Почему камеры используют одну экспозицию, а не интегрируют во многие очень быстрые чтения?

24

Я никогда не понимал, зачем камерам нужен затвор с определенной скоростью и почему это нельзя отрегулировать при постобработке. Я думаю, что нынешние датчики работают как единое целое: они сохраняют количество света, достигающего их в течение всего времени, когда затвор открыт. Но почему они не могут работать по-другому?

По-моему, у меня есть такая идея: установить выдержку затвора на долгое время, больше той, которая вам нужна ... например, при дневном свете установите ее на 1 секунду, нажмите кнопку, затвор откроется, и датчик запустится записывать, но дифференцированным способом: он будет экономить количество света, достигающего его каждые 0,001 секунды в течение 1 секунды. Таким образом, у меня есть больше информации, фактически у меня есть 1000 кадров, записанных за 1 секунду, и при постобработке я могу выбрать интеграцию только первых десяти, имитировать кадр с 0,01 секунды или первую сотню, чтобы имитировать кадр с 0,1 вторая экспозиция

Используя сложную обработку или вручную выбирая области, я мог бы даже решить использовать другую экспозицию для разных частей конечного изображения, например, экспозицию 0,1 секунды для земли и 0,03 для неба, используя 100 кадров для неба и 30 кадров для неба.

Имеет ли это смысл? Почему камеры не работают таким образом?

Руджеро Турра
источник
Я пометил это как дубликат при первом чтении, но это не так, по крайней мере, не вопрос, который я связал, что делает другие (и неправильные) предположения.
Mattdm
1
Вы смотрели на высокоскоростные цифровые видеокамеры раньше?
Каскабель
Относительно ваших правок .... как камера скажет, что земля против неба и как насчет людей, стоящих на земле, покрывающих часть неба и движущихся внутри вашего кадра? Это потребует обработки, выходящей за рамки другой конструкции датчика.
Итай
1
Думаю, вы никогда не пытались достичь определенных эффектов, вызванных определенными комбинациями выдержки, освещения и диафрагмы. И вам также никогда не приходилось сталкиваться с необходимостью очень быстрой экспозиции для захвата движущихся объектов.
jwenting

Ответы:

16

Проблема в скорости считывания. Вы не можете прочитать весь датчик достаточно быстро, чтобы это работало в общем случае. Даже если бы ты мог. это также может отрицательно повлиять на качество изображения, так как вы будете снова и снова применять шум считывания.

По крайней мере, с датчиками CMOS вы можете читать в случайных местах, но с датчиками CCD каждый ряд сдвигается в следующий для выполнения считывания. Вот почему при слишком ярком освещении вы получаете вертикальные полосы при предварительном просмотре камер с использованием ПЗС.

Тогда есть причины, по которым фотографы выбирают выдержку : чтобы заморозить часть времени. Люди почти всегда будут размыты, если вы не остановите затвор достаточно быстро.

Итай
источник
какова текущая скорость считывания? 1 с, 0,1 с, ...? Так как обычные камеры способны записывать видео со скоростью 25 кадров в секунду, я бы сказал, ~ 0,04 с. Это кажется слишком медленным для обычных фотографий.
Руджеро Турра
8
@wiso Обычные камеры могут записывать видео со скоростью 25 кадров в секунду, используя субсэмплирование датчика. Лучшая скорость считывания -> для всего датчика - это 18-мегапиксельная камера Canon 1DX, которая может делать 1/14 с в формате JPEG и 1/12 с RAW.
Мэтт Грум
Есть также художественные причины, чтобы оставить затвор на длительное время открытым, например, чтобы смягчить воду, размыть движение бейсболиста, бегущего за базу, и т. Д.
jrista
@jrista: вы можете достичь того же эффекта, накладывая множество быстрых кадров.
Руджеро Турра
2
@wiso: Нет, вы не можете накладывать быстрые кадры, которые полностью замораживают движение, чтобы создать кажущееся ощущение движения. Если мы возьмем в качестве примера водопад, то замораживание движения водопада на высокой скорости захватывает много деталей. Наложение нескольких изображений может увеличить количество «детального шума» в самом водопаде, но вы никогда не сможете создать эффект мягкой плавной воды ... вам совершенно необходимо, чтобы заслонка была открыта на более длительный период времени для достижения что. Бейсболист был бы похож. Наложение нескольких снимков не удастся, особенно если вы хотите ...
jrista
10

