ISO in qualsiasi fotocamera elettronica, proprio come con la pellicola, è il risultato di un indice calibrato di sensibilità. Ma ci sono alcune cose in una fotocamera moderna che contribuiscono alla valutazione ISO che una fotocamera esibisce.
Quasi ogni tipo di sensore di immagine è una serie di fotodiodi. Un fotodiodo è un dispositivo che condurrà elettroni in risposta ad essere “eccitato” dai fotoni. Costruito intorno a un fotodiodo, c’è un microlens, per aiutare a raccogliere il numero massimo di fotoni, e un filtro di colore, se si desidera un’immagine a colori. I fotodiodi utilizzati nelle fotocamere oggi sono sensibili a tutta la luce visibile e anche a un po ‘ di luce infrarossa e ultravioletta.
Un fotodiodo perfetto condurrà un elettrone per ogni impatto fotonico. Si direbbe che un tale fotodiodo abbia un’efficienza quantistica del 100%. Nessun fotodiodo reale lo ha, ma alcuni arrivano a circa il 95% nelle fotocamere recenti con sensori illuminati sul retro. Tuttavia, la necessità di filtrare il colore di solito significa che circa 1/3 dei fotoni che potrebbero eccitare un fotodiodo in realtà portano a elettroni condotti. Un fotodiodo più grande, non sorprendentemente, sarà colpito da più fotoni nello stesso flusso di fotoni e, naturalmente, condurrà più elettroni.
Finché il numero di fotoni che influenzano un fotodiodo produce una conduzione lineare delle elezioni, il diodo funziona nella sua regione attiva e le cose vanno bene. È possibile che ad un certo punto, un aumento dei fotoni non si traduca in un aumento lineare degli elettroni. Ciò significa che il fotodiodo è saturo. Questo imposta uno dei possibili limiti al valore ISO nativo per un sensore.
Ora, tieni presente che il flusso di elettroni basato sugli impatti dei fotoni è una funzione continua. Un’esposizione fotografica, piuttosto, è una raccolta di luce su un determinato periodo di tempo. Se si pensa ai fotoni e ai loro elettroni corrispondenti come pioggia, l’elemento successivo nel sensore è chiamato pozzo di carica. E ‘ il tuo secchio! Un secchio che raccoglie elettroni è chiamato un condensatore in ingegneria elettronica parlare, ma la gente fotocamera tendono a chiamarlo una carica bene.
In una fotocamera professionale, c’è un otturatore meccanico che copre il sensore in questi giorni. Prima di aprire quell’otturatore, l’elettronica svuota ogni carica di tutti gli elettroni, quindi attiva l’array di fotodiodi. Questo è fatto polarizzando ogni fotodiodo. I fotodiodi, come detto, conducono elettroni, ma non li creano. La tensione di polarizzazione è da dove provengono quegli elettroni e applicarla, o meno, consente a qualsiasi particolare insieme di fotodiodi nell’array del sensore di diventare sensibili alla luce o meno.
Quindi l’otturatore si apre e la luce si riversa. I fotodiodi conducono elettroni, i pozzetti di carica si riempiono di elettroni. Se questo va avanti abbastanza a lungo, uno o più di questi pozzi “traboccheranno” – non più elettroni si adatteranno. Ciò significa che la carica particolare bene è ora limitata-questo è il secondo meccanismo che imposta un ISO nativo.
Lo standard ISO
Quindi, supponiamo di aver realizzato una fotocamera con un sensore nuovo di zecca e non ho idea di quale sia l’ISO. Diciamo che prendo la mia fidata macchina fotografica a pellicola Olympus OM-1, alcune scatole di pellicola e la mia fotocamera digitale. Se scatto foto con lo stesso obiettivo, con la stessa luce, posso confrontare la pellicola con la fotocamera e magari avere un’idea degli ISO comparativi. Per uno, se il mio film ISO 100 sta iniziando a sovraesporre nello stesso momento esatto in cui vedo il mio sensore digitale sovraesporre, questa è una buona indicazione che l’ISO della mia fotocamera digitale è di circa 100.
