ISO i ethvert elektronisk kamera, ligesom med film, er resultatet af et kalibreret følsomhedsindeks. Men der er et par ting i et moderne kamera, der bidrager til den ISO-vurdering, Som et kamera udviser.
næsten enhver form for billedsensor er en række fotodioder. En fotodiode er en enhed, der vil lede elektroner som reaktion på at blive “ophidset” af fotoner. Bygget op omkring en fotodiode, der er en microlens, at hjælpe med at indsamle det maksimale antal fotoner, og et farvefilter, hvis du ønsker et farvebillede. Fotodioder, der bruges i kameraer i dag, er følsomme over for alt synligt lys og endda lidt infrarødt og ultraviolet lys.
en perfekt fotodiode vil lede en elektron for hver fotonpåvirkning. En sådan fotodiode ville siges at have 100% kvanteeffektivitet. Ingen rigtig fotodiode har det, men nogle kommer til omkring 95% i de seneste kameraer med bagbelyste sensorer. Imidlertid betyder behovet for at filtrere farve normalt, at omkring 1/3 af de fotoner, der kunne begejstre en fotodiode, faktisk fører til, at elektroner ledes. En større fotodiode vil ikke overraskende blive ramt af flere fotoner i samme fotonstrøm, og selvfølgelig udføre flere elektroner.
så længe antallet af fotoner, der påvirker en fotodiode, giver en lineær ledning af valg, arbejder dioden i sin aktive region, og tingene er gode. Det er muligt, at en stigning i fotoner på et tidspunkt ikke resulterer i en lineær stigning i elektroner. Det betyder, at fotodioden er mættet. Dette sætter en af de mulige grænser for den oprindelige ISO-værdi for en sensor.
husk nu, at strømmen af elektroner baseret på fotonpåvirkninger er en kontinuerlig funktion. En fotografisk eksponering er snarere en samling af lys over en bestemt tidsperiode. Hvis du tænker på fotonerne og deres matchende elektroner som regn, kaldes det næste element i sensoren en ladningsbrønd. Det er din spand! En spand, der samler elektroner kaldes en kondensator i elektronik engineering tale, men kamera folk har tendens til at kalde det en afgift godt.
i et professionelt kamera er der en mekanisk lukker, der dækker sensoren i disse dage. Før åbning af lukkeren tømmer elektronikken hver ladningsbrønd for alle elektroner og aktiverer derefter fotodiodearrayet. Det gøres ved at forstyrre hver fotodiode. Fotodioder, som nævnt, conducte elektroner, men de skaber dem ikke. Forspændingen er, hvor disse elektroner kommer fra, og anvender det, eller ej, tillader et bestemt sæt fotodioder i sensorens array at blive følsomme for lys eller ej.
så lukker lukkeren op og lys strømmer ind. Fotodioderne udfører elektroner, ladningsbrøndene fyldes med elektroner. Hvis dette fortsætter længe nok, vil en eller flere af disse brønde “overløb”… ikke flere elektroner passer. Det betyder, at den særlige ladningsbrønd nu er begrænset-dette er den anden mekanisme, der indstiller en indbygget ISO.
ISO-standarden
så lad os antage, at jeg lavede et kamera med en helt ny sensor, og jeg aner ikke, hvad ISO er. Lad os sige, at jeg tager fat i mit trofaste Olympus OM-1 filmkamera, et par kasser med film og mit digitale kamera. Hvis jeg skyder billeder med samme linse, i samme lys, kan jeg sammenligne filmen med kameraet og måske have en ide om komparative ISO ‘ er. For en, hvis min ISO 100-film begynder at overeksponere på samme nøjagtige tidspunkt, jeg ser min digitale sensor overeksponere, er det en god indikation af, at mit digitalkameras ISO er omkring 100.
