Ljuskänslighet hos digitalkameror

Ljuskänsligheten hos en digitalkamera  är en egenskap hos en digitalkamera som bestämmer beroendet av de numeriska parametrarna för den digitala bilden som skapas av den på exponeringen som erhålls av den ljuskänsliga matrisen . Ljuskänsligheten hos digitalkameror uttrycks vanligtvis i enheter som motsvarar ISO -känsligheten för gelatin - silveremulsioner [1] . Detta gör att du kan använda metoderna för exponeringsmätning som är inneboende i klassisk filmfotografering .

Begreppet ljuskänslighet hos digitalkameror har dock ingenting att göra med traditionella fotografiska material på grund av att sensitometrilagarna inte är tillämpliga , och återspeglar matrisens känslighet endast indirekt. I motsats till fotokänsligheten hos fotografiska material, som endast är relaterad till den specifika fotografiska emulsionen som används, i digital fotografering, förstås ljuskänslighet som överföringsfunktionen för hela systemet, inklusive matrisen, förförstärkaren och ADC- algoritmerna . För digitala videokameror och sändande TV-kameror baserade på liknande matriser används inte ISO-enheter, och ljuskänsligheten uttrycks i den lägsta belysningen av motivet i lux , vilket gör det möjligt att få en bild med en acceptabel brusnivå [2] [3] . I vissa fall uttrycks känsligheten hos videokameror av den minimala belysningen vid en viss nivå av signalförstärkning i decibel [4] .

Ljuskänsligheten hos högt specialiserade videoenheter, till exempel videobandspelare , anges ofta i icke-standardiserade enheter, med hänsyn tagen till bländarförhållandet hos en styvt inbyggd lins. I de flesta fall uttrycks emellertid ljuskänsligheten hos sådana enheter i förhållande till den elektriska spänningen i volt som erhålls vid den analoga utgången av matrisen för exponering för strålning med en våglängd på 550 nanometer , vilket anses vara den maximala spektrala känsligheten av människosyn . Detta värde har ingenting att göra med ISO-enheter.

Motsvarande ljuskänslighet

Digitalkameror med samma exponering kan producera filer av samma bild med olika koordinater för samma pixlar i färgrymden . När de visas på skärmar eller skrivs ut är sådana bilder ljusa som om de exponerades på ett annat sätt. Detta uppnås genom att ändra den preliminära förstärkningen av de elektriska signalerna från den ljuskänsliga matrisen och algoritmerna för deras efterföljande analog-till-digital-omvandling till en viss färgrymd, såsom sRGB [1] .

Tillverkare av digital utrustning upprättar ett fast förhållande mellan värdena på matrissignalerna och motsvarande färgrymdskoordinater, vilket tas som exponeringsindex EI. De flesta digitalkameror har flera EI-värden, genom att växla mellan dem kan du hitta den mest acceptabla kompromissen mellan möjligheten att fotografera med snabba slutartider och intensiteten av brus i den resulterande bilden. EI-värdena är valda så att den resulterande digitala bilden är jämförbar med den som erhålls på film med samma ISO-hastighet, med samma exponeringsparametrar. Därför är det i vardagen vanligt att hänvisa till EI-värdena för digitalkameror som "ekvivalent ISO-känslighet". Denna parameter är dock endast indirekt relaterad till matrisens känslighet, och uttrycks i enheter för filmsensitometri endast för att underlätta användningen av de klassiska metoderna för exponeringsmätning som används i traditionell fotografering.

Vissa tillverkare tillhandahåller möjligheten att justera ljusstyrkaparametrarna inom ett EI-värde, som ett extra menyalternativ för kamerainställningar eller inställningar för att konvertera "rå" RAW- filer . Moderna digitalkameror är många gånger överlägsna fotografiska material i ljuskänslighet, och i likvärdiga ISO-enheter når de ett värde på 4 560 000, vilket är otillgängligt för silverhalogenidemulsioner [5] . Förbättring av brusreduceringsalgoritmerna gör det möjligt att erhålla en bild av acceptabel kvalitet vid sådana EI-värden.

