ทำไมเซ็นเซอร์กล้องดิจิตอลไม่สามารถแสดงภาพแต่ละภาพได้

ทำไมเซ็นเซอร์กล้องจึงไม่สามารถทำงานได้ตามที่สายตามนุษย์มองเห็น สิ่งที่ฉันหมายถึงคือทำไมภาพส่วนหนึ่งถึงต้องปิด / เปิดรับแสงน้อยเกินไปหากเราชดเชยพื้นที่มืดและแสงตามลำดับเมื่อทำการถ่ายภาพและตัดสินใจเกี่ยวกับการตั้งค่ารูรับแสงและความเร็วชัตเตอร์

ฉันเข้าใจว่าแสงที่เข้ามาขึ้นอยู่กับค่ารูรับแสงและความเร็วชัตเตอร์ แต่เนื่องจาก DSLR เป็นดิจิตอลจึงไม่มีเทคโนโลยีที่จะช่วยให้แต่ละเซลล์ใช้เซ็นเซอร์วัดแสงของตัวเองและดังนั้นพวกเขาจึงไม่ได้อยู่ในปริมาณเดียวกัน แสง แต่ขึ้นอยู่กับการวัดแสงซีพียูของกล้องจะปิดบางเซลล์เพื่อไม่ให้แสงมากเกินไป

ฉันหวังว่าฉันจะไม่พูดไร้สาระ ดูเหมือนว่าฉันจะชอบความคิดที่น่าเชื่อถือ

ใครเป็นผู้ตัดสินว่าพิกเซลใดจะได้กำไรเท่าไหร่? สิ่งที่เกิดขึ้นในระบบการมองเห็นของมนุษย์นั้นเกิดขึ้นในเยื่อหุ้มสมองไม่ใช่ตาและขึ้นอยู่กับสิ่งที่เราคิดว่าเป็นสิ่งสำคัญที่จะเห็นบนพื้นฐานของการตัดสินใจทางปัญญาและการขับสัญชาตญาณแบบเอาเป็นเอาตาย . ในขณะที่มันเป็นความจริงในแง่หนึ่งที่เราเห็นสิ่งที่มีมันก็เป็นความจริงอย่างเท่าเทียมกันในอีกแง่หนึ่งที่เราเห็นสิ่งที่เราต้องการที่จะเห็น (หรือต้องการ)

มันจะเกือบเล็กน้อยในการสร้างเซ็นเซอร์ความหนาแน่นของพิกเซลที่ค่อนข้างต่ำพร้อมด้วย photosites ขนาดใหญ่ที่อนุญาตให้มีช่วงไดนามิกที่กว้างใหญ่และ (สมมติว่าเป็นเทคโนโลยีประเภท CCD เนื่องจากเทคโนโลยีเซ็นเซอร์ CMOS ในปัจจุบันไม่สามารถทำงานได้ด้วยวิธีนี้) ชัตเตอร์อิเล็กทรอนิกส์ต่อพิกเซล ชัตเตอร์เชิงกล แล้วคุณจะได้รับอะไร? ภาพแบนที่มีความลึกบิตและคอนทราสต์ต่ำมาก (หากความลึกบิตทั้งหมดถูกแปลงตามที่เป็นสำหรับการแสดงผลหรือการพิมพ์) พร้อมกับจำนวนพิกเซลที่เกือบจะ แต่ไม่ถูกตัดโดยความอิ่มตัวของเซ็นเซอร์ ( แม้ว่าในความเป็นจริงแล้วจะถูก จำกัด ด้วยชัตเตอร์อิเล็กทรอนิกส์ก่อนที่จะถึงจุดอิ่มตัว) สมมติว่าเพื่อเหตุผลของการโต้แย้งว่าเซ็นเซอร์นี้และคอมพิวเตอร์ที่เกี่ยวข้องสามารถบันทึกข้อมูลการตัด (เหตุผลที่หยุดการบันทึกที่ประสาทสัมผัสนั้น ซึ่งสามารถทำได้ง่ายเพียงบันทึกระยะเวลาการเปิดรับแสงจริงที่ไซต์นั้น) นั่นจะช่วยให้อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ของกล้องสามารถสร้างตัวเลขได้ถ้ามีแสงอยู่ในเกมจนกว่าจะเป่านกหวีดสุดท้าย ตอนนี้เรามีภาพที่ราบเรียบและลึกยิ่งขึ้น แล้วคุณวาดเส้นตรงไหน? 32 บิต 64?

