ISO: iin missä tahansa elektronisessa kamerassa, aivan kuten Filmillä, on kalibroidun herkkyysindeksin tulos. Mutta on olemassa muutamia asioita nykyaikaisessa kamerassa, jotka edistävät ISO luokitus, että kamera esittelee.
lähes mikä tahansa kuva-anturi on joukko fotodiodeja. Fotodiodi on laite, joka johdattaa elektroneja vastauksena fotonien ”kiihottumiseen”. Fotodiodin ympärille on rakennettu mikrolinssi, joka auttaa keräämään maksimimäärän fotoneja, ja värisuodatin, jos haluat värikuvan. Nykyään kameroissa käytettävät fotodiodit ovat herkkiä kaikelle näkyvälle valolle ja jopa vähälle infrapuna-ja ultraviolettivalolle.
täydellinen fotodiodi johtaa yhden elektronin jokaista fotonitörmäystä kohti. Tällaisella fotodiodilla sanotaan olevan 100% kvanttitehokkuus. Mikään todellinen fotodiodi ei ole, että, mutta jotkut saavat noin 95% viime kameroissa takapuolella valaistu anturit. Värin suodattamisen tarve tarkoittaa kuitenkin yleensä sitä, että noin 1/3 fotoneista, jotka voisivat herättää fotodiodin, johtaa todellisuudessa elektronien johtamiseen. Ei ole yllättävää, että suurempi fotodiodi törmää useampiin fotoneihin samassa fotonivuodessa ja johtaa tietenkin enemmän elektroneja.
niin kauan kuin fotodiodiin vaikuttavien fotonien määrä tuottaa lineaarisen vaalien johtumisen, diodi toimii aktiivisella alueellaan ja asiat ovat hyvin. On mahdollista, että jossain vaiheessa fotonien lisääntyminen ei johda elektronien lineaariseen kasvuun. Se tarkoittaa, että fotodiodi on kylläinen. Tämä asettaa yhden mahdollisista rajoituksista anturin natiiville ISO-arvolle.
muistakaa, että fotonien törmäyksiin perustuva elektronien virtaus on jatkuva funktio. Valokuvausvalotus on pikemminkin valokokoelma tiettynä ajanjaksona. Jos fotoneja ja niiden vastaavia elektroneja ajattelee sateena, sensorin seuraavaa alkuainetta kutsutaan varauskaivoksi. Se on sinun ämpärisi! Elektroneja keräävää ämpäriä kutsutaan elektroniikkatekniikan puheessa kondensaattoriksi, mutta kamera-ihmiset tapaavat kutsua sitä varauskaivoksi.
ammattikamerassa on nykyään mekaaninen suljin, joka peittää anturin. Ennen sulkimen avaamista Elektroniikka tyhjentää kaikki elektronien varauskaivot ja aktivoi fotodiodiryhmän. Se tehdään biasing jokainen fotodiodi. Fotodiodit, kuten mainittiin, johdattavat elektroneja, mutta eivät luo niitä. Bias-jännite on mistä nämä elektronit tulevat, ja soveltaa sitä, tai ei, mahdollistaa tietyn joukon fotodiodeja anturin array tulla herkkä valolle, tai ei.
niin suljin aukeaa ja valo valuu sisään. Fotodiodit johdattavat elektroneja, varauskaivot täyttyvät elektroneilla. Jos tämä jatkuu tarpeeksi kauan, yksi tai useampi näistä kaivoista ”tulvii” … enää elektroneja ei mahdu. Tämä tarkoittaa, että tietty varaus hyvin on nyt rajoitettu – tämä on toinen mekanismi, joka asettaa natiivi ISO.
ISO-standardi
joten oletetaan, että tein kameran, jossa on upouusi sensori, enkä tiedä, mikä ISO on. Kuvitellaan, että nappaan luotettavan Olympus OM-1-filmikamerani, pari laatikkoa filmiä ja digikamerani. Jos kuvaan kuvia samalla linssillä, samassa valossa, voin verrata filmiä kameraan ja ehkä saada käsityksen vertailevista isoista. Ensinnäkin, jos ISO 100-filmini alkaa ylivalottaa samaan aikaan, kun näen digitaalisen sensorini ylivalottuvan, se on hyvä osoitus siitä, että digikamerani ISO on noin 100.
käytännössä, koska meillä on juttu nimeltä ISO, kansainvälisestä Standardointijärjestöstä, voisi kuvitella, että ISO: lle on jonkinlainen kaava tai resepti. Värinegatiiviselle kalvolle, kun sanot ”ISO”, puhut todella ISO 5800:2001-standardista. B&w-negatiivifilmille se tarkoittaa itse asiassa ISO 6:1993 ja väri-läpinäkyvyysfilmille ISO 2240:2003-standardia.
