Могут ли будущие достижения в области сенсорных технологий снизить или устранить шум?

19

Существует ли вероятность того, что будущие технические достижения могут уменьшить или устранить шум при использовании высокого значения ISO, или этот шум неизбежен и присущ всем цифровым датчикам?

Если есть теоретический предел, где шум неизбежен, насколько мы близки к этому?

ангел рохас
источник

Ответы:

26

Очень важно понимать, что не шумовая настройка сама по себе приводит к шумному изображению, а тот факт, что использование высокой светочувствительности означает, что вы получаете очень мало света.

Свет состоит из фотонов, которые случайным образом излучаются источником света. Когда уровень освещенности низкий или время экспозиции очень короткое, количество получаемых вами фотонов будет значительно отличаться от

Представьте, что вы пытаетесь оценить, с какой скоростью люди покидают торговый центр. Если у вас есть только 10 секунд для подсчета людей, то полученный вами результат будет сильно зависеть от того, когда именно вы начнете считать и какой выход вы выбрали. Если у вас есть 10 минут для подсчета людей, то вы получите гораздо более устойчивый ответ, который будет одинаковым для всех выходов (при условии, что нет личных предпочтений для выходов) и для разных 10-минутных временных окон (при условии, что не существует других факторов, влияющих на результат).

Это то, что происходит, когда вы используете настройку высокого ISO, вы захватываете очень мало фотонов, поэтому набор соседних пикселей, покрывающих объект однородного цвета, может получить 4, 3, 4 и 5 фотонов каждый, поэтому вместо однородного однородного цвета вы получите зернистый результат, который изменяется для каждого пикселя.

Этот шум называется фотонным шумом и является доминирующим источником шума на изображениях с высоким ISO, за исключением теней. Даже если бы у вас был идеальный датчик, который подсчитывал и достоверно регистрировал каждый фотон, попавший на датчик, у вас все равно было бы значительное количество шума при слабом освещении.


Это не значит, что мы достигли предела высокой производительности ISO. Еще не совсем так. Чистый фотонный шум очень мелкозернистый и менее нежелательный, чем комковатый шум, наблюдаемый на фотографиях с высоким ISO.

Уменьшение перекрестных помех пикселей, улучшение электроники в целом может оказать лишь небольшое влияние на уменьшение амплитуды шума , но в большей степени на улучшение качества шума .

В Википедии есть симулятор «идеального» датчика, где фотонный шум является единственным источником шума:

Нажмите, чтобы увеличить версию, где вы можете разобрать отдельные пиксели. Изображение Mdf некоторые права защищены.

Мэтт Грум
источник
2
Это верно для очень коротких времен воздействия, но насколько коротких? Можете ли вы добавить некоторые (оценочные) значения для разных экспозиций в примере изображения. Речь идет от 1 нс до 10 нс, или мы приближаемся к «нормальному» времени экспозиции камеры? Я понимаю, что это будет зависеть от количества света, но возьмем в качестве примера «нормальную» сцену в помещении.
Хокон К. Олафсен,
Мне нравится этот ответ, но «вы захватываете очень мало фотонов, чтобы набор соседних пикселей, покрывающих объект однородного цвета, мог получать по 4, 3, 4 и 5 фотонов каждый» - разве мы все еще не говорим о миллионах фотонов?
Кирк Бродхерст
@KirkBroadhurst В этом весь смысл: в условиях низкой освещенности мы не являемся. Человеческое зрение приблизительно логарифмическое, и «шкала остановки» также логарифмическая. Один стоп меньше света означает вдвое меньше фотонов. Если вы начнете делить пополам, вы очень быстро получите только несколько фотонов . Если вы математически ориентированы, вы можете прочитать о процессе Пуассона . Как правило, если у вас есть kфотоны в среднем на пиксель, величина шума пикселя будет sqrt(k).
Сабольч
@KirkBroadhurst Исторически первая модель света была как «лучи» (геометрическая оптика). Затем появилась волновая оптика. Тогда квантовая механика --- свет состоит из дискретных единиц. Интересно думать, что явления, связанные с каждой моделью (и не объяснимые предыдущими), имеют практическое значение в цифровой фотографии.
Сабольч
@Matt Grum - Второй абзац кажется неполным.
Майкл С,
10

Уменьшите это, да. Например, Canon 5D Mark III на 2/3 ступени лучше, чем Canon 5D, с высокими показателями ISO, хотя их датчики имеют одинаковый размер, потому что он на семь лет новее. Конечно, прошлые результаты не обязательно указывают на будущие результаты, но я не вижу причин для того, чтобы дополнительные выгоды не продолжались.

Устранить его полностью физически невозможно. Когда вы получаете ISO в миллионах, вы пытаетесь извлечь данные из нескольких фотонов. Независимо от того, насколько хороши ваши технологии, информация просто не для вас.

