Světelná citlivost digitálních fotoaparátů

Světelná citlivost digitálního fotoaparátu  je charakteristika digitálního fotoaparátu , která určuje závislost numerických parametrů jím vytvořeného digitálního obrazu na expozici získané fotocitlivou maticí . Světelná citlivost digitálních fotoaparátů se obvykle vyjadřuje v jednotkách ekvivalentních ISO citlivosti emulzí želatina -stříbro [1] . To vám umožní používat metody měření expozice vlastní klasické filmové fotografii .

Pojem světelné citlivosti digitálních fotoaparátů však nemá nic společného s tradičními fotografickými materiály kvůli neaplikovatelnosti zákonů senzitometrie a odráží citlivost matrice pouze nepřímo. Na rozdíl od fotosenzitivity fotografických materiálů, která souvisí pouze s konkrétní použitou fotografickou emulzí, je v digitální fotografii fotosenzitivita chápána jako přenosová funkce celého systému včetně matice, předzesilovače a ADC algoritmů . U digitálních videokamer a vysílacích televizních kamer založených na podobných matricích se nepoužívají jednotky ISO a citlivost na světlo je vyjádřena minimálním osvětlením objektu v luxech , což umožňuje získat obraz s přijatelnou úrovní šumu [2] [3] . V některých případech je citlivost videokamer vyjádřena minimálním osvětlením při určité úrovni zesílení signálu v decibelech [4] .

Světelná citlivost vysoce specializovaných videozařízení, například videorekordérů , je často indikována v nestandardních jednotkách, s ohledem na poměr clony pevně zabudované čočky. Ve většině případů je však světelná citlivost takových zařízení vyjádřena ve vztahu k elektrickému napětí ve voltech získaném na analogovém výstupu matrice k expozici záření o vlnové délce 550 nanometrů , což je považováno za maximální spektrální citlivost lidské vidění . Tato hodnota nemá nic společného s jednotkami ISO.

Ekvivalentní fotosenzitivita

Digitální fotoaparáty se stejnou expozicí mohou vytvářet soubory stejného obrázku s různými souřadnicemi stejných pixelů v barevném prostoru . Při zobrazení na displeji nebo vytištění jsou takové snímky jasné, jako by byly exponovány odlišně. Toho je dosaženo změnou předběžného zesílení elektrických signálů fotocitlivé matice a algoritmů pro jejich následnou analogově-digitální konverzi do určitého barevného prostoru, jako je sRGB [1] .

Výrobci digitálních zařízení stanoví pevný vztah mezi hodnotami maticových signálů a odpovídajícími souřadnicemi barevného prostoru, který se bere jako expoziční index EI. Většina digitálních fotoaparátů má několik hodnot EI, přepínání mezi nimi umožňuje najít nejpřijatelnější kompromis mezi schopností fotografovat při vysokých rychlostech závěrky a intenzitou šumu ve výsledném snímku. Hodnoty EI jsou voleny tak, aby výsledný digitální obraz byl srovnatelný s obrazem získaným na filmu se stejnou citlivostí ISO a stejnými expozičními parametry. Proto je v každodenním životě obvyklé označovat hodnoty EI digitálních fotoaparátů jako „ekvivalentní citlivost ISO“. Tento parametr však souvisí s citlivostí matrice pouze nepřímo a je vyjádřen v jednotkách filmové senzibilizace pouze pro pohodlí použití klasických metod měření expozice používaných v tradiční fotografii.

Někteří výrobci poskytují možnost upravit parametry jasu v rámci jedné hodnoty EI jako další položku nabídky pro nastavení fotoaparátu nebo nastavení pro převod „surových“ souborů RAW . Moderní digitální fotoaparáty mnohonásobně předčí fotografické materiály v citlivosti na světlo a v ekvivalentních jednotkách ISO dosahují hodnoty 4 560 000, která je pro emulze halogenidu stříbra nedostupná [5] . Zlepšení algoritmů redukce šumu umožňuje získat obraz přijatelné kvality při takových hodnotách EI.

Porovnání různých jednotek fotosenzitivity

V tabulce jsou uvedeny srovnávací hodnoty systémů měření citlivosti na světlo ISO a APEX a ekvivalentní hodnoty citlivosti na světlo zvolené výrobci digitálních fotoaparátů pro klasifikaci jejich stupnic v souladu s normou ISO12232:2006. Je vidět, že hodnoty přesahující ISO 20 000 nejsou použitelné na stávající fotografické materiály a odrážejí pouze záznamovou schopnost digitálních fotoaparátů vyráběných od druhé poloviny 20. století .

