ISO bármely elektronikus fényképezőgépben, akárcsak a filmnél, egy kalibrált érzékenységi index eredménye. De van néhány dolog egy modern fényképezőgépben, amely hozzájárul a kamera által kiállított ISO minősítéshez.
szinte bármilyen képérzékelő fotodiódák tömbje. A fotodióda olyan eszköz, amely elektronokat vezet, válaszul arra, hogy a fotonok “izgatják”. A fotodióda köré épül egy mikrolencse, amely segít összegyűjteni a fotonok maximális számát, és egy színszűrő, ha színes képet szeretne. A mai kamerákban használt fotodiódák érzékenyek minden látható fényre, és még egy kis infravörös és ultraibolya fényre is.
egy tökéletes fotodióda minden fotonütközéshez egy elektront vezet. Egy ilyen fotodiódáról azt mondják, hogy 100% – os kvantumhatékonysággal rendelkezik. Nincs valódi fotodióda, de néhányan a legutóbbi kamerákban 95% körül vannak, hátul megvilágított érzékelőkkel. A színszűrés szükségessége azonban általában azt jelenti, hogy a fotodiódát gerjesztő fotonok körülbelül 1/3-a valójában elektronok vezetéséhez vezet. Egy nagyobb fotodiódát nem meglepő módon több foton fog eltalálni ugyanabban a fotonáramban, és természetesen több elektront vezet.
mindaddig, amíg a fotodiódát befolyásoló fotonok száma a választások lineáris vezetését eredményezi, a dióda aktív régiójában működik, és a dolgok jók. Lehetséges, hogy egy bizonyos ponton a fotonok növekedése nem eredményezi az elektronok lineáris növekedését. Ez azt jelenti, hogy a fotodióda telített. Ez meghatározza az érzékelő natív ISO-értékének egyik lehetséges korlátját.
ne feledje, hogy a fotonhatásokon alapuló elektronok áramlása folyamatos funkció. A fényképészeti expozíció inkább egy meghatározott időtartamú fénygyűjtemény. Ha a fotonokat és a hozzájuk tartozó elektronokat esőnek tekintjük, akkor az érzékelő következő elemét töltéskútnak nevezzük. Ez a te vödröd! Az elektronokat gyűjtő vödröt kondenzátornak nevezik az elektronikai mérnöki beszédben,de a kamerás emberek általában töltésnek hívják.
egy professzionális fényképezőgépben manapság van egy mechanikus redőny, amely lefedi az érzékelőt. A redőny kinyitása előtt az elektronika kiüríti az összes elektron minden töltéskútját, majd aktiválja a fotodióda tömböt. Ez az egyes fotodiódák elfogultságával történik. A fotodiódák, mint említettük, elektronokat vezetnek, de nem hozzák létre őket. Az előfeszítő feszültség az, ahonnan ezek az elektronok származnak, és alkalmazzák, vagy sem, lehetővé teszi, hogy az érzékelő tömbjében lévő fotodiódák bármelyike érzékeny legyen a fényre, vagy sem.
tehát a redőny kinyílik, és a fény beáramlik. A fotodiódák elektronokat vezetnek,a töltőkutak elektronokkal töltődnek. Ha ez elég hosszú ideig tart, egy vagy több ilyen kút “túlcsordul”… több elektron nem fér el. Ez azt jelenti, hogy az adott töltéskút most korlátozott-ez a második mechanizmus, amely natív ISO-t állít be.
az ISO szabvány
tehát tegyük fel, hogy készítettem egy kamerát egy vadonatúj érzékelővel, és fogalmam sincs, mi az ISO. Tegyük fel, hogy megragadom a megbízható Olympus OM-1 filmkamerámat, néhány doboz filmet és a digitális fényképezőgépemet. Ha ugyanazzal a lencsével, ugyanabban a fényben készítek fényképeket, össze tudom hasonlítani a filmet a fényképezőgéppel, és talán van egy ötletem az összehasonlító ISO-król. Az egyik, ha az ISO 100 filmem ugyanabban az időben kezd túlexponálni, amikor a digitális érzékelőmet túlexponálom, ez jól jelzi, hogy a digitális fényképezőgépem ISO értéke körülbelül 100.
a gyakorlatban, mivel van egy ISO nevű dolog, a Nemzetközi Szabványügyi szervezettől, elképzelhető, hogy van valamilyen képlet vagy recept az ISO-ra. A színes negatív film esetében, amikor azt mondod, hogy “ISO”, akkor valójában az ISO 5800:2001 szabványról beszélsz. A B&w negatív film esetében ez valójában az ISO 6:1993, a színes átlátszó film esetében pedig az ISO 2240:2003 szabványt jelenti.
