ISO i någon elektronisk kamera, precis som med film, är resultatet av ett kalibrerat känslighetsindex. Men det finns några saker i en modern kamera som bidrar till ISO-betyg som en kamera uppvisar.
bara om någon form av bildsensor är en rad fotodioder. En fotodiod är en anordning som kommer att leda elektroner som svar på att vara ”upphetsad” av fotoner. Byggd runt en fotodiod, det finns en mikrolins, för att samla in det maximala antalet fotoner, och ett färgfilter, om du vill ha en färgbild. Fotodioder som används i kameror idag är känsliga för allt synligt ljus och till och med lite infrarött och ultraviolett ljus.
en perfekt fotodiod kommer att leda en elektron för varje fotonpåverkan. En sådan fotodiod skulle sägas ha 100% kvanteffektivitet. Ingen riktig fotodiod har det, men vissa kommer till cirka 95% i de senaste kamerorna med bakre upplysta sensorer. Behovet av att filtrera färg betyder emellertid vanligtvis att cirka 1/3 av fotonerna som kan excitera en fotodiod faktiskt leder till att elektroner genomförs. En större fotodiod kommer inte överraskande att träffas av fler fotoner i samma fotonflöde och naturligtvis leda fler elektroner.
så länge antalet fotoner som påverkar en fotodiod ger en linjär ledning av val, arbetar dioden i sin aktiva region och saker är bra. Det är möjligt att en ökning av fotoner vid någon tidpunkt inte resulterar i en linjär ökning av elektroner. Det betyder att fotodioden är mättad. Detta ställer in en av de möjliga gränserna för det ursprungliga ISO-värdet för en sensor.
Tänk nu på att flödet av elektroner baserat på fotonpåverkan är en kontinuerlig funktion. En fotografisk exponering är snarare en samling ljus under en viss tidsperiod. Om du tänker på fotonerna och deras matchande elektroner som regn kallas nästa element i sensorn en laddningsbrunn. Det är din hink! En hink som samlar elektroner kallas en kondensator i elektronikteknik tala, men kamera folk tenderar att kalla det en laddning väl.
i en professionell kamera finns det en mekanisk slutare som täcker sensorn idag. Innan du öppnar den slutaren tömmer elektroniken varje laddningsbrunn av alla elektroner och aktiverar sedan fotodiodmatrisen. Det görs genom att förspänna varje fotodiod. Fotodioder, som nämnts, leder elektroner, men de skapar dem inte. Förspänningen är där dessa elektroner kommer ifrån, och tillämpar den, eller inte, tillåter någon speciell uppsättning fotodioder i sensorns array att bli känslig för ljus eller inte.
så slutaren öppnas och ljuset strömmar in. Fotodioderna leder elektroner, laddningsbrunnarna fyller med elektroner. Om detta fortsätter tillräckligt länge kommer en eller flera av dessa brunnar att ”överflödas”… inga fler elektroner kommer att passa. Det betyder att särskild laddningsbrunn nu är begränsad-det här är den andra mekanismen som ställer in en inbyggd ISO.
ISO-standarden
så, låt oss anta att jag gjorde en kamera med en helt ny sensor, och jag har ingen aning om vad ISO är. Låt oss säga att jag tar min pålitliga Olympus OM – 1 filmkamera, några lådor film och min digitalkamera. Om jag tar bilder med samma lins, i samma ljus, kan jag jämföra filmen med kameran och kanske ha en uppfattning om jämförande ISOs. För en, om min ISO 100-film börjar överexponera vid samma exakta tidpunkt ser jag min digitala sensor överexponera, det är en bra indikation på att min Digitalkameras ISO är ungefär 100.
i praktiken, eftersom vi har en sak som heter ISO, från International Standards Organization, kan du tänka dig att det finns någon form av formel eller recept för ISO. För färgnegativ film, när du säger ”ISO”, talar du verkligen om ISO 5800:2001-standarden. För B & w negativ film betyder det faktiskt ISO 6:1993, och för färgtransparensfilm betyder det ISO 2240:2003-standarden.
