Wie kann der Dynamikbereich größer sein als die Bittiefe des Sensors?

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Fand etwas, das mich verwirrte und so dachte ich, dass die Menge hier wahrscheinlich diese Frage beantworten kann, da sie kamerabezogen und technisch zugleich ist.

Jemand hat mir die DXOMark-Ergebnisse für die Pentax K-5 geschickt, die 14,1 EV Dynamikbereich bei niedrigster ISO anzeigen. Da es sich bei dem Sensor jedoch um einen 14-Bit-Sensor handelt, passt dies nicht zu meiner Intuition. Es scheint seltsam, dass ein lineares Gerät wie ein CMOS-Sensor mehr DR erfassen kann, als Bits enthalten. Hätte es einen spärlichen Dynamikbereich, der EVs in der Mitte überspringt?

sensor dynamic-range bit-depth

— Itai
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Die DxO-Punktzahl für den Dynamikbereich unter der Registerkarte " Drucken" ist eine interpolierte theoretische Punktzahl, keine tatsächliche Messung. Bitte lesen Sie die Seite auf ihrer Website, auf der die Punktzahlen und ihre Berechnung erläutert werden. Der DR unter der Bildschirmregisterkarte ist eine realistischere Zahl für einen 14-Bit-Sensor: 13,44 EV.

— Michael C

Siehe diese Antwort und Kommentare: photo.stackexchange.com/a/47512/15871

— Michael C

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Cambridge in Color hat einen sehr guten Artikel dazu. Wenn der Sensor einen linearen A / D-Wandler hat, würde die Bittiefe den Dynamikbereich auf 14 EVs als theoretische Grenze begrenzen. Wenn es jedoch nicht linear ist, muss die Bittiefe nicht unbedingt korrelieren. Ich denke, wir können daraus schließen, dass der Sensor im K-5 keinen linearen A / D-Wandler hat.

Ich kann aus eigener Erfahrung sagen, dass dieser Sensor definitiv einen enormen Dynamikumfang hat. Ich konnte ein Bild wiederherstellen , das auf der K-5 fast 8 Blendenstufen unterbelichtet war.

— John Cavan
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Sind Sie sicher, dass Sie für den Rest der Zeit nicht ISO1600 oder ISO16000 aufgenommen haben? Dies würde dazu führen, dass das Bild etwas mehr als 4 Blendenstufen überbelichtet und nicht mehr als 8. Es ist immer noch beeindruckend, ich möchte nur sicherstellen, dass die Zahlen korrekt sind.

— Matt Grum

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Ja, es war 16000, ich habe ein anderes Bild aus der Sequenz (und den Motiven) mit der gleichen Blende und Verschlusszeit als Referenz (ich würde es posten, aber ich bin nicht zu Hause, um es zu bekommen). ACR erlaubt nur eine 4-Stufen-Einstellung bei Belichtung, daher musste ich auch das Fülllicht auf 100 stellen, um mehr Details zu erhalten. Hmm, vielleicht sollte ich den Artikel mit ein paar Zwischenschritten aktualisieren. Ich habe ein ähnliches Beispiel mit 10 Zwischenstopps gesehen, und das hat mein Upgrade jetzt und nicht im Januar ausgelöst. :)

— John Cavan

+1, dass Cambridge in Color Artikel ausgezeichnet ist. Es ist hervorragend geeignet, den Wert größerer Fotosites (tieferer "Wells") und deren Auswirkungen auf den Dynamikbereich zu erklären. Es sollte wahrscheinlich auch beachtet werden, dass die meisten Sensoren nicht rein linear sind, sondern eine gedämpfte A / D-Konv. Kurve (S-Kurve), wenn Sie die Extreme von Schatten und Licht erreichen. In RAW kann ein digitaler Sensor viele Daten erfassen, die später wiederhergestellt werden können, wie Ihr Artikel gezeigt hat.

— jrista

@jrista - Cambridge in Colour war eine der ersten Fotoseiten, die ich getroffen habe, als ich mit dSLR-Aufnahmen angefangen habe. Ich gehe immer wieder auf sie zurück, sehr gut geschrieben und einfach zu befolgende Dinge.

— John Cavan

@ John: Einverstanden. CinC ist eine großartige Website, die sowohl für Anfänger als auch für erfahrene Fotografen sehr gut geschrieben ist. Das ist eine schwierige Sache.

— jrista

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Wie kann der Dynamikbereich größer sein als die Bittiefe des Sensors?

Der dynamische Bereich ist der Logarithmus des Verhältnisses zwischen der hellsten und der dunkelsten Intensität auf dem linearen Teil der Empfindlichkeitskurve. Es kann auch andere Definitionen geben, diese ergeben sich jedoch im Allgemeinen aus dem Verhältnis zweier Intensitäten, den objektiven physikalischen Eigenschaften der Szene. Es ist eine reelle Zahl.

