ISO v jakékoli elektronické kameře, stejně jako u filmu, je výsledkem kalibrovaného indexu citlivosti. V moderní kameře však existuje několik věcí, které přispívají k hodnocení ISO, které fotoaparát vykazuje.
téměř jakýkoli druh obrazového senzoru je řada fotodiod. Fotodioda je zařízení, které bude vést elektrony v reakci na „excitaci“ fotony. Postaveno kolem fotodiody, je tu mikročočky, které pomáhají shromažďovat maximální počet fotonů, a barevný filtr, pokud chcete barevný obrázek. Fotodiody používané ve fotoaparátech jsou dnes citlivé na veškeré viditelné světlo a dokonce i malé infračervené a ultrafialové světlo.
dokonalá fotodioda provede jeden elektron pro každý dopad fotonu. O takové fotodiodě se říká, že má 100% kvantovou účinnost. Žádná skutečná fotodioda to nemá, ale někteří se dostanou kolem 95% v posledních kamerách se senzory osvětlenými zády. Potřeba filtrovat barvu však obvykle znamená, že asi 1/3 fotonů, které by mohly vzrušit fotodiodu, skutečně vede k vedení elektronů. Větší fotodioda bude, nepřekvapivě, být zasažen více fotony ve stejném toku fotonu, a samozřejmě, vést více elektronů.
dokud počet fotonů ovlivňujících fotodiodu získá lineární vedení voleb, dioda pracuje ve své aktivní oblasti a věci jsou dobré. Je možné, že v určitém okamžiku zvýšení fotonů nevede k lineárnímu zvýšení elektronů. To znamená, že fotodioda je nasycená. Tím se nastaví jeden z možných limitů nativní hodnoty ISO pro senzor.
nyní mějte na paměti, že tok elektronů na základě fotonových dopadů je spojitá funkce. Fotografická expozice je spíše sbírkou světla za stanovené časové období. Pokud si myslíte, že fotony a jejich odpovídající elektrony jako déšť, další prvek v senzoru se nazývá nábojová studna. Je to tvůj kbelík! Kbelík, který sbírá elektrony, se v elektronickém inženýrství nazývá kondenzátor, ale lidé z kamery to obvykle nazývají nábojem.
v profesionálním fotoaparátu je v dnešní době mechanická závěrka, která zakrývá senzor. Před otevřením této závěrky elektronika vyprázdní každou nábojovou studnu všech elektronů a aktivuje pole fotodiody. To se provádí zkreslením každé fotodiody. Fotodiody, jak již bylo zmíněno, vedou elektrony, ale nevytvářejí je. Předpětí je místo, odkud tyto elektrony pocházejí, a použít to, nebo ne, umožňuje jakékoli konkrétní sadě fotodiod v poli senzoru, aby se stala citlivou na světlo, nebo ne.
takže závěrka se otevře a světlo se nalévá dovnitř. Fotodiody vedou elektrony, nábojové jamky se plní elektrony. Pokud to bude trvat dostatečně dlouho, jedna nebo více z těchto jamek „přeteče“ … žádné další elektrony se nevejdou. To znamená, že konkrétní náboj je nyní omezen-jedná se o druhý mechanismus, který nastavuje nativní ISO.
norma ISO
předpokládejme tedy, že jsem vytvořil kameru se zcela novým senzorem a nemám ponětí, co je ISO. Řekněme, že popadnu svou věrnou filmovou kameru Olympus OM-1, několik krabic filmu a můj digitální fotoaparát. Pokud fotografuji se stejným objektivem, ve stejném světle, mohu porovnat film s fotoaparátem a možná mít představu o srovnávacích ISO. Pro jednoho, pokud můj ISO 100 film začíná přeexponovat ve stejnou dobu, kdy vidím přeexponování digitálního senzoru, to je dobrá indikace ISO mého digitálního fotoaparátu je asi 100.
