Какова физическая причина увеличения шума при высоких значениях ISO?

Думайте об ISO как об усилителе — он увеличивает усиление входящего сигнала.

Если у вас есть аудиоусилитель и старое AM-радио, настроенное на дальний сигнал, вам нужно включить усилитель, чтобы правильно слышать станцию. К сожалению, это одновременно вызывает много других шумов, так что вы все еще едва слышите музыку из-за треска и шипения.

ИСО работает точно так же. Он усиливает «свет», но за счет увеличения нежелательных случайных сигналов, уже присутствующих во входящих данных. Шум есть всегда, просто он не усиливается при ISO 100.

Камеры, которые более эффективны при более высоких значениях ISO, изначально имеют лучшее соотношение сигнал/шум. «Более тихий» датчик и способность воспринимать больше света, поэтому датчики большего размера обычно лучше справляются с этой задачей — они имеют большую площадь для захвата большего количества света.

ISO на цифровой камере на самом деле не такое ISO, как на пленке, но это простой способ сохранить связь знакомства и экспозиции.

ISO для аналогового и цифрового

ISO сбивает с толку в цифровой фотографии отчасти потому, что на самом деле он предназначался для пленочной фотографии. В пленочной фотографии ISO 400 действительно более чувствителен, чем пленка ISO 100.

На самом деле это не относится к цифровой фотографии. Чувствительность сенсора вашей камеры не меняется. Датчик работает как массив очень крошечных солнечных панелей. Фотоны света — это частицы, несущие энергию. Эта энергия поглощается фото-сайтом матрицы датчиков вашей камеры и создает крошечный заряд (напряжение). Это аналоговая информация — она еще не в цифровой форме.

Когда экспозиция завершена и затвор закрывается, камера выполняет считывание информации с сенсора.

Восходящее и нисходящее усиление

Могут произойти две вещи, и то, как это работает, будет зависеть от камеры.

Камера может применять аналоговое усиление. Камеры обычно делают это только для нескольких «ступеней» усиления. Поскольку аналоговая информация еще не преобразована в цифровую форму, этот тип усиления иногда называют «усилением в восходящем направлении».

Аналоговая информация преобразуется в цифровую путем преобразования напряжения в цифровые единицы. Это АЦП или аналого-цифровое преобразование. Выходные значения иногда называют ADU — сокращение от Analog Digital Units. Это цифровой выход.

Эта цифровая информация также может быть увеличена путем простого умножения числовых значений. Поскольку это происходит после цифро-аналогового преобразования, это иногда называют «усилением в нисходящем направлении».

Некоторые камеры используют исключительно или в основном цифровое усиление (усиление нисходящего потока), некоторые используют комбинацию усиления как восходящего, так и нисходящего потока. Поскольку это зависит от модели камеры, нет единого правильного ответа, как это делается.

На данный момент большая часть информации в цифровом формате представляет собой фактический «сигнал» — это означает, что это информация, представляющая свет, собранный во время экспозиции.

Предвзятость

Но есть много интересных нюансов. Например, если вы включаете датчик, держите объектив закрытым, снимаете максимально короткое изображение, а затем выполняете считывание, вы можете подумать, что все значения пикселей будут считаны нулями. Но это не то, что происходит ... вы обнаружите, что все они считывают очень маленькие значения, близкие к нулю ... но не совсем нуль. Это представляет собой значение смещения датчика. Кстати, современные цифровые камеры внутренне компенсируют смещение перед записью данных изображения.

Тепловой шум

Кроме того, если вы продолжите держать объектив закрытым, но сделаете более длительную экспозицию, вы обнаружите, что многие пиксели увеличивают свои накопленные ADU, даже если в камеру не попадают фотографии видимого света. Для этого есть несколько причин, и одна из них — тепловой шум (и есть датчики камеры, которые охлаждаются, чтобы уменьшить этот шум).

Существует также шум из-за квантовых эффектов. Если камера медленно выполняет считывание, вы можете получить шум, вызванный чем-то, что называется amp-glow. И хотя редко... случайный высокоэнергетический фотон может пройти мимо и проникнуть в камеру.

Вывод здесь состоит в том, что существует множество причин «шума».

Высокий ISO не вызывает шума

ОТСУТСТВУЕТ в этом списке ISO. ISO не вызывает «шума» как такового. Шум, захваченный, когда экспозиция завершена и камера завершает считывание, остается тем, чем он является, и не меняется. ISO — это усиление, применяемое после завершения экспозиции (технически оно не является частью экспозиции, хотя гораздо проще думать о нем, как о части экспозиции).

