ISO in elke elektronische camera, net als bij film, is het resultaat van een gekalibreerde gevoeligheid index. Maar er zijn een paar dingen in een moderne camera die bijdragen aan de ISO-classificatie die een camera tentoonstelt.
zowat elke soort beeldsensor is een reeks fotodiodes. Een fotodiode is een apparaat dat elektronen zal geleiden als reactie op het” opgewonden ” worden door fotonen. Gebouwd rond een fotodiode, is er een microlens, om het maximale aantal fotonen te verzamelen, en een kleurenfilter, als je een kleurenafbeelding wilt. Fotodiodes die tegenwoordig in camera ‘ s worden gebruikt, zijn gevoelig voor al het zichtbare licht en zelfs een beetje infrarood en ultraviolet licht.
een perfecte fotodiode zal één elektron geleiden voor elke fotoninslag. Zo ‘ n fotodiode zou 100% kwantumefficiëntie hebben. Geen echte fotodiode heeft dat, maar sommige krijgen ongeveer 95% in recente camera ‘ s met Backside-verlichte sensoren. Nochtans, betekent de behoefte om kleur te filteren gewoonlijk dat ongeveer 1/3 van de fotonen die een fotodiode zouden kunnen opwekken eigenlijk tot elektronen leiden die worden geleid. Een grotere fotodiode zal, niet verrassend, worden getroffen door meer fotonen in dezelfde foton flux, en natuurlijk, leiden meer elektronen.
zolang het aantal fotonen dat een fotodiode beïnvloedt een lineaire verkiezingsgeleiding oplevert, werkt de diode in zijn actieve regio en gaat het goed. Het is mogelijk dat op een gegeven moment, een toename van fotonen niet resulteert in een lineaire toename van elektronen. Dat betekent dat de fotodiode verzadigd is. Dit stelt een van de mogelijke limieten voor de native ISO waarde voor een sensor.
houd er rekening mee dat de stroom van elektronen gebaseerd op fotoninslagen een continue functie is. Een fotografische belichting is een verzameling licht over een bepaalde periode. Als je denkt aan de fotonen en hun bijpassende elektronen als regen, wordt het volgende element in de sensor een ladingsbron genoemd. Het is jouw emmer! Een emmer die elektronen verzamelt wordt een condensator genoemd in de elektronica-engineering spreken, maar camera mensen hebben de neiging om het een lading goed te noemen.
in een professionele camera is er tegenwoordig een mechanische sluiter die de sensor bedekt. Voordat de sluiter wordt geopend, ledigt de elektronica elke lading van alle elektronen en activeert vervolgens de fotodiode-array. Dat wordt gedaan door elke fotodiode te beïnvloeden. Fotodiodes leiden elektronen, zoals gezegd, maar ze creëren ze niet. De bias spanning is waar die elektronen vandaan komen, en toe te passen, of niet, laat een bepaalde set van fotodiodes in de array van de sensor om gevoelig te worden voor licht, of niet.
de sluiter gaat open en er komt licht binnen. De fotodiodes geleiden elektronen, de ladingsputten vullen zich met elektronen. Als dit lang genoeg duurt, zullen een of meer van deze putten “overlopen”… en zullen er geen elektronen meer passen. Dat betekent dat bepaalde lading goed is nu beperkt-dit is het tweede mechanisme dat een native ISO stelt.
de ISO-norm
dus, laten we aannemen dat ik een camera heb gemaakt met een gloednieuwe sensor, en ik heb geen idee wat de ISO is. Laten we zeggen dat ik mijn trouwe Olympus OM-1 filmcamera pak, een paar dozen film, en mijn digitale camera. Als ik foto ’s maak met dezelfde lens, in hetzelfde licht, kan ik de film vergelijken met de camera en misschien een idee hebben over vergelijkende ISO’ s. Ten eerste, als mijn ISO 100 film overbelicht begint te worden op hetzelfde moment dat ik mijn digitale sensor overbelicht zie, is dat een goede indicatie dat de ISO van mijn digitale camera ongeveer 100 is.
