¿Cómo puede el rango dinámico ser mayor que la profundidad de bits del sensor?

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Encontré algo que me confundió, por lo que pensé que la multitud aquí probablemente pueda responder a esta, ya que está relacionada con la cámara y es técnica al mismo tiempo.

Alguien me envió los resultados de DXOMark para el Pentax K-5 que muestra 14.1 EV de rango dinámico en su ISO más bajo. Sin embargo, dado que el sensor es de 14 bits, esto no encaja con mi intuición ... Parece extraño que un dispositivo lineal como un sensor CMOS pueda capturar más DR que bits. ¿Tendría un rango dinámico escaso, omitiendo los EV en el medio?

sensor dynamic-range bit-depth

— Itai
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El puntaje de la marca DxO para el rango dinámico en la pestaña de impresión es un puntaje teórico interpolado , no una medición real. Lea la página en su sitio donde se explican los puntajes y cómo se calculan. El DR debajo de la pestaña de la pantalla es un número más realista para un sensor de 14 bits: 13.44 EV.

— Michael C

Vea esta respuesta y comentarios: photo.stackexchange.com/a/47512/15871

— Michael C

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Cambridge in Color tiene un muy buen artículo sobre esto. Si el sensor tiene un convertidor A / D lineal, la profundidad de bits limitaría el rango dinámico a 14 EV como límite teórico. Sin embargo, si no es lineal, entonces la profundidad de bits no se correlaciona necesariamente. A partir de eso, creo que podemos determinar que el sensor en el K-5 no tiene un convertidor A / D lineal.

Puedo decir, por experiencia personal, que este sensor definitivamente tiene un enorme rango dinámico. Logré recuperar una imagen que estaba cerca de 8 paradas subexpuesta en el K-5.

— John Cavan
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¿Estás seguro de que no fue ISO1600 ni ISO16000 lo que estabas disparando el resto del tiempo? Esto haría que la imagen de poco más de 4 paradas estuviera sobreexpuesta, no 8, y se correlacionaría sin que haya utilizado una compensación de exposición de +4 en ACR. Sigue siendo impresionante, solo quiero asegurarme de que los números sean correctos.

— Matt Grum el

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Sí, era 16000, tengo otra imagen de la secuencia (y sujetos) con la misma apertura y velocidad de obturación como referencia (lo publicaría, pero no estoy en casa para obtenerlo). ACR solo permite un ajuste de 4 paradas en la exposición, por lo que también tuve que empujar la luz de relleno a 100 para obtener más detalles. Hmm, tal vez debería actualizar el artículo con algunos pasos intermedios. He visto un ejemplo similar con 10 paradas deliberadas debajo y eso es lo que desencadenó mi actualización ahora en lugar de en enero. :)

— John Cavan el

+1, ese artículo de Cambridge in Color es excelente. Hace un gran trabajo al explicar el valor de fotosites más grandes ("pozos" más profundos) y cómo afectan el rango dinámico. Probablemente también debería tenerse en cuenta que la mayoría de los sensores no son puramente lineales, la mayoría tienen un conv. Atenuado A / D. curva (curva S) a medida que alcanza los extremos de sombra y resalte. En RAW, un sensor digital puede capturar una gran cantidad de datos que luego se pueden recuperar, como lo demostró su artículo.

— jrista

@jrista - Cambridge in Color fue uno de los primeros sitios de fotografía que golpeé cuando comencé a disparar con dSLR. Sigo volviendo a ellos, muy bien escrito y fácil de seguir.

— John Cavan el

@John: De acuerdo. CinC es un gran sitio, y está muy bien escrito a un nivel que es útil tanto para principiantes como para fotógrafos experimentados. Eso es algo difícil de hacer.

— jrista

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¿Cómo puede el rango dinámico ser mayor que la profundidad de bits del sensor?

El rango dinámico es el logaritmo de la relación entre las intensidades más brillantes y más oscuras en la parte lineal de la curva de sensibilidad. Puede haber otras definiciones, pero en general se deriva de la relación de dos intensidades, propiedades físicas objetivas de la escena. Es un numero real.

