Цифровые камеры Canon EOS 400D и 40D - так ли они отличаются?

Не так давно вышла новая цифровая камера от Canon - Canon EOS 40D. Было анонсировано, кроме прочего, наличие 14-битного АЦП. Думаю, что многие загорелись возможностью купить такую цифровую камеру и использовать её для измерительных целей: такая же техническая камера стоит раз в 30 дороже. Однако позже выяснилось горькая правда - внутри установлена та же самая матрица и, есть обоснованные подозрения, что и сходное АЦП. В переводе на русский это означает, что дополнительные биты вы получите ценой усиления шума, что сводит на нет всю прелесть 14-битного АЦП.

Полученные данные позволяют утверждать, что в цифровых камерах Canon EOS 400D и 40D установлены фотосенсоры одной и той же модели. Более того, возможно, что к АЦП на камере 40D двухступенчатый, на что указывает график зависимости стандартного отклонения темнового шума от значения ISO. Многие параметры фотосенсора, например, BLO (Black Level Offset), стандартное отклонение шума, величина сигнала при насыщении, особенности зависимости сигнала от шума при некоторых значениях освещённости говорят о том, что в 40D и 400D установлены идентичные фотосенсоры. На это же намекают в whitepaper на камеру 40D:

Although the EOS 40D’s single-piece CMOS sensor is based on the Canon EOS Digital Rebel XTi’s sensor design and manufacturing technology, new processes were incorporated in the CMOS semiconductor fabrication and microlens-forming process.
Курсивом отмечены золотые слова: КМОП-сенсор 40D основан на дизайне и производственной схеме 400D (он же Digital Rebel), а что они там нахимичили в микролинзах - это дело десятое.

А это значит, что преимущество 14-битного АЦП в таком случае нивелируется возросшим уровнем шумов и, как следствие, уменьшением величины отношения ``сигнал/шум'' при том же динамическом диапазоне.


Экспериментальные данные
Из рисунков Рис.9а) и б) можно видеть, что среднее значение темнового шума увеличивается с ISO очень медленно, однако величина постоянного темнового шума
отличается в 4 раза. Это можно объяснить увеличением разрядности АЦП
при том же фотосенсоре.

Более того, анализируя графики зависимости стандартного отклонения темнового шума от ISO (рис.1) можно сделать вывод, что скорее всего АЦП на Canon 40D двухступенчатый.
Это объясняет характерные провалы СКО шума на промежуточных значениях
ISO, однако если соединить точки 100, 200, 400, 800 и 1600, то
получится гладкая кривая, значения которой опять-таки примерно в 4 раза
отличаются от тех, которые имеют место быть на Canon 400D.


а)
б)

Рис.1: Изменение среднего значения темнового шума
от величины ISO: а) для Canon 400D, б) для Canon 40D.

Таким образом, величина BLO на двух фотокамерах совпадают с точностью до постоянного множителя. Так же любопытно сравнение значений стандартного отклонения от шума для двух цифровых камер, которое приводится на рис.2.

а)
б)
Рис.2: Изменение стандартного отклонения темнового шума
от ISO: а) для Canon 400D, б) для Canon 40D.

Видно, что в точках 100, 200, 400, 800 и 1600 соответственно стандартное отклонение темнового шума отличается так же почти в 4 раза - это свидетельствует о том, что АЦП установлены со сходными характеристиками.

Более того, на зависимости сигнала от шума имеется аномальное отклонение для данных, полученных с Canon EOS 400D - наблюдающийся провал на зависимости, приведённой на рис. 3 воспроизводится даже при некотором изменении параметров эксперимента.

а)
б)

Рис.3: Зависимость сигнала от шума для данных, обработанных
DCRAW в документальном режиме (данные приведены для красного канала):
а) для Canon 400D, б) для Canon 40D.

На рис.3 приведены данные по световым шумам фотосенсоров Canon 400D и 40D в
красном канале. Видно, что в обоих случаях имеется аномальное поведение зависимости сигнала от шума - и эта аномалия одна и та же для двух рассматриваемых камер. Это однозначно указывает на то, что фирма Canon установила ту же самую матрицу в модель 40D, которая устанавливалась и в 400D. А это в свою очередь означает, что 14-битный АЦП ничего не даёт в плане увеличения динамического диапазона камеры, если её рассматривать в качестве измерительной.