i praksis, da vi har en ting kaldet ISO, fra Den Internationale Standardiseringsorganisation, kan du forestille dig, at der er en slags formel eller opskrift på ISO. For farve negativ film, når du siger “ISO”, taler du virkelig om ISO 5800:2001-standarden. For B & h negativ film betyder det faktisk ISO 6:1993, og for farvegennemsigtighedsfilm betyder det ISO 2240: 2003-standarden.
så naturligvis er der også standarder for digitale sensorer. Den nuværende ISO 12232:2006-specifikationen giver digitalkameraproducenter fem forskellige måder at beregne ISO på, op fra tre midler i den originale version af spec fra 1996. Kun de seneste to metoder, den anbefalede Eksponeringsindeks (REI) teknik og standard Output Sensitivity (SOS) er i øjeblikket lovlige for kameraer lavet af japanske virksomheder — næsten alle.
ligesom med film er der en vis dømmekraft involveret, så det er helt muligt, at ISO på et kamera kan være lidt anderledes end ISO på et andet, men målet er en standard, der stort set er den samme fra et kamera til et andet.
variabel ISO
indtil nu har jeg talt om native ISO, som kun er en funktion af kameraets opladningsbrønd og fotodiode array. Men der er meget mere til et digitalt kamera.
når det er tid til at læse sensoren, konverteres ladningen i hver opladningsbrønd igen til en spænding og løber ind i en Analog til Digital konverter (ADC). ADC-kredsløbet er designet således, at en fyldt opladningsbrønd vil resultere i en fuldskala spænding ved ADC. Men hvad nu hvis vi er i mørket, og hver opladning fylder kun 1/2 eller 1/4 af vejen? Det er her variabel ISO — eller gain, som det oprindeligt blev kaldt — kommer ind.
her er blokdiagrammet for en faktisk OV10822 digital billedsensor fra Omnivision. Dette er den slags, du måske har fundet i en smartphone for et par år tilbage, men ideen er den samme for enhver sensor. Hvis du ser på billedarrayet (fotodioder) i diagrammet, mellem det og ADC er en blok mærket “AMP” og en anden mærket “gain control”. Det er her variabel ISO sker.
tilbage i dagene før digitale kameraer havde vi stadig elektroniske kameraer. Kun vi kaldte dem videokameraer. Og når du ringede i gain på et videokamera, du ringede i gain. Denne gevinst blev lige målt i dB, og den blev anvendt til den oprindelige ISO på dit kamera, som du sandsynligvis ikke vidste. Som et resultat var det vanskeligt at indstille to forskellige kameraer til at bruge det samme lys.
ISO-specifikationerne bruges til at kalibrere en ISO-skala for et digitalt kamera. Hvis jeg ringer i en 2 gange forstærkning på den 1/2 fuld opladning godt tilfælde, har jeg boostet fra native ISO, siger ISO 100, til ISO 200. Jeg har nu et forstærket signal, der fodrer ADC, og den fulde skala værdi af det er nu 1/2 det fulde opladningsniveau.
ISO og støj
det interessante at se her er, at jeg ved at øge udgangen af ladningsbrøndkonverteringen ikke har ændret sensoren på nogen måde. Hvis jeg brugte en 14-bit ADC på native ISO, læser jeg nu i en smule under det og smider den øverste bit — som jeg forventer i mit lave lys altid at være nul. Jeg regner med, at kameraet har nok følsomhed til at levere nyttige oplysninger ud af forstærkeren.
Hvorfor kan det ikke? Støj! Der er altid støj i ethvert elektrisk system. Det centrale trick i digitale systemer ændrer alt til et tal, så vi normalt kan ignorere den analoge karakter af signalerne, der udgør disse bits. Men selve billedsensoren er en ren analog ting, op til det punkt, vi når ADC.
støj kommer fra flere kilder. Når du har varme, har du tilfældig elektronaktivitet. Så noget støj skyldes varme, og ja, hvis du skyder udendørs på en meget kold dag, vil du se mindre støj i dine billeder på samme ISO, end hvis du skød på en varm sommerdag. Formelt kaldes dette termisk støj.
