Sensibilitatea la lumină a camerelor digitale

Sensibilitatea la lumină a unei camere digitale  este o caracteristică a unei camere digitale care determină dependența parametrilor numerici ai imaginii digitale create de aceasta de expunerea obținută de matricea fotosensibilă . Sensibilitatea la lumină a camerelor digitale este de obicei exprimată în unități echivalente cu sensibilitatea ISO a emulsiilor de gelatină -argint [1] . Acest lucru vă permite să utilizați metodele de măsurare a expunerii inerente fotografiei clasice de film .

Cu toate acestea, conceptul de sensibilitate la lumină a camerelor digitale nu are nimic de-a face cu materialele fotografice tradiționale din cauza inaplicabilității legilor sensitometriei și reflectă sensibilitatea matricei doar indirect. Spre deosebire de fotosensibilitatea materialelor fotografice, care este legată doar de emulsia fotografică specifică utilizată, în fotografia digitală, fotosensibilitatea este înțeleasă ca funcția de transfer a întregului sistem, inclusiv matricea, preamplificatorul și algoritmii ADC . Pentru camerele video digitale și camerele de televiziune transmisoare bazate pe matrice similare nu se folosesc unități ISO, iar sensibilitatea la lumină se exprimă în iluminarea minimă a subiectului în lux , ceea ce permite obținerea unei imagini cu un nivel de zgomot acceptabil [2] [3] . În unele cazuri, sensibilitatea camerelor video este exprimată prin iluminarea minimă la un anumit nivel de amplificare a semnalului în decibeli [4] .

Sensibilitatea la lumină a dispozitivelor video foarte specializate, de exemplu, aparatele de înregistrare video , este adesea indicată în unități nestandard, ținând cont de raportul de deschidere al unui obiectiv încorporat rigid. Cu toate acestea, în majoritatea cazurilor, sensibilitatea la lumină a unor astfel de dispozitive este exprimată în raport cu tensiunea electrică în volți obținută la ieșirea analogică a matricei la expunerea la radiații cu o lungime de undă de 550 nanometri , care este considerată sensibilitatea spectrală maximă a viziunea umană . Această valoare nu are nimic de-a face cu unitățile ISO.

Fotosensibilitate echivalentă

Camerele digitale cu aceeași expunere pot produce fișiere cu aceeași imagine cu coordonate diferite ale acelorași pixeli în spațiul de culoare . Atunci când sunt afișate pe ecrane sau sunt imprimate, astfel de imagini sunt luminoase, ca și cum ar fi expuse diferit. Acest lucru se realizează prin schimbarea amplificării preliminare a semnalelor electrice ale matricei fotosensibile și a algoritmilor pentru conversia lor ulterioară analog-digitală într-un anumit spațiu de culoare, cum ar fi sRGB [1] .

Producătorii de echipamente digitale stabilesc o relație fixă ​​între valorile semnalelor matriceale și coordonatele corespunzătoare ale spațiului de culoare, care este luată ca indice de expunere EI. Majoritatea camerelor digitale au mai multe valori EI, comutarea între ele vă permite să găsiți cel mai acceptabil compromis între capacitatea de a fotografia la viteze mari de expunere și intensitatea zgomotului din imaginea rezultată. Valorile EI sunt alese astfel încât imaginea digitală rezultată să fie comparabilă cu cea obținută pe film de aceeași viteză ISO, cu aceiași parametri de expunere. Prin urmare, în viața de zi cu zi se obișnuiește să se facă referire la valorile EI ale camerelor digitale ca „sensibilitate ISO echivalentă”. Cu toate acestea, acest parametru este legat doar indirect de sensibilitatea matricei și este exprimat în unități de sensitometrie de film doar pentru comoditatea utilizării metodelor clasice de măsurare a expunerii adoptate în fotografia tradițională.

Unii producători oferă posibilitatea de a ajusta parametrii de luminozitate în cadrul unei valori EI, ca element suplimentar de meniu pentru setările camerei sau setările pentru conversia fișierelor RAW „brute” . Camerele digitale moderne sunt de multe ori superioare materialelor fotografice în sensibilitatea la lumină, iar în unități ISO echivalente ajung la o valoare de 4.560.000, ceea ce este inaccesibil emulsiilor cu halogenură de argint [5] . Îmbunătățirea algoritmilor de reducere a zgomotului face posibilă obținerea unei imagini de calitate acceptabilă la astfel de valori EI.

Comparația diferitelor unități de fotosensibilitate

Tabelul prezintă valorile comparative ale sistemelor de măsurare a sensibilității la lumină ISO și APEX și valorile echivalente ale sensibilității la lumină alese de producătorii de camere digitale pentru a-și clasifica scalele în conformitate cu standardul ISO12232:2006. Se poate observa că valorile care depășesc ISO 20.000 nu sunt aplicabile materialelor fotografice existente și reflectă doar capacitatea de înregistrare a camerelor digitale produse din a doua jumătate a anilor 2000 .

