Двойное усиление Panasonic Lumix DC-GH6

Panasonic GH6 имеет режим под названием Dynamic Range Boost, который, по словам компании, основан на датчике с «двойным усилением на выходе». Этот режим всегда задействован в режиме фотосъемки, поэтому мы впервые видим двойное усиление на фотокамере.

Учитывая широкое распространение похожих по звучанию датчиков с двойным усилением, мы подумали, что сейчас самое время взглянуть на эти системы и на то, что они делают.

Panasonic Lumix DC-GH6 имеет датчик с двойным усилением, но не в том смысле, с которым вы, вероятно, сталкивались раньше.

Зачем вообще использовать эти подходы?

Чтобы понять, чего эти системы пытаются достичь, лучше всего вернуться назад и рассмотреть, почему усиление/аппаратное усиление вообще применяется в цифровой фотографии.

Пиксели (или, точнее, фотодиоды) высвобождают электроны в ответ на попадание света в процесс, называемый фотоэлектрическим эффектом. В обычных датчиках сами пиксели всегда производят одинаковое выходное напряжение в ответ на заданное количество света.

Analog to digital conversion

С технической точки зрения, большинство датчиков камеры являются аналоговыми устройствами: выходной сигнал представляет собой непрерывный диапазон напряжений. Эти напряжения преобразуются в ряд цифровых значений с помощью устройства, называемого аналого-цифровым преобразователем.

Разработчики чипов измеряют выходные данные своих пикселей и выбирают АЦП с битовой глубиной, которая может кодировать сигнал датчика с достаточной точностью (превышение этого значения просто означало бы создание большого количества избыточных данных, описывающих шум). АЦП разработан таким образом, что он выдает свое максимальное значение (например, 16383 для 14-разрядного АЦП) в ответ на максимально полезный выходной сигнал пикселей при базовом значении ISO.

Однако это означает, что если вы применяете двукратное усиление к сигналу, поступающему от датчика, в ожидании, что датчик получит меньше света, самые яркие области изображения могут в конечном итоге давать сигналы, слишком сильные для правильного кодирования АЦП: это означает, что они по-прежнему записывается как максимальное значение. Самые яркие огни в сцене с низким освещением часто усиливаются до предела.

В условиях очень низкой освещенности доступно очень мало фотонов, поэтому напряжения, генерируемые датчиком, очень малы. Чтобы справиться с этим, большинство датчиков применяют усиление, которое имеет два преимущества:

Во-первых, это означает, что электронный сигнал, поступающий от датчика, хорошо соответствует диапазону сигналов, на кодирование которых настроены аналого-цифровые преобразователи (АЦП): это означает, что вы кодируете выходной сигнал датчика с большим количеством деталей. Они имеют тенденцию быть линейными, поэтому самые темные несколько ступеней света кодируются лишь несколькими значениями.

Во-вторых, это означает, что сигнал, исходящий от датчика, намного больше, чем любой электронный шум считывания, который может быть добавлен между каскадом усиления и достижением АЦП, что сводит к минимуму влияние этого конкретного типа шума на финальное изображение.

Недостатком применения усиления является то, что оно выталкивает некоторые данные, которые мог захватить датчик, за пределы диапазона, с которым может справиться АЦП.

Обычные датчики

В большинстве старых датчиков использовался усилитель с программируемым коэффициентом усиления, который увеличивал усиление сигнала по мере увеличения настройки ISO камеры. Чем ближе усилитель был к пикселю, тем лучше работал датчик, потому что он усиливал сигнал до того, как к нему могло добавиться слишком много шума считывания.

Базовый ISO, как правило, способен захватывать самый широкий динамический диапазон, тогда каждый увеличенный шаг усиления выталкивает самую яркую захваченную информацию за пределы диапазона АЦП (теряя стоп информации о ярких участках), но затем уменьшает влияние шума считывания в нисходящем направлении, помогая для продления DR в тенях.

Это был эффективный способ максимально использовать эти тихие сигналы.

Датчики усиления с двойным преобразованием

Датчики 1-дюймового типа, изготовленные Aptina в ранних камерах Nikon серии 1, были первыми, с которыми мы столкнулись, в которых использовалась схема усиления с двойным преобразованием.

До сих пор большинство камер с датчиками «двойного усиления» в области фотосъемки использовали технологию, разработанную производителем чипов Aptina, а затем лицензированную Sony Semiconductor. При этом используется конструкция пикселя с двумя режимами считывания: один включает конденсатор на пути, чтобы обеспечить дополнительную емкость для хранения электронов для ярких условий с высоким DR, а другой отключает этот конденсатор. Удаление конденсатора из тракта считывания обеспечивает меньший динамический диапазон, но увеличивает коэффициент преобразования: усиление сигнала в условиях низкой освещенности.

