Annons

Dynamiskt omfång, signal/brusförhållande för DSRL, CCD/CMOS/AD-omvandling

Produkter
(logga in för att koppla)

Goran

Aktiv medlem
Varför har nästan all DSRL sämre exponeringsomfång än negativ film? Har det nån betydelse? När kommer den digitala tekniken ikapp eller har Fujifilm lyckats åtgärda detta i och med sin kamera s3 pro?

Tänkte att man kunde samla lite tankar om detta ämne i denna tråden. Tankar som dyker upp både här och där i olika sammanhang. Ämnet i sig är delvis teoretiskt.

12- eller 14 bitars A/D omvandling? Varför? Var sitter flaskhalsen? I sensorn eller i A/D omvandlingen?

Välkomna med synpunkter och tankar..=)

Lite allmän teori i ämnet:

http://www.cookecorp.com/download/?url=/data/pco_cooKe_kb_dynamic_0502.pdf
 
Alla kameror med 14-bitas omvandling har inte samma dynamik. Däremot sätter inte 14-bitar lika mycket hinder ivägen som 12-bitar.

Flaskhalsen är sensorn.
 
Intressant. Jag bidrar med ett rent teoretiskt resonemang, som givetvis kan vara helt fel. :)

Det dynamiska omfånget borde vara direkt kopplat till antalet bitar (för digitalkameror, inte skanners eftersom ljusstyrkan där är konstant). Förutsatt att sensorn är linjär (vilket den ju är) och att 12 bitar verkligen betyder att sensorn kan registrera 2^12 separata steg.

Förmåga att registrera stora skillnader i ljusstyrka är väl snarare ljuskänslighet. En väldigt okänslig 4bitars-sensor kan registrera stor skillnad i inkommande ljus, men skulle inte sägas ha stort dynamiskt omfång.

Bättre sensorer kommer att ge fler bitar, vilket till slut kommer att överträffa även negativ film.

Så har iallafall jag uppfattat det.

EDIT: Hmmm, fast om antalet bitar är direkt kopplat till hur stor skillnad i ljusstyrka sensorn kan registrera så är vi iofs tillbaks på att det dynamiska omfånget har med ljuskänsligheten att göra.
 
Senast ändrad:
froderberg skrev:
Flaskhalsen är sensorn.

Eller snarare pixlarnas storlek. Ju större pixel, desto större dynamiskt omfång. Det är därför som en stor sensorplatta kommer att ge bättre omfång än en liten sensorplatta om det är samma antal pixlar på de två sensorerna.

MVH/STefan
 
Här kommer en exempelbild från en Nikon D70. Överst som det skulle se ut om kameran lagrade tio bitar istället för tolv, som visas i mitten. Nederst visar jag hur mycket som egentligen ryms med tolv bitars upplösning.
 

Bilagor

  • bitjmf.jpg
    bitjmf.jpg
    28.1 KB · Visningar: 790
Många felkällor

Den enklast förståeliga flaskhalsen är A/D-omvandlaren. En 12-bitars A/D-omvandlare kan skapa 4096 olika nyanser; Eller 585 nyanser per steg vid 7 stegs exponeringsomfång.

En 14-bitars A/D-omvandlare kan skapa 16384 nyanser eller 2340 nyanser per steg vid 7 stegs exponeringsomfång.

En 14-bitars A/D-omvandlare ger alltså mycket mjukare övergångar inom ett steg än en 12-bitars A/D.

MEN:

Sensorns brus är ett stort problem; Om en jämt belyst yta _ändå_ ger en signal från sensorn till A/D omvandlaren som varierar slumpmässigt med 5%, så består 5% av signalen av rent brus. Det spelar ingen roll hur noggrannt A/D-omvandlaren kan digitalisera bruset. Brus är ändå brus, och det visas tydligt mellan den nedersta och de två ovanstående bilderna ovan.

Nästa problem är sensorns tröskelgränsen. Ljus upp till tröskelgränsen ger inget utslag alls. Allt ljus under den kommer att registreras som mörker. Mörkret registreras genom att sensorn får oändligt motstånd, och därför släpper den inte igenom någon ström alls till A/D-omvandlaren. Endast bruset i ledningen är det som når A/D-omvandlaren. Inte ens om man ökar ISO-talet kommer man att kunna fotografera, eftersom ISO-talet förstärker utsignalen från sensorn. Det enda som försärks är därför bruset. Tröskelgränsen måste alltså vara så låg som möjligt.

