Зачем цифровым камерам вообще нужна выдержка?

Насколько я понимаю цифровые камеры, они в основном представляют собой объектив плюс крошечный двумерный массив из миллионов фотодиодов. И насколько я понимаю фотодиоды, они создают напряжение, когда находятся на свету, при этом более интенсивный свет сразу же вызывает более высокое напряжение.

Однако, если бы все это было правдой, не было бы необходимости в экспозиции в цифровых камерах: отдельные напряжения можно было бы считывать и (при условии, что наш считыватель напряжения достаточно чувствителен, а электрические помехи незначительны) мы получили бы такое же точное изображение. по возможности практически мгновенно.

Но это не то, что происходит. Так где мое понимание неверно? И есть ли цифровые камеры, которые работают таким образом?

Извините, если это лучше подходит для electronics.SE , но я чувствовал, что этот вопрос будет более интересен этой аудитории.

Звучит очень скучно (идея без времени экспозиции, а не так, как вы задали вопрос): P
«при условии, что наш считыватель напряжения достаточно чувствителен, а электрический шум незначителен» . Это довольно большие предположения, с которых можно начать...

Ответы (4)

Я приехал из отдела электроники, поэтому добавлю немного информации по физике электроники/полупроводников к паре ответов, которые вы уже получили.

Я думаю, что ключевое недоразумение у вас заключается в том, что фотодиод не создает напряжение в ответ на свет, он создает ток. Каждый фотон, попадающий на фотодиод, генерирует мобильный электрон внутри устройства (на самом деле это «электронно-дырочная пара», но если вам нужен такой уровень детализации, вам лучше обратиться с вопросом к EE.SE). Миллионы электронов вместе составляют измеримый электрический ток. Наконец, когда этот ток используется для зарядки конденсатора, у вас есть измеримое напряжение, которое можно измерить или записать для формирования пикселя на вашем изображении.

Вот почему, как говорит cmason, датчику требуется некоторое время, чтобы заполнить каждое «ведро», и, как говорит mattdm, аккумулятору требуется время, чтобы заполниться до точки, которую можно измерить для формирования изображения.

Я рад, что этот ответ был написан, я изначально написал такой ответ, пытаясь объяснить физику полупроводников, но решил, что, вероятно, не сделаю это достаточно ясно.
@ Фил, я думаю, что последний абзац вашего ответа, где вы сосредоточены на том, чтобы дождаться прибытия реальных фотонов, на самом деле достигает фундаментального предела того, почему нам нужно ненулевое время экспозиции. Я просто пытался устранить ключевое недоразумение, которое я увидел в помещении ОП по поводу вопроса.
Просто чтобы убедиться, что я понимаю: это просто потому, что ток, создаваемый такими крошечными фотодиодами, слишком мал для мгновенного точного измерения / без шума, поэтому мы должны добавить конденсатор, чтобы мы могли измерить общий заряд, протекающий через промежуток времени. Это правильно?
@ BlueRaja-DannyPflughoeft, основная причина в том, что сказал Фил: вам нужно подождать, пока прибудет достаточно фотонов, чтобы создать изображение с низким уровнем шума. Это в основном сводится к тому же самому для электронов. С точки зрения электроники также верно, что наши методы измерения тока обычно требуют сначала преобразовать их в напряжение.

Цифровые камеры пытаются сделать именно это, но только из-за шума, которого они не делают. Например, камера может быть описана как имеющая произвольно высокое значение ISO, и, следовательно, правильная экспозиция будет получена с произвольно короткой выдержкой.

Создание большого формата с низким разрешением из больших фотодиодов может быть интересным проектом.

Я также думаю, что в будущем в датчики будут интегрированы системы «мультиэкспозиции» — записывайте значения датчика в середине экспозиции, но держите затвор открытым, чтобы получить больше деталей в черном цвете.

Ниже приведен примерный расчет энергии, улавливаемой пикселем современной цифровой зеркальной фотокамеры во время экспозиции при комнатном освещении:

На сайте Photon Behavior Уоррена Марса представлена ​​таблица количества фотонов, падающих на пиксели разного размера при различных условиях освещения при выдержке 1/60 секунды.

