Re: [問題] 光圈和片幅的取捨

看板DSLR (單眼相機)作者splendidpoem (天降六月雪)時間11年前 (2015/05/16 20:35)推噓17(17推 0噓 24→)

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※ 引述《ll35566 ( 東健哥)》之銘言： : 我對於這系列有關DR跟noise的來源還有些疑問 : 首先因為訊號處理的過程是 : 【Sensor】→【AMP】→【ADC】→ : 類比類比數位 : Canon架構的的ADC不是直接做在sensor的那片chip上面 : 而sony架構的是Column Parallel ADC : 其實是做在每一個pix的Column底下的 : 所以ADC數量比較多可以用比較低的頻率去做類比數位轉換 : 所以SONY的read noise比較少? : 比如說1DX的 ISO 100跟A7r的iso100 和iso6400 : http://sensorgen.info/CanonEOS-1DX.html : http://sensorgen.info/SonyA7R.html : 1DX : ISO Read Noise(e-) Saturation (e-) DR (stops) : 100 38.5 90101 11.2 : 我自己猜DR大概可能是Saturation減去Read Noise 除上Read Noise 再以2為底的log : log_ ((90101-38.5)/38.5)~11.19 也就是電子能比過雜訊的最低數量 : 2 : 一直到電子飽和之後的數目的數量級有多少 : 6400 1.9 1524 9.7 : log_ ((1524-1.9)/1.9)~9.66 : 2 : A7R : ISO Read Noise(e-) Saturation (e-) DR (stops) : 100 5.3 47081 13.1 : log_ ((47081-5.3)/5.3)~13.11 : 2 : 6400 2.7 801 8.2 : log_ ((801-2.7)/2.7)~8.21 : 2 : 但是在這邊我有一個疑問 : CANON的Saturation這麼高 : 如果CANON用跟SONY一樣的ADC架構的話不是就可以降低CANON的read noise了? : 假設1DX降低到跟A7R在ISO100的read noise一樣的話 : log_ ((90101-5.3)/5.3)~14.05 : 2 : 那不就超越了A7R的DR了 : 但是我去查一下CANON好像也有發表過類似SONY的這種ADC架構的專利 : 那為什麼Canon不推出來呢? @@"! 為什麼Canon堅持off-chip的ADC？這是其商業考量，小弟無法置喙。但就您的第二個問題：1DX的動態範圍，理論上是否能超越A7R？在回答之前，我們先來討論什麼是滿井容量、讀取雜訊，以及動態範圍。首先要聲明：由於希望這樣的主題能讓更多板友一起參與討論、而不是只限於部份專業人士，因此以下的說明會盡可能排除專業術語，以並不十分精確、但較易理解的方式來說明。希望板友不必擔心主題過於艱深，而放棄共同討論。我們一般對動態範圍(DR)的認知是：相機於一張照片中，在最亮部和最暗部之間，可以正確紀錄的資訊。因此，在討論DR之前，我們必須先討論：對於相機來說，怎麼去定義「最亮部」和「最暗部」？我們先用淺白的說法來解釋曝光的原理：當我們拍照時，按下快門後，攜帶環境資訊的光子從鏡頭射入相機，在感光元件上轉換成(實際上是打出)電子，接著相機進行一連串的處理，最後輸出成一張呈現當下環境的數位照片。但是，光子轉成電子後，並不會立刻進行處理。在按住快門期間，感光元件會先把電子存起來，等快門放開、曝光完成後，再把累積起來的全部電子送入後方處理。而在曝光期間，電子會存放在哪裡呢？為了方便理解，我們不妨這樣想像：感光元件上的像素，就是一個井；一千萬畫素等於有一千萬個井。當我們按下快門時，光子開始打進來並轉換成電子後，這些電子會陸續存放在這些井中，並持續累積，直到快門關閉為止。接著相機再把這些電子送到後方去處理，並將井給清空，等待下次曝光。每一口井是有深度的。最底部代表全黑色，最上部代表全白色，中間就是從全黑到全白的色彩過渡；因此，一顆像素(井)是何種顏色，端看電子在裡面所蓄積的高度而定。如果一個井的深度是8-bit，代表它加上最黑(0)和最白(255)，總共可以儲存256種漸層的色彩。假設拍照時，我不小心將快門調太慢，或是光圈調太大，造成進光量太多，這時太多光子進來，超過了井的容量。由於井的最上部代表全白，而每個井的容量都滿了，因此照片看起來就是一片全白，失去任何細節。這就是過曝。(高光溢出的原理也類似如此，差異在於：它並非全像素滿井，而是畫面中的亮部滿井，電子溢出到周圍的像素) 此外，感光元件上有各種類比訊號在流動，這些過程都會產生各種雜訊；而雜訊其實也是資訊，只是它是屬於我們所不要的資訊。