tehát természetesen vannak szabványok a digitális érzékelőkre is. A jelenlegi ISO 12232:A 2006-os specifikáció öt különböző módszert kínál a digitális fényképezőgép-készítőknek az ISO kiszámításához, az 1996-os specifikáció eredeti változatában szereplő három eszköztől. Jelenleg csak a legújabb két módszer, az ajánlott expozíciós Index (Rei) technika és a szabványos kimeneti érzékenység (SOS) legális a japán vállalatok által gyártott kamerák számára — szinte mindenki számára.
csakúgy, mint a film, van egy bizonyos fokú ítélet részt, így nagyon is lehetséges, hogy az ISO egy kamera lehet egy kicsit más, mint az ISO egy másik, de a cél egy szabvány, amely lényegében ugyanaz az egyik kamera a másikra.
változó ISO
eddig a natív ISO-ról beszéltem, amely csak a fényképezőgép töltésének és fotodióda tömbjének függvénye. De sokkal több van a digitális fényképezőgépben.
amikor eljön az ideje, hogy olvassa el az érzékelő, a töltés minden töltés jól viszont átalakul a feszültség és befut egy analóg-digitális átalakító (ADC). Az ADC áramkör úgy van kialakítva, hogy egy feltöltött töltőkút teljes körű feszültséget eredményez az ADC-n. De mi van, ha sötétben vagyunk, és minden töltés csak az út 1/2-ét vagy 1/4-ét tölti fel? Itt jön be a változó ISO — vagy gain, ahogy eredetileg hívták.
itt található az Omnivision tényleges OV10822 digitális képérzékelőjének blokkdiagramja. Ez az a fajta lehet, hogy talált egy okostelefon néhány évvel ezelőtt, de az ötlet ugyanaz minden érzékelő. Ha megnézi a diagramon a képtömböt (fotodiódákat), akkor az ADC és az ADC között van egy “AMP” feliratú blokk, a másik pedig “gain control”feliratú. Itt történik a változó ISO.
a digitális fényképezőgépek előtti napokban még mindig voltak elektronikus kameráink. Csak mi hívtuk őket videokameráknak. És amikor a gain-t tárcsázta egy videokamerán, akkor a gain-t tárcsázta. Ezt a nyereséget csak dB-ben mérték, és a fényképezőgép natív ISO-jára alkalmazták, amit valószínűleg nem tudott. Ennek eredményeként nehéz volt két különböző kamerát beállítani, hogy ugyanazt a fényt használják.
az ISO specifikációk a digitális fényképezőgép ISO-skálájának kalibrálására szolgálnak. Ha tárcsázok egy 2x erősítést az 1 / 2 teljes töltésű kút esetében, akkor a natív ISO-ról, mondjuk az ISO 100-ról az ISO 200-ra növeltem. Most van egy erősített jel, amely táplálja az ADC-t, és a teljes skála értéke most 1/2 a teljes töltöttségi szint.
ISO és zaj
az érdekes dolog itt látni, hogy a töltéskút-átalakítás kimenetének növelésében valójában semmilyen módon nem változtattam meg az érzékelőt. Ha 14 bites ADC-t használtam natív ISO — nál, akkor most egy bit alatt olvasok, és kidobom a felső bitet-ami gyenge fényviszonyok mellett mindig nulla lesz. Arra számítok, hogy a kamera elegendő érzékenységgel rendelkezik ahhoz, hogy hasznos információkat szolgáltasson az erősítőből.
miért nem? Zaj! Minden elektromos rendszerben mindig zaj van. A digitális rendszerek legfontosabb trükkje az, hogy mindent számra változtatunk, lehetővé téve számunkra, hogy általában figyelmen kívül hagyjuk az ezeket a biteket alkotó jelek analóg jellegét. De maga a képérzékelő tiszta analóg dolog, egészen addig a pontig, amíg el nem érjük az ADC-t.
a zaj több forrásból származik. Ha hő van, akkor véletlenszerű elektron aktivitása van. Tehát némi zajt a hő okoz, és igen, ha egy nagyon hideg napon szabadban fényképez, akkor kevesebb zajt fog látni a képein ugyanazon az ISO-n, mint ha egy forró nyári napon fényképez. Formálisan ezt termikus zajnak nevezik.
egy másik zajforrás maga a kamera. Expozíció közben az érzékelő elég csendes lehet, de egy bizonyos ponton mindenféle extra körforgást aktiválni kell az érzékelő leolvasásához. Ez olyan zajt fog létrehozni, amelyet furcsa módon olvasási zajnak neveznek.