joten luonnollisesti myös digitaalisille sensoreille on olemassa standardit. Nykyinen ISO 12232:Vuoden 2006 spesifikaatio antaa digitaalikameranvalmistajille viisi erilaista tapaa laskea ISO, jopa kolmesta keinosta spec: n alkuperäisessä versiossa vuodelta 1996. Vain kaksi viimeisintä menetelmää, recommended Exposure Index (REI) — tekniikka ja Standard Output sensitive (Sos), ovat tällä hetkellä laillisia japanilaisten yritysten valmistamille kameroille-lähes kaikille.
aivan kuten elokuvassakin, mukana on jonkin verran harkintaa, joten on täysin mahdollista, että ISO yhdellä kameralla voi olla hieman erilainen kuin ISO toisella, mutta tavoite on standardi, joka on periaatteessa sama kamerasta toiseen.
muuttuja ISO
tähän asti olen puhunut natiivista ISO: sta, joka on vain kameran varauskaivon ja fotodiodin funktio. Mutta digikamerassa on paljon muutakin.
kun on aika lukea anturia, kunkin latauskaivon varaus muunnetaan vuorollaan jännitteeksi ja ajetaan analogisesta Digitaalimuuntimeen (ADC). ADC-piiri on suunniteltu siten, että täytetty latauskaivo johtaa täysimittaiseen jännitteeseen ADC: ssä. Mutta mitä jos olemme pimeässä,ja jokainen lataus hyvin täyttää vain 1/2 tai 1/4 matkan? Siinä muuttuja ISO – tai voitto, kuten sitä alun perin kutsuttiin — tulee kuvaan.
tässä lohkokaavio aidosta OV10822 digitaalisesta kuvasensorista Omnivisionilta. Tällainen voisi löytyä älypuhelimesta muutama vuosi sitten, mutta idea on sama mille tahansa sensorille. Jos katsot kuvan array (fotodiodeja) kaaviossa, sen ja ADC on lohko merkitty ”AMP” ja toinen merkitty ”gain control”. Tässä tapahtuu muuttuja ISO.
ennen digitaalikameroita oli vielä elektronisia kameroita. Vain me kutsuimme niitä videokameroiksi. Ja kun valitsit voiton videokameralla, valitsit voiton. Tuo voitto mitattiin juuri desibeleinä, ja sitä sovellettiin kameran alkuperäiselle ISO: lle, jota et luultavasti tiennyt. Tämän vuoksi oli vaikea asettaa kahta eri kameraa käyttämään samaa valoa.
iso-spesifikaatioita käytetään digitaalikameran iso-asteikon kalibrointiin. Jos valitsen 2x voitto että 1/2 täyden latauksen hyvin tapauksessa, olen lisännyt natiivi ISO, sano ISO 100, ISO 200. Minulla on nyt vahvistettu signaali, joka syöttää ADC: tä, ja sen täysi arvo on nyt 1/2 täydellä latauskaivolla.
ISO ja kohina
mielenkiintoista tässä on se, että latauskaivomuunnoksen ulostulon tehostamisessa en ole itse asiassa muuttanut anturia millään tavalla. Jos käytin 14 — bittistä ADC: tä natiivissa ISO: ssa, luen nyt yhdessä bit: ssä alle sen, ja heitän ylimmän bitin-jonka odotan hämärässä olevan aina nolla. Luotan siihen, että kamerassa on tarpeeksi herkkyyttä, jotta vahvistimesta saadaan hyödyllistä tietoa.
miksi ei? Melua! Kaikissa sähköjärjestelmissä on aina melua. Avain temppu digitaalisissa järjestelmissä on muuttaa kaikki numero, jonka avulla voimme yleensä sivuuttaa analogisen luonteen signaaleja muodostavat nämä bitit. Mutta kuvaanturi itsessään on puhdas analoginen asia, aina ADC: hen asti.
melu tulee useista lähteistä. Kun on lämpöä, on satunnaista elektronien toimintaa. Joten jonkin verran melua johtuu kuumuudesta, ja kyllä, jos kuvaat ulkona hyvin kylmänä päivänä, näet vähemmän melua kuvissasi samalla ISO: lla kuin jos kuvaat kuumana kesäpäivänä. Muodollisesti tätä kutsutaan termiseksi kohinaksi.
