DUAL AMPLIFICATION SENSORS / METODA CELOR 4 STOPURI, numita si ZERO NOISE / ISO LESS / DUAL ISO
____________________________________________
CUPRINS:
1. Aparitia unui senzor cu rezultate mai deosebite
2. Ce este defapt Dynamic Range
2.1 Masuratorile DPREVIEW versus DXO
3. Amplificarea duala o metoda de marire a Dynamic Range
3.1. Primele teorii (anul 2003)
3.2. Un arhitect creaza un software tool dedicat (anul 2007)
3.3. Un fizician redescopera si explica metoda (anul 2008)
3.4. Primii senzori (anul 2010)
3.6. Primii senzori de la Canon (anul 2015)
____________________________________________
1. Aparitia unui senzor cu rezultate mai deosebite
Cum am mai scris si in alte postari mai vechi, de obicei sunt sceptic cand producatorii afirma ca au imbunatatit cu 1 stop de ISO calitatea imaginii de la o generatie de aparate foto la urmatoarea. Dar la sfarsit de 2010 cand a aparut Nikon D7000 (urmat apoi de aparate Pentax si Sony care foloseau acelasi senzor) am observat ca pentru prima data cineva a reusit sa imbunatateasca semificativ calitatea imaginii fata de generatia precedenta de senzori foto digitali.
Am observat ca in fotografiile facute cu D7000 la ISO mic, zonele negre erau mult mai curate de zgomot digital. Au aparut si teste in care se reusea recuperarea la calitate decenta din fotografii RAW la ISO 100 subexpuse cu 5 stopuri si care erau complet negre.
Conform masuratorilor DXO, Dynamic range-ul se imbunatatise cu 1,5 stopuri fata de generatia precedenta de CMOS-uri fabricate de Sony. Diferenta se vedea in imaginile realworld la iluminarea suplimentara a umbrelor (exemplu) care era necesara in editarea unor fotografii realizate in contrast mare, sau la ridicarea globala a luminozitatii unei imagini subexpuse din gresala.
DXO comparatie Dynamic Range intre 2 generatii consecutive
2. Ce este defapt Dynamic Range
La aparitia masuratorilor DXO in 2008 nu intelegeam exact ce masoara DXO prin dynamic range, pentru ca venind din lumea filmului fotografic aveam in minte o definitie gresita despre dynamic range. La acel moment prin “Dynamic Range” intelegeam ceva de genul:
http://en.wikipedia.org/wiki/Dynamic_range#Photography
“luminance range of a scene being photographed, or the limits of luminance range that a given digital camera or film can capture”
Deci intelegeam un fel de limite de luminozitate pe care le captureaza camera cu setarile pe default.
____________________________________________
2.1 Masuratorile DPREVIEW versus DXO
Exact aceasta luminozitate o masura si dpreview in reviewurile aparatelor foto, cu multi ani inainte ca siteul DXO sa apara.
http://www.dpreview.com/reviews/canoneos7d/17
http://www.dpreview.com/reviews/nikond7000/14
Masuratorile de Dynamic Range ale DPREVIEW.COM
Masuratorile Dynamic Range ale DPREVIEW nu se potriveau deloc cu cele ale DXO. Aveau alte rezultate in stopuri de expunere (Ev) si alte clasamente intre camere.
____________________________________________
Dar in lumea digitala in programele software de editat fotografii ai un slider cu care poti foarte usor ilumina umbrele. Oricum asupra imaginilor RAW se aplica o curba pe luminozitate (curba de ton) atunci cand sunt demozaicate din matrice RGGB (Bayern) in imagine de tip HSL/HSV.
DPREVIEW masura defapt ce gama de luminozitati putea surprinde aparatul foto in functie de modul cum era demozaicata matricea RGGB. Daca stai bine sa te gandesti este o definitie GRESITA a Dynamic Range, pentru ca imaginea finala va arata o gama de luminozitate in functie de setarile blackpoint, whitepoint si curba de ton care se aplicau in timpul demozaicarii (in camera in JPEG sau out of camera cu convertoare RAW).
