Як динамічний діапазон може бути більшим за бітову глибину датчика?

23

Знайшов щось, що мене бентежило, і тому я подумав, що натовп тут, можливо, може відповісти на це, оскільки його камера та технічна одночасно.

Хтось надіслав мені результати DXOMark для Pentax K-5, який показує 14,1 EV динамічного діапазону при найнижчій ISO. Однак, враховуючи, що датчик має 14 біт, це не відповідає моїй інтуїції ... Мабуть, дивно, що лінійний пристрій на зразок CMOS-датчика може захоплювати більше DR, ніж у нього біт. Чи мав би він розріджений динамічний діапазон, пропускаючи ЕВ в середині?

sensor dynamic-range bit-depth

— Ітаї
джерело

Оцінка DxO Mark для динамічного діапазону на вкладці друку - це інтерпольована теоретична оцінка, а не фактичне вимірювання. Будь ласка, прочитайте сторінку на їхньому сайті, де пояснюються бали та як вони обчислюються. DR на вкладці екрану - більш реалістичне число для 14-бітового датчика: 13,44 EV.

— Michael C

Дивіться цю відповідь та коментарі: photo.stackexchange.com/a/47512/15871

— Michael C

16

Кембридж у кольорі має дуже гарну статтю з цього приводу. Якщо датчик має лінійний A / D перетворювач, то бітова глибина обмежує динамічний діапазон при 14 ЕВ як теоретична межа. Однак якщо вона нелінійна, то глибина бітів не обов'язково співвідноситься. З цього я думаю, що ми можемо визначити, що датчик у К-5 не має лінійного перетворювача A / D.

З особистого досвіду можу сказати, що цей датчик, безумовно, має величезний динамічний діапазон. Мені вдалося відновити зображення, яке було близьким до 8 зупинок, неекспонованих на К-5.

— Джон Каван
джерело

Ви впевнені, що в інший час це було не ISO1600, а не ISO16000? Це зробило б зображення трохи більше 4 зупинок переекспонованим, а не 8, а співвідносити без факту ви використовували компенсацію експозиції +4 в ACR. Це все ще вражає, я просто хочу переконатися, що цифри є правильними.

— Метт Грум

1

Так, це було 16000, у мене є ще одне зображення з послідовності (та предметів) з такою ж діафрагмою та швидкістю затвора для довідки (я б опублікував це, але я не вдома, щоб отримати його). ACR дозволяє лише налаштувати 4 зупинки експозиції, тому мені також довелося натиснути світло заливки до 100, щоб отримати більш детальну інформацію. Хм, можливо, я повинен оновлювати статтю деякими проміжними кроками. Я бачив подібний приклад із навмисними 10 зупинками, і саме це спричинило моє оновлення зараз, а не в січні. :)

— Джон Каван

+1, що стаття Cambridge in Color відмінна. Це чудово допомагає пояснити значення більших фотосайтів (глибші "колодязі") та те, як вони впливають на динамічний діапазон. Напевно, слід також зазначити, що більшість датчиків не є чисто лінійними, більшість мають ослаблений A / D конв. крива (S-крива), коли ви доходите до крайностей тіні та виділення. У RAW цифровий датчик може зафіксувати багато даних, які згодом можна буде відновити, як показала ваша стаття.

— jrista

@jrista - Кембридж у кольорі був одним із перших сайтів з фотографією, які я коли-небудь потрапляв, коли я почав зніматись у dSLR. Я продовжую повертатися до них, дуже добре написані і легко слідкувати за речами.

— Джон Каван

@John: Погодився. CinC - чудовий сайт, який дуже добре написаний на рівні, який корисний як початківцям, так і досвідченим фотографам. Це складна річ.

— jrista

7

Як динамічний діапазон може бути більшим за бітову глибину датчика?

Динамічний діапазон - це логарифм співвідношення між найяскравішим і найтемнішим інтенсивністю на лінійній частині кривої чутливості. Можуть бути й інші визначення, але загалом це походить від співвідношення двох інтенсивностей, об'єктивних фізичних властивостей сцени. Це реальна кількість.