La profundidad de bits es el número de bits por canal utilizado para cuantificar la variable continua. Más profundidad de bits proporciona tonos de gris más distintos en el medio. Es puramente una cuestión de cómo se representa una imagen en la memoria de la computadora.

El rango dinámico refleja cuánto contraste puede registrar el sensor. La profundidad de bits refleja la cantidad de colores distintos a los que la cámara puede "dar nombres". O en cuántas piezas la cámara puede dividir el rango. Si una cámara fuera una regla, entonces el rango dinámico sería el (logaritmo de la) longitud de la regla, y la profundidad de bits sería el (logaritmo del) número de marcas a lo largo de su borde. Y puede dividir la longitud en tantas piezas como desee. Del mismo modo, la profundidad de bits no tiene que ser la misma que el rango dinámico.

Si el rango dinámico es S EV, y la profundidad de bits es n , significa que la cámara puede registrar escenas con contraste al menos tan grande como

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

(En realidad, un poco más si usa también la parte no lineal de la curva de respuesta del sensor). Y teóricamente puedes distinguir

$N=2^n$

sombras de gris.

Tengo una cámara compacta que puede escribir RAW de 12 bits. A pesar de la alta profundidad de bits, su rango dinámico es muy modesto. Puede obtener imágenes de una situación opuesta, cuando el sensor puede registrar una escena de alto contraste, sin sobreexposición y subexposición, pero si la profundidad de bits es baja, esa escena se representará con pocos colores intermedios.

— sastanin
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+1, gran respuesta. Un consejo: creo que la palabra que necesita en lugar de "discretizar" es "cuantizar": Cuantizar -verbo: Matemáticas, Física. restringir (una cantidad variable) a valores discretos en lugar de un conjunto continuo de valores.

— jrista

Gracias. Mi inglés está lejos de ser perfecto, pero parece que en el mundo de la computación y las matemáticas, la discretización es más apropiada cuando el espacio continuo se reemplaza por un espacio discreto equivalente para el cálculo en.wiktionary.org/wiki/discretize (por ejemplo, un verdadero número con un valor de coma flotante IEEE o un número entero). La discreción es una decisión de ingeniería de software. La variable cuantificada para mí, en cambio, es una variable para la cual todos los valores están prohibidos, excepto algunos. Así que "cuantizado" suena como una restricción física para mí. Pero puede ser que tengas razón.

— sastanin

Técnicamente hablando, un sensor "cuantifica" la luz en "cubos" específicos y físicamente limitados. Si suponemos una imagen RAW de 12 bits, hay 4096 "cuantos" discretos en los que puede "discretizar". Donde discretizar significaría que podría concertar un espacio real en un número variable de espacios discretos, con un sensor, el espacio discreto es fijo, y solo hay 4096 valores discretos específicos en los que podría convertir el espacio analógico. Puede ser un punto discutible, pero creo que cuantizar es más aplicable aquí. ;)

— jrista

OKAY. Estoy convencido.

— sastanin

@jrista Mientras hablamos de inglés, la palabra que quieres es "discreta", no "discreta".

— asesino del

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En primer lugar, para ser claros, el rango dinámico tiene una relación inversa con el ruido: el ruido bajo (todo lo demás igual) conduce a un rango dinámico mayor. El ruido proviene principalmente de la electrónica del sensor (ruido de lectura, ruido de corriente oscura), de la naturaleza discreta de la luz (ruido de fotones / disparo) y de la conversión de analógico a digital (ruido de cuantización).

Los puntajes del rango dinámico de la marca DXO se basan en la diferencia entre la intensidad de la luz requerida para saturar el sensor y la intensidad de la luz a la que la SNR alcanza 1: 1 (es decir, el punto en el que la señal es igual al ruido)

Es de esperar que, en ausencia de ruido de disparo y ruido de lectura, la DR de un sensor con una respuesta lineal sea igual a la profundidad de bits. Dado el puntaje del K-5 en presencia de estas fuentes de ruido, me indica que la tubería de la imagen tiene un grado moderado de no linealidad (todos los sensores tienen alguna no linealidad inherente), probablemente diseñada de esa manera para aumentar el rango dinámico.

