Каковы физические причины отсечения?

Что именно ограничивает датчики современных цифровых камер в захвате интенсивности света за пределами определенного предела?

С точки зрения физических свойств самого датчика:

Количество ударов фотонов и количество свободных электронов, образующихся в результате таких ударов фотонов, до тех пор, пока в каждом фотосайте (a/k/a сенсор, пиксельная яма и т. д.) больше не останется доступных электронов с потенциалом освобождения, определяют его полную ячейку. емкость. Это не сильно отличается от пленки, в которой полное насыщение достигается, когда в эмульсии не осталось кристаллов галогенида серебра, у которых еще нет достаточного количества «пятнышек чувствительности», чтобы проявитель превратил их в атомарное серебро.. Основное отличие заключается в форме кривых отклика, когда каждая технология приближается к полной мощности. Цифровые результаты приводят к тому, что высвобождается одинаковое количество электронов на фотон¹ до тех пор, пока не будет достигнута полная емкость ямы. По мере того, как пленка приближается к полному насыщению, требуется все больше и больше световой энергии (или времени проявления), чтобы воздействовать на оставшиеся соли серебра.

Что касается записи аналоговых напряжений в виде цифровых данных:

Когда с датчика считывается аналоговое напряжение с каждого фотосайта (a/k/a 'sensel', 'pixel well' и т. д.), к сигналу применяется усиление. Настройка ISO камеры определяет степень усиления. На каждое увеличение ступени ISO применяется вдвое большее усиление. Если используется «базовая» чувствительность камеры (для простоты назовем ISO 100 усилением в 1,00 раза, при котором входное напряжение равно выходному напряжению), то фотосайты, достигшие полной емкости, должны давать максимальное значение напряжения на постусилении. аналоговая схема, питающая АЦП. Если используется ISO 200 (усиление 2,0X), напряжение от любого сенсора, достигшее половины (1/2) полной емкости или более, усиливается до максимального напряжения, допустимого в цепи постусиления.

Любое усиление, превышающее 1,0X, будет применять «потолок» ниже, чем полная емкость лунки каждого фотосайта. Когда используется сильное усиление, сигналы слабее полной емкости также достигают максимального напряжения цепей после усилителя. Любой уровень предварительно усиленного сигнала, который достаточно силен, чтобы «привязать счетчик» после усиления, неотличим от любого другого уровня предварительно усиленного сигнала, который также «привязывает счетчик».

Когда эти усиленные аналоговые сигналы преобразуются в цифровые данные с помощью аналого-цифрового преобразователя (АЦП), сигналам при максимальном напряжении цепи присваивается максимальное значение, допускаемое разрядностью аналого-цифрового преобразования. При преобразовании в 8-битные значения напряжениям присваивается значение в двоичном формате от 0 до 255. Максимальный сигнал, разрешенный аналоговой схемой, питающей АЦП, будет записан как 255. Если 14-разрядный, напряжениям присваивается значение от 0 до 16 383, а максимальному значению присваивается двоичное значение 16 383 и так далее.

Вывод, когда вы на самом деле фотографируете:

Вы получите наибольшую разницу и наилучшее количество градаций между самыми яркими и самыми темными² элементами в сцене, которую вы фотографируете, когда усиление находится на «базовой» чувствительности камеры, а время затвора и диафрагма объединены для получения самых ярких элементов в кадре. сцены достаточно экспозиции, чтобы быть на уровне или близком к полному насыщению. Использование более высокого значения ISO полезно, если невозможно использовать такую ​​длинную экспозицию или с достаточно широкой диафрагмой, чтобы приблизиться к полной насыщенности светлых участков сцены для изображения, которое вы хотите сделать. Но использование более высокого ISO имеет свою цену. Общий динамический диапазон уменьшается из-за более высокого усиления электрических сигналов, исходящих от датчика.

Так почему бы нам не снимать всегда с ISO 100 или с любым другим базовым значением ISO камеры, а затем увеличивать экспозицию позже? Потому что это приводит к усилению «шума» на изображении даже больше, чем при съемке с более высокими значениями ISO. Насколько больше, зависит от того, насколько и где шумоподавление применяется к сигналу. Но уменьшение влияния шума за счет применения шумоподавления к аналоговым напряжениям, поступающим от датчика, также имеет свою цену — очень тусклые точечные источники света часто отфильтровываются как «шум». Вот почему некоторые камеры с очень хорошими характеристиками при слабом освещении/высоком значении ISO с точки зрения шумоподавления также известны астрофотографам как «пожиратели звезд».

