ISOは、校正された感度指数の結果です。 しかし、現代のカメラには、カメラが示すISO評価に貢献するいくつかのことがあります。
ちょうど約あらゆる種類のイメージセンサーはフォトダイオードの配列である。 フォトダイオードは、光子によって「励起」されることに応答して電子を伝導するデバイスです。 フォトダイオードを中心に構築され、あなたがカラー画像をしたい場合は、光子の最大数を収集するために、マイクロレンズ、およびカラーフィルタがあ 今日のカメラで使用されているフォトダイオードは、すべての可視光と少しでも赤外線や紫外線に敏感です。
完全なフォトダイオードは、光子の衝撃ごとに一つの電子を伝導します。 このようなフォトダイオードは、100％の量子効率を有すると言われるであろう。 実際のフォトダイオードにはそれがありませんが、最近のカメラでは、裏側に照らされたセンサーを搭載した約95％に達するものもあります。 しかし、色をフィルタリングする必要性は、通常、フォトダイオードを励起する可能性のある光子の約1/3が実際に電子が伝導されることを意味する。 より大きなフォトダイオードは、驚くことではないが、同じ光子束中のより多くの光子によって打たれ、もちろん、より多くの電子を伝導する。
フォトダイオードに影響を与える光子の数が選挙の線形伝導をもたらす限り、ダイオードはその活性領域で動作しており、物事は良好である。 ある時点で、光子の増加は電子の線形増加をもたらさない可能性があります。 これは、フォトダイオードが飽和していることを意味します。 これにより、センサーのネイティブISO値に可能な制限のいずれかが設定されます。
さて、光子の影響に基づく電子の流れは連続関数であることに注意してください。 写真の露出は、むしろ、設定された期間にわたる光の集まりです。 光子とそれらの一致する電子を雨と考えると、センサーの次の要素は電荷井戸と呼ばれます。 それはあなたのバケツです！ 電子を集めるバケツは、電子工学ではコンデンサと呼ばれていますが、カメラの人々はそれを電荷とよく呼ぶ傾向があります。
プロのカメラには、最近センサーを覆う機械的なシャッターがあります。 そのシャッターを開く前に、電子機器はすべての電子の各電荷を十分に空にし、フォトダイオードアレイを活性化します。 これは、各フォトダイオードにバイアスをかけることによって行われます。 フォトダイオードは、前述のように、電子を伝導するが、それらはそれらを作成しません。 バイアス電圧は、それらの電子がどこから来て、それを印加するかどうかにかかわらず、センサのアレイ内の任意の特定のフォトダイオードセットが光
だからシャッターが開き、光が注ぐ。 フォトダイオードは電子を伝導し、電荷ウェルは電子で満たされる。 これが十分に長く続くと、これらの井戸の1つ以上が「オーバーフロー」します…これ以上の電子は収まりません。 これは、特定の電荷井戸が今制限されていることを意味します—これは、ネイティブISOを設定する第二のメカニズムです。
ISO標準
だから、私はブランドの新しいセンサーでカメラを作ったと仮定しましょう、そして私はISOが何であるか分かりません。 私は私の信頼できるオリンパスOM-1フィルムカメラ、フィルムのいくつかのボックス、および私のデジタルカメラをつかむとしましょう。 同じレンズで、同じ光の中で写真を撮影すると、フィルムをカメラと比較して、比較Isoについてのアイデアを得ることができます。 一つは、私のISO100フィルムは、私は私のデジタルセンサーが露出オーバーを参照してください同じ正確な時間に露出オーバーし始めている場合、それは私のデジタ
実際には、国際標準化機構からISOと呼ばれるものがあるので、ISOのための何らかの式やレシピがあると想像するかもしれません。 色の否定的なフィルムのために、「ISO」を言うとき、実際にisoの5800:2001の標準について話しています。 B&Wの否定的なフィルムのために、それは実際にISOの6:1993を意味し、色の透明物のフィルムのために、ISOの2240:2003の標準を意味します。
だから当然、デジタルセンサーにも規格がある。 現在のISO12232:2006年の仕様は、デジタルカメラメーカーにISOを計算するための五つの異なる方法を与え、1996年の仕様の元のバージョンでは三つの手段からアップします。 現在、日本企業製のカメラでは、推奨露出指数（REI）技術と標準出力感度（SOS）という最新の二つの方法のみが合法です。
フィルムと同じように、ある程度の判断が関与しているので、あるカメラのISOは別のカメラのISOとは少し異なる可能性がありますが、目標はあるカメ
Variable ISO
これまでは、カメラの充電井戸とフォトダイオードアレイの機能に過ぎないネイティブISOについて話してきました。 しかし、デジタルカメラにははるかに多くのものがあります。
センサを読み取る時が来たら、各電荷ウェルの電荷は電圧に変換され、アナログ-デジタルコンバータ（ADC）に実行されます。 ADC回路は、充填された電荷ウェルがADCにフルスケール電圧をもたらすように設計されています。 しかし、私たちが暗闇の中にいて、それぞれの充電が1/2または1/4しか満たされない場合はどうなりますか？ それが、最初に呼ばれたように、可変ISOまたはゲインが登場する場所です。