In pratica, dal momento che abbiamo una cosa chiamata ISO, dall’International Standards Organization, potresti immaginare che ci sia una sorta di formula o ricetta per ISO. Per la pellicola negativa a colori, quando dici “ISO”, stai davvero parlando dello standard ISO 5800: 2001. Per il film negativo B&W, in realtà significa ISO 6: 1993 e per il film di trasparenza del colore, significa lo standard ISO 2240:2003.
Quindi, naturalmente, ci sono standard anche per i sensori digitali. L’attuale ISO 12232:La specifica 2006 offre ai produttori di fotocamere digitali cinque diversi modi per calcolare ISO, rispetto a tre mezzi nella versione originale delle specifiche del 1996. Solo i due metodi più recenti, la tecnica Recommended Exposure Index (REI) e la sensibilità di uscita standard (SOS), sono attualmente legali per le fotocamere prodotte da aziende giapponesi, quasi tutte.
Proprio come con la pellicola, c’è un grado di giudizio coinvolto, quindi è del tutto possibile che l’ISO su una fotocamera possa essere un po ‘ diverso rispetto all’ISO su un’altra, ma l’obiettivo è uno standard che è essenzialmente lo stesso da una fotocamera all’altra.
Variabile ISO
Fino ad ora ho parlato di ISO nativo, che è solo una funzione del pozzo di carica della fotocamera e dell’array di fotodiodi. Ma c’è molto di più in una fotocamera digitale.
Quando arriva il momento di leggere il sensore, la carica in ogni pozzo di carica è a sua volta convertito in una tensione e correre in un convertitore analogico-digitale (ADC). Il circuito ADC è progettato in modo tale che un pozzo di carica riempito si tradurrà in una tensione su larga scala all’ADC. Ma cosa succede se siamo al buio, e ogni carica bene riempie solo fino 1/2 o 1/4 del modo? Ecco dove variabile ISO-o guadagno, come è stato originariamente chiamato — entra in gioco.
Ecco lo schema a blocchi di un vero sensore di immagine digitale OV10822 di Omnivision. Questo è il tipo che potresti aver trovato in uno smartphone qualche anno fa, ma l’idea è la stessa per qualsiasi sensore. Se si guarda l’array di immagini (fotodiodi) nel diagramma, tra esso e l’ADC c’è un blocco etichettato “AMP” e un altro etichettato “gain control”. Questo è dove si verifica la variabile ISO.
Nei giorni precedenti alle fotocamere digitali, avevamo ancora fotocamere elettroniche. Solo che li chiamavamo videocamere. E quando hai composto gain su una videocamera, hai composto gain. Quel guadagno è stato appena misurato in dB, ed è stato applicato all’ISO nativo della tua fotocamera, che probabilmente non sapevi. Di conseguenza, è stato difficile impostare due telecamere diverse per utilizzare la stessa luce.
Le specifiche ISO vengono utilizzate per calibrare una scala ISO per una fotocamera digitale. Se compongo un guadagno 2x su quel caso di ben carica completa 1/2, ho potenziato da ISO nativo, ad esempio ISO 100, a ISO 200. Ora ho un segnale amplificato che alimenta l’ADC, e il valore di fondo scala di questo è ora 1/2 del livello del pozzo di carica completo.
ISO e Rumore
La cosa interessante da vedere qui è che, nel potenziare l’uscita della conversione del charge well, non ho effettivamente cambiato il sensore in alcun modo. Se stavo usando un ADC a 14 bit a ISO nativo, ora sto leggendo in un bit al di sotto di quello, e gettando fuori il bit superiore — che mi aspetto, nella mia scarsa luce, di essere sempre zero. Conto sulla fotocamera per avere abbastanza sensibilità per fornire informazioni utili dall’amplificatore.
Perché non potrebbe? Rumore! C’è sempre rumore in qualsiasi sistema elettrico. Il trucco chiave nei sistemi digitali sta cambiando tutto in un numero, permettendoci di ignorare solitamente la natura analogica dei segnali che compongono quei bit. Ma il sensore di immagine in sé è una cosa analogica pura, fino al punto in cui raggiungiamo l’ADC.
Il rumore proviene da diverse fonti. Quando si ha calore, si ha un’attività di elettroni casuale. Quindi un po ‘ di rumore è dovuto al calore, e sì, se stai girando all’aperto in una giornata molto fredda, vedrai meno rumore nelle tue immagini allo stesso ISO che se hai girato in una calda giornata estiva. Formalmente, questo è soprannominato rumore termico.