så naturligtvis finns det standarder för digitala sensorer också. Den nuvarande ISO 12232:2006-specifikationen ger digitalkameratillverkare fem olika sätt att beräkna ISO, upp från tre sätt i originalversionen av spec från 1996. Endast de senaste två metoderna, Rei-tekniken (Recommended Exposure Index) och SOS (Standard Output Sensitivity) är för närvarande lagliga för kameror gjorda av japanska företag — nästan alla.
precis som med film är det en viss bedömning inblandad, så det är ganska möjligt att ISO på en kamera kan vara lite annorlunda än ISO på en annan, men målet är en standard som i huvudsak är densamma från en kamera till en annan.
variabel ISO
hittills har jag pratat om inbyggd ISO, som bara är en funktion av kamerans laddningsbrunn och fotodiodmatris. Men det finns mycket mer med en digitalkamera.
när det är dags att läsa sensorn omvandlas laddningen i varje laddningsbrunn i sin tur till en spänning och går in i en Analog till Digital omvandlare (ADC). ADC-kretsarna är utformade så att en fylld laddningsbrunn kommer att resultera i en fullskalig spänning vid ADC. Men vad händer om vi är i mörkret, och varje laddning väl bara fyller upp 1/2 eller 1/4 av vägen? Det är där variabel ISO — eller gain, som den ursprungligen kallades — kommer in.
här är blockschemat för en faktisk OV10822 digital bildsensor från Omnivision. Det här är den typ du kanske har hittat i en smartphone för några år tillbaka, men tanken är densamma för alla sensorer. Om du tittar på bildmatrisen (fotodioder) i diagrammet, mellan det och ADC är ett block märkt ”AMP” och en annan märkt ”gain control”. Det är här variabel ISO händer.
tillbaka i dagarna före digitalkameror hade vi fortfarande elektroniska kameror. Bara vi kallade dem videokameror. Och när du ringde in gain på en videokamera ringde du in gain. Den förstärkningen mättes bara i dB, och den applicerades på kamerans inbyggda ISO, vilket du förmodligen inte visste. Som ett resultat var det svårt att ställa in två olika kameror för att använda samma ljus.
ISO-specifikationerna används för att kalibrera en ISO-skala för en digitalkamera. Om jag ringer in en 2x vinst på det 1/2 fullladdningsbrunnsfallet, har jag ökat från inbyggd ISO, säg ISO 100, till ISO 200. Jag har nu en förstärkt signal som matar ADC, och fullskaligt värde av det är nu 1/2 full laddningsnivå.
ISO och brus
det intressanta att se här är att jag inte har ändrat sensorn på något sätt för att öka utsignalen från laddningsbrunnsomvandlingen. Om jag använde en 14-bitars ADC vid inbyggd ISO läser jag nu i en bit under det och slänger ut den övre biten — vilket jag förväntar mig, i mitt låga ljus, att alltid vara noll. Jag räknar med att kameran har tillräckligt med känslighet för att leverera användbar information ur förstärkaren.
Varför kan det inte? Buller! Det finns alltid buller i alla elektriska system. Nyckeltricket i digitala system förändrar allt till ett nummer, så att vi vanligtvis kan ignorera den analoga naturen hos signalerna som utgör dessa bitar. Men bildsensorn i sig är en ren analog sak, fram till den punkt vi når ADC.
buller kommer från flera källor. När du har värme har du slumpmässig elektronaktivitet. Så lite ljud beror på värme, och ja, om du fotograferar utomhus på en mycket kall dag ser du mindre ljud i dina bilder på samma ISO än om du fotograferade på en varm sommardag. Formellt kallas detta termiskt brus.
en annan ljudkälla är själva kameran. Under en exponering kan sensorn vara ganska tyst, men vid någon tidpunkt måste alla typer av extra cirkuitet aktiveras för att läsa sensorn. Detta kommer att skapa brus som är, konstigt nog, dubbat läsbrus.
och slutligen har vi denna konstiga sak som kallas skottbrus eller pixelbrus. Jag nämnde att fotoner träffar fotodioder och leder elektroner. Ljuset genom din lins kallas ett fotoflöde, och det är inte den kontinuerliga strålen du kanske tror att det är, utan ett statistiskt urval av fotoner som följer Poisson-fördelningen.