Бітова глибина - це кількість бітів на канал, що використовується для квантування безперервної змінної. Більша бітова глибина надає більш чіткі відтінки сірого між ними. Це суто питання про те, як зображено зображення в пам'яті комп'ютера.

Динамічний діапазон відображає, наскільки контраст може зареєструвати датчик. Бітова глибина відображає, скільки різних кольорів фотокамері можна «давати імена». Або на скільки штук камера може розділити діапазон. Якби камера була лінійкою, то динамічним діапазоном був би (логарифм) довжини лінійки, а бітова глибина - це (логарифм) кількості знаків по її краю. А ви можете розділити довжину на стільки штук, скільки вам подобається. Аналогічно, глибина біту не повинна бути такою ж, як динамічний діапазон.

Якщо динамічний діапазон S EV, а бітова глибина n , то це означає, що камера може реєструвати сцени з контрастом принаймні настільки великі, як

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

(Насправді трохи більше, якщо ви також використовуєте нелінійну частину кривої реакції датчика). І теоретично можна розрізнити

$N=2^n$

відтінки сірого.

У мене є компактна камера, яка може записувати 12-бітну RAW. Незважаючи на високу бітову глибину, його динамічний діапазон дуже скромний. Можна зобразити протилежну ситуацію, коли датчик може реєструвати сценку з високим контрастом, без надмірного і недоекспозиції, але якщо бітова глибина мала, ця сцена буде представлена кількома проміжними кольорами.

— зустрічі
джерело

+1, чудова відповідь. Одна порада: я вважаю, що слово, яке вам потрібно замість "дискретизувати", - це "квантування": квантування -верб: математика, фізика. обмежити (змінна кількість) дискретними значеннями, а не суцільним набором значень.

— jrista

Дякую. Моя англійська мова далеко не ідеальна, але, здається, у світі обчислювальної техніки та математики більш доцільним є дискретизація , коли суцільний простір замінено на еквівалентний дискретний простір для обчислення en.wiktionary.org/wiki/discretize (наприклад, реальний число зі значенням IEEE з плаваючою комою або цілим числом). Дискретизація - це рішення програмного забезпечення. Квантована змінна для мене - це змінна, для якої всі значення заборонені, крім деяких. Тому «квантований» звучить як фізичне обмеження для мене. Але, можливо, ти маєш рацію.

— зустріч

Технічно кажучи, датчик "квантує" світло в конкретні, фізично обмежені "відра". Якщо припустити 12-бітове RAW-зображення, є 4096 дискретних "квантів", до яких можна "дискретизувати". Якщо дискретизація означатиме, що ви можете перетворити реальний простір у змінну кількість дискретних просторів, за допомогою датчика дискретний простір фіксується, і є лише 4096 конкретних дискретних значень, на які можна було б перетворити аналоговий простір. Це може бути суперечливим питанням, але я думаю, що квантування тут більше застосовне. ;)

— jrista

ДОБРЕ. Я переконаний.

— зустріч

@jrista Поки ми обговорюємо англійську мову, слово, яке ви хочете, - "дискретно", а не "дискретно".

— співмешканець

2

По-перше, щоб бути зрозумілим, динамічний діапазон має зворотне відношення до шуму - низький рівень шуму (всі інші рівні) призводить до збільшення динамічного діапазону. Шум надходить насамперед від сенсорної електроніки (шум читання, шум темного струму), від дискретного характеру світла (шум фотона / пострілу) і від перетворення з аналогового в цифрове (шум квантизації).

Оцінки динамічного діапазону знаків DXO засновані на різниці між інтенсивністю світла, необхідною для насичення датчика, та інтенсивністю світла, при якій SNR потрапляє в значення 1: 1 (тобто точка, в якій сигнал дорівнює шуму)

Ви б очікували, що за відсутності шуму пострілу та шуму зчитування, що DR датчика з лінійною характеристикою буде дорівнює бітовій глибині. Враховуючи показник K-5 за наявності цих джерел шуму, мені вказує, що трубопровід зображення має помірний ступінь нелінійності (всі датчики мають певну нелінійність), ймовірно, це було розроблено для збільшення динамічного діапазону.

