Решил продолжить здесь разговоры о матрицах, периодически возникающие в темах про конкретные камеры. Я тут схлестнулся с Рулером насчет устройства CMOS-матриц, и вот хочу признать: я был неправ насчет цепочечного переноса аналоговой информации. Нет его в CMOS. Меня сбила с толку фраза из релиза IMX021 - матрицы, что стоит в А700. Там было указано, что нововведения в ее схемотехнике позволили уменьшить шумы переноса по сравнению с обычной CMOS. Термин «шумы переноса» был введен для CCD-приборов и означал дополнительные шумы, возникшие вследствие прохождения сигнала с пикселя через «аналоговый сдвиговый регистр» (его наличие – одна из основ технологии CCD). В том же релизе приведены сравнительные схемы прохождения информации в традиционной CMOS-матрице и IMX021 (см. вложение). Из них видно, что аналоговый сигнал с пиксельного фотодиода подается через управляемый ключ на шину соответствующего столбца, если активизирована линия опроса его строки. То есть, действительно, использован принцип произвольной выборки, аналогичный компьютерным чипам памяти. Правда, сомневаюсь, есть ли в матрице схемотехнические средства для произвольной выборки, т. е. доступные извне линии адреса. Скорее всего там жестко организован последовательный перебор адресов, но не в этом дело. Механизм возникновения шумов, связанных с переносом сигнала, здесь иной. Шумят пиксельные усилители, аналоговые ключи, даже проводники, через которые проходит сигнал. Способ уменьшения шумов при новой схемотехнике матрицы вот какой. Раньше сигнал с шины каждого столбца запоминался на аналоговом устройстве выборки-хранения (CDS). По сигналам на линиях опроса столбцов выходы CDS коммутировались аналоговыми ключами на вход единственного АЦП (или нескольких, если матрица разбита на зоны). При этом от аналоговых элементов, обеспечивающих опрос столбцов – CDS, ключей и АЦП - требовалась высокая рабочая частота, превышающая частоту опроса строк в N раз, где N – число столбцов в матрице (или в зоне). Разумеется, высокочастотные компоненты более уязвимы для шумов и помех. В IMX021 благодаря установке индивидуального АЦП на каждый столбец все эти элементы исключены, а опрос столбцов происходит уже в цифровом виде, не подверженном шумам и помехам. Это позволило также увеличить «скорострельность» матрицы. Кстати, на http://forums.dpreview.com/forums/read.asp?forum=1000&message=25445168 появилась ссылка на кое-какую новую информацию об этой матрице, а также на описание вновь вводимых «матричных» мощностей Сони (оба PDF, правда, на японском :-(). Выводы автор делает довольно обнадеживающие, в том числе по перспективам на ФФ.
Насколько я понимаю японский язык (вернее, насколько можно догадаться без его знания), Сони в PDF, ссылку на который я дал в предыдущем посте, приводит для матрицы IMX021 (A700) некоторые ключевые данные: - Напряжение насыщения при температуре 60 градусов: мин. 1100 мВ - Чувствительность по зеленому каналу при съемке объекта яркостью 706 кд/кв.м и цветовой температурой 3200К с диафрагмой 5,6 и выдержкой 1/30 с: тип. 500 мВ - Макс. усиление PGA (усилителя с программируемым коэффициентом): 24 дБ (что соответствует примерно 4 экспозиционным ступеням) Последний параметр означает, что при увеличении ISO в камере относительно минимального первые 4 ступени обеспечиваются аналоговым усилением, а дальше идет просто «вытягивание» из младших разрядов АЦП.
bigmaxx - молодец, что таки полез читать дальше, и понял что в базе был не прав ! Респект. Постараюсь выложить по CMOS и CCD, что читал, до работы как доберусь. Хочу пока отметить тока, что не стоит воспринимать буквально слова Сони про инновации.... Скажем так, СMOS матрица там совершенно обычная по использованным технологиям и решениям, и все эти "инновации" только в раках Сони в сравнении с их же CCD (ну просто разные матрицы ), у Кэнона все это давно используется. CMOS появился все же совсем не сейчас, когда Сони к нему обратились, а прошел уже серьезнейшее развитие от жутко шумящих поделок, годящихся тока как глазки в камерах слежения, до FF матриц в Марках и 5D, которые по сути "вставляют" лучшим CCD.