v praxi, protože máme věc zvanou ISO, od Mezinárodní organizace pro normalizaci, můžete si představit, že existuje nějaký vzorec nebo recept na ISO. Pro barevný negativní film, když říkáte „ISO“, opravdu mluvíte o standardu ISO 5800: 2001. Pro negativní film B & W to ve skutečnosti znamená ISO 6: 1993 a pro film s průhledností barev To znamená normu ISO 2240:2003.
takže samozřejmě existují i standardy pro digitální senzory. Aktuální ISO 12232:SPECIFIKACE 2006 dává výrobcům digitálních fotoaparátů pět různých způsobů výpočtu ISO, a to ze tří prostředků v původní verzi specifikace z roku 1996. Pouze poslední dvě metody, technika doporučeného indexu expozice (REI) a standardní výstupní citlivost (SOS), jsou v současné době legální pro kamery vyrobené japonskými společnostmi — téměř všemi.
stejně jako u filmu se jedná o určitý stupeň úsudku, takže je docela možné, že ISO na jedné kameře může být trochu jiná než ISO na druhé, ale cílem je standard, který je v podstatě stejný z jedné kamery na druhou.
proměnná ISO
až dosud jsem hovořil o nativním ISO, které je pouze funkcí nabíjecího pole fotoaparátu a pole fotodiody. Ale digitální fotoaparát má mnohem víc.
když přijde čas na čtení senzoru, náboj v každé studni náboje se zase převede na napětí a přejde do analogového digitálního převodníku (ADC). Obvody ADC jsou navrženy tak, aby naplněná nábojová studna vedla k úplnému napětí na ADC. Ale co když jsme ve tmě, a každý náboj dobře zaplní pouze 1/2 nebo 1/4 cesty? Tam přichází proměnná ISO-nebo zisk, jak se původně nazývalo -.
zde je blokové schéma skutečného digitálního obrazového senzoru OV10822 od společnosti Omnivision. To je druh, který jste možná našli ve smartphonu před několika lety, ale myšlenka je stejná pro jakýkoli senzor. Pokud se podíváte na obrazové pole (fotodiody) v diagramu, mezi ním a ADC je blok označený “ AMP „a další označený „gain control“. Zde se děje proměnná ISO.
v dobách před digitálními fotoaparáty jsme stále měli elektronické kamery. Jen jsme jim říkali videokamery. A když jste vytočili zisk na videokameře, vytočili jste zisk. Tento zisk byl právě měřen v dB a byl aplikován na nativní ISO vašeho fotoaparátu, což jste pravděpodobně nevěděli. V důsledku toho bylo obtížné nastavit dvě různé kamery, aby používaly stejné světlo.
specifikace ISO se používají ke kalibraci stupnice ISO pro digitální fotoaparát. Pokud vytočím 2x zisk na tomto případu 1/2 plného nabití, posílil jsem z nativního ISO, řekněme ISO 100, na ISO 200. Nyní mám zesílený signál napájející ADC a hodnota v plném měřítku je nyní 1/2 úrovně plného nabití.
ISO a šum
zajímavé je, že při zvyšování výstupu konverze náboje jsem ve skutečnosti nezměnil senzor žádným způsobem. Pokud jsem používal 14bitový ADC v nativním ISO, nyní čtu jeden bit pod tím a vyhodím horní bit – což očekávám, že při slabém osvětlení bude vždy nula. Spoléhám na to, že kamera bude mít dostatečnou citlivost, aby mohla ze zesilovače dodat užitečné informace.
proč by ne? Hluk! V každém elektrickém systému je vždy hluk. Klíčovým trikem v digitálních systémech je změna všeho na číslo, což nám umožňuje obvykle ignorovat analogovou povahu signálů tvořících tyto bity. Samotný obrazový senzor je však čistě analogová věc, až do bodu, kdy se dostaneme k ADC.
