Почему больший датчик имеет лучший динамический диапазон?

17

Я уже понимаю всю теорию о том, как больший датчик приводит к лучшему контролю глубины резкости и снижению шума. Но я еще не нашел место, которое могло бы объяснить, почему больший датчик дает вам больший динамический диапазон?

erotsppa
источник
2
AFAIK, 5 из 10 лучших камер с динамическим диапазоном на DxOMark являются сенсорными камерами APS-C, все они имеют 35-миллиметровый форм-фактор и не имеют среднего формата. Итак, вводная предпосылка вопроса не совсем верна.
Джон Каван
3
@JohnCavan это верно для динамического диапазона при хорошем освещении . При ISO100 APS-C Pentax K5 выигрывает у полнокадрового Canon более чем на два шага, однако при ISO800 и выше у полнокадрового Canon впереди, и при очень слабом освещении разрыв превышает остановку, что соответствует ожиданиям. от области датчика преимущество.
Мэтт Грум
@JohnCavan APS-C и 35 мм разных размеров. Датчик не может быть и тем и другим.
Джоди Ли Брухон

Ответы:

21

Размер сенсора не имеет значения, это размер пикселя. Тем не менее, большие сенсоры, как в полнокадровых камерах, имеют тенденцию иметь большие пиксели.

Вы можете оценить размер пикселя, взяв размер датчика и разделив его на количество пикселей. Этот расчет не является точным, поскольку большинство датчиков имеют зазоры между пикселями, и эти зазоры различаются по размеру. Вот почему я говорю «оценка».

Теперь представьте себе пиксель в сенсоре как коробку, а фотоны - как шарики. Чем больше коробка, тем больше шариков она может содержать.

Предполагая, что у нас есть коробки A и B. Коробка A может содержать 256 шаров, а коробка B может содержать 512 шаров. Теперь давайте скомпоноваем коробочную матрицу типа А и подбросим много шаров в воздух. Мы хотим собрать немного статистики о том, куда упали шары.

В середине одного из ящиков содержится 256 шаров, а по краям ящиков - ~ 20 шаров. Мы не можем знать, упало ли посередине только 256 шаров или больше. Наша мера ограничена максимумом для 256 шаров.

Теперь давайте повторим этот эксперимент, но теперь с коробками типа B. Теперь мы можем видеть, что в середине коробка содержит 347 шаров, а по краям коробки содержит ~ 20 шаров.

Наша мера гораздо точнее. Это именно то, что происходит с фотонами, попадающими на сенсор. Большая поверхность может содержать больше фотонов и может измерять больший динамический диапазон. В нашем примере динамический диапазон в два раза больше в большем поле.

Если пиксель полон фотонов, перевод в цвет будет полностью насыщенным цветом, но с большей поверхностью пикселя мы получим лучший результат, таким образом, улучшенный динамический диапазон.

Вот картина, которая может продемонстрировать мое объяснение:

Динамический диапазон Объяснение

Для более глубокого объяснения вы можете проверить эту статью:

Динамический диапазон

Итай Гал
источник
Хорошо, сейчас я проголосую.
Джон Каван
10
Этот ответ является хорошим началом, но в нем отсутствует критический фактор: электронный шум. Да, это правда, что вы улучшили динамический диапазон (и меньше шума от фотонных импульсов) с большими пикселями. Однако следует отметить, что коэффициенты усиления, полученные при использовании более крупных пикселей, могут быть потеряны из-за электронного шума в цепи датчика, а также в схемах считывания и преобразования. Теоретически, у Canon 1D X должен быть больший динамический диапазон, чем у Nikon D800, но у D800 на две ступени больше DR. Почему? D800 имеет на порядок меньший электронный шум (~ 3e-), чем 1D X (~ 36e-).
Йриста
Хорошее объяснение теории, но полностью игнорирует практику!
Мэтт Грум
Статья, на которую вы ссылаетесь, действительно, очень хороша! Комплименты
Реви
4

Рассматривая идеальные датчики, где фотонный шум является единственной проблемой, тогда чем больше датчик, тем больше динамический диапазон. Динамический диапазон - это разница между точкой, в которой датчик насыщается, и точкой, в которой любая деталь теряется из-за шума в тени.

У большего датчика будет больше пикселей или больше пикселей. Большие пиксели означают большую способность сохранять заряд (при прочих равных условиях) и больше света, захваченного на пиксель, следовательно, меньше света в тенях, следовательно, больший динамический диапазон. Больше пикселей означает одинаковый шум на пиксель, но больше пикселей для усреднения, чтобы уменьшить теневой шум и, следовательно, увеличить динамический диапазон.

В действительности существуют другие источники шума, а именно шум чтения, когда аналоговый сигнал, генерируемый фотоэлементами, улавливает шум до оцифровки. Это может повлиять на динамический диапазон, который намного сильнее, чем различия в размерах датчика. Сигналы низкой интенсивности из темных областей изображения особенно чувствительны к шуму при чтении и, следовательно, оказывают большое влияние на DR.

