Quais são as causas físicas do recorte?

O que exatamente limita os sensores modernos das câmeras digitais na captura da intensidade da luz além de determinado ponto?

O que exatamente limita os sensores modernos das câmeras digitais na captura da intensidade da luz além de determinado ponto?

Em termos das propriedades físicas do próprio sensor:

O número de ataques de fótons e o número de elétrons livres resultantes desses ataques de fótons até que não haja mais elétrons disponíveis com potencial para serem liberados dentro de cada photosite (sensor a / k / a, poço de pixel etc.) define seu poço completo capacidade. Não é muito diferente do filme, no qual a saturação total é atingida quando não há cristais de halogeneto de prata restantes na emulsão que ainda não possuem 'manchas de sensibilidade' suficientes para serem transformadas em prata atômica pelo desenvolvedor.. A principal diferença é a forma das curvas de resposta quando cada tecnologia se aproxima da capacidade total. Resultados digitais com o mesmo número de elétrons por fóton¹ sendo liberados até que a capacidade total do poço seja atingida. À medida que o filme se aproxima da saturação total, mais e mais energia luminosa (ou tempo de revelação) é necessária para afetar os sais de prata restantes.

Em termos de registro das tensões analógicas como dados digitais:

Quando a tensão analógica de cada photosite (a / k / a 'sensel', 'pixel well' etc.) é lida no sensor, a amplificação é aplicada ao sinal. A configuração ISO da câmera determina quanta amplificação é aplicada. Para cada aumento de parada do ISO, aplica-se o dobro da amplificação. Se a sensibilidade "base" da câmera (por uma questão de simplicidade, vamos chamar ISO 100 de uma amplificação de 1,00X na qual a tensão de entrada é igual à tensão de saída) é usada, os photosites que atingiram a capacidade total do poço devem resultar em uma leitura máxima de tensão na pós-amplificação circuito analógico que alimenta o ADC. Se o ISO 200 (amplificação de 2.0X) for usado, a tensão de qualquer sensor que atinja a metade (1/2) da capacidade total do poço ou mais é amplificada para a tensão máxima permitida no circuito de pós-amplificação.

Qualquer amplificação maior que 1,0X aplicará um "teto" menor que a capacidade total do poço de cada photosite. Quando alta amplificação é usada, os sinais mais fracos que a capacidade total do poço também atingem a capacidade máxima de tensão dos circuitos a jusante do amplificador. Qualquer nível de sinal pré-amplificado que seja forte o suficiente para "fixar o medidor" após a amplificação é indistinguível de qualquer outro nível de sinal pré-amplificado que também "fixará o medidor".

Quando esses sinais analógicos amplificados são convertidos em dados digitais pelo conversor analógico-digital (ADC), os sinais na capacidade máxima de tensão do circuito recebem o valor máximo permitido pela profundidade de bits da conversão analógico-digital. Se convertido em valores de 8 bits, é atribuído um valor em tensões em binário entre 0-255. O sinal máximo permitido pelo circuito analógico que alimenta o ADC seria registrado como 255. Se em 14 bits, as tensões receberem um valor entre 0-16.383, com o valor máximo atribuído um valor binário de 16.383, e assim por diante.

A dica para quando você está realmente tirando fotos:

Você obterá a maior diferença e o melhor número de gradações entre os elementos mais brilhantes e os mais escuros² na cena que estiver fotografando quando a amplificação estiver na sensibilidade "base" da câmera e o tempo do obturador e a abertura forem combinados para fornecer os elementos mais brilhantes. a cena é apenas exposição suficiente para atingir a saturação total ou quase. Usar um valor ISO mais alto é útil se não for possível expor por tanto tempo ou com uma abertura larga o suficiente para aproximar a saturação total dos realces da cena para a imagem que você deseja criar. Mas usar um ISO mais alto tem um preço. A faixa dinâmica total é reduzida pela maior amplificação dos sinais elétricos que saem do sensor.

Então, por que nem sempre fotografamos com ISO 100, ou seja qual for o ISO base da câmera, e depois aumentamos a exposição posteriormente? Porque fazê-lo dessa maneira tende a amplificar "ruído" na imagem ainda mais do que fotografar com valores ISO mais altos. Quanto mais depende de quanto e onde a redução de ruído é feita no sinal. Mas reduzir a influência do ruído aplicando a redução de ruído às tensões analógicas que saem do sensor também tem um preço - fontes de luz com pontos muito escuros são frequentemente filtradas como "ruído". É por isso que algumas câmeras com desempenho ISO de baixa luminosidade / ISO muito bom, em termos de redução de ruído, também são conhecidas como "comedores de estrelas" pelos astrofotógrafos.

