Những khó khăn kỹ thuật đằng sau việc xây dựng một cảm biến có dải động cao như mắt người là gì?

17

Tại sao chúng ta chưa có cảm biến dải động cao có độ phơi sáng phù hợp trong mọi phần của bức ảnh?

hdr dynamic-range

— Andreas Hartmann
nguồn

2

Trên thực tế sau khi trả lời tôi thấy điều này đã được thảo luận ở đây . Nếu điều đó không trả lời mọi thứ cho bạn, hãy xem xét mở rộng câu hỏi của bạn với nhiều chi tiết hơn.

— mivilar

Một camera BlackMagic (video full HD) có EV là 14, camera video chuyên nghiệp hiện đại (4K) có 18 EV. Vì vậy, chúng tôi có những cảm biến này ...

— TFuto

20

Đã có camera với DR lớn hơn mắt người, cả tức thời và tổng thể. Phạm vi năng động của mắt người không lớn như hầu hết mọi người có xu hướng nghĩ. Như tôi nhớ, nó ở đâu đó khoảng 12 đến 16 EV, tức là ngang tầm với một chiếc DSLR hiện đại.

Sự khác biệt chính là chúng ta có điều khiển khẩu độ cực kỳ tự nhiên sẽ điều chỉnh cho các phần khác nhau của hình ảnh. Hiệu quả, bộ não của chúng ta tự động sắp xếp hình ảnh cho chúng ta. Khi chúng ta nhìn vào phần sáng của một cảnh, đồng tử của chúng ta co lại và chúng ta thấy chi tiết của phần sáng. Nếu chúng ta thay đổi tập trung vào phần tối hơn, đồng tử của chúng ta sẽ nhanh chóng mở ra và chúng ta thấy chi tiết của phần tối. Bộ não của chúng ta biết phần trước trông như thế nào và vì vậy chúng ta không nhận thấy sự thay đổi trong tầm nhìn ngoại vi của chúng ta, nhưng chúng ta thực sự không thấy nhiều chi tiết mà chúng ta không tập trung nữa.

Tương tự, ngay cả đối với tầm nhìn chung của con người, có những máy ảnh chuyên dụng có thể tối hơn chúng ta rất nhiều và vẫn nhìn thấy, đặc biệt là màu sắc, chúng hiện quá đắt để sản xuất cho công chúng vì chúng đòi hỏi vật liệu chất lượng rất cao và xây dựng Có được độ ồn sàn siêu thấp. Ngoài ra còn có các cảm biến có khả năng nhìn vào các vật thể rất sáng sẽ gây đau đớn cho mọi người khi nhìn vào.

— AJ Henderson
nguồn

AJ, DSLR không có dải động giống như mắt. đối với máy ảnh DSLR là 2 trên sức mạnh 14, đối với mắt người là 10 trên sức mạnh 14

— Romeo Ninov

@RomeoNinov - không dành cho DR ngay lập tức, chỉ rõ ràng. Bạn có một nguồn cho yêu cầu của bạn? Nguồn của tôi là ở đây "nếu chúng ta thay vào đó xem xét phạm vi động tức thời của mắt chúng ta (nơi độ mở đồng tử của chúng ta không thay đổi), thì máy ảnh sẽ tốt hơn nhiều. Điều này tương tự như nhìn vào một vùng trong một cảnh, để mắt chúng ta điều chỉnh và Trong trường hợp đó, hầu hết mọi người ước tính rằng mắt chúng ta có thể nhìn thấy bất cứ nơi nào từ 10-14 f-stop của dải động "

— AJ Henderson

@RomeoNinov - tài nguyên tốt hơn một chút . Vì vậy, đáng để chỉ ra rằng đôi mắt của chúng ta làm tốt hơn trong khi máy ảnh làm kém nhưng đôi mắt của chúng ta làm điều tồi tệ hơn nơi máy ảnh làm tốt hơn. Trong bóng tối, chúng ta có 20EV trong đó máy ảnh đã giảm EV. Trong độ sáng, chúng ta có khoảng 10EV nhưng máy ảnh có đầy đủ 12 đến 14EV. 10 ^ 14 là tổng phạm vi chúng ta có thể nhìn thấy khi mắt chúng ta điều chỉnh, không phải những gì chúng ta nhìn thấy bất cứ lúc nào. Và về vấn đề đó, máy ảnh cũng không giới hạn ở 2 ^ 14.

