Jak implementuje się ISO w aparatach cyfrowych?

66

Jeśli zmienię ustawienia ISO w moim aparacie, oczywiście wzmocnienie systemu wzrośnie, wzmacniając sygnał z czujnika. Nie jest dla mnie jasne, gdzie odbywa się wzmocnienie. Widzę kilka możliwości:

  1. W czujniku, poprzez zwiększenie napięcia lub inny mechanizm
  2. Przez wzmacniacz analogowy na zewnątrz czujnika
  3. Cyfrowo po digitalizacji sygnału, ale przed zapisaniem danych w pliku RAW
  4. Jako parametr stosowany wyłącznie przy tworzeniu obrazu z RAW

Jeśli # 4 jest prawdą, możesz zrobić 4-stopniowe prześwietlone zdjęcie RAW przy ISO 1600, a następnie w przetwarzaniu końcowym wygenerować JPEG przy ISO 100, który byłby taki sam, jak gdyby oryginalne zdjęcie zostało zrobione przy ISO 100.

Jeśli nr 1 lub 2 jest prawdą, plik RAW zarejestrowany w ISO 1600 zawierałby więcej informacji o cieniach, a RAW ISO 100 zawierałby więcej informacji o światłach.

Evan Krall
źródło

Odpowiedzi:

32

1 ~ 2 i 3. Na matrycach CCD wzmacniacz znajduje się efektywnie w rogu czujnika, ale w CMOS wzmacniacz jest wbudowany w każdą stronę, rozproszoną w czujniku. Zobacz tutaj .

Jak wspomniano w jednej z rzeczy, które niedawno odkryłem , większość lustrzanek cyfrowych ma wzmacniacz przed ADC (konwersja analogowo-cyfrowa). Mają tendencję do maksimum przy 800 lub 1600 ISO i wszystkie są później cyfrowymi wzmocnieniami. W poniższych akapitach założono, że kamera osiąga maksymalne wzmocnienie analogowe przy 1600:

Niestety 12 lub 14-bitowe pliki RAW uniemożliwiają robienie tego, co opisujesz. Cyfrowe wzmocnienie odbywa się przed zapisaniem plików RAW. Istnieje maksymalna wartość, którą można zapisać, więc jeśli wykonasz prześwietlenie o 4 stopnie, nawet jeśli ADC nie jest nasycony, plik RAW prawdopodobnie zostanie przycięty. Jednak technika, która prześwietla tyle, co nie przycinanie podświetleń, skutecznie redukuje szumy i jest znana jako ETTR (Expose To The Right).

Tak, ze względu na wzmocnienie analogowe, pliki RAW o wyższym ISO zawierają więcej szczegółów. Jednak ISO 1600 i ISO 12800 powinny zawierać tę samą ilość szczegółów cienia (chyba że istnieje jakieś dodatkowe specjalne przetwarzanie LUB ADC ma efektywnie większą precyzję niż głębokość bitowa, w której przechowywane są pliki RAW).

Mimo że nr 3 jest prawdą powyżej ISO 1600, RAW ISO 1600 może zawierać więcej informacji na temat świateł, ponieważ nadal można je obciąć w procesie cyfrowego wzmocnienia. Z tego powodu i być może innych (żywotność baterii, efektywny rozmiar bufora), podczas fotografowania RAW, może być korzystne zarejestrowanie ISO 1600 i po prostu późniejsze przetworzenie. Ponownie nie testowałem tego, a jeśli efektywna głębia bitowa ADC jest większa niż głębia bitowa formatu RAW, nie będzie to prawdą.

