ISO em qualquer câmera eletrônica, assim como no filme, é o resultado de um índice calibrado de sensibilidade. Mas há algumas coisas em uma câmera moderna que contribuem para a classificação ISO que uma câmera exibe.
Apenas sobre qualquer tipo de sensor de imagem é uma matriz de fotodiodos. Um fotodiodo é um dispositivo que conduzirá elétrons em resposta a serem “excitados” por fótons. Construído em torno de um fotodiodo, há um microlens, para ajudar a coletar o número máximo de fótons e um filtro de cor, se você quiser uma imagem colorida. Os fotodiodos usados nas câmeras hoje são sensíveis a toda a luz visível e até mesmo a um pouco de luz infravermelha e ultravioleta.
um fotodiodo perfeito conduzirá um elétron para cada impacto do fóton. Diz-se que esse fotodiodo tem 100% de eficiência quântica. Nenhum fotodiodo real tem isso, mas alguns chegam a cerca de 95% em câmeras recentes com sensores iluminados na parte traseira. No entanto, a necessidade de filtrar a cor geralmente significa que cerca de 1/3 dos fótons que poderiam excitar um fotodiodo realmente levam a elétrons sendo conduzidos. Um fotodiodo maior, não surpreendentemente, será atingido por mais fótons no mesmo fluxo de fótons e, claro, conduzirá mais elétrons.Enquanto o número de fótons que afetam um fotodiodo produz uma condução linear de eleições, o diodo está trabalhando em sua região ativa e as coisas são boas. É possível que em algum momento, um aumento nos fótons não resulte em um aumento linear nos elétrons. Isso significa que o fotodiodo está saturado. Isso define um dos possíveis limites no valor ISO nativo para um sensor.
Agora, tenha em mente que o fluxo de elétrons com base em fotão impactos é uma função contínua. Uma exposição fotográfica, em vez disso, é uma coleção de luz durante um determinado período de tempo. Se você pensar nos fótons e seus elétrons correspondentes como chuva, o próximo elemento do sensor é chamado de carga bem. É o teu balde! Um balde que coleta elétrons é chamado de capacitor em Engenharia Eletrônica falar, mas as pessoas da câmera tendem a chamá-lo de uma carga bem.
em uma câmera profissional, há um obturador mecânico que cobre o sensor atualmente. Antes de abrir esse obturador, a eletrônica esvazia cada carga bem de todos os elétrons e, em seguida, ativa a matriz do fotodiodo. Isso é feito através do viés de cada fotodiodo. Os fotodiodos, como mencionado, conduzem elétrons, mas não os criam. A tensão de polarização é de onde esses elétrons vêm, e aplicá-lo, ou não, permite que qualquer conjunto particular de fotodiodos na matriz do sensor se torne sensível à luz, ou não.
para que o obturador se abra e a luz entre. Os fotodiodos conduzem elétrons, os poços de carga se enchem de elétrons. Se isso durar o tempo suficiente, um ou mais desses poços “transbordarão”… não caberão mais elétrons. Isso significa que uma carga específica agora é limitada – este é o segundo mecanismo que define um ISO nativo.
o padrão ISO
então, vamos supor que eu fiz uma câmera com um novo sensor, e eu não tenho idéia do que é o ISO. Digamos que eu pegue minha fiel Câmera de filme Olympus OM-1, algumas caixas de filme e minha câmera digital. Se eu tirar fotos com a mesma lente, na mesma luz, posso comparar o filme com a câmera e talvez ter uma ideia sobre ISOs comparativos. Por um lado, se meu filme ISO 100 está começando a expor demais ao mesmo tempo em que vejo meu sensor digital expor demais, isso é uma boa indicação de que o ISO da minha câmera digital é de cerca de 100.
na prática, uma vez que temos uma coisa chamada ISO, da Organização Internacional de padrões, você pode imaginar que há algum tipo de fórmula ou receita para ISO. Para filme negativo colorido, quando você diz “ISO”, você está realmente falando do padrão ISO 5800: 2001. Para o filme negativo de B & W, significa realmente o ISO 6: 1993, e para o filme da Transparência da cor, significa o padrão do ISO 2240:2003.
