डिजिटल कैमरों को एक्सपोज़र टाइम की आवश्यकता क्यों है?


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डिजिटल कैमरों से मुझे जो समझ में आता है, वे मूल रूप से एक लेंस है और लाखों फोटो डायोड का एक छोटा द्वि-आयामी सरणी है। और जो मैं फोटो-डायोड के बारे में समझता हूं, वे प्रकाश में होने पर एक वोल्टेज बनाते हैं, उच्च तीव्रता वाले प्रकाश के साथ तुरंत उच्च वोल्टेज पैदा करते हैं।

हालांकि, अगर यह सब सच था, तो डिजिटल कैमरों में एक्सपोज़र की कोई आवश्यकता नहीं होगी: व्यक्तिगत वोल्टेज को पढ़ा जा सकता है और (हमारे वोल्टेज-रीडर पर्याप्त संवेदनशील है और विद्युत शोर नगण्य है) हमें एक छवि के रूप में सटीक मिलेगा लगभग तुरंत संभव के रूप में।

लेकिन, ऐसा होता नहीं है। तो मेरी समझ गलत कहाँ है? और कर रहे हैं वहाँ किसी भी डिजिटल कैमरों कि इस तरह से काम करते हैं?

क्षमा करें अगर यह इलेक्ट्रॉनिक्स के लिए एक बेहतर फिट है। ईएस - लेकिन मुझे ऐसा लगा कि यह सवाल इस दर्शकों के लिए अधिक दिलचस्प होगा।


वास्तव में उबाऊ लगता है (बिना एक्सपोज़र के समय का विचार, जिस तरह से आपने सवाल पूछा था): P
dpollitt

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"यह मानते हुए कि हमारा वोल्टेज-रीडर पर्याप्त संवेदनशील है और विद्युत शोर नगण्य है" उन लोगों के साथ शुरू करने के लिए बहुत बड़ी धारणाएँ हैं ...
एक CV

जवाबों:


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मैं इलेक्ट्रॉनिक्स से दौरा कर रहा हूं, इसलिए मैं आपके द्वारा पहले से प्राप्त किए गए उत्तरों के एक जोड़े में थोड़ी सी इलेक्ट्रॉनिक्स / अर्धचालक भौतिकी पृष्ठभूमि जोड़ूंगा।

मुझे लगता है कि आपके पास महत्वपूर्ण गलतफहमी यह है कि प्रकाश के जवाब में एक फोटोडायोड वोल्टेज नहीं बनाता है, यह एक वर्तमान बनाता है। प्रत्येक फोटॉन जो फोटोडिओड को हिट करता है, डिवाइस के अंदर एक मोबाइल इलेक्ट्रॉन उत्पन्न करता है (वास्तव में एक "इलेक्ट्रॉन-होल जोड़ी", लेकिन यदि आप चाहते हैं कि विस्तार का स्तर आप बेहतर सवाल EE.SE पर ले जाएं)। लाखों इलेक्ट्रॉन एक साथ एक औसत दर्जे का विद्युत प्रवाह बनाते हैं। अंत में जब इस करंट का इस्तेमाल कैपेसिटर को चार्ज करने के लिए किया जाता है, तो आपके पास एक मापने योग्य वोल्टेज होता है जिसे आपकी छवि में पिक्सेल बनाने के लिए संवेदी या रिकॉर्ड किया जा सकता है।

यही कारण है, जैसा कि कैमासन कहता है, सेंसर को प्रत्येक "बकेट" को भरने के लिए कुछ समय चाहिए, और जैसा कि मैटडैम कहता है, एक संचायक को उस बिंदु को भरने के लिए समय लगता है जिसे एक छवि बनाने के लिए मापा जा सकता है।


मुझे खुशी है कि यह उत्तर लिखा गया है, मैंने मूल रूप से इस तरह का एक उत्तर लिखा था, जो अर्धचालक भौतिकी को समझाने की कोशिश कर रहा था, लेकिन उसने फैसला किया कि मैं शायद इतना स्पष्ट नहीं करूंगा।
फिल

