Мегапікселі необхідні!
Мегапіксельна гонка, безумовно, не є "зайвою". Послідовно протягом останнього десятиліття досягнуто прогресу на мегапіксельній фронті, стабільно підвищуючи якість зображення. Анекдотичні пристосування змусили б вас думати, що це неможливо, але є досить багато технологічних та виробничих удосконалень, які дозволили знизити рівень шуму, збільшити співвідношення сигнал-шум і збільшити динамічний діапазон, незважаючи на скорочення піксельних областей.
Я думаю, що поява 36,3-мегапіксельного сенсора Sony Exmor, який зараз використовується у Nikon D800, є чудовим прикладом того, що технологічні вдосконалення низького рівня можуть знизити рівень шуму та підвищити динамічність, але все ж дозволять значно збільшити роздільну здатність зображення. Я вважаю, що D800 - чудовий приклад того, чому мегапіксельна гонка, безумовно, не закінчена жодним чином.
Що стосується того, чи це лише вихваляння прав? Я сумніваюся в цьому. Кращі інструменти завжди можна ефективно використовувати в руках кваліфікованого майстра. Більш висока роздільна здатність і більш низький динамічний діапазон ISO мають деякі конкретні випадки використання високої вартості. А саме - пейзажна фотографія та деякі форми студійної фотографії. D800 знаходиться в дуже унікальному місці, пропонуючи якість зображення майже середнього формату в пакеті приблизно на 1/10 вартості. У деяких студіях немає заміни кращим, і вони використовуватимуть цифрові камери середнього формату в розмірі 40 000 доларів для забезпечення правильного сприйняття своїх клієнтів. Однак для багатьох інших студій і для багатьох пейзажних фотографів D800 - це реальна мрія: навантаження мегапікселів І високий динамічний діапазон.
Ні, мегапіксельна гонка, безумовно, не закінчена, і це, звичайно, не зайве. Конкуренція на всіх фронтах призводить до прогресу на всіх фронтах, і це лише завжди корисне для споживача.
Потенціал для вдосконалення
Якщо піти трохи глибше моїх висновків вище, то в історії є більше, ніж просто те, що конкуренція на всіх фронтах є хорошою. Технологічно, фізично і практично існують обмеження, які дійсно обмежуватимуть потенційні вигоди, оскільки ми продовжуємо збільшувати кількість піксельних датчиків. Як тільки ми досягнемо цих лімітів, корисні надбавки за розумну ціну доведеться досягти в іншому місці. Двома сферами, де це може статися, буде оптика та програмне забезпечення.
Технологічні обмеження
Технологічно існують чіткі обмеження на те, наскільки ви можете поліпшити IQ. Основним джерелом деградації зображення в датчиках є шум, і існує безліч електронно введених форм шуму, якими можна керувати. Я думаю, що Sony зі своїми датчиками Exmor дуже близькі до досягнення технологічних меж, якщо вони ще не мали цього. Вони використовували різноманітні патенти, щоб зменшити джерела виробництва шуму на апаратному рівні безпосередньо в своїх датчиках. Основні джерела шуму є керованим темновой ток шуму , шум зчитування , структурний шум , нерівномірність шуму , перетворення (або квантування) шуму і теплового шуму .
Як Sony, так і Canon використовують CDS або корельований подвійний вибірки для зменшення темнового шуму. Підхід Sony є сенсом більш ефективним, але обидва використовують по суті однаковий підхід. Шум читання є побічним продуктом посилення через коливання струму через ланцюг. Існує безліч запатентованих та експериментальних підходів до виявлення зміни напруги в ланцюзі та їх виправлення під час посилення для отримання "більш чистого, точного" результату зчитування. Sony використовує власний запатентований підхід у датчиках Exmor, у тому числі 36.3mp, який використовується у D800. Інші два типи електронного шуму перед перетворенням - це шум візерунка та шум неоднорідності. Вони є результатом розривів у реакції ланцюга та ефективності.
