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: Искандер

 

 

Комментарии: 74, 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!

      • Алексей

        Таки, бояринъ, написать тебе , на примере кенона, как работает изменение ИСО? Не во всех подробностях, ибо не могу по юридическим причинам, но чуть более чем правду? :)

        • Аркадий Шаповал

          Пишите, кто же вам запрещает. И не только мне, а и всем, кого интересует эта тема. Знание – свет, несите быстрей!

          • Алексей

            Немного о том, как камера изменяет значение ISO.

            Думаю многие знают, что для изменения значения ISO процессор камеры изменяет коэффициент усиления усилителей, находящихся между матрицей и АЦП. Это так называемое аналоговое изменение ISO.
            Кроме того, в некоторых случаях процессор изменяет значение ISO путем умножения или деления данных, полученных от АЦП, на некие коэффициенты. Это так называемое цифровое изменение ISO.
            Однако, в широкой печати крайне мало точных данных, при каких именно значениях ISO используется тот или иной метод его изменения. Всё это есть в многочисленных патентах, но их малая доступность широким кругам фотографической публики не позволяет пролить свет на эту информацию.
            Однако ее важность не может быть недооценена. Так как при увеличении ISO аналоговым способом шумы, содержащиеся в сигнале с матрицы, усиливаются (увеличиваются) в меньшей степени, чем при прямом умножении данных с АЦП, и потому значений ISO, полученных таким способом лучше избегать, тогда как значения ISO, полученные путем деления данных с АЦП, имеют меньший уровень шума.

            Ниже приведена таблица, полученная с помощью прошивки ML для камеры Canon 60D, для других камер эта информация будет либо аналогичной либо весьма схожей и каждый желающий может провести это исследование самостоятельно.

            Первая колонка – значение ISO устанавливаемое пользователем в камере.
            Вторая колонка – “честное” значение ISO полученное аналоговым усилением.
            Третья колонка – коэффициент умножения, в случае если стоит “+” или коэффициент деления, если стоит “-“, который процессор камеры применяет к данным, полученным от АЦП. Другими словами это и есть “цифровое” изменение ISO.

            Если проанализировать данные, то можно сделать некоторые выводы.

            1. Максимальное “честное” значение ISO для данной камеры 3200 (для других, особенно для ФФ, проверяйте сами), значения выше этого значения получены программно и имеют завышенный уровень шума. Другими словами, если для каких-либо целей нужно значение ISO выше, чем 3200, есть смысл не повышать его в камере, а снимать со значением 3200, и при дальнейшей обработке на компьютере поднять яркость до требуемой, что можно сделать более аккуратно и с меньшими шумами.

            2. Значений ISO с “+” в третьей колонке желательно также избегать, дабы не иметь повышенный уровень шума, если же они нужны, снять кадр с немного меньшим, предыдущим значением ISO и при обработке довести экспозицию до требуемой. Например лучше выбрать 200, а не 250.

            3. Значения ISO c “-” в третьей колонке имеют меньший уровень шума, и ими можно пользоваться, когда нужно повышенное значение ISO, но есть опасение повышения шумов. Например, если нужно ISO 400, можно установить 320, это ненамного меньше 400, но шумов будет меньше. Точно также лучше предпочесть 640, чем 800. Ну и в качестве предельного значения ISO лучше выбрать 2500, а не 3200.

            100 100 0
            125 100 +0.3EV
            160 200 -0.3EV
            200 200 0
            250 200 +0.3EV
            320 400 -0.3EV
            400 400 0
            500 400 +0.3EV
            640 800 -0.3EV
            800 800 0
            1000 800 +0.3EV
            1250 1600 -0.3EV
            1600 1600 0
            2000 1600 +0.3EV
            2500 3200 -0.3EV
            3200 3200 0
            4000 3200 +0.3EV
            5000 3200 +0.6EV
            6400 3200 +1EV
            12800 3200 +2EV

            Часть 2.

            В первой части был рассмотрен механизм изменения ISO при обычных условиях, точнее, при выключенном режиме Highlight tone priority.

            Если же его включить, то изменение ISO происходит совершенно иначе. Ниже приведены результаты изучения этого вопроса на примере Canon 60D.

            Первая колонка – значение ISO устанавливаемое пользователем в камере.
            Вторая колонка – “честное” значение ISO полученное аналоговым усилением.
            Третья колонка – коэффициент умножения, в случае если стоит “+” или коэффициент деления, если стоит “-“, который процессор камеры применяет к данным, полученным от АЦП. Другими словами это и есть “цифровое” изменение ISO.

            200 100 +1EV
            250 100 +1.3EV
            320 200 +0.6EV
            400 200 +1EV
            500 200 +1.3EV
            640 400 +0.6EV
            800 400 +1EV
            1000 400 +1.3EV
            1250 800 +0.6EV
            1600 800 +1EV
            2000 800 +1.3EV
            2500 1600 +0.6EV
            3200 1600 +1EV
            4000 1600 +1.3EV
            5000 3200 +0.6EV
            6400 3200 +1EV
            12800 3200 +2EV

            Проанализировав эти данные, можно придти к весьма неутешительному выводу – в режиме Highlight tone priority ISO програмно повышается во всех случаях, при этом, конечно же, растут и шумы, о чем, впрочем, несколько туманно было сказано в инструкции по эксплуатации камеры. Важно понимать, что такое повышение ISO и увеличение шумов влияют на то, что будет сохранено в RAW файле! Таким образом, можно сделать один простой вывод – режим Highlight tone priority не следует включать ни при каких обстоятельствах!