Till slut, det som bestämmer exponeringsomfånget, är när sensorn "bottnar". Sensorn fungerar ungefär som en transistor, och får 0 motstånd då insignalen (ljuset) överstiger ett visst värde. Sensorn släpper då vidare 100% av strömmen till sensorn. Strömmen har dock ett maxvärde, som bestäms av batteriernas spänning. Om det är ljust, mycket ljust eller bländande ljust spelar ingen roll, för batterierna kan ändå bara leverera 7.2V spänning, och allt över tröskelgränsen blir då bara "vitt"; inte "ännu vitare" eller "extremt vitt".

Detta, andra tröskelvärde, måste ligga så långt från mörkrets tröskelvärde som möjligt, för maximalt exponeringsomfång, och häri ligger problemet.

Gör man pixelsiten liten, så krävs det mycket ljus för att pixelsiten skall få sensorn att bottna. Men; samtidigt så krävs det mycket ljus för att sensorn skall passera över mörkergränsen. Resultatet blir högt brus i mörka bilder.

Med en stor pixelsite krävs lite ljus för att sensorn skall passera mörkergränsen, men ljusa delar blir utfrätta.

Lösningen är alltså att finna ett ljuskänsligt material, som kräver lite ljus för att reagera, men mycket ljus innan det bottnar. Finner man ett sådant material, så måste man även öka nyansskillnaderna och bekämpa bruset, eftersom bruset då får en större inverkan på varje exponeringsstel.

Det andra alternativet är att göra som Nikon (tror jag det är), som kombinerar stora och små pixelsites på kameran. De små pixelsiterna skulle kunna användas för att registra de ljusare partierna, och de stora för att registrera mörkare partier. Mjukvaran kan då märka att den stora pixelsiten är helt bottnad, och ta mätvärden från den lilla pixelsiten.

Att gå från 12 till 14 bitars A/D är ett sätt att öka nyansskillnaderna, men ett annat sätt är också att öka grundspänningen i kameran, från exvis 7V till 14V. En dubblerad grundspänning motsvar en extra bit på A/D-omvanlaren. Nackdelen är att batteriernas livslängd (vid samma storlek & vikt) halveras. Å andra sidan kan det _också_ innebära lägre brus, eftersom 0,5V variation på signalledningen då motsvar 3,5% istället för 7% brus. Ökad spänning innebär dock även andra problem med exvis ökad värmeutveckling och (iaf teoretiskt sätt) problem med skakningsoskärpa i kontrastrika motiv.

A/D-omvandling är i sig ingenting magiskt, även om det är lite svårt men inte alls omöjligt att kombinera många bitar med hög hastighet och stora spänningsskillnader mellan max och min.
 
att kombinera många MPixel OCH stort dynamiskt omfång OCH högt signal/brusförhållande verkar inte helt lätt alltså.
De verkar som om att kameratillverkarna, än så länge, får kompromissa, Fujifilm prioriterar bättre dynamikomfång framför högre upplösning (interpolering till 12 MP gör dom ju men det räcker nog bara till runt 8MP verklig upplösning), medan Nikon och Canon satsar på fler Mpixlar, dock försöker dom bibehålla ett högt signal/brusförhållande med hjälp av brusreducering istället. Tittar man rakt av på förhållandet mellan antal pixlar och sensorstorlek så verkar nikon D2X ha den minsta pixelstorleken jämfört med konkurrenterna i samma prisklass. Nästan hälften av pixelstorleken hos Canon 1Ds. Hos 1Ds MkII har pixelstorleken minskat dock, men den är ändå ca 25% större än hos D2X. OBS! beräknade pixelstorlekar, hur effektivt man nyttjar sensorytan har ju betydelse också. Nikon har ju sin separata utläsning av färgkanalerna å andra sidan vilket borde minska problemen med en liten pixelstorlek, som ju främst borde vara brus i lågdagrar. Fujifilm har istället små extra pixlar för att mäta högdagrarna. Dessa satureras inte så fort som de vanliga pixlarna, och därmed kan de mäta högdagrarna på ett bra sätt.
Att större pixlar i sensorn skulle ge ett större dynamikomfång verkar inte helt självklart, bättre signal/brus förhållande ger det, och mindre brus i lågdagrarna, men samtidigt skapar det problem i högdagrarna eftersom en stor pixel satureras fortare än en liten. Nikons och fujifilms lösningar verkar ta fasta på detta, men med olika angreppsätt. Vore väldigt intressant att se en vetenskaplig jämförelse mellan dessa som visar hur mycket dom lyckats med att öka dynamikomfånget.
 