Вот забавное сравнение про шумы CMOS, ССD и Foveon, позволяет косвенно ряд вещей понять про матрицы. Сделано финским институтом измерений и информатики, использовались Кэнон D30, Никон D70 и Сигма SD10. http://www.mit.tut.fi/staff/Hytti/Noise_characterization.pdf
Три APS матрицы Сони – попытка сравнения «по документам» Полноценный datasheet доступен только на старую 6-мп матрицу ICX413AQ (5D/7D и т.п.) На 10-мегапиксельные CCD ICX483/493AQI (D200/D80/A100), тем более на новую IMX021 (A700), есть пока лишь рекламные листовки на японском, где указаны ключевые характеристики, и то не все. ICX413 / ICX483 / IMX021 Чувствительность по зеленому каналу, mV: 1000 / 430 / 500 Напряжение насыщения при темп. 60 С, mV: 900 / 1100 / 1080 Диапазон встроенного PGA, dB: -- / -- / 24 Давайте вначале займемся CCD-матрицами. Не будем пока касаться абсолютных значений приведенных величин, попробуем разобраться с их смыслом. Такие значения, как темновой сигнал (4 mV) и его неравномерность (2 mV) при 60 градусах С, имеются только для 6-мегапиксельной матрицы. Именно по ним можно косвенно судить о шумовых характеристиках и динамическом диапазоне, которые явно не приведены. Для CCD-линеек, помнится, Сони в своих даташитах вычисляла ДД как отношение напряжения насыщения к неравномерности темнового сигнала, так что мы имеем право заключить, что ДД равен 450, что чуть меньше 9 ступеней. Не забываем, что это при максимальной, как я понял, рабочей температуре в 60C. Учитывая, что темновые токи CCD возрастают вдвое на каждые 7-8 градусов, для температуры 30С получаем ДД где-то в 13 ступеней, что совсем не плохо. Думаю, без большой натяжки можно принять близкую неравномерность темнового сигнала и для 10-МП CCD, т.к. чудес не бывает, и эти значения обусловлены в первую очередь самой технологией CCD. Получим ДД даже чуть больший, чем у 6-МП. Вроде бы хорошо, но давайте взглянем на светочувствительность… Мы увидим, что 10-мегапиксельные CCD уступают 6-мегапиксельной по абсолютной светочувствительности более чем вдвое. Если же привести светочувствительность к напряжению насыщения, то разница еще больше: для 6-мегапискельной матрицы получается 1,11 а 10-мегапиксельной – 0,39, то есть в 2,85 раза. Возможно, одна из причин этого - уменьшение напряжения питания матрицы с 15 до 6-7 В. Ну и сокращение площади пикселя, конечно… При этом минимальное значение ISO и у пятерки/семерки, и у А100 одинаково! Здесь причина может быть только одна – «задранный» в камере коэффициент усиления сигнала с 10-мегапиксельных матриц. То есть шумы матрицы при одном и том же установленном в камере ISO усиливаются в Альфе втрое по сравнению с пятеркой/семеркой. Вот оно, различие в шумности на одинаковых ISO на полторы ступени, которое наблюдается на практике… Похоже, вполне можно было сделать в А100 ISO 50, там бы матрица проявилась в полную силу! Теперь о новой CMOS. Чувствительность и напряжение насыщения в числовом выражении сходны с 10-МП CCD матрицами, ну, может, чуть получше. Правда, неясно, как их измерили, если сигнал уже в матрице преобразован в цифру… Наверное, ориентируясь на характеристики АЦП! Что касается шумовых характеристик, то для IMX021 нам доступны только косвенные прикидки. Есть теоретическая работа (спасибо Рулеру за ссылку) Стэнфордского университета 99-го года, где построены графики зависимости ДД и отношения сигнал/шум от размера пикселя (для конкретной схемотехники CMOS пикселя при 0,35-мкм проектных нормах, обеспечивающих 35% fill factor). По ним для 5,5-мкм пикселей IMX021 выходит ДД 56 dB (9 с небольшим ступеней) и сигнал/шум 37 dB (6 ступеней). Новые производства Сони, где делают IMX021, способны использовать 90-нм проектные нормы (т.е. достижимы вчетверо меньшие размеры компонентов), так что этот самый fill factor может, удалось и увеличить, но он не может быть более 100%. В последнем, идеально-невозможном случае, когда фотодиод занимал бы всю площадь пикселя, получаем ДД 64 dB (10 с половиной ступеней) и сигнал/шум 46 dB (менее 8 ступеней) Замечу, что эти графики построены в предположении, что используется схема Correlated Double Sampling (CDS), которую у нас громко окрестили «внутриматричным шумодавом». PGA (programming gain amplifier) – это управляемый усилитель. Именно он обеспечивает переключение ISO. В случае CCD он находится вне матрицы, т.к. ее полупроводниковая технология совершенно особая и не позволяет получать на том же кристалле сложные аналоговые или цифровые схемы. На CMOS-кристалле же это вполне возможно, для меня только вопрос – где все это схемотехнически расположено. Ясно, что до АЦП, то есть этих PGA не один, а много. На структурной схеме матрицы, приведенной в ее релизе, показан свой усилитель возле каждого пиксельного фотодиода. Или все они управляемые (!), или есть не показанные на этой схеме PGA между шиной столбца и схемой CDS с последующим АЦП. Диапазон регулировки усиления PGA составляет 24 dB, или 4 ступени. То есть, как я писал выше, таков в этой матрице потенциал повышения ISO за счет аналогового усиления. Дальше – только цифровая интерполяция. Выводы Наибольший ДД при «родной» светочувствительности, похоже, имеет 10-МП CCD. Но она же – наименее чувствительная, а ISO 50 или меньше, на котором бы она себя раскрыла, в камерах на ее основе нету. Возможно, по маркетинговым соображениями, чтобы не «светить» ее низкую чувствительность… С другой стороны, если в D200 или A100 действительно применен нелинейный (логарифмический) усилитель, о чем заставляют задуматься некоторые тесты, то она должна иметь на ISO 100 лучший по сравнению с 5D/7D запас по пересвету, что весьма ценно… Матрица А700 чуть чувствительнее А100, но, вероятно, несколько пошумнее при минимальном, т.е. «родном» ISO. По чувствительности определенно впереди всех 6-МП CCD, это дает ей реальные преимущества при слабом освещении, и не зря Никон маркировал в D70 ISO c 200! Насчет того, на чем теоретически основываются утверждения, что в CMOS с ростом ISO меньше, чем в CCD, прирастают шумы – простите, пока не разобрался…