Jämförelse av olika enheter för ljuskänslighet

Tabellen visar jämförande värden för ISO- och APEX -ljuskänslighetsmätningssystem och motsvarande ljuskänslighetsvärden som valts av digitalkameratillverkare för att gradera deras skalor i enlighet med ISO12232:2006-standarden. Det kan ses att värden som överstiger ISO 20 000 inte är tillämpliga på befintliga fotografiska material och endast återspeglar inspelningsförmågan hos digitalkameror som producerats sedan andra hälften av 2000-talet .

Jämförelse av fotokänslighet hos fotografiskt material och digitalkameror
APEX Sv _ ISO
aritm./logaritm.° 		ISO-motsvarighet till
digitalkameror 		Ett exempel på en film eller kamera som
har denna ljuskänslighet
2 12/12° Gevacolor 8 mm vändbar, senare Agfa Dia-Direct , " Svema " KN-1
16/13° Agfacolor 8 mm vändbar
20/14° Adox CMS 20
3 25/15° gamla Agfacolor , Kodachrome II och Kodachrome 25 , Efke 25 , " Tasma " TsO-22D
32/16° Kodak Panatomic-X , " Svema " DS-5M, Photo-32
40/17° Kodachrome 40 (film)
fyra 50/18° femtio Fuji RVP , Ilford Pan F Plus , Kodak Vision2 50D 5201 (filmfilm), AGFA CT18 , Efke 50
64/19° Kodachrome 64 , Ektachrome-X , ORWOCOLOR NC-19
80/20° Ilford Commercial Ortho , Svema Photo-65
5 100/21° 100 Kodacolor Gold , Kodak T-Max , Provia , Efke 100 , " Svema " KN-3
125/22° Ilford FP4+ , Kodak Plus-X Pan , Svema Photo-130
160/23° Fujicolor Pro 160C/S , Kodak High-Speed ​​​​Ektachrome , Kodak Portra 160NC och 160VC
6 200/24° 200 Fujicolor Superia 200 , Agfa Scala 200x , Svema OChT-180, Tasma OCh-180, TsO-T-180L
250/25° " Tasma " Foto-250
320/26° Kodak Tri-X Pan Professional
7 400/27° 400 Kodak T-Max , Tri-X 400 , Ilford HP5+ , Fujifilm Superia X-tra 400 , Konica VX-400 " Svema " RMB-V
500/28° Kodak Vision3 500T 5219 (film), " Tasma " Panchrome typ-17
640/29° Polaroid 600
åtta 800/30° 800 Fuji Pro 800Z
1000/31° Kodak P3200 TMAX , Ilford Delta 3200
1250/32° Kodak Royal-X Panchromatic
9 1600/33° 1600 Fujicolor 1600 , Kodak Ektapress 1600 , " Tasma " Isopanchrome typ-42
2000/34°
2500/35°
tio 3200/36° 3200 " Tasma " Panchrome typ-13, fotokit för omedelbar fotografering Polaroid typ-107 [6] , Fujifilm FP-3000b
4000/37°
5000/38° " Tasma " Isopanchrome typ-24
elva 6400/39° 6400
8000/40°
10000/41°
12 12500/42° 12800
16000/43°
20000/44° Fotokit för omedelbar fotografering Polaroid typ-612 [6]
13 25000/45° 25600 Första massproducerade digitalkamera med denna ISO-motsvarighet: Canon EOS 5D Mark II (2008)
32000/46°
40000/47°
fjorton 50 000/48° 51200
64000/49°
80000/50°
femton 100 000/51° 102400 Första massproducerade digitalkameror med denna ISO-motsvarighet: Nikon D3S och Canon EOS-1D Mark IV (2009)
125000/52°
160 000/53°
16 200000/54° 204800 Första massproducerade digitalkameror med denna ISO-motsvarighet: Canon EOS-1D X (2011), Nikon D4 (2012)
250000/55°
320000/56°
17 400000/57° 409600 Första massproducerade digitalkameror med denna ISO-motsvarighet: Nikon D4s och Sony α -7S (2014)
500000/58°
620000/59°
arton 800000/60° 819200
1000000/61°
1250000/62°
19 1600000/63° 1638400
2000000/64°
2500000/65°
tjugo 3200000/66° 3280000 Första massproducerade digitalkamera med denna ISO-motsvarighet: Nikon D5 [7] (2016)
4000000/67°
4600000/68° 4560000 Första produktionsvideokamera med denna ISO-motsvarighet: Canon ME20F-SH [5] (2015)
Tabellanmärkningar : APEX- och ISO ISO-värden som visas i fet stil motsvarar faktiska värden som används av tillverkare för specifika fotografiska material. Alla andra värden beräknas på basis av samma progressioner som en matematisk extrapolering av befintliga skalor.