Я думаю, что они могли бы работать таким образом, но есть две большие проблемы:

  1. Поскольку датчики теперь работают, шум чтения происходит только один раз. При многих очень коротких чтениях шум чтения будет усугубляться.
  2. Там просто больше данных, чем мы можем обработать. Это проблема как при фактическом считывании данных с датчика (слишком много данных для чтения), так и в результате файлы RAW будут на несколько порядков больше, чем сегодня.

В своем первоначальном вопросе вы использовали в качестве примера 1/10 секунды. Это на самом деле не очень длинная выдержка, а уже в 10 раз больше, чем у нынешних камер. Для того, чтобы это было действительно значимым, нам нужна технология, позволяющая считывать датчик в 10-100 раз быстрее, чем это, что значительно усугубляет проблемы.

Вторая проблема будет решена законом Мура через десятилетие или два, и первая может быть такой же, поскольку электроника становится меньше и точнее. Пока это не практично.

Olympus OM-D E-M5 на самом деле имеет функцию, которая показывает экспозицию, «развивающуюся» при длительных экспозициях, но это позволяет избежать вышеуказанных проблем, требуя минимум полсекунды между считываниями: это полезно только для длительных экспозиций.

Но в будущем, с улучшенной электроникой, все камеры, вероятно, будут работать таким образом, и с гораздо большим объемом доступной памяти они могли бы также вести непрерывную запись. Кнопка «спуск» просто помечает часть потока как интересную для дальнейшего развития. И пока мы на этом, угробим линзу и сделаем эту камеру с 360 ° световым полем; кадрирование, диафрагму и фокусировки можно выбрать после факта , а также, метание общепринятого об основах камеры полностью из окна

mattdm
источник
Вне форматирования я не могу отличить ваш ответ от моего :)
Итай
Как интересная (для меня) мысль: вам нужно будет хранить разницу между последовательными кадрами, поэтому объем данных не обязательно будет намного больше, чем один кадр. Время обработки может быть проблемой с современной технологией, однако.
BobT
@BobT Даже ... вам просто нужен большой разрядный накопитель или даже число с плавающей запятой. Вы читаете приращение и добавляете его. Вам нужно только одно изображение, а не видео! HDR-изображения часто представляют собой 32-битные числа с плавающей запятой, и этого достаточно для практически любого практического использования.
Итай
@Itai: да, я заметил, что ты вошел, когда я писал, и подумал, а, я все равно закончу.
Mattdm
@BobT: вам все равно придется читать его, и учитывая шум (а не только шум чтения), я не уверен, сколько сжатия купит вас. Но уверен, давайте сделаем , что в теоретической камеры, особенно потому , что в большинстве случаев использования мы делаем хотим , чтобы сохранить как можно больше.
Mattdm
4

Как уже упоминали многие люди, есть аспект скорости чтения. Схема формирования изображения не может просто «мгновенно» получить значения пикселей датчика, они должны считываться построчно.

Затем вы также должны подумать о том, куда идут эти значения обновления пикселей. Даже при некотором сжатии, предполагая низкую энтропию более поздних кадров относительно более ранних кадров, они будут занимать значительное количество пространства. Кроме того, данные, которые оказываются не слишком сжимаемыми, замедляют весь процесс - поскольку сжимаемость нового кадра относительно старого не может быть гарантирована, системе все равно потребуется достаточная пропускная способность, чтобы охватить сценарий наихудшего случая без ухудшения качества.

