ISO în orice cameră electronică, la fel ca în cazul filmului, este rezultatul unui indice calibrat de sensibilitate. Dar există câteva lucruri într-o cameră modernă care contribuie la evaluarea ISO pe care o prezintă o cameră.
aproape orice fel de senzor de imagine este o serie de fotodiode. O fotodiodă este un dispozitiv care va conduce electroni ca răspuns la a fi „excitat” de fotoni. Construit în jurul unei fotodiode, există un microlens, pentru a ajuta la colectarea numărului maxim de fotoni și un filtru de culoare, dacă doriți o imagine color. Fotodiodele utilizate în camerele de astăzi sunt sensibile la toată lumina vizibilă și chiar la puțină lumină infraroșie și ultravioletă.
o fotodiodă perfectă va conduce un electron pentru fiecare impact fotonic. Se spune că o astfel de fotodiodă are o eficiență cuantică de 100%. Nici o fotodiodă reală nu are asta, dar unii ajung la aproximativ 95% în camerele recente cu senzori iluminați din spate. Cu toate acestea, necesitatea de a filtra culoarea înseamnă de obicei că aproximativ 1/3 din fotonii care ar putea excita o fotodiodă duc de fapt la conducerea electronilor. O fotodiodă mai mare va fi, fără a fi surprinzător, lovită de mai mulți fotoni în același flux de fotoni și, desigur, va conduce mai mulți electroni.
atâta timp cât numărul de fotoni care afectează o fotodiodă produce o conducere liniară a alegerilor, dioda funcționează în regiunea sa activă și lucrurile sunt bune. Este posibil ca la un moment dat, o creștere a fotonilor să nu ducă la o creștere liniară a electronilor. Asta înseamnă că fotodioda este saturată. Aceasta stabilește una dintre limitele posibile ale valorii ISO native pentru un senzor.
acum, rețineți că fluxul de electroni bazat pe impacturile fotonice este o funcție continuă. O expunere fotografică, mai degrabă, este o colecție de lumină pe o perioadă de timp stabilită. Dacă vă gândiți la fotoni și la electronii lor potriviți ca la ploaie, următorul element din senzor se numește fântână de încărcare. E găleata ta! O găleată care colectează electroni se numește condensator în ingineria electronică vorbesc, dar oamenii de cameră tind să o numească o încărcare bine.
într-o cameră profesională, există un obturator mecanic care acoperă senzorul în aceste zile. Înainte de deschiderea obturatorului, electronica golește fiecare fântână de încărcare a tuturor electronilor, apoi activează matricea de fotodiode. Acest lucru se face prin părtinirea fiecare fotodiodă. Fotodiodele, așa cum am menționat, conduc electroni, dar nu le creează. Tensiunea de polarizare este locul de unde provin acești electroni și o aplică sau nu permite unui anumit set de fotodiode din matricea senzorului să devină sensibil la lumină sau nu.
deci obturatorul se deschide și lumina se revarsă. Fotodiodele conduc electroni, puțurile de încărcare se umple cu electroni. Dacă acest lucru continuă suficient de mult, unul sau mai multe dintre aceste puțuri se vor „revărsa”… nu se vor mai potrivi electroni. Asta înseamnă că încărcarea specială este acum limitată-acesta este al doilea mecanism care stabilește un ISO nativ.
standardul ISO
deci, să presupunem că am făcut o cameră cu un senzor nou și nu am nicio idee despre ce este ISO. Să presupunem că îmi iau camera de film Olympus OM-1 de încredere, câteva cutii de film și camera mea digitală. Dacă fac fotografii cu același obiectiv, în aceeași lumină, pot compara filmul cu camera și poate am o idee despre ISO-uri comparative. Pentru unul, dacă filmul meu ISO 100 începe să supraexpună în același timp exact când văd supraexpunerea senzorului meu digital, acesta este un bun indiciu că ISO-ul camerei mele digitale este de aproximativ 100.