portanto, naturalmente, também existem padrões para sensores digitais. A atual ISO 12232:A especificação de 2006 oferece aos fabricantes de câmeras digitais cinco maneiras diferentes de calcular o ISO, acima dos três meios na versão original da especificação de 1996. Apenas os dois métodos mais recentes, a técnica Recommended Exposure Index (REI) e a sensibilidade de Saída Padrão (SOS), são atualmente legais para câmeras feitas por empresas japonesas — quase todos.Assim como com o filme, há um grau de julgamento envolvido, então é bem possível que o ISO em uma câmera possa ser um pouco diferente do ISO em outra, mas o objetivo é um padrão que é essencialmente o mesmo de uma câmera para outra.
ISO variável
até agora, tenho falado sobre ISO nativo, que é apenas uma função da matriz de carga e fotodiodo da câmera. Mas há muito mais em uma câmera digital.
quando chega a hora de ler o sensor, a carga em cada poço de carga é, por sua vez, convertida em uma tensão e se transforma em um conversor analógico para Digital (ADC). O circuito ADC é projetado de tal forma que um poço de carga preenchido resultará em uma tensão em grande escala no ADC. Mas e se estivermos no escuro, e cada carga preencher apenas 1/2 ou 1/4 do caminho? É aí que entra a variável ISO — ou ganho, como era originalmente chamada—.
aqui está o diagrama de blocos de um sensor de imagem digital OV10822 real da Omnivision. Este é o tipo que você pode ter encontrado em um smartphone há alguns anos, mas a ideia é a mesma para qualquer sensor. Se você olhar para a matriz de imagens (fotodiodos) no diagrama, entre ela e o ADC está um bloco rotulado como “AMP” e outro rotulado como “controle de ganho”. É aqui que a variável ISO acontece.
nos dias anteriores às câmeras digitais, ainda tínhamos câmeras eletrônicas. Só nós os chamamos de filmadoras. E quando você discou em ganho em uma câmera de vídeo, você discou em ganho. Esse ganho foi medido apenas em dB, e foi aplicado ao ISO nativo da sua câmera, que você provavelmente não sabia. Como resultado, foi difícil definir duas câmeras diferentes para usar a mesma luz.
as especificações ISO são usadas para calibrar uma escala ISO para uma câmera digital. Se eu discar em um ganho de 2x naquele caso de poço de carga completa de 1/2, eu aumentei de ISO nativo, digamos ISO 100, para ISO 200. Agora tenho um sinal amplificado alimentando o ADC, e o valor em grande escala disso agora é 1/2 do nível completo do poço de carga.
ISO e ruído
a coisa interessante a ver aqui é que, ao aumentar a saída da conversão do poço de carga, não mudei o sensor de forma alguma. Se eu estivesse usando um ADC de 14 bits em ISO nativo, agora estou lendo em um bit abaixo disso e lançando o bit superior — que espero, com pouca luz, ser sempre zero. Estou contando com a câmera para ter sensibilidade suficiente para fornecer informações úteis do amplificador.
por que não? Barulho! Sempre há ruído em qualquer sistema elétrico. O truque chave nos sistemas digitais é mudar tudo para um número, permitindo-nos geralmente ignorar a natureza analógica dos sinais que compõem esses bits. Mas o sensor de imagem em si é uma coisa analógica pura, até o ponto em que chegamos ao ADC.
o ruído vem de várias fontes. Quando você tem calor, você tem atividade eletrônica aleatória. Portanto, algum ruído é devido ao calor e, sim, se você estiver fotografando ao ar livre em um dia muito frio, verá menos ruído em suas imagens no mesmo ISO do que se você filmasse em um dia quente de Verão. Formalmente, isso é apelidado de ruído térmico.