Шум картини - це фіксований аспект кожного з транзисторів, що використовуються для побудови одного пікселя датчика, та електронних воріт, що використовуються для ініціації зчитування та сигналу. На квантовому рівні майже неможливо зробити кожен окремий транзистор абсолютно однаковим один одному, і це створює фіксовану схему горизонтальних і вертикальних ліній в шумі датчика. Взагалі кажучи, зразковий шум є незначним фактором загального шуму, і це справді проблема лише в дуже низьких районах SNR або під час дуже тривалої експозиції. Шум візерунка можна порівняно легко усунути, якщо правильно підійти до проблеми. "Темний кадр" може бути сконструйований шляхом усереднення декількох зразків разом для створення шаблону зразка-шуму, який можна відрізняти від кольорового кадру, щоб видалити шум візерунка. Це по суті те, як працює видалення шуму з довгим опроміненням, і це також, як можна вручну видаляти фіксований шум із довгих експозицій. На апаратному рівні шум з фіксованою схемою може бути пом’якшений спаленням у шаблоні, який обертає ефекти FPN, таким чином, що різниці можна додавати / віднімати за час читання, аналогічно CDS, покращуючи тим самим «чистоту» зчитування пікселів. На сьогодні існує безліч експериментальних підходів до запису шаблонів FPN, а також більш абстрактних підходів.
Шум нерівномірності, який часто називають PRNU або Pixel Response Non Uniformity, є результатом незначних змін у квантовій ефективності (QE) кожного пікселя. QE відноситься до пікселів, здатних фіксувати фотони, і зазвичай оцінюється у відсотках. Наприклад, Canon 5D III має КЕ в 47%, що вказує на достатню ефективність для регулярного зйомки 47% фотонів, які досягають кожного пікселя. Фактичний QE на піксель може змінюватись на +/- пару відсотків, що видає інше джерело шуму, оскільки кожен піксель може не захоплювати стільки ж фотонів, скільки його сусіди, незважаючи на отримання тієї ж кількості падаючого світла. PRNU змінюється також при чутливості, і ця форма шуму може посилюватися в міру збільшення ISO. PRNU можна пом'якшити, нормалізуючи квантову ефективність кожного пікселя, мінімізуючи різницю між сусідами та по всій області датчиків. Поліпшення QE може бути досягнуто за рахунок зменшення зазору між фотодіодами в кожному пікселі, введення одного або декількох шарів мікроленз над кожним пікселем для заломлення нефотодіодного падаючого світла на фотодіод та використання технології датчика з підсвічуванням (яка багато рухається або всі зчитувані електропроводки та транзистори позаду фотодіоду, виключаючи ймовірність, що вони можуть перешкоджати падаючим фотонам і або відображати їх, або перетворювати їх на теплову енергію.)
Тепловий шум - це шум, що подається теплом. Тепло по суті є лише іншою формою енергії, і воно може збуджувати генерацію електронів у фотодіоді так само, як і фотон. Тепловий шум викликається безпосередньо нагріванням, часто через гарячі електронні компоненти, такі як процесор зображення або АЦП. Його можна пом'якшити шляхом термічної ізоляції таких компонентів від датчика або шляхом активного охолодження датчика.
Нарешті, виникає шум перетворення або шум квантування. Цей тип шуму створюється через властиві неточності під час АЦП або аналого-цифрового перетворення. Неінтегральне посилення (десятковий коефіцієнт посилення з цілою та дробовою частиною) зазвичай застосовується до сигналу аналогового зображення, зчитованому з датчика, при оцифровці зображення. Оскільки аналоговий сигнал та коефіцієнт підсилення - це дійсні числа, цифровий (інтегральний) результат перетворення часто є непослідовним. Коефіцієнт посилення 1 призведе до отримання одного ADU на кожен електрон, захоплений пікселем, однак реалістичніший коефіцієнт посилення може становити 1,46, у цьому випадку ви можете отримати 1 ADU на електрон в деяких випадках і 2 ADU на електрон в інших випадках. Ця невідповідність може внести шум перетворення / квантування в цифровий вихідний пост-АЦП. Цей внесок у шум досить низький, і видає досить точне відхилення шуму від пікселя до пікселя. Зняти програмне зменшення шуму досить просто.
