In che modo la gamma dinamica può essere maggiore della profondità in bit del sensore?

23

Ho trovato qualcosa che mi ha confuso e quindi ho pensato che la folla qui potesse probabilmente rispondere a questo dato che è relativo alla fotocamera e allo stesso tempo tecnico.

Qualcuno mi ha inviato i risultati DXOMark per Pentax K-5 che mostra 14,1 EV di gamma dinamica al suo ISO più basso. Tuttavia, dato che il sensore ha 14 bit, questo non si adatta alla mia intuizione ... Sembra strano che un dispositivo lineare come un sensore CMOS sia in grado di catturare più DR di quanto non abbia bit. Avrebbe una gamma dinamica sparsa, saltando EV nel mezzo?

sensor dynamic-range bit-depth

— Itai
fonte

Il punteggio DxO Mark per Dynamic Range nella scheda di stampa è un punteggio teorico interpolato , non una misurazione effettiva. Si prega di leggere la pagina sul loro sito in cui sono spiegati i punteggi e come vengono calcolati. Il DR sotto la scheda dello schermo è un numero più realistico per un sensore a 14 bit: 13,44 EV.

— Michael C,

Vedi questa risposta e commenti: photo.stackexchange.com/a/47512/15871

— Michael C

16

Cambridge in Color ha un ottimo articolo su questo. Se il sensore ha un convertitore A / D lineare, la profondità di bit limiterebbe l'intervallo dinamico a 14 EV come limite teorico. Tuttavia, se non è lineare, la profondità di bit non è necessariamente correlata. Da ciò, penso che possiamo determinare che il sensore nel K-5 non ha un convertitore A / D lineare.

Posso dire, per esperienza personale, che questo sensore ha sicuramente un'enorme gamma dinamica. Sono riuscito a recuperare un'immagine che era quasi 8 stop sottoesposta sul K-5.

— John Cavan
fonte

Sei sicuro che non sia stato ISO1600 né ISO16000 che stavi girando per il resto del tempo? Ciò renderebbe l'immagine sovraesposta di poco più di 4 stop, non 8, e correlata senza fatto hai usato la compensazione dell'esposizione di +4 in ACR. È ancora impressionante, voglio solo assicurarmi che i numeri siano corretti.

— Matt Grum,

1

Sì, era il 16000, ho un'altra immagine della sequenza (e dei soggetti) con la stessa apertura e velocità dell'otturatore come riferimento (la pubblicerei, ma non sono a casa per ottenerla). L'ACR consente solo una regolazione di 4 stop sull'esposizione, quindi ho anche dovuto spostare la luce di riempimento su 100 per ottenere maggiori dettagli. Hmm, forse dovrei aggiornare l'articolo con alcuni passaggi intermedi. Ho visto un esempio simile con 10 fermate intenzionali e questo è ciò che ha innescato il mio aggiornamento ora piuttosto che a gennaio. :)

— John Cavan,

+1, l'articolo Cambridge in Color è eccellente. Fa un ottimo lavoro nel spiegare il valore dei fotositi più grandi ("pozzi" più profondi) e come influenzano la gamma dinamica. Dovrebbe anche essere notato che la maggior parte dei sensori non sono puramente lineari, la maggior parte ha una convalescenza A / D attenuata. curva (curva a S) quando si raggiungono gli estremi dell'ombra e dell'evidenziazione. In RAW, un sensore digitale può acquisire molti dati che possono essere successivamente recuperati, come dimostrato dall'articolo.

— jrista

@jrista - Cambridge in Color è stato uno dei primi siti di fotografia che abbia mai colpito quando ho iniziato a scattare foto dSLR. Continuo a tornare da loro, scritto molto bene e facile da seguire.

— John Cavan,

@Giovanni: d'accordo. CinC è un ottimo sito e molto ben scritto a un livello utile sia per i principianti che per i fotografi esperti. Questa è una cosa difficile da fare.

— jrista

7

In che modo la gamma dinamica può essere maggiore della profondità in bit del sensore?

La gamma dinamica è il logaritmo del rapporto tra le intensità più luminose e quelle più scure sulla parte lineare della curva di sensibilità. Potrebbero esserci altre definizioni, ma in generale deriva dal rapporto tra due intensità, proprietà fisiche oggettive della scena. È un numero reale.