ตอนนี้กลายเป็นส่วนที่ยาก - เปลี่ยนข้อมูลภาพช่วงกว้างและไดนามิกสูงให้เป็นภาพถ่ายที่น่าสนใจ วิธีที่ง่ายที่สุดคือการใช้แปดบิต (หรืออะไรก็ตามที่ความลึกบิตของเอาต์พุต) ซึ่งแสดงถึงภาพหลักที่มีมิเตอร์หลักและทิ้งส่วนที่เหลือ มันอาจจะไม่ยากไปกว่านี้ที่จะปรับข้อมูลให้เข้ากับเส้นโค้ง S, บีบอัดเงาและ / หรือไฮไลท์สุดขีดซึ่งเป็นสิ่งที่การตั้งค่าช่วงไดนามิกแบบขยายสำหรับกล้องรุ่นใหม่นี้มีมากขึ้นหรือน้อยลง แต่มีบิตเอาต์พุตจำนวนมากเท่านั้นที่มีต่อพิกเซลและค่าไฮไลต์ที่ขยายเพิ่มส่วนใหญ่จะปัดเป็นสีขาว (หรืออย่างน้อย 254 และ 255 มิกซ์) ดังนั้นคุณจะได้รับน้อยมากจากการทำให้ระบบซับซ้อนอย่างมาก

แต่ยังคงมีตัวเลือกการแมปพื้นที่เปิดหนึ่งตัวเลือก ทำไมไม่นำท้องฟ้าพูดหรือเพียงแค่เมฆในท้องฟ้านั้นมีมูลค่าลดลงเพื่อให้สามารถเก็บรายละเอียดได้ในขณะที่รักษาความเปรียบต่างที่ต้องการในเบื้องหน้า นี่คือที่ที่ปัญหาหนักมีชีวิตอยู่ มีความสำคัญอะไร ควรเลือกกล้องให้เหมาะกับคุณหรือไม่ หากกล้องตัดสินใจแล้วเรามีความก้าวหน้าอย่างยิ่งใหญ่ในด้านวิชันซิสเต็มและปัญญาประดิษฐ์เพื่อให้ได้รอบก่อน ถ้าไม่เช่นนั้นคุณต้องการตัดสินใจระดับโพสต์การจับภาพสำหรับทุก ๆ ภาพที่คุณถ่ายหรือไม่? ใช่ฉันรู้ว่าจะมีภาพถ่ายเทคโน - วีนนี่ที่อยากจะทำแบบนั้นจริง ๆ แต่เราสามารถยอมรับได้ว่ามันเป็นสภาพทางพยาธิวิทยาและมืออาชีพที่สนใจในช่วงเวลาเปลี่ยนผ่าน งั้นเหรอ