Представьте аудиозапись очень плохого качества, когда кто-то говорит... но микрофон находится слишком далеко от говорящего. Вы увеличиваете громкость во время воспроизведения звука и слышите много фонового шума, шипения, гула и других нюансов (возможно, даже включая других людей в комнате). Но поскольку вы увеличиваете громкость, вы слышите все эти фоновые звуки, которые гораздо более очевидны. Если бы микрофон был ближе к говорящему, у вас был бы более сильный «сигнал», и вам не нужно было бы увеличивать громкость воспроизведения.

Это хорошая аналогия отношения сигнал/шум. Шум относительно постоянный. Это сигнал, который был сильнее или слабее. Но эта динамика изменяет «отношение сигнал/шум» (SNR).

Если у вас плохой сигнал, у вас будет соблазн «увеличить громкость». В фотографии вы «увеличиваете громкость», увеличивая ISO (на самом деле усиление). Но это увеличивает ВСЮ информацию... как сигнал, так и шум.

Шум становится очевидным в результате недостаточной экспозиции

Шум просто становится более заметным, потому что на фотографии недостаточно сигнала. В конечном счете именно отношение сигнал-шум (SNR) определяет, насколько заметный шум вы видите на изображении. Шум присутствует всегда... но если значения сигнала очень высокие, то информацию не нужно усиливать, поэтому шум не заметен. В основном сигнал подавляет шум до такой степени, что наши глаза его не замечают. Если сигнал плохой, то мы должны усилить информацию. Это приводит к плохому SNR, когда шум составляет приличный процент от общей информации, и теперь мы замечаем шум.

Вывод здесь заключается в том, что уровень «шума» вашей камеры на самом деле не так сильно меняется (это было бы при очень длинных выдержках, когда вы получаете накопление тепла, что приводит к большему шуму). Если вы видите «шум» на своих изображениях, это означает, что у вас был недостаточный сигнал. А поскольку технически ISO не является частью экспозиции... на самом деле это означает, что у вас была недостаточная экспозиция.

То, что я только что сказал, вероятно, сильно противоречит тому, чему научились многие фотографы. Но мы изучаем и преподаем фотографию, основываясь на аналоговых концепциях аналоговых пленочных камер... и обычно мы не вдаемся в подробности того, как на самом деле работают цифровые датчики и камеры. В основном это хорошо отвечает нашим потребностям, но в случае с ISO и шумом это создает путаницу.

Увеличение ISO на современной цифровой камере имеет два эффекта:

1. Он увеличивает усиление сигнала сенсора, делая тусклые участки изображения ярче.
2. Он изменяет замер камеры, чтобы получить более низкую экспозицию. Будет выбрана либо более короткая выдержка, либо меньшая диафрагма.

Оба эти фактора в совокупности увеличивают шум.

Большая часть шума, который вы видите на цифровой фотографии, — это фотонный дробовой шум . При уменьшении экспозиции шум составляет больший процент конечного результата. Увеличенное усиление делает этот шум более заметным.

Tetsuijn уже дает очень хорошее объяснение. Я пытаюсь дать похожее объяснение, но немного более теоретическое.

Предположим, что датчик получает свет, и все значения находятся в диапазоне от 0 (темный) до 100 (максимальный свет, обнаруживаемый датчиком). Датчик с шириной X (со столбцами от 0 до x) и высотой Y (со строками от 0 до y) имеет пиксели X * Y (например, датчик 100x100 имеет 10 000 пикселей). Каждый пиксель может иметь интенсивность света от 0 до 100. Кроме того, поскольку всегда присутствует «шум» (нет идеальных датчиков), предположим, что уровень шума максимальный. 2. Значит, 2% (2 из 100) — это коэффициент шума, 2% (максимум) сигнала — это шум.

Теперь предположим, что очень темно, поэтому датчик считывает только значения от 0 до 5. Таким образом, для всех пикселей все значения находятся в диапазоне от 0 до 5. Теперь, изменяя ISO, коэффициент усиления изменяется, таким образом, ISO устанавливается на значение, при котором коэффициент усиления увеличивается на 20. Это означает, что можно сэмплировать максимальный диапазон, от 0 * 20 до 5 * 20, таким образом, от 0 до 100. Однако шум (2) также увеличивается на то же значение, таким образом, 2 * 20 = 40. И 40/100 = 40%, таким образом, теперь у нас есть шум соотношение 40%.

