Что вызывает шум полос в CMOS датчиках?

Я ищу информацию (и ссылки) по трем связанным темам:

• Что вызывает шум полос в CMOS датчиках? Какова физическая / технологическая причина? Одинакова ли причина в датчиках CCD и CMOS?

• Как различные релевантные факторы (настройка ISO, время экспозиции и уровень экспозиции) влияют на силу и структуру полос?

• Является ли картина полосы стабильной в краткосрочной перспективе (последовательные снимки) и в долгосрочной перспективе? Есть ли вероятность того, что полосовая диаграмма фактического датчика может быть измерена и использована для уменьшения эффекта на реальных фотографиях?

Чтобы прояснить, что я имею в виду под полосами, вот пример изображения с сайта TopazLabs. Обратите внимание на горизонтальные полосы на шумном изображении.

Наивный эксперимент не показал никакой положительной корреляции между полосами на нескольких изображениях простой белой поверхности.

Горизонтальный и вертикальный шум полос (HVBN) вызван показаниями датчика, усилением на выходе и АЦП. Может быть несколько источников HVBN, некоторые из них вызывают относительно фиксированный шаблон, другие могут вызывать случайный шаблон. Внешние помехи часто являются источником более мягкой и более случайной полосы. Точно, что вызывает полосатость, от которой действительно зависят датчики, и никто, кроме производителя, не имеет достаточно информации, чтобы указать точные причины для любой данной камеры.

Прежде всего, HVBN вызван тем, как строки пикселей активируются, и каждый столбец для строки считывается, и природой транзисторов, участвующих в этом процессе считывания. Во-первых, транзисторы, изготовленные методом фотолитографии, несовершенны. Недостатки в основном кремнии, дефекты в шаблоне и травление и т. Д. Могут повлиять на отклик транзисторов. Таким образом, каждый пиксель в датчике, а также сегменты для обработки встроенных изображений, таких как CDS (коррелированная двойная выборка), не обязательно будут вести себя как все остальные, вызывая различия. В современных CMOS-датчиках (исключая датчики типа Sony Exmor) встроенная схема CDS часто является причиной введения полосового шума при более низких настройках ISO (от 100 до 800) в глубоких тенях.

В некоторых схемах считывания также используется дополнительный нисходящий усилитель, используемый в определенных обстоятельствах, в дополнение к усилителям на пиксель. Полосовой шум, создаваемый в матрице датчика, будет усиливаться любым выходным усилителем. Усилители такого типа обычно работают при действительно высоких значениях ISO, таких как 6400 и выше, поэтому относительно «чистый» вывод при ISO 1600 и, возможно, 3200 внезапно становится намного хуже при еще более высоких настройках.

Еще одним источником полос является АЦП. Здесь потенциально могут быть два виновника. В случае такой камеры, как 7D, в которой используется разделенное параллельное считывание (когда четыре канала считывания направлены на одну микросхему DIGIC 4, а остальные четыре - на другую микросхему DIGIC 4 с чередованием), достаточно выраженное, но равномерное вертикальное распределение Это может произойти даже в полутонах благодаря разным характеристикам процессоров обработки изображений DIGIC DSP, каждый из которых содержит четыре блока АЦП. Поскольку четные полосы отправляются на блоки ADC одного DIGIC, а нечетные полосы отправляются на другие блоки ADC DICIC, 100% идентичная обработка маловероятна, а небольшие различия проявляются как вертикальные полосы.

Конечный потенциальный источник - высокочастотные компоненты. Высокочастотная логика имеет тенденцию быть шумной. Снова используя 7D в качестве примера, это 18-мегапиксельный датчик, который должен обрабатывать в общей сложности восемь блоков АЦП, со скоростью, достаточной для поддержки скорости затвора 8 кадров в секунду. (Технически говоря, 7D имеет даже более 18 миллионов пикселей ... на самом деле это датчик 19,1 мегапикселя, поскольку Canon всегда маскирует границу пикселей для смещения смещения и калибровки точки черного.) При скорости 8 кадров в секунду общее число пикселей, обрабатываемых в секунду должно быть не менее 152 800 000, а поскольку имеется восемь блоков АЦП, каждый блок должен обрабатывать 19,1 миллиона пикселей каждую секунду. Это требует более высокой частоты, которая может (через множество механизмов, я не буду здесь вдаваться) вносить дополнительный шум.

Есть способы уменьшить HVBN. Некоторые конструкции датчиков обрезают отрицательные значения сигнала из пикселей (или, другими словами, не используют смещение смещения), что приводит к уменьшению полосы в два раза, но также требует затрат на некоторые потенциально восстанавливаемые детали в глубине тени изображения. Датчики, которые используют смещение смещения (которое допускает отрицательные значения сигнала вплоть до заданного уровня), имеют тенденцию иметь больше HVBN при более низком ISO, так как выполняется меньшее ограничение, чтобы поддерживать большую пропускную способность для полной скважины. Более продвинутая конструкция АЦП может уменьшить шум, некоторые даже используют шум вместе с формой размывания, чтобы практически устранить шум, вызванный АЦП.