Видалення електронних форм шуму може покращити чорну точку та чорну чистоту зображення. Чим більше форм електронного шуму ви зможете усунути чи пом'якшити, тим кращим буде співвідношення сигнал / шум навіть для дуже низьких рівнів сигналу. Це головний фронт, на якому Sony досягла значного прогресу зі своїми датчиками Exmor, що відкрило можливість справжнього динамічного діапазону 14 зупинок із справді приголомшливим відновленням тіні. Це також головна область, де багато конкуруючих технологій виготовлення датчиків відстають, особливо сенсори Canon та середнього формату. Зокрема, датчики Canon мають дуже високий рівень шуму зчитування, нижчий рівень нормалізації QE, нижчий загальний рівень QE і використовують CDS лише для пом'якшення темнового шуму в їхніх датчиках. Це призводить до набагато нижчого загального динамічного діапазону,
Після того, як всі форми електронного шуму будуть пом'якшені до рівнів, коли вони вже не мають значення, виробникам буде мало що вдається покращити в межах самих датчиків. Як тільки ця точка буде досягнута, то єдине, що дійсно має значення з точки зору квантової ефективності на піксель, - це область пікселів ... і з майже досконалими електронними характеристиками ми, можливо, можемо витримати розміри пікселів, значно менші, ніж датчики DSLR найвищої щільності сьогодні (який би був Nikon D800 з 4,6 мкм, Canon 7D із 4,3 мкм і, врешті, Nikon D3200 з 3,8 мкм.) Датчики стільникового телефону використовують пікселі розміром 1 мікрон, і продемонстрували, що такі пікселі є життєздатними і можуть виробляти досить пристойний IQ. Ця ж технологія в DSLR може піти ще далі з максимальним зниженням шуму,
Фізичні обмеження
Крім технологічних обмежень до досконалості якості зображення, існує кілька фізичних обмежень. Дві основні обмеження - фотонний шум та просторове дозвіл . Це аспекти фізичної реальності, і це речі, над якими ми не маємо особливого контролю. Вони не можуть бути пом'якшені технологічними вдосконаленнями, і вони є (і були) присутніми незалежно від якості нашого обладнання.
Фотонний шум або знімок фотонашум, є формою шуму через властиву непередбачуваності характеру світла. На квантовому рівні ми не можемо точно передбачити, який піксель може вражати фотон, або як часто фотони можуть вражати один піксель, а не інший. Ми можемо приблизно підігнати удари фотонів до кривої ймовірності, але ми ніколи не можемо зробити придатність ідеальною, тому фотони з рівного джерела світла ніколи не будуть ідеально і рівномірно розподілятися по області датчика. Цей фізичний аспект реальності створює основну частину шуму, який ми зустрічаємо на наших фотографіях, а посилення цієї форми шуму підсилювачами датчика є основною причиною, коли фотографії шуміть при більш високих налаштуваннях ISO. Нижчі співвідношення сигнал / шум означають, що існує менший загальний діапазон сигналу, в межах якого можна захоплювати і посилювати фотони тому більш високий SNR може допомогти пом’якшити наслідки фотонного шуму та допомогти нам досягти більш високих параметрів ISO ... проте сам фотонний шум неможливо усунути, і він завжди буде обмеженням IQ цифрової камери. Програмне забезпечення може відігравати роль у мінімізації шуму фотонного зйомки, а оскільки є деяка передбачуваність у світлі, вдосконалені математичні алгоритми можуть усунути переважну більшість цього виду шуму після того, як фотографії були зроблені та імпортовані у форматі RAW. Єдиним реальним обмеженням тут буде якість, точність та точність програмного забезпечення для зменшення шуму. вдосконалені математичні алгоритми можуть усунути переважну більшість цієї форми шуму після того, як фотографія була зроблена та імпортована у форматі RAW. Єдиним реальним обмеженням тут буде якість, точність та точність програмного забезпечення для зменшення шуму. вдосконалені математичні алгоритми можуть усунути переважну більшість цієї форми шуму після того, як фотографія була зроблена та імпортована у форматі RAW. Єдиним реальним обмеженням тут буде якість, точність та точність програмного забезпечення для зменшення шуму.