La profondità in bit è il numero di bit per canale utilizzati per quantizzare la variabile continua. Una maggiore profondità di bit offre tonalità di grigio più distinte nel mezzo. È puramente una questione di come un'immagine è rappresentata nella memoria del computer.

La gamma dinamica riflette la quantità di contrasto che il sensore può registrare. La profondità di bit riflette a quanti colori distinti la fotocamera può "dare nomi". O in quanti pezzi la fotocamera può dividere la gamma. Se una telecamera fosse un righello, l'intervallo dinamico sarebbe la lunghezza (logaritmo della) del righello e la profondità in bit sarebbe il numero (logaritmo del) numero di segni lungo il suo bordo. E puoi dividere la lunghezza in tutti i pezzi che vuoi. Allo stesso modo, la profondità di bit non deve essere uguale all'intervallo dinamico.

Se la gamma dinamica è S EV e la profondità di bit è n , significa che la fotocamera può registrare scene con contrasto almeno pari a

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

(In realtà un po 'di più se si utilizza anche la parte non lineare della curva di risposta del sensore). E puoi teoricamente distinguere

$N=2^n$

sfumature di grigio.

Possiedo una fotocamera compatta in grado di scrivere RAW a 12 bit. Nonostante l'elevata profondità di bit, la sua gamma dinamica è molto modesta. Puoi immaginare una situazione opposta, quando il sensore può registrare una scena ad alto contrasto, senza sovra e sottoesposizione, ma se la profondità di bit è bassa, quella scena sarà rappresentata con pochi colori intermedi.

— sastanin
fonte

+1, ottima risposta. Un consiglio: credo che la parola di cui hai bisogno al posto di "discretizzare" sia "quantizzare": quantizzare -verbio: matematica, fisica. limitare (una quantità variabile) a valori discreti piuttosto che un insieme continuo di valori.

— jrista

Grazie. Il mio inglese è tutt'altro che perfetto, ma sembra che nel mondo dell'informatica e della matematica la discretizzazione sia più appropriata quando lo spazio continuo viene sostituito con uno spazio discreto equivalente ai fini del calcolo en.wiktionary.org/wiki/discretize (ad esempio un vero numero con un valore IEEE in virgola mobile o un numero intero). La discretizzazione è una decisione di ingegneria del software. La variabile quantizzata per me, invece, è una variabile per la quale sono vietati tutti i valori tranne alcuni. Quindi "quantizzato" suona come una restrizione fisica per me. Ma forse hai ragione.

— sastanin,

Tecnicamente parlando, un sensore "quantizza" la luce in "secchi" specifici e fisicamente limitati. Se assumiamo un'immagine RAW a 12 bit, ci sono 4096 "quanti" discreti in cui è possibile "discretizzare". Laddove discretizzare significherebbe che potresti conciliare uno spazio reale in un numero variabile di spazi discreti, con un sensore, lo spazio discreto è fisso e ci sono solo 4096 valori discreti specifici in cui convertire lo spazio analogico. Potrebbe essere un punto controverso, ma penso che la quantizzazione sia più applicabile qui. ;)

— jrista

OK. Sono convinto.

— sastanin,

@jrista Mentre stiamo discutendo l'inglese, la parola che vuoi è "discreta", non "discreta".

— Coneslayer l'

2

In primo luogo, per essere chiari, l'intervallo dinamico ha una relazione inversa rispetto al rumore: un rumore basso (tutto il resto uguale) porta ad un intervallo dinamico maggiore. Il rumore proviene principalmente dall'elettronica del sensore (rumore di lettura, rumore di corrente oscura), dalla natura discreta della luce (rumore di fotone / colpo) e dalla conversione da analogico a digitale (rumore di quantizzazione).

I punteggi della gamma dinamica del segno DXO si basano sulla differenza tra l'intensità della luce richiesta per saturare il sensore e l'intensità della luce alla quale l'SNR colpisce 1: 1 (ovvero il punto in cui il segnale è uguale al rumore)

Ci si aspetterebbe che in assenza di rumore di sparo e rumore di lettura che il DR di un sensore con una risposta lineare equivarrebbe alla profondità di bit. Dato il punteggio del K-5 in presenza di queste fonti di rumore, mi indica che la pipeline dell'immagine ha un moderato grado di non linearità (tutti i sensori hanno una non linearità intrinseca), probabilmente progettato in questo modo per aumentare la gamma dinamica.

