Программная реализация ISO

Вообще, я бы назвал данную статью «Программная или аппаратная накрутка ISO?»

Берем, и вытягиваем исо программно. Особая магия АЦП

Берем, и вытягиваем исо программно. Особая магия АЦП

Матрица фотоаппарата – сложное устройство. Матрица считывает свет (излучение видимого спектра), которое проецирует на нее объектив. Дозатором света служит диафрагма и выдержка. А вот на общую экспозицию кадра влияет еще и значение ISO, которое часто упускают с пары «выдержка-диафрагма».

Как увеличивается или уменьшается время выдержки — можно выразить в секундах и их долях. Открытость или закрытость диафрагмы можно выразить в соотношении диаметра к фокусному расстоянию. В любому случае, изменение выдержки и диафрагмы можно увидеть, услышать – проще говоря, они заметны невооруженным глазом. А вот изменение ISO – это внутрикамерная магия. Как фотоны превращаются в электрические сигналы, как сигналы оцифровываются и превращаются в биты, байты Jpeg-и и Raw-ы обычные смертные никогда не видели.

В общем случае ходит мнение, что матрица фотоаппарата работает следующим образом:  фотоны (свет, который прошел через объектив) падают на матрицу. Фотоны выбивают в каждом из суб-пикселей матрицы электроны, от количества электронов возрастает напряжение в ячейках. Напряжение измеряется с помощью аналого-цифрового преобразователя (АЦП), который аналоговый сигнал напряжения преобразует в цифровую последовательность единиц и ноликов. Дальше, центральный процессор берет цифровую последовательность и кодирует из данных готовое изображение. Под кодировкой подразумевается огромный объем вычислений, который в конечном итоге, формирует файл изображения JPEG и\или RAW. После чего, файл записывается на карточку памяти. Центральный процессор может и не особо сильно обрабатывать данные, а просто записывать их в сырой (не обработанный) форма RAW. Фактически, RAW — это данные после работы АЦП.

Вопрос в том, где во всей этой последовательности изменяется ISO, да и вообще, к чему его привязать? В общем случае говорят, что ISO отвечает за усиление уровня считывающего сигнала для чтения информации с матрицы. Чем сильнее напряженнее, тем больше вероятность получить неточные данные, а на изображении это выразится в качестве шумов – но это может быть и не так. Вторая версия, что никакого усиления напряжения нет, а АЦП просто умножает считанный сигнал на какой-то коэффициент, который и принимают за ISO.

Я больше склоняюсь ко второму варианту, по крайней мере для матриц типа CCD на основе проведенного ниже эксперимента.

Первое фото снято с нормальной экспозицией на ISO 100, 1/10s. Чтобы получить такую же экспозицию на ISO 1600 при той же диафрагме — нужно уменьшить выдержку в 16 раз, то есть, тогда выдержка на ИСО 1600 будет равняться 1/160. Экспозиция для ISO 100, F2.0, 1/10s и ISO 1600, F2.0, 1/160 будет одинаковая.

Нормальное фото, ИСО 100, без поправок экспозиции

Нормальное фото, ИСО 100, без поправок экспозиции

Второе фото сделано тоже на ISO 100, но с выдержкой в 16 раз короче нормальной — на 1/160 и увеличением экспозиции на 4 ступени (другие настройки автоматические). Третье фото снято на ISO 1600 и тоже с выдержкой 1\160.

Одинаковая экспозиция и почти одинаковое качество фото при разных значениях ИСО и одной и той же диафрагме и выдержке

Одинаковая экспозиция и почти одинаковое качество фото при разных значениях ИСО и одной и той же диафрагме и выдержке

Идея такая – АЦП не изменяет напряжение для считывания сигнала с матрицы, а просто умножает уровень сигнала на коэффициент, который зависит от ISO. Если мы снимаем в RAW, то по идее, то же самое умножение сигнала мы можем сделать и при съемке в формате RAW, просто «умножение» можно выполнить на компьютере с помощью поправки экспозиции. Если сделать поправку на ISO 100 на 4 ступени (эквивалент изменения выдержки или ISO в 16 раз), то мы должны получить такое же изображение, которое делает камера на ISO 1600 с такой же выдержкой, что, собственно, и подтвердилось.

Вырезки из предыдущих двух фото. Кроп 1 к 1. Качество 100%

Вырезки из предыдущих двух фото. Кроп 1 к 1. Качество 100%

После проведения эксперимента, выходные данные показывают, что гипотеза близка к истине, так как оба изображения (доработанное недодержанное на ISO 100 и нормальное на ISO 1600) практически идентичны (смотрите размеры 1 к 1 выше).

Вывод напрашивается сам собой – чем ниже ISO, тем лучше, так как камера не подымает ISO аппаратно, а делает только программную накрутку при преобразовании в АЦП. Точно так, программную накрутку ISO в сторону более низких значениях делают на некоторых камерах – можете взглянуть на мою статью про ISO Lo1.

Прошу обратить внимание, что я сделал вывод только на основе CCD матрицы моего Nikon D200. Но то же самое, можно легко повторить с CMOS матрицами, например для Nikon D90. И в любом случае, камера сделает все более аккуратно при кодировании изображения на высоких ISO, нежели «вытягивание» из RAW. Можете ознакомиться с еще одной интересной статьей — вытягивание снимков — RAW VS JPEG.

Вывод:

У многих камер нет аппаратной реализации изменения значения ISO, а матрица дает наилучший результат только при минимальном «родном» значении ISO. Потому, снимать на низких ISO остается золотым правилом до сих пор.

Спасибо за внимание. Аркадий Шаповал.