Comparația fotosensibilității materialelor fotografice și a camerelor digitale
APEX Sv _ ISO
aritm./logaritm.° 		Echivalent ISO al
camerelor digitale 		Un exemplu de film sau cameră care
are această sensibilitate la lumină
2 12/12° Gevacolor 8 mm reversibil, mai târziu Agfa Dia-Direct , " Svema " KN-1
16/13° Agfacolor 8mm reversibil
20/14° Adox CMS 20
3 25/15° vechi Agfacolor , Kodachrome II și Kodachrome 25 , Efke 25 , " Tasma " TsO-22D
32/16° Kodak Panatomic-X , „ Svema ” DS-5M, Foto-32
40/17° Kodachrome 40 (film)
patru 50/18° cincizeci Fuji RVP , Ilford Pan F Plus , Kodak Vision2 50D 5201 (film de cinema), AGFA CT18 , Efke 50
64/19° Kodachrome 64 , Ektachrome-X , ORWOCOLOR NC-19
80/20° Ilford Commercial Ortho , Svema Foto-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 și 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 tip-17
640/29° Polaroid 600
opt 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 tip-42
2000/34°
2500/35°
zece 3200/36° 3200 „ Tasma ” Panchrome tip-13, truse foto pentru fotografiere instant Polaroid tip-107 [6] , Fujifilm FP-3000b
4000/37°
5000/38° „ Tasma ” Izopancrom tip-24
unsprezece 6400/39° 6400
8000/40°
10000/41°
12 12500/42° 12800
16000/43°
20000/44° Truse foto pentru fotografiere instant Polaroid tip-612 [6]
13 25000/45° 25600 Prima cameră digitală produsă în serie cu acest echivalent ISO: Canon EOS 5D Mark II (2008)
32000/46°
40000/47°
paisprezece 50000/48° 51200
64000/49°
80000/50°
cincisprezece 100000/51° 102400 Primele camere digitale produse în serie cu acest echivalent ISO: Nikon D3S și Canon EOS-1D Mark IV (2009)
125000/52°
160000/53°
16 200000/54° 204800 Primele camere digitale produse în serie cu acest echivalent ISO: Canon EOS-1D X (2011), Nikon D4 (2012)
250000/55°
320000/56°
17 400000/57° 409600 Primele camere digitale produse în serie cu acest echivalent ISO: Nikon D4s și Sony α -7S (2014)
500000/58°
620000/59°
optsprezece 800000/60° 819200
1000000/61°
1250000/62°
19 1600000/63° 1638400
2000000/64°
2500000/65°
douăzeci 3200000/66° 3280000 Prima cameră digitală produsă în serie cu acest echivalent ISO: Nikon D5 [7] (2016)
4000000/67°
4600000/68° 4560000 Prima cameră video de producție cu acest echivalent ISO: Canon ME20F-SH [5] (2015)
Note de tabel : Valorile APEX și ISO ISO afișate cu aldine corespund valorilor reale utilizate de producători pentru materiale fotografice specifice. Toate celelalte valori sunt calculate pe baza acelorași progresii ca o extrapolare matematică a scalelor existente.

ISO 12232:2006

Din 1998, există un standard ISO [8] care stabilește o relație între magnitudinea semnalelor matriceale și indicii specifici de expunere (EI) [9] . Acest standard oferă producătorilor de camere digitale cinci moduri posibile de a defini valori specifice EI, dintre care trei există din 1998 și două au apărut în 2006 , în conformitate cu recomandările CIPA DC-004 [10] propuse de Japan Imaging Systems. Asociația de standarde ( ing.  Standard of the Camera & Imaging Products Association, CIPA ). În funcție de tehnica aleasă, indicele de expunere EI depinde de fotosensibilitatea și nivelul de autozgomot al matricei, precum și de caracteristicile imaginii rezultate. Standardul ISO definește sensibilitatea la lumină a întregului canal de afișare al camerei, și nu a componentelor sale individuale, așa cum a fost propus de Kodak în 2001 pentru doi dintre propriii senzori [11] .

Metodologia Recommended Exposure Index (REI), introdusă în cea mai recentă versiune a ISO 12232:2006 [12] , permite producătorilor de hardware să-și stabilească propriile valori EI pe baza propriei viziune asupra a ceea ce valorile EI produc imagini expuse corect. Aceasta este singura tehnică aplicabilă formatelor de imagine care utilizează alte spații de culoare decât sRGB și când utilizați modul de măsurare matriceală .

