Почему большие датчики лучше при слабом освещении?

Question

Лучший ответ: Какие точки и снимки хороши в условиях низкой освещенности? говорит о том, что (1) быстрая линза / широкая диафрагма (2) разумная обработка по ISO 400+ и (3) большой датчик когда они вместе, имеют решающее значение при съемке при слабом освещении.

Первое, что я понимаю (оно дает больше света), второе, которое я понимаю («пленка» более чувствительна к свету). Извините, я не понимаю третий фактор.

Answer 1

Легче всего понять разницу, когда оба сенсора большего и меньшего размера имеют одинаковые мегапиксели. Если у нас есть пара гипотетических камер, одна с меньшим сенсором APS-C и одна с полнокадровым сенсором, и предполагается, что обе имеют 8 мегапикселей, разница сводится к плотности пикселей .

Датчик APS-C имеет размер около 24x15 мм, а сенсор Full Frame (FF) - 36x24 мм. С точки зрения площади, датчик APS-C составляет около 360 мм ^ 2 , а FF составляет 864 мм ^ 2 . Теперь вычисление фактической площади сенсора, который является функциональными пикселями, может быть довольно сложным с точки зрения реального мира, поэтому мы предположим, что на данный момент идеальные сенсоры , где общая площадь сенсора равна выделенный для функциональных пикселей, предположим, что эти пиксели используются максимально эффективно, и предположим, что все другие факторы, влияющие на свет (такие как фокусное расстояние, апертура и т. д.), эквивалентны. Учитывая это, и учитывая, что наши гипотетические камеры имеют 8-мегапиксельную камеру, ясно, что размер каждого пикселя для датчика APS-C меньше, чем размер каждого пикселя для датчика FF. В точном выражении:

APS-C:
360 мм ^ 2/8 000 000 пикселей = 0,000045 мм ^ 2 / px
-> 0,000045 мм ^ 2 * (1000 мкм / мм) ^ 2 = 45 мкм ^ 2 (квадратные микроны)
-> sqrt (45 мкм ^ 2) = 6,7 мкм

FF:
864 мм ^ 2/8 000 000 пикселей = 0,000108 мм ^ 2 / px
-> 0,000108 мм ^ 2 * (1000 мкм / мм) ^ 2 = 108 мкм ^ 2 (микрон)
-> sqrt (108 мкм ^ 2) = 10,4 мкм

В более простых, нормализованных терминах "размер пикселя" или ширина или высота каждого пикселя (обычно цитируемые на веб-сайтах фотооборудования), мы имеем:

Размер пикселя APS-C = 6,7 мкм
Размер пикселя FF = 10,4 мкм

Что касается размера пикселя, камера FF 8mp имеет 1,55x пикселей больше, чем камера APS-C 8mp. Однако одномерная разница в размерах пикселя не рассказывает всей истории. Пиксели имеют двумерную область, над которой они собирают свет, поэтому, принимая во внимание разницу между областью каждого пикселя FF и каждым пикселем APS-C, рассказывается вся история:

108 мкм ^ 2/45 мкм ^ 2 = 2,4

(идеализированная) камера FF имеет 2,4x , или приблизительно 1 стоп , способность собирать свет (идеализированной) камеры APS-C! Вот почему больший датчик более полезен при съемке в условиях низкой освещенности ... он просто имеет большую мощность сбора света в любой заданный период времени.

Другими словами, больший пиксель способен захватывать больше фотонных хитов , чем меньший пиксель в любой заданный период времени (мое значение «чувствительности»).

---

Теперь, пример и вычисления прежде всего предполагают «идеализированные» датчики или датчики, которые являются совершенно эффективными. Реальные сенсоры не идеализированы, и их не так просто сравнивать по типу яблок и яблок. Реальные датчики не используют каждый пиксель, выгравированный на их поверхности с максимальной эффективностью, более дорогие датчики, как правило, имеют встроенную более совершенную «технологию», такую ​​как микролинзы, которые помогают собирать еще больше света, меньшие нефункциональные промежутки между каждый пиксель, изготовление проводов с подсветкой, которое перемещает столбец / строку, активирует и считывает проводку под фоточувствительными элементами (в то время как обычные конструкции оставляют эту проводку выше (и мешают) фоточувствительным элементам) и т. д. Кроме того, полнокадровые датчики часто имеют большее число мегапикселей, чем меньшие сенсоры, что еще больше усложняет задачу.

