Çift kazanç nedir ve nasıl çalışır?

Panasonic GH6, şirketin “çift kazanç” (Dual Gain) özelliğine sahip bir sensöre dayalı olduğunu söylediği Dinamik Aralık Artışı adlı bir moda sahip. Bu mod her zaman fotoğraf çekim modunda çalışır, bu da onu bir fotoğraf makinesinde ilk kez çift çıkış kazancı gördüğümüz anlamına gelir.

Benzer sesli ‘çift kazançlı’ sensör tasarımının yaygın olarak benimsenmesi göz önüne alındığında, bu sistemlere ve ne yaptıklarına bakmak için bunun iyi bir zaman olacağını düşündük.

Neden bu yaklaşımları kullanıyorsunuz?

Bu sistemlerin neyi başarmaya çalıştığını anlamak için, hemen geri dönüp dijital fotoğrafçılıkta neden kazanç/donanım amplifikasyonunun uygulandığını düşünmek en iyisidir.

Pikseller (veya daha doğrusu fotodiyotlar), fotoelektrik etki adı verilen bir süreçte, ışığın çarpmasına tepki olarak elektronları serbest bırakır. Geleneksel sensörlerde, piksellerin kendileri, belirli bir ışık miktarına yanıt olarak her zaman aynı çıkış voltajını üretir.

Çok düşük ışık koşullarında, çok az foton mevcuttur, bu nedenle sensör tarafından üretilen voltajlar çok küçüktür. Bununla başa çıkmak için, çoğu sensör artan miktarlarda amplifikasyon uygular, bu da iki faydası vardır:

İlk olarak, bu, sensörden gelen elektronik sinyalin, analogdan dijitale dönüştürücülerin (ADC) kodlamak üzere ayarlandığı sinyal aralığıyla iyi bir eşleşme olduğu anlamına gelir: bu, sensörün çıkışını çok ayrıntılı olarak kodladığınız anlamına gelir. Doğrusal olma eğilimindedirler, bu nedenle en karanlık birkaç ışık durağı, yalnızca bir avuç değerle kodlanır.

İkincisi, sensörden gelen sinyalin, amplifikasyon aşaması ile ADC’ye ulaşması arasında eklenebilecek herhangi bir elektronik okuma gürültüsünden çok daha büyük olduğu anlamına gelir, bu da son görüntüdeki bu özel gürültü türünün etkisini en aza indirir.

Amplifikasyon uygulamasının dezavantajı, sensörün yakalayabileceği bazı verileri ADC’nin baş edebileceği aralığın ötesine itmesidir.

Analogdan dijitale dönüştürme

Teknik olarak konuşursak, çoğu kamera sensörü analog cihazlardır: verdikleri sinyal sürekli bir voltaj aralığıdır. Bu voltajlar, Analogdan Dijitale dönüştürücü adı verilen bir cihaz tarafından bir dizi dijital değere dönüştürülür. Çip tasarımcıları piksellerinin çıktısını ölçer ve sensörün sinyalini yeterli hassasiyetle kodlayabilen bit derinliğine sahip ADC’leri seçer (bunun aşılması, gürültüyü tanımlayan çok fazla veri üretmek anlamına gelir).

ADC, taban ISO’daki piksellerden maksimum kullanılabilir çıktıya yanıt olarak maksimum değerini (örneğin 14-bit ADC için 16383) verecek şekilde tasarlanmıştır. Ancak bu, sensörden gelen sinyale 2x amplifikasyon uygularsanız, sensörün daha az ışık alması beklentisiyle görüntünün en parlak alanlarının ADC’nin doğru şekilde kodlaması için çok büyük sinyaller üretebileceği anlamına gelir. yine de maksimum değer olarak kaydedilir. Düşük ışıklı bir sahnedeki en parlak ışıklar, genellikle kırpılma noktasına kadar yükseltilir.

Geleneksel sensörler

Çoğu eski sensörde, kameranın ISO ayarı arttıkça sinyale artan miktarlarda amplifikasyon uygulamak için programlanabilir bir kazanç yükselticisi kullanıldı. Amplifikatör piksele ne kadar yakınsa, sensör o kadar iyi performans gösterdi, çünkü çok fazla okuma gürültüsü eklenmeden önce sinyali güçlendirdi.

Temel ISO, tipik olarak en geniş dinamik aralığı yakalama yeteneğine sahip olacaktır, ardından her artan yükseltme adımı, yakalanan en parlak bilgileri ADC aralığının ötesine itecek (vurgulama bilgisinin durmasını kaybeder), ancak daha sonra aşağı akış okuma gürültüsünün etkisini azaltarak yardımcı olacaktır. DR’yi gölgelerde uzatmak için.

Bu sessiz sinyallerden en iyi şekilde yararlanmanın etkili bir yoluydu.

Çift dönüşüm kazanç sensörleri

Şimdiye kadar, fotoğraf küresinde ‘çift kazanç’ sensörlü kameraların çoğu, çip üreticisi Aptina tarafından geliştirilen ve daha sonra Sony Semiconductor tarafından lisanslanan bir teknolojiyi kullanan kameralardı. Bu, iki okuma moduna sahip bir piksel tasarımı kullanır: biri parlak, yüksek DR koşulları için ekstra elektron depolama kapasitesi sağlamak üzere yolda bir kapasitör içeren ve diğeri bu kapasitörü devreden çıkaran. Kondansatörün okuma yolundan çıkarılması daha az dinamik aralık sağlar ancak dönüşüm kazancını artırır: düşük ışık koşulları için sinyali artırır.