in de praktijk, omdat we een ding hebben dat ISO heet, van de International Standards Organization, kun je je voorstellen dat er een soort formule of recept voor ISO is. Voor kleurnegatieve film, als je “ISO” zegt, Heb je het eigenlijk over de ISO 5800:2001 standaard. Voor B&w negatieve film betekent het eigenlijk ISO 6: 1993, en voor kleurtransparantiefilm betekent het de ISO 2240: 2003-norm.
zo zijn er natuurlijk ook normen voor digitale sensoren. De huidige ISO 12232:2006 specificatie geeft digitale camera makers vijf verschillende manieren om ISO te berekenen, omhoog van drie middelen in de originele versie van de spec uit 1996. Alleen de meest recente twee methoden, de Recommended Exposure Index (REI) techniek, en de Standard Output Sensitivity (SOS), zijn momenteel legaal voor camera ‘ s gemaakt door Japanse bedrijven — bijna iedereen.
net als bij film is er sprake van een zekere mate van beoordelingsvermogen, dus het is heel goed mogelijk dat de ISO op de ene camera iets anders kan zijn dan de ISO op de andere, maar het doel is een standaard die in wezen hetzelfde is van de ene camera naar de andere.
variabele ISO
tot nu toe heb ik het gehad over native ISO, dat slechts een functie is van de charge well en fotodiode array van de camera. Maar er is veel meer aan een digitale camera.
wanneer het tijd is om de sensor te lezen, wordt de lading in elke laadput op zijn beurt omgezet in een spanning en loopt in een analoog naar digitaal Converter (ADC). De ADC-circuits zijn zo ontworpen dat een opgevulde laadput zal resulteren in een voltage op ware grootte bij de ADC. Maar wat als we in het donker zijn, en elke lading vult maar 1/2 of 1/4 van de weg? Dat is waar variabele ISO — of gain, zoals het oorspronkelijk werd genoemd — komt in.
hier is het blokschema van een echte OV10822 digitale beeldsensor van OmniVision. Dit is de soort die je zou kunnen hebben gevonden in een smartphone een paar jaar geleden, maar het idee is hetzelfde voor elke sensor. Als je kijkt naar de image array (photodiodes) in het diagram, tussen deze en de ADC is een blok met het label “AMP” en een ander label “gain control”. Dit is waar variabele ISO gebeurt.
in de dagen voor digitale camera ’s hadden we nog steeds elektronische camera’ s. Alleen noemden we ze camcorders. En toen je in gain belde op een camcorder, belde je in gain. Die winst werd gewoon gemeten in dB, en werd toegepast op de inheemse ISO van je camera, die je waarschijnlijk niet wist. Hierdoor was het moeilijk om twee verschillende camera ‘ s op hetzelfde licht te zetten.
de ISO-specificaties worden gebruikt om een ISO-schaal voor een digitale camera te kalibreren. Als ik bel in een 2x gain op die 1/2 volle lading goed geval, Ik heb versterkt van native ISO, zeg ISO 100, naar ISO 200. Ik heb nu een versterkt signaal dat de ADC voedt, en de volledige schaalwaarde daarvan is nu 1/2 het volledige laadputniveau.
ISO en ruis
interessant om hier te zien is dat, bij het stimuleren van de output van de charge well conversie, ik de sensor op geen enkele manier heb veranderd. Als Ik gebruik maakte van een 14-bit ADC bij native ISO, lees ik nu een beetje onder dat, en gooi de bovenste bit-die ik verwacht, in mijn lage licht, altijd nul. Ik reken erop dat de camera genoeg gevoeligheid heeft om nuttige informatie uit de versterker te leveren.
waarom niet? Lawaai! Er is altijd geluid in elk elektrisch systeem. De belangrijkste truc in digitale systemen is het veranderen van alles in een getal, waardoor we meestal negeren de analoge aard van de signalen waaruit die bits. Maar de beeldsensor zelf is een puur analoog ding, tot het punt waarop we de ADC bereiken.
lawaai komt uit verschillende bronnen. Als je warmte hebt, heb je willekeurige elektronenactiviteit. Dus sommige ruis is te wijten aan hitte, en ja, als je buiten fotografeert op een zeer koude dag, zie je minder ruis in je beelden bij dezelfde ISO dan wanneer je op een warme zomerdag fotografeerde. Formeel wordt dit thermische ruis genoemd.