ISO 12232:2006

Sedan 1998 har det funnits en ISO-standard [8] som fastställer ett samband mellan storleken på matrissignaler och specifika exponeringsindex (EI) [9] . Denna standard ger digitalkameratillverkare fem möjliga sätt att definiera specifika EI-värden, varav tre har funnits sedan 1998, och två av dem dök upp 2006 i enlighet med rekommendationerna CIPA DC-004 [10] som föreslagits av Japan Imaging Systems Standards Association ( eng.  Standard of the Camera & Imaging Products Association, CIPA ). Beroende på den valda tekniken beror exponeringsindexet EI på ljuskänsligheten och nivån av självbrus i matrisen, såväl som på egenskaperna hos den resulterande bilden. ISO-standarden definierar ljuskänsligheten för hela kameravisningskanalen, och inte för dess individuella komponenter, som föreslogs av Kodak 2001 för två av dess egna sensorer [11] .

Recommended Exposure Index (REI)-metoden, som introducerades i den senaste versionen av ISO 12232:2006 [12] , tillåter hårdvarutillverkare att ställa in sina egna EI-värden baserat på sin egen syn på vilka EI-värden som producerar korrekt exponerade bilder. Detta är den enda tekniken som är tillämplig på bildformat som använder andra färgrymder än sRGB och när matrismätningsläge används .

Standard Output Sensitivity ( SOS )  -tekniken förekom också i den senaste standarden och bygger på antagandet att den genomsnittliga ljusstyrkan i sRGB-bilden ska erhållas vid fotografering av ett gråkort med 18 % reflektivitet vid exponeringsmätning med ett exponeringsmätsystem kalibrerad enligt ISO 2721 utan exponeringskompensation . Eftersom mätningar måste göras i sRGB-färgrymden är tekniken endast tillämpbar på fotografier tagna i detta utrymme - främst JPEG , och inte på fotografier i RAW -format . Dessutom är tekniken oacceptabel vid användning av matrismätningsläget.

Mättnadspunktstekniken liknar SOS-tekniken, men baseras inte på en 18 % grå karta, utan på 100 % ljusstyrka, vid vilken detaljer i högdagrarna börjar försvinna . Värdena för exponeringsindexet som erhålls med denna metod är högre än de tidigare med 0,704. Precis som den tidigare SOS-metoden, antar mättnadspunktsmetoden mätningar i sRGB-färgrymden och är inte tillämplig på RAW-filer.

Två brusbaserade tekniker används ibland för att bestämma EI-intervallet för konsumentdigitalkameror. I det här fallet bestäms extremvärdena för EI, vid vilka bilderna kan anses vara "utmärkta" respektive "acceptabla", för lägsta och högsta ekvivalenta ljuskänslighet.