outra fonte de ruído é a própria câmera. Durante uma exposição, o sensor pode ser bastante silencioso, mas em algum momento, todos os tipos de circuitos extras devem ser ativados para ler o sensor. Isso criará um ruído que é, curiosamente, apelidado de ruído de leitura.
e, finalmente, temos essa coisa estranha chamada ruído de tiro ou ruído de pixel. Mencionei que os fótons atingem fotodiodos e conduzem elétrons. A luz através de sua lente é chamada de fluxo fotográfico, e não é o feixe contínuo que você pode pensar que é, mas uma amostra estatística de fótons que segue a distribuição de Poisson.
por que o assunto? Bem, sob luz forte, isso não acontece, já que você está contando milhares, até Milhões de elétrons. Mas à medida que a luz escurece, cada vez menos fótons são capturados por uma câmera. E gradualmente, o número é pequeno o suficiente para que a contagem capturada de seções identicamente coloridas e identicamente iluminadas de uma imagem não seja a mesma. E assim vemos isso como luminância e cor diferentes entre as coisas que deveriam ser as mesmas: ruído.
ISO entra aqui diretamente. Quando um sinal é amplificado, o mesmo acontece com o ruído desse sinal. Portanto, números ISO mais altos sempre significam mais ruído. No entanto, um sensor mais silencioso, um chip maior, etc. pode significar uma maior relação sinal-ruído no sensor. Então, com o tempo, os sensores ficaram muito mais silenciosos. E à medida que um sensor fica maior e fornece fotodiodos maiores, ele coletará mais fótons na mesma luz do que o sensor menor. Portanto, ele terá um número estatisticamente sólido de elétrons no tipo de luz que exibiria ruído em uma câmera menor.
resolução e truques de Software estúpidos
então vamos dar uma olhada nos detalhes do que estou fazendo aqui. Nesse Diagrama de blocos do sensor do smartphone, você pode ver que o ADC é de 10 bits. Isso significa que o ADC pode ler no máximo 0-1023 como um número da entrada. Eu também sugeri que poderíamos ter um sensor de 14 bits — isso é o que você normalmente encontra em uma câmera digital Full Frame hoje, níveis de 0-16,383.
agora olhe para o formato JPEG: são 8 bits por pixel-valores de 0-255 para cada cor (JPEG na verdade não codifica em RGB, mas YUV, mas você descompacta para RGB). Então, e se tivermos um ISO nativo de 100, mas quiséssemos oferecer JPEGs na ISO 50? Isso é totalmente factível com um sensor de 10 bits, mais fácil ainda com um sensor de 14 bits. Pense nisso como deslizar uma janela de 8 bits em uma gama muito maior de números.
isso poderia, é claro, ser feito na outra extremidade. Se minha câmera subir apenas para ISO 25.600, talvez eu pudesse usar software para aumentar o ISO para 51.200. No software, posso simplesmente selecionar bits de ordem superior começando no bit 1 em vez do bit 0-matematicamente semelhante à multiplicação por dois neste caso.
esta é uma amplificação de software e é usada pelo menos até certo ponto em quase todas as câmeras. A maioria das câmeras tem faixas ISO” estendidas”, como o ISO50 ou 51.200 que sugeri. Ambos não são ideais de alguma forma, neste caso sendo derivados de software, então o fabricante os rotula como “estendidos” para que você saiba. No entanto, se um ISO estendido por software ainda corresponder às especificações ISO e aos padrões do fabricante de qualidade de imagem, um ISO derivado de software não precisa ter um rótulo especial.
