Czy Poisson Noise („Shot Noise”) jest znaczącym źródłem hałasu dla typowej fotografii?

W tej odpowiedzi @jrista stwierdza, że ​​nawet kamera z doskonałym, bezszumowym czujnikiem nadal będzie hałasować z powodu „szumu Poissona”, czyli „szumu fotonowego” - szumu spowodowanego przypadkowymi zmianami fotonów, które powodują, że więcej fotonów dostaje się do jednego sensel niż inny.

Jestem tylko ciekawy - czy to poważny problem dla fotografów z prawdziwego świata? Zakładam, że ten hałas byłby tak nieskończenie mały, że możemy uznać go za zasadniczo 0. Czy są jakieś badania, które mierzą, ile hałasu powstaje z powodu strzału, w porównaniu do innych przyczyn (takich jak szum elektryczny lub termiczny z elektroniki) ?

W większości części większości zdjęć szum powodowany przez fotony ma największy wpływ na hałas .

Przeważnie porównujemy to do odczytu hałasu. (Ciemny prąd jest pomijalny w przypadku krótkich ekspozycji, a szum kwantyzacji jest również dość niewielki, gdy mówimy o 12- i 14-bitowych przetwornikach ADC.) Szum odczytu zależy od czujnika. W artykule z 2007 r. Przedstawiono pomiary hałasu odczytu dla kilku lustrzanek cyfrowych . Widzimy na przykład, że Canon 40D o ISO 200 ma około 10 elektronów (e-) szumu odczytu.

Szum wywołany fotonem jest procesem Poissona , więc hałas jest pierwiastkiem kwadratowym liczby fotoelektronów sygnałowych. Więc jeśli zarejestrujemy 100 fotoelektronów sygnałowych w pikselach od naszego obiektu, spodziewamy się, że szum na piksel będzie wynosić sqrt (100) = 10 e-, równy szumowi odczytu 40D.

Czy 100 fotoelektronów to dużo? Nie, ten sam papier ocenia całkowitą pojemność 40-pikselowego piksela na 56 000 e-, więc piksel z zaledwie 100 e- jest bardzo ciemną częścią sceny, około 9 stopni ciemniejszą niż w pełnej studni. W pikselach o wartości większej niż 100 e- szum przy strzale wciąż rośnie, aż do sqrt (56000) = 236 przy pełnej studni, więc hałas przy strzale dominuje nad szumem odczytu o coraz większy margines. (Jasne tony wydają się mniej hałaśliwe niż ciemne, ponieważ stosunek sygnału do szumu nadal rośnie, ponieważ szum jest tylko pierwiastkiem kwadratowym sygnału. Ale to, jaki jest szum, jest coraz częściej spowodowane strzałem, a nie hałasem czytaj hałas.)

W bardzo ciemnych cieniach szum odczytu może być znaczący. A przy długiej, ciemnej ekspozycji (takiej jak astrofotografia pod ciemnym niebem), zarówno ciemny prąd, jak i szum odczytu mogą być ważne. Jednak w przypadku fotografii ogólnej dobrze naświetlonych obiektów o krótkich czasach naświetlania dominującym źródłem hałasu jest hałas.

Hałas wystrzeliwany przez fotony lub hałas wynikający z rozkładu fotonów Poissona, gdy docierają one do czujnika, może być problemem, o którym fotografowie z prawdziwego świata powinni być przynajmniej świadomi. Wraz ze wzrostem ISO spada również maksymalny potencjał sygnału. Z każdym zatrzymaniem wzrostu ISO maksymalny sygnał spada dwa razy. W większości ekspozycji hałas wywołany przez fotony jest zdecydowanie najważniejszym czynnikiem wpływającym na hałas. Elektroniczne źródła hałasu wpływają tylko na głębokie cienie i zwykle pojawiają się tylko wtedy, gdy zaczniesz przesuwać ekspozycję wokół postu (tj. Znacznie podnosząc cienie).

Zakładając czujnik pełnoklatkowy o pełnej pojemności studni (FWC) wynoszącej 60 000 elektronów, przy ISO 100 masz maksymalny punkt nasycenia (MaxSat) wynoszący 60 000 elektronów (e-). Przy ISO 200 byłbyś MaxSat 30.000e-, ISO 400 / 15000e-, ISO 800 / 7500e-, ISO 1600 / 3750e-, ISO 3200 / 1875e-. Zwiększenie ISO samoistnie zmniejsza maksymalny potencjalny stosunek sygnału do szumu.

Ten czynnik jest prawdopodobnie najważniejszy przy podejmowaniu decyzji, jaki aparat kupić. Pełnoklatkowy czujnik będzie miał większe piksele niż czujnik APS-C o tej samej liczbie megapikseli. Nasz 60k FWC w naszym hipotetycznym czujniku FF może być 20k-25k FWC w czujniku APS-C. Jeśli potrzebujesz doskonałej wydajności w słabym świetle, skorzystanie z czujnika pełnoklatkowego i mniejszej liczby megapikseli zwiększy rozmiar pikseli, a tym samym będzie mieć BEZPOŚREDNI wpływ na ilość widocznego szumu przy wyższych ustawieniach ISO.

