ISO w dowolnym aparacie elektronicznym, podobnie jak w przypadku filmu, jest wynikiem skalibrowanego indeksu czułości. Ale jest kilka rzeczy w nowoczesnym aparacie, które przyczyniają się do oceny ISO, którą wykazuje aparat.
prawie każdy rodzaj czujnika obrazu jest tablicą fotodiod. Fotodioda to urządzenie, które będzie przewodzić elektrony w odpowiedzi na bycie „wzbudzonym” przez fotony. Zbudowany wokół fotodiody, jest mikrolen, który pomaga zebrać maksymalną liczbę fotonów, i filtr kolorów, jeśli chcesz kolorowy obraz. Fotodiody stosowane obecnie w aparatach fotograficznych są wrażliwe na całe światło widzialne, a nawet trochę światła podczerwonego i ultrafioletowego.
idealna fotodioda poprowadzi jeden elektron na każde uderzenie fotonu. Taka fotodioda miałaby 100% sprawność kwantową. Żadna prawdziwa fotodioda tego nie ma, ale niektóre osiągają około 95% w najnowszych aparatach z tylnymi czujnikami podświetlonymi. Jednak potrzeba filtrowania koloru zwykle oznacza, że około 1/3 fotonów, które mogłyby wzbudzić fotodiodę, faktycznie prowadzi do przewodzenia elektronów. Większa fotodioda zostanie uderzona przez więcej fotonów w tym samym strumieniu fotonów i oczywiście przewodzi więcej elektronów.
tak długo, jak liczba fotonów wpływających na fotodiodę daje liniowe przewodzenie wyborów, dioda działa w swoim aktywnym regionie i wszystko jest dobrze. Możliwe, że w pewnym momencie wzrost fotonów nie powoduje liniowego wzrostu elektronów. Oznacza to, że fotodioda jest nasycona. Ustawia to jeden z możliwych limitów natywnej wartości ISO dla czujnika.
należy pamiętać, że przepływ elektronów oparty na oddziaływaniu fotonów jest funkcją ciągłą. Ekspozycja fotograficzna jest raczej zbiorem światła w określonym okresie czasu. Jeśli pomyślimy o fotonach i pasujących do nich elektronach jak o deszczu, następny element w czujniku nazywany jest studnią ładunku. To twoje wiadro! Wiadro, które zbiera elektrony nazywa się kondensatorem w inżynierii elektronicznej, ale ludzie kamery mają tendencję do nazywania go ładunkiem dobrze.
w profesjonalnym aparacie jest mechaniczna migawka, która zasłania czujnik. Przed otwarciem migawki Elektronika opróżnia każdy ładunek ze wszystkich elektronów, a następnie aktywuje matrycę fotodiod. Odbywa się to poprzez uprzedzenie każdej fotodiody. Fotodiody, jak wspomniano, przewodzą elektrony, ale ich nie tworzą. Napięcie odchylenia jest tam, skąd pochodzą te elektrony i stosuje się je, lub nie, pozwala każdemu konkretnemu zestawowi fotodiod w matrycy czujnika stać się wrażliwym na światło, lub nie.
więc migawka się otwiera i wpada światło. Fotodiody przewodzą elektrony, studnie ładunkowe wypełniają się elektronami. Jeśli to będzie trwało wystarczająco długo, jedna lub więcej studni „przepełni się” … nie zmieści się więcej elektronów. Oznacza to, że konkretna studnia ładunkowa jest teraz ograniczona — jest to drugi mechanizm, który ustawia natywne ISO.
Standard ISO
Załóżmy, że zrobiłem Aparat z zupełnie nowym czujnikiem i nie mam pojęcia, co to jest ISO. Załóżmy, że wezmę mój wierny aparat Olympus OM – 1, kilka pudełek folii i aparat cyfrowy. Jeśli robię zdjęcia tym samym obiektywem, w tym samym świetle, mogę porównać film z aparatem i może mam pomysł na porównawcze ISO. Po pierwsze, jeśli mój film ISO 100 zaczyna się nadmiernie eksponować w tym samym czasie, w którym widzę nadmierną ekspozycję czujnika cyfrowego, jest to dobre wskazanie, że ISO mojego aparatu cyfrowego wynosi około 100.
w praktyce, ponieważ mamy coś o nazwie ISO, od Międzynarodowej Organizacji Normalizacyjnej, można sobie wyobrazić, że istnieje jakaś formuła lub recepta na ISO. W przypadku negatywów kolorowych, kiedy mówisz „ISO”, naprawdę mówisz o standardzie ISO 5800:2001. Dla folii negatywowej B&W oznacza to w rzeczywistości ISO 6: 1993, a dla Folii przezroczystej kolorowej oznacza standard ISO 2240:2003.