@ फ़ील, मुझे लगता है कि आपके उत्तर का अंतिम पैरा, जहां आप वास्तविक फोटोन के आने के लिए प्रतीक्षा करने पर ध्यान केंद्रित करते हैं, वास्तव में मौलिक सीमा तक पहुंच जाता है कि हमें गैर-शून्य जोखिम समय की आवश्यकता क्यों है। मैं प्रश्न के बारे में ओपी के परिसर में देखी गई महत्वपूर्ण गलतफहमी को मारने की कोशिश कर रहा था।
फोटॉन

बस यह सुनिश्चित करने के लिए कि मैं समझता हूं: यह केवल इसलिए है क्योंकि इस तरह के छोटे फोटो-डायोड द्वारा बनाया गया वर्तमान तुरंत शोर से मुक्त / सटीक रूप से मापने के लिए बहुत छोटा है, इसलिए हमें एक संधारित्र जोड़ना होगा ताकि हम कुल चार्ज को माप सकें जो एक से अधिक बहता है समय की अवधि। क्या ये सही है?
ब्लूराजा - डैनी पफ्लुगुएफ्ट

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@ BlueRaja-DannyPflughoeft, मूलभूत कारण यह है कि फिल ने कहा --- आपको कम शोर वाली छवि बनाने के लिए पर्याप्त फोटोन के आने का इंतजार करना होगा। यह मूल रूप से इलेक्ट्रॉनों के लिए एक ही चीज़ के लिए नीचे आता है। इलेक्ट्रॉनिक्स की तरफ, यह भी सच है कि वर्तमान को मापने के लिए हमारे तरीकों को आम तौर पर पहले वोल्टेज में परिवर्तित करने की आवश्यकता होती है।
फोटॉन

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डिजिटल कैमरे बिल्कुल ऐसा करने का प्रयास करते हैं, यह केवल शोर के कारण होता है कि वे नहीं करते हैं। जैसे कि कैमरे को मनमाने ढंग से उच्च आईएसओ होने के रूप में वर्णित किया जा सकता है, और परिणामस्वरूप सही ढंग से कम शटर गति के साथ सही एक्सपोज़र प्राप्त होगा।

कम रिज़ॉल्यूशन के बड़े प्रारूप को बड़े फोटो डायोड से बाहर बनाना एक मजेदार प्रोजेक्ट हो सकता है।

मुझे यह भी लगता है कि भविष्य में 'मल्टी एक्सपोज़र' सिस्टम सेंसर में एकीकृत हो जाएगा- सेंसर वैल्यू मिड एक्सपोज़र को रिकॉर्ड करेगा लेकिन ब्लैक में अधिक विस्तार पाने के लिए शटर को खुला रखें।

कमरे की रोशनी में एक एक्सपोज़र के दौरान आधुनिक DSLR के पिक्सेल द्वारा कैप्चर की गई ऊर्जा की निम्नलिखित गणना है:

वारेन मार्स की फोटॉन बिहेवियर साइट 1/60 वें सेकंड के एक्सपोजर के लिए विभिन्न प्रकाश व्यवस्था के तहत विभिन्न आकार के पिक्सल पर फोटॉनों की घटना की संख्या की एक तालिका प्रदान करती है।

सबसे छोटे पिक्सेल ने इसे 70²m three पिक्सेल में सूचीबद्ध किया, जो कि D7000 की तुलना में तीन गुना बड़ा था; D7000 के इमेजर 4.78μm के एक पिक्सेल आकार है

'लिविंग रूम लाइट' के तहत यह D7000 पर प्रति पिक्सेल लगभग 110000 फोटॉन का मूल्य देता है।

एक लाल फोटॉन में लगभग 1.6 * 10E-19 J ऊर्जा होती है। यह देखा जा सकता है कि प्रति पिक्सेल ऊर्जा 10E-14 जे के आदेश पर है। वास्तव में मापने के लिए ऊर्जा की एक बहुत छोटी राशि।

