Почему синий канал самый шумный?

31

Он широко наблюдается , что синий канал в области цифровых камер является шумным. Я конечно заметил это с моей камерой. Почему это?

Является ли это артефактом какой-то конкретной технологии (например, матрицы Байера или КМОП-датчиков), или это как-то связано с физикой высокочастотного света, или это связано с человеческим зрением?

Дополнительный вопрос: почему датчики менее чувствительны к синему свету?

mattdm
источник
1
Вы можете найти это интересное: micro.magnet.fsu.edu/primer/digitalimaging/concepts/… ( краткий ответ менее чувствителен к синему). Слишком много технологий для легкого чтения выходных для меня. ;)
Джон Каван
2
Я нахожу ироничным и довольно забавным, что собственный вопрос Мэтта появляется вторым в поисковой ссылке в его собственном сообщении. ; D
Йриста
@jrista - ха-ха, это весело!
Джон Каван
Я думаю, что это означает, что сайт работает. :)
mattdm
Ответ @Tall Джеффа ниже - отличное начало (как и короткий комментарий @ coneslayer), но я не думаю, что он отвечает на общий вопрос (теперь расширенный выше); Я добавил награду в надежде получить более общие и авторитетные ответы. Спасибо.
Mattdm

Ответы:

13

В дополнение к отклику сенсора, о котором говорил Талл Джефф, у большей части освещения сцены (солнечный свет, лампа накаливания) недостаточно синего света по сравнению с зеленым и красным. Запустите этот Java-симулятор черного тела и убедитесь, что синий цвет ниже зеленого или красного для интересующих цветовых температур (~ 5500 K дневного света, ~ 3000 K накаливания).

Есть еще один маленький фактор, который усугубляет проблему. Матрицы CCD и CMOS являются детекторами с подсчетом фотонов. Большинство графиков, в том числе в симуляторе черного тела выше, показывают спектральную плотность энергии , а не количество фотонов. Синие фотоны более энергичны, чем красные, благодаря обратному отношению их длин волн, поэтому при одинаковом значении энергии на графиках вы получите на 25% больше красных фотонов, чем синих. И это отправная точка для эффектов чувствительности, описанных Tall Jeff.


Что касается ПЗС и датчиков с задней подсветкой, ПЗС с фронтальной подсветкой страдают от одинаково уменьшенной чувствительности к синему, так как большая часть синего света поглощается при прохождении через нечувствительную структуру затвора чипа. Датчики с задней подсветкой увидят улучшенный синий ответ. Посмотрите эту типичную кривую спектрального отклика (для различных типов ПЗС исследовательского уровня).

coneslayer
источник
1
Не говоря уже о том, что много синего рассеивается атмосферой, особенно в лучшие часы для фотографирования (то есть восход и закат).
Agos
32

Учитывая современное состояние техники, шум в синем канале представляет собой комбинацию каскадных эффектов, которые работают вместе, чтобы синий «выглядеть» наихудшим. Во-первых, при настройке паттерна Байера зеленых пикселей в матрице в два раза больше, чем красных или синих *. Это сразу ставит синий и красный в пространственный недостаток по сравнению с зеленым каналом и приводит к гораздо большему спектральному шуму для этих двух каналов, когда триплеты RGB реконструируются из соседних пикселей датчика. Например, 10-мегапиксельный сенсор будет иметь 5 млн. Зеленых пикселей, 2,5 млн. Красных и 2,5 млн. Синих. Ясно, что когда вы формируете эту необработанную информацию в последние 10M RGB-триплеты, становится ясно, что для красного или синего канала не может быть лучше, чем 1/2 объема информации, и это выглядит как форма шума на конечном изображении.

Следующий эффект связан со спектральной чувствительностью сенсорной системы через красный, зеленый и синий фильтры. Как система, современные CMOS-датчики примерно на 50% более чувствительны к зеленой и красной областях спектра, чем к синим областям. Например, для этого датчика CMOS от Cypress , мы можем видеть на странице 3, что относительная чувствительность составляет около красного (75%), зеленого (80%), синего (50%) при индексировании кривых на правильных длинах волн для каждого цвет. Это отсутствие чувствительности в сочетании с фиксированным уровнем датчика и шумом дискретизации для всех пикселей на датчиках ставит синий цвет в значительный недостаток отношения сигнал / шум по сравнению с двумя другими цветами.

В целом это означает, что цветные CMOS-датчики лучше всего воспроизводят зеленый, затем идут красный и, наконец, синий, который является худшим из трех с точки зрения общего шума.

Заглядывая в будущее, обратите внимание, что эти ограничения с синим каналом на самом деле в основном связаны с оптимизацией затрат / производительности. То есть, физике нет ничего, что требовало бы ухудшения характеристик синего цвета, только то, что это было бы НАМНОГО дороже, учитывая современные конструкции устройств для улучшения синего канала с заметным запасом. Кроме того, учитывая, что человеческий глаз не очень чувствителен к синей / желтой цветовой оси, решения уже являются очень хорошо оптимизированным решением. На самом деле, я уверен, что большинство производителей камер предпочли бы сначала снизить общую стоимость, прежде чем платить столько же или больше, просто чтобы улучшить характеристики шума синего канала.

