Нужны мегапиксели!
Мегапиксельная гонка, конечно, не является «ненужной». Последовательно в течение последнего десятилетия был достигнут прогресс в области мегапикселей при одновременном повышении качества изображения. Неподтвержденные пословицы заставили бы вас думать, что это невозможно, но есть немало технологических и производственных улучшений, которые сделали возможным более низкий уровень шума, большее отношение сигнал / шум и увеличенный динамический диапазон, несмотря на сокращение областей пикселей.
Я думаю, что появление 36,3-мегапиксельного датчика Sony Exmor, который в настоящее время используется в Nikon D800, является прекрасным примером того, что могут сделать технологические усовершенствования низкого уровня, чтобы снизить шум и увеличить динамику, в то же время позволяя значительно увеличить разрешение изображения. Таким образом, я думаю, что D800 - превосходный пример того, почему мегапиксельная гонка, безусловно, еще не окончена.
Что касается того, что это просто хвастовство прав? Я в этом сомневаюсь. Лучшие инструменты всегда можно эффективно использовать в руках опытного мастера. Более высокое разрешение и более низкий динамический диапазон с низким ISO имеют некоторые особые варианты использования с высокими значениями. А именно, пейзажная фотография и некоторые виды студийной фотографии. D800 находится в очень уникальном месте, предлагая качество изображения почти среднего формата в упаковке примерно в 1/10 стоимости. Некоторым студиям ничто не заменит лучшую, и они будут использовать камеры цифрового среднего формата за 40 000 долларов для обеспечения правильного восприятия для своих клиентов. Однако для многих других студий и для многих пейзажных фотографов D800 - воплощение мечты: множество мегапикселей и большой динамический диапазон.
Нет, мегапиксельная гонка, безусловно, еще не закончилась, и она, безусловно, не является ненужной. Конкуренция на всех фронтах приводит к прогрессу на всех фронтах, и это всегда полезно для потребителя.
Потенциал для улучшения
Пройдя немного глубже, чем мои выводы выше, можно сказать, что в этой истории есть нечто большее, чем просто конкуренция на всех фронтах. Технологически, физически и практически существуют ограничения, которые действительно ограничат потенциальный выигрыш, поскольку мы продолжаем увеличивать количество пикселей сенсора. Как только мы достигнем этих пределов, полезные выгоды по разумной цене должны будут быть получены в другом месте. Это может произойти в двух областях: оптика и программное обеспечение.
Технологические ограничения
Технологически, существуют четкие пределы того, насколько вы можете улучшить IQ. Основным источником ухудшения качества изображения в датчиках является шум, и существует множество электронных форм шума, которые можно контролировать. Я думаю, что Sony, с их датчиками Exmor, очень близка к достижению технологических пределов, если они еще не сделали. Они использовали множество патентов для уменьшения источников шума на аппаратном уровне непосредственно в своих датчиках. Основные источники шума являются управляемым темновой ток шума , шум считывания , структурный шум , неравномерность шума , преобразование (или квантования) шума и теплового шума .
И Sony, и Canon используют CDS , или коррелированную двойную выборку , чтобы уменьшить темновой шум. Подход Sony на ощупь более эффективен, но в обоих случаях используется один и тот же подход. Шум считывания является побочным продуктом усиления из-за колебаний тока в цепи. Существует множество запатентованных и экспериментальных подходов к обнаружению изменения напряжения в цепи и коррекции его во время усиления для получения «более чистого и точного» результата считывания. Sony использует собственный запатентованный подход к сенсорам Exmor, в том числе 36,3-мегапиксельный, используемый в D800. Другими двумя типами электронного шума перед преобразованием являются структурный шум и шум неравномерности., Это результат разрывов в отклике цепи и эффективности.