Die Bittiefe ist die Anzahl der Bits pro Kanal, die zum Quantisieren der kontinuierlichen Variablen verwendet werden. Mehr Bittiefe ergibt deutlichere Graustufen dazwischen. Es geht nur darum, wie ein Bild im Computerspeicher dargestellt wird.

Der Dynamikbereich gibt an, wie viel Kontrast der Sensor registrieren kann. Die Bittiefe gibt an, wie viele verschiedene Farben die Kamera benennen kann. Oder in wie viele Teile die Kamera den Bereich aufteilen kann. Wenn eine Kamera ein Lineal wäre, wäre der Dynamikbereich der (Logarithmus der) Länge des Lineals und die Bittiefe der (Logarithmus der) Anzahl von Markierungen entlang seiner Kante. Und Sie können die Länge in beliebig viele Teile teilen. Ebenso muss die Bittiefe nicht mit dem Dynamikbereich übereinstimmen.

Wenn der Dynamikbereich S EV und die Bittiefe n ist , kann die Kamera Szenen mit einem Kontrast von mindestens 5 registrieren

$I_{max}/I_{min} = 2^S$

(Tatsächlich etwas mehr, wenn Sie auch den nichtlinearen Teil der Sensorantwortkurve verwenden). Und man kann theoretisch unterscheiden

$N=2^n$

Grautöne.

Ich besitze eine Kompaktkamera, die 12-Bit-RAW schreiben kann. Trotz der hohen Bittiefe ist der Dynamikumfang sehr bescheiden. Sie können eine umgekehrte Situation abbilden, in der der Sensor eine kontrastreiche Szene ohne Über- und Unterbelichtung erfassen kann. Ist die Bittiefe jedoch gering, wird diese Szene mit wenigen Zwischenfarben dargestellt.

— Sastanin
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+1, tolle Antwort. Ein Tipp: Ich glaube, das Wort, das Sie anstelle von "diskretisieren" brauchen, ist "quantisieren": Quantisieren -verb: Mathematik, Physik. Beschränkung (einer variablen Menge) auf diskrete Werte und nicht auf eine fortlaufende Menge von Werten.

— jrista

Vielen Dank. Mein Englisch ist bei weitem nicht perfekt, aber es scheint in der Welt des Computer und Mathematik diskretisieren ist besser geeignet , wenn der kontinuierliche Raum mit einem äquivalenten diskreten Raum für die Zwecke der Berechnung ersetzt en.wiktionary.org/wiki/discretize (zB eines echten Zahl mit einem IEEE-Gleitkommawert oder einer ganzen Zahl). Die Diskretisierung ist eine Entscheidung des Software-Engineerings. Die quantisierte Variable ist für mich eine Variable, für die alle Werte außer einigen verboten sind. "Quantisiert" klingt für mich nach einer physischen Einschränkung. Aber vielleicht hast du recht.

— Sastanin

Technisch gesehen "quantisiert" ein Sensor das Licht in bestimmte, physikalisch begrenzte "Eimer". Wenn wir ein 12-Bit-RAW-Bild annehmen, gibt es 4096 diskrete "Quanten", in die Sie "diskretisieren" können. Während diskretisieren bedeuten würde, dass Sie einen realen Raum in eine variable Anzahl von diskreten Räumen zusammenfassen könnten, ist der diskrete Raum mit einem Sensor festgelegt, und es gibt nur 4096 spezifische diskrete Werte, in die Sie den analogen Raum umwandeln könnten. Es mag ein strittiger Punkt sein, aber ich denke, Quantisierung ist hier besser anwendbar. ;)

— jrista

OKAY. Ich bin überzeugt.

— Sastanin

@jrista Während wir über Englisch sprechen, ist das gewünschte Wort "diskret", nicht "diskret".

— Coneslayer

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Erstens hat der Dynamikbereich eine umgekehrte Beziehung zum Rauschen - geringes Rauschen (ansonsten gleich) führt zu einem größeren Dynamikbereich. Rauschen entsteht hauptsächlich durch die Sensorelektronik (Leserauschen, Dunkelstromrauschen), durch die Diskretion des Lichts (Photonen- / Schussrauschen) und durch die Umwandlung von analogem in digitales (Quantisierungsrauschen).

DXO Mark Dynamic Range Scores basieren auf der Differenz zwischen der zur Sättigung des Sensors erforderlichen Lichtintensität und der Lichtintensität, bei der das SNR 1: 1 trifft (dh dem Punkt, an dem das Signal dem Rauschen entspricht).

Sie würden erwarten, dass der DR eines Sensors mit linearer Reaktion bei Abwesenheit von Schuss- und Ausleserauschen der Bittiefe entspricht. Angesichts der K-5-Bewertung bei Vorhandensein dieser Rauschquellen bedeutet dies für mich, dass die Bildpipeline einen mäßigen Grad an Nichtlinearität aufweist (alle Sensoren weisen eine gewisse inhärente Nichtlinearität auf), die wahrscheinlich auf diese Weise entwickelt wurde, um den Dynamikbereich zu erhöhen.

