Câu trả lời:
Điều gì chính xác giới hạn cảm biến máy ảnh kỹ thuật số hiện đại trong việc chụp cường độ ánh sáng vượt quá điểm nhất định?
Về các tính chất vật lý của chính cảm biến:
Số lần tấn công photon và số lượng electron tự do tạo ra từ các lần tấn công photon đó cho đến khi không còn electron nào có khả năng được giải phóng trong mỗi photosite (a / k / a Sensel, pixel well, v.v.) sức chứa. Nó không khác mấy so với phim, trong đó độ bão hòa hoàn toàn đạt được khi không còn tinh thể halogen bạc nào trong nhũ tương mà không có đủ 'đốm nhạy cảm' để được nhà phát triển chuyển thành bạc nguyên tử. Sự khác biệt chính là hình dạng của các đường cong phản ứng khi mỗi công nghệ tiếp cận hết công suất. Kết quả kỹ thuật số trong cùng số lượng electron trên mỗi photon¹ được giải phóng cho đến khi đạt được công suất tốt. Khi phim gần bão hòa hoàn toàn, càng cần nhiều năng lượng ánh sáng (hoặc thời gian phát triển) để ảnh hưởng đến các muối bạc còn lại.
Về mặt ghi điện áp tương tự như dữ liệu số:
Khi điện áp tương tự từ mỗi photosite (a / k / a 'Sensel', 'pixel well', v.v.) được đọc từ cảm biến, khuếch đại được áp dụng cho tín hiệu. Cài đặt ISO của máy ảnh xác định mức độ khuếch đại được áp dụng. Đối với mỗi lần tăng ISO dừng, khuếch đại gấp đôi được áp dụng. Nếu độ nhạy "cơ sở" của máy ảnh (để đơn giản, hãy gọi ISO 100 là khuếch đại 1,00X trong đó điện áp đầu vào bằng điện áp đầu ra) được sử dụng, thì các ảnh chụp đạt công suất tốt sẽ dẫn đến đọc điện áp tối đa trên khuếch đại bài mạch tương tự nuôi ADC. Nếu sử dụng ISO 200 (khuếch đại 2.0X), điện áp từ bất kỳ cảm biến nào đạt tới một nửa (1/2) công suất tốt trở lên được khuếch đại đến điện áp tối đa cho phép trên mạch khuếch đại sau.
Bất kỳ khuếch đại nào lớn hơn 1.0X sẽ áp dụng "trần" thấp hơn công suất toàn bộ giếng của mỗi photosite. Khi khuếch đại cao được sử dụng, tín hiệu yếu hơn công suất đầy đủ cũng đạt đến công suất điện áp tối đa của các mạch hạ nguồn từ bộ khuếch đại. Bất kỳ mức tín hiệu tiền khuếch đại nào đủ mạnh để "chốt đồng hồ" sau khi khuếch đại không thể phân biệt với bất kỳ mức tín hiệu tiền khuếch đại nào khác cũng sẽ "chốt đồng hồ".
Khi các tín hiệu tương tự được khuếch đại này được chuyển đổi thành dữ liệu số bằng bộ biến đổi tương tự sang số (ADC), các tín hiệu ở công suất điện áp tối đa của mạch được gán giá trị tối đa cho phép theo độ sâu bit của chuyển đổi tương tự sang số. Nếu được chuyển đổi thành giá trị 8 bit, điện áp được gán một giá trị nhị phân trong khoảng 0-255. Tín hiệu tối đa được cho phép bởi mạch tương tự cho ADC sẽ được ghi lại là 255. Nếu 14 bit, các điện áp được gán một giá trị trong khoảng 0-16.383 với giá trị tối đa được gán giá trị nhị phân là 16.383, v.v.
Việc thực hiện khi bạn thực sự chụp ảnh:
Bạn sẽ nhận được sự khác biệt lớn nhất và số lượng chuyển màu tốt nhất giữa các yếu tố sáng nhất và tối nhất trong cảnh bạn đang chụp khi khuếch đại ở độ nhạy "cơ sở" của máy ảnh và thời gian màn trập và khẩu độ được kết hợp để tạo ra các yếu tố sáng nhất trong cảnh vừa đủ phơi sáng ở mức hoặc gần bão hòa hoàn toàn. Sử dụng giá trị ISO cao hơn sẽ hữu ích nếu không thể phơi sáng trong thời gian dài hoặc với khẩu độ đủ rộng để đạt đến độ bão hòa đầy đủ của các điểm nổi bật trong cảnh cho hình ảnh bạn muốn thực hiện. Nhưng sử dụng ISO cao hơn sẽ có giá. Tổng dải động được giảm bằng cách khuếch đại cao hơn các tín hiệu điện phát ra từ cảm biến.
Vậy tại sao chúng ta không luôn chụp ở ISO 100, hoặc bất kể ISO cơ sở của máy ảnh là gì, và sau đó đẩy phơi sáng sau trong bài? Bởi vì làm theo cách đó có xu hướng khuếch đại "nhiễu" trong ảnh thậm chí nhiều hơn so với chụp ở các giá trị ISO cao hơn. Bao nhiêu nữa phụ thuộc vào mức độ và mức giảm nhiễu được thực hiện đối với tín hiệu. Nhưng việc giảm ảnh hưởng của nhiễu bằng cách áp dụng giảm nhiễu cho các điện áp tương tự phát ra từ cảm biến cũng đi kèm với giá - các nguồn sáng rất mờ thường được lọc thành "nhiễu". Đó là lý do tại sao một số máy ảnh có hiệu suất ánh sáng thấp / ISO rất cao, về mặt giảm nhiễu, còn được các nhà nhiếp ảnh thiên văn gọi là "kẻ ăn sao".