Шаблонный шум является фиксированным аспектом каждого из транзисторов, используемых для создания одного пикселя датчика, и электронных затворов, используемых для инициирования считывания и сброса сигнала. На квантовом уровне практически невозможно сделать каждый отдельный транзистор точно идентичным друг другу, и это создает фиксированный рисунок горизонтальных и вертикальных линий в шуме датчика. Вообще говоря, шаблонный шум вносит незначительный вклад в общий шум и действительно является проблемой только в областях с очень низким SNR или при очень длительных воздействиях. Образцовый шум можно относительно легко устранить, если вы правильно подойдете к проблеме. «Темная рамка» может быть построена путем усреднения нескольких выборок вместе, чтобы создать шаблон шаблонного шума, который можно отличить от цветной рамки для удаления шаблонного шума. По сути, это то, как работает шумоподавление с большой выдержкой, и это также, как можно вручную удалить фиксированный шум от длинных выдержек. На аппаратном уровне фиксированный шаблонный шум может быть уменьшен путем записи в шаблоне, который инвертирует эффекты FPN, так что различия могут добавляться / вычитаться во время чтения, аналогично CDS, тем самым улучшая «чистоту» считывания пикселей. Сегодня существует множество экспериментальных подходов к записи в шаблонах FPN, а также более абстрактных подходов.
Шум неравномерности, часто называемый PRNU или неравномерностью отклика пикселя, является результатом небольших изменений квантовой эффективности (QE) каждого пикселя. QE относится к способности пикселей захватывать фотоны и обычно оценивается в процентах. Например, у Canon 5D III коэффициент QE составляет 47%, что указывает на то, что он достаточно эффективен для регулярного захвата 47% фотонов, которые достигают каждого пикселя. Фактическое QE для каждого пикселя может варьироваться на +/- пару процентов, что создает другой источник шума, поскольку каждый пиксель может не захватывать то же количество фотонов, что и его соседи, несмотря на получение одинакового количества падающего света. PRNU также изменяется с чувствительностью, и эта форма шума может усиливаться при увеличении ISO. PRNU может быть смягчен путем нормализации квантовой эффективности каждого пикселя, сводя к минимуму различия между соседями и по всей площади датчика. Улучшения в QE могут быть достигнуты за счет уменьшения зазора между фотодиодами в каждом пикселе, введения одного или нескольких слоев микролинз над каждым пикселем для преломления падающего света, не являющегося фотодиодом, на фотодиод и использования сенсорной технологии с задней подсветкой (которая сильно перемещается) или все считывающие провода и транзисторы за фотодиодом, что исключает вероятность того, что они могут препятствовать падающим фотонам и либо отражать их, либо преобразовывать их в тепловую энергию.)
Тепловой шум - это шум, создаваемый теплом. Тепло - это, по сути, просто еще одна форма энергии, и она может возбуждать генерацию электронов на фотодиоде так же, как фотон. Тепловой шум вызывается непосредственно под воздействием тепла, часто через горячие электронные компоненты, такие как процессор изображения или АЦП. Это можно уменьшить путем термической изоляции таких компонентов от датчика или путем активного охлаждения датчика.
Наконец, есть шум преобразования или шум квантования. Этот тип шума генерируется из-за собственных неточностей во время АЦП или аналого-цифрового преобразования. Неинтегральное усиление (десятичное усиление с целой и дробной частями) обычно применяется к аналоговому сигналу изображения, считанному с датчика, при оцифровке изображения. Поскольку аналоговый сигнал и коэффициент усиления являются действительными числами, цифровой (интегральный) результат преобразования часто не согласуется. Усиление 1 даст один ADU на каждый электрон, захваченный пикселем, однако более реалистичное усиление может составить 1,46, и в этом случае вы можете получить 1 ADU на электрон в некоторых случаях и 2 ADU на электрон в других случаях. Это несоответствие может вносить шум преобразования / квантования в цифровой выход после АЦП. Этот вклад в шум довольно низкий, и производит довольно точное отклонение шума от пикселя к пикселю. Это часто довольно легко удалить с помощью программного шумоподавления.