Добавить комментарий:

 

 

Комментарии: 56, на тему: Программная реализация ISO

  • Александр

    А у меня на эту тему такое наблюдение
    если матрица в течение долгого времени работает на максимальных исо то её температура значительно возрастает (для ощутимого нагрева достаточно пару 30 секундных выдержек на максимальной исо) а при минимальных исо нагрева почти нет
    Вывод за исо отвечает Матрица а не процессор
    (по крайне мере в никон д5200)

  • Виктор

    Отношение к Вам у меня всегда было уважительное. Но в данном случае Вы просто дилетант. Вы глубоко не понимаете как происходит формирование сигнала на фотоматрице и, что самое главное, как происходит съём сигнала. Не обижайтесь- Ваши знания дилетантские, на уровне научно популярного журнала в юном технике. Вы- неплохой фотограф, но никак не инженер. У меня база -Московский институт радиотехники электроники автоматики, факультет РТС. Я инженер -электронщик. В статье на одном листе нереально описать принципы работы и съёма сигнала. Слишком много нужно необходимых хотя бы базовых знаний. Сейчас камеры массово применяют матрицы CMOS. Они принципиально отличаются по формированию и снятию сигнала от старых матриц ПЗС (приборы с зарядовой связью). А Вы попытались описать именно ПЗС.Да и то очень неудачно В D200 кажется ещё стояла ПЗС. Ничего не сказано что такое работа выхода и как она связана с основной чувствительность матрицы ПЗС. Не плохо бы пояснить что такое собственный тепловой шум матрицы и его влияние на ДД. Собственно от нормированного уровня случайного выхода электрона(это и есть шум матрицы) да максимально энергичного электрона, после которого уже идёт потеря информации в белом, это и есть ДД. Поэтому нельзя греть матрицу в LV, иногда даже полезно охладить камеру в холодильнике в герметичном контейнере перед ночными съёмками. А уж как формируется ISO, ВЫ мягко скажем… не знаю как проще.. В самой матрице той же ПЗС, есть вообще то масса служебных электродов для каждой ячейки. Скажу так, по проще, ISO именно в ПЗС изменяется не ПРГОРАММНО, а АППАРАТНО! Путём изменения уровня съёма полезной инфы по отношению к уровню шума для данного типа матрица путём подачи управляющего (не усиливающего!!)напряжения на каждую элементарную ячейку. Это очень сильно упрощённо. А у CMOS вообще всё со съёмом инфы по другому, Это отдельная большая тем. Ещё- Ваши эксперименты описанные выще не совсем корректны. Особенно третий кадр- где Вы применили +4EV, сам ставил эксперименты неоднократно. Да, при +4EV, Вы кончно же получили ту же самую экспозицию. Но не прошли до конца, что я сделал уже давно. Бросьте последние два кадра в редактор и сильно увеличите самые тёмные места и посмотрите какая разная структура шумов. Вам сразу станет всё ясно. На D700 долго ставил эксперименты на L1 (100). Здесь Вы правы — это всё программно. Но какой алгоритм применяют инженеры Никона неясно. Это всё домыслы, особенно если нет образования. я не нашёл в открытом доступе никакой инфы и могу только догадываться. Ещё раз про D700. Меня сильно расстраивает, что эта камера очень плохо передаёт диапазон по цвету при низкой освещённости даже при ISO200 на самых тёмных полутонах. Даже дешёвая D3100 цвет передаёт лучше (десятки печальных экспериментов) хотя у D3100 при этом очень сильные хроматические шумы, а у D700 их вообще нет! А при высоких ISO 800-1600 D700 на ночных съёмках по низам превращается в чёрно белую камеру, увы… Но вот какое замечание- при программном ISO L1 (100) у D700 резко улучшается проработка цветов в тёмных и даже средних полутонах в ночных съёмках. И там где D3100 уже теряет цветовую составляющщую, остаётся только ч\б, D700 продолжает передовать цветовые переходы. Не зная алгоритмов никона, объяснить это трудно. А вообще эта тема инженерно очень сложная

    • Аркадий Шаповал

      Спасибо за информацию. В статье у меня идея, эксперимент и выводы. Это не конечная догма, относитесь к этому именно так :)

      • Виктор

        Аркадий, всегда читаю Ваши экспертные заключения по камерам с вниманием и уважением. Меня ещё студентом научили- Любое заключение по работе системы можно делать только на основе эксперимента и что самое главное на повторяемости результата. Хочу сделать Вам некоторое пожелание- Вы проводите тестовые испытания в стандартных условиях и при условии некоей условной стандартной освещённости. Но при таких условиях доже 3100 при наличии Никкор 50мм 1.4 покажут ну очень неплохие результаты. При наличии такого стекла даже 3ххх позволят снимать при сотке без шумов в сумерках. Хотелось, чтобы Вы показывали тесты камер в пограничных условиях применения- при контровом свете (динамический диапазон), и при ночных съёмках (и там тоже ДД! шумы!! и их структура) Испытания при пограничных условий применения технических систем — это наиболее качественные заценки всей системы. А при стекле 50-1.4 очень трудно заценить что то для многих на Вашем форуме. Пользуюсь D700 D3 D3100. Удачи!

    • Сергей

      Пользуюсь Nikon d80.
      Задаюсь вопросом. При съемке в условиях не достаточной освещенности (скажем в сумерках, на диафрагме f/3.5), что лучше, в плане качества?
      1. Недоэкспонировать фото, оставить ISO на предельно низких значениях. А после, в редакторе сделать экспокоррекцию поборовшись при этом с всевозможными шумами и т.д.
      2. Произвести экспокоррекцию непосредственно на фотоаппарате. Опять же, возникшие шумы пытаться убрать в редакторе.

Добавить комментарий

Магазин фототехники

Copyright © Radojuva.com. Автор блога - Фотограф в Киеве Аркадий Шаповал. Google+ 2009-2016