Warum hängt Rauschen nicht von der Belichtungszeit ab?


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In der Post Warum verwenden Kameras eine Einzelbelichtung, anstatt sich über viele sehr schnelle Lesevorgänge zu integrieren? Eine wichtige Frage war, ob das Rauschen von der Belichtungszeit abhängt oder nicht. Mit Rauschen meine ich das absolute Rauschen (N), nicht das relative Rauschen (S / N). Ich war von dieser Korrelation überzeugt, weil ich dachte, dass sich das Rauschen während der Belichtungszeit ansammelt. Wenn es also länger ist, wäre das Rauschen höher.

Um diese Hypothese zu testen, habe ich versucht, schwarze Bilder mit dem Objektivdeckel auf den Objektiven aufzunehmen, so dass S = 0 ist. Ich verwende Canon 600D, ISO100 und f / 3.5

Ich habe ein Python-Skript geschrieben, um den Mittelwert zu berechnen, der über alle Pixel mit einem einfachen Mittelwert oder einem quadratischen Mittelwert (sqrt (sum_i (R_i ^ 2)) gemittelt wird, wobei R_i das i-te Pixel ist, das nur den roten Kanal berücksichtigt.

Ich habe JPEG verwendet, weil ich nicht in der Lage bin, Rohdaten aus Python zu lesen. Mit JPEG ist die Auflösung des Rauschens ziemlich gering (1/256), aber ich habe interessante Ergebnisse erzielt.

Hier die Darstellung: auf der y-Achse das Rauschen, auf der x-Achse die Belichtungszeit.

mittleres Rauschen ISO100 Effektivrauschen ISO100

es scheint, dass das Rauschen bis zu einer Belichtung von 1s ziemlich konstant ist, dann beginnt es zuzunehmen

Ich habe auch versucht mit ISO3200 zu fotografieren, hier die Ergebnisse: mittleres Rauschen ISO3200 Effektivrauschen ISO3200

Wie erwartet ist das Rauschen viel größer (~ 10-fach), aber das Verhalten mit der Belichtungszeit ist ähnlich (wahrscheinlich steigt es etwas schneller an).

Warum dieses Verhalten?

Warum ist der grüne Kanal lauter?


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Ich vermute, Sie sehen mehr Rauschen in Grün, weil es doppelt so viele grüne Fotoseiten gibt. (Dies ist ein weiterer Bereich, in dem Sie die RAW besser interpretieren sollten. Versuchen Sie dies für die RAW-Verarbeitung mit Python ....)
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Antworten:


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Zunächst einmal können Sie keine Form von Rauschen über JPEG bewerten. Komprimierung, selbst minimale Komprimierung, hat einen messbaren / sichtbaren Einfluss auf das Auftreten von Rauschen. Sie können Rauschen nur mit einem RAW-Bild wirklich bewerten.


Nur um sicherzugehen, verstehen Sie, dass die Hauptquelle für Bildrauschenist Photonenschussrauschen? Das Rauschen, das Sie auswerten, ist Kamera-Lesegeräusch, Rauschen, das durch die durch die elektronischen Schaltkreise fließende Elektrizität erzeugt wird und möglicherweise durch geringfügige Mängel im im Bildsensor verwendeten Material verursacht wird. Das Lesegeräusch ist im Allgemeinen ein fester Aspekt des Sensors für einen bestimmten ISO-Wert, bis zusätzliche Faktoren wie Wärme beginnen, ihn zu ändern. Um das Signal für einen Moment in die Diskussion einzubeziehen ... Lesegeräusch ist ein winziger Bruchteil des maximalen Signals. Selbst bei einem Spitzenwert von 0,009 @ ISO 3200 in Ihrem Diagramm, wenn Sie ein ausreichend starkes Bildsignal darauf legen ist der Einfluss von Lesegeräuschen tatsächlich so vernachlässigbar, dass er praktisch bedeutungslos ist. Photonenschussrauschen, oder Rauschen im Bildsignal selbst, das sich aus einem schwächeren Signal (im Vergleich zur physikalischen Kapazität der einzelnen Wanne einer einzelnen Fotodiode) und einem weit verbreiteten inkonsistenten Muster von Photonenschlägen ergibt, ist bei weitem der Hauptverursacher eines hohen ISO-Rauschens. Sie müssten wirklich tief in die dunkelsten Schatten eines ISO 3200-Fotos graben, um Hinweise auf Lesegeräusche zu finden.

Wenn Sie bis zu 1 Sekunde belichten, würde ich davon ausgehen, dass das Lesegeräusch flach ist, da Sie nicht genügend Wärme im Stromkreis ansammeln, um einen Einfluss zu haben. Ihren Tests zufolge beginnt sich bei Erreichen einer 1-s-Exposition wahrscheinlich Wärme aufzubauen, die sich auswirkt. Wenn Sie über einen immer längeren Zeitraum belichten, nimmt der Einfluss des thermischen Rauschens auf das gesamte Lesegeräusch zu.

Ich bin kein CMOS-Bildsensor-Ingenieur, daher kann ich nicht tiefer gehen. Basierend auf den zahlreichen Patenten, die ich gelesen habe und die sowohl von Sony als auch von Canon veröffentlicht wurden, würde ich anbieten, dass es andere Gründe gibt, warum das Rauschen mit der Belichtungszeit zunimmt. Im Patent-Nether gibt es eine ganze Reihe von Patenten zur Lärmminderung, die darauf abzielen, eine Vielzahl möglicher Lärmquellen zu identifizieren, zu verfolgen und zu beseitigen. Die meisten befassen sich mit Dunkelstromrauschen, Verstärkerrauschen oder A / D-Wandlerrauschen, es gibt jedoch auch andere Quellen. Einige Patente gehen so weit, die primäre Stromversorgung für Rauschminderungs- und Auslesekapazitätsschaltungen während des Auslesens abzuschalten, um das Potenzial auszuschließen, dass Dunkelstrom aus dem Netzteil selbst das Rauschen während des Auslesens erhöht (ich glaube, das war ein Canon-Patent, und ich '

Es genügt zu sagen, dass thermisches Rauschen definitiv zu einem primären Geräuschproduzenten wird, wenn die Exposition einen bestimmten Schwellenwert überschreitet. Ich hätte nicht gedacht, dass dieser Schwellenwert genau 1s beträgt, aber Ihre Tests scheinen dies sicherlich anzuzeigen.


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Nur um es zu erweitern: Lesegeräusche sind der entscheidende Faktor bei der anderen Frage, da sie durch mehrmaliges Lesen verstärkt werden.
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