Co dokładnie ogranicza nowoczesne czujniki aparatu cyfrowego w rejestrowaniu natężenia światła poza określonym punktem?
Co dokładnie ogranicza nowoczesne czujniki aparatu cyfrowego w rejestrowaniu natężenia światła poza określonym punktem?
Odpowiedzi:
Co dokładnie ogranicza nowoczesne czujniki aparatu cyfrowego w rejestrowaniu natężenia światła poza określonym punktem?
Pod względem właściwości fizycznych samego czujnika:
Liczba uderzeń fotonu i liczba wolnych elektronów wynikających z takich uderzeń fotonu, dopóki nie będzie już dostępnych elektronów z potencjałem do uwolnienia na każdej stronie (a / k / a sensel, studnia pikseli itp.) Określają jej pełną studnię Pojemność. Nie różni się zbytnio od filmu, w którym osiąga się pełne nasycenie, gdy w emulsji nie ma już kryształów halogenku srebra, które nie mają jeszcze wystarczającej liczby „plam czułości”, aby programista mógł je przekształcić w srebro atomowe. Główną różnicą jest kształt krzywych reakcji, gdy każda technologia zbliża się do pełnej wydajności. Cyfrowe powoduje uwalnianie takiej samej liczby elektronów na foton¹, aż do osiągnięcia pełnej pojemności odwiertu. Gdy film zbliża się do pełnego nasycenia, potrzeba więcej energii świetlnej (lub czasu wywoływania), aby wpłynąć na pozostałe sole srebra.
Pod względem zapisu napięć analogowych jako danych cyfrowych:
Po odczytaniu z czujnika napięcia analogowego z każdej strony (a / k / a „sensel”, „well pixel” itp.) Do sygnału zostaje zastosowane wzmocnienie. Ustawienie ISO kamery określa, jakie wzmocnienie jest stosowane. Dla każdego stopu wzrostu ISO stosuje się dwa razy większe wzmocnienie. Jeśli zastosowana zostanie „podstawowa” czułość aparatu (dla uproszczenia nazwijmy ISO 100 wzmocnienie 1,00X, w którym napięcie wejściowe jest równe napięciu wyjściowemu), wówczas zdjęcia, które osiągnęły pełną pojemność studni, powinny skutkować odczytem maksymalnego napięcia na wzmacniaczu końcowym obwód analogowy zasilający ADC. Jeśli stosuje się ISO 200 (wzmocnienie 2x), napięcie z dowolnego czujnika, który osiągnął połowę (1/2) pełnej pojemności studni lub więcej, jest wzmacniane do maksymalnego napięcia dozwolonego w obwodzie po wzmocnieniu.
Każde wzmocnienie większe niż 1,0X spowoduje zastosowanie „pułapu” niższego niż pełna pojemność każdej studni. Gdy stosowane jest wysokie wzmocnienie, sygnały słabsze niż pełna pojemność studni również osiągają maksymalną pojemność napięciową obwodów za wzmacniaczem. Każdy poziom sygnału ze wzmacniaczem wstępnym, który jest wystarczająco silny, aby „ustalić miernik” po wzmocnieniu, jest nie do odróżnienia od jakiegokolwiek innego poziomu sygnału ze wzmocnieniem wstępnym, który również „ustabilizuje miernik”.
Gdy te wzmocnione sygnały analogowe są konwertowane na dane cyfrowe przez przetwornik analogowo-cyfrowy (ADC), sygnałom o maksymalnej pojemności napięciowej obwodu przypisuje się maksymalną wartość dopuszczalną przez głębokość bitową konwersji analogowo-cyfrowej. W przypadku konwersji na wartości 8-bitowe napięciom przypisuje się wartość binarną między 0–255. Maksymalny sygnał dozwolony przez obwód analogowy zasilający ADC zostałby zapisany jako 255. Jeśli 14-bitowym napięciom przypisuje się wartość z przedziału od 0 do 16 383, a maksymalnej wartości przypisano wartość binarną 16 383 i tak dalej.
Na wynos, kiedy faktycznie robisz zdjęcia:
Dostaniesz największą różnicę i najlepszą liczbę gradacji między najjaśniejszymi i najciemniejszymi² elementami w fotografowanej scenie, gdy wzmocnienie jest na podstawie „podstawowej” czułości aparatu, a czas otwarcia migawki i przysłona są połączone, aby uzyskać najjaśniejsze elementy w scena jest wystarczająco eksponowana, aby osiągnąć pełne lub prawie pełne nasycenie. Zastosowanie wyższej wartości ISO jest użyteczne, jeśli nie można wystawiać tak długo lub przy wystarczająco szerokiej aperturze, aby zbliżyć się do pełnego nasycenia rozjaśnienia w scenie dla obrazu, który chcesz wykonać. Ale użycie wyższej wartości ISO ma swoją cenę. Całkowity zakres dynamiczny jest redukowany przez większe wzmocnienie sygnałów elektrycznych wychodzących z czujnika.
