Определение емкости пиксела и коэффициентов усиления цифровой фотокамеры

 

В отличие от своих пленочных предшественников, современные цифровые камеры имеют несменный сенсор. Как следствие, одно и то же количество света, попавшее на элемент сенсора (пиксель), произведет в нем одинаковое количество электронов т.е. одинаковый сигнал.

Казалось бы, это противоречит повседневной фотографической практике: если света мало, то надо поставить чувствительность (значение ISO) побольше и снимок получится. А если поставить низкую чувствительность то не получится. Давайте разбираться подробнее.

Базовые понятия

Сенсор камеры преобразует падающий свет (фотоны) в электроны, отдельно в каждом пикселе. Количество образованных  в пикселе электронов пропорционально количеству попавших фотонов, коэффициент пропорциональности называется квантовой эффективностью . Квантовая эффективность является характеристикой материала сенсора, она не меняется при смене настроек камеры (изменение чувствительности или еще чего-либо). В результате, одно и то же количество фотонов, попавшее на конкретный пиксель, произведет приблизительно (т.к. процесс вероятностный) одно и то же количество электронов в нем.

Емкость пикселя: каждый отдельный пиксель имеет фиксированную максимальную емкость (в электронах), называемую иногда глубиной колодца . Если в пикселе образовалось больше электронов, чем он может вместить (т.к. за время экспозиции попало слишком много света), то избыточные электроны или перельются в соседние пиксели ( колодец переполнится и случится блюминг т.е. засветка соседних пикселов), или будут как-то поглощены антиблюминговыми схемами сенсора. Если же количество света меньше, то и электронов образуется меньше. Емкость пикселя конкретного сенсора зависит от площади пикселя и, по всей видимости, от конструктивных особенностей сенсора и внешних условий (в первую очередь от температуры).  Типичные значения для современных dSLR несколько десятков тысяч электронов на пиксель. Очевидно, что емкость разных пикселей одного сенсора несколько различается по причине разброса параметров, этой разницей мы в последующих рассуждениях пренебрежем.

Считывание значений: после экспозиции происходит считывание образованных электронов, и их преобразование в числовой (цифровой) вид т.е. оцифровка на АЦП.  Типичная разрядность используемых сегодня АЦП 12-14 бит т.е. диапазон выдаваемых ими значений 0 4095-16383.

Следствия из базовых понятий

Минимальная чувствительность сенсора определяется емкостью колодца. Света на пиксель должно попадать столько, чтобы колодец не переполнялся. Если электронов образуется больше, чем помещается в пикселе, то различить количества света, попавшие на два разных пикселя мы не сможем они оба переполнены и при считывании дадут одинаковый результат.
Так как типичная емкость пикселя (в электронах) больше максимального значения типичного АЦП (в единицах), то на минимальной чувствительности несколько электронов из пикселя производят одну единицу на выходе (в RAW-данных).

При уменьшении количества падающего света  (за счет снижения яркости сцены или уменьшения экспозиции) уменьшается и количество возникающих в пикселях сенсора электронов.
Если сохранить настройку камеры для минимальной чувствительности, то отношение электроны/сигнал останется прежним, электронов меньше а значит и сигнал (значения в RAW-файле) станут меньше.

Если менять значение чувствительности (ISO) камеры, то будет меняться или коэффициент усиления перед АЦП или входной диапазон АЦП. В этом случае отношение электроны/сигнал будет уменьшаться, а сигнал (RAW-значения) расти (при том же количестве электронов, образовавшихся в пикселе).

Единичное усиление при каком-то значении движка чувствительности возникнет ситуация, когда 1 электрон в пикселе порождает одну единицу на выходе АЦП.
Так как в пикселе образуется целое количество электронов, то дальнейшее повышение чувствительности имеет уже относительно мало смысла. В самом деле, если у нас в каком-то пикселе 10 электронов, а в соседнем 11, то никакое усиление не поможет нам получить настоящие промежуточные уровни. Да, при усилении в 10 (к примеру) раз, за счет шума усилителя мы можем из первого пикселя получить 101, а из второго 109, но это будет именно шум, выигрыша по числу реальных градаций изображения мы не получим.
Некоторый смысл в увеличении усиления есть:

  • Вывод сигнала выше уровня шума АЦП (имеет смысл, если шум усилителя существенно меньше шума АЦП, что является признаком несбалансированного технического решения).
  • Вывод сигнала выше уровня темнового тока (уровня черного, dark current), что позволит уменьшить нелинейность в тенях, особенно если вычитание черного производится самой камерой в целых числах.
  • Перевод сигнала (RAW-значений) в зону работы, комфортную для RAW-конвертора (некоторые конверторы при стандартных настройках обрезают входные данные в светах и тенях).

Но в общем случае выигрыш от усиления, большего чем единичное будет относительно небольшим.