Нелінійність допомагає уникнути межі глибини, трохи ви отримаєте в градаціях тіней, які ви втрачаєте в іншому місці в тоновій кривій (хоча, мабуть, десь менш важливій). Немає такого поняття, як безкоштовний обід!

Що стосується К-5, то це клас, який веде за низькою чутливістю до ISO, що визначається переважно шумом читання. Дійсно чудово бачити, як виробники звертають свою увагу на цю сферу, і це достойно заслуговує на увагу, проте в динамічному діапазоні при більш високій чутливості ISO переважає фотонний шум, якому протистоїть лише захоплюючи більше світла, тому великі датчики завжди матимуть перевагу . Оскільки деякі люди переважно знімають ISO400 і вище, то варто пам’ятати про це!

— Метт Грум
джерело

Я погоджуюсь, що в ISO80 K-5 приголомшливий і добре поєднується з середнім форматом і повним кадром для нижчих діапазонів ISO. Коли ISO починає стрибати, він починає втрачати лідерство. Однак йому все ж вдається залишатися досить близько, тому це цілком досягнення для Sony (хто робить датчик) та Pentax (хто його реалізував). D7000 має дуже схожі характеристики, враховуючи, що це варіант на тому ж датчику, і Nikon зробив дуже гарну роботу з їхньої реалізації.

— Джон Каван

0

"Динамічний діапазон" (ДР) не є абсолютною характеристикою.

Найбільш грубе визначення DR - це "співвідношення між найяскравішою та найтемнішою сірою інтенсивністю, сенсор може записувати просто чудово".

ДР цифрового датчика походить від двох вимірювань:

Інтенсивність відсікання [для найчутливішого каналу] при заданій колірній температурі (DxO, швидше за все, використовує D65);
інтенсивність, яка видає граничну кількість шуму (тобто, якщо він темніший, шум неприйнятний).

Потім у вас є два способи обчислення DR цифрового зображення.

Тупий спосіб - це використання піксельних даних для обчислення шуму ("екранні" вимірювання на сайті DxO). Якщо обчислити DR лінійного датчика з X бітним АЦП таким чином, він ні в якому разі не може бути більшим за X EV.
Розумний спосіб (який є єдиним можливим способом порівняння фотографій з камер з різною роздільною здатністю) враховує роздільну здатність при обчисленні шуму ("друкувати" вимірювання на DxO). DR не обмежується АЦП таким чином, потенційно можна зробити камеру з більшим датчиком і таким же АЦП, і вона матиме більш сприйманий динамічний діапазон.

Таким чином, ви не знайдете жодної камери, "екран" якої DR, виражений у EV, перевищує роздільну здатність ADC, виражену в бітах.

Коментарі до інших відповідей:

З цього я думаю, що ми можемо визначити, що датчик у К-5 не має лінійного перетворювача A / D.

Не розроблено жодного цифрового датчика з нелінійним перетворенням A / D. Кожна конверсія тоналів, яку здійснює камера (включаючи спеціальні режими виходу кінокамер та серій Sony A7), здійснюється за допомогою дискретних даних.

Kodak DCS Pro 14n має режим роботи АЦП з двома ухилами, в якому вихід є кусочно лінійним.

З огляду на показник К-5 за наявності цих джерел шуму вказує на мене, що трубопровід зображення має помірний ступінь нелінійності

K-5 має ідеально рівну реакцію (як і будь-яка інша камера, ймовірно, єдиним виключенням є Kodak DCS Pro). Я сам це виміряв.

Примітка: лабораторії DxO не змінюють розміри і не друкують нічого для вимірювання "друку", вони скоріше використовують коефіцієнт перерозподілу у формулах. Сторінка: у цій посаді "лінійна" не є "логіартімічною".

— Еурі Пінхоллоу
джерело