Làm thế nào phạm vi động có thể lớn hơn độ sâu bit cảm biến?

23

Tìm thấy thứ gì đó làm tôi bối rối và vì vậy tôi nghĩ rằng đám đông ở đây có thể trả lời câu hỏi này vì máy ảnh và kỹ thuật của nó cùng một lúc.

Ai đó đã gửi cho tôi kết quả DXOMark cho Pentax K-5 cho thấy 14,1 EV của dải động ở ISO thấp nhất. Tuy nhiên, do cảm biến là 14 bit, điều này không phù hợp với trực giác của tôi ... Có vẻ lạ khi một thiết bị tuyến tính như cảm biến CMOS có thể thu được nhiều DR hơn so với bit. Nó sẽ có một dải động thưa thớt, bỏ qua EV ở giữa?

sensor dynamic-range bit-depth

— Ý
nguồn

Điểm DxO Mark cho Dải động trong tab in là điểm lý thuyết được nội suy , không phải là phép đo thực tế. Vui lòng đọc trang trên trang web của họ, nơi điểm số và cách tính toán được giải thích. DR bên dưới tab màn hình là số thực tế hơn cho cảm biến 14 bit: 13,44 EV.

— Michael C

Xem câu trả lời và nhận xét này: photo.stackexchange.com/a/47512/15871

— Michael C

16

Cambridge in Color có một bài viết rất hay về điều này. Nếu cảm biến có bộ chuyển đổi A / D tuyến tính, độ sâu bit sẽ giới hạn phạm vi động ở mức 14 EV là giới hạn lý thuyết. Tuy nhiên, nếu nó không tuyến tính, thì độ sâu bit không nhất thiết phải tương quan. Từ đó, tôi nghĩ rằng chúng ta có thể xác định rằng cảm biến trong K-5 không có bộ chuyển đổi A / D tuyến tính.

Tôi có thể nói, từ kinh nghiệm cá nhân, cảm biến này chắc chắn có phạm vi động rất lớn. Tôi đã tìm cách khôi phục một hình ảnh gần 8 điểm bị thiếu sáng trên K-5.

— John Cavan
nguồn

Bạn có chắc chắn đó không phải là ISO1600 chứ không phải ISO16000 mà bạn đã chụp vào thời gian còn lại không? Điều này sẽ làm cho hình ảnh chỉ có hơn 4 điểm dừng quá mức, không phải 8 và tương quan mà không thực tế bạn đã sử dụng bù phơi sáng +4 trong ACR. Nó vẫn rất ấn tượng, tôi chỉ muốn chắc chắn rằng các con số là chính xác.

— Matt Grum

1

Đúng, đó là 16000, tôi có một hình ảnh khác từ chuỗi (và chủ thể) có cùng khẩu độ và tốc độ màn trập để tham khảo (Tôi sẽ đăng nó, nhưng tôi không ở nhà để lấy nó). ACR chỉ cho phép điều chỉnh 4 điểm dừng khi phơi sáng, vì vậy tôi cũng phải đẩy đèn rọi lên 100 để có thêm chi tiết. Hmm, có lẽ tôi nên cập nhật bài viết với một số bước trung gian. Tôi đã thấy một ví dụ tương tự với 10 điểm dừng có chủ ý và đó là những gì đã kích hoạt nâng cấp của tôi bây giờ thay vì vào tháng Giêng. :)

— John Cavan

+1, bài viết Cambridge in Color rất tuyệt vời. Nó thực hiện một công việc tuyệt vời là giải thích giá trị của các ảnh lớn hơn ("giếng" sâu hơn) và cách chúng ảnh hưởng đến phạm vi động. Có lẽ cũng cần lưu ý rằng hầu hết các cảm biến không hoàn toàn tuyến tính, hầu hết đều có tín hiệu A / D bị suy giảm. đường cong (đường cong S) khi bạn đạt đến cực trị của bóng và tô sáng. Trong RAW, một cảm biến kỹ thuật số có thể thu thập rất nhiều dữ liệu mà sau này có thể được phục hồi, như bài viết của bạn đã chứng minh.

— jrista

@jrista - Cambridge in Color là một trong những trang web nhiếp ảnh đầu tiên tôi từng gặp khi bắt đầu chụp ảnh dSLR. Tôi tiếp tục quay lại với họ, được viết rất tốt và dễ theo dõi.

— John Cavan

@ John: Đồng ý. CinC là một trang web tuyệt vời, và được viết rất tốt ở mức độ hữu ích cho cả người mới bắt đầu và các nhiếp ảnh gia có kinh nghiệm. Đó là một điều khó khăn để làm.

— jrista

7

Làm thế nào phạm vi động có thể lớn hơn độ sâu bit cảm biến?

Phạm vi động là logarit của tỷ lệ giữa cường độ sáng nhất và cường độ tối nhất trên phần tuyến tính của đường cong cảm giác. Có thể có các định nghĩa khác, nhưng nói chung nó bắt nguồn từ tỷ lệ của hai cường độ, tính chất vật lý khách quan của cảnh. Đó là một con số thực sự.