és végül van ez a furcsa dolog, amit lövés zajnak vagy pixel zajnak hívnak. Említettem, hogy a fotonok a fotodiódákba ütköznek és elektronokat vezetnek. A lencsén átáramló fényt fotofluxnak nevezzük, és ez nem az a folytonos sugár, amelyet gondolnánk, hanem a fotonok statisztikai mintája, amely követi a Poisson-eloszlást.
miért van az ügy? Nos, erős fényben nem, mivel több ezer, sőt több millió elektronot számolunk. De ahogy a fény elhalványul, egyre kevesebb fotont rögzít egy kamera. Fokozatosan pedig a szám elég kicsi ahhoz, hogy a kép azonos színű, azonos megvilágítású szakaszaiból rögzített szám ne legyen azonos. Tehát ezt különböző fénysűrűségnek és színnek látjuk a dolgok között, amelyeknek ugyanolyannak kell lenniük: zaj.
az ISO közvetlenül itt lép be. Amikor egy jel felerősödik, akkor a zaj is ebben a jelben van. Tehát a magasabb ISO-számok mindig több zajt jelentenek. Azonban egy csendesebb érzékelő, egy nagyobb chip stb. nagyobb jel-zaj arányt jelenthet az érzékelőben. Tehát az idő múlásával az érzékelők sokkal csendesebbek lettek. És ahogy az érzékelő nagyobb lesz, és nagyobb fotodiódákat biztosít, több fotont fog gyűjteni ugyanabban a fényben, mint a kisebb érzékelő. Tehát statisztikailag megfelelő számú elektronja lesz olyan fényben, amely zajt mutatna egy kisebb kamerán.
felbontás és hülye szoftver trükkök
tehát nézzük meg a részleteket, amit itt csinálok. Az okostelefon-érzékelő blokkdiagramjában láthatja, hogy az ADC 10 bites. Ez azt jelenti, hogy az ADC legfeljebb 0-1023 számot tud olvasni a bemenetről. Azt is javasoltam, hogy legyen egy 14 bites érzékelőnk — ez az, amit általában egy Full Frame digitális fényképezőgépben talál, 0-16,383.
most nézd meg a JPEG formátumot: 8 Bit / pixel — 0-255 érték minden színnél (a JPEG valójában nem RGB-ben kódol, hanem YUV, de kibontja az RGB-t). Tehát mi van, ha van egy natív ISO 100, de akart ajánlani JPEGs ISO 50? Ez teljesen megvalósítható egy 10 bites érzékelővel, még könnyebb egy 14 bites érzékelővel. Gondolj rá úgy, mint egy 8 bites ablak csúsztatására a számok sokkal szélesebb tartományában.
ezt természetesen meg lehet tenni a másik végén. Ha a fényképezőgépem csak az ISO 25,600-ra emelkedik, akkor talán használhatnám a szoftvert, hogy az ISO-t 51,200-ra növeljem. A szoftverben egyszerűen kiválaszthatom a magasabb rendű biteket, amelyek az 1. bittől kezdődnek, nem pedig a 0. bittől-matematikailag hasonlóak a kettővel való szorzáshoz ebben az esetben.
ez szoftvererősítés, és legalább bizonyos mértékig szinte minden kamerában használják. A legtöbb kamera “kiterjesztett” ISO-tartományokkal rendelkezik, például az általam javasolt ISO50 vagy 51 200. Mindkettő valamilyen módon nem egészen ideális, ebben az esetben szoftverből származik, ezért a gyártó “kiterjesztett” címkével látja el őket, hogy tudatja Önnel. Ha azonban egy szoftverrel kibővített ISO továbbra is megfelel mind az ISO specifikációknak, mind a gyártó képminőségi szabványainak, akkor a szoftverből származó ISO-nak nem kell külön címkével rendelkeznie.