Her pikselin devresinin içinde meydana gelen bu daha yüksek kazanç seviyesi, kazancın çok fazla okuma gürültüsü girmeden önce sürecin çok erken bir aşamasında uygulandığı anlamına gelir ve bu da geleneksel tasarımlara göre yüksek bir ISO iyileştirmesi sağlamaya yardımcı olur.

Bununla birlikte, pikseli yüksek kazanç durumunda mı yoksa düşük kazanç durumunda mı çalıştıracağınıza karar vermeniz gerekir: ikisine birden sahip olamazsınız. S1H ve GH5S dahil olmak üzere Panasonic modelleri, ‘Çift Yerel ISO’ adlı bir menü seçeneği aracılığıyla sensörün hangi modda çalışacağını açıkça seçmenize izin verir, ancak çoğu kamera, kamera üreticisi tarafından seçilen bir ISO ayarında modları değiştirir. Her zaman duyurulmaz, ancak Fujifilm, Nikon, Ricoh, Olympus, Leica ve Sony’nin modern kameralarının çoğunda çift dönüşüm kazanç sensörleri kullanılır.

Gelecekte, bu yaklaşımı açıp kapatabileceğiniz bir ayar olduğu anlamında değil, iki durumdan biri arasında geçiş yapması gereken bir sistem olduğu için ‘değiştirilebilir İkili Kazanç’ olarak adlandırmaya çalışacağız.

Çift çıkış kazancı

Panasonic’in kullandığı teknoloji farklıdır ve sinema kamera şirketi Arri tarafından kullanılan sensörlerde benimsenen yaklaşımla daha çok ortak noktaya sahiptir. Canon, Cinema EOS kameralarının bazılarında da benzer bir yaklaşım benimsiyor.

Bu, sensörden iki çıktı alır ve her birine farklı amplifikasyon seviyeleri uygular: gölgelerde iyileştirilmiş gürültü özelliklerine sahip yüksek kazançlı bir çıktı ve aksi takdirde kırpma noktasına kadar güçlendirilecek olan vurgu bilgisini koruyan düşük kazançlı bir çıktı.

Eşleşen pozlarla DR Boost

Bu iki akış, gölge bölgeler için yüksek kazanç verileri ve vurgular için düşük kazanç verileri kullanılarak birleştirilir. Sonuçlar 16 bitlik bir alanda birleştirilir, böylece gölge bölgeler sadece Raw dosyasının düşük hassasiyetli kuyruk ucuna sıkıştırılmaz.

Amplifikasyon okuma yolunun daha aşağısında gerçekleştiği için, çift çıkış yaklaşımının değiştirilebilir çift kazanç tasarımına kıyasla biraz daha az temiz gölgeler üretmesini beklerdik. Ancak bunun tersine, çift çıkış kazancının vurguları (ve dolayısıyla daha geniş toplam dinamik aralığı) değiştirilebilir çift kazanç yaklaşımından daha etkili bir şekilde koruyabilmesini beklerdik.

GH6’da Dynamic Range Boost’u devreye aldığımızda, yukarıda görüldüğü gibi fazladan 1EV’lik bir vurgu DR elde ederiz. Bazı sahnelerde, bu daha parlak ayrıntıları yakalama yeteneği faydalı olacaktır. Ancak daha karanlık koşullarda, DR Boost kapalı ayarına kıyasla bize pozlamayı 1EV artırma seçeneği sunar:

DR Boost On çekimlerine ek bir ışık durağı verildiğinde, her iki dosya da aynı gerçek dünya tonuna yanıt olarak kırpılır, ancak DR Boost On sürümündeki diğer her şey bir adım daha temiz olur ve söz konusu olduğunda size daha fazla esneklik sağlar. orta tonları ve gölgeleri derecelendirmek için.

ISO eşikleri

Bu teknolojilerin her ikisi de yalnızca daha yüksek ISO’larda gerçekten devreye giriyor. Mevcut, değiştirilebilir İkili Kazanç tasarımlarında, kameranın düşük dönüştürme kazancı modunu kullanmaktan daha yüksek olanı kullanmaya geçiş yaptığı sabit bir ISO vardır. İkili Çıkış Kazancı sisteminde, güçlendirilmiş gölge bölgelerine ihtiyaç duyacak kadar yüksek bir ISO’ya ulaşana kadar her iki okuma yolunu da kullanamazsınız. GH6’da Panasonic, Çift Çıkış Kazancının ISO 800 ve üzerinde etkin hale geldiğini söylüyor.

Her iki durumda da Günlük modlarının geçiş yaptığı ISO derecesi daha yüksek olacaktır. Bunun nedeni, Günlük modlarının daha fazla vurgu bilgisi içerecek şekilde tasarlanmasıdır, bu nedenle temel ISO durumlarına, verilmeleri gereken daha düşük pozlamaları yansıtan daha yüksek bir derecelendirme verilir. Örneğin, GH6, durağan görüntülerde ve standart renk modunda ISO 800’den ve Log video’da ISO 2000’den itibaren ‘Dinamik Aralık Artışı’nın mevcut olduğunu söylüyor: Bunun nedeni, bu eşiklerin her ikisinin de Temel ISO + 3 durak olmasıdır.