ดังนั้นคุณต้องมีเซ็นเซอร์ใหม่อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่ซับซ้อนกว่าอย่างมากรอบ ๆ ไฟล์ภาพขนาดใหญ่สำหรับข้อมูลดิบที่คาดการณ์ไว้ (ซึ่งจำเป็นต้องใช้การ์ดขนาดใหญ่และใช้เวลาเขียนนานขึ้น / อัตราเฟรมช้าลง) เพื่อรวบรวมข้อมูลที่จะถูกทิ้งไปมากที่สุด ของเวลาเพื่อให้คุณสามารถถ่ายภาพ HDR แบบครั้งเดียวซึ่งต้องการการแทรกแซงจากคนจำนวนมากในโพสต์ (หรือการก้าวกระโดดครั้งใหญ่ใน MV / AI) คุณอาจขายของเหล่านี้ได้บ้าง แต่ฉันคาดหวังว่าตลาดจะดูน่ากลัวกว่าตลาดขนาดกลางมากกว่าตลาด 35mm / APS-C ที่มีอยู่ในปัจจุบัน นั่นคือคุณจะขายให้กับกลุ่มช่างภาพที่มีส้นสูงซึ่งต้องการความสามารถด้วยเหตุผลระดับมืออาชีพหรือเพื่อเติมเต็มวิสัยทัศน์ทางศิลปะของพวกเขาและไม่กี่คนที่เพิ่งได้รับการโพสต์โพรเซสซิงที่เพียงพอ ภาษีเทคโนโลยี

มีสิ่งหนึ่งที่มีเพียงไม่กี่คนที่กล่าวถึงและนั่นคือฉากจะไม่เหมือนกันหากพื้นที่ต่าง ๆ ที่ถูกเปิดรับแตกต่างจากพื้นที่อื่น ฉากมีลักษณะเหมือนที่มันเป็นเพราะมีการเปลี่ยนแปลง ใช่มันอาจจะเป็นวิธีการประหยัดไฮไลท์และเงาเพิ่ม แต่ในท้ายที่สุดแล้วสิ่งที่คุณจริงๆต้องการคือช่วงไดนามิกขนาดใหญ่ที่สามารถจับภาพช่วงแบบไดนามิกในที่เกิดเหตุใช้การตั้งค่าการเปิดรับแสงหนึ่ง

ดวงตาของเรายอดเยี่ยมในการมอบช่วงไดนามิกที่กว้างกว่าเทคโนโลยีกล้องผู้บริโภคในปัจจุบัน ฉันสามารถมองไปรอบ ๆ ได้อย่างรวดเร็วและรับรู้รายละเอียดที่ถูกต้องในพื้นที่ที่มีร่มเงาและพื้นที่ที่มีแสงสว่างจ้าในเวลาเดียวกัน

หนึ่งในวิธีที่ผู้ผลิตกล้องทำการแก้ไขปัญหานี้คือการใช้พิกเซลความไวสูงและความไวต่ำในเซ็นเซอร์เดียวจากนั้นรวมผลลัพธ์ต่อพิกเซล กล้องภาพยนตร์ดิจิตอลใหม่ของ RED มีเมทริกซ์ของพิกเซลเซ็นเซอร์ความไวแสงปกติและต่ำที่เรียกว่า HDRx พิกเซลเซ็นเซอร์ขนาดเล็กและความไวต่ำจะถูกรวมเข้ากับไฮไลท์ของพิกเซลสว่างเพื่อเพิ่มช่วงไดนามิก

ครั้งแรกช่วงไดนามิกของสายตามนุษย์นั้นไม่ดีนัก ดูเหมือนจะดีกว่ากล้องไฮเอนด์ปัจจุบันของเราเท่านั้นเนื่องจากสมองของเราผสาน "ภาพรวม" ที่ถ่ายโดยใช้การตั้งค่าการรับแสงที่แตกต่าง ดวงตาของเราไม่สามารถบันทึกวัตถุที่สว่างมากและมืดมากพร้อมกันได้ (แม้ว่าสมองจะทำได้) สงสัยจริงเกี่ยวกับการประมวลผลภาพ แต่มีเพียงอุปกรณ์ออพติก / อุปกรณ์เกี่ยวกับภาพ

มีข้อเสนอ / ต้นแบบหลายประการที่แสดงให้เห็นว่าเซนเซอร์ภาพสามารถปรับแต่งช่วงไดนามิกได้อย่างไร:

• Modulo Cameraโดย MIT

  โฟโตไดโอดแต่ละตัวจะรีเซ็ตสถานะเมื่อกดปุ่มประจุสูงสุดและจดจำว่ามันเกิดขึ้นกี่ครั้ง

