Como o alcance dinâmico pode ser maior que a profundidade de bits do sensor?

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Encontrei algo que me confundiu e, portanto, achei que a multidão aqui provavelmente poderia responder a essa pergunta, já que é relacionada à câmera e técnica ao mesmo tempo.

Alguém me enviou os resultados do DXOMark para o Pentax K-5, que mostra 14,1 EV de faixa dinâmica no seu ISO mais baixo. No entanto, considerando que o sensor tem 14 bits, isso não se encaixa na minha intuição ... Parece estranho que um dispositivo linear como um sensor CMOS possa capturar mais DR do que bits. Teria uma faixa dinâmica esparsa, pulando EVs no meio?

sensor dynamic-range bit-depth

— Itai
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A pontuação DxO Mark para Dynamic Range na guia print é uma pontuação teórica interpolada , não uma medida real. Por favor, leia a página em seu site onde são explicadas as pontuações e como elas são calculadas. O DR na guia da tela é um número mais realista para um sensor de 14 bits: 13,44 EV.

— Michael C

Veja esta resposta e comentários: photo.stackexchange.com/a/47512/15871

— Michael C

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Cambridge in Color tem um artigo muito bom sobre isso. Se o sensor tiver um conversor A / D linear, a profundidade do bit limitará a faixa dinâmica em 14 EVs como limite teórico. No entanto, se não for linear, a profundidade de bits não se correlaciona necessariamente. A partir disso, acho que podemos determinar que o sensor no K-5 não possui um conversor A / D linear.

Posso dizer, por experiência pessoal, que esse sensor definitivamente tem uma enorme faixa dinâmica. Consegui recuperar uma imagem com quase 8 paradas subexpostas no K-5.

— John Cavan
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Tem certeza de que não era ISO1600 e nem ISO16000 que estava gravando no resto do tempo? Isso tornaria a imagem pouco mais de 4 pontos superexposta, e não 8, e se correlacionaria sem o fato de você usar a compensação de exposição de +4 no ACR. Ainda é impressionante, eu só quero ter certeza de que os números estão corretos.

— Gratidão #

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Sim, eram 16000, tenho outra imagem da sequência (e assuntos) com a mesma abertura e velocidade do obturador para referência (eu a publicaria, mas não estou em casa para obtê-la). O ACR permite apenas um ajuste de 4 pontos na exposição, então eu também tive que pressionar a luz de preenchimento para 100 para obter mais detalhes. Hmm, talvez eu deva atualizar o artigo com algumas etapas intermediárias. Eu vi um exemplo semelhante com 10 paradas deliberadas abaixo e foi isso que acionou minha atualização agora, e não em janeiro. :)

— John Cavan

+1, o artigo Cambridge in Color é excelente. Ele explica muito bem o valor de photosites maiores ("poços" mais profundos) e como eles afetam a faixa dinâmica. Provavelmente, também deve ser observado que a maioria dos sensores não é puramente linear; a maioria possui um conv A / D atenuado. curva (curva S) à medida que você alcança os extremos da sombra e realça. No RAW, um sensor digital pode capturar muitos dados que podem ser recuperados posteriormente, como demonstrado no seu artigo.

— Jrista

@jrista - Cambridge in Color foi um dos primeiros sites de fotografia que visitei quando comecei a fotografar com dSLR. Eu continuo voltando para eles, muito bem escrito e fácil de acompanhar.

— John Cavan

@ John: Concordo. O CinC é um ótimo site, e muito bem escrito em um nível que é útil para fotógrafos iniciantes e experientes. Isso é uma coisa difícil de fazer.

— jrista

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Como o alcance dinâmico pode ser maior que a profundidade de bits do sensor?

Faixa dinâmica é o logaritmo da razão entre as intensidades mais brilhantes e as mais escuras na parte linear da curva de sensibilidade. Pode haver outras definições, mas, em geral, deriva da razão de duas intensidades, propriedades físicas objetivas da cena. É um número real.