Eruditass
źródło
4
W aparatach Canon mają „rozszerzone” ustawienia ISO (H) i (L). Myślałem, że tylko rozszerzone ustawienia zostały cyfrowo wzmocnione i że wszystkie „normalne” ustawienia ISO zostały wykonane ze wzmacniaczem analogowym. Oznaczałoby to, że większość wyższych (i nowszych) Kanonów ma rzeczywisty zakres ISO do co najmniej 3200, jeśli nie więcej. Myślę, że 1D Mk IV ma normalny zakres ISO od 100-12800, a 50, 25600, 51200, 102400 to cyfrowo ulepszone. Czy tak nie jest w rzeczywistości?
jrista
2
Słyszałem, że jednym z powodów posiadania L i Hx zamiast rzeczywistych liczb jest to, że nie są one skalibrowane, a przynajmniej nie tak dobrze jak wspólne wartości ISO. Należy przyjmować ze zdrową dozą sceptycyzmu.
Karel
@Jrista, mój wniosek (niepotwierdzony przez firmy) jest taki, że (L) może być szczery, a (H) jest terminem marketingowym (jest taki sam jak inne, ale wygląda źle, więc go rozdzielimy). Nigdzie nie widziałem w literaturze, w której twierdzi, że tryby rozszerzone są tak naprawdę linią między metodami wzmocnienia. Oto badania, które pokazują, że Pentax, około 1600, jest analogowy, a następnie niejednoznaczny: forums.dpreview.com/forums/… forums.dpreview.com/forums/…
Eruditass
1
Właśnie wyjaśniłem, w jaki sposób ustawiono wzmocnienie w różnych technologiach czujników, co prowadzi do ogólnej różnicy w wydajności ISO.
Eruditass,
1
# 4 również niektóre kamery mają ISO jako znacznik (nieprzetworzone dane są takie same) dla całego zakresu ISO lub dla niektórych ustawień ISO.
Iliah Borg,
8

Tak, ustawienie ISO wpływa na dane obrazu zapisane w pliku RAW. Oto dwa zdjęcia, zrobione w tym samym czasie / miejscu (prawie - to zostało zrobione z ręki, bez większego zainteresowania kompozycją), z tą samą przysłoną (f / 2.8) i czasem otwarcia migawki (1/100).

Ten pierwszy obraz został sfotografowany przy ISO 100 i skorygowany o +2 stopnie w ACR do efektywnego ISO ~ 400. Wszystkie korekty oprócz ekspozycji zostały wyzerowane (brak redukcji szumów, wyostrzania, regulacji kontrastu itp.)

alternatywny tekst

Ten obraz został sfotografowany przy ISO 1600 i dostosowany o -2 stopnie w ACR do efektywnego ISO ~ 400. Ponownie wszystkie korekty zostały wyzerowane.

alternatywny tekst

Zwróć uwagę na rozjaśnione obszary na drugim zdjęciu. Ta sama ilość światła padająca na czujnik za każdym razem, ale inne informacje zapisane w pliku RAW.

Evan Krall
źródło
7

Tak. Ustawienie ISO to czułość czujnika - w praktyce ilość wzmocnienia zastosowanego do sygnału z piksela na czujniku, aby uzyskać prawdziwy wynik.

Teoretycznie można postprocesować w celu uzyskania wyniku podobnego do tego przy niższym lub wyższym ISO za pomocą kompensacji ekspozycji - zawsze zauważyłem, że mam o wiele lepsze wyniki, kręcąc to dokładnie „w aparacie”, co prowadzi mnie do przekonania że amplifikacja odbywa się analogicznie przed digitalizacją.

Rowland Shaw
źródło
1
Wierzę, że masz rację: na mojej lustrzance Canon pliki RAW z ISO1600 mogą powodować dużo hałasu
Danny T.
@Alan Nie da się tego zrobić prosto w aparacie. RAW doskonale nadaje się do problemów z balansem bieli, ale staram się nie polegać na ekspozycji / pomiarze, ponieważ wyniki nigdy nie są tak dobre.
Rowland Shaw
„Teoretycznie można postprocesować, aby uzyskać podobny wynik do niższego lub wyższego ISO” ... Z pewnością nie? Nie można cofnąć hałasu generowanego przez wyższe ISO.
AJ Finch,
@AJ Myślałem o korekcie lub mniej więcej korekcie, ale nie da się przebić uzyskania ekspozycji od razu.
Rowland Shaw
1
@Rowland Nie jestem pewien, czy w pełni rozumiem twój komentarz, ale tak, rodzaj sceny będzie silnie wpływał na twoje decyzje dotyczące ekspozycji, chodziło mi o to, że nie wierzę, że narażanie się na to, że nie musisz -Shift-in-post jest koniecznie najlepszym wyborem. Zgadzam się, że robienie rzeczy za pierwszym razem jest lepsze, jednak jeśli chodzi o ekspozycję, nie sądzę, że istnieje „racja”. Istnieją ustawienia, które zachowują ustawienia szczegółów podświetlenia w celu zmniejszenia szumu itp. Możliwość dostosowania ekspozycji w poście jest przydatnym narzędziem, a nie tylko narzędziem korygującym „błędy”.
Matt Grum,
2

Jeśli # 3 jest prawdą, możesz zrobić 4-stopniowe prześwietlone zdjęcie RAW przy ISO 1600, a następnie w wyniku przetwarzania wygenerować JPEG przy ISO 100, który byłby taki sam, jak gdyby oryginalne zdjęcie zostało zrobione przy ISO 100.

