Apa kesulitan teknis di balik membangun sensor dengan rentang dinamis tinggi seperti mata manusia?

17

Mengapa kita belum memiliki sensor rentang dinamis tinggi yang memiliki eksposisi yang tepat di setiap bagian gambar?

hdr dynamic-range Andreas Hartmann
sumber
2
Sebenarnya setelah menjawab saya melihat ini sudah dibahas di sini . Jika itu tidak menjawab segalanya untuk Anda, pertimbangkan untuk memperluas pertanyaan Anda dengan lebih detail.
mivilar
Kamera BlackMagic (video full HD) memiliki EV 14, kamera video profesional modern (4K) memiliki 18 EV. Jadi kita punya sensor-sensor ini ...
TFuto

Jawaban:

20

Sudah ada kamera dengan DR lebih besar dari mata manusia, baik secara instan maupun keseluruhan. Rentang dinamis mata manusia tidak sebesar yang dipikirkan oleh kebanyakan orang. Seingat saya, ini adalah suatu tempat sekitar 12 hingga 16 EV, yang tepat di sekitar tingkat DSLR modern.

Perbedaan utama adalah bahwa kami memiliki kontrol apertur alami yang akan menyesuaikan untuk berbagai bagian gambar. Secara efektif, otak kita melakukan penumpukan gambar untuk kita secara otomatis. Ketika kita melihat bagian terang dari sebuah pemandangan, murid kita menyusut dan kita melihat detail bagian yang cerah. Jika kita bergeser fokus ke bagian yang lebih gelap, murid kita dengan cepat terbuka dan kita melihat detail bagian yang gelap. Otak kita tahu seperti apa bagian sebelumnya dan jadi kita tidak melihat perubahan dalam penglihatan tepi kita, tetapi kita sebenarnya tidak melihat sedetail mana kita tidak fokus lagi.

Demikian pula, bahkan untuk keseluruhan jangkauan penglihatan manusia, ada kamera khusus yang bisa jauh lebih gelap daripada kita dan masih melihat, terutama warna, mereka saat ini terlalu mahal untuk diproduksi untuk masyarakat umum karena mereka membutuhkan bahan berkualitas tinggi dan konstruksi untuk dapatkan lantai kebisingan sangat rendah. Ada juga sensor yang mampu melihat benda yang sangat terang yang akan menyakitkan bagi orang untuk melihatnya.

AJ Henderson
sumber
AJ, DSLR tidak memiliki rentang dinamis yang sama dengan mata. untuk DSLR 2 berkekuatan 14, untuk mata manusia 10 berkekuatan 14
Romeo Ninov
@RomeoNinov - bukan untuk DR instan, hanya untuk yang jelas. Apakah Anda memiliki sumber untuk klaim Anda? Sumber saya ada di sini "jika kita mempertimbangkan rentang dinamis sesaat mata kita (di mana pembukaan murid kita tidak berubah), maka kamera harganya jauh lebih baik. Ini akan mirip dengan melihat satu wilayah dalam sebuah adegan, membiarkan mata kita menyesuaikan, dan tidak melihat ke tempat lain. Dalam hal ini, sebagian besar memperkirakan bahwa mata kita dapat melihat di mana saja dari 10-14 f-stop rentang dinamis "
AJ Henderson
@RomeoNinov - sumber daya yang sedikit lebih baik . Jadi layak untuk menunjukkan bahwa mata kita melakukan yang lebih baik di mana kamera bekerja dengan buruk tetapi mata kita melakukan yang lebih buruk di mana kamera melakukan yang lebih baik. Dalam bayangan, kami memiliki 20EVs di mana kamera telah mengurangi EV. Dalam kecerahan kami memiliki sekitar 10EVs tetapi kamera memiliki 12EV sampai 14EV penuh. 10 ^ 14 adalah rentang total yang dapat kita lihat ketika mata kita menyesuaikan, bukan apa yang kita lihat pada satu waktu. Dan dalam hal itu, kamera juga tidak terbatas pada 2 ^ 14.
AJ Henderson
ya, kamera terbatas pada kedalaman bit dari gambar mentah Anda. Anda tidak bisa mendapatkan lebih banyak bit atau lebih banyak info dari gambar. Saya setuju bahwa otak gambar "melihat" bukan hanya dari satu potret dari mata, apalagi kita menggunakan dua mata, yang menambahkan banyak info tambahan ke gambar di otak. Dan di sumber yang Anda sebutkan di komentar kedua Anda melihat rentang mata dinamis yang ditampilkan dalam kekuatan 10. Yang hanya mengkonfirmasi kata-kata saya. Bahkan jika DR hanya 12 EV itu adalah 10 ^ 12 yang merupakan milion milion, dibandingkan dengan 2 ^ 14 yaitu 16384
Romeo Ninov
1
Tetapi bahkan sebuah sensor sangat terbatas pada, katakanlah, enam stop DR pada suatu waktu dapat digunakan untuk mengukur detail dari nilai yang sangat gelap hingga sangat terang dalam frame berturut-turut dengan mengubah TV dan Av! Dalam hal aperture itulah yang dilakukan sistem mata / otak.
Michael C
10

Melihat adalah proses yang aktif

Masalah besar adalah bahwa melihat dengan mata Anda sangat berbeda dengan menangkap gambar - suatu gambar perlu mencakup semua informasi yang mungkin dilihat oleh si pengamat , tetapi penglihatan normal adalah proses aktif yang melibatkan gerakan mata, memfokuskan kembali dan melebarkan pupil sesuai dengan ke objek yang kita lihat. Jadi, jika Anda ingin menangkap "apa yang dilihat mata" yang Anda butuhkan, pada dasarnya, tangkap sudut pandang semua pengaturan yang mungkin digunakan mata.