Asa ca definitia corecta ar fi ca gama de luminozitate pe care o poate inregistra o camera foto este in functie de cat de puternic poti ilumina umbrele (negrul care nu este clipped, adica nu este negru pur). Iar cat de tare putem ilumina umbrele este in functie de cat de mult zgomot avem in ele. Si asa ajungem la ceea ce este definitia corecta a “Dynamic range”:
http://en.wikipedia.org/wiki/Dynamic_range#Electronics
“the ratio of maximum and minimum signal levels required to maintain a specified bit error ratio.”
Daca ne uitam in explicatiile DXO in legatura cu dynamic range, acestia au o definitie impecabila a Dynamic Range:
“Dynamic range is defined as the ratio between the highest and lowest gray luminance a sensor can capture. However, the lowest gray luminance makes sense only if it is not drowned by noise, thus this lower boundary is defined as the gray luminance for which the SNR > 1″
____________________________________________
3. Amplificarea duala o metoda de marire a Dynamic Range
____________________________________________
3.1. Primele teorii (anul 2003)
–
Metoda de marire a “Dynamic Range” prin dubla amplificare a fost descrisa in lucrarea de doctorat a Michelle Wang (coordonata de dr. Eric Fossum inventatorul senzorilor CMOS):
http://ericfossum.com/Publications/Papers/2001%20Program%20A%20High%20Dynamic%20Range%20CMOS%20APS%20Image%20Sensor.pdf
si inregistrata ulterior intr-un patent http://www.google.com/patents/US6734905
Patentul spune ca se fac doua amplificari ale semnalului (claim 23), care vor fi ulterior imbinate.
____________________________________________
3.2. Un arhitect creaza un software tool dedicat (anul 2007)
–
Aceeasi metoda este explicata si pusa in practica printr-un program software in vara 2007 de arhitectul si fotograful de arhitectura Guillermo Luijk, pentru reduce noise-ul in umbre cand se foloseste ISO mic (deci de a creste dynamic range).
http://www.guillermoluijk.com/article/nonoise/index_en.htm
http://www.guillermoluijk.com/software/zeronoise/
http://guillermoluijk.com/tutorial/zeronoise/index.htm (traducerea in Engleza)
Metoda foloseste urmatorii pasi:
1) Se face o expunere normala la ISO 100 (daca imaginea are constraste puternice, atunci de preferinta a fie expusa la limita de saturare a zonelor luminoase, numita metoda ETTR exposure to the right).
2) Se face o expunere la ISO 1600 dar cu aceasi parametri de timp expunere si diafragma ca si la fotografia de la pasul 1. Deci aceasta imagine va fi supraexpusa cu 4 stopuri.
3) Cele doua imagini se vor combina folosind un algoritm specializat (un program software de “image fusion” numit Zero Noise), care foloseste fotografia la ISO 100 pentru zone luminoase si tonuri medii, in timp ce zonele intunecate (umbrele) sunt extrase din imaginea luata la ISO 1600, iar luminozitatea lor (a umbrelor) este scazuta software (digital) cu 4 stopuri.
Output-ul este TIF 16bit sau RAW (format DNG). Deoarece cele doua imagini se iau in momente diferite, metoda nu este potrivita pentru subiecti in miscare. Din cate stiu versiunea cu output DNG nu a fost facuta publica, ci doar a fost aratat un demo.
Metoda se poate aplica mai usor si la Olympus E3 care stie ISO bracketing intr-o singura declansare, deci se poate folosi pentru subiecti in miscare:
http://www.dpreview.com/forums/post/28774974
Aceeasi metoda de imbinare se poate utiliza si folosind softul Adobe Photoshop:
http://jtrujillo.net/qpix/
Sau in Linux sau pe Webservere care folosesc libraria ImageMagic:
Un demo:
http://photography-on-the.net/forum/showthread.php?t=775795
____________________________________________
3.3. Un fizician redescopera si explica metoda (anul 2008)
–
In 2008 fizicianul Emil Martinec scria un articol pe forumul dpreview in care explica aceeasi metoda.
El sugereaza producatorilor de senzori sa foloseasca aceasta metoda direct in camera, folosind amplificare duala a semnalui unui photosite preluat pe doua canale independente, dupa care imbinarea celor doua semnale, in functie de nivelul luminozitatii.