Un’altra fonte di rumore è la fotocamera stessa. Durante un’esposizione, il sensore può essere abbastanza silenzioso, ma ad un certo punto, tutti i tipi di circuità extra devono essere attivati per leggere il sensore. Questo creerà rumore che è, stranamente, soprannominato rumore di lettura.
E infine, abbiamo questa strana cosa chiamata rumore di sparo o rumore di pixel. Ho detto che i fotoni colpiscono i fotodiodi e conducono gli elettroni. La luce attraverso il vostro obiettivo è chiamato un flusso di foto, e non è il fascio continuo si potrebbe pensare che sia, ma un campione statistico di fotoni che segue la distribuzione di Poisson.
Perché la questione? Beh, in piena luce, non lo fa, dato che stai contando migliaia, persino milioni di elettroni. Ma come la luce si attenua, sempre meno fotoni vengono catturati da una fotocamera. E gradualmente, il numero è abbastanza piccolo che il conteggio catturato da sezioni identicamente colorate e identicamente illuminate di un’immagine non sono le stesse. E così vediamo questo come diversa luminanza e colore tra le cose che dovrebbero essere le stesse: rumore.
ISO entra direttamente qui. Quando un segnale è amplificato, così è il rumore in quel segnale. Quindi numeri ISO più alti significano sempre più rumore. Tuttavia, un sensore più silenzioso, un chip più grande,ecc. può significare un maggiore rapporto segnale-rumore nel sensore. Quindi nel tempo, i sensori sono diventati molto più silenziosi. E come un sensore diventa più grande e fornisce fotodiodi più grandi, sta andando a raccogliere più fotoni nella stessa luce rispetto al sensore più piccolo. Quindi avrà un numero statisticamente sano di elettroni nel tipo di luce che mostrerebbe rumore su una fotocamera più piccola.
Risoluzione e stupidi trucchi software
Quindi diamo un’occhiata ai particolari della cosa che sto facendo qui. In quello schema a blocchi del sensore dello smartphone, puoi vedere che l’ADC è a 10 bit. Ciò significa che l’ADC può leggere in un massimo di 0-1023 come numero dall’input. Ho anche suggerito che potremmo avere un sensore a 14 bit-questo è quello che di solito si trova in una fotocamera digitale Full Frame oggi, livelli di 0-16, 383.
Ora guarda il formato JPEG: sono 8 bit per pixel — valori di 0-255 per ogni colore (JPEG in realtà non codifica in RGB, ma YUV, ma si decomprime in RGB). Quindi, cosa succede se abbiamo un ISO nativo di 100, ma volevamo offrire JPEG a ISO 50? Questo è totalmente fattibile con un sensore a 10 bit, più facile ancora con un sensore a 14 bit. Pensate a come scorrevole una finestra a 8 bit attraverso una gamma molto più ampia di numeri.
Questo potrebbe, ovviamente, essere fatto all’altra estremità. Se la mia fotocamera sale solo a ISO 25.600, forse potrei usare il software per aumentare l’ISO a 51.200. Nel software, posso semplicemente selezionare bit di ordine superiore a partire dal bit 1 piuttosto che dal bit 0-matematicamente simile a moltiplicare per due in questo caso.
Si tratta di amplificazione software, ed è utilizzato almeno in una certa misura in quasi tutte le telecamere. La maggior parte delle fotocamere ha gamme ISO “estese”, come ISO50 o 51.200 che ho suggerito. Entrambi non sono abbastanza ideali in qualche modo, in questo caso essendo derivati dal software, quindi il produttore li etichetta come “estesi” per farti sapere. Tuttavia, se una ISO estesa dal software corrisponde ancora sia alle specifiche ISO che agli standard del produttore per la qualità dell’immagine, una ISO derivata dal software non deve avere un’etichetta speciale.
Note sul Mondo Reale JPEG
non avevo intenzione di ottenere nella complessità del presente, ma come Dave Martindale sottolineato nei commenti, JPEG encoder possibile utilizzare una compressione della gamma dinamica funzione chiamata una curva gamma, per consegnare alcuni il sapore di una gamma dinamica superiore, a scapito di colori e, a volte, bande di colore nell’immagine. Il monitor del computer a 8 bit o la televisione fa la stessa cosa, solo come un inverso, per fornire un output dall’aspetto lineare. Il sensore della fotocamera vede la luce in termini lineari, ma il tuo occhio no. Quindi la curva gamma può essere applicata a un’immagine a 10 o 12 bit per fornire una compressione della gamma dinamica non lineare come parte della codifica JPEG.