Просторова роздільна здатність - це ще один фізичний аспект двовимірних зображень, з якими ми маємо працювати. Просторові частоти або двовимірні форми хвилі різної освітленості є способом концептуалізації зображення, що проектується об'єктивом і записується датчиком. Просторова роздільна здатність описує масштаб цих частот і є фіксованим атрибутом оптичної системи. Що стосується датчиків, просторове дозвіл є прямим наслідком розміру датчика та щільності пікселів.
Просторове розділення часто вимірюється парами ліній на міліметр (лп / мм) або циклами на міліметр. D800 з 4,3 мкм або 4912 рядів пікселів на 24 мм висоти датчика здатний до 102,33 лп / мм. Цікаво, що Canon 7D зі своїми 3456 рядками пікселів у 14,9 мм висоти датчика здатний на 115,97 лп / мм ... більш висока роздільна здатність, ніж у D800. Аналогічно, Nikon D3200 з 4000 рядками пікселів у 15,4 мм висоти датчика буде здатний до 129,87 лп / мм. І 7D, і D3200 - це APS-C або датчики з обрізаною рамкою, менші за фізичними розмірами, ніж повнокадровий датчик D800. Якби ми продовжували збільшувати кількість мегапікселів у повнокадровому датчику, поки вони не мали такого ж розміру пікселів, як D3200 (3,8 мкм), ми могли б створити сенсор пікселя 9351x6234, або 58,3 мп. Ми могли б зробити цю думку до кінця, і припустимо, що можна створити повнокадровий датчик DSLR з таким же розміром пікселів, що і датчик в iPhone 4 (який добре відомий, щоб зробити дуже хороші фотографії з IQ, які, хоча і не такі хороші, як з DSLR, є більш ніж прийнятним), що становить 1,75 мкм. Це перекладається на сенсор пікселів 20571x13714, або 282,1 мп! Такий датчик може бути просторовим дозволом 285,7 л / мм, число, яке, як ви скоро побачите, має обмежене застосування.
Справжнє питання полягає в тому, чи була б така резолюція у форматі DSLR вигідною. Відповідь на це потенційно. Просторова роздільна здатність датчика являє собою верхню межу щодо можливої можливості всієї камери, якщо припустити, що у вас є відповідний об'єктив, здатний створити достатню роздільну здатність для максимізації потенціалу датчика. Лінзи мають власні фізичні обмеження щодо просторової роздільної здатності зображень, які вони проектують, і ці обмеження не є постійними ... вони змінюються залежно від діафрагми, якості скла та корекції аберації. Дифракція - це ще один фізичний атрибут світла, який зменшує максимальну потенційну роздільну здатність, коли він проходить через все більш вузький отвір (у випадку лінзи - це отвір - отвір). - це ще один фізичний аспект, що зменшує максимальну потенційну роздільну здатність. На відміну від дифракції, оптичні аберації збільшуються в міру збільшення діафрагми. Більшість лінз мають "солодке пляма", в цей момент ефекти оптичних аберацій та дифракції приблизно рівноцінні, і лінза досягає свого максимального потенціалу. "Ідеальний" об'єктив - лінза, яка не має жодної оптичної аберації, і є для цьогодифракція обмежена . Лінзи часто стають дифракційними, обмеженими приблизно f / 4.
