Cosa limita esattamente i moderni sensori per fotocamere digitali nel catturare l'intensità della luce oltre un certo punto?
Cosa limita esattamente i moderni sensori per fotocamere digitali nel catturare l'intensità della luce oltre un certo punto?
Risposte:
Cosa limita esattamente i moderni sensori per fotocamere digitali nel catturare l'intensità della luce oltre un certo punto?
In termini di proprietà fisiche del sensore stesso:
Il numero di attacchi di fotone e il numero di elettroni liberi risultanti da tali attacchi di fotone fino a quando non ci sono più elettroni disponibili con il potenziale da liberare all'interno di ciascun fotosite (a / k / a sensel, pozzo pixel, ecc.) Definiscono il suo pozzo completo capacità. Non è molto diverso dal film, in cui viene raggiunta la piena saturazione quando non ci sono cristalli di alogenuro d'argento rimasti nell'emulsione che non hanno già abbastanza "granelli di sensibilità" per essere trasformati in argento atomico dallo sviluppatore. La differenza principale è la forma delle curve di risposta quando ogni tecnologia si avvicina alla piena capacità. Il risultato digitale viene rilasciato nello stesso numero di elettroni per fotone¹ fino al raggiungimento della piena capacità del pozzo. Man mano che il film si avvicina alla piena saturazione, è necessaria sempre più energia luminosa (o tempo di sviluppo) per influenzare i sali d'argento rimanenti.
In termini di registrazione delle tensioni analogiche come dati digitali:
Quando la tensione analogica di ciascun fotosite (a / k / a 'sensel', 'pixel well', ecc.) Viene letta dal sensore, l'amplificazione viene applicata al segnale. L'impostazione ISO della fotocamera determina la quantità di amplificazione applicata. Per ogni aumento di stop di ISO, viene applicata una quantità doppia di amplificazione. Se viene utilizzata la sensibilità "base" della fotocamera (per semplicità, chiamiamo ISO 100 un'amplificazione di 1.00X in cui la tensione di ingresso è uguale alla tensione di uscita), quindi i fotositi che hanno raggiunto la piena capacità del pozzo dovrebbero tradursi in una lettura di massima tensione sul post amplificazione circuito analogico che alimenta l'ADC. Se si utilizza ISO 200 (amplificazione 2.0X), la tensione di qualsiasi sensore che ha raggiunto la metà (1/2) della capacità a pieno pozzo o più viene amplificata alla tensione massima consentita sul circuito di post amplificazione.
Qualsiasi amplificazione maggiore di 1.0X applicherà un "soffitto" inferiore alla piena capacità del pozzo di ciascun photosite. Quando viene utilizzata un'elevata amplificazione, i segnali più deboli della piena capacità del pozzo raggiungono anche la massima capacità di tensione dei circuiti a valle dell'amplificatore. Qualsiasi livello di segnale preamplificato che è abbastanza forte da "infilare il misuratore" dopo l'amplificazione è indistinguibile da qualsiasi altro livello di segnale preamplificato che "piccherà anche il misuratore".
Quando questi segnali analogici amplificati vengono convertiti in dati digitali dal convertitore da analogico a digitale (ADC), ai segnali alla massima capacità di tensione del circuito viene assegnato il valore massimo consentito dalla profondità di bit della conversione da analogico a digitale. Se convertito in valori a 8 bit, alle tensioni viene assegnato un valore in binario tra 0-255. Il segnale massimo consentito dal circuito analogico che alimenta l'ADC verrebbe registrato come 255. Se a 14 bit, alle tensioni viene assegnato un valore compreso tra 0 e 16.383 con il valore massimo assegnato a un valore binario di 16.383 e così via.
Da asporto per quando stai effettivamente scattando foto:
Otterrai la maggior differenza e il miglior numero di gradazioni tra gli elementi più chiari e più scuri² nella scena che stai fotografando quando l'amplificazione è alla sensibilità "base" della fotocamera e il tempo di posa e l'apertura sono combinati per dare gli elementi più luminosi in la scena è appena sufficiente per raggiungere la saturazione o quasi. L'uso di un valore ISO più elevato è utile se non è possibile esporre per un tempo così lungo o con un'apertura abbastanza ampia da avvicinarsi alla saturazione completa delle alte luci nella scena per l'immagine che si desidera realizzare. Ma l'utilizzo di un ISO superiore ha un prezzo. La gamma dinamica totale è ridotta dalla maggiore amplificazione dei segnali elettrici provenienti dal sensore.
