Por que um sensor maior tem melhor alcance dinâmico?

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Eu já entendo toda a teoria por trás de como um sensor maior leva a um melhor controle da profundidade de campo e menor ruído. Mas ainda não encontrei um lugar que possa explicar por que um sensor maior oferece uma faixa dinâmica maior?

erotsppa
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AFAIK, 5 das 10 principais câmeras de faixa dinâmica do DxOMark, são câmeras com sensor APS-C e todas elas têm formato de 35 mm e nenhum formato médio existe. Portanto, a premissa inicial da pergunta não é realmente verdadeira.
John Cavan
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@JohnCavan, isso é verdade para alcance dinâmico com boa luz . Na ISO100, a APS-C Pentax K5 supera o quadro completo da Canon em mais de duas paradas , no entanto, na ISO800 e acima do quadro completo, a Canon está à frente e, com pouca luz, a diferença é de uma parada, o que seria de esperar da vantagem da área do sensor.
precisa
O @JohnCavan APS-C e 35mm são de tamanhos diferentes. Um sensor não pode ser ambos.
Jody Lee Bruchon

Respostas:

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O tamanho do sensor não importa, é o tamanho do pixel. Dito isto, sensores maiores, como nas câmeras full frame, tendem a ter pixels maiores.

Você pode estimar o tamanho do pixel, pegando o tamanho do sensor e dividindo-o pelo número de pixels. Este cálculo não é preciso porque a maioria dos sensores possui intervalos entre os pixels e esses intervalos diferem em tamanho. É por isso que estou dizendo "estimativa".

Agora, pense em um pixel no sensor como uma caixa e em fótons como bolas. Quanto maior a caixa, mais bolas ela pode conter.

Supondo que temos as caixas A e B. A caixa A pode conter 256 bolas e a caixa B pode conter 512 bolas. Agora vamos organizar uma matriz de caixa do tipo A e jogar muitas bolas no ar. Queremos reunir algumas estatísticas de onde as bolas caíram.

No meio, uma das caixas contém 256 bolas e nas bordas as caixas contêm ~ 20 bolas. Não podemos saber se no meio apenas 256 bolas caíram ou mais. Nossa medida é limitada ao máximo para 256 bolas.

Agora vamos repetir esse experimento, mas agora com caixas do tipo B. Agora podemos ver que no meio a caixa contém 347 bolas e nas bordas as caixas contêm ~ 20 bolas.

Nossa medida é muito mais precisa. É exatamente o que acontece com os fótons atingindo o sensor. Superfícies maiores podem conter mais fótons e podem medir uma faixa dinâmica maior. No nosso exemplo, o intervalo dinâmico é duas vezes maior na caixa maior.

Se o pixel estiver cheio de fótons, a conversão para cor será uma cor totalmente saturada, mas com uma superfície maior de pixels, obteremos um resultado melhor, assim, um alcance dinâmico aprimorado.

Aqui está uma imagem que pode demonstrar minha explicação:

Explicação do intervalo dinâmico

Para uma explicação mais detalhada, consulte este artigo:

Dynamic_Range

Itay Gal
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Bom, agora vou votar.
John Cavan
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Esta resposta é um bom começo, mas falta um fator crítico: Ruído eletrônico. Sim, é verdade que você aprimorou o alcance dinâmico (e menos ruído na captura de fótons) com pixels maiores. Deve-se notar, no entanto, que os ganhos obtidos com pixels maiores podem ser PERDIDOS devido ao ruído eletrônico no circuito do sensor, bem como no circuito de leitura e conversão. Teoricamente, a Canon 1D X deveria ter um alcance mais dinâmico que a Nikon D800, mas a D800 possui dois pontos a mais de DR. Por quê? O D800 possui MUITO menos ruído eletrônico (~ 3e-) do que o 1D X (~ 36e-).
jrista
Boa explicação da teoria, mas ignora completamente a prática!
Matt Grum
O artigo que você vinculou é realmente muito bom! Cumprimentos
Revious
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Considerando os sensores ideais, onde o ruído do fóton é a única preocupação, quanto maior o sensor, maior a faixa dinâmica. Faixa dinâmica é a diferença entre o ponto em que o sensor fica saturado e o ponto em que qualquer detalhe é perdido por ruído nas sombras.

Um sensor maior terá pixels maiores ou mais pixels. Pixels maiores significam uma maior capacidade de armazenar carga (todos os demais são iguais) e mais luz sendo capturada por pixel, portanto, menos luz nas sombras e, portanto, maior alcance dinâmico. Mais pixels significa o ruído semelhante por pixel, mas mais pixels ficam na média para reduzir o ruído das sombras e, portanto, aumentar o alcance dinâmico.

Na realidade, existem outras fontes de ruído, como o ruído de leitura, onde o sinal analógico produzido pelos photosites capta o ruído antes de ser digitalizado. Isso pode afetar a faixa dinâmica muito mais forte que as diferenças no tamanho do sensor. Sinais de baixa intensidade de áreas escuras da imagem são particularmente sensíveis ao ruído de leitura, portanto, o grande impacto no DR.

