Qu'est-ce qui limite exactement les capteurs d'appareils photo numériques modernes pour capturer l'intensité lumineuse au-delà d'un certain point?
Qu'est-ce qui limite exactement les capteurs d'appareils photo numériques modernes pour capturer l'intensité lumineuse au-delà d'un certain point?
Réponses:
Qu'est-ce qui limite exactement les capteurs d'appareils photo numériques modernes pour capturer l'intensité lumineuse au-delà d'un certain point?
En termes de propriétés physiques du capteur lui-même:
Le nombre de frappes de photons et le nombre d'électrons libres résultant de ces frappes de photons jusqu'à ce qu'il n'y ait plus d'électrons disponibles ayant le potentiel d'être libérés dans chaque photosite (a / k / a sensel, puits de pixels, etc.) définissent son puits complet capacité. Ce n'est pas très différent du film, dans lequel la pleine saturation est atteinte lorsqu'il n'y a plus de cristaux d'halogénure d'argent dans l'émulsion qui n'ont pas déjà suffisamment de `` points de sensibilité '' pour être transformés en argent atomique par le développeur. La principale différence est la forme des courbes de réponse lorsque chaque technologie approche de sa pleine capacité. Les résultats numériques entraînent la libération du même nombre d'électrons par photon¹ jusqu'à ce que la pleine capacité du puits soit atteinte. À mesure que le film approche de sa pleine saturation, de plus en plus d'énergie lumineuse (ou de temps de développement) est nécessaire pour affecter les sels d'argent restants.
En termes d'enregistrement des tensions analogiques sous forme de données numériques:
Lorsque la tension analogique de chaque photosite (a / k / a «sensel», «pixel well», etc.) est lue à partir du capteur, l'amplification est appliquée au signal. Le réglage ISO de la caméra détermine la quantité d'amplification appliquée. Pour chaque augmentation d'arrêt d'ISO, deux fois plus d'amplification est appliquée. Si la sensibilité "de base" de la caméra (pour des raisons de simplicité, appelons ISO 100 une amplification de 1,00X dans laquelle la tension d'entrée est égale à la tension de sortie) est utilisée, alors les photosites qui ont atteint la pleine capacité du puits devraient entraîner une lecture de tension maximale sur la post-amplification circuit analogique alimentant l'ADC. Si ISO 200 (amplification 2.0X) est utilisé, la tension de n'importe quel capteur ayant atteint une capacité de demi-puits (1/2) ou plus est amplifiée à la tension maximale autorisée sur le circuit de post-amplification.
Toute amplification supérieure à 1,0X appliquera un "plafond" inférieur à la pleine capacité du puits de chaque photosite. Lorsqu'une amplification élevée est utilisée, des signaux plus faibles que la pleine capacité atteignent également la capacité de tension maximale des circuits en aval de l'amplificateur. Tout niveau de signal pré-amplifié suffisamment fort pour «fixer le compteur» après l'amplification est impossible à distinguer de tout autre niveau de signal pré-amplifié qui «rattachera également le compteur».
Lorsque ces signaux analogiques amplifiés sont convertis en données numériques par le convertisseur analogique-numérique (ADC), les signaux à la capacité de tension maximale du circuit reçoivent la valeur maximale autorisée par la profondeur de bits de la conversion analogique-numérique. En cas de conversion en valeurs 8 bits, les tensions se voient attribuer une valeur en binaire comprise entre 0 et 255. Le signal maximal autorisé par le circuit analogique alimentant l'ADC serait enregistré comme 255. Si 14 bits, les tensions se voient attribuer une valeur comprise entre 0 et 16 383, la valeur maximale étant affectée d'une valeur binaire de 16 383, etc.
À emporter lorsque vous prenez réellement des photos:
Vous obtiendrez la plus grande différence et le plus grand nombre de gradations entre les éléments les plus clairs et les plus sombres² de la scène que vous photographiez lorsque l'amplification est à la sensibilité "de base" de l'appareil photo et que le temps d'obturation et l'ouverture sont combinés pour donner les éléments les plus brillants la scène juste assez exposée pour être à pleine saturation ou presque. L'utilisation d'une valeur ISO plus élevée est utile s'il n'est pas possible d'exposer aussi longtemps ou avec une ouverture suffisamment large pour approcher la saturation complète des hautes lumières de la scène pour l'image que vous souhaitez créer. Mais l'utilisation d'un ISO plus élevé a un prix. La plage dynamique totale est réduite par l'amplification plus élevée des signaux électriques provenant du capteur.