toinen melun lähde on itse kamera. Altistuksen aikana anturi voi olla melko hiljainen, mutta jossain vaiheessa, kaikenlaisia ylimääräisiä kiertoyhteyksiä on aktivoitava lukemaan anturi. Tämä luo melua, joka on, kumma kyllä, dubattu lukea melua.
ja lopuksi meillä on tämä outo juttu, jota kutsutaan kuvakohinaksi tai pikselikohinaksi. Mainitsin, että fotonit osuvat fotodiodeihin ja johtavat elektroneja. Linssin läpi kulkevaa valoa kutsutaan valovuodoksi, eikä kyseessä ole jatkuva säde, jollaiseksi sitä voisi luulla, vaan Poissonin jakaumaa seuraava tilastollinen fotoninäyte.
miksi asia? Kirkkaassa valossa ei, kun lasketaan tuhansia, jopa miljoonia elektroneja. Mutta valon himmetessä yhä harvempi fotoni jää kameran vangiksi. Ja vähitellen luku on niin pieni, että kuvan identtisesti värillisistä, identtisesti valaistuista osista otettu luku ei ole sama. Joten näemme tämän erilaisena luminanssina ja värinä asioiden välillä, joiden pitäisi olla samat: melu.
ISO tulee tähän suoraan. Kun signaalia vahvistetaan, niin on myös sen kohina. Korkeammat ISO-numerot tarkoittavat siis aina enemmän melua. Kuitenkin hiljaisempi anturi, suurempi siru jne. voi tarkoittaa suurempaa signaali-kohinasuhdetta anturissa. Ajan myötä sensorit ovat hiljentyneet. Kun anturi kasvaa ja tuottaa suurempia fotodiodeja, se kerää enemmän fotoneja samaan valoon kuin pienempi anturi. Joten sillä on tilastollisesti äänimäärä elektroneja sellaisessa valossa, joka esittää melua pienemmässä kamerassa.
resoluutio ja tyhmät Ohjelmistotemput
joten katsotaan tarkemmin, mitä tässä teen. Tuossa älypuhelimen anturin lohkokaaviossa näkyy, että ADC on 10-bittinen. Tämä tarkoittaa, että ADC voi lukea enintään 0-1023 lukuna syötöstä. Ehdotin myös, että meillä voisi olla 14-bittinen anturi — se mitä yleensä löydät Full Frame Digikamera tänään, tasot 0-16,383.
Katso nyt JPEG-muotoa: se on 8-bittiä pikseliä kohden — arvot 0-255 kullekin värille (JPEG ei varsinaisesti koodaa RGB: ssä, vaan YUV, mutta sinä purat RGB: hen). Joten mitä jos meillä on natiivi ISO 100, mutta halusi tarjota JPEG ISO 50? Se on täysin mahdollista 10-bittinen anturi, helpompaa vielä 14-bittinen anturi. Ajattele sitä liu ’ uttamalla 8-bittistä ikkunaa paljon laajemman numerovalikoiman yli.
tämä voitaisiin tietysti tehdä toisessa päässä. Jos kamerani menee vain ISO 25,600: aan, ehkä voisin käyttää ohjelmistoa ISO: n nostamiseen 51,200: aan. Ohjelmistoissa voin yksinkertaisesti valita korkeamman kertaluvun bittejä alkaen bitistä 1 eikä bitistä 0-matemaattisesti samanlainen kuin kertomalla kahdella tässä tapauksessa.
tämä on ohjelmistovahvistusta, ja sitä käytetään ainakin jossain määrin lähes jokaisessa kamerassa. Useimmissa kameroissa on” laajennettu ” ISO-alue, kuten ehdottamani ISO50 tai 51 200. Kumpikaan näistä ei ole aivan ihanteellinen jollakin tavalla, tässä tapauksessa on ohjelmisto johdettu, joten valmistaja leimaa ne ”laajennettu” kertoa. Jos ohjelmistolaajennettu ISO kuitenkin edelleen vastaa sekä ISO: n spesifikaatioita että valmistajan kuvanlaatustandardeja, ei ISO: sta johdetulla ohjelmistolla tarvitse olla erityistä merkintää.