सेंसर पर पिक्सेल

अधिक जानकारी के लिए (और छवि का स्रोत): http://www.gyes.eu/photo/sensor_pixel_sizes.htm

यह भी ध्यान दिया जाना चाहिए कि मौलिक रूप से एक शून्य दूसरा एक्सपोज़र कैमरा असंभव है, क्योंकि यह फोटॉनों को सतह पर हिट करने के लिए कोई समय नहीं देगा। मान लीजिए कि हम एक फोटॉन काउंटिंग कैमरा बनाते हैं- वह वह है जो प्रत्येक पिक्सेल को हिट करने वाले फोटॉन की 100% सटीक शून्य शोर गणना प्रदान कर सकता है। 10 बिट छवि प्राप्त करने के लिए सबसे चमकदार पिक्सल के लिए 1024 फोटोन की आवश्यकता होती है। कमरे में प्रकाश व्यवस्था (D7000 से पिक्सेल पिच का उपयोग करके) 2 मिलियन फोटॉन प्रत्येक पिक्सेल को हर सेकंड हिट करते हैं। चमक स्तरों (1024) की संख्या से 2 मिलियन फोटोन को विभाजित करने पर हमें 1950 फ्रेम प्रति सेकंड का सैद्धांतिक अधिकतम फ्रेम दर मिलता है। कमरे की प्रकाश व्यवस्था के तहत 10bit छवि के लिए 1/1950 न्यूनतम संभव एक्सपोज़र समय होगा।


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दिलचस्प बात यह है कि उस अंतिम बिट पर: f / 1.4 के एपर्चर और ter की शटर स्पीड, ISO 6400 को सैद्धांतिक रूप से आपको कमरे की रोशनी में सही एक्सपोज़र मिलना चाहिए। वहाँ वास्तविक गतिशील रेंज के 10 बिट नहीं हो सकता है, और यह बहुत शोर होगा, लेकिन मुझे लगता है कि असली दुनिया के कैमरे आज आपके सैद्धांतिक अधिकतम के बॉलपार्क में हैं।
mattdm

Digital cameras attempt to do exactly that, it is only because of noise that they do not.- erm, यह सही नहीं हो सकता है। यदि यह होता है, तो शोर-स्तर के पास नहीं होने वाले किसी भी प्रकाश-स्तर को तुरंत पढ़ा जा सकता है; और शोर स्तर के आसपास या नीचे किसी भी वोल्टेज को बिल्कुल भी नहीं पढ़ा जा सकता है। मूल्यों को औसत करने के लिए थोड़े समय के लिए डायोड को "एक्सपोज़ करना" तब मदद कर सकता है जब हम शोर स्तर से थोड़ा ऊपर हों, लेकिन हर दूसरे मामले में, एक्सपोज़र की कोई आवश्यकता नहीं होगी।
ब्लूराजा - डैनी पफ्लुगुएफ्ट

साथ ही आपका अंतिम पैराग्राफ गलत है; अगर फोटो-डायोड प्रकाश के तात्कालिक आयाम (जो मुझे विश्वास है कि वे करते हैं) को मापते हैं , तो आपको किसी भी समय किसी भी अवधि के लिए छवि को "उजागर" छोड़ने की आवश्यकता नहीं होगी - मूल्यों को बस तुरंत पढ़ा जा सकता है। मुझे लगता है कि आप इसे "0 बार प्रकाश के लिए डायोड को उजागर करने" के लिए भ्रमित कर रहे हैं, जो कि एनालॉग कैमरों के काम करने के तरीके के साथ डिजिटल कैमरों के काम करने के तरीके को मिला रहा है।
ब्लूराजा - डैनी पफ्लुगुएफ्ट