Удаление электронных форм шума может улучшить черную точку и чистоту черного изображения. Чем больше форм электронного шума вы можете устранить или смягчить, тем лучше будет отношение сигнал / шум даже при очень низких уровнях сигнала. Это основной фронт, в котором Sony добилась значительного прогресса с помощью своих датчиков Exmor, что открыло возможность настоящего динамического диапазона 14 ступеней с поистине потрясающим восстановлением теней. Это также основная область, в которой отстают многие конкурирующие технологии изготовления датчиков, в частности, датчики Canon и среднего формата. В частности, датчики Canon имеют очень высокие уровни шума считывания, более низкие уровни нормализации QE, более низкое общее QE и используют только CDS для уменьшения темнового шума в своих датчиках. Это приводит к гораздо меньшему общему динамическому диапазону,
Как только все формы электронного шума будут уменьшены до уровней, на которых они больше не будут иметь значения, мало кто из производителей сможет сделать что-то для улучшения самих датчиков. Как только эта точка достигнута, единственной вещью, которая действительно будет иметь значение с точки зрения квантовой эффективности на пиксель, является площадь пикселя ... и с почти идеальными электронными характеристиками мы могли бы, вероятно, выдержать размеры пикселей, значительно меньшие, чем у зеркальных сенсоров с наивысшей плотностью сегодня (это будет Nikon D800 с 4,6 микронными пикселями, Canon 7D с 4,3 микронными пикселями и, в конечном счете, Nikon D3200 с 3,8 микронными пикселями). Датчики сотового телефона используют пиксели размером около 1 микрона и продемонстрировали, что такие пиксели жизнеспособны и могут производить довольно приличный IQ. Та же технология в DSLR может пойти еще дальше с максимальным шумоподавлением,
Физические ограничения
Помимо технологических ограничений для совершенства качества изображения, существует несколько физических ограничений. Двумя основными ограничениями являются фотонный шум и пространственное разрешение . Это аспекты физической реальности, которые мы не можем контролировать. Они не могут быть уменьшены с помощью технологических усовершенствований и присутствуют (и были) независимо от качества нашего оборудования.
Фотонный шум или фотонный выстрелШум, является формой шума из-за непредсказуемой природы света. На квантовом уровне мы не можем точно предсказать, какой пиксель может ударить фотон или как часто фотоны могут ударить один пиксель, а не другой. Мы можем приблизительно подогнать удары фотонов к кривой вероятности, но мы никогда не сможем сделать идеальную подгонку, поэтому фотоны от равномерного источника света никогда не будут идеально и равномерно распределяться по площади сенсора. Этот физический аспект реальности производит большую часть шума, с которым мы сталкиваемся на наших фотографиях, и усиление этого вида шума усилителями датчика является основной причиной, по которой фотографии становятся более шумными при более высоких настройках ISO. Более низкие отношения сигнал / шум означают, что общий диапазон сигналов для захвата и усиления фотонов меньше, таким образом, более высокое SNR может помочь смягчить эффекты фотонного шума и помочь нам достичь более высоких настроек ISO ... однако сам фотонный шум не может быть устранен, и всегда будет ограничением для IQ цифровой камеры. Программное обеспечение может сыграть роль в минимизации шума от фотонного выстрела, и, поскольку в свете существует некоторая предсказуемость, усовершенствованные математические алгоритмы могут устранить подавляющее большинство этой формы шума после того, как фотография была сделана и импортирована в формате RAW. Единственным реальным ограничением здесь будет качество, точность и точность программного обеспечения по снижению шума. продвинутые математические алгоритмы могут устранить подавляющее большинство этой формы шума после того, как фотография была сделана и импортирована в формате RAW. Единственным реальным ограничением здесь будет качество, точность и точность программного обеспечения по снижению шума. продвинутые математические алгоритмы могут устранить подавляющее большинство этой формы шума после того, как фотография была сделана и импортирована в формате RAW. Единственным реальным ограничением здесь будет качество, точность и точность программного обеспечения по снижению шума.
