Seria errado pensar que o aumento do ISO não resulta em nenhuma alteração "física" na câmera. O problema com a ISO é que as pessoas costumam chamar de sensibilidade . Isso é realmente um nome impróprio ... a sensibilidade é um atributo fixo de qualquer sensor e não pode ser alterado.
Sensibilidade é realmente mais sinônimo da eficiência quântica dos fotodiodos, levando em consideração a porcentagem de luz filtrada pelo filtro de corte de infravermelho, filtro de passe baixo e filtro de cores. De um modo geral, a maioria das DSLRs atualmente tem uma "sensibilidade" de 13 a 18% à luz ... isso significa que apenas 13 a 18% da luz que passa através da lente atinge o fotodiodo e libera um elétron. Aproximadamente 60% da luz ou mais é filtrada pela pilha de filtros e pelo CFA, e a eficiência quântica dos fotodiodos (a taxa de golpes de fótons até a liberação de elétrons) nos sensores modernos varia de ~ 45% a ~ 60%.
O ISO é realmente apenas uma instrução para os componentes eletrônicos da câmera para alterar como a carga eletrônica, o sinal analógico, armazenado no sensor é amplificado para produzir uma exposição adequada. Nesse sentido, há uma mudança "física" no que realmente está acontecendo com o sinal de imagem dentro dos componentes eletrônicos do sensor. Um certo ganho é aplicado ao sinal original no sensor na leitura. O aumento do ISO altera esse ganho, resultando em uma amplificação cada vez maior do sinal.
Sua pergunta é: o aumento do ISO é importante e a alteração do ISO afeta o RAW? A resposta é SIM e SIM! Se você fotografou tudo com ISO 100 e alterou a "amplificação" digitalmente, as suas imagens ficarão muito mais barulhentas do que se você usar a configuração mais apropriada na sua câmera. Os mecanismos de amplificação do sinal de imagem executados pela câmera são muito superiores ao aumento básico do ISO digital com algum tipo de ferramenta de pós-processamento como o Lightroom. A imagem de amostra de Matt Grum que você referenciou da postagem original deve ser um exemplo ideal disso. Observe como é pior o ruído na imagem ISO 100 digitalmente aumentada do que na imagem ISO 1600? Há muito ruído na cor azul, os padrões de faixas estão começando a aparecer e há perda de detalhes. A câmera fez um trabalho muito melhor quando foi solicitada a utilização da ISO 1600 ... há menos ruído, mais detalhes, detalhes mais nítidos.
A razão pela qual impulsionar o ISO na câmera é melhor é que ele trabalha com o sinal nativo original logo após o sensor, antes que qualquer eletrônica a jusante tenha a chance de introduzir ruído adicional. Em um sensor de imagem CMOS (CIS), cada pixel possui um circuito de redução de ruído (CDS), amostragem dupla correlacionada ... mede a carga de corrente escura no pixel no "tempo de redefinição" e a memoriza para que pode ser subtraído na leitura), bem como um amplificador embutido. Quando cada coluna de pixels é lida, a carga do pixel é primeiro eliminada pelo circuito CDS, e essa carga "limpa" é então diretamente amplificada antes de ser enviada para o circuito de leitura enviado para fora da matriz. A conversão de analógico para digital, ou ADC, ocorre na matriz do sensor em um chip DSP na maioria das câmeras (existem algumas exceções, mais em um momento).
Os ADCs geralmente são moderadamente paralelos; pode haver oito, dezesseis, talvez mais em uma determinada câmera. Apesar de paralelos, cada um ainda deve processar centenas de milhares, senão milhões de pixels em uma fração de segundo. Isso requer uma alta frequência operacional, que tem a tendência de introduzir ruído adicional. Essa é a principal fonte de ruído de cores e faixas na maioria das DSLRs que exibem isso. A imagem ISO 100 que foi aprimorada na publicação também está aumentando esse ruído pós-leitura adicional que é introduzido a jusante do sensor .
Ao aumentar o ISO na câmera, você amplifica o sinal da imagem diretamente, e quaisquer contribuintes adicionais a jusante do ruído afetam apenas a extremidade inferior do sinal. Isso preserva a imagem para a relação do sinal de ruído eletrônico. Há um contribuidor adicional para o ruído que não tem nada a ver com a eletrônica. A natureza aleatória da luz em si resulta em uma distribuição de Poisson dos ataques de fótons. Com menos luz total atingindo o sensor, o ruído de Poisson será maior. Se você tivesse um sensor silencioso, um que não apresentasse nenhum ruído eletrônico próprio ... usar a ISO 1600 seria o mesmo que usar a ISO 100 e aumentar a exposição em quatro paradas no post. A quantidade de ruído nas duas imagens seria idêntica, e tudo seria ruído resultante da natureza física aleatória da luz.