La maggior parte delle fotocamere può essere regolata esattamente su ciò che fanno con il colore quando si crea un JPEG, quindi questa è una cosa che un utente avanzato può controllare. Lo svantaggio della correzione gamma è che rende un JPEG molto “fragile” – anche piccole correzioni a colore, luminanza, contrasto, ecc. può muoversi dove quelli sarebbero appartenuti alla curva gamma in luoghi a cui non appartengono. Quindi forse non vedi alcun bendaggio nel tuo JPEG originale, ma fai alcune modifiche e hai un pasticcio sacro sulle tue mani. Questo è il motivo per cui JPEG è in gran parte considerato non modificabile dai professionisti. Sì, è possibile apportare modifiche se si sta attenti, ma ancora una volta, è molto fragile.
E se non avessimo affatto ISO!
In effetti, ci sono alcune fotocamere che sono dichiarate “ISO-less”. Ciò che questo dovrebbe significare, comunque, è che non c’è mai alcuna amplificazione analogica. Ogni immagine viene catturata a ISO di base e solo manipolata dal software per valori ISO più alti o più bassi. Il problema con questo è la risoluzione.
Quindi, diciamo che ho una fotocamera con un ISO nativo di 100 e un ADC a 12 bit. Questo mi dà, ovviamente, un JPEG a 8 bit a ISO 100, ISO 200, ISO400, ISO 800 e ISO 1600 beyond oltre a ciò, inizierei a ridurre il campione di un bit per ogni nuova velocità ISO.
In una fotocamera professionale, tuttavia, c’è la possibilità di un’immagine raw. Il mio ADC a 12 bit mi darebbe 12 bit a ISO 100, 11 bit a ISO 200, 10 bit a ISO 400, ecc. utilizzando solo software. Utilizzando l’amplificazione hardware, porto a 12 bit in qualsiasi impostazione ISO…. ma è solo quello che sto digitalizzando. Il vero valore effettivo si basa sul rumore di fondo del sistema-ricorda quel rumore che ho menzionato? Quindi c’è una buona probabilità che ho ancora un utile 12 bit di informazioni con quel guadagno 2x a ISO 400. Forse anche a ISO 800…. ma alla fine, tutto quel guadagno aumenterà solo il rumore di fondo. Ed è esattamente per questo che gli ISO elevati estesi sono quasi sempre software. Una volta che l’ADC a 12 bit sta apportando 11 bit di segnale e 1 bit di rumore puro, non c’è assolutamente bisogno di aggiungere più amplificazione you puoi ottenere esattamente lo stesso risultato con il software.
La cosa nuova: Dual Native ISO
Quindi, come ho detto, l’ISO nativo si basa su varie proprietà del sensore: sensibilità del fotodiodo, tensione di polarizzazione del fotodiodo, capacità del pozzo di carica, ecc. Ed è abbastanza possibile progettare un sensore che abbia circuiti ridondanti per queste cose, ognuno fatto in modo un po ‘ diverso. Inserire due percorsi di lettura e il sensore avrà una doppia ISO nativa.
Di cosa sto parlando qui? Bene, prendiamo il mio sensore originale, con un ISO nativo di 100. Ho costruito pozzi di carica molto grandi per consentire a tutti quei fotoni di essere raccolti in piena luce. Ma cosa succede se voglio fornire un secondo ISO molto più alto per la scarsa illuminazione. Posso costruire un secondo condensatore di carica. Non ho bisogno di affrontare luci brillanti, quindi questo può essere relativamente piccolo. E forse, mantenendolo molto piccolo, posso ottimizzare quel percorso di dati per un rumore super basso invece di una capacità elevata. Il sensore sarà in grado di utilizzare sia il percorso nativo per alimentare l’amplificatore variabile o ADC, in base alle impostazioni. Quindi aumentare ISO su due ISO nativi mantiene la qualità dell’immagine fino a valori ISO più alti.
