Почему синий канал самый шумный?

В дополнение к отклику сенсора, описанному Высоким Джеффом, большая часть освещения сцены (солнечный свет, лампы накаливания) имеет недостаток синего света по сравнению с зеленым и красным. Запустите этот Java-симулятор черного тела и убедитесь, что синий цвет ниже зеленого или красного для интересующих цветовых температур (дневной свет ~5500 K, лампа накаливания ~3000 K).

Есть еще один небольшой фактор, усугубляющий проблему. Матрицы CCD и CMOS представляют собой детекторы, считающие фотоны. Большинство графиков, в том числе в приведенном выше симуляторе черного тела, показывают спектральную плотность энергии , а не количество фотонов. Синие фотоны более энергичны, чем красные фотоны, за счет обратного отношения их длин волн, поэтому при одном и том же значении энергии на графиках вы получите примерно на 25% больше красных фотонов, чем синих фотонов. И это отправная точка для эффектов чувствительности, которые описывает Высокий Джефф.

Что касается ПЗС-матриц и датчиков с задней подсветкой, то ПЗС-матрицы с передней подсветкой страдают от такой же пониженной чувствительности к синему цвету, поскольку большая часть синего света поглощается при прохождении через нечувствительную структуру затвора чипа. Датчики с задней подсветкой увидят улучшенный отклик синего цвета. См. эту типичную кривую спектрального отклика (для различных типов ПЗС исследовательского уровня).

Учитывая текущий уровень техники, шум в синем канале представляет собой комбинацию каскадных эффектов, которые работают вместе, чтобы синий «выглядел» хуже всего. Во-первых, при настройке шаблона Байера зеленых пикселей в матрице вдвое больше, чем красных или синих*. Это сразу же ставит синий и красный в невыгодное пространственное положение по сравнению с зеленым каналом и приводит к гораздо большему спектральному шуму для этих двух каналов, когда триплеты RGB восстанавливаются из соседних пикселей сенсора. Например, 10-мегапиксельный датчик будет иметь 5 млн исходных зеленых пикселей, 2,5 млн красных и 2,5 млн синих. Понятно, что когда вы формируете эту необработанную информацию в окончательные триплеты 10M RGB, становится ясно, что для красного или синего канала не может быть лучше, чем 1/2 информации, и это проявляется как форма шума в конечном изображении.

Следующий эффект связан со спектральной чувствительностью сенсорной системы через красный, зеленый и синий фильтры. Как система, современные датчики CMOS примерно на 50% более чувствительны к зеленой и красной областям спектра, чем к синим областям. Например, для этого датчика CMOS от Cypress мы можем видеть на странице 3, что относительная чувствительность составляет около красного (75%), зеленого (80%), синего (50%), когда вы индексируете кривые на правильных длинах волн для каждого. цвет. Это отсутствие чувствительности в сочетании с фиксированным уровнем сенсора и шумом дискретизации для всех пикселей на сенсорах ставит синий цвет в существенное невыгодное соотношение сигнал/шум по сравнению с двумя другими цветами.

За исключением этого, это означает, что цветные CMOS-сенсоры лучше всего воспроизводят зеленый цвет, за ним следует красный и, наконец, синий, который является худшим из трех с точки зрения общего шума.

Заглядывая в будущее, обратите внимание, что эти ограничения с синим каналом на самом деле в основном связаны с оптимизацией затрат/производительности. То есть в физике нет ничего, что требовало бы ухудшения характеристик синего, только то, что было бы НАМНОГО дороже, учитывая современные конструкции устройств, улучшить синий канал с заметным отрывом. Кроме того, учитывая, что человеческий глаз не очень чувствителен к оси синего/желтого цвета, решения уже являются очень хорошо оптимизированным решением. На самом деле, я уверен, что большинство производителей камер предпочли бы сначала снизить общую стоимость, прежде чем платить столько же или больше только за улучшение характеристик шума в синем канале.

**Компания Bayer решила настроить матрицу таким образом, потому что зрительная система человека получает большую часть сигнала яркости (т. е. информацию о яркости) из зеленой части цветового спектра. То есть палочки в глазах наиболее чувствительны к зеленому свету, что делает зеленую часть спектра визуально наиболее важной.*

Потому что человеческие глаза/мозг не так чувствительны к изменениям синего света, как к изменениям зеленого/красного света. Сенсоры современных камер больше похожи на человеческие глаза и поэтому менее чувствительны к синему, чем к зеленому/красному. Поскольку стандартом нейтрального отображения на цветных мониторах является одинаковое количество синего, зеленого и красного, а датчики менее чувствительны к синему, чем к красному и зеленому, удобно усиливать синий канал. Усиление сигнала синего канала также усиливает шум синего канала.

Шумоподавление камеры применяется только в том случае, если вы снимаете в формате JPEG, но, поскольку многие люди снимают в формате RAW, синий канал всегда несколько шумный. Я искал средство от этой проблемы. Один предложил преобразовать изображение в лабораторный цвет и сгладить/размыть только канал яркости, а затем преобразовать обратно в RGB для удаления шума. Ты можешь попробовать.

Мы провели анализ сине-зелено-красных каналов DP3 Merrill в цифровом (RAW) режиме. Я только что купил эту камеру в июне 2018 года. Синий канал демонстрирует ошибку, зависящую от уровня в аналого-цифровом преобразователе, которой нет в красно-зеленых каналах, которые работают должным образом. Похоже, что может быть ошибка либо в подключении синего канала a/d, либо в коде, который переводит напряжение a/d в цифровой сигнал синего канала. Это НЕ проблема чувствительности. Это может быть проблема насыщения, т.е. физические напряжения превышают диапазон аналого-цифрового преобразования при очень низких напряжениях, т.е. слишком большое усиление в этом канале. Камера была установлена ​​на ISO 100 для сбора данных, и данные были получены в диапазоне выдержек затвора и уровней сигнала в кадре. Измерения синего канала были наиболее близкими к правильным сигналам при САМЫХ НИЗКИХ уровнях сигнала. Чем выше сигнал, тем больше ошибка. Это проблема усиления/оцифровки в алгоритме, создающем файлы X3F, или, возможно, проблема порядка байтов. Мы смотрим непосредственно на файлы X3F, чтобы увидеть, присутствует ли уже ошибка, но я ожидаю, что это так, поскольку файлы TIFF и JPEG, созданные конвертером, имеют одинаковую проблему. Вопрос, будет ли производитель заинтересован в исправлении этой проблемы? Чип Foveon — хорошая идея, которую нужно правильно спроектировать. Вопрос, будет ли производитель заинтересован в исправлении этой проблемы? Чип Foveon — хорошая идея, которую нужно правильно спроектировать. Вопрос, будет ли производитель заинтересован в исправлении этой проблемы? Чип Foveon — хорошая идея, которую нужно правильно спроектировать.