Tehnica Standard Output Sensitivity ( SOS )  a apărut și în cel mai recent standard și se bazează pe presupunerea că nivelul mediu de luminozitate în imaginea de ieșire sRGB ar trebui să fie obținut atunci când fotografiați un card gri cu reflectivitate de 18% atunci când măsurați expunerea cu un sistem de expunere. calibrat conform ISO 2721 fără compensare a expunerii . Deoarece măsurătorile trebuie efectuate în spațiul de culoare sRGB, tehnica este aplicabilă numai fotografiilor realizate în acest spațiu - în principal JPEG , și nu fotografiilor în format RAW . În plus, tehnica este inacceptabilă în cazul utilizării modului de măsurare a matricei.

Tehnica punctului de saturație este similară cu tehnica SOS, dar se bazează nu pe o hartă gri de 18%, ci pe 100% luminozitate, la care detaliile din evidențieri încep să dispară . Valorile indicelui de expunere obținut prin această metodă sunt mai mari decât cele anterioare cu 0,704. La fel ca metoda SOS anterioară, metoda punctului de saturație presupune măsurători în spațiul de culoare sRGB și nu este aplicabilă fișierelor RAW.

Două tehnici bazate pe zgomot sunt uneori folosite pentru a determina gama EI de camere digitale de consum. În acest caz, se determină valorile extreme ale EI, la care imaginile pot fi considerate „excelent” sau „acceptabile”, respectiv, pentru fotosensibilitatea echivalentă cea mai mică și cea mai mare.

Metode de calcul a indicilor de expunere

Valorile sensibilității ISO echivalente ale camerelor digitale depind de proprietățile senzorului și de algoritmii de procesare digitală a imaginii rezultate în cameră. Această valoare poate fi exprimată în termeni de expunere H primită de matrice, în lux pe secundă. Pentru un obiectiv mediu cu o distanță focală f mult mai mică decât distanța până la subiect, expunerea este:

unde L  este luminozitatea subiectului în candela pe metru pătrat , t  este viteza obturatorului în secunde, N  este valoarea diafragmei . Atunci coeficientul q este determinat de egalitatea:

Această valoare depinde de transmisia T a lentilei, de factorul de vignetare v ( θ ) și de unghiul θ față de axa optică a lentilei. Cel mai adesea, q = 0,65, cu condiția ca θ = 10°, T = 0,9 și v = 0,98 [8] .

Punct de saturație

Sensibilitatea la lumină, determinată de punctul de saturație, se calculează folosind ecuația:

unde  este expunerea maxima care nu duce la aparitia unor zone „rupte” lipsite de informatii. De obicei, limita inferioară a unei astfel de sensibilități depinde de proprietățile matricei, dar atunci când semnalul acesteia este amplificat în fața ADC , fotosensibilitatea echivalentă crește. Se adoptă factorul 78 deoarece calibrarea expometrelor se bazează pe măsurarea unui card gri cu o reflectivitate de 18%. Un astfel de obiect conferă imaginii o valoare a luminozității de 18% / √2 = 12,7% din nivelul de saturație. Un factor de √2 oferă o marjă de jumătate de stop, care ia în considerare luminile care sunt mai luminoase decât luminile subiectului [12] .

Determinare prin zgomot

Sensibilitatea la lumină, determinată de metoda de măsurare a zgomotului, depinde de expunerea necesară pentru a obține un anumit raport semnal-zgomot pe pixeli individuali. Sunt utilizate două rapoarte: 40:1 („imagine excelentă”) și 10:1 („calitate acceptabilă”). Aceste rapoarte corespund percepției subiective a unei imagini cu o rezoluție de 70 de puncte pe centimetru, privită de la o distanță de 25 de centimetri. Nivelul de zgomot este definit ca abaterea standard a luminozității și culorii pixelilor individuali. Sensibilitatea la lumină determinată prin această metodă depinde în cea mai mare măsură de calitatea matricei și într-o măsură mult mai mică de zgomotul preamplificatorului.

Sensibilitate standard de ieșire

În plus față de metodele descrise pentru determinarea sensibilității la lumină, ISO 12232:2006 oferă o metodă standard a sensibilității de ieșire bazată pe dependența valorilor numerice ale pixelilor imaginii de expunerea recepționată. Tehnica se bazează pe egalitatea:

în care reflectă expunerea, dând o valoare de 118 într-o imagine sRGB de 8 biți , ceea ce corespunde cu afișarea a 18% dintr-un card gri cu o corecție gamma de 2,2 [12] .

