ISO i et hvilket som helst elektronisk kamera, akkurat som med film, er resultatet av en kalibrert følsomhetsindeks. Men det er noen ting i et moderne kamera som bidrar TIL ISO-vurderingen som et kamera viser.
Omtrent alle slags bildesensor er en rekke fotodioder. En fotodiode er en enhet som vil lede elektroner som svar på å være «begeistret» av fotoner. Bygget rundt en fotodiode, er det en microlens, for å samle maksimalt antall fotoner, og et fargefilter, hvis du vil ha et fargebilde. Fotodioder som brukes i kameraer i dag er følsomme for alt synlig lys og til og med litt infrarødt og ultrafiolett lys.
en perfekt fotodiode vil gjennomføre en elektron for hver fotonpåvirkning. En slik fotodiode vil sies å ha 100% kvanteffektivitet. Ingen ekte fotodiode har det, men noen kommer til rundt 95% i nyere kameraer med Bakbelyste sensorer. Imidlertid betyr behovet for å filtrere farge vanligvis at omtrent 1/3 av fotonene som kan opphisse en fotodiode, faktisk fører til at elektroner blir utført. En større fotodiode vil ikke overraskende bli rammet av flere fotoner i samme fotonfluss, og selvfølgelig utføre flere elektroner.
så lenge antall fotoner som påvirker en fotodiode gir en lineær ledning av valg, jobber dioden i sin aktive region og ting er gode. Det er mulig at en økning i fotoner på et tidspunkt ikke resulterer i en lineær økning i elektroner. Det betyr at fotodioden er mettet. Dette setter en av de mulige grensene FOR den opprinnelige ISO-verdien for en sensor.
Husk nå at strømmen av elektroner basert på fotonpåvirkninger er en kontinuerlig funksjon. En fotografisk eksponering, heller, er en samling av lys over en angitt tidsperiode. Hvis du tenker på fotonene og deres matchende elektroner som regn, kalles det neste elementet i sensoren en ladebrønn. Det er din bøtte! En bøtte som samler elektroner kalles en kondensator i elektronikkteknikk, men kamerafolk har en tendens til å kalle det en ladebrønn.
i et profesjonelt kamera er det en mekanisk lukker som dekker sensoren i disse dager. Før du åpner den lukkeren, tømmer elektronikk hver ladebrønn for alle elektroner, og aktiverer deretter fotodiodearrayen. Det gjøres ved å forspenne hver fotodiode. Fotodioder, som nevnt, utfører elektroner, men de lager dem ikke. Biasspenningen er hvor disse elektronene kommer fra, og bruker det, eller ikke, tillater et bestemt sett med fotodioder i sensorens array å bli følsomme for lys, eller ikke.
så lukkeren åpner seg og lyset strømmer inn. Fotodiodene utfører elektroner, ladningsbrønnene fylles med elektroner. Hvis dette fortsetter lenge nok, vil en eller flere av disse brønnene «overflow» … ingen flere elektroner vil passe. Det betyr at bestemt ladebrønn nå er begrenset-dette er den andre mekanismen som setter en innfødt ISO.
ISO-Standarden
så, la oss anta at jeg laget et kamera med en helt ny sensor, og jeg aner ikke hva ISO er. La oss si at jeg tar tak i Mitt trofaste Olympus om-1 filmkamera, noen få bokser med film og digitalkameraet mitt. Hvis jeg tar bilder med samme linse, i samme lys, kan jeg sammenligne filmen med kameraet og kanskje ha en ide om komparative Iso-Er. For en, hvis MIN ISO 100-film begynner å overexponere på samme nøyaktige tid jeg ser min digitale sensor overexponere, er det en god indikasjon på at digitalkameraets ISO er omtrent 100.
i praksis, siden VI har EN TING SOM heter ISO, Fra International Standards Organization, kan du forestille deg at DET er en slags formel eller oppskrift PÅ ISO. For farge negativ film, når du sier «ISO», snakker du virkelig OM ISO 5800:2001-standarden. For b & W negativ film betyr DET FAKTISK ISO 6: 1993, og for fargegjennomsiktighetsfilm betyr DET ISO 2240:2003-standarden.