La no linealidad ayuda a escapar del límite de profundidad de bits, muerde lo que gana en gradaciones en las sombras que pierde en otra parte de la curva de tono (aunque probablemente en algún lugar menos importante). ¡No existe un almuerzo gratis!

Con respecto al K-5, es líder en su clase con una sensibilidad ISO baja, que está determinada principalmente por el ruido de lectura. Es realmente grandioso ver a los fabricantes dirigiendo su atención a esta área y merece completamente la atención, sin embargo, el rango dinámico a sensibilidades ISO más altas está dominado por el ruido de fotones que solo se contrarresta capturando más luz, por lo que los sensores grandes siempre tendrán una ventaja aquí. . Como algunas personas principalmente toman ISO400 y superiores, ¡vale la pena tener esto en cuenta!

— Matt Grum
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Estoy de acuerdo, en ISO80, el K-5 es impresionante y se combina bien con un formato medio y fotograma completo para los rangos ISO más bajos. Cuando el ISO comienza a saltar, comienza a perder el liderazgo. Sin embargo, todavía logra mantenerse bastante cerca, por lo que ese es un gran logro para Sony (quien fabrica el sensor) y Pentax (quien lo implementó). El D7000 tiene características muy similares dado que es una variante del mismo sensor y Nikon hizo un muy buen trabajo en su implementación.

— John Cavan el

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El "rango dinámico" (DR) no es una característica absoluta.

La definición más gruesa de DR es "relación entre las intensidades de gris más brillantes y más oscuras que el sensor puede registrar muy bien".

El DR de un sensor digital se deriva de dos mediciones:

intensidad de recorte [para el canal más sensible] a una temperatura de color dada (DxO probablemente utiliza D65);
intensidad que produce una cantidad límite de ruido (es decir, si es más oscuro, el ruido es inaceptable).

Entonces, tiene dos formas de calcular DR de imagen digital.

La manera tonta es usar datos de píxeles para calcular el ruido (mediciones de "pantalla" en el sitio DxO). Si calcula el DR del sensor lineal con X bit ADC de esta manera, no puede ser más grande que X EV.
La forma inteligente (que es la única forma posible de comparar fotos de cámaras con diferente resolución) es tener en cuenta la resolución al calcular el ruido (mediciones de "impresión" en DxO). El ADC no está limitado por el ADC de esta manera, potencialmente se puede hacer una cámara con un sensor más grande y el mismo ADC y tendrá un mayor rango dinámico percibido.

Por lo tanto, no encontrará ninguna cámara cuya DR de "pantalla" expresada en EV exceda la resolución ADC expresada en bits.

Comentarios sobre otras respuestas:

A partir de eso, creo que podemos determinar que el sensor en el K-5 no tiene un convertidor A / D lineal.

No hay un solo sensor digital con conversión A / D no lineal desarrollada. Cada conversión tonal que realiza la cámara (incluidos los modos de salida especiales de las cámaras de cine y la serie Sony A7 en particular) se realiza utilizando datos discretos.

El Kodak DCS Pro 14n tiene modo de operación ADC de doble pendiente en el que la salida es lineal por partes.

Dado el puntaje del K-5 en presencia de estas fuentes de ruido, me indica que la tubería de la imagen tiene un grado moderado de no linealidad

K-5 tiene una respuesta perfectamente plana (como cualquier otra cámara, probablemente con la única exclusión de Kodak DCS Pro). Lo he medido yo mismo.

Nota: DxO Labs no cambia el tamaño ni imprime nada para las mediciones de "impresión", sino que utiliza el coeficiente de resolución en las fórmulas. Nota al margen: en este post "lineal" no es "logarythmic".

— Euri Pinhollow
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