Наконец, (и это несколько банально) необходимо учитывать влияние неравенства Гейзенберга или принципа неопределенности. В каждом образце у нас есть уровень неопределенности в отношении измерения. Взяв очень много выборок (каждая из которых, по-видимому, имеет низкую достоверность, в противном случае мы могли бы просто выбрать один кадр из тысячи или около того), мы получаем неопределенность для каждого из этих кадров, а не один раз. Это будет сложнее при объединении нескольких кадров, и теперь максимальная неопределенность умножается на количество кадров, с которыми вы составляете окончательное изображение. В худшем случае это может значительно ухудшить изображения.

user1207217
источник
1
Уважаемый пользователь 1207217, я физик элементарных частиц, позвольте мне сказать, что неравенство Гейзенберга действительно не соответствует этому случаю. Поскольку сумма по многим кадрам является линейной, а поскольку они некоррелированы, шум, получаемый при интегрировании множества кадров, точно такой же, как и при использовании эквивалентного одиночного кадра.
Руджеро Турра
Погрешность измерения = \ = шум. Я хорошо осведомлен о влиянии усреднения шума на среднее значение шума. В случае 0 означает средний шум, это просто 0
user1207217
@ Я бы добавил, что принцип неопределенности здесь очень применим. Так же, как это применимо к частотно-временному разрешению, оно также применимо и к пространственно-временному разрешению (что мы имеем в данном случае). Возможно, в настоящее время мы не приближаемся к пределам современной технологии, но компромисс, безусловно, будет существовать и станет ограничивающим фактором в этом типе процесса визуализации.
user1207217
2

Хотя ваша идея интригует, есть несколько причин, по которым она не сработает.

Размер файла. Подумайте о том, насколько большим будет полученный файл изображения. Моя 8-мегапиксельная зеркальная камера дает файлы размером около 3 МБ. Если бы я делал 100 снимков каждый раз, когда я нажимал на затвор, у меня было бы 300 Мб на моей карточке. Карта будет заполняться слишком быстро. Кроме того, это просто цифры для моей камеры, которая имеет относительно низкое разрешение. Для профессиональных камер размер может легко удвоить или утроить это. В Raw размер может увеличиться еще примерно в три раза. В конце концов, я про стрельбу в Raw мог получить более 3 Гб за выстрел.

Экспозиция: иногда камеру необходимо экспонировать дольше, чем 1/100 сек. чтобы получить правильное количество света. Если вы снимаете при слишком слабом освещении, полученные изображения будут недодержаны и потенциально непригодны для использования. Вы не можете просто объединить изображения, чтобы восполнить это, так как вы не можете найти данные, которых там нет.

Шум: когда датчики нагреваются, они показывают явление, известное как шум. Это пятнистость случайно окрашенных пикселей, видимая на некоторых фотографиях. Если датчик постоянно работал в течение секунды, уровни шума быстро возрастут, что может привести к неиспользуемым изображениям.

Скорость записи на карту: карты памяти ограничены по скорости добавления информации. Это известно как их скорость записи. Для обработки файлов такого размера картам потребуется быстрая скорость записи. Эти карты могут быть очень дорогими.

Итак, напомним, что это интересная идея, но она имеет несколько больших препятствий на своем пути.

Я надеюсь, что это помогло.

Эван Пак
источник
За исключением шума чтения, вы можете создать эффект более длинной экспозиции, добавив несколько быстрых кадров. На самом деле, это часто делается , но обычно не для такой короткой индивидуальной экспозиции, которая применяется к «нормальной» фотографии и обычно не в камере (хотя зеркальные камеры Pentax могут делать это ограниченным образом).
Mattdm
1
Чтобы основываться на том, что сказал Mattdm: Вы можете теоретически объединить экспозиции, данные есть. Проблема в том, что для очень коротких экспозиций с настоящими датчиками данные маскируются огромным количеством шума относительно сигнала, и ваша результирующая картинка будет очень качественной. Более совершенные датчики с более подходящим SNR при коротких временах экспозиции позволили бы реализовать эту концепцию в OP.
whatsisname
Я думаю, что размер файла не является большой проблемой, на мой взгляд, вы можете снимать в интегральном режиме или в дифференциальном режиме. Timelapse нужно много памяти, это не значит, что люди не делают этого. Что касается экспозиции, я думаю, что вы не правы, как сказал mattdm, и я думаю, что шум одинаков в том случае, если вы делаете только один снимок или суммируете больше снимков, с той лишь разницей, что вы открываете и закрываете затвор. При суммировании разных кадров вы суммируете сигнал и шум. Я думаю, что доказательство состоит в том, что сумма двух независимых пуассоновских случайных величин является все еще распределенным пуассоновским распределением.
Руджеро Турра
Количество шума будет примерно одинаковым для длинной или короткой экспозиции, которая для многократной экспозиции будет интегрироваться снова и снова, что приведет к плохому, шумному конечному результату.
whatsisname
1
@ WISO: шум, связанный с температурой является только одним источником шума. Существенным фактором шума для типичных цифровых камер является считывание датчика и усиление сигнала, которые не зависят от скорости затвора.
whatsisname
2