• เซ็นเซอร์ภาพ Quantaโดย Eric Fossum

  ใช้พิกเซลโฟตอนนับจำนวนที่เล็กกว่าและเร็วกว่าแทนคอนเทนเนอร์แบบชาร์จ "อนาล็อก" + ตัวแปลง A / D

คุณกำลังคิดถึงฟิสิกส์พื้นฐานอยู่ที่นี่ ปัญหาหลักคือฉากจริงมีอัตราส่วนคอนทราสต์สูง ดวงตาของเรามีวิวัฒนาการที่จะจัดการกับสิ่งนั้นโดยการรับรู้ระดับแสงลอการิทึมแทนเส้น น่าเสียดายที่เทคโนโลยีเซ็นเซอร์ปัจจุบันทำการวัดแสงเป็นเส้นตรง หรือใส่อย่างแม่นยำมากขึ้นเสียงจะถูกกำหนดในระดับแสงเชิงเส้น

ด้วยเทคโนโลยีปัจจุบันขีด จำกัด ความคมชัดสูงสุดนั้นเป็นฟังก์ชั่นของระดับเสียงรบกวน เพื่อประโยชน์ในการโต้แย้งเรามาใช้สเกลแสง 0-1000 ซึ่งหมายความว่าเซ็นเซอร์สามารถบอกระดับแสงให้คุณได้ตั้งแต่ 0 ถึง 1,000 ดังนั้นอัตราส่วนใดที่สามารถวัดได้สูงสุด ขึ้นอยู่กับระดับเสียงรบกวน ระดับเสียงนั้นเป็นสิ่งที่คุณได้รับแทนที่จะเป็นสีดำจริงซึ่งจะเป็น 0 ในตัวอย่างนี้ ถ้าระดับเสียงเป็น 2 คุณจะได้อัตราส่วนความสว่างประมาณ 1,000: 2 = 500: 1 ตราบใดที่ฉากไม่เกินนั้น (ในความเป็นจริง 500: 1 นั้นไม่มากนัก) คุณสามารถทำแผนที่ลอการิทึมที่คุณต้องการได้ในภายหลัง

ดังนั้นกลยุทธ์ปัจจุบันที่กำหนดให้เซ็นเซอร์ปัจจุบันเป็นแบบเชิงเส้นโดยเนื้อแท้คือพยายามเพิ่มอัตราส่วนสัญญาณต่อเสียงรบกวนและจัดให้มีจำนวนบิตเพียงพอเพื่อให้ปริมาณเสียงรบกวนนั้นต่ำกว่าสัญญาณรบกวนแบบสุ่มโดยธรรมชาติ เสียงรบกวนต่ำกว่าเซ็นเซอร์ฉากไดนามิกส์ที่กว้างขึ้นที่คุณสามารถจับภาพได้โดยไม่ต้องตัดไฮไลท์หรือตัดเงา

มีเทคโนโลยีเซ็นเซอร์ที่แตกต่างกันอย่างสิ้นเชิงที่ทำการวัดบันทึกของความสว่าง บางครั้งสิ่งเหล่านี้เรียกว่าเซ็นเซอร์ "CMOS" เพราะมันเหมือน RAM แบบไดนามิกของ CMOS ที่มีการถอดฝาปิด (ฉันใช้งานเกินขนาด แต่การทดสอบครั้งแรกในห้องแล็บทำด้วยวิธีนี้จริง ๆ ) คุณได้แรงดันไฟฟ้าตามสัดส่วนกับบันทึกของแสง แต่ปัจจุบันมีอัตราส่วนสัญญาณต่อเสียงรบกวนต่ำกว่ามาก มิตซูบิชิเป็นคนแรกที่นำเซ็นเซอร์เหล่านี้ไปใช้ในเชิงพาณิชย์ แต่ไม่มีที่ไหนดีพอสำหรับกล้องคุณภาพสูง