Re: Många felkällor

verkar som vi är inne på liknande resonemang..=)


flutte skrev:

Det andra alternativet är att göra som Nikon (tror jag det är), som kombinerar stora och små pixelsites på kameran. De små pixelsiterna skulle kunna användas för att registra de ljusare partierna, och de stora för att registrera mörkare partier. Mjukvaran kan då märka att den stora pixelsiten är helt bottnad, och ta mätvärden från den lilla pixelsiten.

det är Fujifilm som kör med olika stora pixlar, nikon gör på lite annat sätt, mixtrar med färgkanalerna.

flutte skrev:

Att gå från 12 till 14 bitars A/D är ett sätt att öka nyansskillnaderna, men ett annat sätt är också att öka grundspänningen i kameran, från exvis 7V till 14V. En dubblerad grundspänning motsvar en extra bit på A/D-omvanlaren. Nackdelen är att batteriernas livslängd (vid samma storlek & vikt) halveras. Å andra sidan kan det _också_ innebära lägre brus, eftersom 0,5V variation på signalledningen då motsvar 3,5% istället för 7% brus. Ökad spänning innebär dock även andra problem med exvis ökad värmeutveckling och (iaf teoretiskt sätt) problem med skakningsoskärpa i kontrastrika motiv.

ok, det var nog så Dumbo menade i en annan tråd misstänker jag, där vi hade ett liknande resonemang.

kvatiseringsstegen blir dock större men det TEORETISKA dynamikomfånget blir ju inte större...även om mätområdet blir större?? eller??
det beräknas ju som 20 log (2^n)

Gäller ditt resonemang för både CMOS och CCD?
CCD funkar ju mer som en Kondensator som samlar laddning och bygger upp en spänning.

skakningsoskärpa?? hur menar du då??
 
Senast ändrad:
kvatiseringsstegen blir dock större men det TEORETISKA dynamikomfånget blir ju inte större...även om mätområdet blir större??

Korrekt; Marginalen mellan mörker & ljus blir större, men det påverkar inte hur stor skillnad mellan mörker & ljus som sensorn kan uppfatta.

skakningsoskärpa?? hur menar du då??

Tja, skakningsoskärpa var kasnke fel ord. Oskärpa i allmänhet var nog snare rätt:

Den övre bilden visar hur utsignalen från sensorn skulle se ut om man fotograferar omväxlande svarta & vita fält. Svart linje är "vanlig" spänningsnivå, och blåstreckad är om man arbetar med högre spänning.

Nedre bilden visar effekten på mätvärdena, då de skalats om till 0..255; Brus i övergångarna och en "rundare" form rent allmänt för den blå kurvan. Detta kommer att se ut som oskärpa i bilden; Den optimala formen hade varit en symmetrisk fyrkantvåg. Effekten av slumpmässigt brus på exvis 0.5V syns dock inte i mitt exempeldiagram.

Gäller ditt resonemang för både CMOS och CCD?

Jag är medveten om att jag är ute lite på hal is, men principen borde vara densamma eftersom vi hela tiden bygger upp och drar ur laddningar som vi sedan mäter, antingen som ström eller spänning.
 

Bilagor

  • image5.jpg
    image5.jpg
    34.8 KB · Visningar: 716
Goran skrev:
Varför har nästan all DSRL sämre exponeringsomfång än negativ film? Har det nån betydelse?
Tja viss betydelse har det nog i alla fall för någon. Jag är en någon speciellt för inte länge sen då det hade kommit lite snö och jag en DSLR och en vovve med mig ut. Kom på att jag ville ha en liten porträttbild på vovsingen i snön. Jag har en Rottwieler (en svart hund modell lite större med bruna tecken på vissa ställen för de som inte vet)
Självklart räckte inte kamerans exponeringslatitud till att ge täckning i hunden utan att ge helt utfrätt snö.
Kring gå problem som detta kan man göra i de festa fall genom att:

1. Använda avtonatgråfilter, finns dock inga som har formen efter min hund i alla tänkbara poser hon kan ha.

2.Man kan ta två exponeringar en efter hunden svarta päls och en efter den ljusa reflekterande snön och sedan baka ihop den i ett bildbehandlingspogram. Men det är omöjligt att få en livlig hund som en Rottweiler att sitta still så pass länge att man hinner detta.