Просторова роздільна здатність лінзи обмежена дифракцією та абераціями, і в міру збільшення дифракції по мірі зупинки діафрагми просторове дозвіл зменшується з розміром вхідної зіниці. При f / 4 максимальна просторова роздільна здатність ідеального об'єктива становить 173 лп / мм. При f / 8 дифракційна лінза здатна до 83 лп / мм, що приблизно така ж, як у більшості повнокадрових DSLR (за винятком D800), яка становить приблизно від 70-85 лп / мм. При f / 16 дифракційна лінза здатна досягати лише 43 лп / мм, половина дозволу більшості повнокадрових камер і менше половини роздільної здатності більшості камер APS-C. Ширше f / 4, для лінзи, на яку все ще впливають оптичні відхилення, роздільна здатність може швидко знизитися до 60 лп / мм або менше і до 25-30 лп / мм для надшвидкого ширококутного f / 1,8 або більш швидкого прайме . Повертаючись до нашої теоретичної 1. Датчик FF на 75 мікронів пікселів 282 Мп ... він міг би просторову роздільну здатність 285 лп / мм. Для досягнення такої просторової роздільної здатності вам знадобиться ідеальна дифракційна лінза f / 2.4. Така лінза потребує надзвичайної корекції аберації, що значно збільшує вартість. Існують деякі лінзи, які дозволяють досягти майже ідеальних характеристик при ще більш широких отворах (на думку приходить спеціалізований об'єктив від Zeiss, який нібито здатний приблизно 400 лп / мм, що вимагатиме діафрагми приблизно f / 1,6-f / 1,5), однак вони рідкісні, вузькоспеціалізовані та надзвичайно дорогі. Набагато простіше досягти досконалості навколо f / 4 (якщо в останні кілька десятиліть виготовлення лінз є натяком), що свідчить про те, що максимальна життєздатна, економічно вигідна роздільна здатність лінзи становить приблизно 173 лп / мм або на дотик менше. він би здатний до просторової роздільної здатності 285 лп / мм. Для досягнення такої просторової роздільної здатності вам знадобиться ідеальна дифракційна лінза f / 2.4. Така лінза потребує надзвичайної корекції аберації, що значно збільшує вартість. Існують деякі лінзи, які дозволяють досягти майже ідеальних характеристик при ще більш широких отворах (на думку приходить спеціалізований об'єктив від Zeiss, який нібито здатний приблизно 400 лп / мм, що вимагатиме діафрагми приблизно f / 1,6-f / 1,5), однак вони рідкісні, вузькоспеціалізовані та надзвичайно дорогі. Набагато простіше досягти досконалості навколо f / 4 (якщо в останні кілька десятиліть виготовлення лінз є натяком), що свідчить про те, що максимальна життєздатна, економічно вигідна роздільна здатність лінзи становить приблизно 173 лп / мм або на дотик менше. він би здатний до просторової роздільної здатності 285 лп / мм. Для досягнення такої просторової роздільної здатності вам знадобиться ідеальна дифракційна лінза f / 2.4. Така лінза потребує надзвичайної корекції аберації, що значно збільшує вартість. Існують деякі лінзи, які дозволяють досягти майже ідеальних характеристик при ще більш широких отворах (на думку приходить спеціалізований об'єктив від Zeiss, який нібито здатний приблизно 400 лп / мм, що вимагатиме діафрагми приблизно f / 1,6-f / 1,5), однак вони рідкісні, вузькоспеціалізовані та надзвичайно дорогі. Набагато простіше досягти досконалості навколо f / 4 (якщо в останні кілька десятиліть виготовлення лінз є натяком), що свідчить про те, що максимальна життєздатна, економічно вигідна роздільна здатність лінзи становить приблизно 173 лп / мм або на дотик менше. 4 лінзи для досягнення такої просторової роздільної здатності. Така лінза потребує надзвичайної корекції аберації, що значно збільшує вартість. Існують деякі лінзи, які дозволяють досягти майже ідеальних характеристик при ще більш широких отворах (на думку приходить спеціалізований об'єктив від Zeiss, який нібито здатний приблизно 400 лп / мм, що вимагатиме діафрагми приблизно f / 1,6-f / 1,5), однак вони рідкісні, вузькоспеціалізовані та надзвичайно дорогі. Набагато простіше досягти досконалості навколо f / 4 (якщо в останні кілька десятиліть виготовлення лінз є натяком), що свідчить про те, що максимальна життєздатна, економічно вигідна роздільна здатність лінзи становить приблизно 173 лп / мм або на дотик менше. 