Почему повышение ISO приводит к снижению качества изображения, хотя мои измерения показывают, что этого не должно быть?

Я знаю, что это может быть перефразированием одной из самых обсуждаемых тем, но я хотел бы пойти немного в другом направлении и запросить мнение. Во-первых, я знаком с электротехникой и механизмами, связанными с изменением коэффициента усиления камеры, обычно описываемого в сообществе зеркальных камер как ISO. Я понимаю, что это меняет емкость электронной ямы, что приводит к более быстрому датчику для каждого пикселя/фотодиода. Однако то, что я пытаюсь рационализировать, — это теория против реальности.

Я провел тщательную проверку своих Canon 70d и 6d и измерил шум чтения, тепловой шум как функцию времени для различных стагнирующих температур окружающей среды, измерил усиление в электронах на ADU при большинстве значений ISO, определил размер электронной ямы в фотонах на ADU. и самое главное, сделал аналогичные замеры отношения сигнал/шум для разной выдержки (в темном кадре) на разных ISO. В моих измерениях, как и предсказывала теория, в то время как шум действительно увеличивается в зависимости от ISO, отношение сигнал/шум увеличивается.

Это может привести к мысли, что для правильно экспонированных изображений с высоким ISO при постобработке, хотя вы можете потерять некоторые эффекты сигнала из-за суммирования, вычитания смещения и темных тепловых кадров и настройки канала яркости, вы все равно получите превосходное изображение. из-за того, что вы начали с гораздо большего эффекта сигнала, чем шума. Однако реальность постоянно представляла другую ситуацию, когда по мере увеличения моего ISO лучшее изображение, которое я могу получить после постобработки, во многих случаях уступает тому, что было получено при более низком значении ISO, особенно при съемке с интервальной съемкой, где наложение и вычитание кадров гораздо непрактичнее. Для кроп-кадров я обнаружил, что никогда не могу подняться выше ISO 1000, а для полнокадровых камер мне трудно поднять ISO выше 2500, не вызывая зернистости, которая выглядит неестественно. несмотря на то, что я вижу много людей, стреляющих на 25 000 и выше. Я хотел бы услышать комментарии и объяснения от любых заинтересованных людей, описывающих, почему более высокое отношение сигнал / шум редко приводит к лучшему изображению, или опровержения этой идеи, если у кого-то есть.

Трудно понять, в чем заключается ваш вопрос, и вы можете переписать его - я думаю, вы спрашиваете: «Почему повышение ISO снижает качество изображения, хотя ваши измерения показывают, что это не должно быть?»
Я думаю, вы можете наткнуться на некоторые вещи, о которых говорится здесь: photo.stackexchange.com/a/6622/1917 .
Спасибо за ссылку rfusca, этот тест иллюстрирует ту же проблему, которую, я думаю, обнаружил Джон в своем тестировании - повышение ISO без изменения экспозиции для компенсации приведет к снижению шума - но ТОЛЬКО потому, что в тесте с более низким значением ISO было сильно недоэкспонировано и требовалось много повышения в пост/обработке необработанных данных, чтобы привести его к экспозиции, аналогичной правильно экспонированному случаю с высокими значениями ISO. Направление большего количества света на объект (большее количество света, более длинный затвор или более широкая диафрагма) при более низком значении ISO всегда приводит к лучшим результатам.
На самом деле это не то, что заметили мои тесты. Тесты показали, что шум резко возрастает с увеличением ISO; однако я использовал метод, который неправильно регулировал значение сигнала на основе усиления системы для темных кадров, что указывало на то, что увеличение сигнала опережало увеличение шума.
«Однако реальность постоянно представляла другую ситуацию, когда по мере увеличения моего значения ISO лучшее изображение, которое я могу получить после постобработки, во многих случаях уступает тому, что было получено при более низком значении ISO, особенно при съемке с интервальной съемкой, где наложение и вычитание кадров гораздо непрактичнее». - было бы лучше, если бы вы описали свой рабочий процесс отдельно, скажем, для ISO100 и ISO2500. Трудно сказать, в какой момент вы упускаете подсказку без вашего рабочего процесса. Я почти закончил ответ, жду ваших комментариев.
Как вы можете иметь отношение сигнал/шум с темными кадрами? Весь сигнал в темном кадре также является шумом. Все это!