Пространственное разрешение - это еще один физический аспект двухмерных изображений, с которым нам приходится работать. Пространственные частоты или двумерные формы волны различной яркости представляют собой способ концептуализации изображения, проецируемого объективом и записываемого датчиком. Пространственное разрешение описывает масштаб этих частот и является фиксированным атрибутом оптической системы. Когда дело касается датчиков, пространственное разрешение является прямым следствием размера датчика и плотности пикселей.
Пространственное разрешение часто измеряется в парах линий на миллиметр (lp / mm) или в циклах на миллиметр. D800 с его 4,3 микронными пикселями или 4912 строками пикселей на 24 мм высоты сенсора способен работать с 102,33 lp / мм. Интересно, что Canon 7D с 3456 рядами пикселей при высоте сенсора 14,9 мм способен работать на 115,97 lp / мм ... более высокое разрешение, чем D800. Аналогично, Nikon D3200 с 4000 рядами пикселей при 15,4 мм высоты сенсора будет способен работать с 129,87 lp / мм. И 7D, и D3200 - это датчики APS-C, или датчики с кадрированной рамкой ... по физическим размерам меньше, чем полнокадровый сенсор D800. Если бы мы продолжали увеличивать количество мегапикселей в полнокадровом датчике до тех пор, пока они не будут иметь тот же размер пикселя, что и D3200 (3,8 микрона), мы могли бы создать сенсор с разрешением 9351x6234 пикселя или 58,3 мегапикселя. Мы могли бы довести эту мысль до крайности, и предположим, что возможно создать полнокадровый сенсор DSLR с тем же размером пикселя, что и сенсор в iPhone 4 (который, как известно, делает несколько очень хороших фотографий с IQ, которые, хотя и не так хороши, как в DSLR, более чем приемлемо), что составляет 1,75 мкм. Это будет преобразовано в сенсор 20571x13714 пикселей, или 282.1mp! Такой датчик будет способен с пространственным разрешением 285,7 lp / mm, число, которое, как вы скоро увидите, имеет ограниченную применимость.
Реальный вопрос заключается в том, будет ли такое разрешение в форм-факторе DSLR полезным. Ответ на это потенциально, Пространственное разрешение сенсора представляет собой верхний предел возможностей всей камеры, при условии, что у вас был соответствующий объектив, способный выдавать разрешение, достаточное для максимизации потенциала сенсора. Объективы имеют свои собственные физические ограничения по пространственному разрешению проецируемых ими изображений, и эти ограничения не являются постоянными ... они различаются в зависимости от диафрагмы, качества стекла и коррекции аберрации. Дифракция - это еще один физический атрибут света, который уменьшает максимальное потенциальное разрешение при прохождении через все более узкое отверстие (в случае линзы это отверстие является апертурой). Оптические аберрации или недостатки в преломлении света линзой, являются еще одним физическим аспектом, который уменьшает максимальное потенциальное разрешение. В отличие от дифракции, оптические аберрации увеличиваются при расширении апертуры. У большинства линз есть «сладкое пятно», в котором эффекты оптических аберраций и дифракции примерно эквивалентны, и линза достигает своего максимального потенциала. «Идеальный» объектив - это объектив, который не имеет каких-либо оптических аберраций и поэтомудифракция ограничена . Линзы часто становятся дифракционными, ограниченными примерно f / 4.