så naturlig, det er standarder for digitale sensorer, også. GJELDENDE ISO 12232:2006 spesifikasjonen gir digitalkameraer fem forskjellige måter å beregne ISO, opp fra tre måter i den opprinnelige versjonen av spec fra 1996. Bare de siste to metodene, Rei-teknikken (Recommended Exposure Index) og Sos (Standard Output Sensitivity), er for tiden lovlige for kameraer laget Av Japanske selskaper-nesten alle.
Akkurat som med film, er det en grad av dom involvert, så DET er ganske mulig AT ISO på ett kamera kan være litt annerledes ENN ISO på en ANNEN, men målet er en standard som egentlig er den samme fra ett kamera til et annet.
Variabel ISO
Frem til nå har Jeg snakket om innfødt ISO, som bare er en funksjon av kameraets ladebrønn og fotodiodearray. Men det er mye mer til et digitalt kamera.
når det gjelder tid til å lese sensoren, konverteres ladningen i hver ladebrønn til en spenning og går inn I En Analog Til Digital Omformer (ADC). ADC-kretsen er utformet slik at en fylt opp ladebrønn kommer til å resultere i en fullskala spenning ved ADC. Men hva om vi er i mørket, og hver ladning vel fyller bare opp 1/2 eller 1/4 av veien? Det er der variabel ISO — eller gevinst, som det opprinnelig ble kalt — kommer inn.
her er blokkdiagrammet til en faktisk OV10822 digital bildesensor fra Omnivision. Dette er typen du kanskje har funnet i en smarttelefon noen år tilbake, men ideen er den samme for enhver sensor. Hvis du ser på bildet array (fotodioder) i diagrammet, mellom DEN og ADC er en blokk merket » AMP «og en annen merket»gain control». Det er her variabel ISO skjer.
Tilbake i dagene før digitale kameraer hadde vi fortsatt elektroniske kameraer. Bare vi kalte dem videokameraer. Og når du ringte inn gevinst på et videokamera, ringte du inn gevinst. Den gevinsten ble bare målt i dB, og den ble brukt på kameraets innfødte ISO, som du sannsynligvis ikke visste. Som et resultat var det vanskelig å sette to forskjellige kameraer til å bruke samme lys.
ISO-spesifikasjonene brukes til å kalibrere EN ISO-skala for et digitalkamera. Hvis jeg ringer inn en 2x gevinst på den 1/2 full ladning godt tilfelle, har jeg økt fra innfødt ISO, SI ISO 100, TIL ISO 200. Jeg har nå et forsterket signal som mater ADC, og fullskalaverdien av det er nå 1/2 fullladningsbrønnnivået.
ISO Og Støy
det interessante å se her er at jeg ikke har endret sensoren på noen måte ved å øke utgangen av ladebrønnkonverteringen. Hvis jeg brukte en 14-bit ADC ved innfødt ISO, leser jeg nå i en bit under det, og kaster ut toppbiten — som jeg forventer, i mitt svake lys, alltid vil være null. Jeg regner med at kameraet har nok følsomhet til å levere nyttig informasjon ut av forsterkeren.
Hvorfor kan det ikke? Støy! Det er alltid støy i alle elektriske systemer. Nøkkeltricket i digitale systemer endrer alt til et tall, slik at vi vanligvis kan ignorere den analoge naturen til signalene som utgjør disse bitene. Men bildesensoren selv er en ren analog ting, opp til det punktet vi når ADC.