în practică, din moment ce avem un lucru numit ISO, de la Organizația Internațională de standardizare, vă puteți imagina că există un fel de formulă sau rețetă pentru ISO. Pentru filmul color negativ, atunci când spui „ISO”, vorbești cu adevărat despre standardul ISO 5800:2001. Pentru filmul negativ B & W, înseamnă de fapt ISO 6:1993, iar pentru filmul de transparență a culorilor, înseamnă standardul ISO 2240:2003.
deci, în mod natural, există standarde și pentru senzorii digitali. Actualul ISO 12232:Specificația din 2006 oferă producătorilor de camere digitale cinci moduri diferite de a calcula ISO, de la trei mijloace în versiunea originală a spec din 1996. Doar cele mai recente două metode, tehnica indicelui de expunere recomandat (REI) și sensibilitatea standard la ieșire (SOS), sunt în prezent legale pentru camerele realizate de companiile japoneze — aproape toată lumea.
la fel ca în cazul filmului, există un grad de judecată implicat, deci este foarte posibil ca ISO pe o cameră să fie puțin diferit de ISO pe alta, dar obiectivul este un standard care este în esență același de la o cameră la alta.
variabilă ISO
până acum am vorbit despre ISO nativ, care este doar o funcție de încărcare a camerei și matrice fotodiodă. Dar există mult mai mult pentru o cameră digitală.
când vine vorba de timp pentru a citi senzorul, taxa în fiecare taxa bine este la rândul său convertit la o tensiune și a alerga într-un Analog convertor Digital (ADC). Circuitele ADC sunt proiectate astfel încât un puț de încărcare umplut va duce la o tensiune la scară largă la ADC. Dar dacă suntem în întuneric și fiecare încărcare bine umple doar 1/2 sau 1/4 din drum? Asta în cazul în care variabila ISO — sau câștig, așa cum a fost numit inițial — vine în.
Iată diagrama bloc a unui senzor de imagine digital OV10822 real de la Omnivision. Acesta este genul pe care l-ați găsit într-un smartphone cu câțiva ani în urmă, dar ideea este aceeași pentru orice senzor. Dacă vă uitați la tabloul de imagini (fotodiode) din diagramă, între acesta și ADC este un bloc etichetat „AMP” și un alt etichetat „gain control”. Aici se întâmplă variabila ISO.
în zilele dinaintea camerelor digitale, încă aveam camere electronice. Doar le-am numit camere video. Și când ați apelat în câștig pe o cameră video, ați apelat în câștig. Acest câștig a fost măsurat în dB și a fost aplicat ISO-ului nativ al camerei dvs., pe care probabil nu l-ați știut. Drept urmare, a fost dificil să setați două camere diferite pentru a utiliza aceeași lumină.
specificațiile ISO sunt utilizate pentru a calibra o scală ISO pentru o cameră digitală. Dacă formez un câștig 2x pe acel caz de încărcare completă 1 / 2, am crescut de la ISO nativ, să zicem ISO 100, la ISO 200. Acum am un semnal amplificat care alimentează ADC, iar valoarea pe scară largă a acestuia este acum 1/2 nivelul complet al puțului de încărcare.
ISO și zgomot
lucru interesant pentru a vedea aici este că, în creșterea ieșire de încărcare bine conversie, nu am schimbat de fapt senzorul în nici un fel. Dacă foloseam un ADC pe 14 biți la ISO nativ, acum citesc cu un pic mai jos și arunc bitul de sus — ceea ce mă aștept, în lumina mea scăzută, să fie întotdeauna zero. Contez pe cameră să aibă suficientă sensibilitate pentru a furniza informații utile din amplificator.
de ce nu ar putea? Zgomot! Există întotdeauna zgomot în orice sistem electric. Trucul cheie în sistemele digitale este schimbarea totul la un număr, permițându-ne să ignorăm de obicei natura analogică a semnalelor care alcătuiesc acești biți. Dar senzorul de imagine în sine este un lucru analogic pur, până la punctul în care ajungem la ADC.
zgomotul provine din mai multe surse. Când ai căldură, ai activitate aleatorie a electronilor. Deci, un zgomot se datorează căldurii și, da, dacă filmați în aer liber într-o zi foarte rece, veți vedea mai puțin zgomot în imaginile dvs. la același ISO decât dacă ați filma într-o zi fierbinte de vară. Formal, acest lucru este numit zgomot termic.
o altă sursă de zgomot este camera în sine. În timpul unei expuneri, senzorul poate fi destul de liniștit, dar la un moment dat, trebuie activate tot felul de circuite suplimentare pentru a citi senzorul. Acest lucru va crea zgomot care este, destul de ciudat, numit zgomot de citire.