настоящийВ качестве примера двух реальных датчиков можно привести сравнение датчика Canon 7D APS-C с датчиком Canon 5D Mark II FF. Датчик 7D составляет 18 мегапикселей, а датчик 5D - 21,1 мегапикселя. Большинство датчиков оцениваются в грубых мегапикселях и обычно имеют немного больше, чем их рыночное число, так как многие граничные пиксели используются в целях калибровки, что затруднено механикой фильтра датчиков и т. Д. Поэтому мы предположим, что 18-мегапиксельная и 21,1-мегапиксельная являются действительными количество пикселей в мире. Разница в светосила этих двух датчиков тока и современных датчиков:

7D APS-C: 360 мм ^ 2/18 000 000 пикселей * 1 000 000 = 20 мкм ^ 2 / px
5DMII FF: 864 мм ^ 2/21 100 000 пикселей * 1 000 000 = 40,947 ~ = 41 мкм ^ 2 / px

41 мкм ^ 2/20 мкм ^ 2 = 2,05 ~ = 2

Полнокадровая камера Canon 5D MkII имеет 2x мощность сбора света 7D APS-C камеры. Это означало бы одну остановку дополнительной нативной чувствительности. (В действительности, 5DII и 7D имеют максимальный собственный ISO 6400, однако 7D немного шумнее, чем 5DII на 3200 и 6400, и, кажется, только нормализуется примерно до ISO 800. См .: http://the -digital-picture.com / Обзоры / Canon-EOS-7D-Digital-SLR-Camera-Review.aspx ) В отличие от этого, 18-мегапиксельный FF-датчик будет иметь примерно 1,17x Мощность сбора света 21,1-мегапиксельного FF-датчика 5D MkII, поскольку в одной и той же (и большей, чем APS-C) области разбросано меньше пикселей.

Answer 2

Строго говоря, это НЕ размер датчика, который делает его лучше, это размер пикселя.

Большие пиксели имеют большую площадь поверхности для захвата света и накапливают более высокое напряжение от высвобождения электронов, когда фотоны (свет) ударяются о поверхность. Собственный шум, являющийся в основном случайным, поэтому относительно ниже по сравнению с более высоким напряжением, которое увеличивает отношение сигнал / шум (S / N).

Неявные данные, которые вы пропустили, это то, что у более крупных датчиков, как правило, пиксели больше. Просто сравните полнокадровый D3S с разрешением 12 Мп и обрезанный D300S с разрешением 12 Мп. Каждый пиксель имеет в 2,25 раза большую площадь поверхности, поэтому у D3S такая звездная производительность с высоким ISO.

РЕДАКТИРОВАТЬ (2015-11-24):

Для анонимного неверующего даунвотера есть более новый и лучший пример. У Sony есть две почти идентичные полнокадровые камеры, A7S II и A7R II. Их датчики одинакового размера, но первый имеет разрешение 12 Мп, а второй 42 Мп. Характеристики A7S II при слабом освещении и диапазоне ISO значительно опережают A7R II, достигая ISO 409 600 против 102 400. Это разница в два этапа только для пикселей большего размера.

Answer 3

Размер одного пикселя практически не имеет значения. Это городская легенда!

Имеются две идентичные камеры с сенсором одинакового размера, но с разным количеством пикселей (скажем, 2MP и 8MP) - и для этого другой размер пикселя. Количество света, попадающего на датчик, зависит от диаметра объектива, а не от размера пикселя. Без сомнения, 8-мегапиксельная картинка будет более шумной, чем 2-мегапиксельная, но если вы уменьшите 8-мегапиксельную карту до 2-мегапиксельной, вы получите почти такую ​​же картинку - с почти таким же уровнем шума. Это простая математика. Я говорю почти , потому что логика датчика стоит размера. Так как на 8-мегапиксельном датчике у вас будет в 4 раза больше логики, чем на 2-мегапиксельном, вы получите меньше чистой чувствительной к свету области сенсора. Но это не будет стоить вам 1 стоп (= 50%), может быть, немного, но не так много!

