Warum verwenden Kameras eine einzelne Belichtung, anstatt viele sehr schnelle Lesevorgänge zu integrieren?

Ich habe nie verstanden, warum Kameras einen Verschluss mit einer bestimmten Geschwindigkeit benötigen und warum dieser bei der Nachbearbeitung nicht eingestellt werden kann. Ich denke, dass der derzeitige Sensor auf ganzheitliche Weise funktioniert: Er speichert die Menge an Licht, die ihn während der gesamten Zeit erreicht, in der der Verschluss geöffnet ist. Aber warum können sie nicht differenziert arbeiten?

Ich habe folgende Idee: Stellen Sie die Verschlusszeit so ein, dass sie für eine lange Zeit offen ist, mehr als die, die Sie benötigen ... Stellen Sie sie zum Beispiel bei Tageslicht auf 1 Sekunde ein, drücken Sie den Knopf, der Verschluss öffnet sich und der Sensor startet aufzeichnen, aber auf unterschiedliche Weise: es würde die Lichtmenge, die es alle 0,001 Sekunden erreicht, für 1 Sekunde speichern. Auf diese Weise habe ich mehr Informationen, tatsächlich habe ich 1000 Bilder in 1 Sekunde aufgenommen, und in der Nachbearbeitung kann ich nur die ersten zehn integrieren, um eine Aufnahme mit 0,01 Sekunden zu simulieren, oder die ersten hundert, um eine Aufnahme mit 0,1 zu simulieren zweite Belichtung

Durch eine ausgefeilte Verarbeitung oder die manuelle Auswahl von Bereichen könnte ich sogar eine andere Belichtung für verschiedene Teile des endgültigen Bildes festlegen, z. B. eine Belichtung von 0,1 Sekunden für den Boden und 0,03 für den Himmel mit 100 Bildern für den Himmel und 30 Bilder für den Himmel.

Macht das Sinn? Warum funktionieren Kameras nicht so?

Das Problem ist die Auslesegeschwindigkeit. Sie können den gesamten Sensor nicht schnell genug auslesen, damit dies im allgemeinen Fall funktioniert. Auch wenn du könntest. Dies würde sich auch nachteilig auf die Bildqualität auswirken, da Sie immer wieder Ausleserauschen anwenden.

Zumindest mit CMOS-Sensoren können Sie an zufälligen Orten lesen, aber mit CCD-Sensoren wird jede Zeile in die nächste verschoben, um das Auslesen durchzuführen. Aus diesem Grund treten bei zu hellen Lichtverhältnissen in der Vorschau von Kameras mit CCDs vertikale Streifen auf.

Dann gibt es Gründe, warum Fotografen eine Verschlusszeit wählen : um ein Stück Zeit einzufrieren. Die Leute wären fast immer unscharf, wenn Sie den Auslöser nicht schnell genug anhalten würden.

Ich denke, sie könnten so arbeiten, aber es gibt zwei große Probleme:

1. Da die Sensoren jetzt arbeiten, tritt das Lesegeräusch nur einmal auf. Bei vielen sehr kurzen Lesevorgängen würde sich das Leserauschen verschärfen.
2. Es gibt nur mehr Daten, als wir möglicherweise verarbeiten können. Dies ist sowohl ein Problem beim tatsächlichen Lesen des Sensors (zu viele Daten zum Lesen) als auch bei resultierenden RAW-Dateien, die um Größenordnungen größer sind als heute.

In Ihrer ursprünglichen Frage haben Sie als Beispiel eine ¹⁄₁₀₀-Sekunde verwendet. Das ist eigentlich gar keine sehr lange Verschlusszeit und beträgt bereits das 10-fache, was wir mit aktuellen Kameras erreichen. Für diese wirklich sinnvoll zu sein, würden wir die Technologie auf den Punkt brauchen , wo der Sensor 10 bis 100 - mal schneller als gelesen wird , dass - die deutlich die Probleme Verbindungen.

Das zweite Problem wird durch Moores Gesetz in ein oder zwei Jahrzehnten gelöst, und das erste kann es auch sein, wenn die Elektronik kleiner und genauer wird. Im Moment ist es nicht praktisch.

Die Olympus OM-D E-M5 verfügt über eine Funktion, bei der sich die Belichtung bei Langzeitbelichtungen "entwickelt". Damit werden die oben genannten Probleme vermieden, da zwischen den Lesevorgängen mindestens eine halbe Sekunde erforderlich ist. Dies ist nur bei Langzeitbelichtungen hilfreich.