Чем больше датчик, тем больше света он может захватить, поэтому максимальное значение вместо 100, может быть, 200 или 500. При том же уровне шума 2 коэффициент шума составляет 2/500 = 0,4%, или при увеличении ISO до уровня усиления 5 она составит 2% (вместо 10% с датчиком первого примера).

Если вы увеличиваете время затвора (т.е. более длительную экспозицию), то время выборки увеличивается, увеличивая значение 100 в первом примере для максимального количества света. Скажем, в 10 раз больше, то есть 1000. Однако шум по-прежнему будет равен 2, поэтому коэффициент шума будет 2/1000 = 0,2%.

Вот почему увеличение ISO усилит шум, а увеличение времени затвора — нет. Но вы можете использовать это только тогда, когда снимаемое вами изображение не движется (нет быстро движущихся объектов) и если камера/объектив стабильны.

Основной причиной является фотонный дробовой шум, который представляет собой случайность световых фотонов.

Распространенная аналогия с пикселями — это чаши (колодцы), собирающие дождь (фотоны). А при слабом освещении это все равно, что идти к машине под легким дождем... большие участки тела могут оставаться совершенно сухими, в то время как другие участки становятся влажными. В то время как при ярком свете это похоже на попытку идти к своей машине под сильным ливнем... вы полностью промокнете. Шум возникает из-за отсутствия достаточного количества света/данных от «сухих пикселей». И многие камеры также добавляют свой собственный шум в сигнальную цепочку, поэтому им требуется более сильный собранный сигнал (больше собранного света), чтобы подавить его.

Цифровой датчик изображения прикрыт фото-сайтами. Объектив камеры фокусирует изображение внешнего мира на поверхности этого сенсора. Затвор открывается, и свет играет на датчике. Каждый фотосайт бомбардируется фотонными ударами. Количество посещений любого сайта пропорционально яркости сцены. Каждое попадание фотона генерирует заряд внутри фотосайта. Этот заряд невероятно слаб. В конце воздействия заряды измеряются и преобразуются в напряжение. Уровень напряжения пропорционален яркости сцены. В зависимости от ISO (Международная организация стандартов), которая устанавливает правила, применяется усиление. Теперь усиленному сигналу присваивается числовое значение, пропорциональное яркости сцены. Когда применяется усиление, всегда появляются некоторые статические помехи. Это эквивалентно помехам, которые мы слышим, когда слишком сильно увеличиваем громкость на радио или телевизоре. На жаргоне цифровых изображений мы меняем название «статический» на «шум». Этот «шум» проявляется в виде нежелательных артефактов, встроенных в готовое изображение. Эти артефакты обычно придают изображению «зернистость». Это цифровая копия зернистого узора, наблюдаемого в фотопленке, основанной на химических веществах. Более высокие значения ISO позволяют фотографировать в условиях слабого освещения. Недостатком является то, что усиление включено, поэтому сигнал имеет более высокий уровень шума. Контрмерой является программное обеспечение для шумоподавления и микросхемы цифровой обработки изображений, которые по своей природе обладают большей чувствительностью к свету. Этот «шум» проявляется в виде нежелательных артефактов, встроенных в готовое изображение. Эти артефакты обычно придают изображению «зернистость». Это цифровая копия зернистого узора, наблюдаемого в фотопленке, основанной на химических веществах. Более высокие значения ISO позволяют фотографировать в условиях слабого освещения. Недостатком является то, что усиление включено, поэтому сигнал имеет более высокий уровень шума. Контрмерой является программное обеспечение для шумоподавления и микросхемы цифровой обработки изображений, которые по своей природе обладают большей чувствительностью к свету. Этот «шум» проявляется в виде нежелательных артефактов, встроенных в готовое изображение. Эти артефакты обычно придают изображению «зернистость». Это цифровая копия зернистого узора, наблюдаемого в фотопленке, основанной на химических веществах. Более высокие значения ISO позволяют фотографировать в условиях слабого освещения. Недостатком является то, что усиление включено, поэтому сигнал имеет более высокий уровень шума. Контрмерой является программное обеспечение для шумоподавления и микросхемы цифровой обработки изображений, которые по своей природе обладают большей чувствительностью к свету.