Pertanyaan Anda adalah tentang rentang dinamis, tetapi masalah yang sama muncul dengan detail visual dan fokus. Gambar 'setara dengan kehidupan' membutuhkan jauh lebih banyak piksel daripada yang dapat ditangkap oleh mata Anda, karena resolusi mata sangat tidak merata dan saat Anda hanya melihat satu titik kecil dengan retina tengah beresolusi tinggi, sebuah gambar membutuhkan lebih banyak detail tersedia karena Anda akan menggerakkan mata Anda. Film perlu memilih satu fokus, sementara manusia dapat melihat 'gambar tunggal' dengan lebih mendalam dengan memfokuskan kembali mata dengan cepat dan / atau menggerakkannya untuk penglihatan binokular yang tepat pada rentang tujuan yang berbeda (misalnya melihat permukaan jendela atau melewatinya ), dll.

Bagian dari solusinya persis seperti itu - menggunakan satu kamera beberapa kali dengan cepat (atau beberapa kamera) untuk menangkap berbagai gambar pada pengaturan yang berbeda dan menggabungkannya setelah itu, HDR adalah contoh yang paling mencolok - seperti mata kita, ia secara aktif terlihat di berbagai tempat yang berbeda dengan "pengaturan" yang berbeda, dan hanya setelah itu otak Anda menggabungkan semuanya dalam gambar atau film yang koheren. "Gambar" sebenarnya yang diambil oleh mata kita sudah lebih buruk daripada kamera yang bagus, hanya kombinasi mentalnya yang bagus.

Peter adalah
sumber
1
+1 untuk poin Anda tentang fokus dalam film. Ini juga terkait dengan salah satu alasan utama mengapa banyak orang sakit kepala saat menonton film 3D. Mata harus secara fisik fokus pada layar, tetapi gambar stereoskopis menipu otak untuk berpikir bahwa beberapa bagian layar lebih dekat atau lebih jauh daripada yang sebenarnya, menyebabkan ketegangan mata ketika Anda mencoba melihat langsung ke arahnya. Studio mencoba meminimalkan ini dengan menampilkan titik fokus adegan di tempat yang sama di gambar kiri dan kanan. Jadi jika Anda suka melihat-lihat detail latar belakang, jangan lupa ibuprofen!
bcrist
Fakta bahwa melihat adalah proses yang aktif adalah salah satu alasan bahwa seniman yang benar-benar baik dapat menghasilkan lukisan yang terlihat lebih baik daripada foto sederhana. Sebuah foto sederhana akan menangkap semua yang ada di adegan dengan sudut pandang, fokus, eksposur, dan karakteristik white-balance yang sama, sementara mata seseorang yang benar-benar melihat pemandangan itu mungkin terus-menerus menyesuaikan ketika mereka melihat bagian yang berbeda. Seorang pelukis, tidak seperti kamera, dapat menghasilkan gambar di mana setiap bagian adegan terlihat seperti itu untuk orang yang sebenarnya di lokasi itu, melihatnya.
supercat
6

Citra mental Anda adalah produk tidak hanya dari retina, tetapi juga saling mempengaruhi dengan semua komponen lain yang terlibat dalam penglihatan, termasuk murid dan tentu saja otak Anda. Apa yang Anda anggap sebagai 'satu gambar' sebenarnya adalah hasil dari penyesuaian berkecepatan tinggi dan pemrosesan informasi dan bukan snapshot tunggal.

Anda dapat menemukan informasi lebih lanjut tentang topik ini di sini .

mivilar
sumber
1

Sangat mungkin untuk membuat sensor cahaya dengan sifat logaritmik - sensor semacam itu akan memiliki rentang dinamis yang luar biasa dengan mengorbankan resolusi terbatas untuk paparan tertentu. Mendapatkan keduanya membutuhkan ADC resolusi tinggi. Untuk pencitraan CT 24 bit linear biasanya digunakan - dan kemudian logaritma diambil setelah penyesuaian offset untuk membuat gambar CT.

Sebuah sensor yang melakukan kedua kontrol eksposur (waktu integrasi - pikirkan shutter speed) dapat melakukan lebih baik, dan jika Anda membiarkan perubahan efisiensi pengumpulan cahaya (pikirkan angka f) Anda mendapatkan fleksibilitas yang lebih besar.

Jangkauan dinamis tertinggi biasanya dibatasi oleh kebisingan pembacaan - ketika Anda membaca muatan yang terakumulasi akan ada beberapa kesalahan - versus sinyal terbesar yang dapat didukung elektronik. Seperti yang saya katakan - 24 bit adalah umum dalam pencitraan medis dan itu lebih baik dari 1 bagian dalam 10 juta. Itu rentang dinamis yang jauh lebih tinggi daripada retina untuk paparan yang diberikan. Tetapi tidak umum digunakan dalam kamera konvensional karena mata tidak bisa menghargai detail-detail dalam gambar - dan resolusi datang dengan mengorbankan kecepatan.

Floris
sumber