Độ sâu bit là số bit trên mỗi kênh được sử dụng để định lượng biến liên tục. Độ sâu bit hơn cho màu xám khác biệt hơn ở giữa. Đây hoàn toàn là một câu hỏi về cách một hình ảnh được thể hiện trong bộ nhớ máy tính.

Phạm vi động phản ánh mức độ tương phản của cảm biến có thể đăng ký. Độ sâu bit phản ánh có bao nhiêu màu sắc khác nhau mà máy ảnh có thể đặt tên cho tên. Hoặc vào bao nhiêu mảnh máy ảnh có thể phân chia phạm vi. Nếu một máy ảnh là một thước đo, thì dải động sẽ là (logarit của) độ dài của thước đo và độ sâu bit sẽ là (logarit của) các dấu dọc theo cạnh của nó. Và bạn có thể chia chiều dài thành bao nhiêu phần tùy thích. Tương tự, độ sâu bit không nhất thiết phải giống với dải động.

Nếu phạm vi động là S EV và độ sâu bit là n , thì điều đó có nghĩa là máy ảnh có thể đăng ký các cảnh có độ tương phản ít nhất bằng

$I_{max}/I_{min} = 2^S$

(Trên thực tế nhiều hơn một chút nếu bạn cũng sử dụng phần phi tuyến tính của đường cong phản ứng cảm biến). Và về mặt lý thuyết bạn có thể phân biệt

$N=2^n$

sắc thái của màu xám.

Tôi sở hữu một máy ảnh nhỏ gọn có thể ghi RAW 12 bit. Lấy cảm hứng từ độ sâu bit cao, dải động của nó rất khiêm tốn. Bạn có thể chụp ảnh một tình huống ngược lại, khi cảm biến có thể đăng ký một cảnh có độ tương phản cao, không bị quá sáng và thiếu sáng, nhưng nếu độ sâu bit thấp, cảnh đó sẽ được thể hiện bằng một vài màu trung gian.

— sastanin
nguồn

+1, câu trả lời tuyệt vời. Một mẹo: Tôi tin rằng từ bạn cần thay cho "disretize" là "quantize": Quantize -verb: Math, Vật lý. để hạn chế (một lượng thay đổi) đối với các giá trị rời rạc hơn là một tập hợp các giá trị liên tục.

— jrista

Cảm ơn bạn. Tiếng Anh của tôi không hoàn hảo, nhưng dường như trong thế giới điện toán và toán học rời rạc thì phù hợp hơn khi không gian liên tục được thay thế bằng một không gian riêng biệt tương đương cho mục đích tính toán en.wiktionary.org/wiki/discretize (ví dụ như thật số có giá trị dấu phẩy động hoặc số nguyên). Discretization là một quyết định kỹ thuật phần mềm. Thay vào đó, biến số lượng tử là một biến mà tất cả các giá trị đều bị cấm ngoại trừ một số. Vì vậy, lượng tử hóa có vẻ như là một hạn chế vật lý đối với tôi. Nhưng có thể bạn đúng.

— sastanin

Về mặt kỹ thuật, một cảm biến sẽ "định lượng" ánh sáng thành các "thùng" giới hạn, vật lý cụ thể. Nếu chúng tôi giả sử hình ảnh RAW 12 bit, có 4096 "lượng tử" riêng biệt mà bạn có thể 'rời rạc' thành. Trong trường hợp rời rạc có nghĩa là bạn có thể kết hợp một không gian thực thành một số lượng không gian kín đáo khác nhau, với một cảm biến, không gian riêng biệt được cố định và chỉ có 4096 giá trị riêng biệt bạn có thể chuyển đổi không gian tương tự thành. Nó có thể là một điểm moot, nhưng tôi nghĩ rằng lượng tử hóa được áp dụng nhiều hơn ở đây. ;)

— jrista

ĐƯỢC. Tôi đã bị thuyết phục.

— sastanin

@jrista Trong khi chúng ta thảo luận về tiếng Anh, từ bạn muốn là "rời rạc", không "kín đáo".

— coneslayer

2

Đầu tiên để rõ ràng, dải động có mối quan hệ nghịch đảo với nhiễu - nhiễu thấp (tất cả các mức khác bằng nhau) dẫn đến dải động lớn hơn. Nhiễu chủ yếu đến từ các thiết bị điện tử cảm biến (nhiễu đọc, nhiễu dòng tối), từ bản chất rời rạc của ánh sáng (nhiễu photon / bắn) và từ chuyển đổi từ tương tự sang kỹ thuật số (nhiễu lượng tử hóa).

Điểm phạm vi động đánh dấu DXO dựa trên sự chênh lệch giữa cường độ ánh sáng cần thiết để bão hòa cảm biến và cường độ ánh sáng mà SNR đạt 1: 1 (tức là điểm mà tín hiệu bằng nhiễu)

Bạn sẽ mong đợi rằng trong trường hợp không có nhiễu bắn và nhiễu đọc thì DR của cảm biến có đáp ứng tuyến tính sẽ bằng độ sâu bit. Với điểm số của K-5 khi có các nguồn nhiễu này cho tôi biết rằng đường ống hình ảnh có mức độ phi tuyến vừa phải (tất cả các cảm biến đều có một số phi tuyến vốn có), có lẽ được thiết kế theo cách đó để tăng phạm vi động.

