Dlaczego większy czujnik ma lepszy zakres dynamiki?

Rozumiem już całą teorię leżącą u podstaw tego, w jaki sposób większy czujnik prowadzi do lepszej kontroli głębi pola i zmniejszenia hałasu. Ale jeszcze nie znalazłem miejsca, które może wyjaśnić, dlaczego większy czujnik daje większy zakres dynamiki?

Rozmiar czujnika nie ma znaczenia, jest to rozmiar piksela. Powiedziawszy to, większe czujniki, jak w aparatach pełnoklatkowych, mają zwykle większe piksele.

Możesz oszacować rozmiar piksela, biorąc rozmiar czujnika i podzielić go przez liczbę pikseli. Obliczenia te nie są dokładne, ponieważ większość czujników ma odstępy między pikselami, a odstępy te różnią się rozmiarem. Dlatego mówię „szacuj”.

Teraz pomyśl o pikselu w czujniku jak o pudełku, a fotony o kulkach. Im większe pudełko, tym więcej kulek może zawierać.

Zakładając, że mamy pola A i B. Pole A może zawierać 256 kulek, a pole B może zawierać 512 kulek. Teraz ułóżmy macierz pudełkową typu A i wyrzućmy wiele piłek w powietrze. Chcemy zebrać statystyki dotyczące tego, gdzie spadły kule.

Na środku jedno z pudeł zawiera 256 kulek, a na krawędziach pudełka ~ 20 kulek. Nie wiemy, czy w środku spadło tylko 256 piłek lub więcej. Nasz pomiar jest ograniczony do maksymalnie 256 piłek.

Teraz powtórzmy ten eksperyment, ale teraz z polami typu B. Teraz możemy zobaczyć, że w środku pudełko zawiera 347 kulek, a na krawędziach pudełka ~ 20 kulek.

Nasz pomiar jest znacznie dokładniejszy. Tak właśnie dzieje się z fotonami uderzającymi w czujnik. Większa powierzchnia może zawierać więcej fotonów i może mierzyć większy zakres dynamiczny. W naszym przykładzie zakres dynamiczny jest dwa razy większy w większym pudełku.

Jeśli piksel jest pełen fotonów, przełożenie na kolor będzie w pełni nasyconym kolorem, ale przy większej powierzchni piksela uzyskamy lepszy wynik, a zatem lepszy zakres dynamiczny.

Oto zdjęcie, które może zademonstrować moje wyjaśnienie:

Aby uzyskać głębsze wyjaśnienia, możesz sprawdzić ten artykuł:

Dynamic_Range

Biorąc pod uwagę idealne czujniki, w których szum fotonów jest jedynym problemem, im większy czujnik, tym większy zakres dynamiczny. Zakres dynamiczny to różnica między punktem, w którym czujnik się nasyca, a momentem, w którym każdy szczegół zostaje utracony przez szum w cieniach.

Większy czujnik będzie miał albo więcej pikseli, albo więcej pikseli. Większe piksele oznaczają większą pojemność do przechowywania ładunku (wszystkie pozostałe są równe) i więcej światła przechwytywanego na piksel, a zatem mniej światła w cieniach, a zatem większy zakres dynamiczny. Więcej pikseli oznacza podobny szum na piksel, ale więcej pikseli do uśrednienia, aby zredukować szum cienia, a tym samym zwiększyć zakres dynamiczny.

W rzeczywistości istnieją inne źródła hałasu, a mianowicie szum odczytu, w którym sygnał analogowy wytwarzany przez strony internetowe odbiera szum przed digitalizacją. Może to mieć wpływ na zakres dynamiczny, który jest znacznie silniejszy niż różnice w rozmiarze czujnika. Sygnały o niskiej intensywności z ciemnych obszarów obrazu są szczególnie wrażliwe na szum odczytu, stąd duży wpływ na DR.

Nowa technologia (skrócenie ścieżki od czujnika do ADC, dwukrotne przesłanie sygnału i porównanie wyników) może praktycznie wyeliminować szum odczytu, dzięki czemu czujniki APS-C, takie jak Sony Exmor, przekraczają zakres dynamiczny 2,5-krotnie większych czujników pełnoklatkowych firmy Canon o prawie rząd wielkości!

Konieczne jest również rozróżnienie między zakresem dynamicznym przy dobrym świetle i zakresem dynamicznym przy słabym świetle. To pierwsze zależy głównie od szumu odczytu, dlatego mały czujnik może przodować, pod warunkiem, że ma niski poziom hałasu odczytu i wystarczająco przyzwoitą głębokość studni. W tym ostatnim dominują szumy fotonowe (podniesienie czułości ISO w słabym świetle wzmacnia szum fotonowy, ale nie hałas odczytowy), dlatego większe czujniki zwykle działają tutaj lepiej. Ponownie nie każdy czujnik podąża za trendem.

Nie ma powodu, dla którego większy czujnik może dawać większy zakres dynamiki lub niższy szum inny niż większy obszar powierzchni na piksel, jednak kamery pełnoklatkowe są zwykle jednostkami wyższymi i dlatego mają lepsze czujniki.

Należy pamiętać, że nie ma powodu, aby mniejszy czujnik o niższej rozdzielczości nie miał lepszego szumu i zakresu dynamiki, gdyby był wykonany w jakości podobnej do czujnika pełnoklatkowego. Liczba pikseli na cal na powierzchni czujników i jakość czujnika to bity, które mają znaczenie.

Przykład z pudełkami jest bardzo prawdziwy i wyjaśnia, dlaczego większe czujniki mają duży zakres dynamiki. Im mniejszy piksel, tym mniej fotoelektronów może przechowywać (maksymalna liczba fotoelektronów, które można przechowywać, nazywa się pełną pojemnością studni). Po skurczeniu czujnika możemy dojść do sytuacji, w której można przechowywać tylko kilka elektronów, co powoduje czarno-białe obraz (bez odcieni szarości! (:).

Nie ma więc wątpliwości, że większy czujnik ma większy zakres dynamiki, jeśli wszystko inne jest takie samo.

Pytanie brzmi: czy możesz zwiększyć zakres dynamiczny, obniżając rozdzielczość? Wiem, że można to zrobić za pomocą naukowych kamer CCD (osobiście to zrobiłem). Ale czy możesz zrobić to samo z aparatami konsumenckimi i CMOS? Zakładam, że tak, jeśli możesz połączyć 2x2 piksele w jeden (skutecznie zmniejszając rozdzielczość 4 razy).

Według moich badań nawet wielkość pikseli nie ma znaczenia, teoria pola ma zastosowanie w warunkach oświetleniowych, ponieważ większe piksele zbierają więcej światła, z pewnością będzie mieć krawędź w słabym świetle (zdrowy rozsądek), ale technologia czujników jest kluczowym czynnikiem w zakresie dynamicznym , ponieważ zakres dynamiczny to zdolność czujnika do zatrzymywania detali w światłach i cieniach. Na przykład zakres dynamiczny nowszego czujnika małego lub dużego wentylatora jest lepszy niż zakres dynamiczny starszego pełnoklatkowego czujnika