Можно отметить, что, поскольку этот вопрос был задан, эта идея была в некоторой степени реализована (по крайней мере, в некоторых) смартфонах.

Поскольку технологические ограничения не улучшились настолько сильно, это, конечно, ограничено очень длинными выдержками в очень слабом освещении (например, астрофотография). Тот факт, что программное обеспечение накладывает несколько n-секундных экспозиций, виден при наличии движения в кадре (они будут иметь некоторые небольшие разрывы при считывании).

Укладку можно даже просматривать в режиме реального времени на экране, поскольку изображение «результата» выглядит все ярче.

Кевин Фонтейн
источник
1

Есть камеры, которые по сути работают таким образом. Поиск камер с высоким динамическим диапазоном (HDR). Наименее дорогие из них работают, заключая в скобки экспозицию, по сути принимая две или четыре разные экспозиции, а затем объединяя их во внутреннем программном обеспечении в единое изображение. Вы действительно можете сделать это с любой камерой, используя внешнее программное обеспечение .

Насколько я понимаю, как работают высококачественные HDR-камеры, они в основном динамически рассчитывают отдельное время автоэкспозиции для каждого отдельного пикселя и используют его для определения фактической яркости сцены. Это решает проблему наличия тонны и тонны данных для каждого пикселя, вы просто сохраняете время экспозиции и значения цвета, когда оно пересекает определенный порог яркости. Очевидно, что для этого требуется гораздо более сложное аппаратное и программное обеспечение.

Карл Билефельдт
источник
Интересно, я обнаружил только эту камеру наблюдения с двойной экспозицией: video.boschsecurity.com/video/Introduction-the-new-HDR-camera/… Вы знаете конкретную модель?
Руджеро Турра
HDR не совсем то, о чем спрашивает OP, потому что HDR избирательно сочетает информацию, в отличие от прямой интеграции. Камера, описываемая ОП, по сути, будет устройством, которое выполняет 2D измерение лучистого потока сцены, измерение скорости, а фотография с нее будет объединением набора ее данных, отображением количества.
whatsisname
0

Существует несколько различных типов жалюзи, но сетевые - это механические и электронные жалюзи (датчик включен / выключен).

Большинство зеркал используют затвор в фокальной плоскости, в то время как видеокамеры используют электронные затворы. Таким образом, хотя это звучит как то, что вы хотите сделать, интегрируя их, есть и другие способы достижения этого.

Основная причина затвора - выдержка, фундаментальный принцип фотографии.

Возможно, вы могли бы создать что-то для вашего примера. Возможно, вы захотите взглянуть на брекетинг или, если этого недостаточно, привязывание.

0,01 = 1/100 и хорошая выдержка. Большинство камер поддерживают скорость до 1/8000 секунд.

Просто в вашей последней части:

допустим, что он экономит количество света, достигающего его каждые 0,01 секунды в течение 1 секунды.

Вам все равно нужно будет думать об экспозиции для этого кадра каждые 0,01 секунды.

