Измерение чувствительности: работа с фильтрами

cc30m.jpgТретья статья из серии "экспонометрия цифровых камер" (точнее, конкретной камеры):

Экспозамер Canon 5D Mark II: дневной свет, magenta-фильтр

Как мы видели в статье про экспонометрию 5D Mark II при дневном свете, чувствительность цветовых каналов рассматриваемой цифровой камеры сильно отличается: разница в "экспонированности" зеленого и красного каналов составляет при дневном свете более одного "стопа", что в свою очередь приводит к заметному повышению относительного уровня шума в красном канале.

По всей видимости, производители ЦФК разбалансируют чувствительности вполне намеренно: при дневном свете освещения обычно достаточно, съемка ведется на невысоких чувствительностях и повышенный шум в красном канале незаметен. При искусственном же свете, которого обычно не хватает, эффективная чувствительность красного и зеленого почти выравниваются (т.к. спектральный состав освещения "более красный"), что при правильном экспонировании дает минимально-возможный уровень шумов в этих каналах.

Для некоторого выравнивания чувствительностей каналов в случае съемки при дневном свете можно использовать фильтр, поглощающий зеленый свет (т.е. цвета magenta, маркировка фильтра CCxxM). Конечно, такой фильтр имеет смысл только при достаточном освещении, когда использование фильтра не влечет увеличения используемой чувствительности. Для камер предыдущих поколений применение такого фильтра было весьма полезным.

Вовсе неочевидно, как именно повлияет использование данного фильтра на экспозамер камеры, следовательно перед его использованием необходимо произвести простой эксперимент по калибровке экспонометра, аналогичный описанным в предыдущих статьях про экспонометрию при дневном и искусственном свете.

читать статью →

В качестве некоего комментария, за рамками статьи, а скорее для обсуждения, хочу особо обратить внимание на целый ряд мелких, но неприятных проблем, вылезших как результат тестов:

  • Почему, собственно, мы так хотим попасть максимально в света, но при этом не промахнуться? Потому что полстопа недодержки - это потеря четверти всех уровней, а передержка - это в лучшем случае игры с highlight recovery, а в худшем - выбитые света и потеря кадра.
  • Гистограмме доверять нельзя: даже если нет бликов, средний тон при камерном процессинге сползает, а гистограмма показывается по JPEG-представлению. То же самое относится и к камерному показу собственно изображения: что именно показывает как сам просмотр, так и индикация пересвета - известно только производителю. Можно провести серию тестов по съемке Q13, но разное освещение и разные режимы замера многое портят.
  • При работе с фильтрами ориентироваться на filter factor получается что тоже нельзя. С тестировавшимся CC30M это приведет к недодержке на треть стопа т.е. потери четверти уровней.
  • Вовсе неочевидно, что ошибка камерного замера всегда будет в сторону недодержки. Да и от освещения должно зависеть.

Получается, что единственное разумное поведение при использовании цветных и градиентных фильтров - это честно промерять, что же снимает камера при их использовании, а затем мучительно складывать и умножать поправки в уме. Ну, либо брекетинг.

Comments

я одного не пойму, кто мешает производителю сделать изменяемый внутренний фильтр перед сенсором вроде нейтральных фильтров как это сделано в про-видеокамерах.
нажал кнопку - перед сенсором выдвинулся фильтр, который уравнивает чувствительность каналов на солнце. нажал кнопку ещё - фильтр убрался.

Если начать с них этого требовать - они сделают это электронным способом. И хорошо если регулировкой аналоговой части, а то ведь могут и просто домножить на константу.

Такие камеры уже были (D1) и ничего хорошего от этого не было.

вроде технически сделать это несложно. по крайней мере, для про-камер вполне могли бы сделать.

Сколько процентов потребителей про-камер подозревает о проблеме?

Так может и нет проблемы, раз не подозревают? "нет" в смысле не является существенной и отравлающей жизнь.

Ну, я бы сказал, что производители камер сделали максимум того, что можно сделать при несменной пленке и без лишних усложнений.

Обсуждаемый фильтр помогает старым камерам - у которых с одной стороны уровень шума выше (поэтому выигрыш в стоп по красному - виден), а с другой - полосы пропускания у каналов пересекаются (относительно) слабо.

У новых (у кэнона это началось минимум в "текущем поколении" с 1D Mark III, но и остальные не отстают) полосы шире, отчего false colors и вообще офовеонивание.
Дошло уже до того, что на радуге зеленую полосу приходится разыскивать и чуть не дорисовывать

По реакции каналов на внешний пурпурный фильтр можно, по-видимому, несложным способом приблизиться к пониманию строгости фильтров на самом сенсоре.