Quindi perché non scattare sempre a ISO 100, o qualunque sia l'ISO di base della fotocamera, e quindi aumentare l'esposizione in un secondo momento? Perché farlo in questo modo tende ad amplificare il "rumore" nell'immagine ancor più di quanto lo faccia con valori ISO più alti. Quanto di più dipende da quanto e da dove viene fatta la riduzione del rumore al segnale. Ma ridurre l'influenza del rumore applicando la riduzione del rumore alle tensioni analogiche che escono dal sensore ha anche un prezzo: le fonti di luce molto fioche vengono spesso filtrate come "rumore". Ecco perché alcune fotocamere con ottime prestazioni in condizioni di scarsa illuminazione / ISO elevate, in termini di riduzione del rumore, sono anche conosciute come "mangiatori di stelle" dagli astrofotografi.
¹ Vi è una leggera variazione nell'energia contenuta in un fotone in base alla frequenza alla quale oscilla. I fotoni che oscillano a frequenze più basse rilasciano leggermente meno energia quando colpiscono il sensel rispetto ai fotoni che oscillano a frequenze più alte. Ma per i fotoni che oscillano ad una specifica frequenza / lunghezza d'onda, la quantità di energia rilasciata quando si colpisce il fondo di un pozzo di pixel è la stessa fino a raggiungere la piena capacità del pozzo.
² Chiamiamo la differenza tra gli elementi più scuri e più luminosi che possono essere registrati da un sensore (o film) la gamma dinamica del supporto di registrazione. Per ogni arresto di aumento della sensibilità (ISO) con una fotocamera digitale, la differenza di tensione lineare tra "zero" e "saturazione completa" viene dimezzata. Quando convertito in scale logaritmiche, come "Ev", il raddoppio della sensibilità si traduce in una riduzione di uno "stop" della gamma dinamica (tutto il resto è uguale, cosa che raramente lo è mai).
Aggiungendo all'eccellente risposta di Michael Clark (che descrive il clipping a piena capacità e il clipping ADC), ci sono molti altri punti in una pipeline di fotografia digitale in cui può verificarsi il clipping:
Per immagini non RAW, durante la correzione del colore sul dispositivo / la regolazione automatica della gamma prima della compressione e durante la compressione stessa.
Quando si comprime un'immagine come JPEG o MPEG, l'hardware tronca la profondità di bit a qualsiasi supporto del supporto compresso, che in genere è molto inferiore alla profondità di bit dell'hardware. A causa di quel troncamento, i valori vicino a entrambi gli estremi di luminosità si perdono.
Prima della compressione, la fotocamera applica la correzione del colore e le regolazioni gamma che possono influire sulla gamma dinamica effettiva che si adatta alla profondità di bit limitata fornita dal compressore. Ad esempio, quando si registra un video in modalità Canon Log, le parti più scure e più chiare della scena vengono tirate matematicamente verso il centro in modo che la gamma dinamica effettiva aumenti in modo significativo e un numero minore di parti dell'immagine venga ritagliato su entrambe le estremità della gamma.
Durante la post-elaborazione. Quando si esegue la post-elaborazione che altera in modo significativo la luminosità di un'immagine, è possibile che le prime fasi del calcolo causino effettivamente il superamento dell'intervallo che può essere correttamente rappresentato dal numero di bit utilizzati per conservarli. Anche se raro, questo a volte accade e, in tal caso, può causare il ritaglio anche nelle aree della foto che non sono effettivamente ritagliate nell'immagine originale.
Durante la correzione della gamma di colori durante la stampa o la visualizzazione dell'immagine. Quando si esegue la correzione del colore, a volte è possibile ottenere valori che non rientrano nella gamma e che possono essere riprodotti accuratamente dal supporto di output. A quel punto, il motore del colore deve decidere cosa fare con quei valori fuori gamma. Ciò si traduce anche efficacemente in ritaglio, sebbene visivamente sembri un po 'diverso da quello che la maggior parte delle persone pensa quando parlano di ritaglio, di solito con il risultato che le cose sembrano del colore sbagliato.
La semplice spiegazione empirica:
Guarda una lampadina molto luminosa, se la luce è abbastanza luminosa non sarai in grado di vedere l'interno della lampadina perché le tue pupille possono chiudersi di più e c'è ancora troppa luce che colpisce la retina, saturandola e le informazioni che raggiungono il tuo cervello è troncato (vedi solo luce intensa ma non i dettagli all'interno della luce). Questo è uno dei motivi per cui se provi, non dovresti farlo, per guardare direttamente un cielo limpido il sole di mezzogiorno non sarai in grado di vedere il sole ma una luce intensa (Fai attenzione che provando a farlo senza il un'adeguata protezione può effettivamente danneggiare permanentemente gli occhi o l'attrezzatura fotografica, gli obiettivi e il sensore)
Qualsiasi sensore si comporta allo stesso modo (dalla fotocamera o in altro modo). Una volta che il segnale (in questo caso la luce) è troppo alto per la sua capacità (raggiunge il livello di saturazione), catturerà qualsiasi informazione aggiuntiva, non è in grado di discernere più segnale, trasmettendo solo un segnale alto piatto senza alcuna informazione preziosa al suo interno.