Aber in Zukunft werden mit einer besseren Elektronik wahrscheinlich alle Kameras auf diese Weise funktionieren, und mit viel mehr verfügbarem Speicher können sie auch kontinuierlich aufzeichnen. Der "Auslöser" dient lediglich dazu, einen Teil des Streams für die spätere Entwicklung als interessant zu markieren. Und wenn wir schon dabei sind, lassen Sie das Objektiv fallen und machen Sie daraus eine 360 ​​° -Lichtfeldkamera. Rahmung, Blende und Fokus können auch nachträglich ausgewählt werden, so dass das übliche Wissen über die Grundlagen der Kamera völlig aus dem Fenster geworfen wird

Wie viele Leute erwähnt haben, gibt es den Aspekt der Lesegeschwindigkeit. Die Bildgebungsschaltung kann die Sensorpixelwerte nicht einfach sofort "erfassen", sondern muss zeilenweise gelesen werden.

Dann müssen Sie sich auch überlegen, wohin diese Pixelaktualisierungswerte gehen. Selbst mit einer gewissen Komprimierung nehmen sie beträchtlich Platz ein, vorausgesetzt, dass die Entropie späterer Frames im Vergleich zu früheren Frames niedrig ist. Außerdem verlangsamen Daten, die nicht sehr komprimierbar sind, den gesamten Prozess. Da die Komprimierbarkeit eines neuen Frames im Vergleich zum alten nicht garantiert werden kann, muss das System immer noch über genügend Bandbreite verfügen, um das Worst-Case-Szenario ohne Beeinträchtigung abzudecken.

Schließlich (und das ist etwas kitschig) muss die Auswirkung des Heisenberg-Ungleichungs- oder Unsicherheitsprinzips berücksichtigt werden. Wir haben bei jeder Probe eine gewisse Unsicherheit über die Messung. Indem wir sehr viele Samples nehmen (von denen jedes anscheinend ein geringes Vertrauen besitzt, andernfalls könnten wir nur ein einzelnes Bild von etwa tausend auswählen), erhalten wir Unsicherheit für jedes dieser Bilder und nicht nur für ein einziges. Dies würde sich beim Kombinieren mehrerer Bilder addieren, und jetzt wird die maximale Unsicherheit mit der Anzahl der Bilder multipliziert, mit denen Sie das endgültige Bild erstellen. Im schlimmsten Fall können die Bilder dadurch erheblich beeinträchtigt werden.

Während Ihre Idee faszinierend ist, gibt es mehrere Gründe, warum es nicht funktioniert.

Dateigröße: Überlegen Sie, wie groß die resultierende Bilddatei sein würde. Meine 8-Megapixel-Spiegelreflexkamera liefert Dateien mit einer Größe von ca. 3 MB. Wenn bei jedem Drücken des Auslösers 100 Bilder aufgenommen würden, wären 300 MB auf meiner Karte gespeichert. Eine Karte würde sich zu schnell füllen. Auch das sind nur Zahlen für meine Kamera, die eine relativ niedrige Auflösung hat. Bei Profikameras könnte sich die Größe leicht verdoppeln oder verdreifachen. In Raw könnte sich die Größe noch etwa verdreifachen. Am Ende könnte ich pro Shooting Raw mit über 3 GB pro Shot enden.

Belichtung: Manchmal muss eine Kamera länger als 1/100 Sek. Belichten . um die richtige Menge an Licht zu bekommen. Wenn Sie bei zu wenig Licht fotografieren, sind die resultierenden Bilder unterbelichtet und möglicherweise unbrauchbar. Sie können nicht einfach Bilder kombinieren, um dies auszugleichen, da Sie keine Daten finden können, die nicht vorhanden sind.

Rauschen: Wenn sich Sensoren erwärmen, zeigen sie ein Phänomen, das als Rauschen bezeichnet wird. Dies ist das Sprenkeln von zufällig gefärbten Pixeln, das auf einigen Fotos zu sehen ist. Wenn der Sensor dauernd eine Sekunde auf einmal arbeitet, steigt der Rauschpegel schnell an und führt möglicherweise zu unbrauchbaren Bildern.

Karten- Schreibgeschwindigkeit: Speicherkarten können nur begrenzt Informationen hinzugefügt werden. Dies ist als ihre Schreibgeschwindigkeit bekannt. Um mit Dateien dieser Größe umgehen zu können, benötigen Karten eine hohe Schreibgeschwindigkeit. Diese Karten können sehr teuer sein.

Zusammenfassend ist dies eine interessante Idee, die jedoch einige große Hürden in sich birgt.

Ich hoffe das hat geholfen.

Es kann angemerkt werden, dass diese Idee in (zumindest einigen) Smartphones umgesetzt wurde, seit diese Frage gestellt wurde.

Da sich die technologischen Grenzen nicht wesentlich verbessert haben, ist sie natürlich auf sehr lange Belichtungszeiten bei sehr schlechten Lichtverhältnissen (z. B. Astrofotografie) beschränkt. Die Tatsache, dass die Software mehrere n-Sekunden-Belichtungen stapelt, ist sichtbar, wenn sich das Bild bewegt (beim Auslesen treten leichte Diskontinuitäten auf).