            • Покемон

              Спасибо, любопытно!

        • Искандер

          Так напиши всем, тут всех интересует правда, и ничто, кроме правды, а по Кэнону особенно, поэтому я ниже привёл результаты своего эксперимента.

    • 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.

      • Maxxx

        Проведите аналогичный эксперимент. Это же не сложно. Вопросы отпадут. Сделайте -5EV.
        Я на д610 делал так года три назад. А сейчас нашел случайно эту статью…

      • Михаил

        смотря до куда повышать. в общем лучше на камере – картинка немного чище будет

      • Искандер

        Меня тоже интересовал этот вопрос, поэтому я провёл эксперимент на Canon 100D. Сначала снял в RAW сцену на ИСО 1600 с нормальной экспозицией, потом на 800, 400, 200, 100, не меняя выдержку и диафрагму. Камерный шумодав был включен. Потом в родном кэноновском проявщике DPP открыл фотки на 1600 и на 400. Недосвеченную фотку на ИСО 400 ползунком яркости (диапазон его в DPP +- 2 стопа) вытянул экспозицию, как у ИСО 1600. Шумы на ИСО 400 оказались даже немного сильнее, чем на 1600! Также я заметил, что ползунки шумодава на разных фотках стоят в разных положениях, то есть внутрикамерный шумодав на высоких ИСО работает агрессивнее. При выкручивании шумодава в ноль получился тихий ужас – полез шум и горячие пиксели.
        Почему я выбрал именно ИСО 400? Потому что на данной модели “нативные”, оптимальные ИСО – от 100 до 400, дальше идёт сильная потеря ДД и лезут шумы.
        Выводов два: 1) Снимайте на правильной экспозиции. 2) Внутрикамерный шумодав – это хорошо. Если это плохо, в проявщике его всегда можно отключить.
        Похожий эксперимент хочу провести ещё с пересветом, так как бытует мнение, что шумы при пересвете меньше заметны.

        • Искандер

          Провёл похожий эксперимент, но с повышением ИСО, с пересветом. Стартовал с ИСО 400, потом 800, потом 1600 при одинаковых выдержке и диафрагме, шумодав включен. Сравнил 400 с 1600, понизив экспозицию у последней ползунком “яркость” в DPP. Уровень шумов почти одинаков, но вылез розовый оттенок на светлых участках, который корректировкой баланса белого не убирается, на тёмных – появился фиолетовый оттенок.
          В общем, моё мнение такое – эти танцы с бубном японцы уже давно оттанцевали.

        • Алексей

          Для справки – внутрикамерный шумоподавитель что на кеноне, что на никоне, что на сони – неотключаемый в принципе. А то, что в меню его якобы можно отключить, скажем так, небольшое лукавство. В реальности просто немного изменяются коэффициенты шумоподавления :) И да, в RAW записывается картинка уже после шумоподавления. Получить ее в девственном виде невозможно.

          • Искандер

            Согласен, что даже выключенный шумодав всё равно давит и RAW и Jpeg, но в небольших пределах, так сказать, по умолчанию, и ничего тут не поделаешь. Но то, что выше умолчания, можно обнулить в родном проявщике DPP. Или подкорректировать.
            У кого есть другие проявщики, позволяющие поднять экспозицию больше, чем на 2 стопа – попробуйте и отпишитесь, пожалуйста.

            • Михаил

              Тоже самое будет. На камере чуть лучше, на вытянутом рав – чуть хуже.

            • Алексей

              Выше прочитай, написал про изменение ИСО.

    • Death_Upset

      привет мирэашникам, кста
      правда я с ИТ, а не с РТС, но приятно видеть родное болото тут
      спасибо за комментарий, было интересно ознакомиться

  • Олег

    Я считаю что тут дело в алгоритмах обработки и всего то. Каждый пиксель даст разное напряжение. При малых исо света заходит в матрицу достаточно и алгоритмы выводят нормальное напряжение. При уменьшении света, много пикселей проседает, и тогда лезет шум по алгоритма сложения. Это равносильно тому что если картинку уменьшать билинейно, бикубически в размере, она становится качеством лучше. А теперь попробуйте картинку увеличивать, вот вам и вывод. Откуда кто знает что запись происходит не одного снимка а сразу 10, а на выходе 1.
    Да и логично уже чем лучше процессор, тем и картинка лучше. При чем технология изготовления матриц думаю такая же.

    • Олег

      От туда же вычитание чёрных кадров, и усреднение 10 снимков в chdk

    • Михаил

      Оттуда, что затвор один раз щелкает и, что он вообще есть. Электронный затвор даст ролинг-шаттер. Глобального еще не сделали.

  • Марк

    Насколько это актуально на сегодняшний день?
    Или все таки не все так просто и пора прекратить “вытягиватть” из моего pentax k10d экспозицию?

Добавить комментарий

Copyright © Radojuva.com. Автор блога - Фотограф в Киеве Аркадий Шаповал. 2009-2020

English-version of this article https://radojuva.com/en/2012/02/iso-boost-detect/?replytocom=338898