și, în sfârșit, avem acest lucru ciudat numit shot noise sau pixel noise. Am menționat că fotonii lovesc fotodiodele și conduc electronii. Lumina prin lentila dvs. se numește flux foto și nu este fasciculul continuu pe care l-ați putea crede, ci un eșantion statistic de fotoni care urmează distribuția Poisson.
de ce se întâmplă asta? Ei bine, în lumină puternică, nu, deoarece numărați mii, chiar milioane de electroni. Dar, pe măsură ce lumina se estompează, din ce în ce mai puțini fotoni sunt capturați de o cameră foto. Și treptat, numărul este suficient de mic încât numărul capturat din secțiuni identice colorate, luminate identic ale unei imagini nu sunt aceleași. Vedem asta ca luminanță și culoare diferite între lucruri care ar trebui să fie la fel: zgomotul.
ISO intră aici direct. Când un semnal este amplificat, la fel este și zgomotul din acel semnal. Deci, numerele ISO mai mari înseamnă întotdeauna mai mult zgomot. Cu toate acestea, un senzor mai silențios, un cip mai mare etc. poate însemna un raport semnal-zgomot mai mare în senzor. Deci, în timp, senzorii au devenit mult mai liniștiți. Și pe măsură ce un senzor devine mai mare și oferă fotodiode mai mari, va colecta mai mulți fotoni în aceeași lumină decât senzorul mai mic. Deci, va avea un număr statistic de electroni într-un fel de lumină care ar prezenta zgomot pe o cameră mai mică.
rezoluție și trucuri software stupide
deci, să ne uităm la detaliile lucrului pe care îl fac aici. În acea diagramă bloc a senzorului smartphone, puteți vedea că ADC este pe 10 biți. Asta înseamnă că ADC poate citi în maxim 0-1023 ca număr de la intrare. De asemenea, am sugerat că am putea avea un senzor de 14 biți-asta găsiți de obicei într — o cameră digitală Full Frame astăzi,niveluri de 0-16, 383.
acum uitați-vă la formatul JPEG: sunt 8 biți pe pixel — valori de 0-255 pentru fiecare culoare (JPEG nu codifică De fapt în RGB, ci YUV, dar decomprimați la RGB). Deci, ce se întâmplă dacă avem un ISO nativ de 100, dar am vrut să oferim JPEG-uri la ISO 50? Acest lucru este complet posibil cu un senzor de 10 biți, mai ușor cu un senzor de 14 biți. Gândiți-vă la aceasta ca la alunecarea unei ferestre pe 8 biți într-o gamă mult mai largă de numere.
acest lucru ar putea fi, desigur, făcut la celălalt capăt. Dacă camera mea merge doar până la ISO 25,600, poate aș putea folosi software-ul pentru a crește ISO la 51,200. În software, pot selecta pur și simplu biți de ordin superior începând de la bitul 1, mai degrabă decât bitul 0-matematic similar cu înmulțirea cu doi în acest caz.
aceasta este amplificarea software-ului și este utilizată cel puțin într-o oarecare măsură în aproape fiecare cameră. Majoritatea camerelor au intervale ISO” extinse”, cum ar fi ISO50 sau 51.200 pe care le-am sugerat. Ambele nu sunt destul de ideale într-un fel, în acest caz fiind derivate din software, astfel încât producătorul le etichetează ca fiind „extinse” pentru a vă informa. Cu toate acestea, dacă un ISO extins de software se potrivește în continuare atât specificațiilor ISO, cât și standardelor producătorului pentru calitatea imaginii, un ISO derivat de software nu trebuie să aibă o etichetă specială.
note despre JPEG din lumea reală
nu aveam de gând să intru în complexitatea acestui lucru, dar, așa cum a subliniat Dave Martindale în comentarii, codificatoarele JPEG pot utiliza o funcție de compresie a intervalului dinamic numită curbă gamma, pentru a oferi o parte din aroma unui interval dinamic mai mare, în detrimentul culorilor între culori și, uneori, a benzii de culoare din imagine. Monitorul computerului sau televizorul dvs. pe 8 biți face același lucru, doar ca invers, pentru a oferi o ieșire cu aspect liniar. Senzorul camerei vede lumina în termeni liniari, dar ochiul tău nu. Deci, curba gamma poate fi aplicată unei imagini pe 10 biți sau pe 12 biți pentru a furniza o compresie dinamică neliniară a acesteia ca parte a codificării JPEG.