een andere bron van ruis is de camera zelf. Tijdens een belichting kan de sensor vrij stil zijn, maar op een gegeven moment moeten allerlei extra circuits worden geactiveerd om de sensor te kunnen lezen. Dit zal ruis creëren dat, vreemd genoeg, nagesynchroniseerde leesruis is.
en tot slot hebben we dit vreemde ding genaamd shot ruis of pixel ruis. Ik zei dat fotonen fotodiodes raken en elektronen geleiden. Het licht door je lens wordt een fotoflux genoemd, en het is niet de continue straal die je zou denken dat het is, maar een statistische steekproef van fotonen die de Poissondistributie volgt.
Waarom is de zaak? Bij fel licht niet, want je telt duizenden, zelfs miljoenen elektronen. Maar naarmate het licht dimt, worden steeds minder fotonen vastgelegd door een camera. Geleidelijk aan is het getal klein genoeg dat de telling van identiek gekleurde, identiek verlichte delen van een afbeelding niet hetzelfde is. We zien dit als verschillende luminantie en kleur tussen dingen die hetzelfde moeten zijn: ruis.
ISO geeft hier direct in. Als een signaal wordt versterkt, is de ruis in dat signaal dat ook. Hogere ISO-nummers betekenen dus altijd meer ruis. Echter, een stillere sensor, een grotere chip, enz. kan een grotere signaal-ruisverhouding in de sensor betekenen. Na verloop van tijd zijn de sensoren veel stiller geworden. Als een sensor groter wordt en grotere fotodiodes levert, verzamelt hij meer fotonen in hetzelfde licht dan de kleinere sensor. Dus het zal een statistisch geluid aantal elektronen hebben in het soort licht dat ruis zou vertonen op een kleinere camera.
resolutie en domme Software trucs
dus laten we eens kijken naar de bijzonderheden van wat ik hier aan het doen ben. In dat blokdiagram van de smartphonesensor kun je zien dat de ADC 10-bit is. Dat betekent dat de ADC maximaal 0-1023 kan inlezen als een getal van de ingang. Ik stelde ook voor dat we misschien een 14-bits sensor zouden hebben — dat is wat je tegenwoordig meestal in een Full Frame digitale camera vindt, niveaus van 0-16, 383.
kijk nu naar het JPEG-formaat: het is 8-bits per pixel-waarden van 0-255 voor elke kleur (JPEG codeert eigenlijk niet in RGB, maar YUV, maar je decomprimeert naar RGB). Dus wat als we een native ISO van 100 hebben, maar JPEG ‘ s willen aanbieden op ISO 50? Dat is helemaal te doen met een 10-bit sensor, nog makkelijker met een 14-bit sensor. Zie het als het schuiven van een 8-bit venster over een veel breder scala van nummers.
dit kan natuurlijk aan de andere kant gebeuren. Als mijn camera alleen naar ISO 25.600 gaat, kan ik misschien software gebruiken om de ISO te verhogen naar 51.200. In software kan ik eenvoudig hogere-orde bits selecteren beginnend bij bit 1 in plaats van bit 0-mathematisch vergelijkbaar met vermenigvuldigen met twee in dit geval.
dit is softwareversterking, en het wordt op zijn minst tot op zekere hoogte gebruikt in bijna elke camera. De meeste camera ‘ s hebben “uitgebreide” ISO-bereiken, zoals de ISO50 of 51.200 die ik voorstelde. Beide zijn niet helemaal ideaal op een bepaalde manier, in dit geval software afgeleid, dus de fabrikant labels ze als “uitgebreid” om u te laten weten. Echter, als een software-extended ISO nog steeds voldoet aan zowel de ISO-specificaties en de standaarden van de fabrikant voor beeldkwaliteit, een software-afgeleide ISO hoeft geen speciaal label te hebben.