Profundidade de bits é o número de bits por canal usado para quantificar a variável contínua. Mais profundidade de bits fornece tons mais distintos de cinza no meio. É apenas uma questão de como uma imagem é representada na memória do computador.

A faixa dinâmica reflete a quantidade de contraste que o sensor pode registrar. A profundidade de bits reflete quantas cores distintas a câmera pode "dar nomes". Ou em quantas partes a câmera pode dividir o alcance. Se uma câmera fosse uma régua, o alcance dinâmico seria o comprimento (logaritmo do) da régua e a profundidade do bit seria o número (logaritmo do) número de marcas ao longo de sua borda. E você pode dividir o comprimento em quantas peças quiser. Da mesma forma, a profundidade de bits não precisa ser igual à faixa dinâmica.

Se a faixa dinâmica for S EV e a profundidade de bits for n , isso significa que a câmera pode registrar cenas com contraste pelo menos tão grande quanto

$I_{max}/I_{min} = 2^S$

(Na verdade, um pouco mais se você usar também a parte não linear da curva de resposta do sensor). E você pode distinguir teoricamente

$N=2^n$

tons de cinza.

Eu possuo uma câmera compacta que pode gravar RAW de 12 bits. Apesar da alta profundidade de bits, sua faixa dinâmica é muito modesta. Você pode criar uma imagem de uma situação oposta, quando o sensor puder registrar uma cena de alto contraste, sem superexposição e subexposição, mas se a profundidade de bits for baixa, essa cena será representada com poucas cores intermediárias.

— sastanina
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+1, ótima resposta. Uma dica: acredito que a palavra que você precisa no lugar de "discretizar" é "quantizar": Quantize -verb: Math, Physics. restringir (uma quantidade variável) a valores discretos , em vez de um conjunto contínuo de valores.

— Jrista

Obrigado. Meu inglês está longe de ser perfeito, mas parece que, no mundo da computação e da matemática, discretizar é mais apropriado quando o espaço contínuo é substituído por um espaço discreto equivalente para fins de cálculo en.wiktionary.org/wiki/discretize (por exemplo, um número com um valor de ponto flutuante IEEE ou um número inteiro). Discretização é uma decisão de engenharia de software. A variável quantizada para mim, em vez disso, é uma variável para a qual todos os valores são proibidos, exceto alguns. Então, "quantizado" soa como uma restrição física para mim. Mas pode ser que você esteja certo.

— Sastanin

Tecnicamente falando, um sensor "quantiza" a luz em "baldes" específicos e fisicamente limitados. Se assumirmos uma imagem RAW de 12 bits, existem 4096 "quanta" discretos nos quais você pode "discretizar". Onde discretizar significa que você pode conciliar um espaço real em um número variável de espaços discretos, com um sensor, o espaço discreto é fixo e existem apenas 4096 valores discretos específicos nos quais você pode converter o espaço analógico. Pode ser um ponto discutível, mas acho que quantizar é mais aplicável aqui. ;)

— jrista

ESTÁ BEM. Estou convencido.

— sastanin

@jrista Enquanto discutimos o inglês, a palavra que você deseja é "discreta", não "discreta".

— coneslayer

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Em primeiro lugar, para ficar claro, o alcance dinâmico tem uma relação inversa com o ruído - o ruído baixo (tudo igual) leva a um alcance dinâmico maior. O ruído provém principalmente dos componentes eletrônicos do sensor (ruído de leitura, ruído da corrente escura), da natureza discreta da luz (ruído de fóton / foto) e da conversão do analógico para o digital (ruído de quantização).

As pontuações da faixa dinâmica da marca DXO são baseadas na diferença entre a intensidade da luz necessária para saturar o sensor e a intensidade da luz na qual o SNR atinge 1: 1 (ou seja, o ponto em que o sinal é igual ao ruído)

Você esperaria que, na ausência de ruído de disparo e ruído de leitura, o DR de um sensor com resposta linear fosse igual à profundidade de bits. Dado que a pontuação do K-5 na presença dessas fontes de ruído indica para mim que o pipeline de imagem tem um grau moderado de não linearidade (todos os sensores possuem alguma não linearidade inerente), provavelmente projetado dessa maneira para aumentar o alcance dinâmico.