4 лінзи для досягнення такої просторової роздільної здатності. Така лінза потребує надзвичайної корекції аберації, що значно збільшує вартість. Існують деякі лінзи, які дозволяють досягти майже ідеальних характеристик при ще більш широких отворах (на думку приходить спеціалізований об'єктив від Zeiss, який нібито здатний приблизно 400 лп / мм, що вимагатиме діафрагми приблизно f / 1,6-f / 1,5), однак вони рідкісні, вузькоспеціалізовані та надзвичайно дорогі. Набагато простіше досягти досконалості навколо f / 4 (якщо в останні кілька десятиліть виготовлення лінз є натяком), що свідчить про те, що максимальна життєздатна, економічно вигідна роздільна здатність лінзи становить приблизно 173 лп / мм або на дотик менше. Існують деякі лінзи, які дозволяють досягти майже ідеальних характеристик при ще більш широких отворах (на думку приходить спеціалізований об'єктив від Zeiss, який нібито здатний приблизно 400 лп / мм, що вимагатиме діафрагми приблизно f / 1,6-f / 1,5), однак вони рідкісні, вузькоспеціалізовані та надзвичайно дорогі. Набагато простіше досягти досконалості навколо f / 4 (якщо в останні кілька десятиліть виготовлення лінз є натяком), що свідчить про те, що максимальна життєздатна, економічно вигідна роздільна здатність лінзи становить приблизно 173 лп / мм або на дотик менше. Існують деякі лінзи, які дозволяють досягти майже ідеальних характеристик при ще більш широких отворах (на думку приходить спеціалізований об'єктив від Zeiss, який нібито здатний приблизно 400 лп / мм, що вимагатиме діафрагми приблизно f / 1,6-f / 1,5), однак вони рідкісні, вузькоспеціалізовані та надзвичайно дорогі. Набагато простіше досягти досконалості навколо f / 4 (якщо в останні кілька десятиліть виготовлення лінз є натяком), що свідчить про те, що максимальна життєздатна, економічно вигідна роздільна здатність лінзи становить приблизно 173 лп / мм або на дотик менше.
Коли ми враховуємо фізичні обмеження рівняння того, коли закінчиться мегапіксельна гонка, ми виявимо, що (якщо припустити, що досягається технологічна досконалість) найвища економічна роздільна здатність становить близько 173 лп / мм. Йдеться про 103-мільйонний повнорозмірний або 40-кратний датчик APS-C. Слід зазначити, що висока роздільна здатність датчика бачить переваги лише при все більш вузькій діапазоні діафрагми приблизно f / 4, де продуктивність об'єктива оптимальна. Якщо виправлення оптичних відхилень стане простішим, ми можемо досягти більш високих дозволів, виштовхуючи 200 лп / мм, але знову ж таки такі роздільні можливості будуть можливі лише при максимальній діафрагмі або поблизу неї, де, як і у всіх інших діафрагмах, загальна роздільна здатність вашої камера буде нижчою, потенційно набагато нижчою, ніж те, на що здатний сам датчик.
Тож коли закінчується мегапіксельна гонка?
Відповідь на це запитання насправді не є певним, на що я можу відповісти. Зрештою, це особистий вибір, і буде залежати від різноманітних факторів. Деякі фотографи можуть завжди бажати потенціалу, який датчики високої роздільної здатності можуть запропонувати при ідеальній діафрагмі, доки вони фотографують сцени з все більш тонкими деталями, які потребують такої роздільної здатності. Інші фотографи можуть віддавати перевагу покращеному сприйняттю різкості, що досягається вдосконаленням характеристик датчиків нижчої роздільної здатності. Для багатьох фотографів я вважаю, що гонка на мегапікселі вже закінчилася, в пакеті FF DSLR близько 20 мп є більш ніж достатньо. Крім того, багато фотографів бачать якість зображення в абсолютно іншому світлі, віддаючи перевагу частоті кадрів та можливості безперервного зйомки більшої кількості кадрів із меншою роздільною здатністю, першорядне значення для їхнього успіху як фотографа. У таких випадках багато шанувальників Nikon вказували, що близько 12 Мп більш ніж достатньо, щоб вони могли чітко чітко фіксувати 10 кадрів в секунду.
У технологічному та фізичному відношенні ще є величезна кількість можливостей для зростання та продовження досягнення мегапікселів та роздільної здатності. Де гонка закінчує нас до вас. Різноманітність варіантів на столі ніколи не було вищим, ніж сьогодні, і ви можете вибирати поєднання роздільної здатності, розміру датчика та можливостей камери, таких як AF, ISO та DR, які відповідають вашим потребам.