>"По всей видимости, производители ЦФК разбалансируют чувствительности вполне намеренно"
не думаю, это означало бы, что они специально давят красный канал - это не выгодно делать, т.к. теряем чувствительность матрицы.
ИМХО такая чувствительность просто отражение распределения энергии по цветам в солнечном свете.
http://en.wikipedia.org/wiki/File:Solar_Spectrum.png

Если смотреть на график чувствительности кремния (квантовый выход), то там в видимой области - чем краснее, тем чувствительнее.

Если не давить красный, а оставить исходный спектр кремния, то в свете свечи будет жуткая недодержка по зеленому-синему. Если давить - будет не жуткая, а приемлемая, как сейчас и есть.

Выход - иметь разные коэффициенты усиления по каналам, но это сложно, ведь все в шахматном порядке.

>> Если смотреть на график чувствительности кремния (квантовый выход), то там в видимой области - чем краснее, тем чувствительнее.
теперь буду знать.

не, это дядя Лёша какую-то лажу прогнал - нет такого свойства у кремния.

Непосредственно у сенсоров "чувствительность" растёт с уменьшением длинны волны, достигая максимума в районе между зелёным и синим, а затем опять падает... причём, что характерно, уменьшение чувствительности в зоне "синего" обусловлено именно понижением "прозрачности" (т.е. повышением "квантового выхода") кремния для коротковолнового диапазона (если в терминах "видимого спектра").

Это у сенсоров с фильтром (который в ч-б версии подгоняет их под глаз).

А без фильтра - вот: http://www.ph.tn.tudelft.nl/Courses/FIP/noframes/fip-Spectral.html

"начинайте мочить завалишиных" (э)
<b>> А без фильтра - вот: http://www.ph.tn.tudelft.nl/Courses/FIP/noframes/fip-Spectral.html <<</b>

<s>Ди..</s> эммм... Лёша, скоро восьмое марта - разошли эту открытку гимназисткам с филфака - этим ты их оооочень впечатлишь.
Я же, однако, не гимназистка с филфака, поэтому меня ты впечатлил с точностью до наоборот - ты просто взял и "ярко, грубо, зримо"[tm] предъявил свидетельство собственной невежественности в этих вопросах. К тому же, движимый своей невежественностью, ещё и домыслами какими-то пробавляешься.

Научись читать по-английски - там ясно написано: "The spectral sensitivity".
Чтобы тебе проще было понять как ты факапнулся, подарю тебе два рисунка (уж картинки-то ты поймёшь, надеюсь?)
Quantum Efficiency - http://pvcdrom.pveducation.org/CELLOPER/QUANTUM.HTM
Spectral Response - http://pvcdrom.pveducation.org/CELLOPER/spectral.htm
и не забывай, что для матриц мы считаем отношение электрон/квант, а не ампер/ватт

Re: "начинайте мочить завалишиных" (э)
Значит, синий таки специально давят?

А зачем?

Мы снимаем не с абстрактными источниками света, и о чувствительности говорим не вообще, а к тем источникам света (с их типичными распределениями мощности по спектру), при которых снимаем. Соответственно и нормировать надо по отношению к реальным источникам. Тезис "вообще-то чувствительность к синему хорошая, а плохая олна потому, что синего - мало" в практической фотографии не работает. Чувствительности в синем диапазоне у цифровых камер не хватает, это очевидный практический факт. Специально её никто не валит, невыгодно это с точки зрения шумов.

<b>>> Если смотреть на график чувствительности кремния (квантовый выход), то там в видимой области - чем краснее, тем чувствительнее. <<</b>
??!!!??

Это где это ты, дядя Лёша, такую глупость подцепил ? (уж не от Скоблового ли ? :-)))

Для невежд, распространяющих вздор, сначала стоит напомнить раскладку по длинам волн (см.напр.тут - http://en.wikipedia.org/wiki/Visible_spectrum)
Итого, видимый спектр условно можно разбить на три области:
B: ~380..495 nm
G: ~495..590 nm
R: ~590..750 nm

теперь берём спеки от Сони и смотрим:
CCD Image Sensor for EIA B/W Video Cameras - http://www.datasheetcatalog.org/datasheet/sony/e6801338.pdf
2048-pixel CCD Linear Image Sensor(B/W) - http://www.datasheetcatalog.org/datasheet/sony/a6801412.pdf

Оба сенсора обладают вполне типичными спектральными хар-ми, у обоих максимальный выход на ~500 нм и "чем краснее, тем хуже" (обрываясь примерно на 1000 нм, что ожидаемо).