tak więc oczywiście istnieją standardy dla czujników cyfrowych. Aktualna ISO 12232:Specyfikacja 2006 daje producentom aparatów cyfrowych pięć różnych sposobów obliczania ISO, w górę z trzech środków w oryginalnej wersji specyfikacji z 1996. Tylko dwie najnowsze metody, Recommended Exposure Index (REI) i standard Output Sensitivity (SOS), są obecnie legalne dla aparatów japońskich firm — prawie wszystkich.
podobnie jak w przypadku filmu, istnieje stopień oceny, więc jest całkiem możliwe, że ISO na jednej kamerze może być trochę inny niż ISO na innej, ale celem jest standard, który jest zasadniczo taki sam z jednej kamery do drugiej.
zmienna ISO
do tej pory mówiłem o natywnym ISO, który jest tylko funkcją dobrze naładowanej kamery i matrycy fotodiod. Ale aparat cyfrowy to o wiele więcej.
gdy przychodzi czas na odczytanie czujnika, ładunek w każdej studni ładunkowej jest z kolei konwertowany na napięcie i uruchamiany w konwerterze analogowo-cyfrowym (ADC). Obwody ADC są zaprojektowane w taki sposób, aby dobrze naładowany ładunek powodował napięcie w pełnej skali w ADC. Ale co, jeśli jesteśmy w ciemności, a każdy ładunek dobrze wypełnia tylko 1/2 lub 1/4 drogi? W tym miejscu pojawia się zmienna ISO – lub wzmocnienie, jak pierwotnie nazywano -.
oto schemat blokowy rzeczywistego cyfrowego czujnika obrazu OV10822 firmy Omnivision. Jest to rodzaj, który można znaleźć w smartfonie kilka lat temu, ale pomysł jest taki sam dla każdego czujnika. Jeśli spojrzysz na tablicę obrazów (fotodiody) na diagramie, między nią a ADC znajduje się blok oznaczony „AMP” i inny oznaczony „gain control”. Tutaj dzieje się zmienna ISO.
w czasach przed aparatami cyfrowymi wciąż mieliśmy Aparaty elektroniczne. Tylko, że nazwaliśmy je kamkorderami. A kiedy wybrałeś gain na kamerze, wybrałeś gain. To wzmocnienie zostało zmierzone w dB i zostało zastosowane do natywnego ISO twojego aparatu, o czym prawdopodobnie nie wiedziałeś. W rezultacie trudno było ustawić dwie różne kamery, aby używały tego samego światła.
specyfikacje ISO są używane do kalibracji skali ISO dla aparatu cyfrowego. Jeśli wybieram wzmocnienie 2x w tym przypadku pełnego naładowania 1/2, zwiększyłem z natywnego ISO, powiedzmy ISO 100, do ISO 200. Mam teraz wzmocniony sygnał zasilający ADC, a jego wartość w pełnej skali wynosi teraz 1/2 poziomu pełnego naładowania.
ISO i szum
ciekawą rzeczą do zobaczenia jest to, że zwiększając wydajność konwersji ładunkowej, nie zmieniłem w żaden sposób czujnika. Jeśli używałem 14-bitowego ADC przy natywnym ISO, teraz czytam w jednym bitie poniżej tego i wyrzucam górny bit – który spodziewam się, w moim słabym świetle, zawsze będzie zerowy. Liczę na to, że aparat będzie miał wystarczającą czułość, aby dostarczyć użytecznych informacji ze wzmacniacza.
dlaczego nie? Hałas! W każdej instalacji elektrycznej zawsze występuje hałas. Kluczową sztuczką w systemach cyfrowych jest zmiana wszystkiego na liczbę, co pozwala nam Zwykle ignorować analogową naturę sygnałów składających się na te bity. Ale sam czujnik obrazu jest czystą rzeczą analogową, aż do momentu, w którym docieramy do ADC.
hałas pochodzi z kilku źródeł. Kiedy mamy ciepło, mamy przypadkową aktywność elektronów. Tak, jeśli fotografujesz Na zewnątrz w bardzo zimny dzień, zobaczysz mniejszy hałas na zdjęciach przy tym samym ISO niż w przypadku zdjęć w upalny letni dzień. Formalnie nazywa się to szumem termicznym.
kolejnym źródłem szumów jest sam aparat. Podczas ekspozycji czujnik może być dość cichy, ale w pewnym momencie należy aktywować wszystkie rodzaje dodatkowego obwodu, aby odczytać czujnik. Stworzy to szum, który jest, co dziwne, nazywany szumem odczytu.
i wreszcie mamy dziwną rzecz zwaną szumem strzał lub szumem pikseli. Wspomniałem, że fotony uderzają w fotodiody i przewodzą elektrony. Światło przez obiektyw nazywa się strumieniem fotograficznym i nie jest to ciągła wiązka, ale statystyczna próbka fotonów podążająca za rozkładem Poissona.