Jag tog i alla fall och exponerade så jag fick en korrekt vit snö utan utfrätta paritier och ficken en svart siluett av hunden och provade att locka fram lite av hennes päls och ögon i PS. Fick fram hennes bruna täcken i pälsen men då var det svarta i henne mer grått än svart.
Går säkert att lyckas få en bild på henne i snö med på detta vis kanske med. Dock inte lika lätt som en analog kamera och negativfärgfilm där jag tidigare har lyckats med att få en normal hund och struktur i snön med "normal fotografering" vilket tar någon sekund och i jämnförelsen med att lyckat få en lyckad bild med den digitala hinner jag producera många bra bilder utan större ansträngningar med den analoga kameran.

Var på födelsedagskalas idag och tog med DSLR:n för att poträttera födelsedagsbarnet vilket jag gjorde då hon satt i soffan. Var ganska ljust men för att inte få skakningsoskärpa så drog jag till med lite upplättningsblixt samtidigt som solen råkade kika in och träffa hennes hand. Gissa vilken kroppsdel blev överexponerad? Var ju enkelt att vinkla persiennen lite men känns lite löjligt att lite upplättningsblixt inomhus och en tidig marssol på nedgåendes lilla strimma ska ge en hand som försvann från bilden...

Jag kommer nog inte släppa den analoga delen helt innan de får till bättre exponeringsomfång vilket nog lär dröja ett tag inna det blir intressant. Kanske den dagen de lyckas plocka in en eller ett par Terapixlar på en liten sensor och alla är nöjda med den upplösningen.

Visst kan man säga att diafilm har en ungefärt likadant omfång som en digitalare men med en analog kamera kan man välja vilken film och där med omfånget man vill ha beroende på vad och vart man skall fotografera, detta val har man inte med den digitala kameran.
 
Re: Re: Dynamiskt omfång, signal/brusförhållande för DSRL, CCD/CMOS/AD-omvandling

Mr P skrev:
Kringgå problem som detta kan man göra i de festa fall genom att:

1. Använda avtonatgråfilter, finns dock inga som har formen efter min hund i alla tänkbara poser hon kan ha.

2.Man kan ta två exponeringar en efter hunden svarta päls och en efter den ljusa reflekterande snön och sedan baka ihop den i ett bildbehandlingspogram. Men det är omöjligt att få en livlig hund som en Rottweiler att sitta still så pass länge att man hinner detta.

Tyckte du glömde två lösningar, för det första är det stor skillnad på olika kameror. En kamera som EOS-1Ds eller ett bakstycke har ett betydligt större omfång än de DSLR som har mindre sensorer.

Det andra är att om du fotograferar i råformat har du ett större omfång att arbeta med. Dels har du lite mer latitud, dels kan du göra två »framkallningar« där den ena optimeras för skuggor, den andra för högdagrarna.

MVH/Stefan
 
Javisst tack för du fyllde på min lill åtgärdslista med allternativ så den blev mer komplett.

Det första allternativet tänkte jag inte på då det är utanför min horisont. Visst nämnda kamera liksom digitala bakstycken har större sensorer och där med större omfång. Men som sagt tänkte inte på det då ingen förutom jag på min vanliga arbetarlön köper min utrustning så jag får istället satsa på negativfilm och dunka i min F6:a när jag vill ha maximal exponeringslatitud och få ok bilder utan massa krångel, pengarna räcker inte till en likvärdig kamera med en sensor vid filmplanet..*Blink* (även om de gjorde det vet jag inte om det efter mina behov skulle vara prisvärt) Kan bli digitalabilder (med analog och neg.färgfilm alternativet alltså) det med om man kan ge sig till tåls längre än den tid det tar med digitalaren och där man kan lägga upp på fotosidan utan att behöva ange den som montage då det är en bild och inte två hopslagna, kan ju för vissa kännas dumnt med sådan stämpel på bilderna även om syftet bara var att få den likna exakt som ögat såg det när man tryckte av. Sen vet jag inte om Canons värstingmodell med fullframe ger lika bra/ stort exponeringslatitud som har evolutionerats fram i moderna negativafärgfilmer, gissningsvis inte.