Sự phi tuyến tính giúp thoát khỏi giới hạn độ sâu bit, bit những gì bạn đạt được khi tăng dần trong bóng tối mà bạn mất ở nơi khác trong tonecurve (mặc dù có lẽ ở đâu đó ít quan trọng hơn). Không có những điều như một bữa ăn trưa miễn phí!

Đối với K-5, lớp này dẫn đầu ở độ nhạy ISO thấp, được xác định chủ yếu bằng nhiễu đọc. Thật tuyệt khi thấy các nhà sản xuất chuyển sự chú ý của họ sang khu vực này và nó hoàn toàn xứng đáng với sự chú ý, tuy nhiên phạm vi động ở độ nhạy sáng ISO cao hơn bị chi phối bởi nhiễu photon chỉ bị phản xạ khi thu được nhiều ánh sáng hơn, vì vậy các cảm biến lớn sẽ luôn có lợi thế ở đây . Vì một số người chủ yếu chụp ISO400 trở lên nên rất đáng để ghi nhớ điều này!

— Matt Grum
nguồn

Tôi đồng ý, ở ISO80, K-5 tuyệt đẹp và tích hợp tốt với một số định dạng trung bình và khung hình đầy đủ cho các phạm vi ISO thấp hơn. Khi ISO bắt đầu nhảy, nó bắt đầu mất vị trí dẫn đầu. Tuy nhiên, nó vẫn cố gắng ở gần nhau, vì vậy đó hoàn toàn là thành tựu của Sony (người chế tạo cảm biến) và Pentax (người thực hiện nó). D7000 có các đặc điểm rất giống nhau do đó là một biến thể trên cùng một cảm biến và Nikon đã làm rất tốt khi triển khai chúng.

— John Cavan

0

"Phạm vi động" (DR) không phải là một đặc tính tuyệt đối.

Định nghĩa thô nhất của DR là "tỷ lệ giữa cường độ xám sáng nhất và tối nhất mà cảm biến có thể ghi lại tốt".

DR của cảm biến kỹ thuật số được lấy từ hai phép đo:

cường độ cắt [đối với kênh nhạy nhất] ở nhiệt độ màu nhất định (DxO rất có thể sử dụng D65);
cường độ tạo ra lượng nhiễu biên (nghĩa là nếu trời tối hơn thì tiếng ồn không thể chấp nhận được).

Sau đó, bạn có hai cách tính DR của hình ảnh kỹ thuật số.

Cách ngu ngốc là sử dụng dữ liệu pixel để tính toán độ nhiễu ("màn hình" trên trang web DxO). Nếu bạn tính DR của cảm biến tuyến tính với X bit ADC theo cách này thì nó không thể lớn hơn X EV.
Cách thông minh (là cách duy nhất có thể để so sánh ảnh từ máy ảnh với độ phân giải khác nhau) là tính đến độ phân giải khi tính toán nhiễu (đo "in" trên DxO). DR không bị giới hạn bởi ADC theo cách này, người ta có thể tạo ra một máy ảnh có cảm biến lớn hơn và cùng một ADC và nó sẽ có dải động nhận biết lớn hơn.

Vì vậy, bạn sẽ không tìm thấy bất kỳ máy ảnh nào DR "màn hình" được biểu thị bằng EV vượt quá độ phân giải ADC được biểu thị bằng bit.

Nhận xét về câu trả lời khác:

Từ đó, tôi nghĩ rằng chúng ta có thể xác định rằng cảm biến trong K-5 không có bộ chuyển đổi A / D tuyến tính.

Không có một cảm biến kỹ thuật số duy nhất với chuyển đổi A / D phi tuyến được phát triển. Mọi chuyển đổi âm sắc mà máy ảnh thực hiện (bao gồm các chế độ đầu ra đặc biệt của máy ảnh rạp chiếu phim và dòng Sony A7 nói riêng) được thực hiện bằng cách sử dụng dữ liệu rời rạc.

Kodak DCS Pro 14n có chế độ vận hành ADC độ dốc kép, trong đó đầu ra là tuyến tính.

Với điểm số của K-5 với sự hiện diện của các nguồn nhiễu này cho tôi biết rằng đường ống hình ảnh có mức độ phi tuyến vừa phải

K-5 có phản hồi phẳng hoàn toàn (như mọi máy ảnh khác có lẽ loại trừ duy nhất là Kodak DCS Pro). Tôi đã tự đo nó.

Lưu ý: Phòng thí nghiệm DxO không thay đổi kích thước hoặc in bất cứ thứ gì cho phép đo "in", họ sử dụng hệ số cộng hưởng trong các công thức. Sidenote: trong bài này "tuyến tính" không phải là "logic".

— Eurinh Pinhollow
nguồn