Nie. Jeśli zrobisz zdjęcie z ustawieniem ISO 100, uzyskasz inną ekspozycję (więcej światła na chipie) niż przy ustawieniu ISO 1600. Bez względu na to, w jaki sposób osiąga się wzmocnienie (sprzętowe lub programowe), obraz ISO 1600 będzie nosił więcej szumów niż obraz ISO 100.

użytkownik1260
źródło
3
Jeśli zrobisz dwa zdjęcia tej samej sceny z tą samą przysłoną i czasem ekspozycji, zmieniając tylko ISO, ta sama ilość światła trafi na czujnik na każdym zdjęciu. Zdjęcie wykonane przy uchwyceniu ISO 1600 byłoby o 4 stopnie jaśniejsze niż jeden przy ISO 100, stąd „prześwietlenie o 4 stopnie”.
Evan Krall,
1
ISO nie ma wpływu na ilość światła padającego na czujnik. ISO wpływa na uzyskaną jasność obrazu cyfrowego, niezależnie od tego, czy został on wzmocniony przed czy po konwersji cyfrowej. Strzelanie taką samą ekspozycję przy ISO 100 werset ISO 1600, samoistnie oznacza jednak trzeba mieć więcej światła na czujnik, jeśli to, co mówisz ...
Nick Bedford
2

Obiektyw aparatu wyświetla miniaturowy obraz świata zewnętrznego na powierzchni sensora światłoczułego umieszczonego wewnątrz i z tyłu aparatu. Ten czujnik obrazu jest pokryty milionami stron internetowych. Większość zdjęć jest nałożona na filtry czerwone, zielone lub niebieskie. Podczas ekspozycji światło ze sceny jest odtwarzane na stronach internetowych. Odbierają one uderzenia fotonów proporcjonalnie do jasności sceny.

Uderzenia fotonów generują ładunek elektryczny w obrębie strony internetowej. Siła tego ładunku jest proporcjonalna do liczby trafień fotonów. Liczba trafień to kombinacja czasu otwarcia migawki oraz jasności sceny i średnicy roboczej obiektywu (przysłony). Jeśli jasność sceny jest słaba, automatyzacja aparatu lub fotograf powiększa roboczą przysłonę lub czas otwarcia migawki jest spowolniony. W przypadku wybrania krótkiego czasu otwarcia migawki należy zwiększyć aperturę roboczą itp.

W każdym przypadku wielkość ładunku na końcu ekspozycji jest niewielka. Logika wbudowana w układ przekształca ładunek w słaby sygnał analogowy, który jest następnie wzmacniany i przetwarzany na sygnał cyfrowy. O zastosowanie wzmocnienia, o które pytasz.

Jeśli ładunek jest słaby, należy zwiększyć wzmocnienie. Ładunek będzie słaby, jeśli scena będzie słabo oświetlona. Ładunek będzie słaby, jeśli zastosowany czas otwarcia migawki będzie super szybki. Otwieramy roboczą średnicę obiektywu, ponieważ pozwala to na uzyskanie większej ilości energii świetlnej. Możemy wytworzyć sztuczne światło, jeśli jasność sceny wymaga wzmocnienia.

Porozmawiajmy o wzmocnieniu: wzmocnienie w aparacie cyfrowym odpowiada zwiększeniu głośności radia lub telewizora. W aparacie cyfrowym wyższe wzmocnienie zwiększa szansę na zrobienie słabo oświetlonych scen i / lub krótsze czasy otwarcia migawki. Zwiększone wzmocnienie jest klasyfikowane jako wysokie ustawienie ISO. ISO oznacza Międzynarodową Organizację Normalizacyjną. Są odpowiedzialni za standaryzację czułości fotograficznej prędkości filmu, a przemysł aparatów cyfrowych przyjął metodę znakowania czułości ISO.