Varför är det så? Tja, i starkt ljus gör det inte, eftersom du räknar tusentals, till och med miljoner elektroner. Men när ljuset dämpas fångas färre och färre fotoner av en kamera. Och gradvis är numret tillräckligt litet för att räkningen som fångats från identiskt färgade, identiskt upplysta delar av en bild inte är densamma. Och så ser vi detta som olika luminans och färg mellan saker som borde vara desamma: buller.
ISO går in här direkt. När en signal förstärks, så är bruset i den signalen. Så högre ISO-tal betyder alltid mer buller. Men en tystare sensor, ett större chip etc. kan innebära ett större signal-brusförhållande i sensorn. Så med tiden har sensorerna blivit mycket tystare. Och när en sensor blir större och ger större fotodioder, kommer den att samla fler fotoner i samma ljus än den mindre sensorn. Så det kommer att ha ett statistiskt ljud antal elektroner i den typ av ljus som skulle uppvisa ljud på en mindre kamera.
upplösning och dumma programvara Tricks
så låt oss titta på detaljerna i det jag gör här. I det blockschemat för smarttelefonsensorn kan du se att ADC är 10-bitars. Det betyder att ADC kan läsa i högst 0-1023 som ett tal från ingången. Jag föreslog också att vi kan ha en 14 — bitars sensor-det är vad du vanligtvis hittar i en fullbilds digitalkamera idag, nivåer på 0-16,383.
titta Nu på JPEG-formatet: det är 8 bitar per pixelvärden på 0-255 för varje färg (JPEG kodar inte faktiskt i RGB, men YUV, men du dekomprimerar till RGB). Så vad händer om vi har en inbyggd ISO på 100, men ville erbjuda JPEG på ISO 50? Det är helt genomförbart med en 10-bitars sensor, lättare fortfarande med en 14-bitars sensor. Tänk på det som att skjuta ett 8-bitars fönster över ett mycket större antal siffror.
detta kan naturligtvis göras i andra änden. Om min kamera bara går upp till ISO 25,600, kanske jag kan använda programvara för att öka ISO till 51,200. I programvara kan jag helt enkelt välja bitar med högre ordning som börjar vid bit 1 snarare än bit 0-matematiskt liknar att multiplicera med två i det här fallet.
detta är mjukvaruförstärkning, och det används åtminstone i viss utsträckning i nästan varje kamera. De flesta kameror har ”utökade” ISO-intervall, till exempel ISO50 eller 51,200 som jag föreslog. Båda dessa är inte helt idealiska på något sätt, i det här fallet är programvara härledd, så tillverkaren märker dem som ”utökad” för att meddela dig. Men om en mjukvaruutvidgad ISO fortfarande matchar både ISO-specifikationerna och tillverkarens standarder för bildkvalitet, behöver en programvara härledd ISO inte ha en särskild etikett.