Теперь, что касается того, чтобы сделать его «идеальным» для всех ISO, скажем, 3200, отметим, что на самом деле нет единого стандарта для «идеального». Вы можете разработать удивительную новую технологию, которая достигает некоторой теоретической границы в отношении сигнал / шум, но действительно ли это имеет значение, когда мои глаза утверждают, что этот пиксель должен быть # 0f3ed2, вы утверждаете, что это должен быть # 0e3fd4, а датчик думает, что это # 0d3dd3?

Тони
источник
4
«Идеальным» будет датчик счета фотонов с бесконечной емкостью. Вы могли бы сделать это сегодня (за исключением бесконечной части емкости), но это было бы очень дорого. Но даже это было бы шумно при слабом освещении. Информация просто не там, как вы предлагаете.
Мэтт Грум
@MattGrum: Что если бы мы могли сделать сенсоры чувствительными только к очень узким спектрам, чтобы он считал только фотоны определенной энергии? разве это не уберет большую часть шума, который в современных датчиках от таких вещей, как тепловые эффекты?
PlasmaHH
2
@PlasmaHH - вы все еще застряли в недетерминированной природе света. Нет иного пути, кроме как поддерживать ваш «опрос» достаточно долго, чтобы изменение статистической выборки было незначительным. Или, в фотографическом плане, вам нужно более высокое воздействие, чтобы уменьшить шум. В какой-то момент, независимо от того, насколько эффективен ваш датчик, вы будете вызывать слишком мало людей, чтобы, так сказать, точно предсказать результаты выборов.
@StanRogers: Ах, вы имеете в виду шум, похожий на изображения с трассировкой фотонов с небольшими наборами образцов. Я всегда думал о шуме как о дополнительном сигнале «сверху» идеального счета фотонов.
PlasmaHH
@PlasmaHH Да, именно так. Фотонов просто не хватает (в этом случае мы можем притвориться, что фотоны - это просто отдельные шарики, прыгающие вокруг), чтобы нарисовать точную картину. Это становится намного лучше, если вы не заботитесь о цвете (тем более, о человеческом зрении, которое намного лучше видит интенсивность света), но оно все же конечно. Также в датчике есть некоторый шум (например, из-за перекрестного взаимодействия фотонов, в котором происходит разрушение фотонов в виде шариков), но это ограничение, которое только практично - большие датчики и лучшая линза устраняют это почти полностью.
Луаан
7

Это уже случилось! На пленке, или в раннем цифровом, высокий ISO означал 400, на последних полнокадровых камерах это 6400. Проблема в том, что каждый раз, когда это происходит, «высокий ISO» переопределяется, чтобы быть еще выше, или, другими словами, высокий ISO всегда означает « настолько высоко, что современные технологии делают его шумным ". Как отметил Тони, в конечном итоге существуют физические ограничения в отношении того, как далеко он может зайти.

Слартибартфаст
источник
3

С помощью Hacker News я недавно наткнулся на эту статью, написанную профессором физики Эмилем Мартинеком в свободное время, по-видимому, в 2008 году.

Шум, динамический диапазон и разрядность в цифровых зеркальных фотокамерах

Он характеризует различные типы возможных шумов и описывает их относительную важность.

  • Фотонный выстрел
  • Читать шум
  • Образцовый шум
  • Тепловой шум
  • Неравномерность отклика пикселя (PRNU)
  • Ошибка квантования.

Прочитав это, вы поймете, что невозможно полностью удалить различные типы шумов датчиков. Конечно, их можно минимизировать (различными способами), но существуют и другие конструктивные решения, которые должен принять производитель камеры / датчика, которые могут привести к другим проблемам или компромиссам (например, применение смещений в аналого-цифровом преобразователе, см. Рис. 10 + 11)

Что касается ваших вопросов о теоретическом ограничении:

«Самыми важными источниками шума для типичных воздействий являются шум считывания и шум фотонных импульсов».

«Инверсия наклона графика PRNU (см. Пример на рисунке 7) является верхним пределом для отношения S / N, если PRNU не компенсируется в последующей обработке».

KNB
источник
-1

Это проблема с датчиками в целом - от оптических датчиков до акселерометров и гироскопов. Все потребительские товары имеют дело с этим и пытаются скрыть шум от пользователя - например, ваш телефон способен воспринимать вибрации намного ниже уровня, который заставляет его действовать, и есть приложения, которые могут вам это показать.

Любой датчик, способный точно записывать сигналы в интересующей области, также будет способен записывать сигналы вне интересующей области, а сигналы ниже или выше порогового значения обычно называют шумом. Эта «проблема» не связана только с оптическими датчиками, она связана с физическими ограничениями восприятия того, что нас интересует.

Таким образом, ответ «нет» - любой датчик, который является «нечувствительным» для устранения шума, также устраняет некоторые сигналы, которые мы хотим, что делает невозможным создание шумных датчиков.

жасмин
источник