— AJ Henderson

có, các máy ảnh được giới hạn ở độ sâu bit của hình ảnh thô của bạn. Bạn không thể nhận được nhiều bit hoặc nhiều thông tin hơn từ hình ảnh. Tôi đồng ý rằng bộ não hình ảnh "nhìn thấy" không chỉ từ một ảnh chụp nhanh từ mắt, hơn nữa chúng tôi sử dụng hai mắt, trong đó thêm nhiều thông tin bổ sung vào hình ảnh trong não. Và trong tài nguyên mà bạn đề cập trong bình luận thứ hai, bạn thấy phạm vi năng động của mắt được hiển thị ở mức 10. Chỉ xác nhận lời nói của tôi. Ngay cả khi DR chỉ có 12 EV thì đó là 10 ^ 12, tức là hàng triệu triệu, so với 2 ^ 14 là 16384

— Romeo Ninov

1

Nhưng ngay cả một cảm biến bị giới hạn nghiêm trọng, giả sử, sáu điểm dừng DR tại bất kỳ thời điểm nào cũng có thể được sử dụng để đo chi tiết từ các giá trị rất tối đến rất sáng trong các khung hình liên tiếp bằng cách thay đổi Tv và Av! Xét về khẩu độ đó là những gì hệ thống mắt / não làm.

— Michael C

10

Nhìn thấy là một quá trình tích cực

Một vấn đề lớn là nhìn bằng mắt rất không giống như chụp ảnh - một hình ảnh cần bao gồm tất cả thông tin mà người nhìn có thể nhìn vào, nhưng thị lực bình thường là một quá trình tích cực bao gồm chuyển động của mắt, tập trung và giãn nở đồng tử theo đến các đối tượng chúng ta đang nhìn. Do đó, nếu bạn muốn chụp "những gì mắt nhìn thấy", về bản chất, bạn cần nắm bắt quan điểm tất cả các cài đặt mà mắt có thể sử dụng.

Câu hỏi của bạn là về phạm vi động, nhưng cùng một vấn đề xuất hiện với chi tiết trực quan và trọng tâm. Hình ảnh 'tương đương với cuộc sống' cần nhiều pixel hơn nhiều so với mắt bạn thực sự có thể chụp được, vì độ phân giải của mắt rất không đồng đều và trong khi bạn chỉ nhìn vào một điểm nhỏ với võng mạc có độ phân giải cao, thì cần một hình ảnh chi tiết hơn có sẵn vì bạn sẽ di chuyển mắt của bạn. Phim cần chọn một tiêu điểm duy nhất, trong khi con người có thể xem một 'hình ảnh duy nhất' với độ sâu hơn bằng cách nhanh chóng lấy nét mắt và / hoặc di chuyển chúng để nhìn thị giác hai mắt thích hợp ở các phạm vi dự định khác nhau (ví dụ: nhìn vào bề mặt của cửa sổ hoặc qua nó ), Vân vân.

Một phần của giải pháp chính xác là - sử dụng một camera nhanh nhiều lần (hoặc nhiều camera) để chụp nhiều loại hình ảnh ở các cài đặt khác nhau và hợp nhất chúng sau đó, HDR là ví dụ rõ ràng nhất - giống như mắt chúng ta, nó chủ động nhìn tại nhiều địa điểm khác nhau với các "cài đặt" khác nhau và chỉ sau đó bộ não của bạn hợp nhất tất cả trong một bức tranh hoặc phim mạch lạc. Những "hình ảnh" thực tế mà mắt chúng ta chụp còn tệ hơn cả máy ảnh tốt, đơn giản là sự kết hợp tinh thần của chúng là tốt.