Alors pourquoi ne tirons-nous pas toujours à 100 ISO, ou quelle que soit l'ISO de base de l'appareil photo, puis repoussons l'exposition plus tard dans la publication? Parce que le faire de cette façon a tendance à amplifier le "bruit" dans l'image encore plus que le fait de prendre des valeurs ISO plus élevées. La quantité dépend de la quantité et de l'endroit où la réduction du bruit est effectuée sur le signal. Mais la réduction de l'influence du bruit en appliquant une réduction du bruit aux tensions analogiques provenant du capteur a également un prix - les sources lumineuses très faibles sont souvent filtrées en tant que «bruit». C'est pourquoi certains appareils photo avec de très bonnes performances en faible luminosité / ISO élevée, en termes de réduction du bruit, sont également appelés «mangeurs d'étoiles» par les astrophotographes.
¹ Il y a une légère variation de l'énergie contenue dans un photon en fonction de la fréquence à laquelle il oscille. Les photons oscillant à des fréquences plus basses libèrent un peu moins d'énergie lorsqu'ils frappent le sensel que les photons oscillant à des fréquences plus élevées. Mais pour les photons oscillant à une fréquence / longueur d'onde spécifique, la quantité d'énergie libérée lors de la frappe au fond d'un puits de pixel est la même jusqu'à ce que la pleine capacité du puits soit atteinte.
² Nous appelons la différence entre les éléments les plus sombres et les plus brillants qui peuvent être enregistrés par un capteur (ou un film) la plage dynamique du support d'enregistrement. Pour chaque arrêt d'augmentation de sensibilité (ISO) avec un appareil photo numérique, la différence de tension linéaire entre "zéro" et "saturation totale" est divisée par deux. Lorsqu'il est converti en échelles logarithmiques, telles que «Ev», le doublement de la sensibilité entraîne une réduction d'un «arrêt» de la plage dynamique (toutes choses étant égales par ailleurs, ce qui est rarement le cas).
Pour ajouter à l'excellente réponse de Michael Clark (décrivant l'écrêtage à pleine capacité et l'écrêtage ADC), il existe plusieurs autres points dans un pipeline de photographie numérique où l'écrêtage peut se produire:
Pour les images non RAW, pendant la correction des couleurs sur l'appareil / l'ajustement automatique du gamma avant la compression, et pendant la compression elle-même.
Lorsque vous compressez une image au format JPEG ou MPEG, le matériel tronque la profondeur de bits à tout ce que le support compressé prend en charge, ce qui est généralement beaucoup moins que la profondeur de bits du matériel. En raison de cette troncature, les valeurs proches des deux extrêmes de luminosité sont perdues.
Avant la compression, votre caméra applique une correction des couleurs et des ajustements gamma qui peuvent affecter la plage dynamique efficace qui correspond à la profondeur de bits limitée fournie par le compresseur. Par exemple, lors de l'enregistrement vidéo en mode Canon Log, les parties les plus sombres et les plus claires de la scène sont mathématiquement tirées vers le centre de sorte que la plage dynamique effective augmente de manière significative, et moins de parties de l'image seront écrêtées à chaque extrémité de la plage.
Pendant le post-traitement. Lorsque vous effectuez un post-traitement qui modifie considérablement la luminosité d'une image, il est possible que les premiers stades du calcul entraînent réellement des valeurs dépassant la plage qui peut être correctement représentée par le nombre de bits utilisés pour les conserver. Bien que cela soit rare, cela se produit parfois et, dans le cas contraire, cela peut provoquer un écrêtage même dans les zones de la photo qui ne sont pas réellement écrêtées dans l'image d'origine.
Pendant la correction de la gamme de couleurs lors de l'impression ou de l'affichage de l'image. Lors de la correction des couleurs, vous pouvez parfois obtenir des valeurs qui sortent de la gamme et qui peuvent être reproduites avec précision par le support de sortie. À ce stade, le moteur de couleur doit décider quoi faire avec ces valeurs hors gamme. Cela se traduit également par un écrêtage, bien qu'il soit visuellement quelque peu différent de ce que la plupart des gens pensent quand ils parlent d'écrêtage, ce qui donne généralement des choses de la mauvaise couleur.
L'explication empirique facile:
Regardez une ampoule très brillante, si la lumière est suffisamment brillante, vous ne pourrez pas voir l'intérieur de l'ampoule car vos pupilles peuvent se fermer davantage et il y a encore trop de lumière frappant votre rétine, la saturant et les informations qui atteignent votre cerveau est coupé (vous ne voyez que la lumière vive mais pas les détails de la lumière). C'est l'une des raisons pour lesquelles si vous essayez, vous ne devriez pas le faire, pour regarder directement un soleil de midi clair, vous ne pourrez pas voir le soleil mais une lumière intense (attention à essayer de le faire sans le une protection appropriée peut effectivement endommager de façon permanente vos yeux ou votre équipement photographique, vos objectifs et votre capteur)
Tout capteur se comporte de la même manière (depuis votre appareil photo ou autre). Une fois que le signal (dans ce cas, la lumière) est trop élevé pour sa capacité (atteint le niveau de saturation), il supprimera toute information supplémentaire, il ne pourra pas discerner plus de signal, transmettant juste un signal plat élevé sans aucune information précieuse.