Notes on Real World JPEG
I wasn ’ t going to get into the complexities of this, but as Dave Martindale huomautti kommenteissa, JPEG antureita voi käyttää dynaamisen alueen pakkaustoiminto kutsutaan gamma käyrä, antaa joitakin maku korkeamman dynaamisen alueen, kustannuksella In-välillä värejä ja joskus, väri banding in the image. 8-bittinen tietokoneen näyttö tai televisio tekee saman asian, vain käänteisenä, tuottaa lineaarisen näköinen lähtö. Kameran anturi näkee valon lineaarisesti, mutta silmäsi ei. Gammakäyrää voidaan siis soveltaa 10-tai 12-bittiseen kuvaan, jolloin saadaan epälineaarinen dynaamisen alueen pakkaus, joka on osa JPEG-koodausta.
useimmat kamerat voidaan säätää tarkalleen, mitä ne tekevät värillä luodessaan JPEG, joten tämä on asia kehittynyt käyttäjä voi hallita. Gammakorjauksen haittapuolena on, että se tekee JPEG: stä hyvin ”hauraan” — pienetkin korjaukset väriin, luminanssiin, kontrastiin jne. ne voivat liikkua siellä, missä ne olisivat kuuluneet gammakäyrällä paikkoihin, joihin ne eivät kuulu. Joten ehkä et näe mitään banding alkuperäisessä JPEG, mutta tehdä muutaman hienosäädön, ja sinulla on pyhä sotku käsissäsi. Tämän vuoksi JPEG on suurelta osin muokkaamaton ammattilaisten. Kyllä, voit tehdä parannuksia, jos olet varovainen, mutta jälleen, se on hyvin hauras.
mitä jos meillä ei olisi ISO: ta ollenkaan!
joidenkin kameroiden väitetään olevan ”ISO-vähemmän”. Tämän pitäisi tarkoittaa sitä, että analogista vahvistusta ei ole koskaan. Jokainen kuva napataan ISO: n tukikohdassa ja vain ohjelmisto-manipuloidaan suurempiin tai pienempiin ISO-arvoihin. Ongelma tässä on päätöslauselma.
niin, sanotaan, että minulla on kamera, jossa on natiivi ISO 100 ja 12-bittinen ADC. Se antaa minulle, tietenkin, 8-bittinen JPEG ISO 100, ISO 200, ISO400, ISO 800, ja ISO 1600… sen lisäksi, alkaisin vähentää näytteen yksi bitti jokaista uutta ISO nopeus.
ammattikamerassa on kuitenkin raakakuvan mahdollisuus. Minun 12-bittinen ADC antaisi minulle 12-bittiä ISO 100, 11-bittiä ISO 200, 10-bittiä ISO 400, jne. vain ohjelmiston avulla. Käyttämällä laitteisto vahvistus, tuon 12-bittiä tahansa ISO-asetus…. mutta sitä minä vain digitoin. Todellinen efektiivinen arvo perustuu järjestelmän kohinalattiaan-Muistatko mainitsemani melun? Joten on melko todennäköistä, että minulla on vielä hyödyllistä 12-bittistä tietoa tuon 2x-vahvistuksen kanssa ISO 400: ssa. Ehkä yhtä hyvin ISO 800…. mutta lopulta kaikki tuo voitto tulee vain lisäämään melulattiaa. Ja juuri siksi laajennettu korkea ISOs ovat lähes aina ohjelmisto. Kun 12-bittinen ADC tuo 11-bittistä signaalia ja 1-bittistä puhdasta kohinaa, ei ole mitään tarvetta lisätä vahvistusta… voit saada täsmälleen saman tuloksen ohjelmistolla.
Uusi Asia: Dual Native ISO
joten kuten mainitsin, native ISO perustuu anturin eri ominaisuuksiin: fotodiodin herkkyys, fotodiodin biasjännite, varauskaivon kapasiteetti jne. Ja se on täysin mahdollista suunnitella anturi, joka on tarpeeton piiri näitä asioita, jokainen tehdään hieman eri tavalla. Laita kaksi lukupolkua ja anturi on dual native ISO.
mistä tässä on kyse? Otetaan alkuperäinen sensorini, jonka iso on 100. Olen rakentanut suuria varauskaivoja, – jotta fotonit voidaan kerätä kirkkaassa valossa. Mutta entä jos haluan toimittaa toisen, paljon korkeamman ISO: n hämärässä. Voin rakentaa toisen latauskaivon kondensaattorin. Minulla ei ole tarvetta käsitellä kirkkaita valoja, joten tämä voi olla suhteellisen pieni. Ja ehkä, pitää se hyvin pieni, voin optimoida, että datapolku super Hiljainen sijaan suuren kapasiteetin. Anturi voi käyttää joko natiivipolkua syöttämään muuttujan vahvistinta tai ADC: tä asetusten perusteella. Joten lisäämällä ISO yli kaksi natiivi ISOs pitää kuvanlaatu menee jopa korkeampiin ISO-arvoihin.