šum pochází z několika zdrojů. Když máte teplo, máte náhodnou elektronovou aktivitu. Takže nějaký hluk je způsoben teplem, a ano, pokud fotografujete venku ve velmi chladném dni, uvidíte ve svých snímcích méně šumu ve stejném ISO, než kdybyste stříleli v horkém letním dni. Formálně se tomu říká tepelný šum.
dalším zdrojem šumu je samotná kamera. Během expozice, senzor může být docela tichý, ale v určitém okamžiku, pro čtení senzoru musí být aktivovány všechny druhy dodatečných obvodů. Tím vznikne šum, kterému se kupodivu přezdívá čtecí šum.
a konečně máme tuto podivnou věc zvanou šum výstřelu nebo šum Pixelů. Zmínil jsem, že fotony zasahují fotodiody a vedou elektrony. Světlo skrz objektiv se nazývá fotografický tok, a není to spojitý paprsek, o kterém si myslíte, že je, ale statistický vzorek fotonů, který sleduje Poissonovo rozdělení.
proč to dělá? V jasném světle to není, protože počítáte tisíce, dokonce miliony elektronů. Ale jak světlo ztmavne, kamera zachycuje méně a méně fotonů. A postupně je číslo dostatečně malé, aby počet zachycený z identicky barevných, identicky osvětlených částí obrázku nebyl stejný. A tak to vidíme jako rozdílné svítivosti a barvy mezi věcmi, které by měly být stejné: šum.
ISO vstupuje přímo sem. Když je signál zesílen, tak je šum v tomto signálu. Vyšší čísla ISO tedy vždy znamenají více šumu. Tišší senzor, větší čip atd. může znamenat větší poměr signálu k šumu v senzoru. Takže v průběhu času se senzory dostaly mnohem tišší. A jak se senzor zvětšuje a poskytuje větší fotodiody, bude shromažďovat více fotonů ve stejném světle než menší senzor. Takže to bude mít statisticky zvukový počet elektronů v druhu světla, které by vykazovalo šum na menší kameře.
rozlišení a hloupé softwarové triky
podívejme se tedy na podrobnosti o tom, co zde dělám. V tomto blokovém schématu senzoru smartphonu můžete vidět, že ADC je 10bitový. To znamená, že ADC může číst maximálně 0-1023 jako číslo ze vstupu. Také jsem navrhl, že bychom mohli mít 14bitový senzor-to je to, co dnes obvykle najdete v digitálním fotoaparátu s plným rámem, úrovně 0-16, 383.
nyní se podívejte na formát JPEG: je to 8 bitů na pixel-hodnoty 0-255 pro každou barvu (JPEG ve skutečnosti nekóduje v RGB, ale YUV, ale dekomprimujete na RGB). Takže co když máme nativní ISO 100, ale chtěli jsme nabídnout JPEG na ISO 50? To je naprosto proveditelné s 10-bitovým senzorem, jednodušší ještě s 14-bitovým senzorem. Přemýšlejte o tom jako o posunutí 8bitového okna přes mnohem širší rozsah čísel.
to by samozřejmě mohlo být provedeno na druhém konci. Pokud můj fotoaparát dosáhne pouze ISO 25,600, možná bych mohl použít software pro zvýšení ISO na 51,200. V softwaru mohu jednoduše vybrat bity vyššího řádu začínající na bitu 1 spíše než na bitu 0-matematicky podobné násobení dvěma v tomto případě.
jedná se o zesílení softwaru a používá se alespoň do určité míry téměř v každé kameře. Většina kamer má „rozšířené“ rozsahy ISO, například ISO50 nebo 51 200, které jsem navrhl. Oba z nich nejsou nějakým způsobem zcela ideální, v tomto případě jsou odvozeny od softwaru, takže je výrobce označí jako „rozšířené“, aby vás informoval. Pokud však software rozšířený ISO stále odpovídá jak specifikacím ISO, tak standardům výrobce pro kvalitu obrazu, nemusí mít ISO odvozený software speciální štítek.