Szum fotonu, jako stosunek całkowitego sygnału, spada wraz ze wzrostem siły sygnału. Jako czynnik absolutny (odchylenie standardowe wokół średniego poziomu sygnału) szum wystrzelony przez foton jest prawdopodobnie w przybliżeniu stały. Zakładając standardowe odchylenie 5 jednostek, jeśli siła sygnału również wynosi 5, miałbyś obraz, który wydaje się być głównie szumem, być może z częściowymi, ale w dużej mierze niewyraźnymi „kształtami”. Jeśli siła sygnału wynosi 10 jednostek, wówczas SNR wynosi 50%. Nadal będziesz mieć bardzo hałaśliwy obraz, ale będzie to obraz o bardziej wyraźnym kształcie i strukturze. W rzeczywistości szum wystrzeliwany przez foton, który występuje po funkcji rozkładu Poissona, jest równy pierwiastkowi kwadratowemu z poziomu sygnału. Przy ISO 100 czujnik FF z 60 000-FWC będzie emitował szum fotonu odpowiadający 244e-. Czujnik APS-C z 20, 000– FWC będzie emitować szum fotonu odpowiadający 141–. Przy ISO 200 szum emitowanego fotonu wynosiłby odpowiednio 173– i 122–, ISO 400 wynosiłby 122– i 70– itp. W związku ze stosunkami, przy szumie fotonowym ISO 100 FF wynosi 0,004% sygnału, ISO 200 jego 0,006%, ISO 400 jego 0,008% itd. Natomiast dla APS-C wartości te wynoszą ISO 100 / 0,007%, ISO 200 / 0,012%, ISO 400 / 0,014% itp.

Mniejsze czujniki będą miały nieco niższy współczynnik SNR niż czujniki FF, ponieważ aktywacja rzędu / kolumny i okablowanie odczytu mają tendencję do konsumowania większej względnej przestrzeni fotodiody. W połączeniu z mniejszym FWC od razu znajdujesz się w niekorzystnej sytuacji, jeśli chodzi o zwiększenie ISO. Czujnik FF ma przewagę hałasu o około 60% (przez: 244/60000 / 141/20000 = 0,577). Przy tym samym ustawieniu ISO, przy założeniu, że szum jest ogólnie widoczny przy tym ustawieniu, czujnik FF zawsze będzie wydawał się mniej hałaśliwy niż czujnik APS-C. W przypadku naszych dwóch hipotetycznych czujników ISO 100 na APS-C jest tylko nieznacznie lepszy niż ISO 400 na FF, prawie dwie kropki różnicy we względnej wydajności hałasu! To samo dotyczy dwóch czujników FF, jednego z dużymi pikselami i drugiego z mniejszymi pikselami o współczynnik 1,6. Zakłada to obserwację kadrowania w 100% (tj. Podglądania pikseli).

Co do tego, ile hałasu pochodzi z strzału, a ile z innych źródeł. „Inne źródła” naprawdę zależą od czujnika. Szum odczytu jest zwykle mierzony w kategoriach DU (jednostki cyfrowe lub post-ADC) lub e- (elektrony, ładunek sygnału analogowego). Canon 7D ma szum odczytu 8,6e przy ISO 100, ale 4,7e przy ISO 200, 3,3e- przy ISO 400 itd. Canon 1D X ma hałas 38,2e (!) Przy ISO 100. większy szum odczytu jest ostatecznie proporcjonalny do obszaru fotodiody ... większe piksele przenoszą więcej prądu, więc ciemny prąd będzie większy, a wzmocnienie w dół będzie zwiększać większą ilość szumu elektronicznego w stosunku do sygnału. 1D X ma jednak FWC 90,300, co oznacza, że ​​38-szumowy odczyt to niewielki ułamek maksymalnego potencjalnego sygnału ISO100 (dokładnie 0,00042%).

We wszystkich przypadkach hałasu tak naprawdę zależy to od twoich celów. Jeśli masz tendencję do fotografowania w słabym świetle lub potrzebujesz bardzo długich czasów otwarcia migawki, znalezienie aparatu z większymi pikselami prawdopodobnie zapewni najlepszą charakterystykę szumów. Jeśli fotografujesz obiekty o dużej szczegółowości, większa gęstość pikseli jest prawdopodobnie ważniejsza niż niski poziom szumów. Nie ma tutaj żadnej prawdziwej odpowiedzi.

^{† Ilość światła, przy założeniu stałego źródła światła, ilość światła docierającego do czujnika dla danej przysłony i czasu otwarcia migawki lub ich równoważne proporcje: f / 16 1 / 100s, f / 8 1 / 200s, f / 4 1 / 800s, wszystkie te same EV.}

Zdecydowanie wchodzisz w zakres fotografii pobocznej, próbując zidentyfikować szum strzału w porównaniu do sygnału. Na szczęście astrofotografowie byli tu już wcześniej.

Istnieje przyzwoita seria artykułów przeznaczonych dla laików, którzy rozumieją hałas w porównaniu z sygnałem, opublikowana przez Craiga Starka.

W pierwszej części opisuje podstawową przesłankę hałasu wystrzału i dlaczego skyglow jest tak zły dla astronomii - zwiększa hałas wystrzału bez dodawania dodatkowych informacji. Zasadniczo możesz mieć wyższy poziom światła, ale jest płaski, a przez to oszałamiający kontrast.

W drugiej części omawia bardziej szczegółowo różnice między ujęciem a odczytem a szumem termicznym, na przykład zdjęcia.

W części trzeciej opisuje metodę pomiaru wydajności określonych kamer, a tym samym uzyskania modelu profili hałasu. To może najlepiej odpowiedzieć na twoje pytanie „jakie są różnice między rodzajami hałasu”.

Wróć do podstawowego pytania: czy ma to znaczenie w przypadku większości fotografii? Niezupełnie, dopóki nie zaczniesz fotografować w ekstremalnych warunkach innego rodzaju hałasu (termicznego i odczytu), kiedy SNR zostanie wypaczony.