5д против всех остальных ХХд и ХХХд

Привет.

Интересный материал для изучения и понимания. В дискуссию вступать не буду. Если есть вопросы, вот ссылка на источник, обращайтесь прямо к автору

http://alextutubalin.livejournal.com/214763.html

---
Автор: Алекс Тутубалин

Полстраницы о высоких ISO у ЦФК

Периодически в разных местах приходится объяснять довольно очевидное, а временами - просто тихо плеваться, а в дискуссию не влезать, чтобы в десятый раз не писать одно и то же. Надоело, напишу этот пост (помельче разжевав), чтобы потом на него ссылаться.

Несколько тезисов

Сенсор цифровой камеры - он цифровой, считает электроны
Прибывающие фотоны превращаются в заряд с какой-то квантовой эффективностью, вот прямо в штуки электронов. Квантовая эффективность современных сенсоров - порядка 0.5, два фотона в один электрон (зависит от длины волны, для самых синих все много хуже), это уже после байеровских светофильтров.
Емкость одного пикселя (сенселя) - конечна
Один пиксель может накопить не очень много электронов, десятки тысяч. Емкость пикселя определяется его площадью в первую очередь. У Роджера Кларка есть красивая табличка с парой десятков камер Canon/Nikon, у него же описана методика самостоятельного определения характеристик камеры.
После считывания с сенсора, сигнал может быть усилен
Усиление используется, чтобы привести слабый сигнал к удобному для АЦП диапазону.
Заметим в скобках, что цифровые камеры получаются "дважды цифровыми": сначала дискретные отсчеты на сенсоре, потом оцифровка их на АЦА
Динамический диапазон определяется отношением сигнала к шуму
Шумы при этом - это и шум квантования на сенсоре (т.к. число электронов всегда целое) и шум усилителя и тепловые шумы (электроны, возникшие сами по себе, без упавших фотонов) и шум квантования на АЦП.

Теперь перейдем к простому примеру.

5D MarkII: 14 бит, 64к электронов

Представим себе камеру вроде Canon 5DMarkII. У нее:

* Емкость сенсора - порядка 216 электронов.
* 14-битный АЦП с линейной характеристикой.

То есть при экспонировании на полную емкость пикселя каждые 4 электрона с сенсора превращаются в единичку в отсчете АЦП (дальше попадают в RAW и все такое).

Да, экспонометр/ISO на этой камере откалиброваны так, что средняя точка/серая карта попадут на 3.7 стопа ниже насыщения т.е. в ~13 раз ниже. Другими словами, при экспонировании на полную емкость сенсора среднему тону будут соответствовать примерно 5000 электронов, накопленных в пикселе. Скажем у Nikon D3, при той же емкости пикселя (если верить данным Кларка) запас в светах - на стоп меньше т.е. средний тон экспонируется до уровня 10000 электронов.

Минимальная "честная чувствительность" у рассматриваемой камеры - ISO100. Есть еще 50, но RAW-данные в этом режиме ничем не отличаются от ISO100 при одинаковом экспонировании.

Теперь берем и ставим ISO 400 и снимаем ту же сцену, что и раньше по экспонометру. То есть экспозиция будет в 4 раза меньше, следовательно и сигнал с сенсора (который, в первом приближении, линеен) - тоже в 4 раза меньше. Что произойдет:

* Среднему тону будут соответствовать ~1250 электронов на сенсоре.
* Одной единичке отсчета на АЦП - один электрон на сенсоре (было 4 при ISO100, а экспозиция стала вчетверо меньше).

Теперь поднимаем ISO дальше. Поставим 25600, в 256 раз больше чем начали:

* Среднему тону соответствует ~5000/250=20 электронов на сенсоре.
* Уровню на 4.3 стопа ниже среднего - один электрон. Т.е. ниже сигнала просто не может быть.
* Ну и еще есть шумы: квантования, тепловой, усилителя.

Другими словами, как только мы вышли в режим "1 электрон на один отсчет" - дальше ситуация может только ухудшаться.

Шумы с точки зрения фотографа

Фотографический диапазон 5D2 в околооптимальном режиме (ISO 100-200) - "ну, стопов 10, ну может быть 11", это при 14-битном АЦП.

Другими словами, пиксели для которых с АЦП снимается значение порядка 8 единиц - еще могут быть подняты во вторую зону по Адамсу, если значащих бит меньше, то разумного сигнала, который можно было бы показать не в тенях - просто нет.

При кручении ручки ISO ситуация только ухудшается - появляются дополнительное усиление, которое сигнал облагородить не может, только дополнительно шумит.

Другими словами, на ISO 25600 мы вправе ожидать законные 3.7 стопа вверх от средней точки, примерно 1.3 стопа вниз. Ну, примерно столько и имеем.

Итого

На 5D2 у нас есть теоретический запас в два стопа ISO (от 100 до 400) до перехода в режим "один электрон на один отсчет", на более высоких чувствительностях каждый электрон начинает производить 2,4,8 и так далее отсчетов АЦП и ДД расти просто не может, не с чего. Собственно, именно это и получается в эксперимента.

Другие камеры

Возьмем к примеру Canon 50D: пиксель меньше, емкость пикселя (по Кларку) - порядка 30 тысяч электронов. Как следствие, в режим "1 электрон - 1 отсчет" мы попадем уже при ISO200, а дальше ДД будет только падать. Я не измерял у этой камеры запас в светах, возможно он не 3.7 стопа как у 5D2, а обычные для большинства камер 2.7-3, тогда на ISO 25600 будет стоп по разумному сигналу вниз и 2.7-3 вверх, а всего - на стоп меньше чем у второго пятака.

----
Моё примечание:
Здесь стоит понимать, что пиксель с точки зрения Алекса и пиксель с точки зрения готового (после преобразования из RAW в JPG) - это разные вещи. Делайте на это поправку.