Dlaczego więc nie zawsze robimy zdjęcia z czułością ISO 100 lub jakąkolwiek podstawową czułością ISO aparatu, a następnie zwiększamy ekspozycję później w poście? Ponieważ zrobienie tego w ten sposób wzmacnia „szum” na obrazie nawet bardziej niż w przypadku fotografowania przy wyższych wartościach ISO. Ile więcej zależy od tego, ile i gdzie następuje redukcja szumów w sygnale. Ale zmniejszenie wpływu szumu poprzez zastosowanie redukcji szumów do napięć analogowych wychodzących z czujnika ma również swoją cenę - źródła światła o bardzo słabym punkcie są często filtrowane jako „szum”. Właśnie dlatego niektóre aparaty o bardzo dobrej wydajności przy słabym świetle / wysokiej ISO pod względem redukcji szumów są również nazywane przez astrofotografów „zjadaczami gwiazd”.
¹ Występuje niewielka zmiana energii zawartej w fotonie w zależności od częstotliwości, z jaką oscyluje. Fotony oscylujące przy niższych częstotliwościach uwalniają nieco mniej energii podczas uderzenia w sensel niż fotony oscylujące przy wyższych częstotliwościach. Ale dla fotonów oscylujących przy określonej częstotliwości / długości fali ilość energii uwalnianej podczas uderzania w dno studni pikseli jest taka sama, aż do osiągnięcia pełnej pojemności studni.
² Różnicę między najciemniejszymi i najjaśniejszymi elementami, które mogą być rejestrowane przez czujnik (lub film), nazywamy zakresem dynamicznym nośnika zapisu. Dla każdego zatrzymania wzrostu czułości (ISO) w aparacie cyfrowym różnica napięcia liniowego między „zero” a „pełnym nasyceniem” jest zmniejszona o połowę. Po przekształceniu na skale logarytmiczne, takie jak „Ev”, podwojenie czułości powoduje zmniejszenie jednego „zatrzymania” zakresu dynamicznego (wszystkie pozostałe są równe, co rzadko bywa).
Oprócz doskonałej odpowiedzi Michaela Clarka (opisującej obcinanie pełnej studni i obcinanie ADC) istnieje kilka innych punktów w potoku fotografii cyfrowej, w których może wystąpić obcinanie:
W przypadku obrazów innych niż RAW, podczas korekcji kolorów na urządzeniu / automatycznej regulacji gamma przed kompresją oraz podczas samej kompresji.
Gdy kompresujesz obraz w formacie JPEG lub MPEG, sprzęt obcina głębię bitową do tego, co obsługuje skompresowany nośnik, co zwykle jest znacznie mniejsze niż głębia sprzętowa. Z powodu tego obcięcia wartości bliskie obu skrajności jasności gubią się.
Przed kompresją aparat stosuje korekcję kolorów i korekcję gamma, które mogą wpływać na efektywny zakres dynamiki mieszczący się w ograniczonej głębokości bitów zapewnianej przez kompresor. Na przykład podczas nagrywania wideo w trybie Canon Log najciemniejsze i najjaśniejsze fragmenty sceny są matematycznie przyciągane do środka, dzięki czemu efektywny zakres dynamiczny znacznie się zwiększa, a mniej części obrazu zostaną przycięte na obu końcach zakresu.
Podczas przetwarzania końcowego. Podczas wykonywania przetwarzania końcowego, które znacznie zmienia jasność obrazu, na wczesnych etapach obliczeń możliwe jest, że wartości faktycznie przekroczą zakres, który może być poprawnie reprezentowany przez liczbę bitów użytych do ich przechowywania. Chociaż rzadko się to zdarza, czasami się zdarza, a gdy tak się dzieje, może powodować przycinanie nawet w obszarach zdjęcia, które w rzeczywistości nie są przycięte na oryginalnym obrazie.
Podczas korekcji gamy kolorów podczas drukowania lub wyświetlania obrazu. Podczas przeprowadzania korekcji kolorów czasami można uzyskać wartości wykraczające poza gamę, które mogą być dokładnie odtworzone przez medium wyjściowe. W tym momencie silnik kolorów musi zdecydować, co zrobić z wartościami spoza zakresu. Skutecznie powoduje to również obcinanie, choć wizualnie wygląda nieco inaczej niż większość ludzi myśli o rozmowach, co zwykle powoduje, że rzeczy wyglądają niewłaściwie.
Proste wyjaśnienie empiryczne:
Spójrz na bardzo jasną żarówkę, jeśli światło jest wystarczająco jasne, nie będziesz w stanie zobaczyć wnętrza żarówki, ponieważ twoje źrenice mogą zamknąć się bardziej, a wciąż jest zbyt dużo światła padającego na siatkówkę, nasycając ją i informacje, które docierają twój mózg jest obcięty (widzisz tylko jasne światło, ale nie szczegóły w świetle). Jest to jeden z powodów, dla których jeśli spróbujesz, nie powinieneś tego robić, aby spojrzeć bezpośrednio na czyste niebo w południe, nie zobaczysz słońca, ale intensywne światło (strzeż się, że próba zrobienia tego bez odpowiednia ochrona może faktycznie trwale uszkodzić oczy lub sprzęt fotograficzny, obiektywy i czujnik)
Każdy czujnik zachowuje się w ten sam sposób (z aparatu lub w inny sposób). Gdy sygnał (w tym przypadku światło) osiągnie zbyt wysoką pojemność (osiągnie poziom nasycenia), przyciśnie wszelkie dodatkowe informacje, nie będzie w stanie rozpoznać więcej sygnału, przekazując tylko płaski wysoki sygnał bez żadnych cennych informacji.