ไม่ต้องสงสัยเลยว่าจะมีความก้าวหน้าในหลายมุมมองและฉันแน่ใจว่าเรากำลังจะเห็นความก้าวหน้าที่มั่นคงในอีกหลายปีข้างหน้า อย่างไรก็ตามมีเหตุผลที่ดีว่าทำไมสิ่งต่าง ๆ เป็นอย่างที่เป็นอยู่ตอนนี้ไม่ใช่เพียงเพราะไม่มีใครสามารถจินตนาการถึงสิ่งที่ดีกว่า หากใครบางคนมีเทคโนโลยีที่สามารถวัดช่วงไดนามิกได้อย่างแม่นยำและในราคาที่ผู้คนเต็มใจจ่ายพวกเขาก็จะได้รับความร่ำรวย

ฉันเชื่อว่ามันซับซ้อนเกินไป

โดยทั่วไปจะมีสองแนวทางที่เป็นไปได้ photosensor แต่ละตัวสามารถติดตามเวลาและปิดตัวเองหรือ CPU สามารถติดตามข้อมูลจากตัวรับแสงและปิด

สำหรับวิธีแรกนั้นหมายความว่าแต่ละ photosensor จะต้องมีสัญญาณนาฬิกาและตัวนับเพื่อที่จะสามารถติดตามว่ามันใช้เวลานานเท่าไหร่จนกว่ามันจะปิดตัวเอง นั่นเป็นวงจรที่มากขึ้นเพื่อให้พอดีกับชิปและต้องใช้พลังงานมากขึ้นในการรันซึ่งเพิ่มสัญญาณเสียง อาจเป็นไปได้มากว่าช่วงไดนามิกที่เพิ่มขึ้นจะไม่มีจุดหมาย

สำหรับวิธีที่สอง CPU จะต้องอ่านข้อมูลทั้งหมดจากเซ็นเซอร์ประมาณ 1/10000 วินาที นั่นเร็วกว่าเทคโนโลยีปัจจุบันถึง 1,000 เท่าสามารถบรรลุได้ดังนั้นจึงเป็นทศวรรษต่อไปในอนาคตหากเป็นไปได้

นอกจากนี้ยังมีภาวะแทรกซ้อนอื่น ๆ ด้วยวิธีแก้ปัญหาเช่นว่าแต่ละพิกเซลจะได้รับเวลาที่แตกต่างกัน คุณจะได้รับสิ่งประดิษฐ์แปลก ๆ ถ้าคุณถ่ายรูปอะไรก็ตามที่เคลื่อนไหว

ในขณะที่เป็นจริงที่ DSLRs เป็นดิจิตอลเลนส์ไม่ได้ เซ็นเซอร์เซลล์ทั้งหมดจะต้องได้รับรูรับแสงเดียวกันไม่ว่าตัวกล้อง DSLR จะฉลาดแค่ไหนเพราะรูรับแสงถูกตั้งค่าไว้ที่เลนส์ ดังนั้นฉันคิดว่าการเปลี่ยนรูรับแสงต่อเซลล์เซ็นเซอร์แตกต่างกันอย่างน้อยก็ด้วยเทคโนโลยีเลนส์ปัจจุบัน

เท่าที่ความเร็วชัตเตอร์นั้นควบคุมโดยกล้อง แต่ถ้าเรานึกภาพกล้องที่สามารถปรับความเร็วชัตเตอร์ในส่วนต่าง ๆ ของภาพเพื่อควบคุมการเปิดรับแสง / ต่ำสุดคุณจะได้ภาพเบลอที่ไม่สม่ำเสมอ ส่วนที่มืดของฉากจะต้องถูกเปิดออกนานขึ้นและจะเบลอมากกว่าชิ้นส่วนที่สว่างกว่า ฉันคิดว่าโซลูชันที่เปลี่ยนความเร็วชัตเตอร์จะไม่ทำงานด้วยเหตุนี้