Если посмотреть на фовеон - http://www.alt-vision.com/pdf/HanVision%20HVDUO-14M%20DS.pdf - то там вообще видно, что "чем голубее, тем 'чувствительность кремния (квантовый выход)' выше" (что естественно)

...ну и то, что ты не учёл спектральные хар-ки источника, оценивая "чувствительность" по каналам, да ещё и отмахнулся какой-то лажей, когда тебе деликатно намекнули на твой ...эммм ...методологический прокол, тем более минусом тебе в карму... - смотри, этак всю "пропьёшь" ,-)

А почему вы думаете, что ч-б сенсоры не снабжают фильтрами? Видеокамера со смещенной чувствительностью - тоже штука странная и полезность ее относительна.

Смотрите на чувствительность фотодиодов, там интереснее...

См. также http://www.google.com/url?sa=U&start=1&q=http://www.hoyacandeo.co.jp/eng... - именно с этим фильтром перед сенсором на Sony обычно проводятся измерения.

>> См. также http://www.google.com/url?sa=U&start=1&q=http://www.hoyacandeo.co.jp/eng... - именно с этим фильтром перед сенсором на Sony обычно проводятся измерения. <<

Наш бравый анонимус утерял не только логин, но так же зрение и остатки мозгов.
На приведённой им картинке фильтр практически теряет прозрачность на 700 нм и выше (по длине волны), а на спеках от сони графики плавно тянутся вплоть до 1000 нм (упираясь в запрещённую зону кремния).
Таким образом анонимус, помимо своей воли, дал наглядное подтверждение тому, что никаких фильтров "перед сенсором на Sony" не стояло "как обычно".

...наивная "осведомлённость" анонимуса о методиках измерения "на Sony" тоже умилила до слёз.

<b>>> А почему вы думаете, что ч-б сенсоры не снабжают фильтрами? <<</b>
???
а почему я должен что-то _додумывать_ сверх спека ?

во-первых: ИК-фильтр _не_ является частью кристалла (в отличие от RGB и микролинз, например) - его ставит потребитель по своему усмотрению.
во-вторых: из приведённых спеков ясТно видно, что фильтров тут не стояло
в-третьих: "завышенная" чувствительность видеокамер на таких чипах тем и обусловлена, что спектральные хар-ки никто не "рихтовал". См.напр.тут - http://daily.sec.ru/dailypblshow.cfm?rid=45&pid=13930&pos=7&stp=10&cd=27...

-+-
<b>>> Смотрите на чувствительность фотодиодов, там интереснее... <<</b>

Давай, во-первых, ты не будешь заниматься подменой тезиса - ты выдвинул вполне бредовое утверждение о свойствах кремния. Вот за это и отдувайся.
А во-вторых - научись, наконец, читать графики. В спеках на фотодиоды приводят кривули т.наз. абсолютного спектрального отклика, который измеряют в амперах на ватт. Полюбопытствуй _что_ это значит и _как_ пересчитывается в квантовую эффективность.

Додумывать сверх спека полезно, ибо падение чувствительности в синем придется как-то объяснять, раз уж теория говорит что там максимум.....

Угу, теперь ты ещё и за теорию додумывать взялся (что? - единожды начав, остановиться уже невозможно ? :-))

Теория говорит, что кривуля отклика будет "горбатой" с "максимумом" где-то между красным и синим (если ПЗС обсуждать), что находится в отличном согласии с практикой. И спектральный оклик матриц научились просчитывать с хорошей точностью.

Теория же и объясняет почему так происходит - "длинна свободного пробега" кванта падает с ростом частоты. Иллюстративную картинку можно посмотреть в статье про фовеон - http://en.wikipedia.org/wiki/Foveon_X3_sensor
В результате синий начинает поглощаться ещё до "рабочей зоны", чем и обусловлено "синее крыло". "Красное крыло" обусловлено тем, что [значительная] часть "красных квантов" пролетает "рабочую зону" без поглощения (и чем краснее, тем этот эффект сильнее, тем меньше "сечение взаимодействия" и больше "глубина проникания").

Собственно затем и ставят ИК-фильтры - не для того, чтобы приблизить спектральный отклик к "чувствительности глаза", а чтобы избежать фотоэффекта в областях за "рабочей зоной", т.е. там, где он, что называется, "нот суппоуз то би".
В ряде приложений на это плюют и ИК-фильтр не ставят. К таким относятся практически все ч/б камеры, которые юзают для "наружного наблюдения", где высокая чувствительность и способность снимать "в сумерках" важней качества картинки. именно на матрицы для таких приложений я тебе спеки и показывал.

