Czy istnieje możliwość, że przyszłe postępy technologiczne mogą zmniejszyć lub wyeliminować hałas przy użyciu ustawienia wysokiej czułości ISO, czy też ten hałas jest nieunikniony i nieodłączny dla wszystkich cyfrowych czujników?
Jeśli istnieje teoretyczna granica, w której hałas jest nieunikniony, jak blisko jesteśmy tego?
Odpowiedzi:
Bardzo ważne jest, aby zdać sobie sprawę, że to nie wysokie ustawienie ISO powoduje zaszumienie obrazu, lecz fakt, że użycie wysokiego ustawienia ISO oznacza, że przechwytujesz bardzo mało światła.
Światło składa się z fotonów, które są losowo emitowane przez źródło światła. Kiedy poziomy światła są niskie lub czas ekspozycji jest bardzo krótki, liczba fotonów, które otrzymujesz, będzie się znacznie różnić
Wyobraź sobie, że próbujesz oszacować szybkość, z jaką ludzie opuszczają centrum handlowe. Jeśli masz tylko 10 sekund na policzenie ludzi, wynik, który otrzymasz będzie bardzo różny w zależności od tego, kiedy dokładnie zaczniesz liczyć i które wyjście wybierzesz. Jeśli masz 10 minut na policzenie ludzi, otrzymasz znacznie bardziej stabilną odpowiedź, która będzie podobna dla wszystkich wyjść (zakładając, że nie ma osobistych preferencji dla wyjść) i dla różnych 10-minutowych okien czasowych (zakładając, że nie ma innych czynników wpływających na wynik).
Tak dzieje się, gdy używasz wysokiej czułości ISO, przechwytujesz bardzo mało fotonów, więc zestaw sąsiednich pikseli pokrywających obiekt o jednolitym kolorze może otrzymać 4, 3, 4 i 5 fotonów każdy, więc zamiast gładkiego jednolitego koloru otrzymujesz ziarnisty wynik, który zmienia się dla każdego piksela.
Szum ten nazywany jest szumem fotonowym i jest dominującym źródłem hałasu w obrazach o wysokiej czułości ISO, z wyjątkiem cieni. Nawet gdybyś miał idealny czujnik, który liczył i wiernie informował o każdym fotonie, który trafił na czujnik, nadal będziesz miał znaczny hałas w słabym świetle.
Nie oznacza to, że osiągnęliśmy granicę wysokiej wydajności ISO. Jeszcze nie do końca. Szum czystego fotonu jest bardzo drobnoziarnisty i jest mniej niepożądany niż hałas zlepiony obserwowany na zdjęciach o wysokiej ISO.
Zmniejszenie przenikania pikseli, poprawa elektroniki ogólnie może mieć jedynie niewielki wpływ na zmniejszenie amplitudy szumu , ale większy wpływ na poprawę jakości szumu .
Wikipedia ma symulację „idealnego” czujnika, w którym szum fotonu jest tylko źródłem hałasu:
Kliknij, aby zobaczyć większą wersję, w której możesz rozróżnić poszczególne piksele. Zdjęcie Mdf niektóre prawa zastrzeżone.
kfotony średnio na piksel, wielkość szumu pikselowego będzie wynosić sqrt(k).
Zmniejsz to, tak. Na przykład Canon 5D Mark III jest o 2/3 stopnie lepszy od Canona 5D pod względem wysokiej czułości ISO, chociaż ich czujniki są tego samego rozmiaru, ponieważ jest o siedem lat nowszy. Oczywiście wyniki osiągnięte w przeszłości niekoniecznie wskazują na przyszłe wyniki, ale nie widzę powodu, by przyrostowe korzyści nie były kontynuowane.
Całkowite wyeliminowanie go jest fizycznie niemożliwe. Kiedy dochodzisz do ISO w milionach, próbujesz wydobyć dane z kilku fotonów. Bez względu na to, jak dobra jest twoja technologia, informacji po prostu nie ma do wyodrębnienia.
Teraz, jeśli chodzi o uzyskanie „ideału” dla wszystkich ISO poniżej, powiedzmy, 3200, zauważ, że tak naprawdę nie ma spójnego standardu dla „ideału”. Możesz opracować niesamowitą nową technologię, która osiąga teoretyczną granicę stosunku sygnału do szumu, ale czy to naprawdę ma znaczenie, gdy moje oczy twierdzą, że ten piksel powinien być # 0f3ed2, twierdzisz, że powinien to być # 0e3fd4, a czujnik myśli, że to # 0d3dd3?
To się już stało! W przypadku filmu lub wczesnego cyfrowego obrazu o wysokiej czułości ISO 400, w najnowszych pełnoklatkowych aparatach oznacza 6400. Problem polega na tym, że za każdym razem „wysoka czułość ISO” zmienia się na jeszcze wyższą lub innymi słowy, wysoka czułość ISO zawsze oznacza „ tak wysoka, że obecna technologia sprawia, że jest głośno ”. Jak zauważył Tony, w końcu istnieją fizyczne ograniczenia co do tego, jak daleko może się posunąć.
Przez Hacker News ostatnio natknąłem się na ten artykuł z 2008 roku, napisany najwyraźniej przez profesora fizyki Emila Martineca.
Hałas, zakres dynamiki i głębokość bitów w cyfrowych lustrzankach
Charakteryzuje różne możliwe rodzaje hałasu i opisuje ich względne znaczenie.
Po przeczytaniu tego zdasz sobie sprawę, że niemożliwe jest całkowite usunięcie różnych rodzajów hałasu czujnika. Z pewnością można je zminimalizować (na różne sposoby), ale istnieją też inne decyzje projektowe, które musi podjąć producent aparatu / czujnika, które mogą powodować inne problemy lub kompromisy (np. Zastosowanie przesunięć w przetworniku A / D, patrz ryc. 10 + 11)
Jeśli chodzi o pytania dotyczące limitu teoretycznego:
„Najważniejszymi źródłami hałasu dla typowych ekspozycji są szum odczytu i szum fotonów”.
„Odwrotność nachylenia wykresu PRNU (patrz przykład na rysunku 7) stanowi górną granicę stosunku S / N, chyba że PRNU jest kompensowane podczas przetwarzania końcowego.”
Jest to problem ogólnie z czujnikami - od czujników optycznych po akcelerometry i żyroskopy. Wszystkie produkty konsumenckie sobie z tym radzą i starają się ukryć hałas przed użytkownikiem - na przykład telefon wykrywa wibracje znacznie poniżej poziomu, który powoduje, że podejmuje działania, a istnieją aplikacje, które mogą to pokazać.
Każdy czujnik zdolny do dokładnego rejestrowania sygnałów w obszarze zainteresowania będzie również zdolny do rejestrowania sygnałów poza obszarem zainteresowania, a sygnały poniżej lub powyżej progu zainteresowania są ogólnie nazywane szumem. Ten „problem” nie dotyczy wyłącznie czujników optycznych, jest związany z fizycznymi ograniczeniami wyczuwania rzeczy, którymi jesteśmy zainteresowani.
Tak więc odpowiedź brzmi „nie” - każdy czujnik, który jest „niewrażliwy” na tyle, aby wyeliminować szum, również wyeliminuje część pożądanego sygnału, uniemożliwiając zbudowanie nieszumnych czujników.