ここでは、Omnivisionの実際のOV10822デジタルイメージセンサーのブロック図です。 これはあなたが数年前にスマートフォンで見つけたかもしれない種類ですが、アイデアはどのセンサーでも同じです。 図のイメージアレイ（フォトダイオード）を見ると、それとADCの間には”AMP”とラベルされたブロックと”gain control”とラベルされた別のブロックがあります。 これは、変数ISOが発生する場所です。
デジタルカメラの前の時代には、まだ電子カメラがありました。 私たちは彼らをビデオカメラと呼んだだけです。 ビデオカメラでゲインをダイヤルするとゲインをダイヤルしました そのゲインはdB単位で測定されただけで、カメラのネイティブISOに適用されましたが、これはおそらく知らなかったでしょう。 その結果、同じ光を使用するように2つの異なるカメラを設定することは困難でした。
ISO仕様は、デジタルカメラのISOスケールを校正するために使用されます。 その1/2full charge wellケースで2倍のゲインをダイヤルすると、ネイティブISO、たとえばISO100からISO200にブーストされました。 私は今、ADCに供給する増幅された信号を持っており、そのフルスケール値は現在、フル充電井戸レベルの1/2です。
ISOとノイズ
ここで興味深いのは、charge well変換の出力をブーストする際に、実際にセンサーを変更していないことです。 私がネイティブISOで14ビットADCを使用していた場合、私は今その下の1ビットを読んで、一番上のビットを投げています-私の低い光の中で、常にゼロ 私はアンプから有用な情報を提供するのに十分な感度を持つようにカメラを頼りにしています。
なぜそうではないのでしょうか？ ノイズ！ 電気システムには常にノイズがあります。 デジタルシステムの重要なトリックは、私たちは通常、これらのビットを構成する信号のアナログの性質を無視することができ、数字にすべてを変 しかし、イメージセンサー自体は、我々はADCに到達するまで、純粋なアナログのものです。
ノイズはいくつかの発生源から発生します。 あなたが熱を持っているとき、あなたはランダムな電子活性を持っています。 だから、いくつかのノイズは熱によるものであり、はい、あなたは非常に寒い日に屋外で撮影している場合、あなたは暑い夏の日に撮影した場合よりも、 正式には、これは熱ノイズと呼ばれます。
もう一つのノイズ源はカメラそのものです。 露出中、センサーはかなり静かになることがありますが、ある時点で、センサーを読み取るためにあらゆる種類の余分な循環を活性化する必要があります。 これは、奇妙なことに、読み取りノイズと呼ばれるノイズを作成します。
そして最後に、ショットノイズやピクセルノイズと呼ばれるこの奇妙なものがあります。 私は光子がフォトダイオードに当たって電子を伝導することに言及しました。 あなたのレンズを通る光は光束と呼ばれ、それはあなたがそれがそうであると思うかもしれない連続ビームではなく、ポアソン分布に従う光子の統計
なぜ問題なのでしょうか？ まあ、明るい光の中では、あなたが何千も、何百万もの電子を数えているように、それはしません。 しかし、光が暗くなるにつれて、カメラによって捕捉される光子はますます少なくなります。 そして、徐々に、数は、画像の同じ色、同じ点灯セクションからキャプチャされたカウントが同じではないことを十分に小さくなります。 そして、私たちはこれを同じでなければならないものの間で異なる輝度と色として見ます：ノイズ。
ISOが直接ここに入ります。 信号が増幅されると、その信号のノイズも増幅されます。 したがって、ISO番号が高いほど、常により多くのノイズを意味します。 しかし、より静かなセンサー、より大きなチップなど。 センサ内の信号対雑音比が大きいことを意味する可能性があります。 だから、時間の経過とともに、センサーははるかに静かになっています。 そして、センサーが大きくなり、より大きなフォトダイオードを提供するにつれて、それは小さいセンサーよりも同じ光の中でより多くのフォトンを集 だから、それは小さなカメラでノイズを示す光の種類の電子の統計的に健全な数を持っています。
解像度と愚かなソフトウェアのトリック
だから、私がここでやっていることの詳細を見てみましょう。 スマートフォンのセンサーのブロック図では、ADCが10ビットであることがわかります。 これは、ADCが入力から数値として最大0～1023を読み取ることができることを意味します。 私はまた、我々は14ビットセンサーを持っているかもしれない示唆した-それはあなたが通常、今日のフルフレームデジタルカメラで見つけるものです,0—16,383
今、JPEG形式を見てください：それはピクセルあたり8ビットです-各色の0—255の値（JPEGは実際にはRGBでエンコードされませんが、YUVですが、RGBに解凍します）。 では、ネイティブISOが100であるが、Iso50でJpegを提供したい場合はどうすればよいですか？ これは、10ビットセンサーでは完全に実行可能で、14ビットセンサーではまだ簡単です。 これは、8ビットのウィンドウをはるかに広い範囲の数字にスライドさせると考えてください。