BBKING
источник
Я думаю, что этот ответ не соответствует идее вопроса. Дробные захваты будут недоэкспонированы, часто очень сильно. Вы бы выбрали желаемый уровень экспозиции для окончательного изображения, решив, сколько кадров интегрировать.
Mattdm
Не является ли «идея» вопроса о том, чтобы механический затвор был открыт в течение 1 секунды, а затем с помощью электронного затвора выдержать 100 раз в течение этого периода времени? 1/100 вовсе не обязательно означает недодержку, это зависит от освещения. И да, это именно моя точка зрения! Вы должны думать о кадрах в секунду. И вообще, вы хотите наложить по-разному экспонированные изображения, а не одно и то же. Вопрос: зачем мне ставень. Ответ: экспозиция.
BBking
Я также добавил , что в конечном счете OP будет говорить о скорости затвора и предлагая 1/10 второй результат. Однако это можно сделать с помощью электронного затвора, для которого все еще требуется выдержка . Я чувствую, что ОП спрашивает о фактической выдержке, а не просто о выдержке.
BBking
@BBKing: мои цифры были только примером, вероятно, вы должны использовать более высокую скорость, как вы можете. Каждый кадр должен быть недодержан, чтобы можно было получить правильную экспозицию, суммируя разные кадры. Возможно, мне нужно изменить заголовок моего вопроса с "зачем мне выдержка?" на «зачем мне механическая выдержка».
Руджеро Турра
Конечно, я знаю, что они были просто примерами. У меня проблема с вопросом является то , что «Зачем мне нужен (механическим) затвор» и «Зачем мне нужно затвора скорость » (независимо от механических или электронных) очень разных вопросов. Если вы предлагаете пробовать разные области датчика в разное время, это интересная идея! И я считаю, что это выполнимо (в то время как другие ответы утверждают, почему это не так). А почему? Никто еще не разработал его, вот и все. Возможно, вас заинтересует камера Lytro . Вы можете выбрать различные точки фокусировки в постобработке.
BBking
-1

Помимо замечаний, сделанных всеми остальными - что произойдет с воздействием?

например, с моей обычной камерой 1 секунда - это то, что мне нужно для данного снимка. По сути это означает, что свет за 1 секунду регистрируется датчиком за один раз.

Хорошо, давайте перейдем к предложению, которое вы сделали, камера записывает 0,001 секунды света 1000 раз. Все эти изображения недоэкспонированы и поэтому бесполезны. Если я их сложу, я не получу то же изображение, что и моя обычная камера, потому что наложение не устраняет недоэкспонирование. Чтобы получить что-то близкое к правильной экспозиции, мне понадобится очень широкая диафрагма, которая (даже если бы вы могли найти подходящую линзу) имела бы другие проблемы - глубину резкости и т. Д. Если вы имеете в виду, что датчик будет достаточно чувствительным, чтобы фактически захватывать достаточно свет в 0,001 секунды, чтобы изображение не было недоэкспонированным, у нас была бы серьезная проблема с шумом. Идея, которую вы упоминаете о включении / исключении кадров для получения другой экспозиции, уже реализована в PP с помощью ползунка экспозиции.

Вы можете проверить свою идею, сделав снимки с коротким затвором (как вы предлагаете), а затем вставив их в программное обеспечение HDR или программное обеспечение startrail.

Материал постобработки, о котором вы упомянули о съемке земли и неба с различной экспозицией для балансировки изображения, уже может быть исправлен в PP с помощью элементов управления тенями / подсветкой и / или разделенной тонировки.

Кроме того, подумайте об экшн-фотографии, такой как автоспорт, где мне нужен длинный затвор во время панорамирования, чтобы дать ощущение скорости и движения. Если я скажу 200 изображений с очень малым временем затвора, я не поймаю размытия, и эффект от снимка не сработает.

отметка
источник
1
«укладка не устраняет недоэкспонирование», почему бы и нет? Количество света, попадающего в камеру в 1000 х 0,001 с, равно 1 х 1 с
Ruggero Turra
WISO: попробуйте. Допустим, у нас есть снимок, который требует 5-секундной экспозиции. Возьмите 5 1-секундных экспозиций, сложите их и посмотрите, что вы получите. Вы должны открыть апертуру (что может быть невозможно или нежелательно).
Отметить