Новая технология (сокращение пути от датчика до АЦП, двукратная отправка сигнала и сравнение результатов) может практически исключить шум чтения, что позволяет датчикам APS-C, таким как Sony Exmor, превышать динамический диапазон полноразмерных датчиков Canon в 2,5 раза за счет почти на порядок!

Также необходимо различать динамический диапазон при хорошем освещении и динамический диапазон при плохом освещении. Первый определяется главным образом шумом чтения, поэтому маленький датчик может быть лучше при условии, что он имеет низкий шум чтения и достаточно приличную глубину скважины. В последнем преобладает фотонный шум (повышение ISO при слабом освещении усиливает фотонный шум, но не считывает шум), поэтому большие датчики, как правило, работают лучше. Опять же, не каждый датчик следует за трендом.

Мэтт Грум
источник
Преимущество Sony Exmor в том, что это цифровое считывание. Сигнал является аналоговым, пока заряд остается в пикселях. После считывания встроенный в матрицу АЦП с параллельными столбцами немедленно преобразует аналоговый заряд каждого пикселя в цифровую единицу. Высокочастотные компоненты (часы, pll и т. Д.) Размещены в других местах матрицы, чтобы исключить введение высокочастотного шума в схему АЦП. Сигнал изображения не считывается дважды ... выполняется «сброс считывания», когда датчик сбрасывается для накопления цифровых CDS в качестве «отрицательного результата», который затем применяется к «считыванию изображения» после экспонирования.
Йриста
Пиксельные CDS были исключены. Я даже не думаю, что у каждого пикселя есть усилитель, поскольку при почти бесшумном выходе все настройки ISO могут быть достигнуты с цифровым усилением. Аналоговый пиксельный заряд немедленно преобразуется в цифровую единицу, и с этого момента с коррекцией ошибок передача цифровой информации используется во всем остальном конвейере обработки изображений. Это исключает возможность загрязнения аналогового сигнала помехами любого рода как можно раньше.
Йриста
Правильно ли я сказал, что при одинаковом шуме считывания (технология и т. Д.) Больший датчик с большими пикселями будет иметь меньший фотонный шум и, следовательно, лучший динамический диапазон из-за увеличения широты между наименьшим зарядом и точкой насыщения?
erotsppa
@erotsppa Все, что имеет значение, - это площадь поверхности, используемая для расчета каждого конечного пикселя. Если у вас есть 4 крошечных фотоэлемента и 1 большой размер фото того же размера, среднее значение для 4 будет почти таким же, как и у одного большого фотоэлемента. Наличие большего количества фотосайтов на одной и той же площади поверхности просто увеличивает частоту дискретизации; каждая из них будет иметь худшие характеристики сама по себе, но если фотография будет уменьшена до той же плотности пикселей, как если бы они были всего лишь одним большим фотосайтом, она не будет выглядеть иначе. Вот почему камеры мобильных телефонов выглядят хорошо на экранах телефонов и плохо на экранах компьютеров.
Джоди Ли Брухон
1

Нет никаких причин, по которым больший датчик может дать больший динамический диапазон или меньший шум, чем большая площадь поверхности на пиксель, однако полнокадровые камеры, как правило, имеют более высокие конечные единицы и, следовательно, имеют лучшие датчики.

Обратите внимание, что нет никаких причин, по которым более низкое разрешение и меньший датчик не могли бы иметь более качественных шумовых характеристик и динамического диапазона, если были сделаны с качеством, аналогичным полнокадровому датчику. Количество пикселей на дюйм на поверхности сенсора и качество сенсора являются важными битами.

А. Дж. Хендерсон
источник
0

Пример с прямоугольниками очень верен и объясняет, почему большие датчики имеют большой динамический диапазон. Чем меньше пиксель, тем меньше фотоэлектронов он может хранить (максимальное количество фотоэлектронов, которое может быть сохранено, называется полной емкостью лунки). Сжимая датчик, мы можем достичь ситуации, когда только несколько электронов могут быть сохранены, что приводит к черно-белому изображение (без оттенков серого! (:).

Таким образом, нет сомнений, что больший датчик имеет больший динамический диапазон, если все остальное такое же.

Вопрос в том, можете ли вы увеличить динамический диапазон, уменьшив разрешение? Я знаю, что это можно сделать с помощью научных ПЗС-камер (я лично это делал). Но можете ли вы сделать то же самое с потребительскими камерами и CMOS? Я полагаю, что да, если вы можете связать 2x2 пикселей в один (эффективно уменьшив разрешение в 4 раза).

Джеймс Даксон
источник
-2

Согласно моим исследованиям, даже размер пикселя не имеет значения, теория ячеек применима к условиям освещения, так как большие пиксели собирают больше света, он, несомненно, будет иметь преимущество при слабом освещении (здравый смысл), но технология датчиков является ключевым фактором в динамическом диапазоне. Динамический диапазон - это способность датчика сохранять розничные продажи в светлых и темных местах. Например, динамический диапазон более нового датчика малого или большого вентилятора будет лучше, чем динамический диапазон более старого полнокадрового датчика

Роберт
источник