en anden støjkilde er selve kameraet. Under en eksponering kan sensoren være temmelig stille, men på et tidspunkt skal alle mulige ekstra kredsløb aktiveres for at læse sensoren. Dette vil skabe støj, der mærkeligt nok kaldes læsestøj.
og endelig har vi denne underlige ting kaldet skudstøj eller billedstøj. Jeg nævnte, at fotoner rammer fotodioder og udfører elektroner. Lyset gennem din linse kaldes en fotostrøm, og det er ikke den kontinuerlige stråle, du måske tror, det er, men en statistisk prøve af fotoner, der følger Poisson-distributionen.
Hvorfor er sagen? Nå, i stærkt lys gør det ikke, da du tæller tusinder, endda millioner af elektroner. Men når lyset dæmpes, bliver færre og færre fotoner fanget af et kamera. Og gradvist er tallet lille nok til, at tællingen taget fra identisk farvede, identisk oplyste sektioner af et billede ikke er det samme. Og så ser vi dette som forskellig luminans og farve mellem ting, der skal være de samme: støj.
ISO kommer direkte ind her. Når et signal forstærkes, så er støj i dette signal. Så højere ISO-tal betyder altid mere støj. Dog en mere støjsvag sensor, en større chip osv. kan betyde et større signal-til-støj-forhold i sensoren. Så over tid er sensorer blevet meget mere støjsvage. Og som en sensor bliver større og giver større fotodioder, vil den samle flere fotoner i samme lys end den mindre sensor. Så det vil have et statistisk lydantal elektroner i den slags lys, der ville udvise støj på et mindre kamera.
opløsning og dumme Programtricks
så lad os se på detaljerne i det, jeg laver her. I det blokdiagram over smartphonesensoren kan du se, at ADC er 10-bit. Det betyder, at ADC kan læse i maksimalt 0-1023 som et tal fra input. Jeg foreslog også, at vi måske har en 14 — bit sensor-det er det, du typisk finder i et digitalt kamera i fuld ramme i dag,niveauer på 0-16, 383.
se nu på JPEG-formatet: det er 8-bits pr. Så hvad nu hvis vi har en indfødt ISO på 100, men ønskede at tilbyde JPEG ‘ er ved ISO 50? Det er helt muligt med en 10-bit sensor, lettere stadig med en 14-bit sensor. Tænk på det som at glide et 8-bit vindue over et meget bredere udvalg af tal.
dette kunne selvfølgelig gøres i den anden ende. Hvis mit kamera kun går op til ISO 25.600, kan jeg måske bruge programmer til at øge ISO til 51.200. I programmel kan jeg simpelthen vælge højere ordens bits, der starter ved bit 1 i stedet for bit 0 — matematisk svarende til at multiplicere med to i dette tilfælde.
dette er programforstærkning, og det bruges i det mindste til en vis grad i næsten ethvert kamera. De fleste kameraer har “udvidede” ISO-intervaller, såsom ISO50 eller 51.200, som jeg foreslog. Begge disse er ikke helt ideelle på en eller anden måde, i dette tilfælde afledt af programmer, så producenten mærker dem som “udvidet” for at fortælle dig det. Men hvis en ISO-udvidet ISO stadig matcher både ISO-specifikationerne og producentens standarder for billedkvalitet, behøver en ISO-afledt ISO ikke at have en særlig etiket.
noter om den virkelige verden JPEG
jeg ville ikke komme ind i kompleksiteten af dette, men som Dave Martindale påpegede i kommentarerne, kan JPEG-kodere bruge en dynamisk områdekomprimeringsfunktion kaldet en gammakurve for at levere noget af smagen af et højere dynamisk område på bekostning af mellemfarver og undertiden farvebånd i billedet. Din 8-bit computerskærm eller tv gør det samme, kun som en invers, for at levere en lineær output. Kamerasensoren ser lys lineært, men dit øje gør det ikke. Så gammakurven kan anvendes på et 10-bit eller 12-bit billede for at levere en ikke-lineær dynamisk områdekomprimering af det som en del af JPEG-kodningen.
