Como o ISO é implementado nas câmeras digitais?

Se eu alterar as configurações ISO da minha câmera, obviamente o ganho do sistema aumentará, amplificando o sinal do sensor. O que não está claro para mim é onde a amplificação ocorre. Eu vejo várias possibilidades:

1. No sensor, aumentando a tensão ou algum outro mecanismo
2. Através de um amplificador analógico fora do sensor
3. Digitalmente, depois que o sinal foi digitalizado, mas antes de armazenar dados no arquivo RAW
4. Como parâmetro aplicado apenas na criação de uma imagem do RAW

Se o número 4 for verdadeiro, você poderá tirar uma foto RAW superexposta em 4 paradas na ISO 1600 e, em seguida, produzir um JPEG na ISO 100 que seria o mesmo que se a foto original tivesse sido tirada na ISO 100.

Se # 1 ou # 2 for verdadeiro, um arquivo RAW gravado na ISO 1600 realmente conteria mais informações sobre sombras e um ISO 100 RAW conteria mais informações sobre destaques.

1 ~ 2 e 3. Nos CCDs, o amplificador está efetivamente no canto do sensor, mas no CMOS, há um amplificador embutido em cada photosite, disperso por todo o sensor. Veja aqui .

Como mencionado em uma coisa que descobri recentemente , a maioria das DSLRs possui um amplificador antes do ADC (Conversão de analógico para digital). Eles tendem a atingir o máximo de 800 ou 1600 ISO e são todas amplificações digitais posteriormente. Os parágrafos a seguir assumem uma câmera que maximiza sua amplificação analógica em 1600:

Infelizmente, os arquivos RAW de 12 ou 14 bits impedem que você faça o que descreve. A amplificação digital ocorre antes que os arquivos RAW sejam armazenados. Há um valor máximo que pode ser armazenado; portanto, quando você fotografa superexposta em 4 pontos, mesmo que o ADC não esteja saturado, o arquivo RAW provavelmente será cortado. No entanto, a técnica que superexpõe tanto quanto não destacar realces é eficaz na redução de ruído e é conhecida como ETTR (Expose To The Right).

Sim, devido à amplificação analógica, os arquivos RAW com ISO mais alto contêm mais detalhes. No entanto, ISO 1600 e ISO 12800 devem conter a mesma quantidade de detalhes de sombra (a menos que haja algum processamento especial adicional OU o ADC tenha efetivamente mais precisão do que a profundidade de bits em que seus arquivos RAW estão armazenados).

Embora o número 3 seja verdadeiro acima da ISO 1600, um ISO 1600 RAW pode conter mais informações sobre os destaques, porque ainda podem ser cortados através do processo de amplificação digital. Por esse motivo e talvez outros (duração da bateria, tamanho efetivo do buffer), ao fotografar em RAW, pode ser benéfico fotografar ISO 1600 e simplesmente pós-processo posteriormente. Novamente, não testei isso e, se a profundidade de bits ADC efetiva for maior que a profundidade de bits do formato RAW, isso não será verdade.

Sim, a configuração ISO afeta os dados da imagem armazenados no arquivo RAW. Aqui estão duas imagens, gravadas ao mesmo tempo / local (quase - essa foi tirada na mão, sem muita atenção à composição), com a mesma abertura (f / 2.8) e velocidade do obturador (1/100).

Esta primeira imagem foi tirada na ISO 100 e ajustada em +2 pontos no ACR para uma ISO efetiva de ~ 400. Todos os ajustes além da exposição foram zerados (sem redução de ruído, nitidez, ajustes de contraste etc.)

Esta imagem foi tirada na ISO 1600 e ajustou -2 paradas no ACR para um ISO efetivo de ~ 400. Mais uma vez, todos os ajustes foram zerados.

Observe os destaques destacados na segunda imagem. A mesma quantidade de luz que atinge o sensor a cada vez, mas informações diferentes são registradas no arquivo RAW.

Sim. A configuração ISO é a sensibilidade do sensor - na prática, a quantidade de amplificação aplicada ao sinal do pixel no sensor para obter um resultado real.

Em teoria, você pode publicar um processo para produzir um resultado semelhante ao de um ISO mais baixo ou mais alto usando a compensação de exposição - eu sempre achei que obtive resultados muito melhores ao acertar "na câmera", o que me leva a acreditar que a amplificação é feita de maneira analógica antes da digitalização.

Se o número 3 for verdadeiro, você poderá tirar uma foto RAW superexposta em 4 paradas na ISO 1600 e, em seguida, produzir um JPEG na ISO 100 que seria o mesmo que se a foto original tivesse sido tirada na ISO 100.

Não. Se você tirar uma foto com a configuração ISO 100, obtém uma exposição diferente (mais luz no chip) do que com a configuração ISO 1600. Não importa como a amplificação (em hardware ou software) seja alcançada, sua imagem ISO 1600 terá mais ruído do que uma imagem ISO 100.

A lente da câmera projeta uma imagem em miniatura do mundo externo na superfície de um sensor de imagem sensível à luz localizado dentro e atrás da câmera. Este sensor de imagem é coberto por milhões de photosites. A maioria dos photosites é coberta com filtros vermelhos, verdes ou azuis. Durante a exposição, a luz da cena é reproduzida nos photosites. Eles recebem hits de fótons proporcionalmente ao brilho da cena.