** Bayer решил настроить матрицу таким образом, потому что зрительная система человека получает большую часть своего сигнала яркости (то есть: информацию о яркости) из зеленой части цветового спектра. То есть стержни в глазах наиболее чувствительны к зеленому свету, что делает зеленую часть спектра наиболее важной визуально. *

Высокий Джефф
источник
3
Да, еще об этом: производители взвешивают свои чипы таким образом, потому что они аппроксимируют распределение цветовой чувствительности человеческого глаза: наши глаза примерно на 50% чувствительнее к красному, чем к зеленому, и примерно на 20% чувствительны к синий. Вот почему преобразования цвета в оттенки серого взвешиваются так, как они есть, обычно в области (0,2989r + 0,5870g + 0,1140b).
Джон Пурди,
Предположительно датчики Foveon не демонстрируют такого поведения.
Марчин
@ Марчин: почему бы и нет?
Mattdm
1
@Tall Джефф: Я немного обеспокоен тем, что этот ответ, хотя и высоко оцененный, находится в прямом противоречии с двумя другими. То есть, вы говорите, что физике нет ничего, что могло бы ухудшить характеристики синего цвета, тогда как другие говорят, что это в основном сводится к этому. Какой правильный?
Mattdm
1
@Mattdm: потому что датчики Foveon не используют мозаику и имеют одинаковое количество сайтов для всех трех каналов.
Марчин
2

Потому что глаза / мозг человека не так чувствительны к изменениям синего света, как к изменениям зеленого / красного света. Современные датчики камеры действуют больше как человеческие глаза, и поэтому они менее чувствительны к синему, чем к зеленому / красному. Поскольку стандарт отображения нейтральных цветов на мониторах должен иметь одинаковое количество синего, зеленого и красного цветов, а датчики менее чувствительны к синему, чем к красному и зеленому, удобно усиливать синий канал. Усиление сигнала синего канала также усиливает шум синего канала.

Подавление шума камеры применяется только в том случае, если вы снимаете в формате JPEG, но, поскольку многие люди снимают RAW, синий канал всегда несколько шумит. Я искал средство от этой проблемы. Один из них предложил преобразовать изображение в лабораторный цвет и сгладить / размыть только канал яркости, а затем преобразовать обратно в RGB для удаления шума. Можешь попробовать.

fahad.hasan
источник
Итак, вы говорите, что современные датчики камеры преднамеренно менее чувствительны к синему, потому что это лучше моделирует человеческий глаз?
Mattdm
Природа синего света делает сенсоры и человеческие глаза менее чувствительными. Для правильного восприятия синего света необходимо усилить его, что также усиливает шум.
fahad.hasan
Зачем? Что это за синий свет? И если мы менее чувствительны к этому, зачем вам нужно его усиливать? (В отличие от того, что датчики менее чувствительны, что почти очевидно требует большего усиления.)
mattdm
Датчик на самом деле рассчитан на пиковую чувствительность. Для сравнения, спектральная чувствительность обычно уменьшается в 2 раза на синем конце спектра. Усиление усилено на синем канале, чтобы компенсировать отсутствие чувствительности к короткой длине волны, что означает, что тепловой шум в этом канале также усиливается вместе с сигналом. То же самое верно, но в гораздо менее заметной степени в красно-зеленом канале.
fahad.hasan
1
Кроме того, в ответе @Tall Джеффа, в настоящее время проголосовавшем за +20, он говорит, что «ничто не присуще физике, которая требует, чтобы показатели синего цвета были хуже», что, кажется, прямо противоречит этому, оставляя меня немного запутанным. Вы можете помочь мне разобраться? Спасибо.
Mattdm
0

Мы провели анализ сине-зелено-красных каналов DP3 Merrill в цифровом (RAW) режиме. Я только что приобрел эту камеру в июне 2018 года. Синий канал показывает зависящую от уровня ошибку в аналого-цифровом преобразователе, которого нет в красно-зеленых каналах, которые функционируют, как ожидалось. Похоже, что может быть ошибка при подключении синего канала a / d или в коде, который переводит напряжение a / d в цифровой сигнал синего канала. Это НЕ проблема чувствительности. Это может быть проблемой насыщения, то есть физические напряжения превышают диапазон A / D при очень низких напряжениях, то есть слишком большое усиление в этом канале. Камера была установлена ​​на ISO 100 для получения данных, и данные были получены в диапазоне выдержек и уровней сигнала в кадре. Измерения синего канала были наиболее правильными сигналами при НИЗКИХ уровнях сигнала. Чем выше сигнал, тем больше ошибка. Это проблема усиления / оцифровки в алгоритме, производящем файлы X3F, или, возможно, проблема с порядком байтов. Мы смотрим на файлы X3F напрямую, чтобы увидеть, присутствует ли там ошибка, но я ожидаю, что это так, поскольку файлы TIFF и JPEG, созданные конвертером, имеют одинаковую проблему. Вопрос в том, будет ли производитель заинтересован исправить эту проблему? Чип Foveon - это хорошая идея, которую нужно правильно спроектировать. Вопрос в том, будет ли производитель заинтересован исправить эту проблему? Чип Foveon - это хорошая идея, которую нужно правильно спроектировать. Вопрос в том, будет ли производитель заинтересован исправить эту проблему? Чип Foveon - это хорошая идея, которую нужно правильно спроектировать.

cmitylliam
источник
Это продолжение вышеприведенного комментария. Путем прямого преобразования файла x3f, избегая утилиты преобразования Sigma, мы обнаруживаем, что данные верны во ВСЕХ каналах. Проблема заключается в преобразовании синего канала в TIFF / JPG. Мы смотрим, что это за ошибка, но, вероятно, обмен байтами для этой ветви преобразования. Испытания проводились несколькими способами, и выход камеры соответствует ожидаемому, учитывая чувствительность и средний путь поглощения для rgb-фотонов в камере.
Кмитиллиам
Привет, какой инструмент вы используете? github.com/Kalpanika/x3f/releases ?
Бизиклоп