สิ่งเดียวที่เหลืออยู่คือ ISO การเปลี่ยนแปลง ISO จะหมายถึงระดับเสียงรบกวนที่แตกต่างกันในส่วนต่าง ๆ ของภาพ สิ่งนี้ไม่ได้เลวร้ายนักเมื่อพิจารณาว่าคุณจะได้รับช่วงไดนามิกเพิ่มขึ้นมาก ฉันไม่รู้มากเกี่ยวกับการทำงานของเซ็นเซอร์ แต่ฉันคิดว่าการตั้งค่า ISO นั้นถูกนำไปใช้ในเซ็นเซอร์เพื่อ "ปรับ" ไปสู่ชุดย่อยเฉพาะของระดับความสว่าง ฟังดูแล้วว่ามันจะแพงไปหน่อยที่จะมีระบบวัดแสงอิสระและควบคุม ISO ที่เซลล์เซ็นเซอร์ทุกตัว แต่บางทีภาพอาจแบ่งออกเป็นส่วน ๆ และแต่ละส่วนแยกกัน จากนั้นกล้องจะต้องมีอัลกอริทึมบางอย่างในการผสมผสานพื้นที่ที่แตกต่างกันออกไปสิ่งที่ "enblend" ทำเมื่อประกอบฉากพาโนรามาโดยที่แต่ละภาพมีการเปิดรับแสงที่แตกต่างกัน ฟังดูเป็นไปได้สำหรับฉัน

อีกทางเลือกหนึ่งคือการมีกล้องที่มีเซ็นเซอร์หลายตัวแต่ละตัวกำหนดค่าเป็น ISO ที่แตกต่างกัน ในเทคโนโลยีวิดีโอมีกล้อง CCD 3 ตัวซึ่งแต่ละ CCD บันทึกหนึ่งในสีแดงสีเขียวและสีน้ำเงิน ฉันไม่เห็นว่าทำไมจึงไม่มีแนวคิดที่คล้ายกันสำหรับ DSLR ที่เซ็นเซอร์หลายตัวถ่ายภาพในระดับ ISO ที่แตกต่างกันเพื่อสร้างภาพ HDR

ฉันไม่สามารถหาข้อมูลได้ในขณะนี้ แต่ดูเหมือนจะจำการอ่านคำอธิบายของเทคโนโลยีที่คล้ายกันได้ ความคิดนี้คร่าวๆ: สิ่งเดียวที่ต้องได้รับการดูแลก็คือไฮไลท์ที่ล้นทะลัก หากคุณสามารถป้องกันสิ่งเหล่านี้ได้คุณสามารถดูแลบริเวณที่มืดโดยการเปิดรับภาพรวมทั้งหมด ดังนั้นเพื่อป้องกันไฮไลต์ที่ล้นเกินเซ็นเซอร์แต่ละตัวจะติดตามแสงสะสมและถ้าใกล้ถึงระดับสูงสุดเซ็นเซอร์จะปิดการทำงาน โดยตัวของมันเองจะไม่ปรับปรุงอะไรเลยจริง ๆ แล้วมันจะทำให้เรื่องแย่ลงแทนที่จะมีไฮไลต์สีขาวสว่างเกินไม่กี่คน ดังนั้นแทนที่จะปิดตัวเองเซลล์ก็จะปิดเซลล์ในบางพื้นที่ซึ่งจะเก็บรายละเอียดบางอย่างไว้ในบริเวณที่สว่าง

ตามที่ฉันเขียนฉันไม่สามารถหาข้อความได้ในตอนนี้ แต่อย่างใดในความคิดของฉันที่เกี่ยวข้องกับกล้องดิจิตอล HP

มันสามารถทำได้ทางคณิตศาสตร์ (ในทางทฤษฎี): http://citeseerx.ist.psu.edu/viewdoc/download?doi=10.1.1.6.6.9.92&rep=rep1&type=pdf