W jaki sposób zakres dynamiczny może być większy niż głębia bitowa czujnika?

23

Znalazłem coś, co mnie zdezorientowało, więc pomyślałem, że tłum tutaj prawdopodobnie może odpowiedzieć na to pytanie, ponieważ jest to związane z kamerą i jednocześnie techniczne.

Ktoś przysłał mi wyniki DXOMark dla Pentaxa K-5, który pokazuje 14,1 EV zakresu dynamiki przy najniższym ISO. Biorąc jednak pod uwagę, że czujnik ma 14 bitów, nie pasuje to do mojej intuicji ... Wydaje się dziwne, że urządzenie liniowe, takie jak czujnik CMOS, może przechwycić więcej DR niż ma bitów. Czy miałby rzadki zakres dynamiki, pomijając EV w środku?

sensor dynamic-range bit-depth

— Itai
źródło

Wynik DxO Mark dla zakresu dynamicznego pod zakładką drukowania jest interpolowanym wynikiem teoretycznym , a nie rzeczywistym pomiarem. Przeczytaj stronę w ich witrynie, na której wyjaśniono wyniki i sposób ich obliczania. DR pod zakładką ekranu jest bardziej realistycznym numerem dla 14-bitowego czujnika: 13,44 EV.

— Michael C

Zobacz tę odpowiedź i komentarze: photo.stackexchange.com/a/47512/15871

— Michael C

16

Cambridge in Colour ma bardzo dobry artykuł na ten temat. Jeśli czujnik ma liniowy przetwornik A / D, głębokość bitu ograniczy zakres dynamiki przy 14 EV jako teoretyczną granicę. Jeśli jednak jest nieliniowa, głębokość bitu niekoniecznie jest skorelowana. Z tego wynika, że możemy stwierdzić, że czujnik w K-5 nie ma liniowego przetwornika A / D.

Mogę powiedzieć z własnego doświadczenia, że ten czujnik ma zdecydowanie ogromny zakres dynamiki. Udało mi się odzyskać obraz, który był prawie 8 stopni niedoświetlony na K-5.

— John Cavan
źródło

Czy jesteś pewien, że przez resztę czasu nie kręciłeś ISO1600, a nie ISO16000? Spowodowałoby to, że obraz byłby nieco ponad 4 stopnie prześwietlone, a nie 8, i korelowałby bez użycia kompensacji ekspozycji +4 w ACR. Wciąż robi wrażenie, chcę tylko upewnić się, że liczby są prawidłowe.

— Matt Grum,

1

Tak, to było 16000, mam kolejne zdjęcie z sekwencji (i obiektów) z tą samą przysłoną i czasem otwarcia migawki w celach informacyjnych (opublikowałbym to, ale nie ma mnie w domu, aby je zdobyć). ACR pozwala tylko na 4-stopniową regulację ekspozycji, więc musiałem też przesunąć światło wypełniania do 100, aby uzyskać więcej szczegółów. Hmm, może powinienem zaktualizować artykuł o kilka pośrednich kroków. Widziałem podobny przykład z celowym 10 przystankami poniżej i to właśnie spowodowało moją aktualizację teraz, a nie w styczniu. :)

— John Cavan

+1, że artykuł Cambridge in Colour jest doskonały. Doskonale tłumaczy wartość większych stron zdjęciowych (głębsze „studnie”) i ich wpływ na zakres dynamiczny. Należy również prawdopodobnie zauważyć, że większość czujników nie jest czysto liniowa, większość ma osłabiony konwekcyjny przetwornik analogowo-cyfrowy. krzywa (krzywa S), gdy dojdziesz do ekstremalnych cieni i świateł. W RAW czujnik cyfrowy może przechwytywać wiele danych, które można później odzyskać, jak pokazano w artykule.

— jrista

@jrista - Cambridge in Colour było jednym z pierwszych serwisów fotograficznych, na które trafiłem, kiedy zaczynałem kręcić zdjęcia w dSLR. Ciągle do nich wracam, bardzo dobrze napisane i łatwe do naśladowania.

— John Cavan,

@John: Zgoda. CinC to świetna strona, bardzo dobrze napisana na poziomie przydatnym zarówno dla początkujących, jak i doświadczonych fotografów. To trudna rzecz do zrobienia.

— jrista

7

W jaki sposób zakres dynamiczny może być większy niż głębia bitowa czujnika?

Zakres dynamiczny jest logarytmem stosunku intensywności najjaśniejszej do najciemniejszej na liniowej części krzywej wrażliwości. Mogą istnieć inne definicje, ale generalnie wywodzi się ze stosunku dwóch intensywności, obiektywnych właściwości fizycznych sceny. To jest liczba rzeczywista.