majoritatea camerelor pot fi ajustate Exact la ceea ce fac cu culoarea atunci când creează un JPEG, deci acesta este un lucru pe care un utilizator avansat îl poate controla. Dezavantajul corecției gamma este că face un JPEG foarte” fragil ” — chiar și mici corecții la culoare, luminanță, contrast etc. se pot deplasa în cazul în care acestea ar fi aparținut pe curba gamma în locuri care nu fac parte. Deci, poate că nu vedeți nicio bandă în JPEG-ul original, dar faceți câteva modificări și aveți o mizerie sfântă pe mâini. Acesta este motivul pentru care JPEG este considerat în mare parte needitabil de către profesioniști. Da, puteți face modificări dacă sunteți atent, dar din nou, este foarte fragil.
ce se întâmplă dacă nu am avea deloc ISO!
de fapt, există unele camere care sunt pretinse a fi „ISO-less”. Ceea ce ar trebui să însemne, oricum, este că nu există niciodată o amplificare analogică. Fiecare imagine este capturată la ISO de bază și doar manipulată de software la valori ISO mai mari sau mai mici. Problema cu aceasta este rezoluția.
deci, să presupunem că am o cameră cu un ISO nativ de 100 și un ADC pe 12 biți. Asta îmi oferă, desigur, un JPEG pe 8 biți la ISO 100, ISO 200, ISO400, ISO 800 și ISO 1600… dincolo de asta, aș începe să reduc eșantionul cu un bit pentru fiecare nouă viteză ISO.
într-o cameră profesională, totuși, există posibilitatea unei imagini raw. ADC-ul meu pe 12 biți mi-ar da 12 biți la ISO 100, 11 biți la ISO 200, 10 biți la ISO 400 etc. folosind doar software-ul. Folosind amplificarea hardware, aduc 12 biți la orice setare ISO…. dar asta este doar ceea ce digitalizez. Valoarea reală efectivă se bazează pe podeaua de zgomot a sistemului — amintiți-vă că zgomotul pe care l-am menționat? Deci, există o șansă destul de bună că am încă o informație utilă de 12 biți cu acel câștig 2x la ISO 400. Poate la fel de bine la ISO 800…. dar în cele din urmă, tot ce câștig va spori doar podeaua de zgomot. Și tocmai de aceea ISO-urile extinse sunt aproape întotdeauna software. Odată ce ADC pe 12 biți aduce 11 biți de semnal și 1 biți de zgomot pur, nu este absolut necesar să adăugați mai multă amplificare… puteți obține exact același rezultat cu software-ul.
Noul Lucru: ISO nativ Dual
așa cum am menționat, ISO nativ se bazează pe diferite proprietăți ale senzorului: sensibilitate fotodiodă, tensiune de polarizare fotodiodă, capacitate de încărcare a puțului etc. Și este foarte posibil să proiectăm un senzor care are circuite redundante pentru aceste lucruri, fiecare făcut puțin diferit. Puneți două căi de citire și senzorul va avea un ISO nativ dual.
despre ce vorbesc aici? Ei bine, să luăm senzorul meu original, cu un ISO nativ de 100. Am construit puțuri de încărcare foarte mari pentru a permite tuturor acestor fotoni să fie colectați în lumină puternică. Dar dacă vreau să livrez un al doilea ISO mult mai mare pentru lumină scăzută. Pot construi un al doilea condensator de încărcare. Nu am nevoie să mă ocup de lumini puternice, deci acest lucru poate fi relativ mic. Și poate, păstrându-l foarte mic, pot optimiza acea cale de date pentru zgomot super redus în loc de capacitate mare. Senzorul va putea utiliza fie calea nativă pentru a alimenta amplificatorul variabil, fie ADC, pe baza setărilor. Așadar, creșterea ISO peste două ISO-uri native menține calitatea imaginii până la valori ISO mai mari.