如果每一個像素(井)能蓄積的電子(資訊)越適量，雜訊在整體雜訊中所佔的比例越少，相機後續解讀這些資訊時，就越能輸出一張好的資訊越多、壞的資訊(雜訊)越少的照片。是故，我們可以這樣理解： (一)像素數量決定細節：感光元件上的像素越多，單位面積上能紀錄的資訊就越多，輸出照片的細節就越多。 (二)像素大小決定品質：一個像素的深度越深，用來解讀一顆像素的資訊越多，輸出的照片就越自然、雜訊越少。由於各片幅的尺寸是固定的，因此感光元件上的像素數量和大小，會決定其「像素密度」：在同樣一片感光元件上，塞入一萬顆像素和一百萬顆像素，自然是後者的像素較小、彼此之間就越擠。再來是讀取雜訊。顧名思義，這個雜訊是產生於讀取之中。讀取什麼呢？它是指：當曝光完成後，相機從像素(井)「讀出」剛剛所蓄積的電子，準備進行後續的處理。在這個過程中，由於不確定性，而造成讀取雜訊。讀取雜訊的單位是電子。假設一台相機在ISO 100時，讀取雜訊是100顆電子，這代表：若此時每顆像素都蓄積了1000顆電子，當相機開始從像素讀取電子時，有的像素可能只讀90 0顆，有的像素卻多讀了1100顆；數千萬顆像素加總統計後，平均下來每個像素會有100顆電子的不確定性。其中，少讀的部份會減少資訊，多讀的部份會帶來我們不要的資訊(雜訊)，這就是讀取雜訊的意思。讀取雜訊有另外一層涵義：在上述情況下，假設我拍照時快門調太快或光圈調太小，造成欠曝，以至於進光量不足，每個像素只蓄積到50顆電子。由於讀取雜訊是100，故有些像素無法造成有效的讀取數。因此，讀取雜訊又被視為「訊號門檻」：進光量要足夠到超過讀取雜訊這個門檻，才能有效讀到電子(影像資訊)，形成正確曝光；不足的進光量，會在照片的暗部形成讀取雜訊。要注意的是：雜訊的來源很多，不單單只有讀取雜訊。因此，即使曝光充足，也不代表沒有雜訊，而只代表讀取雜訊在整張照片中看起來極少；但照片仍會受到其它來源的雜訊影響。有了以上推理，我們可以回到原PO的問題：動態範圍(DR)。我們都知道，DR是指：相機在一張照片中，於最亮和最暗之間所能紀錄的資訊。用我們剛剛所說的井來看：一個深8-bit的井，和一個深16-bit的井，前者能紀錄256種色彩，後者卻能紀錄65535種色彩。相機的DR越大，照片於最暗(井底)和最亮(井口)之間就能紀錄越多資訊。 DR在理想環境下，即等於像素(井)的深度；但在現實中卻並非如此。為什麼？因為還有雜訊作祟。 DR越多，雖代表能儲存的資訊越多，但前面我們提過：雜訊也是一種資訊，因此在這些大量資訊中，也會包含雜訊。既然雜訊是我們所不要的資訊，因此在計算DR時，我們會將雜訊部份去掉，來檢視一台相機真正能保留住多少我們所需要的資訊。這就好像：一口深度是8-bit的井，雖然可以儲存256份色彩資訊，但若其中有64份資訊是雜訊，就必須扣掉這些雜訊，才代表一口井真正能紀錄正確資訊的效能。因此，在現實中，DR是指：最亮和最暗之間的「有效」資訊量；有效資訊代表必須排除掉我們不要的雜訊，只計算我們要的資訊。而什麼是最亮部和最暗部？我們先前討論過：最亮部就是井口，最暗部就是井底。在暗部方面，由於有一個所謂的「訊號門檻」存在，打進來的電子數量必須高過這個門檻，才能成為照片中正確曝光、雜訊最少的暗部，因此我們可以再延伸上述結論： DR是指：像素的滿井容量(最亮部)，以及訊號門檻以上的最低容量(最暗部)，兩者之間的資訊量。也可以說，一台相機的DR，上限就是滿井容量，下限就是讀取雜訊。由於DR是一個比值，因此假設一台相機在ISO 100時的滿井容量是32768e-，讀取雜訊(門檻)是8e-，D R就是32768：8 = 4096：1。而換算成像素的色彩深度(即一口井有多深)時，由於bit是二進位，而我們上面算出的409 6是十進位，因此將4096換算成二進位後，DR = 12-bit。代表這台相機的整體像素，可以表示4096種色彩。上面的計算寫成公式，就是： DR = log2(像素最高容量/訊號門檻)。單位是bit。回到原PO的問題：1DX若減少讀取雜訊，DR是否能超越A7R？根據我們上面的推論，DR和兩個因素有關：像素大小(亦即井的滿井容量)，和讀取雜訊( 門檻)。而在1DX和A7R感光元件面積幾乎一樣的前提下，1DX塞入了1810萬像素，A7R塞入了3640萬畫素，顯而易見1DX每顆畫素會比A7R更大，也就是1DX每口井的滿井容量(DR上限 )比A7R更高。如果1DX能再降低讀取雜訊(DR下限)到一定程度，DR理論上可以超越像素密度較高的A7R。但這涉及硬體的更動和技術的提升，因此只能期待Canon能改善其ADC的架構。 -- Sent from my Android -- ※ 發信站: 批踢踢實業坊(ptt.cc), 來自: 111.81.91.62 ※ 文章網址: https://www.ptt.cc/bbs/DSLR/M.1431779719.A.743.html