Das Stapeln kann sogar in Echtzeit auf dem Bildschirm angezeigt werden, da das Ergebnisbild immer heller erscheint.

Es gibt Kameras, die im Wesentlichen so funktionieren. Suchen Sie nach HDR-Kameras (High Dynamic Range). Die billigsten arbeiten mit einer Belichtungsreihe, bei der im Wesentlichen zwei oder vier verschiedene Belichtungen aufgenommen und dann in der internen Software zu einem einheitlichen Bild kombiniert werden. Sie können dies tatsächlich mit jeder Kamera unter Verwendung externer Software tun .

Mein Verständnis für die Funktionsweise der High-End-HDR-Kameras ist, dass sie grundsätzlich dynamisch eine separate automatische Belichtungszeit für jedes einzelne Pixel berechnen und diese verwenden, um die tatsächliche Helligkeit der Szene zu bestimmen. Damit ist das Problem gelöst, dass für jedes Pixel Tonnen und Tonnen von Daten vorhanden sind. Sie speichern im Grunde genommen nur die Belichtungszeit und die Farbwerte, wenn eine bestimmte Helligkeitsschwelle überschritten wird. Offensichtlich erfordert dies viel komplexere Hardware und Software, um richtig zu sein.

Es gibt einige verschiedene Arten von Rollläden, bei den Hauptrollläden handelt es sich jedoch um mechanische und elektronische Rollläden (der Sensor wird ein- und ausgeschaltet).

Die meisten DSLRs verwenden den Schlitzverschluss, während Videokameras elektronische Verschlüsse verwenden. Es klingt nach dem, was Sie tun möchten, um sie zu integrieren. Es gibt jedoch auch andere Möglichkeiten, dies zu erreichen.

Der Hauptgrund für einen Verschluss ist die Belichtung, ein grundlegendes Prinzip der Fotografie.

Sie könnten wahrscheinlich etwas für Ihr Beispiel einrichten. Vielleicht möchten Sie sich die Belichtungsreihe ansehen oder, wenn dies nicht ausreicht, die Anbindung.

0,01 = 1/100 und ist eine gute Verschlusszeit. Die meisten Kameras unterstützen Geschwindigkeiten von bis zu 1/8000 Sekunden.

Nur zu deinem letzten Teil:

Nehmen wir an, es speichert die Lichtmenge, die es 1 Sekunde lang alle 0,01 Sekunden erreicht.

Sie müssten immer noch alle 0,01 Sekunden über die Belichtung für diese Aufnahme nachdenken.

Abgesehen von den Punkten, die alle anderen gemacht haben - was wird mit der Exposition passieren?

zB mit meiner herkömmlichen Kamera ist eine Belichtung von 1 Sekunde das, was ich für eine bestimmte Aufnahme brauche. Im Wesentlichen bedeutet dies, dass der Sensor 1 Sekunde lang Licht in einem Durchgang aufzeichnet.

Ok, gehen wir zu dem Vorschlag, den Sie gemacht haben. Die Kamera zeichnet 1000-mal Licht im Wert von 0,001 Sekunden auf. Alle diese Bilder sind unterbelichtet und daher unbrauchbar. Wenn ich sie staple, erhalte ich nicht das gleiche Bild wie meine herkömmliche Kamera, da durch das Stapeln die Unterbelichtung nicht behoben wird. Um eine annähernd korrekte Belichtung zu erzielen, würde ich eine sehr große Blende benötigen, die (selbst wenn Sie ein geeignetes Objektiv finden würden) andere Probleme hätte - Schärfentiefe usw. Wenn Sie meinen, dass der Sensor empfindlich genug wäre, um tatsächlich genug zu erfassen Licht in 0,001 Sekunden, damit das Bild nicht unterbelichtet wird. Wir hätten ein ernstes Problem mit Rauschen. Die Idee, Frames ein- oder auszuschließen, um eine andere Belichtung zu erhalten, wird in PP bereits mit dem Belichtungsregler behandelt.

Sie könnten Ihre Idee ausprobieren, indem Sie Aufnahmen mit einem kurzen Verschluss machen (wie Sie vorschlagen) und diese dann entweder in der HDR-Software oder in der Startrail-Software stapeln.

Das von Ihnen erwähnte Nachbearbeitungsmaterial zur Aufnahme von Boden und Himmel mit unterschiedlichen Belichtungen, um das Bild auszugleichen, kann bereits in PP mit Steuerelementen für Schatten / Lichter und / oder geteilten Tonwerten korrigiert werden.

Denken Sie auch an Actionfotografie wie den Motorsport, bei dem ich beim Schwenken eine lange Verschlusszeit brauche, um ein Gefühl von Geschwindigkeit und Bewegung zu vermitteln. Wenn ich 200 Bilder mit einer sehr kurzen Verschlusszeit habe, kann ich die Unschärfe nicht erfassen und der Effekt der Aufnahme funktioniert nicht.