Пространственное разрешение линзы ограничено дифракцией и аберрациями, и, поскольку дифракция увеличивается, когда диафрагма закрывается, пространственное разрешение уменьшается с размером входного зрачка. При f / 4 максимальное пространственное разрешение идеальной линзы составляет 173 lp / mm. На диафрагме f / 8 дифракционная линза способна выдерживать 83 lp / мм, что примерно столько же, сколько у большинства полнокадровых зеркальных фотокамер (за исключением D800), диапазон которых составляет около 70-85 lp / мм. При f / 16 дифракционно-ограниченный объектив способен всего лишь на 43 lp / мм, что составляет половину разрешения большинства полнокадровых камер и менее половины разрешения большинства камер APS-C. Более широкое, чем f / 4, для объектива, на который все еще влияют оптические аберрации, разрешение может быстро упасть до 60 lp / mm или менее и всего до 25-30 lp / mm для сверхбыстрого широкоугольного f / 1.8 или более быстрого простого , Возвращаясь к нашему теоретическому 1. Датчик FF 75 микрон пикселей 282mp ... он будет способен с пространственным разрешением 285 lp / mm. Вам понадобится идеальный объектив с дифракционной диафрагмой f / 2.4 для достижения такого большого пространственного разрешения. Такой объектив потребует экстремальной коррекции аберраций, что значительно увеличивает стоимость. Существуют некоторые объективы, которые могут достигать почти идеальных характеристик при еще более широкой диафрагме (вспоминается специализированная линза от Zeiss, которая предположительно способна выдерживать около 400 lp / мм, что требует апертуры около f / 1,6-f / 1,5), однако они редки, узкоспециализированы и чрезвычайно дороги. Намного легче достичь совершенства в диапазоне f / 4 (если последние несколько десятилетий производства линз являются какой-либо подсказкой), что указывает на то, что максимальное жизнеспособное и экономически эффективное разрешение для объектива составляет около 173 lp / мм или меньше на ощупь. он был бы способен к пространственному разрешению 285 lp / mm. Вам понадобится идеальный объектив с дифракционной диафрагмой f / 2.4 для достижения такого большого пространственного разрешения. Такой объектив потребует экстремальной коррекции аберраций, что значительно увеличивает стоимость. Существуют некоторые объективы, которые могут достигать почти идеальных характеристик при еще более широкой диафрагме (вспоминается специализированная линза от Zeiss, которая предположительно способна выдерживать около 400 lp / мм, что требует апертуры около f / 1,6-f / 1,5), однако они редки, узкоспециализированы и чрезвычайно дороги. Намного легче достичь совершенства в диапазоне f / 4 (если последние несколько десятилетий производства линз являются какой-либо подсказкой), что указывает на то, что максимальное жизнеспособное и экономически эффективное разрешение для объектива составляет около 173 lp / мм или меньше на ощупь. он был бы способен к пространственному разрешению 285 lp / mm. Вам понадобится идеальный объектив с дифракционной диафрагмой f / 2.4 для достижения такого большого пространственного разрешения. Такой объектив потребует экстремальной коррекции аберраций, что значительно увеличивает стоимость. Существуют некоторые объективы, которые могут достигать почти идеальных характеристик при еще более широкой диафрагме (вспоминается специализированная линза от Zeiss, которая предположительно способна выдерживать около 400 lp / мм, что требует апертуры около f / 1,6-f / 1,5), однако они редки, узкоспециализированы и чрезвычайно дороги. Намного легче достичь совершенства в диапазоне f / 4 (если последние несколько десятилетий производства линз являются какой-либо подсказкой), что указывает на то, что максимальное жизнеспособное и экономически эффективное разрешение для объектива составляет около 173 lp / мм или меньше на ощупь. 4 объектива для достижения такого пространственного разрешения. Такой объектив потребует экстремальной коррекции аберраций, что значительно увеличивает стоимость. Существуют некоторые объективы, которые могут достигать почти идеальных характеристик при еще более широкой диафрагме (вспоминается специализированная линза от Zeiss, которая предположительно способна выдерживать около 400 lp / мм, что требует апертуры около f / 1,6-f / 1,5), однако они редки, узкоспециализированы и чрезвычайно дороги. Намного легче достичь совершенства в диапазоне f / 4 (если последние несколько десятилетий производства линз являются какой-либо подсказкой), что указывает на то, что максимальное жизнеспособное и экономически эффективное разрешение для объектива составляет около 173 lp / мм или меньше на ощупь. 