Metoder för att beräkna exponeringsindex

Värdena för motsvarande ISO-känslighet för digitalkameror beror på egenskaperna hos sensorn och algoritmerna för digital bearbetning av den resulterande bilden i kameran. Detta värde kan uttryckas i termer av exponeringen H som matrisen tar emot, i lux per sekund. För ett genomsnittligt objektiv med en brännvidd f mycket mindre än avståndet till motivet är exponeringen:

där L  är ljusstyrkan för motivet i candela per kvadratmeter , t  är slutartiden i sekunder, N  är bländarvärdet . Då bestäms koefficienten q av likheten:

Detta värde beror på linsens transmittans T , vinjeteringsfaktorn v ( θ ) och vinkeln θ med avseende på linsens optiska axel . Oftast är q = 0,65, förutsatt att θ = 10°, T = 0,9 och v = 0,98 [8] .

Mättnadspunkt

Ljuskänsligheten, bestäms av mättnadspunkten, beräknas med hjälp av ekvationen:

var  är den maximala exponeringen som inte leder till uppkomsten av "trasiga" områden utan information. Vanligtvis beror den nedre gränsen för sådan känslighet på egenskaperna hos matrisen, men när dess signal förstärks framför ADC ökar den ekvivalenta fotokänsligheten. Faktorn 78 används eftersom kalibreringen av exponeringsmätarna baseras på mätningen av ett grått kort med en reflektivitet på 18 %. Ett sådant objekt ger bilden ett ljusstyrkevärde på 18 % / √2 = 12,7 % av mättnadsnivån. En faktor på √2 ger en marginal på ett halvt stopp, vilket tar hänsyn till höjdpunkter som är ljusare än höjdpunkterna i motivet [12] .

Bestämning genom brus

Ljuskänsligheten, som bestäms av brusmätmetoden, beror på den exponering som krävs för att uppnå ett visst signal-brusförhållande på enskilda pixlar. Två förhållanden används: 40:1 ("utmärkt bild") och 10:1 ("acceptabel kvalitet"). Dessa förhållanden motsvarar den subjektiva uppfattningen av en bild med en upplösning på 70 punkter per centimeter, sett från ett avstånd av 25 centimeter. Brusnivån definieras som standardavvikelsen för ljusstyrkan och färgen för enskilda pixlar. Ljuskänsligheten som bestäms av denna metod beror i största utsträckning på kvaliteten på matrisen och i mycket mindre utsträckning på bruset från förförstärkaren.

Standardutgångskänslighet

Förutom de metoder som beskrivs för att bestämma ljuskänslighet, tillhandahåller ISO 12232:2006 en standardmetod för utmatningskänslighet baserad på beroendet av de numeriska värdena för bildpixlarna på den mottagna exponeringen. Tekniken bygger på jämlikhet:

där reflekterar exponeringen, vilket ger ett värde på 118 i en 8-bitars sRGB-bild, vilket motsvarar visning av 18 % av ett grått kort med en gammakorrigering på 2,2 [12] .

Tillämpligheten av ISO-metoder

Standarden definierar vilken av metoderna för att bestämma ljuskänslighet som är att föredra i olika situationer. Om den valda känsligheten baserat på ett signal-brusförhållande på 40:1 ("utmärkt kvalitet") överstiger samma värde som erhållits från mättnadspunkten, avrundas det första av de två värdena nedåt till närmaste lägre värde i standarden skala, väljs. Anledningen till detta val är det faktum att en lägre exponering, beräknad på en högre ISO, ger en medvetet sämre bild. Dessutom väljs den nedre änden av intervallet av känslighetsvärden baserat på mättnadspunkten, och den övre änden väljs baserat på det värsta tänkbara signal-brusförhållandet på 10:1 ("acceptabel kvalitet") . I händelse av att signal-brusförhållandet på 40:1 är mindre än det värde som beräknats från mättnadspunkten, eller inte bestäms på grund av starkt brus, ska det sista, avrundat till närmaste övre värde på standardskalan, tas för läsning, eftersom användningen av "brus"-känslighet kommer att leda till fördröjning. En kameras ljuskänslighet kan också bestämmas unikt baserat på standardutgångskänsligheten avrundad uppåt till närmaste standardvärde.