Det andra alterantivet kom jag inte på när jag brottades med problemet så det får jag testa med att konventera två bilder av NEF-filen justerade efter låg- och högdagar och sen baka ihop de bägge bilderna man får till en bild... konstigt jag inte tänkte så långt när jag tänkte på att exponera två olika bilder i kameran och sedan smälta ihop...*bump*.

Jag tyckte i alla fall att det var roligt med en chans att ventilera de mindre bra sidorna av ny teknik som ofta i iver blir undan knuffade eller blundade för. Allt är inte enklare eller bättre med att fotografera med hjälp av ettor och nollor... i alla fall inte en på ett tag.
 
Göran skrev nedan i den här tråden, men svaret passar bättre här tycker jag...
Goran skrev:
Norman Koren har kört sitt imatest på S3, minst 11 och möjligen så mycket som 13 stegs omfång hamnar hans resultat på (omfånget verkar vara lite för stort för hans mätmetod), diagram finns lite längre ner på den här sidan.

http://www.imatest.com/docs/q13.html
Nu har jag suttit en stund och försökt läsa igenom lite av vad han skriver. För krångligt som vanligt och jag kan inte förstå hur man kan lägga ner så mycket möda utan att (mha dcraw) titta på hur datat ser ut utan påverkan av konverteringsprogram.

Testet av S3:an hade han (Norman) inte gjort själv, han har bara tittat på datat. Det som stod om extrapolering hajade jag inte.

Att det skulle vara försumbar skillnad på omfånget för en Canon 10D vid ISO 400 jämfört med ISO 100 kan jag bara inte förstå.
 
kaw skrev:

Testet av S3:an hade han (Norman) inte gjort själv, han har bara tittat på datat. Det som stod om extrapolering hajade jag inte.

Göran Segeholm som testat S3 konstaterade idag att kameran skulle vara perfekt för dig.
 
froderberg skrev:
Göran Segeholm som testat S3 konstaterade idag att kameran skulle vara perfekt för dig.
:)

Med stora minneskort och en snabbare överföring mellan mina backup-hårddiskar än jag har idag så skulle den nog vara bra. Och till ett lägre pris förstås.
 
kaw skrev:
:)

Med stora minneskort och en snabbare överföring mellan mina backup-hårddiskar än jag har idag så skulle den nog vara bra. Och till ett lägre pris förstås.

den kostar ju inte mer än motsvarande 18-19000 SEK i Tyskland nuförtiden...

bildjämförelsen med D2H i senaste "allt om digitalfoto" var otäckt pedagogiskt, när det gäller klippning i högdagrar och färgkanaler...

misstänker att det är den effekten man ser i den här jämförelsen också,
s3 till vänster och s2 till höger, effekterna runt trädtopparna ser lite ut som kromatisk aberration:

http://www.fotocommunity.com/pc/pc/mypics/31472/display/2435806?fc_login=31472WjftgwRwWdgfNCLxr
 
Goran skrev:
bildjämförelsen med D2H i senaste "allt om digitalfoto" var otäckt pedagogiskt, när det gäller klippning i högdagrar och färgkanaler...
Ojdå, jag blir visst tvungen att köpa tidningen.

effekterna runt trädtopparna ser lite ut som kromatisk aberration:
Nej, det bör vara Fujis färginterpolering som strular. Fast det är konstigt att det syns i en nerskalad bild. En utmärkt sida du länkade till!
 
kaw skrev:

Nej, det bör vara Fujis färginterpolering som strular. Fast det är konstigt att det syns i en nerskalad bild.

menade inte, att det VAR "klassisk" kromatisk aberration...=)
bara att effekten såg liknande ut runt trädtopparna..på billiga kompakt digitalare kan man ibland se både och...

fast en slags kromatisk avvikelse är det ju ...även om det är digitalt skapat...
det ser i vilket fall riktigt bedrövligt ut...
 
ANNONS
Upp till 6000:- Cashback på Sony-prylar