PS: кстати, а почему не прошёл мой ответ "безграмотному анониму" ? - он (ответ этот) просто застрял в "спам-фильтре", или столь неугоден оказался ? ,-)

Ну так и снимите этот ИК-фильтр на своей камере - возможно, увидите, зачем его ставят.

Если бы у меня была ч/б камера или я занимался [бы] астро-съёмкой, то, наверное, так и поступил бы... но у меня "цветная" камера с уже "приколоченными гвоздями" RGB-фильтрами. Характеристики этих фильтров нормированы только в видимом диапазоне, а за его пределами (даже в "ближнем" ИК) абсолютно "произвольны".
Напр. на многих спеках видно, что синий канал (читай - фильтр) вновь становится "прозрачным" на красном конце, причём эта тенденция увеличивается с ростом длинны волны. Т.е. RGB-фильтры _уже_ "прозрачны" даже в ближнем ИК, а матрица _ещё_ фиксирует сигнал в том же диапазоне... В результате, без ИК-фильтров "цветоделение" будет нарушено (сильней всего достанется синему каналу), а зачем мне "камера-дальтоник" ? (хотя, конечно, бывает прикольно, наверное ,-))

Напр. на Люмиксе, судя по всему, ИК-фильтр поставить "поленились", поэтому он отлично "выдит" ИК, но (ты будешь смеяться) - в "малиновом" цвете (т.е. R+B, как и "диктует теория" ,-))

Если же благородный дон пытается толковать про ИК-съёмку, то смею напомнить благородному дону, что её выполняют с использованием ИК-фильтров (только уже не "отсекающих", а "пропускающих"), которые - сюрприз-сюрприз! - делают, в том числе, на основе всё того же кремния.

> у меня "цветная" камера с уже "приколоченными гвоздями" RGB-фильтрами.

Я их растворил.

А полосы пропускания фильтров мне хорошо известны. И пурпур в в чёрных полимерах естественного и искусственного происхождения в отсутствие должной ИК-фильтрации - вещь очень хорошо известная тоже. Более того, там не только near IR у некоторых камер рпботает, и встроенный фильтр - не спасает.

Встроенный фильтр
http://stakeman.smugmug.com/photos/481959534_qFy7N-XL.jpg

Дополнительно обычный near-IR cut на объективе
http://stakeman.smugmug.com/photos/481959544_So63V-O.jpg

Безусловно, Вы правы - паразитное пропускание ИК отрицательно (и непредсказуемо при практической съёмке) влияет на восстановление цвета, превращая, например, тёмно-синие шерстяные брюки в лиловые.

Пропускание красного синим фильтром - это не утечка, а сознательный шаг.

В-общем, разобрался, спасибо за науку.

1) Чувствительность в синем таки падает (относительно зеленого), это и в соневских графиках видно.
2) Но синего самого по себе - тоже недостаточно (в спектре осветителя)

Ну, типа, да.

P.S. Комменты не тру (ну, стараюсь), может быть что-то и в спам-фильтре, не смотрел еще с ночи.

Кстати, по поводу "фовеонов" (просто информация пришла "оттуда") - интересный путь увеличения фотошироты - http://isl.stanford.edu/~abbas/group/papers_and_pub/iedm02.pdf (на третьей страничке) - берём высокочувствительную матрицу с малой ёмкостью пикселя (т.е. с низким ДД, но _быстрый_) и быстро-быстро "брекетим". Потом сшиваем.
"простенько" и со вкусом.

этим же способом, кстати, можно поднять разрешение и "уйти" от проблемы "демозаики" (в некоторых допущениях, конечно).

А вот если пойти по ссылкам по тому же daily.sec.ru, то приходишь вот сюда:
http://daily.sec.ru/dailypblshow.cfm?rid=45&pid=6400

И там график - в видимой области "относительная светочувствительность" у LTC0500 именно что растет от синего к красному. Без фильтров, как я понимаю.

ну да, для ПЗС положение "горба" определяется конструктивом.
Т.е. если у нас "пиксель" большой и жЫрный, то горбулька смещена в сторону ИК, а если "худосочный", то в сторону синего.
"Ну, это нормально" (с)

кстати, там же сказано (цитирую) - "Во-вторых, как следует из спектральной характеристики, увеличение числа фотонов с ростом парируется снижением квантового выхода с тем же ростом длины волны излучения."

Add new comment