Zwiększona czułość ISO ma swoją cenę: w przypadku większości czujników obrazowania każda strona ma własny wzmacniacz. Każdy z nich może się wzmocnić nieco inaczej niż jego sąsiad. Gdy wzmocnienie jest zbyt wysokie, celowniki, które powinny być reprodukowane jako czarne, często rejestrują się jako ciemnoszare. To wysyła fałszywe informacje, które nazywamy hałasem. Dodatkowo, jeśli wzmocnienie jest zbyt duże, część ładunku może wyciekać do sąsiednich stron zdjęciowych, nazywamy to kwitnieniem. Tak, wysoka czułość ISO może i ulega degradacji, ale umożliwia także fotografowanie w trudnych warunkach. Technologia wprowadza nowe chipy obrazowe i oprogramowanie aparatu, aby lepiej ograniczać hałas i kwitnienie.

Alan Marcus
źródło
1
Cześć Alan, świetne odpowiedzi, ale jeśli mógłbyś pominąć podpis, który byłby mile widziany.
John Cavan,
0

Ostrzeżenie: moja odpowiedź jest w 100% anegdotyczna i opiera się na wynikach z Panny FZ-28, który bardzo prawdopodobnie nie obsługuje RAW tak samo jak DSLR.

Powiedziawszy to, zmagałem się z poziomem hałasu w warunkach słabego oświetlenia od pierwszego dnia z tym aparatem. Jest tylko tyle wydajności, którą można wycisnąć z małego czujnika, ale próbowałem wielu rzeczy, aby uzyskać jak najlepsze wyniki.

Ponieważ widzę dość dramatyczny wzrost szumów wraz ze wzrostem czułości ISO, zwykle staram się utrzymać wartość ISO na poziomie zbliżonym do 100 lub mniej. Jedną z rzeczy, które próbowałem, było jednak zrobienie zdjęcia RAW z czułością ISO 100 z niedoświetleniem zdjęcia, aby utrzymać migawkę prędkość, której chciałem. Przetwarzanie końcowe pozwala mi na ustalenie ekspozycji (do pewnego stopnia), ale kiedy to robię, wychwytuję hałas, który wydaje się być mniej więcej taki sam, jakbym na początku ustawił wyższą wartość ISO. Widzę bardzo porównywalny poziom hałasu, gdy zwiększam czułość ISO i ekspozycję (aby nie musiałem zwiększać ekspozycji w trakcie przetwarzania), co prowadzi mnie do przekonania, że ​​nie ma miejsca na „oszukiwanie systemu” w ten sposób.

Nie zrobiłem żadnego czytania, aby to poprzeć, ale na podstawie tego, co widziałem, skłonny byłbym wierzyć, że albo # 1 albo # 2 (osobiście uważam, że to # 1) powyżej są prawdziwe.

D. Lambert
źródło
0

RAW jest prawie bezpośrednim zrzutem danych wyjściowych czujnika do pamięci, więc # 1 i / lub # 2 są oczywistymi wyborami (choć myślę, że Canon dokonuje pewnych manipulacji danymi przed zapisaniem swojego RAW, a może i inne).

Dobrym sposobem na zwiększenie czułości czujnika jest zwiększenie napięcia przyłożonego do niego. Zwiększa to zarówno moc wyjściową dla danego wejścia, jak i zwiększa szumy (które rzeczywiście zaobserwowano, gdy występują przy podwyższeniu EI w aparacie cyfrowym).

Trudno mi wyobrazić sobie, jak zastosujesz jakieś wzmocnienie światła przed czujnikiem, które można regulować w locie (czujniki mają mikrosoczewki nad każdym elementem, aby gromadzić światło do tego elementu, co określa rozmiar elementu i ma mały, ale naprawiony efekt).

Opcja 3 zmodyfikowałaby dane RAW po zebraniu, co jest równoznaczne z modyfikacją pliku RAW po odczytaniu go z aparatu. Niektóre kamery (patrz wyżej) mogą próbować tego dokonać, szczególnie w celu odfiltrowania szumu. Większość tego nie zrobi i pozostawi to operatorowi (tak naprawdę lata temu między Canon i Nikon toczyła się bitwa, w której Canon wydawał się wytwarzać znacznie bardziej żywe obrazy w porównaniu do Nikona, które zostały spowodowane przez Canon, który zastosował manipulację w aparacie do dane RAW, które wywołały spore zamieszanie wśród użytkowników, którzy nie chcieli, aby ich kamery to robiły).

Pamiętaj, że wszystko to dotyczy lustrzanek średnich i wyższych, w modelach podstawowych prawdopodobnie dzieje się dużo filtrowania i ulepszania w aparacie, ale ludzie używający ich zwykle nie są strzelankami RAW, a ich tryby RAW również mogą być czyste.

jwenting
źródło