Głębia bitowa to liczba bitów na kanał używana do kwantyzacji zmiennej ciągłej. Większa głębia bitowa daje wyraźniejsze odcienie szarości pomiędzy nimi. Jest to wyłącznie pytanie, jak obraz jest reprezentowany w pamięci komputera.

Zakres dynamiczny odzwierciedla poziom kontrastu, jaki czujnik może zarejestrować. Głębia bitowa odzwierciedla, ile różnych kolorów aparat może „nazwać”. Lub na ile sztuk aparat może podzielić zasięg. Gdyby kamera była linijką, wówczas zakres dynamiczny byłby (logarytmem) długości linijki, a głębia bitów byłaby (logarytmem) liczby znaczników wzdłuż jej krawędzi. Możesz podzielić długość na dowolną liczbę części. Podobnie głębokość bitu nie musi być taka sama jak zakres dynamiczny.

Jeśli zakres dynamiczny to S EV, a głębia bitowa wynosi n , oznacza to, że aparat może rejestrować sceny o kontraście co najmniej tak dużym, jak

$I_{max}/I_{min} = 2^S$

(Właściwie trochę więcej, jeśli użyjesz również nieliniowej części krzywej odpowiedzi czujnika). I możesz teoretycznie odróżnić

$N=2^n$

odcienie szarego.

Posiadam kompaktowy aparat, który potrafi pisać 12-bitowe pliki RAW. Pomimo dużej głębokości bitów jego zakres dynamiczny jest bardzo skromny. Można odwzorować sytuację odwrotną, gdy czujnik może zarejestrować scenę o wysokim kontraście, bez prześwietlenia i niedoświetlenia, ale jeśli głębia bitowa jest niska, scena ta będzie reprezentowana przez kilka kolorów pośrednich.

— sastanina
źródło

+1, świetna odpowiedź. Jedna wskazówka: wierzę, że słowem, które potrzebujesz zamiast „dyskretyzować”, jest „kwantyzacja”: kwantyzacja - czasownik: matematyka, fizyka. ograniczyć (zmienną ilość) do wartości dyskretnych zamiast ciągłego zestawu wartości.

— jrista

Dziękuję Ci. Mój angielski jest daleki od perfekcyjnego, ale wydaje się, że w świecie komputerów i matematyki dyskrecja jest bardziej odpowiednia, gdy ciągła przestrzeń jest zastępowana równoważną dyskretną przestrzenią do celów obliczeniowych en.wiktionary.org/wiki/discretize (np. liczba z wartością zmiennoprzecinkową IEEE lub liczbą całkowitą). Dyskretyzacja jest decyzją inżynierii oprogramowania. Zamiast tego zmienna skwantowana jest dla mnie zmienną, dla której wszystkie wartości są zabronione z wyjątkiem niektórych. Zatem „skwantowane” brzmi dla mnie jak fizyczne ograniczenie. Ale może masz rację.

— sastanin,

Mówiąc technicznie, czujnik „kwantyzuje” światło w określone, ograniczone fizycznie „wiadra”. Jeśli założymy 12-bitowy obraz RAW, istnieje 4096 dyskretnych „kwantów”, w których można „dyskretyzować”. W przypadku gdy dyskretyzacja oznaczałaby, że można zharmonizować rzeczywistą przestrzeń w zmiennej liczbie dyskretnych przestrzeni, za pomocą czujnika, dyskretna przestrzeń jest stała i istnieje tylko 4096 specyficznych dyskretnych wartości, na które można przekształcić przestrzeń analogową. Może to być kwestia sporna, ale myślę, że kwantyzacja ma tutaj większe zastosowanie. ;)

— jrista

DOBRZE. Jestem przekonany.

— sastanin

@ jrista Gdy rozmawiamy o języku angielskim, pożądane słowo to „dyskretne”, a nie „dyskretne”.

— coneslayer

2

Po pierwsze, zakres dynamiki ma odwrotny związek z hałasem - niski poziom hałasu (wszystkie pozostałe są równe) prowadzi do większego zakresu dynamiki. Hałas pochodzi przede wszystkim z elektroniki czujnika (szum odczytu, szum ciemnego prądu), z dyskretnej natury światła (szum fotonu / strzału) oraz z konwersji z analogowej na cyfrową (szum kwantyzacji).

Oceny zakresu dynamicznego znaku DXO oparte są na różnicy między intensywnością światła wymaganą do nasycenia czujnika a intensywnością światła, w którym SNR osiąga 1: 1 (tj. Punkt, w którym sygnał równa się szumowi)

Można się spodziewać, że przy braku szumu strzału i szumu odczytu DR czujnika z odpowiedzią liniową będzie równy głębokości bitu. Biorąc pod uwagę punktację K-5 w obecności tych źródeł hałasu, wskazuje mi, że potok obrazu ma umiarkowany stopień nieliniowości (wszystkie czujniki mają pewną nieliniowość), prawdopodobnie zaprojektowany w ten sposób, aby zwiększyć zakres dynamiczny.