Самый маленький пиксель, указанный в таблице, имеет размер 70 мкм², что в три раза больше, чем у D7000; имидж -сканер D7000 имеет размер пикселя 4,78 мкм.

При «освещении гостиной» это дает значение около 110 000 фотонов на пиксель на D7000.

Красный фотон имеет энергию около 1,6*10E-19 Дж. Видно, что энергия на пиксель составляет порядка 10E-14 Дж. Действительно, очень маленькое количество энергии для измерения.

Пиксель на сенсоре

Для получения дополнительной информации (и источника изображения): http://www.gyes.eu/photo/sensor_pixel_sizes.htm

Следует также отметить, что в принципе камера с нулевой секундной выдержкой невозможна, поскольку она не даст фотонам времени попасть на поверхность. Предположим, мы создаем камеру для подсчета фотонов, которая может обеспечить 100% точный нулевой шум для подсчета фотонов, попадающих в каждый пиксель. Чтобы получить 10-битное изображение, для самых ярких пикселей требуется 1024 фотона. При комнатном освещении (с использованием шага пикселя от D7000) 2 миллиона фотонов попадают на каждый пиксель каждую секунду. Разделив 2 миллиона фотонов на количество уровней яркости (1024), мы получим теоретическую максимальную частоту кадров 1950 кадров в секунду. 1/1950 будет минимально возможным временем экспозиции для 10-битного изображения при комнатном освещении.

Интересно, что последний момент: при диафрагме f/1,4 и выдержке ¹⁄₁₉₅₀ ISO 6400 теоретически должен обеспечить правильную экспозицию при комнатном освещении. Там может не быть 10 бит реального динамического диапазона, и это будет довольно шумно, но я думаю, что современные камеры реального мира находятся на уровне вашего теоретического максимума.
Digital cameras attempt to do exactly that, it is only because of noise that they do not.- хм, это не может быть правильным, хотя. Если бы это было так, любой уровень освещенности, вызывающий напряжение, не близкое к уровню шума, мог бы быть считан мгновенно; и любые напряжения около или ниже уровня шума вообще не могли быть прочитаны. «Выставление» диодов на короткое время для усреднения значений может помочь, когда мы немного превышаем уровень шума, но в любом другом случае в экспозиции вообще не было бы необходимости.
Также ваш последний абзац неверен; если фотодиоды измеряют мгновенную амплитуду света (что, я полагаю, они и делают) , вам вообще не нужно было бы оставлять изображение «экспонированным» в течение какого-либо периода времени - значения можно было бы просто считывать мгновенно. Я думаю, вы путаете это с «облучением диодов в течение 0 раз», что смешивает то, как работают цифровые камеры, с тем, как работают аналоговые камеры.
В сенсорах цифровых камер есть еще много чего, чего я здесь не касался. Я имел в виду, что большинство цифровых камер пытаются сделать снимок с правильным замером с минимально возможной выдержкой, тем самым увеличивая устойчивость к дрожанию камеры и движущимся объектам. Я проанализировал ситуацию при слабом освещении, чтобы показать, что выдержка в ноль секунд не имеет физического смысла.
@ BlueRaja-DannyPflughoeft Я думаю, что вы упускаете из виду то, что количество энергии, регистрируемой каждым крошечным фотодиодом, очень мало . На то и аккумулятор — «колодец».
У меня было немного времени после полудня, и я решил изучить эту тему подробнее. Я обнаружил, что в моей теории и математике есть некоторые неточности. У меня сейчас нет времени исправлять их, и я не думаю, что они влияют на способность моего ответа ответить на вопрос. Пожалуйста, не принимайте в настоящее время ни одно из представленных чисел за повторяющийся факт. Я не хочу распространять дезинформацию.