bigmaxx - респектище ! Теперь понимаю, что у вас были основания брезгливо отнестись к простенькому тексту по CMOS (хотя он был в общем-то и верным, что и вызвало мою реакцию возмущенную). На мой взгляд, базовая чувствительность, эквивалентная исо50 (и наверняка возможность переключаться в нее, ведь это просто снижение коэфф. усиления, только это недоступно юзеру) объясняет то, что я видел на А100, сравнивая ее с D7D. А именно исо100, f1.4, камерам не хватает 1\4000, обе отчаянно мигают об этом, на выходе на D7D акварель, свидетельствующая о явном перегрузе матрицы, на выходе А100 - верно проэкспонированная картинка, при этом света и тени как бы даже поджаты, то есть сложилось впечатление что было адаптивное сжатие ДД. А ведь вполне возможно матрица просто переключилась в исо50 !! И это объясняет почему при прикрытии дырки я получил опять 1\4000 и ту же с виду экспозицию, только гистограмма оказалась чуть больше растянута.
Посмотрите, может быть окажется интересным: http://huhepl.harvard.edu/~LSST/general/Janesick_paper_2003.pdf
В воскресение посмотрел даташиты на некоторые CMOS-матрицы, которые удалось найти в сети. Попалось несколько на матрицы от Samsung. Например на S5K2E1FX03 – 1/2.5 INCH QSXGA CMOS IMAGE SENSOR. Ссылки под рукой нет, кому интересно, может самостоятельно найти (файл ds_s5k2e1fx_rev00.pdf), или могу скинуть на мыло. “The S5K2E1FX03 is a highly integrated CMOS image sensor fabricated by SAMSUNG 0.13μm CMOS image sensor process. It is developed for imaging application to realize high-efficiency and low-power photo sensor. The sensor consists of 2608 x 1952 effective pixels which meet with 1/2.5 inch optical format. The sensor has on-chip 12-bit ADC blocks to digitize the pixel output and also on-chip Correlated Double Sampling (CDS) to reduce Fixed Pattern Noise (FPN) drastically. With its few interface signals and 12-bit raw data directly connected to the external devices, a camera system can be configured easily.” Понятно, что решения Samsung могут не совпадать с решениями от Сони, тем более для матриц разных размеров и классов. Но обратил внимание на такую особенность матрицы: “2-3. Quadrisectional Global Gain Control The user can controls the global gain to change the gain for all color channels by the Global Gain Control Registers (global_gain_sec1, global_gain_sed2, global_gain_sec3, global_gain_sec4). The global gain control register is composed of four register groups and each register value decides the gain for each quarter section of output code level. By appropriately programming these four register values, the different output resolution according to the signal can be achieved and the intra-scene dynamic range can be increased by 16 times. In another application, the sectional global gain control can be used as a rough gamma correction with four sectional linear approximation curve as shown in figure 7. (ggs is acronym of global_gain_sec)” См. картинку. Т.е. получается, что можно сделать так, чтобы аналого-цифровое преобразование было нелинейным. Получится, что в тенях, где глаз более чувствителен, точность преобразования будет выше, чем в светах, кроме того в тенях будет меньше влияния шума предусилителя АЦП и АЦ преобразования. На мой взгляд, такое решение может быть весьма эффективным. Если у Сони используется такой механизм, то становится объяснимым нелинейный характер увеличения шума при увеличении ИСО. Появляется и повод для размышления об ошибке в ACR, которую обещают пофиксить, и возможно из-за которой есть непонятности в светах на ИСО 100. Вот такое ИМХО.
Насчет нелинейности АЦП мысль не новая, но до этого получала опровержение всегда. Раз у Самсунга прямо так написано, то это выглядит весьма интересным... О нелинейном АЦП говорилось еще про D7D, когда шел разговор о High and Low режимах у нее, но на поверку они оказались банальными кривыми конвертации в джпег и смещением показателя экспозамера. В случае с CMOS, конечно такие трюки более актуальны. Насчет ACR там все странно. Судя по всему RAW от А700 cделаны так, что воспринимаются ACR как 13 битными. Отсуда сдвиг вверх при конветации. При просмотре их dcraw, значения там начинаются от 200, а сам файл в явном виде выходит 13 битным. Если это не учитывать, то ессно все выходит сконвертировано вверх.
Это называется кусочно-линейная аппроксимация При соответствующей цифровой поддержке на стадии обработки сигнала с матрицы - достаточно интересное решение...