Так, для 12-битной камеры Canon EOS 400D были получены следующие характеристики:
  • Предельное значение сигнала: 3726 DN.
  • Оптический динамический диапазон (ODR): 59 dB.
  • Линейный динамический диапазон (LDR): 58 dB.
  • Максимальный "сигнал/шум": 117 (6.9 bit).
  • Стандартное отклонение темнового шума: 1.6 DN.
В то же время, для 14-битной камеры Canon EOS 40D измерительные характеристики хуже:
  • Предельное значение сигнала: 13825 DN.
  • Оптический динамический диапазон (ODR): 56 dB.
  • Линейный динамический диапазон (LDR): 52 dB.
  • Максимальный "сигнал/шум": 75 (6.2 bit).
  • Стандартное отклонение темнового шума: 6.0 DN.
Во всех случаях минимальный сигнал\шум принимался равным 2.

Выводы:
Если вы используете цифровые зеркальные фотокамеры в качестве измерительных приборов, то выбор в этом качестве Canon EOS 40D не оправдан из-за меньшего значения линейного динамического диапазона и более высокой стоимости.

22 комментариев: |высказаться!| RSS-лента дискуссии.|
Анонимный комментирует...

Серия последних постов навевает на тревожные мысли: неужели автору нечего про dedian, собственно, сказать?

Az комментирует...

А мысль, что автор похоже сейчас другим занимается - не приходила в голову?

Дебиан дебианом, а исследования - исследованиям.

virens комментирует...

Как правильно говорит Az, я не сисадмин и не программист. И в профиле это указано достаточно чётко. И вообще, мне не о Дебиане надо писать, а о диссертационной работе :-)

Посты о Дебиане и Линуксе, естественно, будут.

Dormestmass комментирует...

Интересный пост, спасибо!

Навевает мысли о том, что разводят буквально на каждом шагу. Причем даже там, где бы никогда не подумал... :(

jetxee комментирует...

2dormestmass:
> Причем даже там, где бы никогда не подумал... :(

Я бы подумал. ТТХ камер и её компонентов производители не очень-то рвутся открывать (за исключением десятка рекламных параметров). Значит — есть, что скрывать.

Пост интересный. Спасибо автору за то, что не только про Debian пишет.

2анонимный:
Кстати, говоря, блог называется «записки дебианщика», а не «записки о Debian» :)

virens комментирует...

2 Dormestmass пишет...
Навевает мысли о том, что разводят буквально на каждом шагу.
Это мир Consumer Electronic, то есть потребительской электроники. Производитель идёт на любую гадость, лишь бы сэкономить на товаре лишний доллар. И цифровые камеры тут не исключение.

Причем даже там, где бы никогда не подумал...
Аналогичная техническая камера стоит минимум $20.000, и это далеко не лучшая. А тут за 600 баксов получаем всё, да ещё с объективом и красивыми кнопками.

2 jetxee пишет...
ТТХ камер и её компонентов производители не очень-то рвутся открывать
Не то, что не рвутся - они их тщательно оберегают. После долгого гугления я нашёл пару "whitepapers", но это настолько обтекаемые слова, что аж противно.

Естественно, что никаких технических данных и datasheet на матрицы фотоаппаратов Canon в сети нет. Так что скрывать этим паразитам определённо есть что.

Значит — есть, что скрывать.
Именно. Например, Canon утверждает, что у них на камерах нет ни одного битого пикселя. Заходим на сайт Hamamatsu, производителя крутых технических измерительных камер, и видим: наш софт... тра-ля-ля... содержит опции по коррекции битых пикселей.

Ха, в крутых камерах Hamamatsu за десятки тысяч долларов битые пиксели есть, а в дешёвых зеркалках Canon нет!? Не смешите мои тапочки :-)

Спасибо автору за то, что не только про Debian пишет.
Пожалуйста. Да о Дебиане уже писать-то толком нечего, кроме слов всё работает :-)

Но в ближайшее время поправлю одну статейку в блоге, разделив её на две, и довыложу посты про gnuplot.

Оставайтесь на нашей волне.

Анонимный комментирует...

Спасибо автору за интересное исследование шумности матриц фотокамер.

Прошу автора, если не затруднит, ответить вот на какой вопрос:

Правильно ли я понял, что Canon 40D шумит сильнее 400D, то есть, при прочих равных условиях картинка с 40D будет менее качественной? Или на практике результат будет одинаков? Под картинкой подразумеваю файл формата CR2.

virens комментирует...

2 Анонимный пишет...

Правильно ли я понял, что Canon 40D шумит сильнее 400D
Правильно. У 40D больше стандартное отклонение и темнового шума, и неоднородность фоточувствительности пикселей на свету. Это сводит на нет преимущества 14-бит АЦП. Таким образом, шума больше, динамический диапазон меньше.

