Bagaimana rentang dinamis lebih besar dari kedalaman bit sensor?

23

Menemukan sesuatu yang membingungkan saya dan saya pikir orang di sini mungkin dapat menjawab yang ini karena terkait dengan kamera dan teknis pada saat yang sama.

Bagaimana rentang dinamis lebih besar dari kedalaman bit sensor?

Seseorang mengirimi saya hasil DXOMark untuk Pentax K-5 yang menunjukkan 14.1 EV rentang dinamis pada ISO terendah. Namun, mengingat bahwa sensornya adalah 14-bit, ini tidak sesuai dengan intuisi saya ... Tampaknya aneh bahwa perangkat linier seperti CMOS-sensor dapat menangkap lebih banyak DR daripada memiliki bit. Apakah ini memiliki rentang dinamis yang jarang, melompati EV di tengah?

sensor dynamic-range bit-depth Itai
sumber
Skor DxO Mark untuk Dynamic Range di bawah tab cetak adalah skor teoretis yang diinterpolasi , bukan pengukuran aktual. Silakan baca halaman di situs mereka di mana skor dan bagaimana mereka dihitung dijelaskan. DR di bawah tab layar adalah angka yang lebih realistis untuk sensor 14-bit: 13.44 EV.
Michael C
Lihat jawaban dan komentar ini: photo.stackexchange.com/a/47512/15871
Michael C

Jawaban:

16

Cambridge in Color memiliki artikel yang sangat bagus tentang ini. Jika sensor memiliki konverter A / D linier, kedalaman bit akan membatasi rentang dinamis pada 14 EVs sebagai batas teoritis. Namun, jika itu non-linear, maka kedalaman bit tidak selalu berkorelasi. Dari itu, saya pikir kita dapat menentukan bahwa sensor di K-5 tidak memiliki konverter A / D linier.

Saya dapat mengatakan, dari pengalaman pribadi, bahwa sensor ini pasti memiliki rentang dinamis yang sangat besar. Saya berhasil memulihkan gambar yang hampir 8 berhenti kurang terang pada K-5.

John Cavan
sumber
Apakah Anda yakin itu bukan ISO1600, bukan ISO16000 yang Anda potret di sisa waktu? Ini akan membuat gambar lebih dari 4 stop overexposed, bukan 8, dan berkorelasi tanpa fakta Anda menggunakan kompensasi eksposur +4 di ACR. Ini masih mengesankan, saya hanya ingin memastikan angkanya benar.
Matt Grum
1
Ya, itu 16000, saya punya gambar lain dari urutan (dan subjek) dengan aperture dan shutter speed yang sama untuk referensi (saya akan mempostingnya, tapi saya tidak di rumah untuk mendapatkannya). ACR hanya memungkinkan untuk penyesuaian 4 stop pada eksposur, jadi saya juga harus mendorong pengisian cahaya ke 100 untuk mendapatkan detail lebih lanjut. Hmm, mungkin saya harus memperbarui artikel dengan beberapa langkah perantara. Saya telah melihat contoh serupa dengan 10 perhentian yang disengaja di bawah dan itulah yang memicu peningkatan saya sekarang daripada pada bulan Januari. :)
John Cavan
+1, artikel Cambridge dalam Warna itu luar biasa. Itu pekerjaan yang baik menjelaskan nilai photosites yang lebih besar ("sumur" yang lebih dalam) dan bagaimana mereka mempengaruhi rentang dinamis. Mungkin juga harus dicatat bahwa sebagian besar sensor tidak murni linier, sebagian besar memiliki A / D conv yang dilemahkan. curve (S-curve) saat Anda mencapai ujung bayangan dan sorot. Dalam RAW, sensor digital dapat menangkap banyak data yang nantinya dapat dipulihkan, seperti yang ditunjukkan artikel Anda.
jrista
@jrista - Cambridge in Color adalah salah satu situs fotografi pertama yang pernah saya tekan ketika saya mulai memotret dSLR. Saya terus kembali ke mereka, ditulis dengan sangat baik dan mudah diikuti.
John Cavan
@ John: Setuju. CinC adalah situs yang hebat, dan ditulis dengan sangat baik pada tingkat yang berguna bagi fotografer pemula dan berpengalaman. Itu hal yang sulit dilakukan.
jrista
7

Bagaimana rentang dinamis lebih besar dari kedalaman bit sensor?

Rentang dinamis adalah logaritma rasio antara intensitas paling terang dan paling gelap pada bagian linear dari kurva sensibilitas. Mungkin ada definisi lain, tetapi secara umum itu berasal dari rasio dua intensitas, sifat fisik objektif pemandangan. Ini adalah bilangan real.