Notes on Real World JPEG
jag skulle inte komma in i komplexiteten i detta, men som Dave Martindale påpekade i kommentarerna kan JPEG-kodare använda en komprimeringsfunktion för dynamiskt omfång som kallas en gammakurva, för att leverera en del av smaken av ett högre dynamiskt omfång, på bekostnad av mellan färger och ibland färgband i bilden. Din 8-bitars datorskärm eller TV gör samma sak, bara som en invers, för att leverera en linjär utseende. Kamerasensorn ser ljus i linjära termer, men ditt öga gör det inte. Så gammakurvan kan appliceras på en 10-bitars eller 12-bitars bild för att leverera en icke-linjär dynamisk områdeskomprimering av den som en del av JPEG-kodningen.
de flesta kameror kan justeras på exakt vad de gör med färg när du skapar en JPEG, så det här är en sak som en avancerad användare kan styra. Nackdelen med gammakorrigering är att den gör en JPEG väldigt ”ömtålig” — även små korrigeringar av färg, luminans, kontrast etc. kan flytta runt där de skulle ha tillhört på gammakurvan till platser de inte hör hemma. Så kanske du inte ser någon banding i din ursprungliga JPEG, men gör några tweaks, och du har en helig röra på dina händer. Det är därför JPEG till stor del anses vara oredigerbart av proffs. Ja, du kan göra tweaks om du är försiktig, men igen är det väldigt bräckligt.
Tänk om vi inte hade någon ISO alls!
faktum är att det finns några kameror som påstås vara ”ISO-mindre”. Vad detta borde betyda är att det aldrig finns någon analog förstärkning. Varje bild fångas på bas ISO och bara programvara manipuleras till högre eller lägre ISO-värden. Problemet med detta är upplösning.
så, låt oss säga att jag har en kamera med en inbyggd ISO på 100 och en 12-bitars ADC. Det ger mig naturligtvis en 8-bitars JPEG vid ISO 100, ISO 200, ISO400, ISO 800 och ISO 1600… utöver det skulle jag börja minska provet med en bit för varje ny ISO-hastighet.
i en professionell kamera finns det dock möjlighet till en raw-bild. Min 12-bitars ADC skulle ge mig 12-bitar vid ISO 100, 11-bitar vid ISO 200, 10-bitar vid ISO 400, etc. endast använda programvara. Med hjälp av hårdvaruförstärkningen tar jag in 12-bitar vid vilken ISO-inställning som helst…. men det är bara det jag digitaliserar. Det verkliga effektiva värdet är baserat på systembrusgolvet — kom ihåg det bruset jag nämnde? Så det finns en ganska bra chans att jag fortfarande har en användbar 12-bitars information med den 2x förstärkningen vid ISO 400. Kanske lika bra på ISO 800…. men så småningom kommer all den vinsten att bara öka bullergolvet. Och det är just därför extended high ISO är nästan alltid programvara. När den 12-bitars ADC tar in 11-bitars signal och 1-bitars rent brus, behöver du absolut inte lägga till mer förstärkning… du kan få exakt samma resultat med programvara.
Den Nya Saken: Dual Native ISO
så som jag nämnde är den inbyggda ISO baserad på olika egenskaper hos sensorn: fotodiodkänslighet, fotodiodspänningsspänning, laddningskapacitet etc. Och det är fullt möjligt att designa en sensor som har redundanta kretsar för dessa saker, var och en gjort lite annorlunda. Sätt i två läsbanor och sensorn kommer att ha en dual native ISO.
Vad pratar jag om här? Tja, låt oss ta min ursprungliga sensor, med en inbyggd ISO på 100. Jag har byggt mycket stora laddningsbrunnar för att låta alla dessa fotoner samlas i starkt ljus. Men vad händer om jag vill leverera en sekund, mycket högre ISO för svagt ljus. Jag kan bygga en andra laddningsbrunnskondensator. Jag har inget behov av att ta itu med starkt ljus, så det kan vara relativt litet. Och kanske, för att hålla den väldigt liten, kan jag optimera den Datavägen för super lågt brus istället för hög kapacitet. Sensorn kommer att kunna använda antingen inbyggd väg för att mata den variabla förstärkaren eller ADC, baserat på Inställningar. Så öka upp ISO över två infödda ISO hålla bildkvaliteten går upp till högre ISO-värden.