то есть, при прочих равных условиях картинка с 40D будет менее качественной?
Менее качественной - понятие субъективное. Более шумной - да, будет: просто больше неопределённость измерения сигнала пикселем. Canon установили в 40D тот же АЦП что и в 400, только он, по всей видимости, двухкаскадный (это видно на графике уровня шума от ISO). Так что сигнал там 14-битный, но больше шума.

Или на практике результат будет одинаков? Под картинкой подразумеваю файл формата CR2.
На практике результат будет похожий, но всё равно - если в случае 400D усреднение полученных снимков мало что даёт, то в случае 40D усреднение потребуется. Так что для измерительной съёмки предпочтительнее именно 400D.

Если хотите обсудить это - пишите почтой mydebianblog собака gmail.com, буду рад.

Анонимный комментирует...

Спасибо за быстрый ответ!
Пожалуй, я поспешил задать вопрос, ибо в других Ваших публикациях (которые к этому моменту с интересом прочитал и осмыслил) все разъяснено.
У меня Canon EOS-40D, приобретен совсем недавно (живу на Камчатке; обошелся здесь в 38 тыс.руб.). Сейчас дивайс постепенно тестируется, скажем так, "органолептически". Так как измерительной техники под руками нет, приходится задавать прибору "задачки", описанные в интернет-форумах и т.п. Естественно, хочется знать все сильные и слабые стороны, которые в спецификациях не описаны.
Фотоаппаратом доволен (пока...).
С горячими пикселами выяснилось: по крайней мере 4 шт. таковых имеется (а сколько на матрице закрыто программно - об этом история умалчивает). Режим LiveView оказался "кастрированным" по возможностям, то есть, автофокусировка в этом режиме не основана на анализе свойств получаемого изображения (ждемс модели Canon EOS-450D...). Но вот шумность при высокой чувствительности матрицы хотелось бы сравнить с другими фотоаппаратами: люблю делать ночные снимки. На этом этапе как раз и наткнулся на Ваши статьи.

Следует заметить, что в интернете есть немало людей (вряд ли из числа заинтересованных лиц), которые указывают, что Canon 40D шумит меньше, чем 400D. Где-то даже сравнительный график приведен. В связи с этим возникает сомнение: а не может ли величина шума на фотоснимках объясняться разбросом характеристик от экземпляра к экземпляру (сенсора или электроники аппарата)?

Анонимный комментирует...

По поводу "шумности" сигнала с Canon EOS-40D и Canon EOS-400D.

Вот ссылочка, товарищ "на глазок" тестировал:
http://www.videozona.ru/photo_tests/Reviews/40Dvs400D/40Dvs400D_page00.asp
У него выходит, что 40D шумит меньше. Правда, снимок сделан не в критических условиях.
Лично у меня при выставленной чувствительности "H" (т.е. 3200) и поздним вечером небо получается зашумленным текстурой типа "мелкие белые звездочки", среднее расстояние между более-менее яркими 50-80 пикселов (данное описание не претендует на научность). Начинает досаждать при использовании увеличенных фрагментов снимка.

virens комментирует...

2 Анонимный комментирует...

У меня Canon EOS-40D, приобретен совсем недавно (живу на Камчатке; обошелся здесь в 38 тыс.руб.). Сейчас дивайс постепенно тестируется, скажем так, "органолептически".
В таком случае описываемых тонкостей вы не почувствуете, т.к. они скрыты за толстым слоем процедур постобработки и шумоподавления. :-)

Так как измерительной техники под руками нет, приходится задавать прибору "задачки", описанные в интернет-форумах и т.п.
Зачем вам интернет-форумы, когда есть стандарты? Например, EMVA1288, по которому, собственно были и получены данные (с некоторым приближением, естественно). Копию стандарта в нормальной LaTeX-вёрстке можно забрать у меня же отсюда в самом низу страницы.

Естественно, хочется знать все сильные и слабые стороны, которые в спецификациях не описаны.
Больше шума, но есть liveview :-)

С горячими пикселами выяснилось: по крайней мере 4 шт. таковых имеется (а сколько на матрице закрыто программно - об этом история умалчивает).
На матрице битые пиксели есть всегда, даже у крутых орлов типа Hamamatsu, Cohu и Basler. Так что не расстраивайтесь. У Dave Coffin помимо его DCRAW есть программа, которая умеет интерполированием замалёвывать битые пиксели.