Hoje existe um sensor no mercado que é quase silencioso. O sensor Sony Exmor usa um design de leitura ADC / CDS digital ON-DIE altamente avançado, paralelo à coluna. Diferentemente da maioria dos sensores, que mantêm um sinal analógico em toda a tubulação, do sensor ao DSP (até logo após o ADC), o Exmor executa o CDS e o ADC na matriz e de maneira digital. Em vez de cada pixel possuir circuitos CDS analógicos para medir a corrente escura por pixel, o Exmor realiza uma leitura de redefinição, essa leitura de redefinição é imediatamente convertida em digital e armazena toda a carga de "corrente escura" dos sensores em uma imagem virtual de valores negativos. Quando é feita uma exposição, o sinal da imagem é lido, convertido em digital e a imagem de redefinição negativa é aplicada à imagem de exposição positiva.
Como existe um ADC por coluna no Exmor, em vez de um ADC por dezenas de colunas, eles podem operar com uma frequência mais baixa. Entre o uso do CDS digital, o ADC por coluna e os componentes de frequência mais baixa, o Exmor introduz um ruído quase zero , não apresenta nenhum ruído de faixa ou padrão visível e, para todos os efeitos, pode ser considerado um sensor "silencioso".Ainda há algum ruído, e o aumento suficiente de uma exposição no correio resultará, em última análise, nesse ruído. No entanto, pode-se tirar uma foto na ISO 100, levantá-la em quatro paradas e parecer tão boa quanto uma foto tirada na ISO 1600. De fato, no caso da Exmor ... isso é EXATAMENTE o caso! Toda a "amplificação" no Exmor é digital por natureza, embora os componentes eletrônicos do sensor tendam a ser melhores nisso do que o aumento manual da exposição no correio, por uma pequena margem.
Também é importante perceber que o aumento da ISO em si não adiciona ruído. ISO não é uma fonte de ruído! Supondo que um sensor silencioso, se você expõe uma cena estática de modo a obter uma exposição adequada na ISO 100 e expõe a mesma cena estática de modo a obter uma exposição adequada na ISO 3200, o último terá mais ruído. Porque você pergunta? O ruído de Poisson, mais comumente chamado de ruído Photon Shot, ou ruído causado pela natureza aleatória da luz, é a causa. Na imagem ISO 100 adequadamente exposta, você está usando uma abertura maior, usando um obturador mais longo ou ambos. Vamos supor, para fins de discussão, que estamos apenas alterando a velocidade do obturador, para manter a DOF e obter exatamente a mesma cena nas ISO 100 e ISO 3200. A diferença na velocidade do obturador é de cinco paradas. Essa é uma diferença de trinta e duas vezes na quantidade de luz no sensor! Quanto mais luz você tiver, menor será o ruído na captura de fótons ... a relação sinal-ruído (SNR) da imagem em relação ao seu próprio ruído natural é maior com uma imagem ISO 100 adequadamente exposta e muito menor com uma imagem ISO 3200 adequadamente exposta.
Se usarmos a Nikon D800 (que usa um sensor Sony Exmor), fotografar uma imagem subexposta em cinco paradas na ISO 100 e outra adequadamente exposta na ISO 3200 e amplificar a imagem ISO 100, ela será um pouco mais barulhenta do que a Imagem ISO 3200. Ele possui efetivamente o mesmo SNR em relação ao ruído da tomada de fótons e também terá uma contribuição muito pequena do ruído de leitura que será amplificado junto com o restante da imagem.
Bem, você pediu para saber exatamente como o ISO funcionava em uma câmera digital moderna. Esta não é uma explicação completa, e diferentes fabricantes lidam com determinadas configurações de alto ISO de maneira diferente. Por exemplo, os sensores da Canon apenas amplificam o sinal de imagem diretamente do sensor até um determinado ponto e, em seguida, usam um amplificador a jusante adicional entre o sensor e o ADC para obter as duas principais paradas (por exemplo, em uma câmera que vai para ISO 6400, ISO 1600 é a configuração máxima "amplificada de forma nativa" e ISO 3200 e 6400 envolve uma amplificação adicional a jusante, mas ainda analógica.) As configurações de "ISO expandido" também são especiais na maioria das câmeras, pois tudo o que realmente são é um impulso digital. Portanto, qualquer configuração chamada HI, ou H1, H2, etc., não é uma configuração ISO verdadeira ... é uma configuração ISO falsa.