Porovnání fotosenzitivity fotografických materiálů a digitálních fotoaparátů
APEX Sv _ ISO
aritm./logaritmus.° 		ISO ekvivalent
digitálních fotoaparátů 		Příklad filmu nebo fotoaparátu, který
má tuto citlivost na světlo
2 12/12° Gevacolor 8 mm reverzibilní, později Agfa Dia-Direct , " Svema " KN-1
16/13° Agfacolor 8mm oboustranný
20/14° Adox CMS 20
3 25/15° starý Agfacolor , Kodachrome II a Kodachrome 25 , Efke 25 , " Tasma " TsO-22D
32/16° Kodak Panatomic-X , " Svema " DS-5M, Foto-32
40/17° Kodachrome 40 (film)
čtyři 50/18° padesáti Fuji RVP , Ilford Pan F Plus , Kodak Vision2 50D 5201 (kino film), 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 a 160VC
6 200/24° 200 Fujicolor Superia 200 , Agfa Scala 200x , Svema OChT-180, Tasma OCh-180, TsO-T-180L
250/25° " Tasma " Fotografie-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
osm 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°
deset 3200/36° 3200 " Tasma " Panchrome typ-13, fotosady pro okamžitou fotografii Polaroid typ-107 [6] , Fujifilm FP-3000b
4000/37°
5000/38° " Tasma " Isopanchrome typ-24
jedenáct 6400/39° 6400
8000/40°
10000/41°
12 12500/42° 12800
16000/43°
20000/44° Foto sady pro okamžitou fotografii Polaroid typ-612 [6]
13 25000/45° 25600 První sériově vyráběný digitální fotoaparát s tímto ekvivalentem ISO: Canon EOS 5D Mark II (2008)
32000/46°
40000/47°
čtrnáct 50000/48° 51200
64000/49°
80000/50°
patnáct 100 000/51° 102400 První sériově vyráběné digitální fotoaparáty s tímto ekvivalentem ISO: Nikon D3S a Canon EOS-1D Mark IV (2009)
125000/52°
160000/53°
16 200 000/54° 204800 První sériově vyráběné digitální fotoaparáty s tímto ekvivalentem ISO: Canon EOS-1D X (2011), Nikon D4 (2012)
250000/55°
320000/56°
17 400 000/57° 409600 První sériově vyráběné digitální fotoaparáty s tímto ekvivalentem ISO: Nikon D4s a Sony α -7S (2014)
500000/58°
620000/59°
osmnáct 800 000/60° 819200
1000000/61°
1250000/62°
19 1600000/63° 1638400
2000000/64°
2500000/65°
dvacet 3200000/66° 3280000 První sériově vyráběný digitální fotoaparát s tímto ekvivalentem ISO: Nikon D5 [7] (2016)
4000000/67°
4600000/68° 4560000 První produkční videokamera s tímto ekvivalentem ISO: Canon ME20F-SH [5] (2015)
Poznámky k tabulce : Hodnoty APEX a ISO ISO zobrazené tučně odpovídají skutečným hodnotám používaným výrobci pro konkrétní fotografické materiály. Všechny ostatní hodnoty jsou vypočteny na základě stejných průběhů jako matematická extrapolace existujících měřítek.

ISO 12232:2006

Od roku 1998 existuje norma ISO [8] , která stanovuje vztah mezi velikostí maticových signálů a specifickými expozičními indexy (EI) [9] . Tato norma poskytuje výrobcům digitálních fotoaparátů pět možných způsobů, jak definovat konkrétní hodnoty EI, z nichž tři existují od roku 1998 a dvě z nich se objevily v roce 2006 v souladu s doporučeními CIPA DC-004 [10] navrženými japonskými Imaging Systems. Standards Association ( angl.  Standard of the Camera & Imaging Products Association, CIPA ). V závislosti na zvolené technice závisí expoziční index EI na fotosenzitivitě a úrovni vlastního šumu matrice a také na vlastnostech výsledného snímku. Norma ISO definuje citlivost na světlo celého zobrazovacího kanálu fotoaparátu, nikoli jeho jednotlivých komponent, jak navrhla společnost Kodak v roce 2001 pro dva své vlastní snímače [11] .

Metodika doporučeného indexu expozice (REI), zavedená v nejnovější verzi ISO 12232:2006 [12] , umožňuje výrobcům hardwaru nastavit vlastní hodnoty EI na základě vlastního pohledu na to, jaké hodnoty EI vytvářejí správně exponované snímky. Toto je jediná technika použitelná pro obrazové formáty využívající jiné barevné prostory než sRGB a při použití režimu maticového měření .