Die Nichtlinearität hilft dabei, der Grenze der Bittiefe zu entgehen, dh dem, was Sie durch Abstufungen in den Schatten gewinnen, die Sie an anderer Stelle in der Tonkurve verlieren (obwohl dies wahrscheinlich an einer weniger wichtigen Stelle der Fall ist). Es gibt kein kostenloses Mittagessen!

In Bezug auf den K-5 ist er bei niedriger ISO-Empfindlichkeit führend, die hauptsächlich durch das Leserauschen bestimmt wird. Es ist wirklich großartig zu sehen, wie die Hersteller ihre Aufmerksamkeit auf diesen Bereich lenken, und es verdient durchaus Beachtung. Der Dynamikbereich bei höheren ISO-Empfindlichkeiten wird jedoch von Photonenrauschen dominiert, dem nur durch die Erfassung von mehr Licht entgegengewirkt wird. Daher haben große Sensoren hier immer einen Vorteil . Da einige Leute vorwiegend ISO400 und höher fotografieren, lohnt es sich, dies zu berücksichtigen!

— Matt Grum
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Ich bin damit einverstanden, dass die K-5 bei ISO80 atemberaubend ist und gut mit einem Mittelformat und einem Vollbild für die unteren ISO-Bereiche zurechtkommt. Wenn die ISO zu springen beginnt, verliert sie die Führung. Es gelingt jedoch immer noch, ziemlich nahe dran zu bleiben, was für Sony (der den Sensor herstellt) und Pentax (der ihn implementiert hat) ein ziemlicher Erfolg ist. Das D7000 hat sehr ähnliche Eigenschaften, da es sich um eine Variante desselben Sensors handelt und Nikon bei der Implementierung sehr gute Arbeit geleistet hat.

— John Cavan

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Der "Dynamikbereich" (DR) ist kein absolutes Merkmal.

Die gröbste Definition von DR ist "Verhältnis zwischen der hellsten und der dunkelsten Grauintensität, die der Sensor möglicherweise genau aufzeichnet".

Der DR eines digitalen Sensors wird aus zwei Messungen abgeleitet:

Beschneidungsintensität [für den empfindlichsten Kanal] bei einer bestimmten Farbtemperatur (DxO verwendet höchstwahrscheinlich D65);
Intensität, die eine Grenzmenge an Rauschen erzeugt (dh wenn es dunkler ist, ist das Rauschen nicht akzeptabel).

Dann haben Sie zwei Möglichkeiten, DR von digitalen Bildern zu berechnen.

Dumb Way verwendet Pixeldaten, um das Rauschen zu berechnen ("Bildschirm" -Messungen auf der DxO-Site). Wenn Sie den DR des Linearsensors mit dem X-Bit-ADC auf diese Weise berechnen, darf er keinesfalls größer als X EV sein.
Bei der intelligenten Methode (die einzige Möglichkeit, Fotos von Kameras mit unterschiedlicher Auflösung zu vergleichen) wird die Auflösung bei der Berechnung des Rauschens berücksichtigt (Messungen auf DxO "drucken"). Auf diese Weise ist der DR nicht durch den ADC eingeschränkt. Möglicherweise kann eine Kamera mit einem größeren Sensor und demselben ADC hergestellt werden, und der wahrgenommene Dynamikbereich ist größer.

Sie werden also keine Kamera finden, deren "Bildschirm" -DR in EVs ausgedrückt die in Bits ausgedrückte ADC-Auflösung überschreitet.

Kommentare zu anderen Antworten:

Ich denke, wir können daraus schließen, dass der Sensor im K-5 keinen linearen A / D-Wandler hat.

Es ist kein einziger digitaler Sensor mit nichtlinearer A / D-Wandlung entwickelt worden. Jede Tonumwandlung, die die Kamera vornimmt (einschließlich der speziellen Ausgabemodi von Kinokameras und insbesondere der Sony A7-Serie), erfolgt unter Verwendung der diskreten Daten.

Die Kodak DCS Pro 14n verfügt über einen ADC-Betriebsmodus mit doppelter Steigung, bei dem der Ausgang stückweise linear ist.

Angesichts der K-5-Bewertung bei Vorhandensein dieser Rauschquellen bedeutet dies für mich, dass die Bildpipeline einen moderaten Grad an Nichtlinearität aufweist

K-5 hat eine vollkommen flache Reaktion (wie jede andere Kamera, wobei Kodak DCS Pro wahrscheinlich der einzige Ausschluss ist). Ich habe es selbst gemessen.

Hinweis: DxO Labs skaliert oder druckt nichts für "Druck" -Messungen, sondern verwendet in den Formeln eher den Auflösungskoeffizienten. Anmerkung: In diesem Beitrag ist "linear" nicht "logarythmisch".

— Euri Pinhollow
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