Nieliniowość pomaga przekroczyć granicę głębokości bitów, trochę zyskać na gradacji w cieniach, które tracisz gdzie indziej w krzywej tonalnej (choć prawdopodobnie gdzieś mniej ważne). Nie ma czegoś takiego jak darmowy lunch!

Jeśli chodzi o K-5, jest to klasa wiodąca przy niskiej czułości ISO, która jest determinowana głównie przez szum odczytu. Naprawdę wspaniale jest widzieć, że producenci zwracają uwagę na ten obszar i na pewno zasługuje na uwagę, jednak zakres dynamiki przy wyższych czułościach ISO jest zdominowany przez szum fotonów, któremu przeciwdziała tylko przechwytywanie większej ilości światła, więc duże czujniki zawsze będą miały tutaj przewagę . Ponieważ niektóre osoby fotografują głównie ISO400 i wyżej, warto o tym pamiętać!

— Matt Grum
źródło

Zgadzam się, że na ISO80 K-5 jest oszałamiający i dobrze układa się z niektórymi średnimi formatami i pełną klatką dla niższych zakresów ISO. Gdy ISO zaczyna skakać, zaczyna tracić prowadzenie. Jednak nadal udaje mu się pozostać dość blisko, więc jest to całkiem osiągnięcie dla Sony (który produkuje czujnik) i Pentax (który go wdrożył). D7000 ma bardzo podobne cechy, biorąc pod uwagę, że jest wariantem na tym samym czujniku, a Nikon wykonał bardzo dobrą robotę przy ich wdrażaniu.

— John Cavan,

0

„Zakres dynamiczny” (DR) nie jest cechą absolutną.

Najbardziej zgrubną definicją DR jest „stosunek między najjaśniejszymi i najciemniejszymi intensywnościami szarości, które czujnik może rejestrować dobrze”.

DR czujnika cyfrowego pochodzi z dwóch pomiarów:

intensywność przycinania [dla najbardziej czułego kanału] w danej temperaturze barwowej (DxO najprawdopodobniej używa D65);
intensywność, która wytwarza graniczną ilość hałasu (tj. jeśli jest ciemniej, hałas jest niedopuszczalny).

Następnie masz dwa sposoby obliczania DR obrazu cyfrowego.

Głupi sposób wykorzystuje dane w pikselach do obliczania szumu (pomiary „ekranowe” na stronie DxO). Jeśli obliczymy DR czujnika liniowego za pomocą X-bitowego ADC w ten sposób, nie może on być większy niż X EV.
Inteligentny sposób (który jest jedynym możliwym sposobem porównywania zdjęć z aparatów o innej rozdzielczości) bierze pod uwagę rozdzielczość podczas obliczania szumu (pomiary „wydrukuj” na DxO). DR nie jest w ten sposób ograniczony przez ADC, można potencjalnie stworzyć kamerę z większym czujnikiem i tym samym ADC i będzie on miał większy postrzegany zakres dynamiki.

Tak więc nie znajdziesz żadnej kamery, której DR ekranowy wyrażony w EV przekracza rozdzielczość ADC wyrażoną w bitach.

Komentarze do innych odpowiedzi:

Z tego wynika, że możemy stwierdzić, że czujnik w K-5 nie ma liniowego przetwornika A / D.

Nie opracowano ani jednego czujnika cyfrowego z nieliniową konwersją analogowo-cyfrową. Każda konwersja tonalna wykonywana przez kamerę (w tym specjalne tryby wyjściowe kamer kinowych, a zwłaszcza serii Sony A7) odbywa się z wykorzystaniem dyskretnych danych.

Kodak DCS Pro 14n ma tryb pracy z podwójnym nachyleniem ADC, w którym sygnał wyjściowy jest częściowo liniowy.

Biorąc pod uwagę punktację K-5 w obecności tych źródeł hałasu, wskazuje mi, że potok obrazu ma umiarkowany stopień nieliniowości

K-5 ma idealnie płaską odpowiedź (jak każdy inny aparat z prawdopodobnie jedynym wyjątkiem jest Kodak DCS Pro). Sam to zmierzyłem.

Uwaga: Laboratoria DxO nie zmieniają rozmiaru ani nie drukują niczego do pomiarów „drukujących”, raczej używają współczynnika resollution we wzorach. Sidenote: w tym poście „liniowy” nie jest „logarytmiczny”.

— Euri Pinhollow
źródło