Цифровая матрица и ISO
Digital Censor
Цифровая матрица (цифровой сенсор) нашей камеры реагирует на уровень фотонов света и определенным образом его накапливает в заряд, затем переводя его в специальный преобразователь, где происходит оцифровка этого заряда.
Усиление сигнала на сенсор часто путают с усилением светочувствительности матрицы, т.е. увеличение регистрации проходящего светового пучка на матрицу, но это не так. Следите за руками.
Научная схема фотопикселя изображена на рисунке, но если говорить простыми словами, нас интересует лишь несколько сущностей: фотодиод, транзисторы, потенциальная яма.
На фотодиод поступает фотон света, который фиксирует его попадание. Этот свет фотодиодом передается в виде электрического заряда, который накапливается в потенциальной яме. Размер фотодиода определен, он не уменьшается и не увеличивается в размерах, аналогично и с потенциальной ямой. Чувствительность к свету у фотодиода также ограничена. Она такая, какой ее произвели на завод и откалибровали. Со временем она не изменяется (примечание: в зависимости от срока эксплуатации фотоаппарата матрица камеры имеет свойство тускнеет, то есть диоды хуже регистрируют свет).
Потенциальная яма лишь накапливает заряд, который получила от фотодиода. А вот транзисторы, что образуют обвязку вокруг фотодиода, и занимают переводом заряда из ямки в привычный программам двоичный код, из которого уже строится наше изображение.
Как я отписал выше, светочувствительность фотодиода имеет определенное значение и не меняется со временем. Изменяемая величина в ходе работы матрицы, это количество заряда, что формируется в потенциальной ямке, после прохождения света через фотодиод.
Светочувствительность цифровой матрицы по аналогии с пленочной чувствительностью не изменяется! Вообще, никак, совсем.
Чтобы считать этот заряд в ямке в работу вступает третья сущность: обвязка транзисторов. Причем в CMOS матрицах у каждого фотодиода своя обвязка. Представьте, у вас 26 миллионов фотодиодов, а транзисторов вокруг них еще на десятки больше. И эти транзисторы, в состав которых входит аналогово-цифровой преобразователь, постоянно пропускают через себя ток. А ток, особенно в такой узкой и плотной компоновке вызывает помехи, то есть шум.
Если накопленного заряда в ямке не хватает, преобразовывать в цифровой вид будет нечего. Ведь диод реагирует лишь на свет. Нет света - нет заряда, нет заряда, нечего преобразовывать.
Чем больше пиксель, тем он более чувствителен к свету. Поэтому, если вы хотите камеру с меньшим количеством шумов, с большей светочувствительность, стоит посмотреть на Full Frame матрицы и больше со средним количеством мегапикселей. Ведь размер матрицы ограничен площадью, а чем больше пикселей на дюйм, тем они меньше, а чем меньше пиксель, тем ему сложнее фиксировать фотоны света.
Чтобы усилить сигнал к преобразованию фотонов в цифровое значение на АЦП подается большее усиление тока, чтобы «в ямке хоть что-то нашлось для преобразования», а чем больше тока, тем больше шумов.
Закройте объектив своей камеры крышкой: при увеличении значения ISO в этой темноте вы увидите ощутимые шумы. При этом, если на том же значении ISO сделать снимок в нормальном освещении, шумов будет видно несильно.
Это по тому, что усиленный сигнал в освещенном кадре смешивается с нормальным уровнем освещения, и шумы будут видны лишь в темных участках, которые без усиления будет совсем провалены в темному. Поэтому-то мы и понижаем ISO, если хотим сделать тени в кадре чище, потому что при нормальном освещении фотодиод в оптимальном количестве фиксирует фотоны, и заряд формируется в оптимальном значении, АЦП есть что переводить в цифровой вид. Или, если нам мало света в кадре, мы добавляем источники света, а на посте уже управляем глубиной.
В противном случае, если у нас нет оптимального количества фотонов, даже на низком ISO при проявке кадра у нас в тенях и средних тонах будут шумы.
И шумы в цифровых камерах, как и в пленке - это абсолютно нормальное явление.
Просто производители нас водят за ном, декларируя о новых алгоритмах шумоподавления, о том, что «у нас потолок ISO теперь 128000” etc. Только вот покажите мне человека, который в здравом уме поставит ISO в 50 тысяч… Согласно инженерии матриц - усиление сигнала приводит к искажениям, потерям деталей, рыхлости картинки, ее уже будет сложно распечатать и нормально обработать.
ISO не увеличивает светочувствительность матрицы, не увеличивает количество света, подаваемого на матрицу, экспозиция не зависит от ISO.
Нативное ISO
Нативное ISO означает — 0 дБ усиления на сенсоре. Это уровень напряжения, при котором сенсор настроен производителем для захвата самого высокого динамического диапазона, на который он способен. Разные камеры могут иметь разные исходные значения ISO, но все они равны 0 дБ усиления.
Стоит запомнить: нативное ISO (gain) - всегда 0 дБ усиления.
Некоторые сенсоры оснащены двумя наборами цепей усиления, что дает нам возможность переключаться между нижним и верхним значением без повышения усиления и, следовательно, без дополнительного шума. Это называется двойным нативным ISO. По сути это как иметь два сенсора в одной камере. Это называется двумя нативными ISO.
Также существуют технология, используемая в камерах ARRI и кинокамерах Canon линейки C: Dual Gain Output.
Сенсор считывается одновременно с нулевым усилением (ради сохранения цветопередачи в светлых участках) и с отрицательным (ради низкого уровня шума в тенях). Затем два набора данных соединяются в единое изображение с высоким динамическим диапазоном.
Итоги и небольшие рекомендации
Тема ISO сильно переплетена с инженерией фотоматриц, калибровке сенсора производителем, размером пикселя матрицы. Важно понимать технологию регистрации света вашей камеры, номинальную чувствительность, шумовые пороги, динамический диапазон, что очень важно при съемке видео в логарифмических профилях, знать нативное усиление камеры и/или технологии усиления.
Если вас устраивает то, как снимает ваша камера на ISO 6400 в low light, или вы не работаете в log-профилях, или вам достаточно шумоподавления на посте, то да, этот материал будет лишним. Но так или иначе надеюсь, что смог немного прояснить ситуацию вокруг ISO, усиления, технологии светочувствительности матриц.