О высоких ISO и о дырках: Sony A77

Возьмем, к примеру, Sony A77. Самой камеры у меня нету, поэтому возьмем самплы с Imaging Resource. Я взял те, где есть большое серое поле (как на картинке в заставке этого поста) для разных ISO: 50, 100, 800, 1600, 6400, 16000.

А дальше выберем кусочек на сером поле размером, скажем, 450x200 пикселов и построим по нему гистограмму. Прямо вот по RAW-данным.

И вот что получается:

ISO 100

Это - обычная гистограмма. По горизонтальной оси - значения пикселов, по вертикальной - их количество.

Вертикальная палочка EV0 проведена довольно волюнтаристски: уровень белого имеет значения в зеленом канале в райне 1700-1750, ну значит проведем "уровень серого" на уровне в 7 раз ниже, как раз будет 14% от серого. Это только для ориентировки.

Второй зеленый канал не показан ибо от первого он ничем не отличается.

Мы видим "дырки в гистограмме", что свидетельствует о том, что сигнал подвергался какой-то обработке в целых числах, на что-то некратное 2.0 поделили или умножили. Если посмотреть на гистограмму всего кадра, видно что дырки проходят по уровням 8,23, 38, 53, 68... т.е. через 15. Я поподбирал, похоже на умножение на 1.0667 по всем каналам одинаково, но тут легко ошибиться. Возможно, конечно, что базовое ISO у камеры - в районе 93, а чтобы получить 100 - данные с АЦП домножают, но думать так я не хочу.

В остальном же - нормальная такая гистограмма.

ISO 50

Как видим, все значения сместились примерно на 0.7 стопа, максимум в зеленом был на 390, стал на 635, в остальных каналах - аналогичный сдвиг.

Таким образом, ISO50 - это на 0.7 стопа - передержка, а еще на 0.3 стопа - не знаю что, но скорее всего не умножение на другую константу, ибо дырки в гистограмме - в тех же местах и с тем же шагом. Возможно, это регулируется аналоговым усилением до АЦП, о чем мы поговорим ниже.

ISO800

Среднее вернулось туда же, где было на ISO100, дырки там же, за счет шума колокола на гистограммах стали пошире, отчего дырок мы видим больше.

ISO 1600

На ISO 1600 начинаются чудеса (картинка не влезает, поэтому в посте уменьшенная, а чудеса в полный размер открываются по клику): Чудеса заключаются в том, что не хватает более чем трети уровней. Скажем, в диапазоне 128-149 из 22 уровней реально имеются 14.

ISO 6400

По клику откроется полноразмер: Вакханалия продолжается. В диапазоне 100-149 вместо 50 уровней имеем только 16. Грабят!

ISO 16000

Вообще, мы на весь стоп от EV-1 до EV0 (от 128 до 255 включительно) видим 8 пиков. Вместо 128 "полноценных" уровней, которые там имеются на низких ISO.

Обсуждение результатов

Изначально я был сторонником той идеи, что высокие ISO получаются на этой камере цифровым способом, домножением на какую-то константу. Допустим, самое высокое "настоящее" ISO в камере - 1000 (как нам пишут в форумах dpreview), тогда ISO 16000 получается умножением "настоящих" данных на 16 и мы получим ряд значений 0,16,32,48,64,80 и так далее. Но эти пики будут единичной ширины, тогда как мы видим пики шириной 3-5 значений.

Более разумное объяснение - это наличие малошумящего усилителя перед АЦП.

Чудес не бывает: если мы на ISO100 заполняем колодец полностью и емкость колодца, скажем, 20000 электронов (цифра примерная, исходя из того что у 20Mpix full-frame - 60-80k электронов), то при экспозиции в 160 раз меньше (ISO 16000) у нас полному диапазону соответствует 125 электронов, а уровню EV-1 - в 16 раз (минус 4 стопа) меньше т.е. 8 электронов. Усилив их в 16 раз мы и получим уровни в районе 128, а за счет шума усилителя - пики не единичной ширины.

Таким образом, ожидать каких-то чудес от камеры со схожим объемом пикселя (в электронах) - невозможно, неоткуда им взяться. Улучшение может быть только от увеличения площади пикселя, тогда при той же экспозиции (и близкой квантовой эффективности) образуется бОльшее количество электронов и их можно будет усиливать в меньшее число раз.

При этом, обсуждая новые камеры Sony, необходимо помнить, что dcraw/LibRaw (при построении гистограмм использовалась вторая) распаковывают RAW по следующей процедуре:

Таблицу мы уже обсуждали, а вот деление результата на 4 (сдвиг на 2) - еще нет. За счет этого деления у Sony получается "почти 12-битный" выходной диапазон (максимальное значение в таблице - 17220, после деления/сдвига будет 4305), что может вводить в заблуждение при сравнении с камерами других производителей (у Canon серое поле имеет значение ~1000, а у Sony - около 400 в зеленом канале), такое сравнение без поправки на полный диапазон делать бессмысленно.

В обсуждаемом случае исходные пики на ISO16000 имели, очевидно, бОльшую ширину, не 3-5, а 12-20, а удаление младших двух битов их сузило.

Чешутся руки запатчить LibRaw и это деление на 4 оторвать.