_{¹ Существует небольшая вариация энергии, содержащейся в фотоне, в зависимости от частоты, с которой он колеблется. Фотоны, колеблющиеся на более низких частотах, выделяют немного меньше энергии при попадании на органы чувств, чем фотоны, колеблющиеся на более высоких частотах. Но для фотонов, колеблющихся с определенной частотой/длиной волны, количество энергии, высвобождаемой при ударе о дно пиксельной лунки, остается одинаковым до тех пор, пока не будет достигнута полная емкость лунки.}

_{² Мы называем разницу между самыми темными и самыми яркими элементами, которые могут быть записаны датчиком (или пленкой), динамическим диапазоном носителя записи. На каждую ступень повышения чувствительности (ISO) цифровой камеры линейная разница напряжений между «нулем» и «полным насыщением» уменьшается вдвое. При преобразовании в логарифмические шкалы, такие как «Ev», удвоение чувствительности приводит к уменьшению одного «стопа» динамического диапазона (при прочих равных, что бывает редко).}

В дополнение к превосходному ответу Майкла Кларка (описывающему отсечение полной емкости и отсечение АЦП), есть несколько других точек в конвейере цифровой фотографии, где может произойти отсечение:

• Для изображений, отличных от RAW, во время цветокоррекции/автоматической настройки гаммы на устройстве перед сжатием и во время самого сжатия.

  Когда вы сжимаете изображение в формате JPEG или MPEG, аппаратное обеспечение усекает разрядность до значения, которое поддерживает сжатый носитель, что обычно намного меньше аппаратной разрядности. Из-за этого усечения теряются значения вблизи обоих крайних значений яркости.

  Перед сжатием ваша камера применяет цветокоррекцию и корректировку гаммы, которые могут повлиять на эффективный динамический диапазон, соответствующий ограниченной битовой глубине, обеспечиваемой компрессором. Например, при записи видео в режиме Canon Log самые темные и самые светлые части сцены математически смещаются к центру, так что эффективный динамический диапазон значительно увеличивается, и меньшее количество частей изображения будет обрезано на обоих концах диапазона.

• Во время постобработки. При выполнении постобработки, которая значительно изменяет яркость изображения, на ранних этапах вычислений возможно, что значения превысят диапазон, который может быть правильно представлен числом битов, используемых для их хранения. Хотя это редко, но иногда это происходит, и когда это происходит, это может привести к обрезке даже в тех областях фотографии, которые на самом деле не обрезаны в исходном изображении.

• Во время коррекции цветовой гаммы при печати или отображении изображения. При выполнении цветокоррекции иногда можно получить значения, выходящие за пределы гаммы, которая может быть точно воспроизведена носителем вывода. В этот момент цветовой процессор должен решить, что делать с этими значениями вне гаммы. Это также эффективно приводит к отсечению, хотя визуально это выглядит несколько иначе, чем то, о чем думает большинство людей, когда они говорят об отсечении, что обычно приводит к тому, что вещи выглядят неправильными.

Простое эмпирическое объяснение:

Посмотрите на очень яркую лампочку, если свет достаточно яркий, вы не сможете увидеть внутреннюю часть лампочки, потому что ваши зрачки могут сузиться сильнее, а слишком много света попадает на сетчатку, насыщая ее и достигая информацию. ваш мозг обрезан (вы видите только яркий свет, но не детали внутри света). Это одна из причин, почему, если вы попытаетесь, вы не должны этого делать, глядя прямо на ясное небо, полуденное солнце, вы не сможете увидеть солнце, но интенсивный свет (остерегайтесь, пытаясь сделать это без надлежащая защита может на самом деле нанести необратимый вред вашим глазам или вашему фотооборудованию, линзам и сенсору)

Любой датчик ведет себя одинаково (от вашей камеры или другого). Как только сигнал (в данном случае свет) становится слишком высоким для своей мощности (достигает уровня насыщения), он отсекает любую дополнительную информацию, он не может различить больше сигнала, передавая только плоский высокий сигнал без какой-либо ценной информации.