推

sorochis

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sorochis

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sorochis

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您說的很對；而拙文希望能讓更多板友參與討論，因此以淺白為止，簡化了很多細節，只討論概略的情況。

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strike5566

05/16 22:39, , 7^F

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ll35566

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ienari

05/16 23:00, , 9^F

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ienari

05/16 23:01, , 10^F

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是的。背照式的技術十幾年前即已提出理論，但從Sony於2008年實作迄今，一般都應用在小尺寸感光元件上，因為它所要求的技術水準非常高：據說將原本在下方、用來感光的光電二極體，改放到管線上方，必須將讓承載二極管的背板削薄到原本的百分之一。感光元件越大，困難度越高、良率越低、成本越高。因此Samsung能領先全球，將消費級的的背照式感光元件推升至APS-C尺寸，確實令人震驚。期待BSI FF能順利應用在消費產品的一天。

推

loxjjgu

05/16 23:50, , 11^F

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推

lantieheuser

05/17 00:36, , 12^F

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Aldebaran

05/17 00:53, , 13^F

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在此回覆板友的問題： (一)sensorgen數據中的QE是什麼？QE是量子效率，亦即光子轉換成電子的比率。例如：Q E=50%，就是平均100光子會轉換成50電子。QE越高，代表感光元件的感光度越高。 (二)DR會改變？會的。因為ISO越高，代表放大器的放大率越高；而放大率是像素電子轉換到ADU(類比數位單元)的比例。在ADU固定的情況下，ISO越高、放大率越大，代表越少的電子就能轉換成ADU定值。這代表像素內所蓄積的多餘電子沒有用處，亦即滿井容量(DR 上限)降低，因此ISO增加時，會降低DR。另一方面，ADU越多，也越能減少像素中被浪費的電子，因此我們可以看到14-bit的感光元件竟然配上16-bit的ADC，理由即在此。

推

aa334477

05/17 01:25, , 14^F

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※ 編輯: splendidpoem (111.81.91.62), 05/17/2015 01:46:08

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shinegg

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shinegg

05/17 03:41, , 16^F