Cóż, w jasnym świetle nie, ponieważ liczymy tysiące, a nawet miliony elektronów. Ale gdy światło się ściemnia, coraz mniej fotonów jest rejestrowanych przez kamerę. Stopniowo liczba jest na tyle mała, że liczba przechwycona z identycznie kolorowych, identycznie oświetlonych sekcji obrazu nie jest taka sama. Widzimy to jako różną luminancję i kolor pomiędzy rzeczami, które powinny być takie same: szumem.
ISO wchodzi tu bezpośrednio. Kiedy sygnał jest wzmacniany, tak samo jest z szumem w tym sygnale. Tak więc wyższe liczby ISO zawsze oznaczają więcej szumów. Jednak cichszy czujnik, większy chip itp. może oznaczać większy stosunek sygnału do szumu w czujniku. Tak więc z czasem czujniki stały się znacznie cichsze. A gdy czujnik staje się większy i dostarcza większe fotodiody, zbierze więcej fotonów w tym samym świetle niż mniejszy czujnik. Więc będzie miała statystycznie brzmiącą liczbę elektronów w rodzaju światła, które wykazywałoby szum w mniejszej kamerze.
rozdzielczość i głupie sztuczki z oprogramowaniem
więc spójrzmy na szczegóły tego, co tutaj robię. Na tym schemacie blokowym czujnika smartfona widać, że ADC jest 10-bitowy. Oznacza to, że ADC może odczytać maksymalnie 0-1023 jako liczbę z wejścia. Zasugerowałem również, że możemy mieć matrycę 14-bitową — to jest to, co zwykle można znaleźć w pełnoklatkowym aparacie cyfrowym dzisiaj, poziomy 0-16, 383.
teraz spójrz na format JPEG: to 8 bitów na piksel — wartości 0-255 dla każdego koloru (JPEG nie koduje W RGB, ale YUV, ale dekompresujesz do RGB). Co z tego, że mamy natywne ISO 100, ale chcemy zaoferować JPEG w ISO 50? Jest to całkowicie wykonalne z 10-bitowym czujnikiem, łatwiejsze jeszcze z 14-bitowym czujnikiem. Pomyśl o tym jak o przesuwaniu 8-bitowego okna po znacznie szerszym zakresie liczb.
można to oczywiście zrobić na drugim końcu. Jeśli mój aparat tylko idzie do ISO 25,600, być może mógłbym użyć oprogramowania, aby zwiększyć ISO do 51,200. W oprogramowaniu mogę po prostu wybrać bity wyższego rzędu zaczynające się od bitu 1, a nie bitu 0-matematycznie podobne do mnożenia przez dwa w tym przypadku.
to jest wzmacniacz programowy i jest używany przynajmniej w pewnym stopniu w prawie każdej kamerze. Większość kamer ma „Rozszerzone” zakresy ISO, takie jak ISO50 lub 51,200, które zasugerowałem. Oba nie są w jakiś sposób idealne, w tym przypadku są pochodnymi oprogramowania, więc producent nazywa je „rozszerzonymi”, aby dać Ci znać. Jeśli jednak Rozszerzony programowo ISO nadal pasuje zarówno do specyfikacji ISO, jak i standardów producenta dotyczących jakości obrazu, ISO pochodzące z oprogramowania nie musi mieć specjalnej etykiety.
