Как динамический диапазон может быть больше битовой глубины датчика?

23

Нашел что-то, что смутило меня, и поэтому я подумал, что толпа здесь, вероятно, может ответить на этот вопрос, так как она связана с камерой и технической одновременно.

Кто-то прислал мне результаты DXOMark для Pentax K-5, который показывает 14,1 EV динамического диапазона при самом низком ISO. Однако, учитывая, что датчик 14-битный, это не соответствует моей интуиции ... Кажется странным, что линейное устройство, такое как CMOS-датчик, может захватывать больше DR, чем у него есть биты. Будет ли у него редкий динамический диапазон, пропуская EV в середине?

sensor dynamic-range bit-depth

— Итай
источник

Оценка DxO Mark для динамического диапазона на вкладке печати является интерполированной теоретической оценкой, а не фактическим измерением. Пожалуйста, прочитайте страницу на их сайте, где объясняются оценки и как они рассчитываются. DR под вкладкой экрана является более реалистичным числом для 14-битного датчика: 13,44 EV.

— Майкл C

Смотрите этот ответ и комментарии: photo.stackexchange.com/a/47512/15871

— Майкл С.

16

У Cambridge in Color есть очень хорошая статья на эту тему. Если датчик оснащен линейным аналого-цифровым преобразователем, глубина в битах будет ограничивать динамический диапазон при 14 EV в качестве теоретического предела. Однако, если он нелинейный, то битовая глубина не обязательно коррелирует. Исходя из этого, я думаю, мы можем определить, что датчик в K-5 не имеет линейного аналого-цифрового преобразователя.

По личному опыту могу сказать, что этот датчик определенно имеет огромный динамический диапазон. Мне удалось восстановить изображение, которое было близко к 8 стопам, недодержанным на К-5.

— Джон Каван
источник

Вы уверены, что в остальное время снимали не ISO1600, а не ISO16000? Это сделало бы изображение переэкспонированным чуть более чем на 4 ступени, а не на 8, и коррелировало бы без факта, что вы использовали компенсацию экспозиции +4 в ACR. Это все еще впечатляет, я просто хочу убедиться, что цифры верны.

— Мэтт Грум

1

Да, это было 16000, у меня есть другое изображение из последовательности (и объектов) с той же диафрагмой и выдержкой для справки (я бы опубликовал это, но я не дома, чтобы получить его). ACR позволяет регулировать экспозицию только на 4 ступени, поэтому мне также пришлось нажать заполняющий свет до 100, чтобы получить больше деталей. Хм, может быть, я должен обновить статью с некоторыми промежуточными шагами. Я видел похожий пример с преднамеренными 10 остановками, и именно это вызвало мое обновление сейчас, а не в январе. :)

— Джон Каван

+1, что статья Cambridge in Color отличная. Он делает большую работу по объяснению ценности больших фотосайтов (более глубоких «скважин») и как они влияют на динамический диапазон. Вероятно, следует также отметить, что большинство датчиков не являются чисто линейными, большинство из них имеют ослабленную А / Ц конв. кривая (S-образная кривая) по мере того, как вы достигаете крайностей тени и подсветки. В RAW цифровой датчик может захватывать много данных, которые впоследствии можно будет восстановить, как продемонстрировала ваша статья.

— Йриста

@jrista - «Кембридж в цвете» был одним из первых сайтов с фотографиями, на которые я попал, когда начал снимать в цифровую зеркальную фотокамеру. Я продолжаю возвращаться к ним, очень хорошо написано и легко следить за вещами.

— Джон Каван

@Джон: Согласен. CinC - отличный сайт, очень хорошо написанный на уровне, который будет полезен как начинающим, так и опытным фотографам. Это сложно сделать.

— Йриста

7

Как динамический диапазон может быть больше битовой глубины датчика?