डिजिटल कैमरा सेंसर के लिए बहुत कुछ है जो मैं यहां नहीं गया। मुझे जो मिल रहा था, वह यह है कि अधिकांश डिजिटल कैमरे सही ढंग से पैमाइश करने की कोशिश करते हैं, जितना संभव हो उतना कम एक्सपोज़र समय के साथ - इस तरह कैमरा शेक और मूविंग विषयों के प्रतिरोध में वृद्धि होती है। मैंने यह स्पष्ट करने के लिए कम प्रकाश की स्थिति का विश्लेषण किया कि शून्य सेकंड का एक्सपोज़र समय कोई भौतिक अर्थ नहीं रखता है।
फिल

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मुझे दोपहर के बाद कुछ समय मिला और मैंने इस विषय पर और अधिक शोध करने का निर्णय लिया। मुझे पता चला कि मेरे सिद्धांत और गणित में कुछ गलतियाँ हैं। मेरे पास उन्हें ठीक करने के लिए अभी समय नहीं है, और नहीं लगता कि वे प्रश्न का उत्तर देने के लिए मेरे उत्तर की क्षमता को प्रभावित करते हैं। कृपया इस समय दोहराए गए तथ्य के रूप में प्रस्तुत किए गए किसी भी संख्या को न लें। मैं कोई गलत सूचना नहीं फैलाना चाहता।
फिल

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उज्जवल प्रकाश तुरंत एक उच्च वोल्टेज का कारण बनता है, लेकिन अत्यधिक उच्च नहीं। वह अहम हिस्सा है। यदि आप चाहते हैं कि एक ऐसी छवि हो जो देखने में ऐसा लगे कि आंख इसे पसंद करती है, तो आपको या तो सिग्नल को बढ़ाना होगा (शोर के कारण सही और गलत दोनों के बीच के अंतर को बढ़ाना) या आपको अधिक समय तक पढ़ने की आवश्यकता है वास्तविक नमूना। उत्तरार्द्ध वह है जो डिजिटल कैमरों में उपयोग किए जाने वाले सेंसर करते हैं।

प्रत्येक फोटोसाइट न केवल एक प्रकाश-संवेदनशील फोटोडायोड है, बल्कि एक संचयकर्ता भी शामिल है जिसे "कुआं" कहा जाता है। जैसा कि फोटोडियोड वोल्टेज का उत्पादन जारी रखता है (जैसा कि यह प्रकाश के संपर्क में है), संचायक भरता है। यदि किसी विशेष साइट पर प्रकाश पड़ने से रोशनी तेज होती है, तो वह जल्दी से भर जाता है। यदि प्रकाश मंद है, तो यह धीरे-धीरे भरता है। जब एक्सपोज़र समाप्त हो जाता है, तो कुएं का स्तर नमूना लिया जाता है और डिजिटल मूल्य में बदल जाता है।

बेशक, उज्ज्वल प्रकाश में, बहुत अधिक डेटा है, इसलिए एक छोटा एक्सपोजर एक सटीक चित्र पेंट करता है (यदि आप वाक्यांश के मोड़ को क्षमा कर देंगे)। कम रोशनी में, हालांकि, मापा जाने के लिए बस ज्यादा ऊर्जा नहीं है। यदि आप बस एक त्वरित नमूना लेते हैं, तो सेंसर और अन्य अपरिहार्य वास्तविक-यादृच्छिकता को पढ़ने से शोर भिन्नता को अधिक पूर्ण और अधिक खाली फोटो के बीच "वैध" अंतर के रूप में मजबूत करेगा, और यह बताने का कोई तरीका नहीं है कि कौन सा है।

यह तब होता है जब आप एक अनियंत्रित छवि लेते हैं और सॉफ़्टवेयर में प्रवर्धन को क्रैक करने का प्रयास करते हैं: शोर, शोर, शोर, और शायद सिर्फ कालापन। और किसी भी तात्कालिक रीड (एक संचायक के बिना अच्छी तरह से) के लिए उपयोगी होने के लिए पर्याप्त डेटा नहीं होगा।