Aplicabilitatea metodologiilor ISO

Standardul definește care dintre metodele de determinare a fotosensibilității este de preferat în diferite situații. Dacă sensibilitatea selectată pe baza unui raport semnal-zgomot de 40:1 („calitate excelentă”) depășește aceeași valoare obținută din punctul de saturație, prima dintre cele două valori, rotunjită în jos la cea mai apropiată valoare inferioară a standardului scară, este selectată. Motivul acestei alegeri este faptul că o expunere mai mică, calculată pe baza unui ISO mai mare, dă o imagine deliberat mai proastă. În plus, capătul inferior al intervalului de valori de sensibilitate este selectat pe baza punctului de saturație, iar capătul superior este selectat pe baza raportului semnal-zgomot în cel mai rău caz de 10:1 ("calitate acceptabilă") . În cazul în care raportul semnal-zgomot de 40:1 este mai mic decât valoarea calculată din punctul de saturație sau nu este determinat din cauza zgomotului puternic, ultimul, rotunjit la cea mai apropiată valoare superioară a scalei standard, este luată pentru citire, deoarece utilizarea sensibilității la „zgomot” va duce la întârziere. Sensibilitatea la lumină a unei camere poate fi, de asemenea, determinată în mod unic pe baza sensibilității standard de ieșire rotunjită la cea mai apropiată valoare standard.

Să presupunem că un senzor de cameră are următoarele caracteristici: sensibilitate la raportul semnal-zgomot 40:1 - 107 și sensibilitate la 10:1 - 1688 și „punct de saturație” - 49. Apoi, în conformitate cu standardul, camera trebuie să au următoarele valori de scară:

la lumina zilei - ISO 100; interval de valori - ISO 50-1600; Sensibilitatea standard de ieșire este ISO 100.

Sensibilitatea standard poate fi personalizată. Pentru o cameră cu un senzor mai zgomotos, aceleași valori pot fi 40, 800 și, respectiv, 200. În acest caz, sistemul ar trebui să fie setat la ISO 200, corespunzător setarii standard de sensibilitate a ieșirii a utilizatorului [12] .

În ciuda instrucțiunilor detaliate ale standardului privind aplicarea uneia sau alteia metode pentru determinarea fotosensibilității echivalente, instrucțiunile camerelor nu reflectă metoda utilizată pentru marcarea scalelor lor.

Vezi și

Note

  1. ↑ 1 2 Expunerea în fotografia digitală, 2008 , p. optsprezece.
  2. ↑ Televiziunea, 2002 , p. 105.
  3. ↑ V.P. Mayorov, L.F. Ovchinnikov, M.S. Semin. Raționament despre camerele de televiziune  // Computerra  : revistă. - 1998. - Nr. 14 . — ISSN 0815-2198 . Arhivat din original pe 6 iulie 2013.
  4. ↑ Nikolay Milenin, Leonid Chirkov. Camere de televiziune: unde duce progresul?  // "625" : jurnal. - 1993. - Nr 4 . — ISSN 0869-7914 . Arhivat din original pe 12 martie 2012.
  5. ↑ 1 2 Alexandru Budik. Canon ME20F-SH: Cameră Full HD cu sensibilitate ISO 4.000.000 . Știri Hardware . Știri 3D (1 august 2015). Consultat la 18 noiembrie 2016. Arhivat din original pe 19 noiembrie 2016.
  6. ↑ 1 2 Martin (Marty) Kuhn. Index de film  (engleză)  (link indisponibil) . film . Lista terenurilor. Preluat la 10 martie 2014. Arhivat din original la 15 decembrie 2003.
  7. ↑ D5  . _ Camere DSLR . Nikon SUA. Preluat la 7 ianuarie 2016. Arhivat din original la 10 august 2017.
  8. ↑ 1 2 ISO 12232:  1998 . Fotografie - Camere electronice pentru fotografii - Determinarea vitezei ISO . ISO (20 aprilie 2006). Consultat la 11 noiembrie 2012. Arhivat din original la 13 ianuarie 2013.
  9. ↑ Sensibilitatea la lumină . Întrebări și răspunsuri . Camera Zenith. Preluat la 24 octombrie 2015. Arhivat din original la 4 martie 2016.
  10. ↑ Comisia de standardizare. Sensibilitatea camerelor digitale  (engleză)  (link indisponibil) . CIPA DC-004 . Standard al Asociației Produselor pentru Camere și Imagini (27 iulie 2004). Consultat la 11 noiembrie 2012. Arhivat din original la 13 ianuarie 2013.
  11. ↑ Senzori de imagine Kodak Măsurare ISO  . Revizia 5.0 MTD/PS-0234 . Kodak (28 septembrie 2009). Consultat la 11 noiembrie 2012. Arhivat din original la 13 ianuarie 2013.
  12. ↑ 1 2 3 4 ISO 12232:  2006 . Fotografie - Camere foto digitale - Determinarea indicelui de expunere, a vitezei ISO, a sensibilității standard de ieșire și a indicelui de expunere recomandat . ISO (4 octombrie 2011). Consultat la 11 noiembrie 2012. Arhivat din original la 13 ianuarie 2013.

Literatură