La non linearità aiuta a sfuggire al limite della profondità in bit, bit ciò che guadagni in gradazioni nelle ombre che perdi altrove nella curva tonale (anche se probabilmente in un posto meno importante). Non esiste un pranzo gratis!

Per quanto riguarda il K-5, è leader di classe a bassa sensibilità ISO, che è determinata principalmente dal rumore di lettura. È davvero bello vedere i produttori rivolgere la loro attenzione a quest'area e merita completamente l'attenzione, tuttavia la gamma dinamica con sensibilità ISO più elevate è dominata dal rumore dei fotoni che viene contrastato solo catturando più luce, quindi i sensori di grandi dimensioni avranno sempre un vantaggio qui . Dato che alcune persone girano prevalentemente ISO400 e oltre, vale la pena tenerne conto!

— Matt Grum
fonte

Sono d'accordo, a ISO80, il K-5 è sorprendente e si combina bene con un medio formato e full frame per le gamme ISO inferiori. Quando l'ISO inizia a saltare, inizia a perdere il vantaggio. Tuttavia, riesce comunque a rimanere abbastanza vicino, quindi è un bel risultato per Sony (che produce il sensore) e Pentax (che lo ha implementato). Il D7000 ha caratteristiche molto simili dato che è una variante sullo stesso sensore e Nikon ha fatto un ottimo lavoro nella sua implementazione.

— John Cavan,

0

La "gamma dinamica" (DR) non è una caratteristica assoluta.

La definizione più approssimativa di DR è "rapporto tra le intensità di grigio più luminose e più scure che il sensore può registrare bene".

Il DR di un sensore digitale deriva da due misurazioni:

intensità di clipping [per il canale più sensibile] a una data temperatura di colore (DxO sta probabilmente usando D65);
intensità che produce una quantità limite di rumore (cioè se è più scuro il rumore è inaccettabile).

Quindi, hai due modi per calcolare il DR dell'immagine digitale.

Il modo stupido utilizza i dati dei pixel per calcolare il rumore (misurazioni dello "schermo" sul sito DxO). Se si calcola il DR del sensore lineare con X bit ADC in questo modo, non può in alcun modo essere maggiore di X EV.
Il modo intelligente (che è l'unico modo possibile per confrontare le foto da fotocamere con diversa risoluzione) sta prendendo in considerazione la risoluzione quando si calcola il rumore (misurazioni "stampa" su DxO). Il DR non è limitato da ADC in questo modo, si può potenzialmente realizzare una fotocamera con un sensore più grande e lo stesso ADC e avrà una gamma dinamica più ampia percepita.

Pertanto, non troverete alcuna telecamera il cui "schermo" DR, espresso in EV, superi la risoluzione ADC espressa in bit.

Commenti su altre risposte:

Da ciò, penso che possiamo determinare che il sensore nel K-5 non ha un convertitore A / D lineare.

Non è stato sviluppato un singolo sensore digitale con conversione A / D non lineare. Ogni conversione tonale eseguita dalla fotocamera (comprese le speciali modalità di uscita delle telecamere cinematografiche e della serie Sony A7 in particolare) viene eseguita utilizzando i dati discreti.

Kodak DCS Pro 14n ha una modalità di funzionamento ADC a doppia pendenza in cui l'uscita è lineare a tratti.

Dato il punteggio del K-5 in presenza di queste fonti di rumore, mi indica che la pipeline dell'immagine ha un moderato grado di non linearità

K-5 ha una risposta perfettamente piatta (come qualsiasi altra fotocamera con probabilmente l'unica esclusione è Kodak DCS Pro). L'ho misurato da solo.

Nota: DxO Labs non sta ridimensionando o stampando nulla per le misure di "stampa", ma piuttosto usa il coefficiente di resollution nelle formule. Sidenote: in questo post "lineare" non è "logaritmico".

— Euri Pinhollow
fonte