Bit-depth adalah jumlah bit per saluran yang digunakan untuk mengukur variabel kontinu. Bit-depth yang lebih banyak memberi nuansa abu-abu yang lebih jelas di antaranya. Ini murni pertanyaan tentang bagaimana suatu gambar diwakili dalam memori komputer.

Rentang dinamis mencerminkan seberapa kontras sensor dapat mendaftar. Kedalaman bit mencerminkan berapa banyak warna berbeda yang dapat "diberi nama" oleh kamera. Atau menjadi berapa banyak potongan kamera yang dapat membagi rentang. Jika kamera adalah penggaris, maka rentang dinamis akan menjadi (logaritma dari) panjang penggaris, dan kedalaman bit akan menjadi (logaritma dari) jumlah tanda di sepanjang tepinya. Dan Anda dapat membagi panjangnya menjadi sebanyak mungkin yang Anda suka. Demikian pula, kedalaman bit tidak harus sama dengan rentang dinamis.

Jika rentang dinamis adalah S EV, dan kedalaman bit adalah n , maka itu berarti bahwa kamera dapat mendaftarkan adegan dengan kontras setidaknya sebesar

E_max / E_min = 2 ^ s

(Sebenarnya sedikit lebih jika Anda menggunakan juga bagian non-linear dari kurva respons sensor). Dan Anda secara teoritis dapat membedakan

N = 2 ^ n

Bayangan abu-abu.

Saya memiliki kamera kompak yang dapat menulis RAW 12-bit. Terlepas dari kedalaman bit yang tinggi, jangkauan dinamisnya sangat sederhana. Anda dapat mencitrakan situasi yang berlawanan, ketika sensor dapat mendaftarkan adegan kontras tinggi, tanpa kelebihan dan kekurangan paparan, tetapi jika kedalaman bit rendah, pemandangan itu akan diwakili dengan beberapa warna menengah.

sastanin
sumber
+1, jawaban yang bagus. Satu tip: Saya percaya kata yang Anda butuhkan sebagai pengganti "discretize" adalah "quantize": Quantize -verb: Math, Physics. untuk membatasi (jumlah variabel) ke nilai diskrit daripada seperangkat nilai kontinu.
jrista
Terima kasih. Bahasa Inggris saya jauh dari sempurna, tetapi kelihatannya dalam dunia komputasi dan diskritisasi matematika lebih tepat ketika ruang kontinu diganti dengan ruang diskrit yang setara untuk tujuan perhitungan en.wiktionary.org/wiki/discretize (misalnya nyata nomor dengan nilai floating point IEEE atau bilangan bulat). Diskretisasi adalah keputusan rekayasa perangkat lunak. Variabel terkuantisasi bagi saya, sebaliknya, adalah variabel yang semua nilainya dilarang kecuali beberapa. Jadi "terkuantisasi" terdengar seperti batasan fisik bagi saya. Tapi mungkin Anda benar.
sastanin
Secara teknis, sebuah sensor memang "mengukur" cahaya menjadi "ember" khusus yang terbatas secara fisik. Jika kita mengasumsikan gambar RAW 12-bit, ada 4096 "quanta" diskrit yang dapat Anda 'diskretkan'. Jika diskretisasi berarti bahwa Anda dapat menyatukan ruang nyata menjadi sejumlah variabel ruang diam-diam, dengan sensor, ruang diskrit diperbaiki, dan hanya ada 4.096 nilai diskrit spesifik yang dapat Anda konversi menjadi ruang analog. Mungkin ini adalah poin yang dapat diperdebatkan, tetapi saya pikir jumlah lebih berlaku di sini. ;)
jrista
BAIK. Saya yakin.
sastanin
@jrista Sementara kita membahas bahasa Inggris, kata yang Anda inginkan adalah "diskrit", bukan "bijaksana".
pemain coneslayer
2

Pertama-tama menjadi jelas, rentang dinamis memiliki hubungan terbalik dengan derau - derau rendah (semuanya sama) mengarah ke rentang dinamis yang lebih besar. Noise terutama berasal dari sensor elektronik (noise baca, noise arus gelap), dari sifat diskrit cahaya (photon / shot noise) dan dari konversi dari analog ke digital (noise quantisation).

Skor rentang dinamis tanda DXO didasarkan pada perbedaan antara intensitas cahaya yang diperlukan untuk menjenuhkan sensor dan intensitas cahaya di mana SNR mencapai 1: 1 (yaitu titik di mana sinyal sama dengan noise)

Anda akan mengharapkan bahwa dengan tidak adanya bunyi tembakan dan bunyi bacaan bahwa DR sensor dengan respons linear akan sama dengan kedalaman bit. Mengingat skor K-5 di hadapan sumber-sumber kebisingan ini menunjukkan kepada saya bahwa pipa gambar memiliki tingkat nonlinier yang moderat (semua sensor memiliki nonlinier yang melekat), mungkin direkayasa sedemikian rupa untuk meningkatkan rentang dinamis.