Более яркий свет сразу же вызывает более высокое напряжение, но не намного выше. Это важная часть. Если вы хотите, чтобы изображение выглядело так, как ожидает глаз, вам нужно либо усилить сигнал (увеличив разницу между высокими и низкими, правильными и неправильными из-за шума) , либо вам нужно читать дольше, увеличивая фактический образец. Последнее — это то, что делают датчики, используемые в цифровых камерах.

Каждый фотосайт представляет собой не только светочувствительный фотодиод, но и содержит аккумулятор, называемый «колодцем». Поскольку фотодиод продолжает вырабатывать напряжение (поскольку он подвергается воздействию света), аккумулятор заполняется. Если свет, падающий на определенный участок, яркий, этот колодец быстро заполняется. Если свет тусклый, он заполняется медленно. Когда экспозиция завершена, уровень в лунке замеряется и преобразуется в цифровое значение.

Конечно, при ярком свете данных много, поэтому короткая выдержка рисует точную картину (извините за оборот речи). Однако при слабом освещении просто не так много энергии для измерения. Если вы просто сделаете быструю выборку, шум от считывания датчика и другие неизбежные случайности реального мира приведут к такой же сильной вариации, как «законная» разница между более полными и более пустыми фотосайтами, и нет никакого способа сказать, что есть что.

Вот что бывает, когда берешь недоэкспонированное изображение и пытаешься провернуть усиление программно: шум, шум, шум, а может просто чернота. И любое мгновенное чтение (без аккумулятора) не будет иметь достаточного количества данных, чтобы быть полезным.

Вот так просто, на самом деле. Оказывается, современные сенсоры лучше справляются с этим, чем химически обработанная пленка: вот почему мы можем иметь, казалось бы, безумные значения ISO от 25k и выше. Они способны измерять достаточно точно, чтобы можно было применить большое усиление без того, чтобы шум стал подавляющим. По сути, однако, по сравнению с волшебным устройством мгновенного чтения, мы все еще находимся на том же уровне.

Я не верю, что это правильно, пожалуйста, смотрите мой первый комментарий выше.
Какую часть вы не считаете правильной? (Я даже не уверен, что вы подразумеваете под «выше», поскольку ответы можно просматривать в другом порядке.)

Самый простой ответ заключается в том, что свет основан на частицах, состоящих из фотонов. Цифровой датчик — это не одиночный фотонный триггер, а ведро для измерения. Я полагаю, что именно здесь вы запутались: датчик не является бинарным и не чувствителен к одному фотону: фотон не «включает» место фото датчика. Вместо этого измеряется то, насколько полно ведро. Необходимо дать достаточно времени для правильного заполнения ведра, иначе изображение не будет записано.

Более яркие сцены испускают больше фотонов с более высокой энергией, поэтому ведро наполняется быстрее. Переполнение ведра приводит к передержке изображения, потере деталей или «размыванию» изображения. Чтобы предотвратить это вымывание, вы просто сокращаете время сбора фотонов.

Я так понимаю фотодиоды не работают как вы описали. Вместо этого они мгновенно измеряют амплитуду света (или, если вы предпочитаете объяснение с точки зрения частиц, скорость, с которой проникают фотоны) . Если бы ваша версия ведра была верна, это объяснило бы необходимость разоблачения; но, к сожалению, я не верю, что это так.
Я попытался объяснить это более четко в своем ответе; фотосайт - это не просто фотодиод.
@BlueRaja-DannyPflughoeft - Верьте или нет (по вашему желанию); вера не имеет к этому никакого отношения. Нет никакого «светового давления», есть только скорость фотонов. (Существует также энергия фотона , но она определяется длиной волны, а не интенсивностью.) Эта скорость является вероятностной, поэтому минимальный случай (измерение времени между двумя последовательными взаимодействиями фотонов в месте) не является статистически достоверным измерением средней скорости . излучения фотонов. Косвенное измерение (потенциальная электрическая энергия, вызванная взаимодействием фотонов с датчиком) основано на накоплении.
Зачем цифровым камерам вообще нужна выдержка?
СпросиСетьПолитика конфиденциальности1y, 0v