¿Por qué un sensor más grande tiene un mejor rango dinámico?

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Ya entiendo toda la teoría detrás de cómo un sensor más grande conduce a un mejor control de la profundidad de campo y a reducir el ruido. Pero aún no he encontrado un lugar que pueda explicar por qué un sensor más grande te da un rango dinámico más grande.

sensor  dynamic-range  full-frame 
— erotsppa
fuente
— dpollitt
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AFAIK, 5 de las 10 mejores cámaras de rango dinámico en DxOMark son cámaras con sensor APS-C y todas tienen un factor de forma de 35 mm y no hay formato medio. Entonces, la premisa inicial de la pregunta no es realmente cierta.
— John Cavan
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@JohnCavan es cierto para el rango dinámico con buena luz . En ISO100, el APS-C Pentax K5 supera al Canon de fotograma completo en más de dos paradas , sin embargo, en ISO800 y por encima del Canon de fotograma completo está adelante, y con muy poca luz, la brecha es más de una parada, que es lo que cabría esperar. de la ventaja del área del sensor.
— Matt Grum
@JohnCavan APS-C y 35 mm son de diferentes tamaños. Un sensor no puede ser ambos.
— Jody Lee Bruchon

Respuestas:

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El tamaño del sensor no importa, es el tamaño del píxel. Dicho esto, los sensores más grandes, como las cámaras de fotograma completo, tienden a tener píxeles más grandes.

Puede estimar el tamaño del píxel tomando el tamaño del sensor y dividiéndolo por el número de píxeles. Este cálculo no es preciso porque la mayoría de los sensores tienen espacios entre los píxeles y estos espacios difieren en tamaño. Por eso digo "estimar".

Ahora, piense en un píxel en el sensor como una caja y los fotones como bolas. Cuanto más grande es la caja, más bolas puede contener.

Suponiendo que tenemos las casillas A y B. La casilla A puede contener 256 bolas y la caja B puede contener 512 bolas. Ahora organicemos una matriz de caja del tipo A y arrojemos muchas bolas al aire. Queremos reunir algunas estadísticas de dónde cayeron las bolas.

En el medio, una de las cajas contiene 256 bolas y en los bordes, las cajas contienen ~ 20 bolas. No podemos saber si en el medio solo cayeron 256 bolas o más. Nuestra medida está limitada al máximo para 256 bolas.

Ahora repitamos este experimento, pero ahora con cajas de tipo B. Ahora podemos ver que en el medio la caja contiene 347 bolas y en los bordes las cajas contienen ~ 20 bolas.

Nuestra medida es mucho más precisa. Eso es exactamente lo que sucede con los fotones golpeando el sensor. Una superficie más grande puede contener más fotones y puede medir un rango dinámico más grande. En nuestro ejemplo, el rango dinámico es dos veces mayor en el cuadro más grande.

Si el píxel está lleno de fotones, la traducción al color será un color completamente saturado, pero con una superficie de píxel más grande obtendremos un mejor resultado, por lo tanto, un rango dinámico mejorado.

Aquí hay una imagen que puede demostrar mi explicación:

Explicación de rango dinámico

Para una explicación más profunda, puede consultar este artículo:

Gama dinámica

— Itay Gal
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Bien, ahora votaré.
— John Cavan
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Esta respuesta es un buen comienzo, sin embargo, le falta un factor crítico: ruido electrónico. Sí, es cierto que ha mejorado el rango dinámico (y menos ruido de disparo de fotones) con píxeles más grandes. Sin embargo, debe tenerse en cuenta que las ganancias obtenidas con píxeles más grandes se pueden PERDER debido al ruido electrónico en el circuito del sensor, así como en los circuitos de lectura y conversión. Teóricamente, la Canon 1D X debería tener un rango más dinámico que la Nikon D800, pero la D800 tiene dos DR más. ¿Por qué? El D800 tiene MUCHO menos ruido electrónico (~ 3e-) que el 1D X (~ 36e-).
— jrista
¡Buena explicación de la teoría pero ignora por completo la práctica!
— Matt Grum
¡El artículo que vinculaste es realmente genial! Cumplidos
— mera existencia
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Teniendo en cuenta los sensores ideales donde el ruido de fotones es la única preocupación, cuanto más grande sea el sensor, mayor será el rango dinámico. El rango dinámico es la diferencia entre el punto en el que el sensor se satura y el punto en el que cualquier detalle se pierde por el ruido en las sombras.

Un sensor más grande tendrá píxeles más grandes o más píxeles. Los píxeles más grandes significan una mayor capacidad para almacenar carga (todo lo demás es igual) y se captura más luz por píxel, por lo tanto, menos luz en las sombras, por lo tanto, un mayor rango dinámico. Más píxeles significan un ruido similar por píxel pero más píxeles para promediar para reducir el ruido de las sombras y, por lo tanto, aumentar el rango dinámico.

En realidad, hay otras fuentes de ruido, a saber, el ruido de lectura, donde la señal analógica producida por las fotositas recoge el ruido antes de ser digitalizado. Esto puede tener un efecto en el rango dinámico que es mucho más fuerte que las diferencias en el tamaño del sensor. Las señales de baja intensidad de las áreas oscuras de la imagen son particularmente sensibles al ruido de lectura, de ahí el gran impacto en DR.