Nonlinier membantu menghindari batas kedalaman bit, menggigit apa yang Anda peroleh dalam gradasi dalam bayangan yang hilang di tempat lain dalam tonecurve (walaupun mungkin di tempat yang kurang penting). Tidak ada yang namanya makan siang gratis!

Berkenaan dengan K-5, kelasnya memimpin pada sensitivitas ISO rendah, yang ditentukan terutama oleh noise baca. Sangat menyenangkan melihat produsen mengalihkan perhatian mereka ke area ini dan benar-benar layak mendapatkan perhatian, namun rentang dinamis pada sensitivitas ISO yang lebih tinggi didominasi oleh noise foton yang hanya diatasi dengan menangkap lebih banyak cahaya, sehingga sensor besar akan selalu memiliki keuntungan di sini . Karena sebagian orang sebagian besar memotret ISO400 ke atas, ada baiknya mengingat hal ini!

Matt Grum
sumber
Saya setuju, pada ISO80, K-5 menakjubkan dan bertumpuk dengan baik dengan beberapa format medium dan full frame untuk rentang ISO yang lebih rendah. Ketika ISO mulai melompat, ia mulai kehilangan petunjuk. Namun, masih berhasil tetap cukup dekat, jadi itu cukup pencapaian untuk Sony (yang membuat sensor) dan Pentax (yang mengimplementasikannya). D7000 memiliki karakteristik yang sangat mirip mengingat bahwa itu adalah varian pada sensor yang sama dan Nikon melakukan pekerjaan yang sangat baik pada implementasinya.
John Cavan
0

"Rentang dinamis" (DR) bukan merupakan karakteristik absolut.

Definisi DR yang paling kasar adalah "rasio antara intensitas abu-abu paling terang dan paling gelap yang dapat direkam oleh sensor dengan baik".

DR dari sensor digital berasal dari dua pengukuran:

  1. Intensitas kliping [untuk saluran yang paling sensitif] pada suhu warna tertentu (DxO kemungkinan besar menggunakan D65);
  2. Intensitas yang menghasilkan jumlah batas kebisingan (yaitu jika lebih gelap kebisingan tidak dapat diterima).

Kemudian, Anda memiliki dua cara menghitung DR dari gambar digital.

  • Cara bodoh menggunakan data piksel untuk menghitung kebisingan ("layar" pengukuran di situs DxO). Jika Anda menghitung DR dari sensor linier dengan X bit ADC dengan cara ini tidak mungkin lebih besar dari X EV.
  • Cara cerdas (yang merupakan satu-satunya cara yang memungkinkan untuk membandingkan foto dari kamera dengan resolusi berbeda) adalah dengan memperhitungkan resolusi tersebut saat menghitung derau (pengukuran "cetak" pada DxO). DR tidak dibatasi oleh ADC dengan cara ini, seseorang dapat berpotensi membuat kamera dengan sensor yang lebih besar dan ADC yang sama dan itu akan memiliki rentang dinamis yang lebih besar.

Jadi, Anda tidak akan menemukan kamera "DR" layar yang diekspresikan dalam EV melebihi resolusi ADC yang dinyatakan dalam bit.

Komentar untuk jawaban lain:

Dari itu, saya pikir kita dapat menentukan bahwa sensor di K-5 tidak memiliki konverter A / D linier.

Tidak ada sensor digital tunggal dengan konversi A / D nonlinear yang dikembangkan. Setiap konversi tonal yang dilakukan kamera (termasuk mode keluaran khusus kamera bioskop dan seri Sony A7 khususnya) dilakukan dengan menggunakan data diskrit.

Kodak DCS Pro 14n memiliki mode operasi ADC kemiringan ganda di mana output secara linear tetap.

Mengingat skor K-5 di hadapan sumber-sumber kebisingan ini menunjukkan kepada saya bahwa pipa gambar memiliki tingkat nonlinier yang moderat

K-5 memiliki respons datar sempurna (seperti kamera lain yang mungkin satu-satunya pengecualian adalah Kodak DCS Pro). Saya sudah mengukurnya sendiri.

Catatan: DxO Labs tidak mengubah ukuran atau mencetak apa pun untuk pengukuran "cetak", mereka lebih suka menggunakan koefisien resolusi dalam formula. Sidenote: dalam posting ini "linear" bukan "logarythmic".

Euri Pinhollow
sumber