उस के रूप में सरल, वास्तव में। यह पता चलता है कि रासायनिक प्रक्रिया फिल्म की तुलना में आधुनिक सेंसर बेहतर हैं : यही कारण है कि हम आईएसओ के मान को 25k और उससे अधिक मान सकते हैं। वे सूक्ष्मता से पर्याप्त रूप से मापने में सक्षम हैं कि शोर की भारी मात्रा में भारी मात्रा में प्रवर्धन किया जा सकता है। फंडामेंटली, हालांकि, जादुई तत्काल-पढ़ने वाले डिवाइस की तुलना में, हम अभी भी उसी बॉलपार्क में हैं।


मुझे विश्वास नहीं है कि यह सही है, कृपया मेरी पहली टिप्पणी ऊपर देखें।
ब्लूराजा - डैनी पफ्लुगुएफ्ट

आप किस हिस्से को सही नहीं मानते हैं? (मुझे यह भी निश्चित नहीं है कि आप "ऊपर" से क्या मतलब है, क्योंकि उत्तर अलग-अलग क्रम में देखे जा सकते हैं।)
Mattdm

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सबसे सरल उत्तर यह है कि प्रकाश कण आधारित है, जिसमें फोटोन शामिल हैं। एक डिजिटल सेंसर एक फोटॉन ट्रिगर नहीं है, लेकिन मापी जाने वाली एक बाल्टी है। मेरा मानना ​​है कि यह वह जगह है जहां आप भ्रमित हैं: एक सेंसर बाइनरी नहीं है, और न ही वे एक भी फोटॉन के प्रति संवेदनशील हैं: एक फोटॉन सेंसर फोटो साइट को चालू नहीं करता है। इसके बजाय, क्या मापा जाता है कि बाल्टी कितनी भरी हुई है। बाल्टी को ठीक से भरने के लिए पर्याप्त समय दिया जाना चाहिए, या कोई छवि दर्ज नहीं की जाएगी।

उज्जवल दृश्य अधिक और उच्च ऊर्जा फोटॉन का उत्सर्जन करते हैं, इस प्रकार बाल्टी जल्दी भरते हैं। बाल्टी को ओवरफिल करने से छवि ओवरएक्सपोज़ हो जाती है, विस्तार को खो देती है या छवि को 'बाहर' धो देती है। इस धुलाई को रोकने के लिए, आप बस फोटॉन इकट्ठा करने के समय को कम करते हैं।


जैसा कि मैं इसे समझता हूं, फोटो-डायोड आपके बताए अनुसार काम नहीं करता है। इसके बजाय, वे प्रकाश के आयाम को मापते हैं (या, यदि आप कण-स्पष्टीकरण पसंद करते हैं, तो दर जिस पर फोटॉन प्रवेश कर रहे हैं) तुरंत। यदि आपका बकेट-वर्जन सही था, तो यह एक्सपोज़र की आवश्यकता को स्पष्ट करेगा; लेकिन दुर्भाग्य से, मुझे विश्वास नहीं है कि यह है।
ब्लूराजा - डैनी पफ्लुघोफ्ट

मैंने अपने उत्तर में इसे अधिक स्पष्ट रूप से लिखने की कोशिश की; एक फोटोसाइट सिर्फ एक फोटोडायोड नहीं है।
Mattdm

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@ BlueRaja-DannyPflughoeft - मानो या न मानो (जैसा आप चाहें); विश्वास का इससे बहुत कम लेना-देना है। कोई "प्रकाश दबाव" नहीं है, केवल एक फोटॉन दर है। (एक फोटॉन ऊर्जा भी है , लेकिन यह तरंग दैर्ध्य द्वारा निर्धारित किया जाता है, तीव्रता नहीं है।) यह दर संभावित है, इसलिए न्यूनतम मामले (किसी साइट पर दो क्रमिक फोटॉन इंटरैक्शन के बीच के समय को मापना) औसत दर का सांख्यिकीय रूप से मान्य माप नहीं है फोटॉन उत्सर्जन का। अप्रत्यक्ष माप (सेंसर के साथ फोटोन की बातचीत के कारण होने वाली संभावित विद्युत ऊर्जा) संचय पर निर्भर करती है।
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