de fleste kameraer kan justeres på præcis, hvad de gør med farve, når du opretter en JPEG, så det er en ting en avanceret bruger kan styre. Ulempen ved gammakorrektion er, at den gør en JPEG meget “skrøbelig” — selv små korrektioner til farve, luminans, kontrast osv. kan bevæge sig rundt, hvor de ville have hørt på gammakurven til steder, de ikke hører til. Så måske ser du ikke nogen banding i din originale JPEG, men lav et par justeringer, og du har et hellig rod på dine hænder. Dette er grunden til, at JPEG i vid udstrækning betragtes som uredigerbar af fagfolk. Ja, du kan lave justeringer, hvis du er forsigtig, men igen er det meget skrøbeligt.
hvad hvis vi slet ikke havde nogen ISO!
faktisk er der nogle kameraer, der hævdes at være “ISO-mindre”. Hvad dette skal betyde, alligevel, er, at der aldrig er nogen analog forstærkning. Hvert billede er optaget på basis ISO og blot programmel-manipuleret til højere eller lavere ISO-værdier. Problemet med dette er opløsning.
så lad os sige, at jeg har et kamera med en indbygget ISO på 100 og en 12-bit ADC. Det giver mig selvfølgelig en 8-bit JPEG ved ISO 100, ISO 200, ISO400, ISO 800 og ISO 1600… ud over det ville jeg begynde at reducere prøven med en bit for hver ny ISO-hastighed.
i et professionelt kamera er der dog mulighed for et rå billede. Min 12-bit ADC ville give mig 12-bits ved ISO 100, 11-bits ved ISO 200, 10-bits ved ISO 400 osv. kun ved hjælp af programmer. Ved hjælp af udstyrsforstærkningen bringer jeg 12-bit i enhver ISO-indstilling…. men det er kun det, jeg digitaliserer. Den reelle effektive værdi er baseret på systemets støjgulv — husk den støj, jeg nævnte? Så der er en ret god chance for, at jeg stadig har en nyttig 12-bits information med den 2 gange gevinst ved ISO 400. Måske også ved ISO 800…. men i sidste ende vil al den gevinst bare øge støjgulvet. Og det er netop derfor, at udvidede høje ISO ‘ er næsten altid er programmer. Når den 12-bit ADC bringer 11-bit signal og 1-bit ren støj, er der absolut ingen grund til at tilføje mere forstærkning… du kan få nøjagtigt det samme resultat med programmer.
Den Nye Ting: Dual Native ISO
så som jeg nævnte, er den native ISO baseret på sensorens forskellige egenskaber: fotodiode følsomhed, fotodiode bias spænding, ladebrønd kapacitet osv. Og det er meget muligt at designe en sensor, der har overflødige kredsløb til disse ting, hver enkelt gjort lidt anderledes. Sæt i to læseveje, og sensoren vil have en dobbelt indbygget ISO.
Hvad taler jeg om her? Nå, lad os tage min originale sensor med en indbygget ISO på 100. Jeg har bygget meget store ladningsbrønde for at tillade alle disse fotoner at blive samlet i stærkt lys. Men hvad nu hvis jeg vil levere en anden, meget højere ISO for lavt lys. Jeg kan bygge en anden ladningsbrøndkondensator. Jeg har ikke behov for at håndtere lyse lys, så dette kan være relativt lille. Og måske, for at holde det meget lille, kan jeg optimere den Datavej til super lav støj i stedet for høj kapacitet. Sensoren vil være i stand til at bruge enten native path til at fodre den variable forstærker eller ADC, baseret på Indstillinger. Så øge op ISO over to indfødte ISO ‘ er holde billedkvaliteten går op til højere ISO-værdier.