Technika standardní výstupní citlivosti ( SOS )  se také objevila v nejnovější normě a je založena na předpokladu, že průměrná úroveň jasu ve výstupním snímku sRGB by měla být získána při fotografování šedé karty s odrazivostí 18 % při měření expozice systémem expozimetru. kalibrováno podle ISO 2721 bez kompenzace expozice . Vzhledem k tomu, že měření musí být prováděno v barevném prostoru sRGB, je tato technika použitelná pouze pro fotografie pořízené v tomto prostoru – zejména JPEG , a nikoli pro fotografie ve formátu RAW . Navíc je tato technika nepřijatelná v případě použití režimu maticového měření.

Technika bodu nasycení je podobná technice SOS, ale není založena na 18% šedé mapě, ale na 100% jasu, při kterém detaily ve světlech začínají mizet . Hodnoty expozičního indexu získané touto metodou jsou vyšší než předchozí o 0,704. Stejně jako předchozí metoda SOS, metoda bodu saturace předpokládá měření v barevném prostoru sRGB a není použitelná pro soubory RAW.

K určení rozsahu EI spotřebitelských digitálních fotoaparátů se někdy používají dvě techniky založené na šumu . V tomto případě jsou určeny extrémní hodnoty EI, při kterých lze snímky považovat za „vynikající“, respektive „přijatelné“, pro nejnižší a nejvyšší ekvivalentní fotosenzitivitu.

Metody pro výpočet expozičních indexů

Hodnoty ekvivalentní citlivosti ISO digitálních fotoaparátů závisí na vlastnostech snímače a algoritmech pro digitální zpracování výsledného obrazu ve fotoaparátu. Tuto hodnotu lze vyjádřit jako expozici H přijatou maticí v luxech za sekundu. U průměrného objektivu s ohniskovou vzdáleností f mnohem menší, než je vzdálenost k objektu, je expozice:

kde L  je jas objektu v kandelách na metr čtvereční , t  je rychlost závěrky v sekundách, N  je hodnota clony . Pak je koeficient q určen rovností:

Tato hodnota závisí na propustnosti T čočky, faktoru vinětace v ( θ ) a úhlu θ vzhledem k optické ose čočky. Nejčastěji q = 0,65 za předpokladu, že θ = 10°, T = 0,9 a v = 0,98 [8] .

Bod nasycení

Světelná citlivost, určená bodem nasycení, se vypočítá pomocí rovnice:

kde  je maximální expozice, která nevede ke vzniku „rozbitých“ oblastí bez informací. Obvykle spodní hranice takové citlivosti závisí na vlastnostech matrice, ale když je její signál zesílen před ADC , ekvivalentní fotosenzitivita se zvyšuje. Faktor 78 je použit, protože kalibrace expozimetrů je založena na měření šedé karty s odrazivostí 18 %. Takový objekt dává obrazu hodnotu jasu 18 % / √2 = 12,7 % úrovně saturace. Faktor √2 poskytuje rezervu půl zastávky, která bere v úvahu světla, která jsou jasnější než světla objektu [12] .

Stanovení šumem

Světelná citlivost, určená metodou měření šumu, závisí na expozici potřebné k dosažení určitého poměru signálu k šumu na jednotlivých pixelech. Používají se dva poměry: 40:1 („vynikající obraz“) a 10:1 („přijatelná kvalita“). Tyto poměry odpovídají subjektivnímu vnímání obrazu s rozlišením 70 bodů na centimetr, pozorovaného ze vzdálenosti 25 centimetrů. Úroveň šumu je definována jako standardní odchylka jasu a barvy jednotlivých pixelů. Světelná citlivost stanovená touto metodou závisí v největší míře na kvalitě matrice, v mnohem menší míře na šumu předzesilovače.

Standardní výstupní citlivost

Kromě metod popsaných pro stanovení citlivosti na světlo poskytuje ISO 12232:2006 standardní metodu výstupní citlivosti založenou na závislosti číselných hodnot obrazových pixelů na přijaté expozici. Technika je založena na rovnosti:

ve kterém odráží expozici, dává hodnotu 118 v 8bitovém sRGB snímku, což odpovídá zobrazení 18 % šedé karty s gama korekcí 2,2 [12] .

