Почему у цифровых камер нет лучшего динамического диапазона?

Question

ISO в цифровых камерах - это цифровое усиление сигнала. Если исходный ISO вашей камеры равен 100, установка ISO на 400 заставит датчик усилить яркость в 4 раза.

Итак, если ISO цифровой, значит ли это, что камеры искусственно ограничивают динамический диапазон?

Допустим, вы снимаете фотографию при f / 8,0, 1/500-й секунде и ISO 200. Тени обрезаются. Теперь вы снимаете фотографию при f / 8,0, 1/500-й секунде и ISO 400. Яркие моменты сдуваются. Но ISO 400 только усиливает сигнал, и блики значительно ниже абсолютного максимального предела датчика, так как они хорошо выглядят при ISO 200. Почему тогда камера срезает белки раньше?

Что мешает производителям камер отображать более широкий диапазон значений датчика в RGB (0-255)?

Answer 1

ISO обычно является аналоговым усилением, а не цифровым. Это коэффициент умножения, применяемый к всем данным датчика в равной степени.

Представьте себе, что вы снимаете фотографию при ISO 100. Вы получаете значения от 1 до 150. Хорошо, доводит до ISO до 200. Теперь вы можете получить низкие значения, начиная с 2, но максимумы будут 300, т.е. обрезан до 255. (если ваши минимумы действительно заблокированы на 0, более высокий ISO не поможет, но, скажем, 1-10 также выглядит полностью черным для вас, и расширение до 2-20 может позволить вам увидеть градации [числа свободно придумано])

Дело в том, что ваши блики вписываются в диапазон, когда записываются на 100, но усиливаются, они больше не.

Если динамический диапазон вашей сцены достаточно низок, чтобы вписаться в ваш диапазон (<= 8 EV, если мы говорим о 8-битном), вы действительно не получите отсечение, если выставите идеально. И на самом деле, датчики имеют более DR, чем 8 EV, и им приходится применять некоторую контрастную кривую при преобразовании в JPEG. так что есть комната для маневра с контрастными и более плоскими кривыми. А когда вы записываете RAW, вы можете манипулировать данными позже, чтобы противостоять своему сердцу, даже применяя локально различные настройки (см. Тональное отображение, HDR). </p>

Answer 2

без учета физических ограничений и производственных процессов; есть проблема практичности: разрешение в области яркости.

Представьте себе, что вместо измерения интенсивности света мы измеряем расстояние линейкой. Мы можем сделать эту линейку настолько длинной или короткой, насколько нам нужно (это динамический диапазон), но мы ограничены тем, сколько тиков мы отметили на ней (скажем, 1024 метки для 10-битной глубины цвета).

Так что, если мы сделаем линейку длиннее, клещи будут все больше и больше раздвигаться. То есть, если вам нужен безусловно больший динамический диапазон, вы пропустите более мелкие детали (вы бы увидели постеризацию в том, что в противном случае было бы плавными градациями).

Answer 3

Частью того, что позволяет датчику иметь большой динамический диапазон, является физический размер пикселя. Во время экспозиции свет попадает на пиксель и создает электрический заряд, который сохраняется пикселем. Чем больше пиксель, тем больше заряда он может сохранить во время экспозиции. Чем больше емкость хранилища, тем меньше вероятность того, что пиксель достигнет своей полной емкости во время любой данной экспозиции. Это то, что заставляет светлые участки обрезаться даже при точной экспозиции.

Существует множество камер с динамическим диапазоном более 15 ступеней. Однако что мешает производителям, скажем, 25 остановок или 100 остановок? Это потому, что, как я прочитал в статье на dpreview.com, «... поскольку динамический диапазон - на уровне пикселей - не может превышать разрядность АЦП». АЦП является аналого-цифровым преобразователем.

Answer 4

Что мешает производителям камер отображать более широкий диапазон значений датчика в RGB (0-255)?