これは、もちろん、もう一方の端で行うことができます。 私のカメラがISO25,600までしか上がらない場合、おそらく私はソフトウェアを使ってISOを51,200に高めることができます。 ソフトウェアでは、ビット0ではなくビット1から始まる上位ビットを単純に選択できます-この場合、2を乗算するのと数学的に似ています。
これはソフトウェア増幅であり、少なくともほぼすべてのカメラである程度使用されています。 ほとんどのカメラには、私が提案したISO50や51,200などのISO範囲が「拡張」されています。 この場合、ソフトウェア派生であるため、製造元はそれらを「拡張」とラベル付けしてお知らせします。 ただし、ソフトウェア拡張ISOがISO仕様とメーカーの画質基準の両方に一致する場合、ソフトウェア派生ISOには特別なラベルが付いている必要はありません。
現実世界のJPEGに関する注意
私はこれの複雑さに入るつもりはなかったが、Dave Martindaleがコメントで指摘したように、JPEGエンコーダはガンマ曲線と呼ばれるダイナ あなたの8ビットコンピュータモニターかテレビは線形見る出力を提供するために同じ事を、逆としてだけ、します。 カメラセンサーは光を線形で見ますが、目には見えません。 そのため、ガンマ曲線を10ビットまたは12ビットの画像に適用して、JPEGエンコードの一部として非線形ダイナミックレンジ圧縮を提供できます。
ほとんどのカメラは、JPEGを作成するときに色で何をするかを正確に調整することができるので、これは上級ユーザーが制御できるものです。 ガンマ補正の欠点は、色、輝度、コントラストなどの小さな補正でさえ、JPEGを非常に”壊れやすい”ものにすることです。 それらがガンマ曲線上に属していた場所を、彼らが属していない場所に移動することができます。 だから、多分あなたはあなたの元のJPEGで任意のバンディングが表示されませんが、いくつかの調整を行い、あなたの手に神聖な混乱を持っています。 これが、JPEGが主に専門家によって編集できないと考えられる理由です。 はい、あなたが注意している場合は、微調整を行うことができますが、再び、それは非常に壊れやすいです。
もしISOがまったくなかったらどうしますか？
実際には、”ISOレス”と主張されているカメラがいくつかあります。 これが意味するべきことは、とにかく、任意のアナログ増幅がないということです。 すべての画像は基本ISOでキャプチャされ、ソフトウェア操作によってISO値が高くなるか低くなるだけです。 これの問題は解決です。
だから、私は100のネイティブISOと12ビットADCを持つカメラを持っているとしましょう。 それはもちろん、ISO100、ISO200、ISO400、ISO800、およびISO1600で8ビットJPEGを提供します…それを超えて、新しいISO速度ごとにサンプルを1ビット減らし始めます。
しかし、プロのカメラでは、raw画像の可能性があります。 私の12ビットADCは、ISO100で12ビット、ISO200で11ビット、ISO400で10ビットなどを提供します。 ソフトウェアのみを使用します。 ハードウェア増幅を使用して、私は任意のISO設定で12ビットをもたらす…. しかし、それは私がデジタル化しているものだけです。 実際の有効値は、システムノイズフロアに基づいています—私が言及したノイズを覚えていますか？ だから、私はまだISO400でその2倍のゲインで有用な12ビットの情報を持っている可能性が非常に高いです。 多分同様にISO800で…. しかし、最終的には、すべてのそのゲインは、単にノイズフロアを高めるために起こっている。 そして、それがまさに拡張高Isoがほぼ常にソフトウェアである理由です。 その12ビットADCが11ビットの信号と1ビットの純粋なノイズを取り込むと、増幅を追加する必要はまったくありません…ソフトウェアでまったく同
新しいもの: デュアルネイティブISO
前述したように、ネイティブISOは、フォトダイオード感度、フォトダイオードのバイアス電圧、電荷井戸容量など、センサの様々な特性 そして、それはこれらの事のための冗長回路を持っているセンサーを設計することはかなり可能です、それぞれが少し違った 二つの読み取りパスに入れて、センサーはデュアルネイティブISOを持っています。
私はここで何を話していますか？ さて、100のネイティブISOで、私の元のセンサーを取ってみましょう。 私はすべてのそれらの光子が明るい光の中で収集されることを可能にするために非常に大きな電荷井戸を構築しました。 しかし、私は低光のために第二、はるかに高いISOを提供したい場合はどうなりますか。 私は第二の充電井戸コンデンサを構築することができます。 私は明るい光に対処する必要はないので、これは比較的小さいことができます。 そしておそらく、それを非常に小さく保つことで、私は大容量の代わりに超低ノイズのためにそのデータパスを最適化することができます。 センサーは、設定に基づいて、可変アンプまたはADCに供給するためにネイティブパスのいずれかを使用することができます。 そのため、2つのネイティブIsoでISOを高めることで、画質はより高いISO値に維持されます。