Použitelnost metodik ISO

Norma definuje, která z metod stanovení fotosenzitivity je v různých situacích výhodnější. Pokud citlivost zvolená na základě poměru signálu k šumu 40:1 („vynikající kvalita“) překročí stejnou hodnotu získanou z bodu nasycení, první ze dvou hodnot se zaokrouhlí dolů na nejbližší nižší hodnotu standardu měřítko, je vybráno. Důvodem této volby je fakt, že nižší expozice počítaná na základě vyššího ISO dává záměrně horší obraz. Kromě toho je spodní hranice rozsahu hodnot citlivosti vybrána na základě bodu nasycení a horní hranice je vybrána na základě nejhoršího případu poměru signálu k šumu 10:1 („přijatelná kvalita“). . V případě, že poměr signálu k šumu 40:1 je menší než hodnota vypočtená z bodu nasycení, nebo není určen z důvodu silného šumu, zaokrouhlí se poslední, zaokrouhlená na nejbližší horní hodnotu standardní stupnice, se bere pro čtení, protože použití citlivosti na "šum" povede ke zpoždění. Světelnou citlivost kamery lze také jednoznačně určit na základě standardní výstupní citlivosti zaokrouhlené nahoru na nejbližší standardní hodnotu.

Předpokládejme, že kamerový snímač má následující vlastnosti: citlivost na poměr signálu k šumu 40:1 - 107 a citlivost na 10:1 - 1688 a "bod saturace" - 49. Poté musí kamera v souladu s normou mají následující hodnoty stupnice:

za denního světla - ISO 100; rozsah hodnot - ISO 50-1600; Standardní výstupní citlivost je ISO 100.

Standardní citlivost lze přizpůsobit. U fotoaparátu s hlučnějším snímačem mohou být stejné hodnoty 40, 800 a 200. V tomto případě by měl být systém nastaven na ISO 200, což odpovídá standardnímu nastavení výstupní citlivosti uživatele [12] .

Navzdory podrobným pokynům normy o aplikaci jedné nebo druhé metody pro stanovení ekvivalentní fotosenzitivity pokyny fotoaparátů neodrážejí, která metoda byla použita k označení jejich stupnic.

Viz také

Poznámky

  1. ↑ 1 2 Expozice v digitální fotografii, 2008 , str. osmnáct.
  2. ↑ Televize, 2002 , str. 105.
  3. ↑ V.P. Mayorov, L.F. Ovčinnikov, M.S. Semin. Úvahy o televizních kamerách  // Computerra  : magazín. - 1998. - č. 14 . — ISSN 0815-2198 . Archivováno z originálu 6. července 2013.
  4. ↑ Nikolaj Milenin, Leonid Chirkov. Televizní kamery: kam vede pokrok?  // "625" : log. - 1993. - č. 4 . — ISSN 0869-7914 . Archivováno z originálu 12. března 2012.
  5. ↑ 1 2 Alexandr Budík. Canon ME20F-SH: Full HD kamera s citlivostí ISO 4 000 000 . Novinky o hardwaru . 3D novinky (1. srpna 2015). Získáno 18. listopadu 2016. Archivováno z originálu 19. listopadu 2016.
  6. ↑ 1 2 Martin (Marty) Kuhn. Film Index  (anglicky)  (nedostupný odkaz) . film . Seznam pozemků. Získáno 10. března 2014. Archivováno z originálu 15. prosince 2003.
  7. ↑ D5  . _ DSLR fotoaparáty . Nikon USA. Získáno 7. ledna 2016. Archivováno z originálu 10. srpna 2017.
  8. ↑ 1 2 ISO 12232:  1998 . Fotografie - Elektronické fotoaparáty - Stanovení citlivosti ISO . ISO (20. dubna 2006). Získáno 11. listopadu 2012. Archivováno z originálu 13. ledna 2013.
  9. ↑ Citlivost na světlo . Otázky a odpovědi . Fotoaparát Zenith. Získáno 24. října 2015. Archivováno z originálu dne 4. března 2016.
  10. ↑ Standardizační výbor. Citlivost digitálních fotoaparátů  (anglicky)  (odkaz není k dispozici) . CIPA DC-004 . Standard sdružení Camera & Imaging Products Association (27. července 2004). Získáno 11. listopadu 2012. Archivováno z originálu 13. ledna 2013.
  11. ↑ Obrazové snímače Kodak Měření ISO  . Revize 5.0 MTD/PS-0234 . Kodak (28. září 2009). Získáno 11. listopadu 2012. Archivováno z originálu 13. ledna 2013.
  12. ↑ 1 2 3 4 ISO 12232:  2006 . Fotografování – Digitální fotoaparáty – Určení indexu expozice, citlivosti ISO, standardní výstupní citlivosti a doporučeného indexu expozice . ISO (4. října 2011). Získáno 11. listopadu 2012. Archivováno z originálu 13. ledna 2013.

Literatura