Anta att en kamerasensor har följande egenskaper: känslighet för signal-brusförhållande 40:1 - 107, och känslighet för 10:1 - 1688 och "mättnadspunkt" - 49. Sedan måste kameran, i enlighet med standarden, har följande skalvärden:

i dagsljus - ISO 100; värdeområde - ISO 50-1600; standardutgångskänsligheten är ISO 100.

Standardkänslighet kan anpassas. För en kamera med en brusigare sensor kan samma värden vara 40, 800 respektive 200. I detta fall bör systemet ställas in på ISO 200, vilket motsvarar användarens standardinställning för utmatningskänslighet [12] .

Trots de detaljerade instruktionerna i standarden om tillämpningen av en eller annan metod för att bestämma motsvarande ljuskänslighet, återspeglar kamerornas instruktioner inte vilken metod som användes för att markera deras skalor.

Se även

Anteckningar

  1. ↑ 1 2 Exponering i digital fotografering, 2008 , sid. arton.
  2. ↑ Television, 2002 , sid. 105.
  3. ↑ V.P. Mayorov, L.F. Ovchinnikov, M.S. Semin. Resonemang om tv-kameror  // Computerra  : magazine. - 1998. - Nr 14 . — ISSN 0815-2198 . Arkiverad från originalet den 6 juli 2013.
  4. ↑ Nikolay Milenin, Leonid Chirkov. TV-kameror: vart leder framstegen?  // "625" : logg. - 1993. - Nr 4 . — ISSN 0869-7914 . Arkiverad från originalet den 12 mars 2012.
  5. ↑ 1 2 Alexander Budik. Canon ME20F-SH: Full HD-kamera med ISO 4 000 000 känslighet . Nyheter om maskinvara . 3D-nyheter (1 augusti 2015). Hämtad 18 november 2016. Arkiverad från originalet 19 november 2016.
  6. ↑ 1 2 Martin (Marty) Kuhn. Filmindex  (engelska)  (inte tillgänglig länk) . film . Jordlistan. Hämtad 10 mars 2014. Arkiverad från originalet 15 december 2003.
  7. ↑ D5  . _ DSLR kameror . Nikon USA. Hämtad 7 januari 2016. Arkiverad från originalet 10 augusti 2017.
  8. ↑ 1 2 ISO 12232:  1998 . Fotografering - Elektroniska stillbildskameror - Bestämning av ISO-hastighet . ISO (20 april 2006). Hämtad 11 november 2012. Arkiverad från originalet 13 januari 2013.
  9. ↑ Ljuskänslighet . Frågor och svar . Zenith kamera. Hämtad 24 oktober 2015. Arkiverad från originalet 4 mars 2016.
  10. ↑ Standardiseringskommittén. Digitalkamerors känslighet  (engelska)  (länk ej tillgänglig) . CIPA DC-004 . Standard för Camera & Imaging Products Association (27 juli 2004). Hämtad 11 november 2012. Arkiverad från originalet 13 januari 2013.
  11. ↑ Kodak Image Sensors ISO-mätning  . Revision 5.0 MTD/PS-0234 . Kodak (28 september 2009). Hämtad 11 november 2012. Arkiverad från originalet 13 januari 2013.
  12. ↑ 1 2 3 4 ISO 12232:  2006 . Fotografering - Digitala stillbildskameror - Bestämning av exponeringsindex, ISO-tal, standardutgångskänslighet och rekommenderat exponeringsindex . ISO (4 oktober 2011). Hämtad 11 november 2012. Arkiverad från originalet 13 januari 2013.

Litteratur