Notes on Real World JPEG
nie zamierzałem wchodzić w zawiłości tego, ale jak zauważył Dave Martindale w komentarzach, kodery JPEG mogą używać funkcji kompresji zakresu dynamicznego zwanej krzywą gamma, aby dostarczyć trochę smaku wyższego zakresu dynamicznego, kosztem między kolorami, a czasami pasowania kolorów na obrazie. Twój 8-bitowy monitor komputerowy lub telewizor robi to samo, tylko jako odwrotność, aby zapewnić liniowe wyjście. Czujnik kamery widzi światło w kategoriach liniowych, ale twoje oko nie. Tak więc krzywa gamma może być zastosowana do 10-bitowego lub 12-bitowego obrazu, aby zapewnić nieliniową kompresję zakresu dynamicznego tego jako część Kodowania JPEG.
większość kamer można regulować dokładnie na tym, co robią z kolorem podczas tworzenia JPEG, więc jest to rzecz, którą zaawansowany użytkownik może kontrolować. Minusem korekcji gamma jest to, że sprawia, że JPEG jest bardzo „kruchy” — nawet niewielkie korekty koloru, luminancji, kontrastu itp. mogą poruszać się tam, gdzie powinny należeć na krzywej gamma do miejsc, do których nie należą. Więc może nie widzisz żadnego bandingu w oryginalnym JPEG, ale zrób kilka poprawek i masz Święty bałagan na rękach. Dlatego JPEG jest w dużej mierze uważany za nieedytowalny przez profesjonalistów. Tak, można wprowadzić poprawki, jeśli jesteś ostrożny, ale znowu, to jest bardzo kruche.
co by było, gdybyśmy w ogóle nie mieli ISO!
w rzeczywistości istnieje kilka aparatów, które są uważane za „mniej ISO”. W każdym razie powinno to oznaczać, że nigdy nie ma analogowego wzmocnienia. Każdy obraz jest rejestrowany w base ISO i po prostu manipulowany programowo do wyższych lub niższych wartości ISO. Problemem jest rozdzielczość.
powiedzmy, że mam kamerę z natywnym ISO 100 i 12-bitowym ADC. To daje mi, oczywiście, 8-bitowy JPEG w ISO 100, ISO 200, ISO400, ISO 800 i ISO 1600 … poza tym, zacząłbym zmniejszać próbkę o jeden bit dla każdej nowej Prędkości ISO.
w profesjonalnym aparacie istnieje jednak możliwość obrazu raw. Moje 12-bitowe ADC dałoby mi 12-bitowe przy ISO 100, 11-bitowe przy ISO 200, 10-bitowe przy ISO 400 itd. Korzystanie tylko z oprogramowania. Korzystając ze sprzętowego wzmocnienia, wprowadzam 12-bitów przy dowolnym ustawieniu ISO…. ale to tylko to, co digitalizuję. Prawdziwa wartość efektywna opiera się na podłodze szumu systemowego — pamiętasz ten hałas, o którym wspomniałem? Więc jest całkiem spora szansa, że nadal mam użyteczną 12-bitową informację z tym wzmocnieniem 2x przy ISO 400. Może równie dobrze przy ISO 800…. ale ostatecznie, całe to wzmocnienie tylko zwiększy poziom hałasu. I właśnie dlatego rozszerzone wysokie ISO są prawie zawsze oprogramowaniem. Gdy ten 12-bitowy ADC wprowadza 11-bitowy sygnał i 1-bit czystego szumu, absolutnie nie ma potrzeby dodawania więcej wzmocnienia… możesz uzyskać dokładnie ten sam wynik z oprogramowaniem.
Nowa Rzecz: Podwójny natywny ISO
tak jak wspomniałem, natywny ISO opiera się na różnych właściwościach czujnika: czułości fotodiody, napięciu biasu fotodiody, pojemności studni ładunkowej itp. I całkiem możliwe jest zaprojektowanie czujnika, który ma nadmiarowe obwody dla tych rzeczy, każdy z nich zrobił trochę inaczej. Umieść dwie ścieżki odczytu, a czujnik będzie miał podwójne natywne ISO.
o czym ja tu mówię? Weźmy mój oryginalny czujnik, z natywnym ISO 100. Zbudowałem bardzo duże studnie ładunkowe, aby wszystkie te fotony mogły być gromadzone w jasnym świetle. Ale co, jeśli chcę dostarczyć drugie, znacznie wyższe ISO dla słabego oświetlenia. Mogę zbudować drugi Kondensator ładujący. Nie muszę zajmować się jasnymi światłami, więc może to być stosunkowo małe. I być może, zachowując to bardzo małe, mogę zoptymalizować tę ścieżkę danych dla super niskiego poziomu szumów zamiast dużej pojemności. Czujnik będzie mógł korzystać z natywnej ścieżki do zasilania zmiennego wzmacniacza lub ADC, na podstawie ustawień. Tak więc zwiększenie ISO przez dwa natywne ISO powoduje, że jakość obrazu wzrasta do wyższych wartości ISO.
