В этом ответе @jrista утверждает, что даже камера с идеальным бесшумным датчиком все равно будет иметь шум из-за «шума Пуассона», также известного как «шум фотонного выстрела» — шум, вызванный случайными вариациями фотонов, которые заставляют больше фотонов попадать в один. смысл, чем другой.
Мне просто любопытно - это серьезная проблема для реальных фотографов? Я бы предположил, что этот шум будет настолько бесконечно мал, что мы можем считать его в основном равным 0. Существуют ли какие-либо исследования, в которых измеряется, сколько шума возникает из-за дробового шума по сравнению с другими причинами (например, электрическими или тепловыми шумами от электроники) ?
В большинстве частей большинства фотографий фотонный дробовой шум вносит наибольший вклад в шум .
В основном мы сравниваем его с шумом чтения. (Темновой ток при коротких выдержках незначителен, и шум квантования также довольно мал, когда речь идет о 12- и 14-разрядных АЦП.) Шум считывания зависит от сенсора. В этой статье 2007 года представлены измерения шума при чтении для нескольких цифровых зеркальных фотокамер . Мы видим, например, что Canon 40D при ISO 200 имеет около 10 электронов (e-) шума чтения.
Фотонный дробовой шум представляет собой процесс Пуассона , поэтому шум представляет собой квадратный корень из числа сигнальных фотоэлектронов. Таким образом, если мы записываем 100 сигнальных фотоэлектронов в пикселе от нашего объекта, мы ожидаем, что дробовой шум на пиксель будет sqrt(100)=10 e-, что равно шуму считывания 40D.
100 фотоэлектронов это много? Нет, в той же статье полная емкость пикселя 40D оценивается как 56 000 e-, поэтому пиксель всего со 100 e- — это очень темная часть сцены, примерно на 9 ступеней темнее, чем полная. В пикселе с более чем 100 e- дробовой шум продолжает увеличиваться, достигая sqrt(56000)=236 при полной лунке, поэтому дробовой шум все больше и больше доминирует над шумом чтения. (Яркие тона кажутся менее шумными, чем темные тона, потому что отношение сигнал/шум продолжает увеличиваться, поскольку шум представляет собой только квадратный корень из сигнала. читать шум.)
В очень темных тенях шум считывания может быть значительным. А при длительной темной выдержке (например, при астрофотографии под темным небом) могут быть важны как темновой ток, так и шум считывания. Но для обычной фотографии хорошо экспонированных объектов с коротким временем экспозиции дробовой шум является доминирующим источником шума.
Шум фотонного выстрела или шум, возникающий в результате пуассоновского распределения фотонов по мере того, как они достигают датчика, может быть проблемой, о которой, возможно, должны знать фотографы реального мира. При увеличении ISO максимальный потенциал сигнала также падает. На каждую остановку увеличения ISO ваш максимальный сигнал падает в два раза. В большинстве экспозиций фотонный дробовой шум является наиболее значительным источником шума. Электронные источники шума влияют только на глубокие тени и обычно проявляются только тогда, когда вы начинаете увеличивать экспозицию при постобработке (т. е. значительно поднимаете тени).
Предполагая, что полнокадровый датчик с полной емкостью лунки (FWC) составляет 60 000 электронов, при ISO 100 у вас есть максимальная точка насыщения (MaxSat) 60 000 электронов (e-). При ISO 200 вы получите MaxSat 30 000e-, ISO 400/15 000e-, ISO 800/7500e-, ISO 1600/3750e-, ISO 3200/1875e-. Увеличение ISO по своей сути снижает максимальное потенциальное отношение сигнал/шум.
Этот фактор, вероятно, является наиболее важным при принятии решения о покупке камеры. Полнокадровый датчик будет иметь более крупные пиксели, чем датчик APS-C с таким же количеством мегапикселей. Наши 60k FWC на нашем гипотетическом датчике FF могут быть 20k-25k FWC на датчике APS-C. Если вам нужна превосходная производительность при слабом освещении, использование полнокадрового сенсора и меньшего количества мегапикселей увеличит размер пикселя, что ПРЯМО повлияет на количество видимого шума при более высоких значениях ISO.
