Что именно ограничивает современные датчики цифровых камер в захвате интенсивности света за пределами определенной точки?
Что именно ограничивает современные датчики цифровых камер в захвате интенсивности света за пределами определенной точки?
Ответы:
Что именно ограничивает современные датчики цифровых камер в захвате интенсивности света за пределами определенной точки?
С точки зрения физических свойств самого датчика:
Количество фотонных ударов и число свободных электронов, возникающих в результате таких фотонных ударов, пока не останется свободных электронов с потенциалом для освобождения в каждом фотосайте (a / k / a sensel, пиксельная лунка и т. Д.), Определяют его полную лунку вместимость. Он не сильно отличается от пленки, в которой полное насыщение достигается, когда в эмульсии не осталось кристаллов галогенида серебра, у которых еще нет достаточного количества «пятен чувствительности», чтобы проявитель мог преобразовать их в атомарное серебро., Основным отличием является форма кривых отклика, когда каждая технология приближается к полной мощности. Цифровые результаты приводят к тому, что на фотон высвобождается одинаковое количество электронов, пока не будет достигнута полная лунка. Поскольку пленка приближается к полному насыщению, все больше и больше энергии света (или времени проявления) необходимо для воздействия на оставшиеся соли серебра.
С точки зрения записи аналоговых напряжений в виде цифровых данных:
Когда аналоговое напряжение с каждого фотосайта (a / k / a 'sensel', 'pixel well' и т. Д.) Считывается с датчика, к сигналу применяется усиление. Настройка ISO камеры определяет степень усиления. Для каждой ступени увеличения ISO применяется увеличение в два раза. Если используется «базовая» чувствительность камеры (для простоты, давайте назовем ISO 100 усилением 1.00X, при котором входное напряжение равно выходному напряжению), то для фотоплощадок, которые достигли полной емкости лунки, должно быть получено максимальное значение напряжения после усиления аналоговая схема питания АЦП. Если используется ISO 200 (усиление 2.0X), напряжение от любого датчика, который достиг половины (1/2) полной емкости лунки или более, усиливается до максимального напряжения, допустимого в цепи последующего усиления.
При любом усилении, превышающем 1,0X, будет применен «потолок», меньший, чем полная емкость каждого фотосайта. Когда используется высокое усиление, сигналы слабее, чем полная емкость лунки, также достигают максимальной емкости напряжения цепей после усилителя. Любой уровень предварительно усиленного сигнала, достаточно сильный, чтобы «привязать измеритель» после усиления, неотличим от любого другого уровня предварительно усиленного сигнала, который также будет «привязывать измеритель».
Когда эти усиленные аналоговые сигналы преобразуются в цифровые данные с помощью аналого-цифрового преобразователя (АЦП), сигналам с максимальной емкостью напряжения схемы присваивается максимальное значение, допускаемое глубиной в битах аналого-цифрового преобразования. При преобразовании в 8-битные значения напряжениям присваивается двоичное значение в диапазоне 0-255. Максимальный сигнал, разрешенный аналоговой цепью, питающей АЦП, будет записан как 255. Если 14-разрядному, напряжения присваиваются значения в диапазоне 0-16,383, а максимальное значение назначается двоичное значение 16,383, и так далее.
Вывод, когда вы на самом деле фотографируете:
Вы получите наибольшую разницу и наименьшее количество градаций между самыми яркими и самыми темными элементами в сцене, которую вы фотографируете, когда усиление соответствует «базовой» чувствительности камеры, а время затвора и диафрагма объединены, чтобы получить самые яркие элементы в сцена достаточно экспозиции, чтобы быть на или почти полной насыщенности. Использование более высокого значения ISO полезно, если невозможно экспонировать так долго или с достаточно широкой диафрагмой, чтобы приблизиться к полному насыщению ярких участков в сцене для изображения, которое вы хотите сделать. Но использование более высокого ISO имеет свою цену. Общий динамический диапазон уменьшается за счет более высокого усиления электрических сигналов, поступающих от датчика.
Так почему же мы не всегда снимаем на ISO 100 или на каком-либо базовом ISO камеры, а затем увеличиваем экспозицию позже? Потому что при таком способе усиливается «шум» на изображении даже больше, чем при съемке с более высокими значениями ISO. Сколько еще зависит от того, сколько и где делается шумоподавление для сигнала. Но уменьшение влияния шума путем применения шумоподавления к аналоговым напряжениям, выходящим из датчика, также имеет свою цену - очень слабые точечные источники света часто отфильтровываются как «шум». Вот почему некоторые камеры с очень хорошими характеристиками в условиях низкой освещенности / высокой чувствительности ISO, с точки зрения снижения шума, также известны астрофотографам как «пожиратели звезд».