Poznámky k reálnému světu JPEG
nechtěl jsem se dostat do složitosti tohoto, ale jak Dave Martindale zdůraznil v komentářích, kodéry JPEG mohou použít funkci komprese dynamického rozsahu zvanou gama křivka, aby poskytly část chuti vyššího dynamického rozsahu, na úkor barev mezi barvami a někdy i barevných pruhů v obraze. Váš 8bitový počítačový monitor nebo televizor dělá totéž, pouze jako inverzní, aby poskytl lineárně vypadající výstup. Senzor kamery vidí světlo lineárně, ale vaše oko ne. Takže křivka gama může být aplikována na 10bitový nebo 12bitový obraz, aby poskytla nelineární kompresi dynamického rozsahu jako součást kódování JPEG.
většina kamer lze nastavit na přesně to, co dělají s barvou při vytváření JPEG, takže to je věc, kterou může pokročilý uživatel ovládat. Nevýhodou korekce gama je to, že JPEG je velmi „křehký“ – dokonce i malé korekce barvy, jasu, kontrastu atd. může se pohybovat tam, kde by to patřilo na křivce gama, do míst, kam nepatří. Takže možná v původním JPEG nevidíte žádné pruhy, ale udělejte několik vylepšení a máte na rukou Svatý nepořádek. To je důvod, proč je JPEG z velké části považován za neupravitelný profesionály. Ano, můžete udělat vylepšení, pokud jste opatrní, ale opět je to velmi křehké.
co kdybychom neměli ISO vůbec!
ve skutečnosti existují některé kamery, o nichž se tvrdí, že jsou „bez ISO“. Co by to mělo znamenat, tak jako tak, je to, že nikdy neexistuje žádné analogové zesílení. Každý snímek je zachycen na bázi ISO a jen softwarově manipulován na vyšší či nižší hodnoty ISO. Problém s tím je řešení.
takže řekněme, že mám kameru s nativním ISO 100 a 12bitovým ADC. To mi samozřejmě dává 8bitový JPEG na ISO 100, ISO 200, ISO400, ISO 800 a ISO 1600 … kromě toho bych začal snižovat vzorek o jeden bit pro každou novou rychlost ISO.
v profesionální kameře však existuje možnost surového obrazu. Můj 12bitový ADC by mi dal 12 bitů při ISO 100, 11 bitů při ISO 200, 10 bitů při ISO 400 atd. pouze pomocí softwaru. Pomocí zesílení hardwaru přináším 12 bitů při jakémkoli nastavení ISO…. ale to je jen to, co digitalizuji. Skutečná efektivní hodnota je založena na hlukové podlaze systému-pamatujte na ten hluk, který jsem zmínil? Takže je tu docela dobrá šance, že mám stále užitečné 12-bitové informace s tímto 2x ziskem na ISO 400. Možná i na ISO 800…. ale nakonec, veškerý tento zisk jen zvýší hlukovou podlahu. A to je přesně důvod, proč extended high iso jsou téměř vždy software. Jakmile 12-bit ADC přináší 11-bit signálu a 1-bit čistého šumu, není absolutně nutné přidávat další zesílení… můžete získat přesně stejný výsledek se softwarem.
Nová Věc: Duální nativní ISO
jak jsem již zmínil, nativní ISO je založeno na různých vlastnostech senzoru: citlivost fotodiody, předpětí fotodiody, kapacita nabíjecí studny atd. A je docela možné navrhnout senzor, který má redundantní obvody pro tyto věci, každý z nich udělal trochu jinak. Vložte dvě čtecí cesty a senzor bude mít duální nativní ISO.
o čem to mluvím? Vezměme si můj původní senzor s nativním ISO 100. Postavil jsem velmi velké nábojové studny, aby všechny tyto fotony mohly být shromažďovány v jasném světle. Ale co když chci dodat druhou, mnohem vyšší ISO pro slabé světlo. Můžu postavit druhý kondenzátor studny. Nemusím se zabývat jasnými světly, takže to může být relativně malé. A možná, když to udržím velmi malé, mohu optimalizovat tuto datovou cestu pro super nízký šum místo vysoké kapacity. Senzor bude moci na základě nastavení použít buď nativní cestu k napájení variabilního zesilovače nebo ADC. Takže posílení ISO přes dva nativní ISO udržuje kvalitu obrazu na vyšších hodnotách ISO.