Amplificarea duala a aceluiasi semnal de la fotosit, inseamna ca metoda se va putea folosi si la subiecti in miscare.
http://www.dpreview.com/forums/post/28749589
http://www.dpreview.com/forums/post/28750076
explica de unde vin beneficiile
http://www.dpreview.com/forums/post/28776466
si detaliata mai departe din punct de vedere hardware
http://www.dpreview.com/forums/post/28804685
http://www.dpreview.com/forums/post/28775050
http://www.dpreview.com/forums/post/28775962
http://www.dpreview.com/forums/post/28807793
http://www.dpreview.com/forums/post/28824684
si posibilele probleme cu tranzitiile bruste de la zone supra-lumininoase la zone foarte-intunecate
http://www.dpreview.com/forums/post/28803255
de care 5 ani mai tarziu aveau sa se loveasca si cei de la Magic Lantern cand au implementat aceasta metoda
denumirea de camere/senzori ISO-less
http://www.dpreview.com/forums/post/28828709
____________________________________________
3.4. Primii senzori (anul 2010)
–
In toamna 2010, CMOSIS (producatorul de senzori folositi in camere Leica) arata un prototip al unui senzor cu amplificare duala:
http://www.photonicsonline.com/doc/cmosis-outlining-low-noisehigh-dynamic-image-0001
http://www.imagesensors.org/Past%20Workshops/2011%20Workshop/2011%20Papers/R36_Wang_DualTG.pdf
Tot atunci APTINA si SONY introduc pe piata in productie de serie, primii senzori care folosesc aceasta metoda.
http://photonstophotos.net/Aptina/DR-Pix_WhitePaper.pdf
Update 2018: Gresit, Aptina foloseste o altfel de tehnologie, patentul a fost cumparat de Sony si folosit in aparate mai noi. https://www.youtube.com/watch?v=oVipu-EZBzw , https://www.dpreview.com/forums/post/53968311 , http://ntuzhchen.blogspot.ro/2010/10/aptina-dr-pix.html . Se poate recunoaste in genul acesta de grafice unde se vede ca de la ISO 640 creste dynamic range.
Senzorii sunt denumiti popular ISO LESS. Primii senzori care folosesc metoda, au un avantaj de 1,5 trepte dynamic range, fata de senzorii CMOS fabricati de Sony cu 1 an in urma. Senzorul face o expunere la doua amplificari diferite (doua valori ISO diferite), care sunt combinate in camera (probabil circuitul este chiar in senzor), iar output-ul este un fisier RAW (proprietar).
Fata de metoda lui Guillermo Luijk au avantajul ca se pot folosi la subiecti in miscare.
____________________________________________
–
In vara 2013 hackeri de la Magic Lantern care dezvolta un firmware custom made pentru dSLR-uri Canon (incepand cu anul 2009), reusesc sa aiba acces low-level la citirea senzorului si folosesc aceasi metoda pe care o denumesc DUAL ISO.
http://www.magiclantern.fm/forum/?topic=7139.0
whitepaper: http://acoutts.com/a1ex/dual_iso.pdf
Singurele camere care se pot folosi pentru subiecti in miscare sunt 5D mark III si 7D (deoarece sunt singurele camere Canon non-seria 1 care au 2 randuri de amplificatori per column) care pot face 2 amplificari (expuneri) in acelasi timp dar la ISO diferit, la o singura ridicare a perdelei. Pentru celalalte camere dezvoltate de Magic Lantern fie se fac doua ridicari ale perdelei fie se injumatateste rezolutia (amplificandu-se diferit 2 coloane consecutive de pixeli), deci metoda nu este potrivita pentru subiecti in miscare.
Functia Dual Iso este customizabila si se poate folosi impreuna cu functia Auto-ETTR.
Outputul este de tip RAW (format DNG).
____________________________________________
3.6. Primii senzori de la Canon (anul 2015)
–
In primavara 2015 apare prima implementare la o camera video high-end Canon C300 mark II (15.000$), probabil folosind tehnologia descrisa in acest patent:
http://image-sensors-world.blogspot.se/2013/08/canon-files-for-dual-range-column.html
Producatorul da in specificatii un dynamic range de 15 stops.
Update 2016: Au aparut si primii senzori iso-less in camerele foto Canon, in februarie 2016 incepand cu Canon 1Dx mark II, apoi Canon 80D, Canon 5D mark IV.
Dynamic range 5Dm3 vs 5Dm4