— Peter là
nguồn

1

+1 cho quan điểm của bạn về trọng tâm trong phim. Điều này cũng liên quan đến một trong những lý do chính khiến nhiều người đau đầu khi xem phim 3D. Mắt phải tập trung vật lý vào màn hình, nhưng hình ảnh lập thể khiến não bộ nghĩ rằng một số phần của màn hình gần hoặc xa hơn so với thực tế, gây mỏi mắt khi bạn cố gắng nhìn thẳng vào chúng. Các hãng phim cố gắng giảm thiểu điều này bằng cách hiển thị tiêu điểm của cảnh ở cùng một vị trí trong cả hình ảnh bên trái và bên phải. Vì vậy, nếu bạn muốn xem xung quanh các chi tiết nền, đừng quên ibuprofen!

— bcrist

Việc nhìn thấy là một quá trình tích cực là một trong những lý do mà các nghệ sĩ thực sự giỏi có thể tạo ra những bức tranh trông đẹp hơn một bức ảnh đơn giản. Một bức ảnh đơn giản sẽ chụp mọi thứ trong cảnh với cùng quan điểm, tiêu cự, phơi sáng và các đặc điểm cân bằng trắng, trong khi mắt của một người thực sự đang xem cảnh có thể liên tục điều chỉnh khi họ nhìn vào các phần khác nhau. Một họa sĩ, không giống như một máy ảnh, có thể tạo ra một hình ảnh trong đó mỗi phần của cảnh trông giống như một người thực sự ở vị trí đó, nhìn vào nó.

— supercat

6

Hình ảnh tinh thần của bạn là sản phẩm của không chỉ võng mạc, mà nó còn tương tác với tất cả các thành phần khác liên quan đến thị giác, bao gồm cả đồng tử và tất nhiên là bộ não của bạn. Những gì có vẻ như là "một bức ảnh" trên thực tế là kết quả của việc điều chỉnh tốc độ cao và xử lý thông tin chứ không phải là một ảnh chụp nhanh.

Bạn có thể tìm thêm thông tin về chủ đề này ở đây .

— vui vẻ
nguồn

1

Hoàn toàn có thể chế tạo một cảm biến ánh sáng với các đặc tính logarit - một cảm biến như vậy sẽ có phạm vi động đáng kinh ngạc với chi phí độ phân giải giới hạn cho một mức phơi sáng cụ thể. Bắt cả hai đòi hỏi một ADC độ phân giải cao. Đối với hình ảnh CT, 24 bit tuyến tính thường được sử dụng - và sau đó logarit được lấy sau khi điều chỉnh bù để tạo hình ảnh CT.

Một cảm biến có cả điều khiển phơi sáng (thời gian tích hợp - nghĩ tốc độ màn trập) có thể làm tốt hơn và nếu bạn cho phép thay đổi hiệu quả thu thập ánh sáng (nghĩ số f), bạn sẽ có được sự linh hoạt cao hơn nữa.

Phạm vi động cuối cùng thường bị giới hạn bởi nhiễu đọc - khi bạn đọc điện tích lũy sẽ có một số lỗi - so với tín hiệu lớn nhất mà điện tử có thể hỗ trợ. Như tôi đã nói - 24 bit là phổ biến trong hình ảnh y tế và đó là tốt hơn 1 phần trong 10 triệu. Đó là một dải động cao hơn nhiều so với võng mạc cho một mức phơi sáng nhất định. Nhưng không được sử dụng phổ biến trong các máy ảnh thông thường vì mắt không thể đánh giá cao những chi tiết đó trong hình ảnh - và độ phân giải phải trả giá bằng tốc độ.

— Floris
nguồn