Was sind physikalische Ursachen für Clipping?

Was genau schränkt moderne Digitalkamerasensoren bei der Erfassung der Lichtintensität über einen bestimmten Punkt hinaus ein?

Was genau schränkt moderne Digitalkamerasensoren bei der Erfassung der Lichtintensität über einen bestimmten Punkt hinaus ein?

In Bezug auf die physikalischen Eigenschaften des Sensors selbst:

Die Anzahl der Photonenstöße und die Anzahl der freien Elektronen, die sich aus solchen Photonenstößen ergeben, bis keine verfügbaren Elektronen mehr mit dem Potenzial zur Freisetzung in jeder Photosite (a / k / a Sensor, Pixelmulde usw.) vorhanden sind, definieren ihre volle Mulde Kapazität. Es ist nicht viel anders als bei Filmen, bei denen die vollständige Sättigung erreicht wird, wenn die Emulsion keine verbleibenden Silberhalogenidkristalle enthält, die nicht über genügend Empfindlichkeitsflecken verfügen, um vom Entwickler in atomares Silber umgewandelt zu werden. Der Hauptunterschied ist die Form der Antwortkurven, wenn sich jede Technologie der vollen Kapazität nähert. Digital führt dazu, dass die gleiche Anzahl von Elektronen pro Photon¹ freigesetzt wird, bis die volle Kapazität der Wanne erreicht ist. Wenn sich der Film der vollen Sättigung nähert, wird immer mehr Lichtenergie (oder Entwicklungszeit) benötigt, um die verbleibenden Silbersalze zu beeinflussen.

In Bezug auf die Aufzeichnung der analogen Spannungen als digitale Daten:

Wenn die analoge Spannung von jeder Photosite (a / k / a "Sensor", "Pixelmulde" usw.) vom Sensor gelesen wird, wird eine Verstärkung auf das Signal angewendet. Die ISO-Einstellung der Kamera bestimmt, wie viel Verstärkung angewendet wird. Bei jeder Erhöhung der ISO-Empfindlichkeit wird doppelt so viel Verstärkung angewendet. Wenn die "Basis" -Empfindlichkeit der Kamera (der Einfachheit halber nennen wir ISO 100 eine Verstärkung von 1,00X, bei der die Eingangsspannung der Ausgangsspannung entspricht) verwendet wird, sollten Fotoseiten, die die volle Kapazität der Wanne erreicht haben, zu einem maximalen Spannungswert an der Nachverstärkung führen Analogschaltung, die den ADC speist. Wenn ISO 200 (2,0-fache Verstärkung) verwendet wird, wird die Spannung von jedem Sensor, der die Hälfte (1/2) der Kapazität der vollen Vertiefung oder mehr erreicht hat, auf die maximale Spannung verstärkt, die in der Nachverstärkungsschaltung zulässig ist.

Bei einer Verstärkung von mehr als dem 1,0-fachen wird eine "Decke" angelegt, die niedriger ist als die volle Kapazität der einzelnen Fotoseiten. Wenn eine hohe Verstärkung verwendet wird, erreichen Signale, die schwächer als die Volltopfkapazität sind, auch die maximale Spannungskapazität der Stromkreise stromabwärts des Verstärkers. Jeder vorverstärkte Signalpegel, der stark genug ist, um das Messgerät nach der Verstärkung zu "koppeln", ist nicht von jedem anderen vorverstärkten Signalpegel zu unterscheiden, der das Messgerät ebenfalls "koppeln" wird.

Wenn diese verstärkten analogen Signale vom Analog-Digital-Wandler (ADC) in digitale Daten umgewandelt werden, wird den Signalen mit der maximalen Spannungskapazität der Schaltung der maximale Wert zugewiesen, der durch die Bittiefe der Analog-Digital-Umwandlung zulässig ist. Bei der Umwandlung in 8-Bit-Werte wird den Spannungen ein binärer Wert zwischen 0 und 255 zugewiesen. Das maximale Signal, das von der Analogschaltung, die den ADC speist, zugelassen wird, wird als 255 aufgezeichnet. Bei 14-Bit wird den Spannungen ein Wert zwischen 0 und 16.383 zugewiesen, wobei dem Maximalwert ein Binärwert von 16.383 zugewiesen wird.

Zum Mitnehmen, wenn Sie tatsächlich fotografieren:

Sie erhalten den größten Unterschied und die geringste Anzahl von Abstufungen zwischen den hellsten und dunkelsten Elementen in der Szene, die Sie fotografieren, wenn die Verstärkung auf der "Basis" -Empfindlichkeit der Kamera liegt und die Verschlusszeit und die Blende kombiniert werden, um die hellsten Elemente zu erhalten Die Belichtung der Szene reicht gerade aus, um die volle Sättigung zu erreichen. Die Verwendung eines höheren ISO-Werts ist nützlich, wenn die Belichtung nicht so lange oder mit einer ausreichend großen Blende durchgeführt werden kann, um eine vollständige Sättigung der Highlights in der Szene für das gewünschte Bild zu erreichen. Die Verwendung eines höheren ISO-Werts ist jedoch mit einem Preis verbunden. Der gesamte Dynamikbereich wird durch die höhere Verstärkung der vom Sensor kommenden elektrischen Signale verringert.