A nova tecnologia (encurtar o caminho do sensor para o ADC, enviar o sinal duas vezes e comparar os resultados) pode praticamente eliminar o ruído de leitura, permitindo que os sensores APS-C, como o Sony Exmor, excedam a faixa dinâmica dos sensores de quadro completo 2,5 vezes maiores da Canon, quase uma ordem de magnitude!

Também é necessário distinguir entre faixa dinâmica com boa luz e faixa dinâmica com pouca luz. O primeiro é determinado principalmente pelo ruído de leitura, portanto, um sensor pequeno pode se sobressair, desde que tenha baixo ruído de leitura e profundidade de poço decente o suficiente. Este último é dominado pelo ruído do fóton (o aumento do ISO em condições de pouca luz amplifica o ruído do fóton, mas não o ruído da leitura), portanto, sensores maiores tendem a ter um desempenho melhor aqui. Novamente, nem todos os sensores seguem a tendência.

Matt Grum
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O benefício do Sony Exmor é que é leitura digital. O sinal é analógico apenas enquanto a carga permanecer nos pixels. Após a leitura, o ADC paralelo à coluna na matriz converte imediatamente a carga analógica de cada pixel em uma unidade digital. Os componentes de alta frequência (relógio, pll, etc.) são colocados em outra parte da matriz para eliminar a introdução de ruído de alta frequência nos circuitos ADC. O sinal da imagem não é lido duas vezes ... uma "leitura de redefinição" é executada quando o sensor é redefinido para acumular o CDS digital como um "resultado negativo", que é então aplicado à "imagem lida" após a exposição.
jrista
O CDS por pixel foi eliminado. Eu nem acho que cada pixel tem um amplificador, como na saída quase silenciosa, todas as configurações ISO podem ser alcançadas com a amplificação digital. A carga de pixel analógico é convertida imediatamente em uma unidade digital e, a partir desse ponto, a transferência de informações corrigidas por erros é utilizada em todo o restante do pipeline de processamento de imagens. Isso elimina a chance de contaminação do sinal analógico por interferência de qualquer tipo o mais cedo possível.
jrista
Estou correto ao dizer que, dado o mesmo ruído de leitura (tecnologia etc), o sensor maior com pixels maiores terá menos ruído de fótons e, portanto, melhor alcance dinâmico devido ao aumento da latitude entre o menor ponto de carga e saturação?
Erotsppa 15/05
@erotsppa A área de superfície usada para calcular cada pixel final é tudo o que importa. Se você tiver quatro pequenos photosites e um grande tamanho de foto do mesmo tamanho, a média dos quatro será quase exatamente a mesma do grande photosite único. Ter mais photosites na mesma área de superfície apenas aumenta a frequência de amostragem; cada um terá características piores por si só, mas se a foto for reduzida para a mesma densidade de pixels, como se todos fossem apenas um grande photosite, não pareceria diferente. É por isso que as câmeras dos telefones celulares ficam bem nas telas dos telefones e ruins nas telas dos computadores.
Jody Lee Bruchon
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Não há razão para que um sensor maior possa fornecer uma faixa dinâmica maior ou menor ruído, além de mais área de superfície por pixel; no entanto, as câmeras full frame tendem a ser unidades de extremidade superior e, portanto, tendem a ter melhores sensores.

Observe que não há razão para que um sensor menor de resolução mais baixa não tenha melhor desempenho de ruído e faixa dinâmica se for produzido com uma qualidade semelhante a um sensor de quadro completo. O número de pixels por polegada na superfície dos sensores e a qualidade do sensor são os bits que importam.

AJ Henderson
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O exemplo com as caixas é muito verdadeiro e explica por que sensores maiores têm uma grande faixa dinâmica. Quanto menor o pixel, menor o número de fotoelétrons que ele pode armazenar (o número máximo de fotoelétrons que podem ser armazenados é chamado de capacidade total do poço). Ao reduzir o sensor, podemos chegar à situação em que apenas poucos elétrons podem ser armazenados, resultando em preto e branco imagem (sem tons de cinza! (:).

Portanto, não há dúvida de que um sensor maior possui uma faixa dinâmica mais alta se tudo o resto for o mesmo.

A questão é: você pode aumentar o alcance dinâmico diminuindo a resolução? Eu sei que se pode fazer isso com câmeras científicas CCD (eu pessoalmente fiz isso). Mas você pode fazer o mesmo com câmeras de consumidor e com CMOS? Presumo que sim, se você pode vincular 2 x 2 pixels em um (reduzindo efetivamente a resolução 4 vezes).

James Duckson
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De acordo com minha pesquisa, mesmo o tamanho do pixel não importa, a teoria da caixa é aplicável às condições de iluminação, pois pixels maiores coletam mais luz, certamente terão uma margem com pouca luz (senso comum), mas a tecnologia do sensor é o fator chave na faixa dinâmica , como faixa dinâmica é a capacidade do sensor de reter os itens vendidos em realces e sombras. Por exemplo, o alcance dinâmico de um sensor mais novo, pequeno ou grande ventilador, é melhor que o alcance dinâmico de um sensor de quadro completo mais antigo

Robert
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