Динамический диапазон - это логарифм отношения между самой яркой и самой темной интенсивностями на линейной части кривой чувствительности. Могут быть и другие определения, но в целом это происходит из соотношения двух интенсивностей, объективных физических свойств сцены. Это реальное число.

Глубина в битах - это количество бит на канал, используемое для квантования непрерывной переменной. Большая битовая глубина дает более отчетливые оттенки серого между ними. Это просто вопрос того, как изображение представлено в компьютерной памяти.

Динамический диапазон отражает степень контрастности датчика. Глубина в битах отражает количество различных цветов, которым камера может «дать имена». Или на сколько частей камера может разделить диапазон. Если бы камера была линейкой, то динамический диапазон был бы (логарифмом) длины линейки, а битовая глубина была бы (логарифмом) числа меток вдоль ее края. И вы можете разделить длину на столько частей, сколько захотите. Точно так же битовая глубина не должна быть такой же, как динамический диапазон.

Если динамический диапазон равен S EV, а глубина в битах равна n , это означает, что камера может регистрировать сцены с контрастностью, по крайней мере, такой же

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

(На самом деле немного больше, если вы используете также нелинейную часть кривой отклика датчика). И вы можете теоретически различить

$N=2^n$

оттенки серого.

У меня есть компактная камера, которая может писать 12-битный RAW. Несмотря на высокую битовую глубину, его динамический диапазон очень скромный. Вы можете представить себе противоположную ситуацию, когда датчик может зарегистрировать высококонтрастную сцену без чрезмерной и недодержки, но если глубина в битах мала, эта сцена будет представлена несколькими промежуточными цветами.

— sastanin
источник

+1, отличный ответ. Один совет: я полагаю, что вместо слова «дискретизировать» вам нужно слово «квантовать»: Quantize -verb: математика, физика. ограничить (переменное количество) дискретными значениями, а не непрерывным набором значений.

— Йриста

Спасибо. Мой английский далек от совершенства, но кажется, что в мире вычислительной техники и математики дискретизация более уместна, когда непрерывное пространство заменяется эквивалентным дискретным пространством для целей расчета en.wiktionary.org/wiki/discretize (например, реальный число со значением IEEE с плавающей запятой или целым числом). Дискретность - это решение по разработке программного обеспечения. Квантовая переменная для меня, вместо этого, является переменной, для которой запрещены все значения, кроме некоторых. Так что «квантованный» звучит как физическое ограничение для меня. Но, может быть, вы правы.

— Састанин

Технически говоря, датчик «квантует» свет в определенные, физически ограниченные «ведра». Если мы предположим, что 12-битное изображение в формате RAW, есть 4096 дискретных «квантов», в которые вы можете «дискретизировать». Где дискретизация означала бы, что вы можете объединить реальное пространство в переменное количество дискретных пространств, с датчиком дискретное пространство фиксировано, и есть только 4096 конкретных дискретных значений, в которые вы можете преобразовать аналоговое пространство. Это может быть спорным вопросом, но я думаю, что квантование здесь более уместно. ;)

— Йриста

ХОРОШО. Я убеждена.

— Састанин

@jrista Пока мы обсуждаем английский язык, вам нужно слово «дискретный», а не «сдержанный».

— Конеслайер

2

Во-первых, чтобы быть ясным, динамический диапазон имеет обратную зависимость от шума - низкий уровень шума (при прочих равных условиях) приводит к увеличению динамического диапазона. Шум в основном исходит от электроники сенсора (шум чтения, шум темнового тока), от дискретной природы света (шум фотона / выстрела) и от преобразования из аналогового в цифровой (шум квантования).

Оценки динамического диапазона метки DXO основаны на разнице между интенсивностью света, необходимой для насыщения датчика, и интенсивностью света, при которой ОСШ достигает 1: 1 (т.е. точка, в которой сигнал равен шуму)

Можно ожидать, что в отсутствие шума выстрела и шума считывания DR датчика с линейным откликом будет равен глубине в битах. Учитывая, что оценка K-5 в присутствии этих источников шума указывает мне, что конвейер изображения имеет умеренную степень нелинейности (все датчики имеют некоторую внутреннюю нелинейность), вероятно, спроектирован таким образом, чтобы увеличить динамический диапазон.