Notas no Mundo Real JPEG
eu não estava indo para obter a complexidade dessa, mas como Dave Martindale apontado nos comentários, JPEG codificadores pode usar uma compressão da gama dinâmica de função chamada uma gama de curva, para entregar um pouco do sabor de uma maior gama dinâmica, em detrimento de entre as cores e, por vezes, a cor de faixa na imagem. Seu monitor de computador ou televisão de 8 bits faz a mesma coisa, apenas como um inverso, para fornecer uma saída de aparência linear. O sensor da câmera vê a luz em termos lineares, mas seu olho não. Portanto, a curva gama pode ser aplicada a uma imagem de 10 ou 12 bits para fornecer uma compactação de faixa dinâmica não linear disso como parte da codificação JPEG.
a maioria das câmeras pode ser ajustada exatamente no que fazem com a cor ao criar um JPEG, então isso é uma coisa que um usuário avançado pode controlar. A desvantagem da correção gama é que ela torna um JPEG muito “frágil” – mesmo pequenas correções de cor, luminância, contraste, etc. pode mover-se em torno de onde aqueles teriam pertencido na curva gama para lugares que não pertencem. Então, talvez você não veja nenhuma faixa em seu JPEG original, mas faça alguns ajustes, e você tem uma bagunça Sagrada em suas mãos. É por isso que o JPEG é amplamente considerado não editável por profissionais. Sim, você pode fazer ajustes se for cuidadoso, mas, novamente, é muito frágil.
e se não tivéssemos nenhum ISO!
na verdade, existem algumas câmeras que são reivindicadas como “ISO-less”. O que isso deve significar, de qualquer forma, é que nunca há amplificação analógica. Cada imagem é capturada na base ISO e apenas manipulada por software para valores ISO mais altos ou mais baixos. O problema com isso é a resolução.
então, digamos que eu tenha uma câmera com um ISO nativo de 100 e um ADC de 12 bits. Isso me dá, é claro, um JPEG de 8 bits em ISO 100, ISO 200, ISO400, ISO 800 e ISO 1600… além disso, eu começaria a reduzir a amostra em um bit para cada nova velocidade ISO.
em uma câmera profissional, no entanto, existe a possibilidade de uma imagem raw. Meu ADC de 12 bits me daria 12 bits em ISO 100, 11 bits em ISO 200, 10 bits em ISO 400, etc. usando apenas software. Usando a amplificação de hardware, trago 12 bits em qualquer configuração ISO…. mas é só isso que estou digitalizando. O valor efetivo real é baseado no piso de ruído do sistema — lembre-se desse ruído que mencionei? Portanto, há uma boa chance de que eu ainda tenha 12 bits úteis de informação com esse ganho de 2x na ISO 400. Talvez também na ISO 800…. mas, eventualmente, todo esse ganho vai apenas aumentar o piso de ruído. E é exatamente por isso que os ISOs altos estendidos são quase sempre software. Uma vez que o ADC de 12 bits está trazendo 11 bits de sinal e 1 bit de ruído puro, não há absolutamente nenhuma necessidade de adicionar mais amplificação… você pode obter exatamente o mesmo resultado com o software.
A Coisa Nova: ISO nativo duplo
assim como eu mencionei, o ISO nativo é baseado em várias propriedades do sensor: sensibilidade do fotodiodo, tensão de polarização do fotodiodo, capacidade do poço de carga, etc. E é bem possível projetar um sensor que tenha circuitos redundantes para essas coisas, cada um feito um pouco diferente. Coloque em dois caminhos de leitura e o sensor terá um ISO nativo duplo.
do que estou falando aqui? Bem, vamos pegar meu sensor original, com um ISO nativo de 100. Eu construí poços de carga muito grandes para permitir que todos esses fótons sejam coletados em luz forte. Mas e se eu quiser entregar um segundo ISO muito mais alto para pouca luz. Eu posso construir uma segunda carga bem capacitor. Eu não tenho necessidade de lidar com luzes brilhantes, então isso pode ser relativamente pequeno. E talvez, ao mantê-lo muito pequeno, eu possa otimizar esse caminho de dados para super baixo ruído em vez de alta capacidade. O sensor poderá usar o caminho nativo para alimentar o amplificador variável ou o ADC, com base nas Configurações. Portanto, aumentar o ISO em dois ISOs nativos mantém a qualidade da imagem subindo para valores ISO mais altos.