Warum fotografieren wir also nicht immer mit ISO 100 oder wie auch immer die ISO-Basis der Kamera lautet und verschieben die Belichtung später nachträglich? Weil dies dazu führt, dass das Bildrauschen noch stärker verstärkt wird als bei Aufnahmen mit höheren ISO-Werten. Wie viel mehr hängt davon ab, wie viel und wo Rauschunterdrückung für das Signal durchgeführt wird. Die Reduzierung des Rauscheinflusses durch Rauschunterdrückung der vom Sensor kommenden Analogspannungen ist jedoch auch mit einem Preis verbunden - sehr dunkle Lichtquellen werden häufig als "Rauschen" herausgefiltert. Aus diesem Grund werden einige Kameras mit einer sehr guten Leistung bei schwachem Licht und hohem ISO-Wert in Bezug auf die Rauschunterdrückung von Astrofotografen auch als "Sternfresser" bezeichnet.

_{¹ Die in einem Photon enthaltene Energie ändert sich geringfügig in Abhängigkeit von der Frequenz, mit der es schwingt. Bei niedrigeren Frequenzen schwingende Photonen setzen beim Auftreffen auf den Sensor etwas weniger Energie frei als bei höheren Frequenzen schwingende Photonen. Bei Photonen, die mit einer bestimmten Frequenz / Wellenlänge schwingen, ist die Energiemenge, die beim Auftreffen auf den Boden einer Pixelmulde freigesetzt wird, dieselbe, bis die volle Muldenkapazität erreicht ist.}

_{² Wir bezeichnen den Unterschied zwischen den dunkelsten und hellsten Elementen, die von einem Sensor (oder Film) aufgezeichnet werden können, als den Dynamikbereich des Aufzeichnungsmediums. Bei jedem Stopp der Empfindlichkeitssteigerung (ISO) mit einer Digitalkamera halbiert sich die lineare Spannungsdifferenz zwischen "Null" und "Vollsättigung". Umgerechnet auf logarithmische Skalen wie 'Ev' führt die Verdoppelung der Empfindlichkeit zu einer Verringerung des Dynamikbereichs um einen Punkt (ansonsten sind alle Werte gleich, was selten der Fall ist).}

Neben der hervorragenden Antwort von Michael Clark (die das Beschneiden der vollen Kapazität und das ADC-Beschneiden beschreibt) gibt es mehrere andere Punkte in einer Pipeline für digitale Fotografie, an denen das Beschneiden auftreten kann:

• Bei Nicht-RAW-Bildern während der Farbkorrektur / automatischen Gamma-Anpassung vor der Komprimierung und während der Komprimierung.

  Wenn Sie ein Bild als JPEG oder MPEG komprimieren, schneidet die Hardware die Bittiefe auf das vom komprimierten Medium unterstützte Format ab, das in der Regel viel geringer ist als die Hardware-Bittiefe. Aufgrund dieser Kürzung gehen Werte in der Nähe beider Helligkeitsextreme verloren.

  Vor der Komprimierung führt Ihre Kamera Farbkorrektur- und Gamma-Anpassungen durch, die sich auf den effektiven Dynamikbereich auswirken können, der in die begrenzte Bittiefe passt, die vom Kompressor bereitgestellt wird. Wenn Sie beispielsweise Videos im Canon Log-Modus aufnehmen, werden die dunkelsten und hellsten Teile der Szene mathematisch in Richtung der Mitte gezogen, sodass der effektive Dynamikbereich erheblich zunimmt und weniger Teile des Bildes an beiden Enden des Bereichs abgeschnitten werden.

• Während der Nachbearbeitung. Wenn eine Nachbearbeitung durchgeführt wird, die die Helligkeit eines Bildes erheblich verändert, ist es in frühen Phasen der Berechnung möglich, dass die Werte tatsächlich den Bereich überschreiten, der durch die Anzahl der Bits, die zum Speichern der Bilder verwendet werden, korrekt dargestellt werden kann. Dies ist zwar selten, tritt jedoch manchmal auf, und wenn dies der Fall ist, kann es sogar in Bereichen des Fotos zu Bildausschnitten kommen, die im Originalbild nicht wirklich ausgeschnitten sind.

• Während der Farbraumkorrektur beim Drucken oder Anzeigen des Bildes. Bei der Farbkorrektur können manchmal Werte außerhalb des Farbraums auftreten, die vom Ausgabemedium genau reproduziert werden können. An diesem Punkt muss das Farbmodul entscheiden, was mit diesen Werten außerhalb des Farbumfangs geschehen soll. Dies führt auch effektiv zu Ausschnitten, obwohl es optisch etwas anders aussieht, als die meisten Leute denken, wenn sie über Ausschnitte sprechen, was normalerweise dazu führt, dass Dinge die falsche Farbe haben.

Die einfache empirische Erklärung:

Schauen Sie sich eine sehr helle Glühbirne an. Wenn das Licht hell genug ist, können Sie das Innere der Glühbirne nicht sehen, da sich Ihre Pupillen mehr schließen können und immer noch zu viel Licht auf Ihre Netzhaut fällt, um sie und die Informationen, die sie erreichen, zu sättigen Ihr Gehirn ist abgeschnitten (Sie sehen nur helles Licht, aber nicht die Details im Licht). Das ist einer der Gründe, warum Sie, wenn Sie versuchen, es nicht zu tun, direkt in die Mittagssonne eines klaren Himmels zu schauen, nicht die Sonne sehen können, sondern ein intensives Licht (Vorsicht, wenn Sie versuchen, es ohne die Sonne zu tun) richtiger Schutz kann Ihre Augen oder Ihre Fotoausrüstung, Objektive und den Sensor dauerhaft schädigen.)

Jeder Sensor verhält sich genauso (von Ihrer Kamera aus oder auf andere Weise). Sobald das Signal (in diesem Fall Licht) zu hoch für seine Kapazität ist (den Sättigungspegel erreicht), schneidet es zusätzliche Informationen ab. Es kann kein weiteres Signal erkennen und gibt nur ein flaches hohes Signal ohne wertvolle Informationen weiter.