4 объектива для достижения такого пространственного разрешения. Такой объектив потребует экстремальной коррекции аберраций, что значительно увеличивает стоимость. Существуют некоторые объективы, которые могут достигать почти идеальных характеристик при еще более широкой диафрагме (вспоминается специализированная линза от Zeiss, которая предположительно способна выдерживать около 400 lp / мм, что требует апертуры около f / 1,6-f / 1,5), однако они редки, узкоспециализированы и чрезвычайно дороги. Намного легче достичь совершенства в диапазоне f / 4 (если последние несколько десятилетий производства линз являются какой-либо подсказкой), что указывает на то, что максимальное жизнеспособное и экономически эффективное разрешение для объектива составляет около 173 lp / мм или меньше на ощупь. Существуют некоторые объективы, которые могут достигать почти идеальных характеристик при еще более широкой диафрагме (вспоминается специализированная линза от Zeiss, которая предположительно способна выдерживать около 400 lp / мм, что требует апертуры около f / 1,6-f / 1,5), однако они редки, узкоспециализированы и чрезвычайно дороги. Намного легче достичь совершенства в диапазоне f / 4 (если последние несколько десятилетий производства линз являются какой-либо подсказкой), что указывает на то, что максимальное жизнеспособное и экономически эффективное разрешение для объектива составляет около 173 lp / мм или меньше на ощупь. Существуют некоторые объективы, которые могут достигать почти идеальных характеристик при еще более широкой диафрагме (вспоминается специализированная линза от Zeiss, которая предположительно способна выдерживать около 400 lp / мм, что требует апертуры около f / 1,6-f / 1,5), однако они редки, узкоспециализированы и чрезвычайно дороги. Намного легче достичь совершенства в диапазоне f / 4 (если последние несколько десятилетий производства линз являются какой-либо подсказкой), что указывает на то, что максимальное жизнеспособное и экономически эффективное разрешение для объектива составляет около 173 lp / мм или меньше на ощупь.
Когда мы учтем физические ограничения в уравнении, когда гонка мегапикселей закончится, мы обнаружим, что (при условии почти технологического совершенства) самое высокое экономически эффективное разрешение составляет около 173 lp / мм. Это около 103-мегапиксельного полнокадрового или 40-мегапиксельного датчика APS-C. Следует отметить, что повышение разрешения датчика до такого высокого уровня приведет к преимуществам только во все более узкой полосе диафрагмы около f / 4, где производительность объектива является оптимальной. Если коррекция оптических аберраций станет проще, мы сможем добиться более высокого разрешения, выдвигая 200 lp / mm, но опять же, такие разрешения будут возможны только при максимальной апертуре или около нее, где, как и на всех других апертурах, общее разрешение вашей апертуры камера будет ниже, потенциально намного ниже, чем то, на что способен сам датчик.
Итак, когда заканчивается гонка мегапикселей?
Отвечать на этот вопрос не совсем то, на что, я полагаю, кто-то может ответить. В конечном счете, это личный выбор, и он будет зависеть от множества факторов. Некоторым фотографам всегда может потребоваться тот потенциал, который датчики с более высоким разрешением могут предложить при идеальной диафрагме, при условии, что они фотографируют сцены со все более мелкими деталями, которые требуют такого разрешения. Другие фотографы могут предпочесть улучшенное восприятие резкости, которое достигается улучшением характеристик датчиков с более низким разрешением. Я полагаю, что для многих фотографов мегапиксельная гонка уже закончилась: более 20 мегапикселей в пакете FF DSLR более чем достаточно. Кроме того, многие фотографы видят качество изображения в совершенно ином свете, предпочтение частоты кадров и возможность непрерывной съемки большего количества кадров с более низким разрешением имеют первостепенное значение для их успеха в качестве фотографа. В таких случаях многие поклонники Nikon указали, что около 12 мегапикселей более чем достаточно, если они могут захватывать 10 кадров в секунду с четкой четкостью.
Технологически и физически, есть еще огромный потенциал для роста и продолжения роста с точки зрения мегапикселей и разрешения. Где гонка заканчивает нас до вас. Разнообразие опций на столе никогда не было выше, чем сегодня, и вы можете выбрать комбинацию разрешения, размера сенсора и возможностей камеры, таких как AF, ISO и DR, которые соответствуют вашим потребностям.