Støy kommer fra flere kilder. Når du har varme, har du tilfeldig elektronaktivitet. Så noe støy skyldes varme, og ja, hvis du skyter utendørs på en veldig kald dag, ser du mindre støy i bildene dine på samme ISO enn hvis du skutt på en varm sommerdag. Formelt kalles dette termisk støy.
en annen kilde til støy er selve kameraet. Under en eksponering kan sensoren være ganske stille, men på et tidspunkt må alle slags ekstra kretsløp aktiveres for å lese sensoren. Dette vil skape støy som er merkelig nok, kalt read noise.
og til slutt har vi denne rare tingen kalt skuddstøy eller pikselstøy. Jeg nevnte at fotoner treffer fotodioder og utfører elektroner. Lyset gjennom linsen kalles en fotoflux, og det er ikke den kontinuerlige strålen du kanskje tror det er, men en statistisk prøve av fotoner som følger Poisson-fordelingen.
Hvorfor gjør saken? Vel, i sterkt lys, gjør det ikke, som du teller tusenvis, selv millioner av elektroner. Men som lyset dimmer, blir færre og færre fotoner fanget av et kamera. Og gradvis er tallet lite nok til at tellingen fanget fra identisk fargede, identisk opplyste deler av et bilde ikke er det samme. Og så ser vi dette som forskjellig luminans og farge mellom ting som burde være det samme: støy.
ISO går direkte inn her. Når et signal forsterkes, så er støyen i det signalet. Så høyere ISO-tall betyr alltid mer støy. Men en roligere sensor, en større chip, etc. kan bety et større signal-til-støyforhold i sensoren. Så over tid har sensorer blitt mye roligere. Og som en sensor blir større og gir større fotodioder, kommer den til å samle flere fotoner i samme lys enn den mindre sensoren. Så det vil ha et statistisk lyd antall elektroner i den typen lys som vil vise støy på et mindre kamera.
Oppløsning Og Dumme Programvare Triks
så la oss se på detaljene I det jeg gjør her. I det blokkdiagrammet til smarttelefonsensoren kan DU se AT ADC er 10-bit. DET betyr AT ADC kan lese i maksimalt 0-1023 som et tall fra inngangen. Jeg foreslo også at vi kanskje har en 14-biters sensor — det er det du vanligvis finner i et Fullformat digitalkamera i dag, nivåer av 0-16, 383.
se NÅ PÅ JPEG-formatet: det er 8 biter per pikselverdier på 0-255 for hver farge (JPEG koder faktisk ikke I RGB, MEN YUV, men du dekomprimerer TIL RGB). Så hva om vi har en innfødt ISO på 100, men ønsket Å tilby Jpeg PÅ ISO 50? Det er helt mulig med en 10-bits sensor, enda enklere med en 14-bits sensor. Tenk på det som å skyve et 8-bits vindu over et mye bredere spekter av tall.
Dette kan selvfølgelig gjøres i den andre enden. Hvis kameraet mitt bare går OPP TIL ISO 25 600, kan jeg kanskje bruke programvare for å øke ISO til 51 200. I programvare kan jeg ganske enkelt velge høyere rekkefølge biter som starter på bit 1 i stedet for bit 0-matematisk lik multiplikasjon med to i dette tilfellet.
dette er programvareforsterkning, og det brukes i det minste til en viss grad i nesten alle kameraer. De fleste kameraer har «utvidede» ISO-områder, FOR EKSEMPEL ISO50 eller 51 200 som jeg foreslo. Begge disse er ikke helt ideelle på noen måte, i dette tilfellet er programvare avledet, så produsenten merker dem som «utvidet» for å gi deg beskjed. Men hvis en programvare-utvidet ISO fortsatt samsvarer MED BÅDE ISO-spesifikasjonene og produsentens standarder for bildekvalitet, trenger ikke EN programvareavledet ISO å ha en spesiell etikett.
