ダイナミックレンジをセンサーのビット深度よりも大きくするにはどうすればよいですか？

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私を混乱させた何かを見つけたので、カメラ関連と技術的であるため、ここの群衆はおそらくこれに答えることができると思いました。

誰かがペンタックスK-5のDXOMarkの結果を送ってくれました。これは、最も低いISOで14.1 EVのダイナミックレンジを示しています。ただし、センサーが14ビットであるため、これは私の直感に合わない... CMOSセンサーのような線形デバイスがビットよりも多くのDRをキャプチャできるのは奇妙に思えます。真ん中のEVをスキップして、ダイナミックレンジがまばらですか？

sensor dynamic-range bit-depth

— いたい
ソース

[ 印刷 ]タブの下のダイナミックレンジのDxOマークスコアは、実際の測定値ではなく、補間された理論上のスコアです。スコアとスコアの計算方法が説明されているサイトのページをお読みください。画面タブの下のDR は、14ビットセンサーのより現実的な数値である13.44 EVです。

— マイケルC 14

この回答とコメントを参照してください： photo.stackexchange.com/a/47512/15871

— Michael C

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これについては、Cambridge in Colorに非常に良い記事があります。センサーにリニアA / Dコンバーターがある場合、ビット深度は理論上の限界として14 EVでダイナミックレンジを制限します。ただし、非線形の場合、ビット深度は必ずしも相関しません。それから、K-5のセンサーにはリニアA / Dコンバーターがないと判断できると思います。

個人的な経験から言うと、このセンサーは間違いなく巨大なダイナミックレンジを持っています。私は、K-5で8段近く露出不足の画像を回復することができました。

— ジョン・キャバン
ソース

残りの時間に撮影していたISO16000ではなく、ISO1600でしたか？これにより、8枚ではなく、4枚以上の露出過剰の画像が作成され、ACRで+4の露出補正を実際に使用しても相関します。それでも印象的です。数字が正しいことを確認したいだけです。

— マットグラム

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ええ、それは16000でした。参照用に同じ絞りとシャッタースピードのシーケンス（および被写体）から別の画像があります（投稿しますが、家にいません）。ACRでは、露出の4ストップ調整しか許可されていないため、詳細を取得するには、フィルライトを100にプッシュする必要がありました。うーん、多分私はいくつかの中間ステップで記事を更新する必要があります。意図的に10ストップを下回った同様の例を見てきましたが、それが1月ではなく今すぐにアップグレードをトリガーした理由です。:)

— ジョンキャバン

+ 1、Cambridge in Colorの記事はすばらしい。大きなフォトサイト（より深い「ウェル」）の価値と、それらがダイナミックレンジにどのように影響するかを説明するのに非常に役立ちます。また、ほとんどのセンサーは純粋な線形ではなく、ほとんどのセンサーが減衰A / D変換を備えていることに注意してください。極端なシャドウとハイライトに到達するときのカーブ（Sカーブ）。RAWでは、記事で示したように、デジタルセンサーが大量のデータをキャプチャして、後で復元できます。

— jrista

@jrista-Cambridge in Colorは、私がdSLR撮影を始めたときにヒットした最初の写真サイトの1つでした。私は彼らに戻り続け、非常によく書かれていて、簡単にフォローできます。

— ジョンキャバン

@ジョン：同意した。CinCは素晴らしいサイトであり、初心者と経験豊富な写真家の両方に役立つレベルで非常によく書かれています。それは難しいことです。

— jrista

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ダイナミックレンジをセンサーのビット深度よりも大きくするにはどうすればよいですか？

ダイナミックレンジは、感度曲線の線形部分の最も明るい強度と最も暗い強度の比の対数です。他の定義もありますが、一般的には、2つの強度の比、シーンの客観的な物理的特性から導き出されます。実数です。

ビット深度は、連続変数の量子化に使用されるチャネルごとのビット数です。ビット深度を大きくすると、中間のグレーの濃淡がより明確になります。これは、コンピューターのメモリで画像がどのように表現されるかという問題です。

ダイナミックレンジは、センサーが登録できるコントラストの程度を反映しています。ビット深度は、カメラが「名前を与える」ことができる個別の色の数を反映します。または、カメラが範囲を分割できる部分数。カメラがルーラーの場合、ダイナミックレンジはルーラーの長さ（の対数）になり、ビット深度はエッジに沿ったマークの数（の対数）になります。そして、長さを好きなだけ分割することができます。同様に、ビット深度はダイナミックレンジと同じである必要はありません。

ダイナミックレンジがS EVで、ビット深度がnの場合、カメラは少なくともコントラストと同じくらいのコントラストでシーンを登録できることを意味します

$I_{max}/I_{min} = 2^S$

（センサー応答曲線の非線形部分も使用する場合、実際にはもう少し）。そして、理論的に区別することができます

$N=2^n$

グレーの色合い。

12ビットRAWを書き込めるコンパクトカメラを所有しています。高ビット深度にもかかわらず、そのダイナミックレンジは非常に控えめです。センサーが露出オーバーとアンダー露出なしで高コントラストのシーンを登録できる場合、反対の状況をイメージングできますが、ビット深度が低い場合、そのシーンは中間色がほとんど表示されません。

— サスタニン
ソース

+1、素晴らしい答え。1つのヒント：「離散化」の代わりに必要な単語は「量子化」：量子化-動詞：数学、物理学。（可変量）値の連続セットではなく、離散値に制限します。