La nueva tecnología (acortar la ruta del sensor al ADC, enviar la señal dos veces y comparar los resultados) puede eliminar virtualmente el ruido de lectura, lo que permite que los sensores APS-C como el Sony Exmor superen el rango dinámico de los sensores de fotograma completo 2.5 veces más grandes de Canon al ¡Casi un orden de magnitud!

También es necesario distinguir entre el rango dinámico con buena luz y el rango dinámico con poca luz. El primero está determinado principalmente por el ruido de lectura, por lo tanto, un sensor pequeño puede sobresalir siempre que tenga un ruido de lectura bajo y una profundidad de pozo lo suficientemente decente. Este último está dominado por el ruido de los fotones (elevar el ISO con poca luz amplifica el ruido de los fotones pero no el ruido de lectura), por lo tanto, los sensores más grandes tienden a funcionar mejor aquí. Nuevamente, no todos los sensores siguen la tendencia.

— Matt Grum
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El beneficio de Sony Exmor es que es una lectura digital. La señal es solo analógica mientras la carga permanezca en los píxeles. Al leerlo, el ADC paralelo de columna en matriz convierte inmediatamente la carga analógica de cada píxel en una unidad digital. Los componentes de alta frecuencia (reloj, pll, etc.) se colocan en otra parte del troquel para eliminar la introducción de ruido de alta frecuencia en los circuitos ADC. La señal de imagen no se lee dos veces ... se realiza una "lectura de reinicio" cuando el sensor se reinicia para acumular CDS digital como un "resultado negativo", que luego se aplica a la "lectura de imagen" tras la exposición.
— jrista
Se eliminó el CDS por píxel. Ni siquiera creo que cada píxel tenga un amplificador, ya que con una salida casi silenciosa, todas las configuraciones ISO se pueden lograr con la amplificación digital. La carga de píxeles analógicos se convierte inmediatamente en una unidad digital y, a partir de ese momento, la transferencia de información digital con corrección de errores se utiliza en todo el resto de la tubería de procesamiento de imágenes. Eso elimina la posibilidad de contaminación de la señal analógica por interferencia de cualquier tipo lo antes posible.
— jrista
¿Estoy en lo cierto al decir que, dado el mismo ruido de lectura (tecnología, etc.), el sensor más grande con píxeles más grandes tendrá menos ruido de fotones y, por lo tanto, un mejor rango dinámico debido al aumento de la latitud entre la carga más baja y el punto de saturación?
— erotsppa
@erotsppa El área de superficie utilizada para calcular cada píxel final es lo único que importa. Si tiene 4 fotosites pequeños y 1 tamaño de foto grande del mismo tamaño, el promedio de los 4 será casi exactamente el mismo que el de un solo sitio de fotos grande. Tener más fotosites en la misma área de superficie solo aumenta la frecuencia de muestreo; cada una tendrá características peores por sí misma, pero si la foto se reduce a la misma densidad de píxeles que si fueran solo una gran foto-sitio, no se vería diferente. Es por eso que las cámaras de los teléfonos celulares se ven bien en las pantallas de los teléfonos y pobres en las pantallas de las computadoras.
— Jody Lee Bruchon
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No hay razón para que un sensor más grande pueda proporcionar un rango dinámico más grande o un ruido más bajo que no sea más área de superficie por píxel, sin embargo, las cámaras de fotograma completo tienden a ser unidades de extremo superior y, por lo tanto, tienden a tener mejores sensores.

Tenga en cuenta que no hay razón para que un sensor más pequeño y de menor resolución no pueda tener un mejor rendimiento de ruido y rango dinámico si se realiza con una calidad similar a un sensor de fotograma completo. El número de píxeles por pulgada en la superficie de los sensores y la calidad del sensor son los bits que importan.

— AJ Henderson
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El ejemplo con las cajas es muy cierto y explica por qué los sensores más grandes tienen un amplio rango dinámico. Cuanto más pequeño es el píxel, menos fotoelectrones puede almacenar (la cantidad máxima de fotoelectrones que se puede almacenar se llama capacidad total del pozo). imagen (sin sombras de gris! (:).

Por lo tanto, no hay duda de que un sensor más grande tiene un rango dinámico más alto si todo lo demás es igual.

La pregunta es, ¿puede aumentar el rango dinámico disminuyendo la resolución? Sé que se puede hacer con cámaras CCD científicas (personalmente lo hice). Pero, ¿puedes hacer lo mismo con las cámaras de consumo y con CMOS? Supongo que sí si puedes unir 2x2 píxeles en uno (reduciendo efectivamente la resolución 4 veces).

— James Duckson
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Según mi investigación, incluso el tamaño de píxel no importa, la teoría de la caja es aplicable a las condiciones de iluminación, ya que los píxeles más grandes recogen más luz, seguramente tendrá un borde con poca luz (sentido común), pero la tecnología del sensor es el factor clave en el rango dinámico , ya que el rango dinámico es la capacidad del sensor para retener ventas minoristas en altas luces y sombras. Por ejemplo, el rango dinámico de un nuevo sensor de ventilador pequeño o grande será mejor que el rango dinámico de un sensor de fotograma completo más antiguo

— Robert
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