Фотонный дробовой шум как отношение к общему сигналу падает по мере увеличения силы сигнала. Как абсолютный фактор (стандартное отклонение от среднего уровня сигнала), фотонный дробовой шум, вероятно, примерно постоянен. Предполагая стандартное отклонение в 5 единиц, если мощность сигнала также равна 5, у вас будет изображение, которое в основном состоит из шума, возможно, с частичными, но в значительной степени нечеткими «формами». Если мощность сигнала составляет 10 единиц, то SNR составляет 50%. У вас по-прежнему будет очень зашумленное изображение, но это будет изображение с более отчетливой формой и структурой. На самом деле дробовой шум фотонов, который подчиняется функции распределения Пуассона, равен квадратному корню из уровня сигнала. При ISO 100 датчик FF с 60 000e-FWC будет иметь фотонный шум, эквивалентный 244e-. Датчик APS-C с 20, 000e- FWC будет иметь фотонный дробовой шум, эквивалентный 141e-. При ISO 200 дробовой шум фотонов будет 173e- и 122e- соответственно, при ISO 400 будет 122e- и 70e- и т. д. Что касается соотношений, при ISO 100 фотонный шум FF составляет 0,004% сигнала, ISO 200 его 0,006%, ISO 400 его 0,008% и т. д. И наоборот, для APS-C эти значения составляют ISO 100/0,007%, ISO 200/0,012%, ISO 400/0,014% и т. д.
Меньшие датчики будут иметь немного более низкое отношение сигнал-шум, чем датчики FF, поскольку активация строки / столбца и проводка чтения имеют тенденцию потреблять больше относительного пространства для фотодиода. В сочетании с меньшим FWC вы сразу же оказываетесь в невыгодном положении, когда дело доходит до увеличения ISO. Датчик FF имеет преимущество в шуме примерно на 60% (By: 244/60000 / 141/20000 = 0,577). При том же значении ISO, предполагая, что шум обычно виден при этом значении, датчик FF всегда будет казаться менее шумным, чем датчик APS-C. В случае с двумя нашими гипотетическими датчиками ISO 100 на APS-C лишь незначительно лучше, чем ISO 400 на FF, почти на две полные ступени разницы в относительных характеристиках шума! То же самое касается двух датчиков FF, одного с большими пикселями и одного с меньшими пикселями в 1,6 раза. Это предполагает наблюдение за 100% кадрированием (т.е. проглядывание пикселей.
Что касается того, сколько шума от дробового шума, а сколько от других источников. «Другие источники» действительно зависят от датчика. Шум чтения обычно измеряется в единицах DU (цифровые единицы или пост-АЦП) или e- (электроны, заряд аналогового сигнала). Canon 7D показал шум 8,6e- при ISO 100, но 4,7e- при ISO 200, 3,3e- при ISO 400 и т. д. Canon 1D X показал шум 38,2e- (!) при ISO 100. больший шум считывания в конечном итоге пропорционален площади фотодиода ... более крупные пиксели пропускают больший ток, поэтому темновой ток будет выше, а усиление в нисходящем направлении будет увеличивать большее количество электронного шума по сравнению с сигналом. Однако 1D X имеет FWC 90 300, а это означает, что шум чтения стоимостью 38e составляет ничтожную долю от максимального потенциального сигнала ISO100 (0,00042%, если быть точным).
Во всех случаях шума это действительно зависит от ваших целей. Если вы склонны снимать при слабом освещении или нуждаетесь в очень высокой скорости затвора, найдите камеру с большими пикселями, которая, вероятно, даст наилучшие шумовые характеристики. Если вы снимаете объекты с высокой детализацией, более высокая плотность пикселей, вероятно, важнее, чем низкий уровень шума. Здесь нет настоящего резкого и сухого ответа.
† Количество света при фиксированном источнике света, количество света, попадающее на матрицу при заданной диафрагме и выдержке, или любые их эквивалентные соотношения: f/16 1/100 с, f/8 1/200 с, f/4 1 /800с, все тот же EV.
Вы определенно попадаете в диапазон краевой фотографии, когда пытаетесь отличить дробовой шум от сигнала. К счастью, астрофотографы были здесь раньше.
Есть приличная серия статей, предназначенных для неспециалистов, посвященных разнице между шумом и сигналом, опубликованная Крейгом Старком.
В первой части здесь он описывает основную предпосылку дробового шума и почему свечение неба так плохо для астрономии — оно увеличивает дробовой шум, не добавляя дополнительной информации. По сути, у вас может быть более высокое плато уровня освещенности, но оно плоское и, таким образом, лишает контраста.
Во второй части здесь он более подробно рассказывает о различиях выстрела, чтения и теплового шума, например, фотографий.
В третьей части здесь он описывает метод измерения производительности конкретных камер и, таким образом, получения модели профилей шума. Это может лучше всего ответить на ваш вопрос «в чем разница между типами шума».
Вернемся к вашему основному вопросу: актуально ли это для большинства фотографий? Не совсем, пока вы не начнете снимать в условиях экстремальных шумов других типов (тепловых и считываемых), когда отношение сигнал/шум становится искаженным.
джриста