Notes on Real World JPEG
ik wilde niet ingaan op de complexiteit hiervan, maar zoals Dave Martindale in de commentaren opmerkte, kunnen JPEG-encoders gebruik maken van een dynamische range compressie functie genaamd een gamma curve, om iets van de smaak van een hoger dynamisch bereik te leveren, ten koste van in-between kleuren en soms, kleurbanding in de afbeelding. Uw 8-bit computermonitor of televisie doet hetzelfde, alleen als een inverse, om een lineair uitziende output te leveren. De camerasensor ziet licht in lineaire termen, maar uw oog niet. Dus de gammacurve kan worden toegepast op een 10-bit of 12-bit afbeelding om een niet-lineaire dynamische range compressie van dat te leveren als onderdeel van de JPEG-codering.
de meeste camera ‘ s kunnen worden aangepast op precies wat ze doen met kleur bij het maken van een JPEG, dus dit is een ding een gevorderde gebruiker kan controleren. Het nadeel van gammacorrectie is dat het een JPEG zeer “fragiel” maakt — zelfs kleine correcties op kleur, Luminantie, contrast, enz. kan bewegen waar die op de gammacurve thuishoren naar plaatsen waar ze niet thuishoren. Dus misschien zie je geen banding in je originele JPEG, maar maak een paar aanpassingen, en je hebt een heilige puinhoop op je handen. Dit is de reden waarom JPEG wordt grotendeels beschouwd als uneditable door professionals. Ja, je kunt aanpassingen maken als je voorzichtig bent, maar nogmaals, het is erg fragiel.
wat als we helemaal geen ISO hadden!
in feite zijn er enkele camera ‘ s waarvan wordt beweerd dat ze “ISO-minder”zijn. Wat dit zou moeten betekenen, is dat er nooit een analoge versterking is. Elke afbeelding wordt vastgelegd op basis ISO en alleen software-gemanipuleerd om hogere of lagere ISO-waarden. Het probleem is de oplossing.
stel dat ik een camera heb met een standaard ISO van 100 en een 12-bit ADC. Dat geeft me, natuurlijk, een 8-bit JPEG bij ISO 100, ISO 200, ISO400, ISO 800, EN ISO 1600 … verder zou ik beginnen met het verminderen van het monster met een bit voor elke nieuwe ISO snelheid.
in een professionele camera is er echter de mogelijkheid van een raw-beeld. Mijn 12-bit ADC geeft me 12-bits bij ISO 100, 11-bits bij ISO 200, 10-bits bij ISO 400, enz. alleen met behulp van software. Met behulp van de hardware versterking, breng ik in 12-bits op elke ISO-instelling…. maar dat is alleen wat ik digitaliseer. De echte effectieve waarde is gebaseerd op het systeem geluid vloer-Weet je nog dat lawaai ik noemde? Dus er is een vrij goede kans dat ik nog steeds een nuttige 12-bits informatie met die 2x winst op ISO 400. Misschien ook bij ISO 800…. maar uiteindelijk zal al die winst alleen maar de geluidsvloer versterken. En dat is precies waarom uitgebreide hoge ISO ‘ s bijna altijd software zijn. Zodra die 12-bit ADC 11-bits signaal en 1-bit pure ruis binnenbrengt, is er absoluut geen noodzaak om meer versterking toe te voegen… Je kunt precies hetzelfde resultaat krijgen met software.
Het Nieuwe Ding: Dual Native ISO
dus zoals ik al zei, is de native ISO gebaseerd op verschillende eigenschappen van de sensor: fotodiode gevoeligheid, fotodiode bias spanning, lading goed capaciteit, enz. Het is heel goed mogelijk om een sensor te ontwerpen met redundante circuits voor deze dingen, elk een beetje anders. Zet twee leespaden in en de sensor heeft een dual native ISO.
waar heb ik het hier over? Laten we mijn originele sensor nemen, met een standaard ISO van 100. Ik heb grote ladingsputten gebouwd om al die fotonen in helder licht te verzamelen. Maar wat als ik een tweede, veel hogere ISO wil leveren voor weinig licht. Ik kan een tweede condensator bouwen. Ik heb geen behoefte om te gaan met felle lichten, dus dit kan relatief klein zijn. En misschien, door het heel klein te houden, kan ik dat datapad optimaliseren voor super lage ruis in plaats van hoge capaciteit. De sensor kan ofwel native pad gebruiken om de variabele versterker of ADC te voeden, gebaseerd op Instellingen. Dus het verhogen van ISO over twee native ISO ‘ s zorgt ervoor dat de beeldkwaliteit omhoog gaat naar hogere ISO-waarden.
