива является оптимальной. Если коррекция оптических аберраций станет проще, мы сможем добиться более высокого разрешения, выдвинув 200 lp / mm, но опять же, такие разрешения будут возможны только при максимальной апертуре или около нее, где, как и на всех других апертурах, общее разрешение вашей апертуры камера будет ниже, потенциально намного ниже, чем то, на что способен сам датчик. Значительное превышение разрешения объектива приводит к проблемам восприятия, а именно к восприятию того, что фотографии, снятые не с идеальной диафрагмой, выглядят мягкими, им не хватает резкости.
Так, когда заканчивается гонка мегапикселей?
Отвечать на этот вопрос не совсем то, на что, я полагаю, любой имеет право отвечать. В конечном счете, это личный выбор, и он будет зависеть от множества факторов. Некоторым фотографам всегда может потребоваться тот потенциал, который датчики с более высоким разрешением могут предложить при идеальной диафрагме, при условии, что они фотографируют сцены со все более мелкими деталями, которые требуют такого разрешения. Другие фотографы могут предпочесть улучшенное восприятие резкости, которое достигается улучшением характеристик датчиков с более низким разрешением. Я полагаю, что для многих фотографов мегапиксельная гонка уже закончилась: более 20 мегапикселей в пакете FF DSLR более чем достаточно. Кроме того, многие фотографы видят качество изображения в совершенно ином свете, предпочитая частоту кадров и возможность непрерывной съемки большего количества кадров при более низком разрешении, что имеет первостепенное значение для их успеха в качестве фотографа. В таких случаях многие поклонники Nikon указали, что около 12 мегапикселей более чем достаточно, если они могут снимать со скоростью 10 кадров в секунду с четкой четкостью.
Технологически и физически, есть еще огромное количество возможностей для роста и продолжения роста с точки зрения мегапикселей и разрешения. Где гонка заканчивает нас до вас. Разнообразие опций на столе никогда не было выше, чем сегодня, и вы можете выбрать комбинацию разрешения, размера сенсора и возможностей камеры, таких как AF, ISO и DR, которые соответствуют вашим потребностям.