Что на самом деле имеет значение, так это линзы. Если вы снимаете картинку, вас не будут интересовать метрики - ни размер сенсора, ни размер пикселя, ни фокусное расстояние. Вы хотите поймать лицо, группу людей, здание или что-то еще на заданном расстоянии. То, что вас интересует, это угол зрения . Ваше фокусное расстояние будет зависеть от размера датчика и угла обзора. Если у вас маленький датчик, у вас также будет небольшое фокусное расстояние (скажем, несколько мм). Объектив с крошечным фокусным расстоянием никогда не поймает много света, так как его диаметр будет ограничен. Большему сенсору потребуется большего фокусного расстояния, объектив с такой же скоростью будет иметь больший диаметр и, следовательно, поймать гораздо больше света.

Кому нужно 10MP или более, кроме печати плакатов? Уменьшенный до нескольких MP все картинки выглядят нормально. Размер сенсора не ограничивает качество изображения напрямую, но ваш объектив будет. Хотя размер линзы часто зависит от размера сенсора (не должен). Но я видел камеры с маленькими сенсорами и большим количеством MP, но отличными объективами (скажем, диаметром более 2 см), которые снимают великолепные снимки.

Я недавно написал статью . Это на немецком языке, у меня не было времени перевести его на английский - извините за это. Это более многословно и объясняет некоторые проблемы (особенно проблему шума) немного подробнее.

Answer 4

Поверхность цифрового датчика покрыта фотосайтами. Они записывают изображение внешнего мира в проекции объектива. Во время экспонирования образующие лучи в форме фотонов бомбардируют поверхность сенсора. Попадание фотонов пропорционально яркости сцены. Другими словами, фотосайты, которые получают попадания фотонов, которые соответствуют ярко освещенным областям сцены, получают больше попаданий фотонов, чем фотосайты, которые соответствуют слабо освещенным областям изображения. Когда экспозиция завершена, фотосайты содержат электрический заряд, пропорциональный яркости сцены. Тем не менее, степень заряда на всех фотосайтах слишком слабая, чтобы быть полезной без усиления. Следующим шагом в процессе формирования изображения является усиление зарядов.

Усиление похоже на увеличение громкости радио или телевизора. Усиление усиливает силу сигнала изображения, но оно также вызывает искажения в виде статики. В цифровых изображениях мы не называем это искажение статическим; мы называем это «шум». Индуцированный шум фактически называется шумом с фиксированной структурой. Это связано с тем, что каждый фотосайт имеет немного разные характеристики. Другими словами, каждый из них реагирует на усиление по-своему. В результате некоторые фотосайты, у которых было мало попаданий фотонов, будут отображаться черными, если они должны быть темно-серыми или серыми. Это фиксированный шаблон шума. Мы уменьшаем, не увеличивая усиление (поддерживая низкий уровень ISO) и используя программное обеспечение в камере.

Поскольку шум с фиксированной диаграммой направленности, как правило, обусловлен высоким усилением, очевидно, что большее количество попаданий фотонов на любом данном фотосайте генерирует более высокий заряд и требует меньшего усиления. Суть в том, что более крупные чипы обработки изображений содержат более крупные фотосайты с большей площадью поверхности, что позволяет получать больше фотонов во время экспозиции. Чем больше хитов, тем меньше усиление; таким образом, меньше искажений из-за фиксированного шаблона шума.

Answer 5

Размер отдельного пикселя не важен. Несколько маленьких пикселей могут быть математически объединены в один большой, торгуя детали для чувствительности.

Камера с большим сенсором имеет для данного угла обзора объектив с большим фокусным расстоянием, чем камера с маленьким датчиком. Эта более длинная линза имеет для данной диафрагмы большую физическую апертуру (отверстие в радужной оболочке). Это приводит к большему количеству света, попадающего в систему, и обеспечивает лучшую производительность при слабом освещении. Это также учитывает меньшую глубину резкости.

Answer 6

Большие датчики, как правило, немного хуже при слабом освещении для захвата изображения. Объективы большего размера обычно доступны для больших сенсоров, а объективы большего размера обычно лучше при слабом освещении, если вы не против уменьшенной глубины резкости.