A não-linearidade ajuda a escapar do limite de profundidade de bits, mas sim o que você ganha em gradações nas sombras que perde em outro lugar na curva de tons (embora provavelmente em algum lugar menos importante). Não existe almoço grátis!

Com relação ao K-5, sua classe é líder em baixa sensibilidade ISO, que é determinada principalmente pelo ruído de leitura. É realmente ótimo ver os fabricantes voltando sua atenção para essa área e ela merece toda a atenção. No entanto, a faixa dinâmica com sensibilidades ISO mais altas é dominada pelo ruído do fóton, que só é combatido pela captura de mais luz, então sensores grandes sempre terão uma vantagem aqui. . Como algumas pessoas fotografam predominantemente ISO400 e acima, vale a pena ter isso em mente!

— Matt Grum
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Concordo que, na ISO80, o K-5 é impressionante e se comporta bem com formato médio e quadro completo para as faixas ISO mais baixas. Quando o ISO começa a pular, ele começa a perder a liderança. No entanto, ele ainda consegue ficar bem perto, então essa é uma conquista para a Sony (que fabrica o sensor) e Pentax (que o implementou). A D7000 possui características muito semelhantes, uma vez que é uma variante do mesmo sensor e a Nikon fez um ótimo trabalho em sua implementação.

— John Cavan

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A "faixa dinâmica" (DR) não é uma característica absoluta.

A definição mais grosseira de DR é "proporção entre as intensidades de cinza mais brilhantes e mais escuras, que o sensor pode gravar muito bem".

O DR de um sensor digital é derivado de duas medições:

intensidade de recorte [para o canal mais sensível] a uma determinada temperatura de cor (o DxO provavelmente usa o D65);
intensidade que produz uma quantidade limite de ruído (ou seja, se for mais escuro, o ruído é inaceitável).

Então, você tem duas maneiras de calcular o DR da imagem digital.

Dumb way está usando dados de pixel para calcular o ruído (medições de "tela" no site DxO). Se você calcular o DR do sensor linear com o XC ADC dessa maneira, ele não poderá ser maior que X EV.
A maneira inteligente (que é a única maneira possível de comparar fotos de câmeras com resolução diferente) está levando em consideração a resolução ao calcular o ruído (medições de "impressão" no DxO). O DR não é limitado pelo ADC dessa maneira, é possível criar uma câmera com um sensor maior e o mesmo ADC e ele terá maior alcance dinâmico percebido.

Portanto, você não encontrará nenhuma câmera cuja DR de "tela" expressa em EVs exceda a resolução ADC expressa em bits.

Comentários sobre outras respostas:

A partir disso, acho que podemos determinar que o sensor no K-5 não possui um conversor A / D linear.

Não há um único sensor digital com conversão A / D não linear desenvolvida. Todas as conversões tonais realizadas pela câmera (incluindo os modos especiais de saída das câmeras de cinema e da série Sony A7 em particular) são feitas com dados discretos.

O Kodak DCS Pro 14n possui um modo de operação ADC de dupla inclinação, no qual a saída é linear por partes.

Dado o escore do K-5 na presença dessas fontes de ruído, indica-me que o pipeline de imagem tem um grau moderado de não-linearidade

O K-5 tem uma resposta perfeitamente plana (como qualquer outra câmera, provavelmente com a única exclusão sendo o Kodak DCS Pro). Eu mesmo medi.

Nota: O DxO Labs não está redimensionando ou imprimindo nada para medições "impressas", mas sim usando o coeficiente de resolução nas fórmulas. Nota: neste post "linear" não é "logarítmico".

— Euri Pinhollow
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