— jrista

ありがとうございました。私の英語は完璧にはほど遠いですが、それは、コンピューティングと数学の世界にいるようだ離散化は、連続空間は、計算の目的のために同等の離散空間に置き換えられたときに、より適切であるen.wiktionary.org/wiki/discretize（例えばAリアルIEEE浮動小数点値または整数を持つ数値）。離散化はソフトウェアエンジニアリングの決定です。代わりに、量子化された変数は、一部を除いてすべての値が禁止されている変数です。したがって、「量子化」は、私にとって身体的な制約のように聞こえます。しかし、あなたは正しいかもしれません。

— サスタニン

技術的に言えば、センサーは特定の物理的に制限された「バケット」に光を「量子化」します。12ビットのRAWイメージを想定すると、4096個の離散「量子」があり、それらを「離散化」できます。離散化とは、センサーを使用して実空間を可変数の離散空間に調整できることを意味しますが、離散空間は固定されており、アナログ空間を変換できる特定の離散値は4096のみです。議論の余地があるかもしれませんが、ここではクオンタイズの方が適していると思います。;）

— jrista

OK。私は確信しています。

— サスタニン

@jrista英語について議論しているとき、あなたが望む言葉は「控えめ」ではなく「控えめ」です。

— コーンスレイヤー

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最初に明確にすることは、ダイナミックレンジはノイズと反比例の関係にあることです。低ノイズ（他の条件はすべて等しい）は、ダイナミックレンジの拡大につながります。ノイズは、主にセンサーエレクトロニクス（読み取りノイズ、暗電流ノイズ）、光の離散的性質（光子/ショットノイズ）、およびアナログからデジタルへの変換（量子化ノイズ）から発生します。

DXOマークのダイナミックレンジスコアは、センサーを飽和させるのに必要な光の強度と、SNRが1：1に達する光の強度（つまり、信号がノイズに等しいポイント）の差に基づいています

ショットノイズと読み出しノイズがない場合、線形応答のセンサーのDRはビット深度と等しくなると予想されます。これらのノイズ源の存在下でK-5のスコアを考えると、イメージパイプラインに中程度の非線形性があること（すべてのセンサーにある程度の固有の非線形性がある）が示され、おそらくダイナミックレンジを拡大するように設計されました。

非線形性は、ビット深度の制限を回避するのに役立ち、トーンカーブの他の場所で失うシャドウのグラデーションで得られるものをビット化します（おそらくどこか重要ではありませんが）。無料のランチのようなものはありません！

K-5に関しては、主に読み取りノイズによって決定される低ISO感度でトップクラスです。メーカーがこの分野に注意を向けることは本当に素晴らしいことであり、それは完全に注目に値しますが、より高いISO感度でのダイナミックレンジは、より多くの光をキャプチャすることによってのみ対抗されるフォトンノイズによって支配されるため、ここでは常に大きなセンサーが有利です。一部の人々は主にISO400以上を撮影するため、これを覚えておく価値があります！

— マット・グラム
ソース

ISO 80では、K-5が見事であり、低ISO範囲の一部のミディアムフォーマットとフルフレームで十分にスタックすることに同意します。ISOがジャンプし始めると、リードを失い始めます。しかし、それでもまだ非常に近いままであるため、Sony（センサーを製造する）とPentax（実装する）にとっては非常に大きな成果です。D7000は、同じセンサーのバリアントであり、Nikonの実装で非常に良い仕事をしたことを考えると、非常に似た特性を持っています。

— ジョンキャバン

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「ダイナミックレンジ」（DR）は絶対的な特性ではありません。

DRの最も大雑把な定義は、「センサーが正常に記録できる最も明るいグレー強度と最も暗いグレー強度の比率」です。

デジタルセンサーのDRは、2つの測定から得られます。

特定の色温度でのクリッピング強度（最も感度の高いチャネル）（DxOはおそらくD65を使用しています）。
ノイズの境界量を生成する強度（つまり、暗ければノイズは許容されません）。

次に、デジタル画像のDRを計算する2つの方法があります。

愚かな方法は、ピクセルデータを使用してノイズを計算することです（DxOサイトの「スクリーン」測定値）。このようにXビットADCでリニアセンサーのDRを計算すると、X EVより大きくなることはありません。
スマートな方法（異なる解像度のカメラからの写真を比較する唯一の方法）は、ノイズを計算するときに解像度を考慮することです（DxOの「印刷」測定）。DRはこのようにADCによって制限されず、より大きなセンサーと同じADCを備えたカメラを作成でき、知覚されるダイナミックレンジが大きくなります。

そのため、EVで表される「スクリーン」DRがビットで表されるADC解像度を超えるカメラは見つかりません。

他の回答に対するコメント：

そのことから、K-5のセンサーにはリニアA / Dコンバーターがないと判断できると思います。

非線形A / D変換を備えた単一のデジタルセンサーは開発されていません。カメラが行うすべての色調変換（特にシネマカメラとSony A7シリーズの特別な出力モードを含む）は、離散データを使用して行われます。

Kodak DCS Pro 14nにはデュアルスロープADC動作モードがあり、出力は区分的に線形です。

ノイズのこれらのソースの存在下でK-5のスコアを考えると、画像パイプラインが中程度の非線形性を持っていることを私に示します

K-5の応答は完全にフラットです（おそらく唯一の除外がKodak DCS Proである他のカメラと同様）。自分で測定しました。

注：DxO Labsは、「印刷」測定のためにサイズ変更や印刷を行うのではなく、式で再溶解係数を使用します。補足：この投稿では、「線形」は「対数的」ではありません。

— ユーリ・ピンホロー
ソース