Нелинейность помогает преодолеть предел глубины в битах, побитировать то, что вы получаете в градациях теней, которые вы теряете в другом месте в кривой тона (хотя, возможно, где-то менее важно). Там нет такого понятия, как бесплатный обед!

Что касается K-5, то он лидирует в классе с низкой чувствительностью ISO, которая определяется главным образом шумом чтения. Действительно замечательно видеть, что производители обращают свое внимание на эту область, и это заслуживает пристального внимания, однако в динамическом диапазоне при более высокой чувствительности ISO преобладает фотонный шум, которому противостоит только захват большего количества света, поэтому большие датчики всегда будут иметь здесь преимущество , Поскольку некоторые люди в основном снимают ISO400 и выше, это стоит иметь в виду!

— Мэтт Грум
источник

Я согласен, что при ISO80 K-5 потрясающий и хорошо сочетается с некоторым средним форматом и полным кадром для более низких диапазонов ISO. Когда ISO начинает прыгать, он начинает терять лидерство. Тем не менее, ему все же удается держаться довольно близко, так что это довольно большое достижение для Sony (которая делает датчик) и Pentax (кто ее реализовал). D7000 имеет очень похожие характеристики, учитывая, что это вариант с тем же датчиком, и Nikon отлично поработал над их реализацией.

— Джон Каван

0

«Динамический диапазон» (DR) не является абсолютной характеристикой.

Самым грубым определением DR является «соотношение между самыми яркими и самыми темными интенсивностями серого, которые датчик может записывать очень хорошо».

DR цифрового датчика получается из двух измерений:

интенсивность отсечения [для наиболее чувствительного канала] при заданной цветовой температуре (DxO наиболее вероятно использует D65);
интенсивность, которая создает граничное количество шума (т. е. если оно темнее, шум недопустим).

Затем у вас есть два способа вычисления DR цифрового изображения.

Тупой способ - использовать данные пикселей для вычисления шума («экранные» измерения на сайте DxO). Если вы вычислите DR линейного датчика с помощью X-битного АЦП таким образом, он ни в коем случае не может быть больше, чем X EV.
Умный способ (который является единственным возможным способом сравнения фотографий с камер с разным разрешением) учитывает разрешение при вычислении шума («распечатка» измерений на DxO). Таким образом, АЦП не ограничивает DR, можно создать камеру с большим сенсором и тем же АЦП, и у нее будет больший воспринимаемый динамический диапазон.

Таким образом, вы не найдете ни одной камеры, «экранный» DR которой, выраженный в EV, превышает разрешение ADC, выраженное в битах.

Комментарии к другим ответам:

Исходя из этого, я думаю, мы можем определить, что датчик в K-5 не имеет линейного аналого-цифрового преобразователя.

Не разработано ни одного цифрового датчика с нелинейным аналого-цифровым преобразованием. Каждое преобразование тона, которое делает камера (включая специальные режимы вывода кинокамер и, в частности, серии Sony A7), выполняется с использованием дискретных данных.

Kodak DCS Pro 14n имеет двухканальный режим работы АЦП, в котором выходной сигнал является кусочно-линейным.

Учитывая оценку K-5 в присутствии этих источников шума, указывает мне, что конвейер изображения имеет умеренную степень нелинейности

K-5 имеет абсолютно плоский отклик (как и любая другая камера, за исключением, вероятно, Kodak DCS Pro). Я измерил это сам.

Примечание: DxO Labs не изменяет размеры и не печатает что-либо для «печати» измерений, они скорее используют коэффициент разрешения в формулах. Примечание: в этом посте «линейный» не является «логарифмическим».

— Эури Пинхоллоу
источник