Notater På EKTE VERDEN JPEG
JEG skulle ikke komme inn i kompleksiteten til dette, men Som Dave Martindale påpekte i kommentarene, KAN JPEG-kodere bruke en dynamisk komprimeringsfunksjon kalt en gammakurve, for å levere noe av smaken av et høyere dynamisk område, på bekostning av mellomfarger og noen ganger fargebånd i bildet. Din 8-bits dataskjerm eller tv gjør det samme, bare som en invers, for å levere en lineær utseende. Kamerasensoren ser lys i lineære termer, men øyet gjør det ikke. Så gammakurven kan brukes på et 10-biters eller 12-biters bilde for å levere en ikke-lineær dynamisk områdekomprimering av DET som en del AV JPEG-kodingen.
de fleste kameraer kan justeres på nøyaktig hva de gjør med farge når du lager EN JPEG, så dette er en ting en avansert bruker kan kontrollere. Ulempen med gammakorreksjon er at DEN gjør EN JPEG veldig » skjøre — – selv små korreksjoner til farge,luminans, kontrast, etc. kan flytte rundt der de ville ha tilhørt på gammakurven til steder de ikke tilhører. Så kanskje du ikke ser noen banding i din opprinnelige JPEG, men gjør noen tweaks, og du har et hellig rot på hendene dine. DETTE er grunnen TIL AT JPEG i stor grad anses uneditable av fagfolk. Ja, du kan gjøre tweaks hvis du er forsiktig, men igjen, det er veldig skjøre.
Hva Om VI Ikke Hadde NOEN ISO I Det hele tatt!
faktisk er det noen kameraer som hevdes å være «ISO-mindre». Hva dette burde bety, uansett, er at det aldri er noen analog forsterkning. Hvert bilde er tatt på base ISO og bare programvare-manipulert til høyere eller lavere ISO-verdier. Problemet med dette er oppløsning.
så, la oss si at jeg har et kamera med en innfødt ISO på 100 og en 12-bit ADC. Det gir meg selvfølgelig en 8-bit JPEG PÅ ISO 100, ISO 200, ISO400, ISO 800 og ISO 1600 … utover det ville jeg begynne å redusere prøven med en bit for hver NY ISO-hastighet.
i et profesjonelt kamera er det imidlertid mulighet for et raw-bilde. Min 12-bits ADC ville gi meg 12-bits VED ISO 100, 11-bits VED ISO 200, 10-bits VED ISO 400, etc. bruker bare programvare. Ved hjelp av maskinvareforsterkningen tar jeg inn 12-bits ved ENHVER ISO-innstilling…. men det er bare det jeg digitaliserer. Den virkelige effektive verdien er basert på systemstøygulvet-husk at støy jeg nevnte? Så det er en ganske god sjanse for at jeg fortsatt har en nyttig 12-bits informasjon med den 2x-gevinsten VED ISO 400. KANSKJE OGSÅ PÅ ISO 800…. men til slutt vil all den gevinsten bare øke støygulvet. Og det er akkurat derfor utvidet høy Iso er nesten alltid programvare. Når den 12-bit ADC bringer inn 11-bits signal og 1-bit ren støy, er det absolutt ikke nødvendig å legge til mer forsterkning… du kan få nøyaktig samme resultat med programvare.
Det Nye: Dual Native ISO
Så som jeg nevnte, er den innfødte ISO basert på ulike egenskaper av sensoren: fotodiode følsomhet, fotodiode bias spenning, lade godt kapasitet, etc. Og det er ganske mulig å designe en sensor som har redundant krets for disse tingene, hver og en gjort litt annerledes. Sett inn to lesebaner, og sensoren vil ha en dobbel innfødt ISO.
Hva snakker jeg om her? Vel, la oss ta min opprinnelige sensor, med en innfødt ISO på 100. Jeg har bygget veldig store ladebrønner for å tillate at alle fotonene samles i sterkt lys. Men hva om jeg vil levere et sekund, mye høyere ISO for lavt lys. Jeg kan bygge en andre ladebrønn kondensator. Jeg har ikke behov for å håndtere lyse lys, så dette kan være relativt lite. Og kanskje, ved å holde det veldig lite, kan jeg optimalisere databanen for super lav støy i stedet for høy kapasitet. Sensoren vil kunne bruke enten innfødt bane for å mate den variable forsterkeren eller ADC, basert på innstillinger. Så øke OPP ISO over to innfødte Iso holde bildekvaliteten går opp til høyere ISO-verdier.