Режим LiveView оказался "кастрированным" по возможностям, то есть, автофокусировка в этом режиме не основана на анализе свойств получаемого изображения
То есть в нём нельзя наводиться на резкость!?

Но вот шумность при высокой чувствительности матрицы хотелось бы сравнить с другими фотоаппаратами: люблю делать ночные снимки.
Тут опять: если вас интересуют ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ снимки, она будет выше. Если фотографии - это уже к шумодаву Canon вопросы :-)

Следует заметить, что в интернете есть немало людей (вряд ли из числа заинтересованных лиц), которые указывают, что Canon 40D шумит меньше, чем 400D. Где-то даже сравнительный график приведен.
Где, как и чем мерили, что принимали во внимание и проч. Если хотите обсудить - пишите почтой.

Она не может шуметь меньше, у неё АЦП тот же, что и в 400D, только "разогнанный".

В связи с этим возникает сомнение: а не может ли величина шума на фотоснимках объясняться разбросом характеристик от экземпляра к экземпляру (сенсора или электроники аппарата)?
Может, но не на столько. Посмотрите на зависимость темнового шума от ISO и предложите своё объяснение тем скачкам, которые имеют место быть на промежуточных ISO. Мой вариант: к АЦП c 400-ки поставили дополнительное усиление, включающееся на промежуточных значениях. Отсюда такие скачки и, естественно, больший шум. Причём не только темновой, но и на свету.

Шумовые характеристики, конечно, для каждой камеры немного отличаются.

2 Анонимный комментирует...
Вот ссылочка, товарищ "на глазок" тестировал:
Да ну, братцы, так дела не делаются :-)

Есть стандарты, есть статистические характеристики шумов - темновых и световых. Есть, в конце концов, точность измерений. А это на уровне "я вижу так". Это не разговор.

И потом, если автор снимков думает, что вот это:
Параметры конвертации: Sharpness 0, Color Noise Reduction (CNR): 0

выдаст ему чистые данные, то он, мягко выражаясь, заблуждается.

Лично у меня при выставленной чувствительности "H" (т.е. 3200) и поздним вечером небо получается зашумленным текстурой типа "мелкие белые звездочки"
А вы снятые снимки конвертируйте dcraw -4 -D -T и смотрите, что будет. А будет немного отличаться :-)

Начинает досаждать при использовании увеличенных фрагментов снимка.
Естественно, вы усиливаете не только сигнал, но и шум. Который, в случае слабого сигнала, начинает лезть из всех щелей. Погружайтесь в увлекательный мир обработки изображений и алгоритмов шумоподавления :-)

Анонимный комментирует...

Спасибо всем, кто откомментировал мои измышления. Честно говоря, не ожидал, что это произойдет так быстро и с детальной аргументацией.
Поскольку не являюсь специалистом, каждый высказанный качественный вывод для меня ценен, ведь доступа к лабораторному оборудованию у меня нет и не предвидится. С другой стороны, математический аппарат мне знаком из теории сигналов и мат. обработки измерений, поэтому читать ответы и ссылки интересно.

Несмотря на то, что научная карьера меня не ожидает, полагаю, что достоверная информация "лишней" никогда не бывает.

Еще раз благодарю за внимание!
Профессиональных удач, любви, здоровья!

Анонимный комментирует...

P.S. А за ссылку на DCRAW особое спасибо. Инструмент уже задействован, исходник изучается.

Pavel комментирует...

Спасибо за статью. Но, как владельцу 350Д и 400Д, мне не понятен выбор уважаемого virens в сторону 400Д по сравнению с той же 350Д. Простая разница в размерах пикселей должна давать (и по моему субъективному опыту дает) ощутимую разницу в шумах.

Анонимный комментирует...

Я, возможно, тупой, нельзя ли чуть-чуть развернутей?

"А это значит, что преимущество 14-битного АЦП в таком случае нивелируется возросшим уровнем шумов и, как следствие, уменьшением величины отношения ``сигнал/шум'' при том же динамическом диапазоне."

Если матрица та же самая, то мы и впрямь на 14-битном АЦП получим простоу умножение на 4. Но почему должен ухудшиться при этом SNR, если и сигнал и шум умножаются на одну и ту же величину? По-моему, естественно ожидать неизменность SNR.

И не можете ли Вы расшифровать эти показатели:

"Предельное значение сигнала: 3726 DN."

Максимальное значение, выдаваемое матрцей?

"Оптический динамический диапазон (ODR): 59 dB.
Линейный динамический диапазон (LDR): 58 dB."