Os acertos de fótons geram uma carga elétrica dentro do photosite. A força dessa carga é proporcional ao número de acertos de fótons. A contagem de ocorrências é uma combinação de quanto tempo o obturador permanece aberto, o brilho da cena e o diâmetro de trabalho da lente (abertura). Se o brilho da cena for fraco, a automação da câmera ou o fotógrafo aumentará a abertura de trabalho e a velocidade do obturador será reduzida. Se escolher uma velocidade rápida do obturador, a abertura de trabalho deve ser aumentada etc.

Em todos os casos, a magnitude da carga no final da exposição é insignificante. A lógica incorporada ao chip converte a carga em um sinal analógico fraco que é amplificado e convertido em um sinal digital. É sobre a aplicação da amplificação que você está perguntando.

Se a carga for fraca, a amplificação deve ser aumentada. A carga será fraca se a cena estiver mal iluminada. A carga será fraca se a velocidade do obturador usada for super rápida. Abrimos o diâmetro de trabalho da lente, pois isso permite a entrada de mais energia luminosa. Podemos trazer luz artificial se o brilho da cena precisar de reforço.

Vamos falar sobre amplificação: a amplificação na câmera digital corresponde ao aumento do volume de um rádio ou TV. Na câmera digital, quanto maior a amplificação, maior a chance de tirar fotos com cenas pouco iluminadas e / ou altas velocidades do obturador. A amplificação aumentada é classificada como uma configuração ISO alta. ISO significa Organização Internacional de Normalização. Eles são responsáveis ​​por padronizar a sensibilidade da velocidade do filme fotográfico e o setor de câmeras digitais adotou o método ISO de rotulagem de sensibilidade.

O aumento do ISO tem um preço: para a maioria dos sensores de imagem, cada photosite possui seu próprio amplificador. É provável que cada um amplifique um pouco diferente do seu vizinho. Quando a amplificação é muito alta, as vistas que devem se reproduzir como preto geralmente são registradas como cinza escuro. Isso envia informações falsas que chamamos de ruído. Além disso, se a amplificação for muito alta, parte da carga pode vazar para os photosites adjacentes, chamamos isso de florescência. Sim, o ISO alto pode e degrada, mas também permite a fotografia em condições desafiadoras. A tecnologia marcha nos chips de imagem mais recentes e no software da câmera para mitigar melhor o ruído e a floração.

Aviso: Minha resposta é 100% anedótica e é baseada nos resultados de uma Panny FZ-28, que muito possivelmente não lida com RAW's como uma DSLR.

Dito isto, eu luto com os níveis de ruído em condições de pouca luz desde o primeiro dia com esta câmera. Há tanto desempenho que você pode obter de um sensor pequeno, mas eu tentei várias coisas para tentar obter os melhores resultados possíveis.

Como vejo um aumento bastante dramático no ruído à medida que aumenta o ISO, geralmente tento manter o ISO fixado em ou próximo a 100. Uma das coisas que tentei, porém, foi fotografar em RAW a ISO 100 com a foto subexposta para manter o obturador velocidade que eu queria. O pós-processamento me permite corrigir a exposição (até certo ponto), mas quando faço isso, capto uma quantidade de ruído que parece ser a mesma como se eu tivesse acabado de definir o ISO mais alto. Vejo um nível de ruído muito comparável quando aumento o ISO e a exposição (para que não precise aumentar a exposição no pós-processamento), levando-me a acreditar que há pouco ou nenhum espaço para "enganar o sistema" dessa maneira.

Não fiz nenhuma leitura para apoiar isso, mas com base no que vi, eu estaria inclinado a acreditar que o número 1 ou o número 2 (pessoalmente, acredito que seja o número 1) acima são verdadeiros.

O RAW é praticamente um despejo direto da saída do sensor para o armazenamento, então o número 1 e / ou o número 2 são as escolhas óbvias (embora eu ache que a Canon faça alguma manipulação de dados antes de gravar seu RAW, e talvez outros também).

Uma boa maneira de aumentar a sensibilidade de um sensor é aumentar a tensão aplicada sobre ele. Isso aumenta a saída para uma determinada entrada e aumenta o ruído (que é de fato observado quando ocorre o aumento da EI em uma câmera digital).

Eu tenho dificuldade em imaginar como você aplicaria algum tipo de amplificação de luz antes do sensor, embora isso possa ser ajustado em tempo real (os sensores têm microlentes sobre cada elemento para coletar luz para esse elemento, o que determina o tamanho do elemento e tem um efeito pequeno, mas fixo).

A opção 3 modifica os dados RAW após a coleta, o mesmo que modificar o arquivo RAW após a leitura da câmera. Algumas câmeras (veja acima) podem tentar isso, especialmente para filtrar ruídos. A maioria não vai deixar isso para o operador do usuário (de fato, anos atrás, houve uma batalha entre a Canon e a Nikon, em que a Canon parecia produzir imagens muito mais vibrantes em comparação com a Nikon, que foram causadas pela aplicação de manipulação na câmera pela Canon. os dados RAW, que causaram um alvoroço por parte dos usuários que não queriam que suas câmeras fizessem isso).

Lembre-se de que tudo isso é para DSLRs de médio / alto padrão; com os modelos básicos, provavelmente há muito filtro e aprimoramento na câmera, mas as pessoas que os usam não são tipicamente atiradores RAW e seus modos RAW também podem estar limpos.