Ничто не мешает им - на самом деле, некоторые камеры делают именно это. Например, Fujifilm имеет режимы «DR 200%» и «DR 400%». Номинальное значение ISO составляет 400 или 800, но изображение на самом деле экспонируется при ISO 200, а затем «выталкивается» таким образом, что осветляет общую экспозицию, но сохраняет блики. Pentax называет то же самое «коррекцией выделения».

Почему это не по умолчанию? Что ж, для того, чтобы обработать основные моменты специально, усиление нуждается в интеллекте. Это гораздо проще сделать позже в процессе, после аналого-цифрового преобразования, когда вы просто работаете с битами . С другой стороны, увеличение ISO обычно реализуется как усиление аналог ранее. Это обычно приводит к более чистым результатам. Таким образом, режимы «расширения DR» часто показывают больше шума в тенях, чем при одинаковой экспозиции с тем же номинальным ISO и отключенной функцией - не говоря уже о более длительной (или более быстрой диафрагме) экспозиции при более низкой ISO и отпускании ярких участков.

Answer 5

Вы ограничены 0-255 значениями, потому что вы используете 8-битный формат хранения. Если вы записываете изображения в формате RAW, у вас будет доступ к полному разрешению АЦП датчика.

Но тогда, почему мой АЦП, например, 10-разрядный (0-1023) вместо, скажем, 32-разрядного (0-4294967295)?

Производители камер могут использовать АЦП с большим разрешением, но это будет бесполезно. В любом случае младшие цифры полученных значений будут просто случайным шумом.

Вот попытка на конкретном примере:

Вы можете закрыть объектив, чтобы все пиксели были равны нулю К сожалению, они не будут, потому что они будут иметь некоторый шум. Допустим, их значения изменяются случайным образом в диапазоне от 0 до 4. Это означает, что когда вы используете камеру на практике и получаете значение 2, вы не сможете определить, есть ли там какой-то свет или это просто случайный шум. , Фактически, ваш динамический диапазон будет равен вашему максимальному значению изображения (4095 для 12-разрядного АЦП), разделенному на 4, что составляет 1023. Это означает, что ваш производитель мог бы просто использовать 10-разрядный АЦП без потери , полезной информация.

Answer 6

Имейте в виду, что типичные датчики камеры работают кумулятивно / интегрирующим образом - представьте, что либо крошечный конденсатор либо заряжается источником напряжения с помощью крошечного фотоэлемента (фотодиод, фототранзистор, элемент CDS, что угодно!), Либо предварительно заряженный конденсатор закорочен фотоэлементом. Второй путь IIRC - это то, что происходит в типичных датчиках.

Эта структура перестает правильно интегрироваться, когда конденсатор разряжен (или заряжен до доступного напряжения). Игла метра прижата, так сказать.

Конденсаторы на кристалле относительно большие, поэтому вы не можете сделать их произвольно высокими по емкости; Кроме того, вы получите меньшие разности напряжений для того же количества встроенного света и, следовательно, с большим шумом считывания.

Типичный пиксель датчика не является неинтегрирующим фотоэлементом с подключенным буфером и схемой выборки и удержания (активированной при считывании) - такое расположение, вероятно, будет намного шумнее и также саботирует осмысленное использование традиционного затвора. Кроме того, будет гораздо сложнее (см. Ниже).

Можно поместить какой-то логарифмический усилитель между фотоэлементом с низкой емкостью и реальным конденсатором ... что сильно усложняет схему. Кроме того, вам необходимо очень тщательно экранировать любые нетривиальные аналоговые схемы в пикселе датчика: кремниевые полупроводники оба несколько полупрозрачны для инфракрасного излучения, некоторые структуры, используемые при изготовлении деталей, особенно MOS / CMOS, на самом деле являются кварцевыми (что является полупрозрачный и многое другое), и все это фоточувствительный, даже если он не предназначен в качестве фотодиода или фототранзистора. Логарифмические усилители особенно сильно зависят от баланса цепи, тепловые или оптические помехи очень хорошо их расстраивают ...

Путь, который, возможно, еще не был изучен, состоит в использовании другой структуры фильтра сверху - например, мозаика R, G, B, R + ND8, G + ND8, B + ND8 ... Хотя цветение может испортить веселье.