¹ Существует небольшое изменение энергии, содержащейся в фотоне, в зависимости от частоты, с которой он колеблется. Фотоны, колеблющиеся на более низких частотах, выделяют немного меньше энергии при попадании на сенсор, чем фотоны, колеблющиеся на более высоких частотах. Но для фотонов, колеблющихся на определенной частоте / длине волны, количество энергии, выделяющейся при попадании на дно пиксельной лунки, остается одинаковым до тех пор, пока не будет достигнута полная лунка.
² Различие между самыми темными и самыми яркими элементами, которые могут быть записаны датчиком (или пленкой), мы называем динамическим диапазоном носителя записи. Для каждой остановки увеличения чувствительности (ISO) с цифровой камерой линейная разность напряжений между «нулем» и «полным насыщением» уменьшается вдвое. При преобразовании в логарифмические шкалы, такие как «Ev», удвоение чувствительности приводит к уменьшению на одну «остановку» динамического диапазона (при прочих равных условиях, что редко бывает).
В дополнение к превосходному ответу Майкла Кларка (описывающему ограничение полной емкости и ограничение АЦП), в трубопроводе цифровой фотографии есть несколько других точек, где может происходить ограничение:
Для изображений не в формате RAW, во время коррекции цвета на устройстве / автоматической настройки гаммы до сжатия и во время самого сжатия.
Когда вы сжимаете изображение в формате JPEG или MPEG, аппаратное обеспечение усекает битовую глубину до того, что поддерживает сжатый носитель, что обычно намного меньше аппаратной битовой глубины. Из-за этого усечения значения около обеих крайностей яркости теряются.
Перед сжатием ваша камера применяет коррекцию цвета и гамму, которые могут влиять на эффективный динамический диапазон, который соответствует ограниченной битовой глубине, обеспечиваемой компрессором. Например, при записи видео в режиме Canon Log самые темные и самые светлые части сцены математически вытягиваются к центру, так что эффективный динамический диапазон значительно увеличивается, и меньшее количество частей изображения будет обрезано с обоих концов диапазона.
Во время постобработки. При выполнении постобработки, которая значительно изменяет яркость изображения, возможно, что на ранних этапах вычислений значения будут фактически превышать диапазон, который может быть корректно представлен количеством битов, используемых для их хранения. Хотя это случается редко, иногда это происходит, и когда это происходит, это может привести к обрезке даже в тех областях фотографии, которые фактически не вырезаны в исходном изображении.
Во время коррекции цветовой гаммы при печати или отображении изображения. При выполнении коррекции цвета иногда можно получить значения, выходящие за пределы гаммы, которые могут быть точно воспроизведены выходным носителем. В этот момент цветовой механизм должен решить, что делать с этими значениями вне гаммы. Это также эффективно приводит к отсечению, хотя визуально выглядит несколько иначе, чем то, о чем думает большинство людей, когда они говорят об отсечении, обычно это приводит к тому, что вещи выглядят не того цвета.
Простое эмпирическое объяснение:
Посмотрите на очень яркую лампочку, если свет достаточно яркий, вы не сможете увидеть внутреннюю часть колбы, потому что ваши зрачки могут закрывать больше, и все еще слишком много света попадает на сетчатку, насыщая ее и информацию, которая достигает ваш мозг обрезан (вы видите только яркий свет, но не детали внутри света). Это одна из причин, почему, если вы попытаетесь, вы не должны делать это, чтобы смотреть прямо на ясное небо, полуденное солнце, вы не сможете увидеть солнце, но интенсивный свет (Остерегайтесь, что пытаясь сделать это без надлежащая защита может фактически навредить вашим глазам или вашему фотографическому оборудованию, линзам и сенсору)
Любой датчик ведет себя одинаково (с вашей камеры или как-то иначе). Как только сигнал (в данном случае свет) становится слишком высоким для его мощности (достигает уровня насыщения), он обрезает любую дополнительную информацию, он не может различить больше сигнала, передавая только ровный высокий сигнал без какой-либо ценной информации в нем.