Этот более высокий уровень усиления, возникающий непосредственно внутри схемы каждого пикселя, означает, что усиление применяется очень рано в процессе, до того, как появится много шума считывания, что помогает обеспечить высокое улучшение ISO по сравнению с обычными конструкциями.

Примечательно, однако, что вам нужно принять решение, запускать ли пиксель в его состоянии с высоким или низким усилением: у вас не может быть обоих. Модели Panasonic, в том числе S1H и GH5S, позволяют вам явно выбирать, в каком режиме работает датчик, с помощью пункта меню «Двойной собственный ISO», но большинство камер просто переключают режимы при настройке ISO, выбранной производителем камеры. Это не всегда афишируется, но датчики усиления с двойным преобразованием используются в большинстве современных камер Fujifilm, Nikon, Ricoh, Olympus, Leica и Sony.

В будущем мы попытаемся назвать этот подход «переключаемым двойным усилением» не в том смысле, что это настройка, которую вы можете включать и выключать, а потому, что это система, которая должна переключаться между одним из двух состояний.

Двойное усиление на выходе

Технология, которую использует Panasonic, отличается и имеет больше общего с подходом, используемым в датчиках, используемых компанией Arri для кинокамер. Canon также использует аналогичный подход в некоторых своих камерах Cinema EOS.

Это берет два выхода от датчика и применяет различные уровни усиления к каждому: выход с высоким коэффициентом усиления с улучшенными шумовыми характеристиками в тенях и выход с низким коэффициентом усиления, который сохраняет информацию о светлых участках, которая в противном случае была бы усилена до точки отсечения.

Ускорение динамического восстановления с сопоставлением показов
Увеличение резкости при выключенном ISO 2000, F3.2, 1/125	Увеличение динамического диапазона ISO 2000, F3.2, 1/125

Эти два потока объединяются, используя данные с высоким коэффициентом усиления для теневых областей и данные с низким коэффициентом усиления для светлых областей. Результаты объединяются в 16-битном пространстве, так что теневые области не просто вдавливаются обратно в конец файла Raw с низкой точностью.

Мы ожидаем, что подход с двойным выходом будет давать чуть менее чистые тени по сравнению с переключаемой конструкцией с двойным усилением просто потому, что усиление происходит дальше по пути считывания. Но, с другой стороны, мы ожидаем, что двойное усиление на выходе сможет сохранять светлые участки (и, следовательно, более широкий общий динамический диапазон) более эффективно, чем это делает подход с переключаемым двойным усилением.

Когда мы включаем Dynamic Range Boost на GH6, мы получаем дополнительный 1EV динамического диапазона светов, как показано выше. В некоторых сценах эта возможность захватывать более яркие детали будет полезна. Но в более темных условиях это дает нам возможность увеличить экспозицию на 1EV по сравнению с отключенной настройкой DR Boost:

Усиление динамического контраста с включенным значением экспозиции на 1EV больше
Увеличение динамического диапазона при выключенном ISO 2000, F4.5, 1/125	Увеличение динамического диапазона ISO 2000, F3.2, 1/125

Благодаря дополнительной светосиле, придаваемой отснятому материалу DR Boost On, оба файла будут обрезаться в соответствии с одним и тем же тоном реального мира, но все остальное в версии DR Boost On будет на одну ступень чище, что даст вам больше гибкости, когда дело доходит до для градации полутонов и теней.

ISO thresholds

Обе эти технологии действительно вступают в игру только при более высоких значениях ISO. В существующих переключаемых конструкциях с двойным усилением обычно имеется фиксированное значение ISO, при котором камера переключается с использования режима низкого коэффициента преобразования на использование более высокого.

В системе Dual Output Gain вы не можете использовать оба пути считывания, пока вы не достигнете достаточно высокого значения ISO, чтобы нуждаться в усиленных теневых областях. Panasonic говорит, что на GH6 двойное усиление становится активным при ISO 800 и выше.

В обоих случаях рейтинг ISO, при котором переключаются режимы Log, будет выше. Это связано с тем, что режимы журнала предназначены для включения большего количества информации о светлых участках, поэтому их базовые состояния ISO получают более высокий рейтинг, отражая более низкие экспозиции, которые они должны давать. Так, например, GH6 говорит, что «увеличение динамического диапазона» доступно от ISO 800 для фотографий и стандартного цветового режима и до ISO 2000 для записи видео: это просто потому, что оба эти порога являются базовыми ISO + 3 ступени.