У меня нет версий кто есть ху. Цифра поражает, учитывая то, что реальный динамический диапазон этихк амер около 10 EV, т.е. 30 dB.

"А это в свою очередь означает, что 14-битный АЦП ничего не даёт в плане увеличения динамического диапазона камеры, если её рассматривать в качестве измерительной."

А как же повышение точности в младшей части диапазона, где точность ограничена не шумами, а разрядами АЦП?

Анонимный комментирует...

Например, Canon утверждает, что у них на камерах нет ни одного битого пикселя. Заходим на сайт Hamamatsu, производителя крутых технических измерительных камер, и видим: наш софт... тра-ля-ля... содержит опции по коррекции битых пикселей.

Бред-то какой... Во-первых, подобный софт нужен для коррекции любых "сломанных" пикселей, будь то "битых", "горячих" или еще каких. Во-вторых, наличие такого софта никоим образом не означает наличия таких пикселей. И наоборот. В-третих, если Канон говорит, что битых пикселей нет, значит их нет. Никаких дебатов тут быть не может. Это, в конце концов, проверяется элементарным образом. Ну и, наконец, в-четвертых, подозреваю, что тут скоррее замешана неспособность определнных индивидуумов понимать анголязычный текст, что и приводит появлению русскоязычных слухов о каких-то заявлениях от Кэнона, которых на само деле никогда не делалось в действительности.

Анонимный комментирует...

А как же повышение точности в младшей части диапазона, где точность ограничена не шумами, а разрядами АЦП?

А это откуда? Сенсор и АЦП - устройства линейные и для них абсоютная точность "ограничена" соврешено одинаково и шумами, и разрядами АЦП совершенно одинаково по всему диапазону.

Анонимный комментирует...

А это откуда? Сенсор и АЦП - устройства линейные и для них абсоютная точность "ограничена" соврешено одинаково и шумами, и разрядами АЦП совершенно одинаково по всему диапазону.

Я имел в виду относительную точность

Абсолютная точность при переходе на 14 бит растет, и она действительно фиксирована. Можно и на этом остановиться (этот вопрос почему-то забыт) А вот шумы имеют непостоянную величину, и они растут. Если тут не врут, то пропорционально корню из измеряемого значения.

Анонимный комментирует...

Спасибо, спасибо, уважаемый народ!

Вашу дискуссию интересно читать третьим лицам. А я уже было откланялся...

В процессе изучения моего Canon EOS-40D (без измерительных приборов) выявился еще один дефектик: в темновых кадрах (то есть, сделанных с плотно закрытой крышкой объектива и, вдобавок, в темноте) уровень шума в двух углах (правом нижнем и правом верхнем) заметно выше, чем по остальному полю. Зрительно шум выглядит, как паразитная засветка фотослоя на пленочных фотоаппаратах, в зашумленных местах число светлых точек на единицу площади примерно вдвое выше. Чувствительность была выставлена "H" (ISO 3200). От выдержки данная картина совершенно не зависит и одинакова как на 1/100 с, так и на на 15 с).

На подавляющем большинстве изображений данный дефект практически не заметен.

Пока предположений два:

1) флуктауции данного экземпляра сенсора;
2) паразитная засветка (электромагнитная наводка) внутри камеры от какого-нибудь узла.

Анонимный комментирует...

Великолепное исследование! Спасибо огромное всем!
Хотелось бы просветитьсЯ про 450D!
У меня был 350D, недавно купил 40D и по шумам не
доволен им. Теперь хоть понятно, что не мегописели
ещё виноваты в этом.
С уважением, Александр.

blog комментирует...

Необходимо учитывать, что использованный инструментарий (dcraw -D) не очень правильный, ибо с точкой черного он поступает очень своеобразно
* рассчитывается уровень черного как усреднение всех пикселей черной рамки
* этот уровень черного вычитается из всех значений картинки (а если получилось отрицательное значение, то оно обнуляется)

Это плохо тем что
а) черный на самом деле другой (разумно рассчитывать уровень для каждого столбца отдельно)
б) черный разный поканально (если мы предыдущий способ ниасилили)

Впрочем, на сегодня ничего лучше dcraw -D нету, хотя под конкретный формат/камеру правильнее было бы поправить исходник на эту тему.

Анонимный комментирует...

Уважаемый эксперт, спасибо за вашу работу и сэкономленные 20тыс.!!! рублей.Уже хотела покупать 40,но "наткнулась" удачно на ваши вычисления.

Отправить комментарий

Подписаться на RSS-ленту комментариев к этому посту.