Другим способом снижения полосового шума является более раннее перемещение аналогового сигнала в цифровой, предпочтительно на самой матрице датчика. Цифровые данные могут быть исправлены при передаче во время передачи, когда аналоговые сигналы имеют тенденцию улавливать шум, тем больше они распространяются по электронным шинам и через устройства обработки. Увеличение количества блоков АЦП улучшает параллельность, снижая скорость, с которой должен работать каждый блок, что позволяет использовать низкочастотные компоненты. Для нормализации кривой отклика для каждого транзистора или логического блока можно использовать более совершенные технологии производства (обычно предоставляемые меньшим процессом изготовления, что увеличивает пространство для более сложного оборудования), а также более совершенные кремниевые пластины, позволяющие им получать более чистые результаты, даже на более высоких частотах.

Sony Exmor, известный практически бесшумный датчик в камерах Nikon D800 и D600, использовал довольно радикальный подход к снижению наиболее навязчивой и раздражающей формы шума. Exmor перемещает весь конвейер обработки изображений вплоть до АЦП на матрице датчика. Он гиперпараллелизовал АЦП, добавив по одному на пиксельный столбец (CP-ADC или АЦП с параллельными столбцами). Это исключило аналоговое попиксельное усиление и аналоговые CDS в пользу цифрового усиления и цифровых CDS. Он изолировал высокочастотные компоненты в удаленной области сенсорной матрицы, что практически исключило шум, создаваемый каждым модулем АЦП. Пиксельное считывание приводит к немедленному преобразованию аналогового заряда в цифровую единицу, и с этого момента он остается цифровым. Будучи цифровым, вся передача информации практически свободна от шума,

Одной из главных побед Exmor (по мнению Sony) было устранение аналоговых схем CDS и переход к цифровой логике CDS. Утверждение Sony заключалось в том, что различия в ответе для аналоговых устройств CDS были источником полосового шума. Вместо сохранения заряда сброса каждого пикселя в качестве заряда выполняется «чтение сброса», при этом чтение сброса выполняется через тот же процесс АЦП, что и при обычном считывании изображения, за исключением того, что цифровой выход отслеживается как отрицательные значения. Когда фактическая экспозиция считывается, она считывается как положительные значения, а предыдущее «отрицательное» считывание CDS применяется в строке (то есть каждый считанный пиксель начинается с некоторого отрицательного значения, и отсчет увеличивается оттуда). Это устраняет шум как от неоднородного отклика транзистора, так и от темнового тока одновременно.

С датчиком Exmor считывание фактически не требует ISO (возможно, вы слышали этот термин в других местах сети). Все настройки ISO достигаются с помощью простого цифрового усиления (цифрового усиления) до соответствующего уровня. Для RAW настройку ISO просто необходимо сохранить как метаданные, а редакторы RAW повышают значение каждого пикселя до соответствующего уровня во время демозаики. Вот почему снимок ISO 100 D800 может быть недоэкспонирован, а затем снят в посте многими остановками, не создавая полосатых шумов в тени.

Полосатость вызвана рядом факторов.

Как и в управлении цветом, любое устройство в процессе визуализации может вызвать появление полос. Это может быть вызвано плохо откалиброванным монитором, плохо откалиброванным принтером, монитором, не способным отображать истинную 8-битную / 12-битную LUT. По моему опыту, большинство полос на самом деле не присуще. Это вызвано тем, что ваш монитор не может различить дискретные уровни серого на тонком градиенте.

Я действительно не понимаю, как CMOS / CCD будет иметь значение. Чтобы понять, что это требует технических знаний, вы должны понимать, что наиболее важным фактором, который будет влиять на полосу частот, является битовая глубина вашего датчика, она сама по себе определяет количество дискретных тональных значений, которые ваш датчик может записать. 12-разрядный датчик будет записывать 2 ^ 12 уровней серого, а 14-разрядный датчик - 2 ^ 14 = 16384 уровня серого. Теперь, чтобы усложнить ситуацию, большинство цифровых камер не назначают линейную весовую функцию тональному распределению своих датчиков, это означает, что камера (на самом деле большинство камер) может быть более смещенной к наиболее яркой части спектра (именно здесь фраза «стрелять направо» происходит от гистограмм).

Чтобы еще больше усложнить ситуацию, большинство сенсорных процессоров могут (точно делать) свою собственную интерполяцию между разреженными тональными значениями. Это означает, например, что, если у меня есть тональное значение 5 в определенной части изображения, а соседняя область имеет тональное значение 8, камера будет «угадывать», каким должно быть промежуточное тональное значение. ISO также может быть фактором, поскольку он влияет на динамический диапазон и широту воздействия.

Вам следует изучить вопрос о том, отображается ли полоса на нескольких устройствах. Если вы обнаружите, что это так, вы можете попробовать добавить гауссовский шум с помощью режима смешивания и маски, чтобы избавиться от него. Я включу несколько изображений, чтобы показать вам, что я имею в виду:

Создано несколько полос с темным градиентом

Теперь добавьте шумовой слой:

(1) Создать новый слой

(2) Заполните его 50% серым: Правка -> Заполнить -> 50% серым

(3) Установите режим смешивания этого слоя на Hard Light

(4) Добавить шум: Фильтр -> Добавить шум (Гаусс, 1% или около того)

Затем вы можете играть с непрозрачностью этого слоя, пока не исчезнут полосы, вы также можете создать маску на нем, если хотите.

Добавление слоя шума