Có một sự thay đổi nhỏ trong năng lượng chứa trong một photon dựa trên tần số mà nó đang dao động. Các photon dao động ở tần số thấp hơn sẽ giải phóng năng lượng ít hơn một chút khi đánh vào giác quan so với các photon dao động ở tần số cao hơn. Nhưng đối với các photon dao động ở một tần số / bước sóng cụ thể, lượng năng lượng được giải phóng khi chạm đáy giếng pixel là như nhau cho đến khi đạt được công suất đầy đủ.
² Chúng tôi gọi sự khác biệt giữa các yếu tố tối nhất và sáng nhất có thể được ghi lại bằng cảm biến (hoặc phim) là dải động của phương tiện ghi. Đối với mỗi điểm dừng tăng độ nhạy (ISO) với máy ảnh kỹ thuật số, chênh lệch điện áp tuyến tính giữa "không" và "bão hòa hoàn toàn" được giảm một nửa. Khi được chuyển đổi sang thang đo logarit, chẳng hạn như 'Ev', nhân đôi độ nhạy sẽ dẫn đến việc giảm một 'điểm dừng' của dải động (tất cả những thứ khác đều bằng nhau, điều này hiếm khi xảy ra).
Thêm vào câu trả lời xuất sắc của Michael Clark (mô tả việc cắt công suất đầy đủ và cắt ADC), có một số điểm khác trong đường ống chụp ảnh kỹ thuật số nơi việc cắt có thể xảy ra:
Đối với hình ảnh không phải RAW, trong quá trình hiệu chỉnh màu trên thiết bị / điều chỉnh gamma tự động trước khi nén và trong quá trình nén.
Khi bạn nén hình ảnh dưới dạng JPEG hoặc MPEG, phần cứng sẽ cắt giảm độ sâu bit thành bất kỳ phương tiện nén nào hỗ trợ, thường ít hơn nhiều so với độ sâu bit phần cứng. Do sự cắt ngắn đó, các giá trị gần cả hai cực trị độ sáng bị mất.
Trước khi nén, máy ảnh của bạn áp dụng hiệu chỉnh màu và điều chỉnh gamma có thể ảnh hưởng đến dải động hiệu quả phù hợp với độ sâu bit giới hạn do máy nén cung cấp. Ví dụ, khi quay video ở chế độ Nhật ký Canon, các phần tối nhất và sáng nhất của cảnh được kéo về mặt toán học về phía trung tâm để phạm vi động hiệu quả tăng lên đáng kể và ít phần của hình ảnh sẽ được cắt ở hai đầu của phạm vi.
Trong quá trình xử lý hậu kỳ. Khi thực hiện xử lý hậu kỳ làm thay đổi đáng kể độ sáng của hình ảnh, có thể các giai đoạn đầu của quá trình tính toán thực sự khiến các giá trị vượt quá phạm vi có thể được biểu thị chính xác bằng số bit được sử dụng để giữ chúng. Mặc dù hiếm, điều này đôi khi xảy ra và khi nó xảy ra, nó có thể gây ra sự cắt xén ngay cả ở những khu vực của bức ảnh không thực sự được cắt trong ảnh gốc.
Trong quá trình hiệu chỉnh gam màu trong khi in hoặc hiển thị hình ảnh. Khi thực hiện hiệu chỉnh màu, đôi khi bạn có thể nhận được các giá trị nằm ngoài gam có thể được sao chép chính xác bởi phương tiện đầu ra. Tại thời điểm đó, công cụ màu phải quyết định phải làm gì với các giá trị ngoài gam đó. Điều này cũng có hiệu quả trong việc cắt, mặc dù nó trông có vẻ hơi khác so với hầu hết mọi người nghĩ về khi họ nói về việc cắt, thường dẫn đến những thứ nhìn sai màu.
Giải thích theo kinh nghiệm dễ dàng:
Nhìn vào một bóng đèn rất sáng, nếu ánh sáng đủ sáng bạn sẽ không thể nhìn thấy bên trong bóng đèn vì đồng tử của bạn có thể đóng lại nhiều hơn và vẫn còn quá nhiều ánh sáng chiếu vào võng mạc của bạn, làm bão hòa nó và thông tin tiếp cận bộ não của bạn bị cắt xén (bạn chỉ nhìn thấy ánh sáng rực rỡ chứ không nhìn thấy các chi tiết bên trong ánh sáng). Đó là một trong những lý do tại sao nếu bạn cố gắng, bạn không nên làm điều đó, để nhìn trực tiếp vào một mặt trời giữa trưa rõ ràng, bạn sẽ không thể nhìn thấy mặt trời mà là một ánh sáng cực mạnh (Hãy coi chừng cố gắng làm điều đó mà không có bảo vệ đúng cách thực sự có thể gây hại vĩnh viễn cho mắt hoặc thiết bị chụp ảnh, ống kính và cảm biến của bạn)
Bất kỳ cảm biến nào hoạt động theo cùng một cách (từ máy ảnh của bạn hoặc cách khác). Khi tín hiệu (trong trường hợp này là ánh sáng) quá cao so với công suất của nó (đạt đến mức bão hòa), nó sẽ ghi lại bất kỳ thông tin bổ sung nào, không thể nhận ra thêm tín hiệu, chỉ truyền tín hiệu cao mà không có bất kỳ thông tin có giá trị nào trong đó.