Ответы (2)

Я считаю, что это может быть недостаток в вашем тестировании. Повышение ISO не должно повышать отношение сигнал/шум (или полезный динамический диапазон).

Вы повышаете уровень шума без соответствующего увеличения динамического диапазона на ярком конце. Таким образом, вы должны остаться с общим более низким динамическим диапазоном. Идти по другому пути было бы невозможно.

Возможно ли, что ваше тестирование не проверяло полный динамический диапазон (между минимальным уровнем шума и самой светлой точкой без отсечения) для каждого ISO или вы сделали ложные предположения, например, не компенсировали усиление, вызванное повышением ISO? Например, съемка с более высоким значением ISO, но с точно таким же освещением, выдержкой и диафрагмой повысит интенсивность изображения номинально на ту же величину, что и интенсивность шума, из-за чего может показаться, что вы не потеряли детали из-за шума. , но, с другой стороны, это также будет означать, что самые яркие интенсивности, которые не были обрезаны, теперь обрезаются, потому что общая экспозиция также выше.

В реальной ситуации, когда вы решите поднять ISO, вы сможете эффективно использовать более короткую выдержку, чтобы выровнять экспозицию. При этом, т. е. при неизменной конечной экспозиции, вы обнаружите, что теряете детали в минимальном шуме, сохраняя при этом то же отсечение на верхнем конце, что приводит к чистому уменьшению полезного динамического диапазона.

Спасибо, это был очень информативный ответ. Так как это не моя область образования, то немногое, что я знаю, является самоучкой, и иногда я иду по пути, основанному на ложных предлогах. Эксперимент, который я провел для определения значения, аналогичного SNR, был основан на темных кадрах, где я предположил, что стандартное отклонение гистограммы эквивалентно шуму, что, вероятно, верно, но метод, который я использовал для изменения среднего значения как аналоговый сигнал не точен.
Кроме того, я бы с удовольствием проголосовал за ваш ответ, но пока моя репутация не превысит 15, мне не разрешено это делать.
Вы можете принять его ответ. Кроме того, теперь у вас, кажется, 15 представителей, поэтому вы также можете проголосовать за него.
Понизьте голос, потому что ответ несколько одноногий и не очень проницательный.
«фотосъемка с более высоким ISO ... повысит интенсивность изображения номинально на ту же величину, что и интенсивность шума» - это неверно. Если бы это было правдой, DR падал бы на один EV с каждым увеличением EV ISO, но это не соответствует действительности. Красные линии обозначают характеристики сенсора, которые вообще не зависят от ISO .
На этой камере правило справедливо, по большей части, для более высокого диапазона ISO, но не для более низкого, что указывает на то, что я предполагаю, что чувствительность этого сенсора настолько хороша , что вплоть до ISO 400 шум не является ограничивающим фактором. динамический диапазон, и камера способна получить полный динамический диапазон, на который нацелена настройка кривой контрастности. Затем эффект минимального уровня шума становится ощутимым, начиная с 400 ISO, и полностью проявляется примерно с 1600 ISO и выше. Это указывает на то, что сенсорная технология развилась так, что мы можем использовать до 400 или даже 800 единиц ISO, не беспокоясь о шуме.

В этом ответе ISO, выдержка и диафрагма являются независимыми параметрами.

1) Да, установка более высокого значения ISO почти всегда приводит к лучшему SNR, потому что происходит дополнительное аналоговое усиление. Однако из этого правила есть исключения: Canon 6D дает лучшее соотношение сигнал-шум при ISO 51 200, чем при ISO 102 400.

Скажем, у вас есть 100 минут, чтобы записать какую-нибудь темную сцену, и вы можете сделать выдержку 10x10 минут при ISO100 или 100x1 минуту при ISO1000. В этом случае почти каждый доступный цифровой датчик будет экспортировать более качественный материал при ISO 1000.

2) Установка более высокого значения ISO в режиме S или A всегда будет приводить к ухудшению отношения сигнал-шум, потому что на матрицу попадает меньше света.

3) Люди снимают только при ISO 25600, потому что они изменяют размер для веб-сайтов или используют подавление шума.

4) По поводу вашего опыта с таймлапсом: не совсем понятно, что вы с чем сравниваете. Если вы сохраните то exposure/(F^2)же самое, то у вас наверняка будет лучшее SNR.