Notes on Real World JPEG
nem akartam belemenni ennek bonyolultságába, de ahogy Dave Martindale rámutatott a megjegyzésekben, a JPEG kódolók használhatják a dinamikatartomány tömörítési funkcióját, amelyet gamma görbének neveznek, hogy egy magasabb dinamikatartomány ízét biztosítsák, a színek közötti színek és néha a kép színsávjának rovására. A 8 bites számítógép-monitor vagy a televízió ugyanezt teszi, csak inverzként, hogy lineáris megjelenésű kimenetet biztosítson. A kamera érzékelője lineárisan látja a fényt, de a szemed nem. Tehát a gamma görbe alkalmazható egy 10 bites vagy 12 bites képre, hogy a JPEG kódolás részeként nemlineáris dinamikatartomány-tömörítést biztosítson.
a legtöbb kamera pontosan beállítható, hogy mit csinálnak a színnel a JPEG létrehozásakor, tehát ezt egy haladó felhasználó vezérelheti. A gamma-korrekció hátránya, hogy a JPEG — t nagyon “törékennyé” teszi-még a szín, a fényerő, a kontraszt stb. mozoghat ott, ahol azok a gamma görbén tartoztak volna olyan helyekre, ahová nem tartoznak. Lehet, hogy nem látsz semmilyen sávot az eredeti JPEG-ben, de csinálj néhány módosítást, és Szent rendetlenség van a kezeden. Ez az oka annak, hogy a JPEG-t a szakemberek nagyrészt szerkeszthetetlennek tartják. Igen, lehet, hogy csíp, ha óvatos, de megint, ez nagyon törékeny.
mi lenne, ha egyáltalán nem lenne ISO!
valójában vannak olyan kamerák, amelyekről azt állítják, hogy “ISO-kevésbé”. Ennek egyébként azt kell jelentenie, hogy soha nincs analóg erősítés. Minden képet az alap ISO-n rögzítenek, és csak szoftverrel manipulálják magasabb vagy alacsonyabb ISO-értékekre. A probléma ezzel az állásfoglalás.
tegyük fel, hogy van egy 100-as natív ISO-val és egy 12 bites ADC-vel rendelkező kamerám. Ez ad nekem, természetesen, egy 8 bites JPEG ISO 100, ISO 200, ISO400, ISO 800, és ISO 1600… azon túl, hogy én kezdem csökkenteni a minta egy bit minden új ISO sebesség.
egy professzionális fényképezőgépben azonban lehetőség van raw kép készítésére. A 12 bites ADC-M 12 bites ISO 100-at, 11 bites ISO 200-at, 10 bites ISO 400-at stb. csak Szoftver használata. A hardver erősítés, hozok 12 bites bármilyen ISO beállítás…. de ez csak az, amit digitalizálok. Az igazi effektív érték a rendszer zajszintjén alapul-emlékszel arra a zajra, amelyet említettem? Tehát nagyon jó esély van arra, hogy még mindig van egy hasznos 12 bites információm azzal a 2x erősítéssel az ISO 400-on. Talán az ISO 800-nál is…. de végül, ez a nyereség csak növeli a zajszintet. Pontosan ez az oka annak, hogy a kiterjesztett magas ISO-k szinte mindig szoftverek. Miután a 12 bites ADC 11 bites jelet és 1 bites tiszta zajt hoz, egyáltalán nem kell további erősítést adni… pontosan ugyanazt az eredményt érheti el a szoftverrel.
Az Új Dolog: Kettős natív ISO
Tehát, mint említettem, a natív ISO az érzékelő különféle tulajdonságain alapul: fotodióda érzékenység, fotodióda előfeszítési feszültség, töltő kút kapacitása stb. És teljesen lehetséges olyan érzékelőt tervezni, ami redundáns áramkörökkel rendelkezik ezekhez a dolgokhoz, mindegyik kicsit másképp működik. Helyezzen be két olvasási útvonalat, és az érzékelő kettős natív ISO-val rendelkezik.
miről beszélek itt? Nos, vegyük az eredeti érzékelőmet, natív ISO 100-mal. Nagyon nagy töltőkutakat építettem, hogy az összes foton fényes fényben összegyűjthető legyen. De mi van, ha egy második, sokkal magasabb ISO-t akarok szállítani gyenge fényviszonyok esetén. Tudok építeni egy második töltés is kondenzátor. Nem kell foglalkoznom a fényes fényekkel, így ez viszonylag apró lehet. És talán, ha nagyon kicsi marad, optimalizálhatom ezt az adatútvonalat a szuper alacsony zajszintre a nagy kapacitás helyett. Az érzékelő a beállítások alapján akár natív útvonalat is használhat a változó erősítő vagy az ADC táplálására. Tehát az ISO növelése két natív ISO felett a képminőség magasabb ISO értékekre emelkedik.