Как следствие, режим единичного усиления очень любят астрофотографы (и другие фотографы ночных пейзажей), ибо он дает наилучший баланс между необходимой длиной выдержки и шумом на фотографии.

Возникает вопрос: а как найти на своей камере эту волшебную чувствительность? В этом нам поможет фотонный шум (photon noise).

Фотонный шум

Фотонный шум это свойство любого природного (с лазерами может быть другая история) потока фотонов: поток непостоянен, количество фотонов в единицу времени распределено по Пуассону т.е. дисперсия сигнала ( 2) равна самому сигналу, а среднеквадратичное отклонение ( ) квадратному корню  из сигнала.

Таким образом, нам нужно взять фотографии ровного поля (или, хотя бы, с кусочком ровного поля), и найти такую чувствительность, чтобы дисперсия сигнала была равна самому сигналу.

На практике надлежит брать белое (максимально яркое) поле, экспонируя его таким образом, чтобы не было обрезания (клиппинга) значений по максимуму, в этом случае вклад других составляющих шума (оцифровки, теплового шума и т.п.) будет минимальным. Правильная процедура (которой пользуются астрофотографы) включает в себя оценку нефотонных составляющих шума, дабы выделить именно фотонную часть. На практике вклад этих составляющих в шум сигнала белого поля на средних значениях чувствительности невелик, но он есть, поэтому нас устроит такое ISO, где дисперсия незначительно больше самого сигнала.

Практика: Canon 5D Mark II

Воспользуемся готовым архивом примеров сайта imaging-resource.com и возьмем оттуда тестовые изображения, содержащие ровный белый участок. Например, такие вот:

На этом изображении есть белый квадратик на шкале ColorChecker 24 (слева от центра) и аналогичный белый участок на шкале Kodak (левее), нам подойдет любой из них.

Скачать RAW-файлы с этой сценой и разными значениями чувствительности можно с соответствующей страницы сайта Imaging Resource.Откроем файл в RawDigger, поместим выделение (Selection) на белом квадратике (помечена цифрой 1), статистику по выделению увидим в окошке Selection/Sample (помечено цифрой 2), метаданные снимка, включая значение ISO и экспозицию в окошке метаданных (помечено цифрой 3):

Не убирая выделение, будем последовательно открывать снимки, снятые при разной чувствительности смотря на среднее (Avg) и среднеквадратичное отклонение ( ) в зеленом канале. Результат сведем в такую таблицу (4-я колонка квадрат среднеквадратичного отклонения т.е. значения в 3-м столбце):Нужный нам вариант дисперсия  чуть больше сигнала достигается при ISO400 (выделено в таблице жирным).

 

Экспопара

ISO

Gavg

 σ

σ2

1/8s f/8

50

11833

89.6

7885

1/16s f/8

100

5808

52.5

2756

1/25s f/8

200

6369

67.8

4596

1/64s f/8

400

5918

85.1

7242

1/128s f/8

800

5840

111.8

12499

1/256s f/8

1600

5683

150.6

22680


Кадр для ISO200 несколько выбивается из общей последовательности, значение в зеленом канале ~6400 вместо ~5900 у всех остальных кадров (кроме ISO50, про который мы поговорим ниже). Это произошло по той причине, что экспопара у этого кадра тоже выбивается из линейной последовательности, в силу неизвестных причин кадр снят на 1/25s f/8 , тогда как в линейной последовательности надо было бы использовать 1/32s f/8 .

При этом данные даже в зеленом канале не обрезаны: максимальные значения по снимку 6367 (информационный блок Image, второй слева), а в нашем выделении только 6026. То же самое видно на гистограмме (Menu-Selection-Selection Histogram):

Эта гистограмма для ISO 1600, для меньших значений пики уже (дисперсия меньше), клиппинг данных тоже отсутствует.

ISO 50

На данной камере ISO50 это на самом деле ISO100 с экспокоррекцией +1 . При рассматривании таблицы с разными чувствительностями (первая таблица в тексте), видно, что кадр на ISO50 снят с выдержкой вдвое большей, чем кадр на ISO100 и уровень сигнала практически вдвое больше (несколько меньше, чем вдвое, но в пределах допусков по точности затвора).

Таким образом, коэффициент усиления на ISO50 такой же, как на ISO100 т.е. это одна и та же чувствительность .

Емкость пикселя

Коэффициент усиления на самом низком настоящем значении чувствительности (ISO 100) вчетверо ниже, чем для ISO 400. На ISO 400 коэффициент усиления равен (приблизительно) единице. Следовательно, на чувствительности ISO 100 этот коэффициент равен 0.25. Максимальное значение на выходе АЦП для этой чувствительности около 14000, следовательно, емкость пикселя не менее 56000 электронов.