_{A Há uma ligeira variação na energia contida em um fóton com base na frequência em que ele está oscilando. Fótons que oscilam em frequências mais baixas liberam um pouco menos energia ao atingir o sensor do que fótons que oscilam em frequências mais altas. Mas para os fótons que oscilam em uma frequência / comprimento de onda específicos, a quantidade de energia liberada ao atingir o fundo de um poço de pixel é a mesma até que a capacidade total do poço seja atingida.}

_{² Chamamos a diferença entre os elementos mais escuros e mais brilhantes que podem ser gravados por um sensor (ou filme) a faixa dinâmica do meio de gravação. Para cada parada de aumento de sensibilidade (ISO) com uma câmera digital, a diferença de tensão linear entre "zero" e "saturação total" é reduzida pela metade. Quando convertido em escalas logarítmicas, como 'Ev', dobrar a sensibilidade resulta em uma redução de uma 'parada' da faixa dinâmica (tudo o resto é igual, o que raramente é).}

Além da excelente resposta de Michael Clark (descrevendo o recorte de capacidade total do poço e o recorte ADC), existem vários outros pontos em um pipeline de fotografia digital onde o recorte pode ocorrer:

• Para imagens não-RAW, durante a correção de cores no dispositivo / ajuste automático de gama antes da compactação e durante a própria compactação.

  Quando você compacta uma imagem como JPEG ou MPEG, o hardware trunca a profundidade de bits para o que a mídia compactada suportar, o que normalmente é muito menor que a profundidade de bits do hardware. Devido a esse truncamento, os valores próximos aos extremos de brilho são perdidos.

  Antes da compactação, sua câmera aplica correção de cores e ajustes de gama que podem afetar o alcance dinâmico efetivo que se encaixa na profundidade de bits limitada fornecida pelo compressor. Por exemplo, ao gravar vídeo no modo Canon Log, as partes mais escuras e mais claras da cena são matematicamente puxadas em direção ao centro, para que o alcance dinâmico efetivo aumente significativamente e menos partes da imagem sejam cortadas em cada extremidade do intervalo.

• Durante o pós-processamento. Ao executar um pós-processamento que altera significativamente o brilho de uma imagem, é possível que os estágios iniciais da computação efetivamente façam com que os valores excedam o intervalo que pode ser representado corretamente pelo número de bits usados ​​para mantê-los. Embora raro, isso às vezes ocorre e, quando ocorre, pode causar recorte mesmo em áreas da foto que não são realmente cortadas na imagem original.

• Durante a correção da gama de cores enquanto imprime ou exibe a imagem. Ao executar a correção de cores, às vezes você pode obter valores que ficam fora da gama que podem ser reproduzidos com precisão pelo meio de saída. Nesse ponto, o mecanismo de cores precisa decidir o que fazer com esses valores fora da gama. Isso também resulta efetivamente no recorte, embora visualmente pareça um pouco diferente do que a maioria das pessoas pensa quando fala sobre recorte, geralmente resultando em coisas com a cor errada.

A explicação empírica fácil:

Olhe para uma lâmpada muito brilhante, se a luz estiver brilhante o suficiente, você não poderá ver o interior da lâmpada porque suas pupilas podem fechar mais e ainda há muita luz atingindo sua retina, saturando-a e as informações que chegam seu cérebro está cortado (você só vê luz brilhante, mas não os detalhes dentro dela). Essa é uma das razões pelas quais, se você tentar, não deve fazê-lo, olhando diretamente para um céu claro, ao meio-dia, você não poderá ver o sol, mas uma luz intensa (lembre-se de tentar fazê-lo sem o proteção adequada pode realmente prejudicar permanentemente seus olhos ou seu equipamento fotográfico, lentes e sensor)

Qualquer sensor se comporta da mesma maneira (da sua câmera ou não). Quando o sinal (neste caso, a luz) estiver muito alto para sua capacidade (atingir o nível de saturação), ele cortará qualquer informação adicional, não poderá discernir mais sinais, transmitindo apenas um sinal alto e plano sem nenhuma informação valiosa.