Реальная емкость может быть несколько больше т.к. диапазон может быть искусственно ограничен, но полученных в наших замерах данных недостаточно, чтобы обосновать такие выводы.

Практические выводы

  1. Поднимать чувствительность выше ISO 400 следует только при крайней необходимости, например, если ваш RAW-конвертор плохо обращается с тенями. Ожидать какого-то существенного выигрыша в сравнении с недодержкой (и обработкой в хорошем RAW-конверторе) можно только за счет того, что предварительное усиление вытаскивает уровень сигнала с сенсора выше уровня шумов АЦП (read noise).
  2. ISO50 это то же самое, что ISO 100 и передержка на 1 стоп. Никакого смысла в этом режиме нет.

158 Comments

А как же тогда быть

Добрый день. Мне для понимания когда какое ИСО лучше применять хотелось бы разобраться в этом. Получается так, что поиск единичного усиления ничего не стоит если тест на "темновой шум" указывает нам выше какого ИСО лучше не подниматься. Вот как связать эти два момента, "шум считывания" и "единичное усиление".

Один момент.

Есть правда один нюанс в моём тесте который я не озвучил а теперь посчитал что необходимо это сделать. При считывание значений СИГМЫ, обратил внимание что "зелёный" канал по Avg не самый чувствительный, самый чувствительный канал красный. Может это как то влиять на результат теста и о чём это может говорить?

Это у вас освещение такое было.

Постойте, о каком освещении может идти речь если для теста на шум считывания я закрыл объектив крышкой? Правда ББ остался с прошлой сессии.

Для понимания всей картины

Для понимания всей картины пишу значения Avg и сигмы для трёх каналов, разница есть но насколько это критично я не знаю.
ИСО Avg сигма
100 К-0.241 0,446
З-0,223 0,443
С-0,227 0,443
400 К-0,809 1,09
З-0,755 1,05
С-0,760 1,03

Понятно, с этим я с Вашей

Понятно, с этим я с Вашей помощью разобрался, а как быть с единичным усилением на ИСО1000 и значением шума считывания ( выше ИСО400 лучше не крутить). Вот как мне состыковать эти два параметра.

Я имею в виду тот момент что

Я имею в виду тот момент что коэффициент усиления=1 находится у моей камеры на ИСО1000, что говорит о предпочтительности этого ИСО перед другими ниже лежащими ( возможно я абсолютно не понял смысл нахождения единичного усиления) А с другой стороны, опираясь на результат теста "шум считывания" я вижу что по шумам лучше ИСО400 не подниматься. Вот смысл тестов "калибровка экспонометра камеры" и "шум считывания" мне понятны. Смысл теста "Определение емкости пиксела и коэффициентов усиления цифровой фотокамеры" как такового тоже понятен (по крайней мере я так думаю), возможно смысл, нахождение крайнего "честного" ИСО а не чувствительности на которой надо стараться снимать.

Не, не так.

Не, не так.

Единичное усилиение - это то, ВЫШЕ которого не стоит ходить при прочих равных (в частности по шуму). Потому что нет смысла, какая разница сколько единичек в raw произведется из одного фотоэлектрона, 1,2, 10.

А ниже - пожалуйста. Усилитель+АЦП усреднят, шум (в светах) ниже.

А ниже - пожалуйста.

Спасибо за разъяснение, в принципе я это и предполагал но сомневался. Значит ИСО с единичным усилением и есть крайнее "честное" светочувствительность. То есть получается, что несколько фотоэлектронов на одну единицу не влияет на качество снимка?

Теперь всё понял, следуя

Теперь всё понял, следуя логике написанного получается что ИСО100 самая бесшумная но как я понял до выдержки 1секунда, потом уже растёт тепловой шум, следовательно лучше повысить ИСО и снять кадр на более короткой выдержки. Короче, теперь мне ясны принципы работы матрицы, остальное надо будет на практике выяснять. Например: что лучше, снять кадр на ИСО100 но точечно брать экспозицию по светам с экспокоррекцией немного не доходя до заполнения "колодца" или снять кадр на ИСО400 но экспонироваться по теням.
P.S. После переписки с Вами заново перечитал тему " Определение емкости пикселя и коэффициентов усиления цифровой фотокамеры". Многое стал понимать сразу не теряясь в догадках. СПАСИБО за уделённое мне время.

Ну что конкретно у вашей

Ну что конкретно у вашей камеры с зависимостью шума от времени (и температуры) - надо мерять.

Но принцип правильный, да.

Есть исключения (некоторые камеры кэнон) у которых темновой шум на 200 ниже чем на 100. И, соответственно, 200 - самая выгодная чувствительность.

Или вот Sony A7R2 - 640 значительно менее шумная чем 400.

надо мерять.

А о методологии сего теста не подскажите где почитать или тест похож на тест "шум считывания"?

Pages