Ist Poisson Noise („Shot Noise“) eine bedeutende Rauschquelle für die typische Fotografie?

In dieser Antwort gibt @jrista an, dass selbst eine Kamera mit einem perfekten, rauschfreien Sensor aufgrund von "Poisson-Rauschen", auch bekannt als "Photon Shot Noise", immer noch Rauschen aufweist - Rauschen, das durch zufällige Variationen von Photonen verursacht wird und dazu führt, dass mehr Photonen in eines eintreten sensel als ein anderer.

Ich bin nur neugierig - ist dies ein wichtiges Anliegen für echte Fotografen? Ich würde annehmen, dass dieses Rauschen so unendlich klein ist, dass wir es als im Grunde genommen 0 betrachten können. Gibt es Studien, die messen, wie viel Rauschen durch Schussgeräusche im Vergleich zu anderen Ursachen (wie elektrischem oder thermischem Rauschen der Elektronik) entsteht ?

In den meisten Teilen der meisten Fotos trägt das Rauschen von Photonenschüssen am meisten zum Rauschen bei .

Meistens vergleichen wir es mit Lesegeräuschen. (Der Dunkelstrom ist bei kurzen Belichtungen vernachlässigbar, und das Quantisierungsrauschen ist auch ziemlich gering, wenn es sich um 12- und 14-Bit-ADCs handelt.) Das Lesegeräusch hängt vom Sensor ab. In diesem Artikel aus dem Jahr 2007 werden Lesegeräuschmessungen für einige DSLRs vorgestellt . Wir sehen zum Beispiel, dass eine Canon 40D bei ISO 200 etwa 10 Elektronen (e-) Lesegeräusch aufweist.

Photonenschussrauschen ist ein Poisson-Prozess , daher ist das Rauschen die Quadratwurzel der Anzahl der Signalphotoelektronen. Wenn wir also 100 Signalphotoelektronen in einem Pixel von unserem Motiv aufnehmen, erwarten wir, dass das Schussrauschen pro Pixel sqrt (100) = 10 e- beträgt, was dem Lesegeräusch der 40D entspricht.

Sind 100 Photoelektronen viel? Nein, dasselbe Papier schätzt die Kapazität eines 40D-Pixels mit voller Vertiefung auf 56.000 e-, sodass ein Pixel mit nur 100 e- ein sehr dunkler Teil der Szene ist, etwa 9 Blenden dunkler als die volle Vertiefung. In einem Pixel mit mehr als 100 e- steigt das Schussrauschen weiter an, bis zu sqrt (56000) = 236 bei voller Vertiefung, sodass das Schussrauschen das Lesegeräusch immer größer dominiert. (Die hellen Töne erscheinen weniger verrauscht als die dunklen Töne, da das Signal-Rausch-Verhältnis weiter zunimmt, da das Rauschen nur die Quadratwurzel des Signals ist. Aber welches Rauschen es gibt, ist zunehmend auf das Schussrauschen zurückzuführen, nicht Lesegeräusch.)

In den sehr dunklen Schatten kann das Lesegeräusch erheblich sein. Bei einer langen, dunklen Belichtung (z. B. Astrofotografie bei dunklem Himmel) können sowohl Dunkelstrom als auch Lesegeräusch wichtig sein. Für die allgemeine Fotografie gut belichteter Motive mit kurzen Belichtungszeiten ist das Schussrauschen die dominierende Geräuschquelle.

Photonenschußrauschen oder Rauschen, das aus der Poisson-Verteilung von Photonen resultiert, wenn diese den Sensor erreichen, kann ein Problem sein, dessen sich Fotografen in der realen Welt möglicherweise zumindest bewusst sein müssen. Mit zunehmender ISO sinkt auch das maximale Potential für das Signal. Bei jedem Stopp der ISO-Erhöhung sinkt Ihr maximales Signal um den Faktor zwei. Bei den meisten Belichtungen trägt das Rauschen von Photonenschüssen bei weitem am meisten zum Rauschen bei. Elektronische Geräuschquellen wirken sich nur auf die tiefen Schatten aus und treten normalerweise nur dann auf, wenn Sie die Belichtung in der Post herumschieben (dh Schatten deutlich anheben).

Unter der Annahme eines Vollbildsensors mit einer Full Well-Kapazität (FWC) von 60.000 Elektronen haben Sie bei ISO 100 einen maximalen Sättigungspunkt (MaxSat) von 60.000 Elektronen (e-). Bei ISO 200 würden Sie einen MaxSat von 30.000e-, ISO 400 / 15.000e-, ISO 800 / 7500e-, ISO 1600 / 3750e-, ISO 3200 / 1875e-. Durch Erhöhen des ISO-Werts wird das maximale potenzielle Signal-Rausch-Verhältnis verringert.

Dieser Faktor ist wahrscheinlich am wichtigsten bei der Kaufentscheidung für eine Kamera. Ein Vollbildsensor hat größere Pixel als ein APS-C-Sensor mit derselben Megapixelzahl. Unser 60k FWC auf unserem hypothetischen FF-Sensor könnte ein 20k-25k FWC auf einem APS-C-Sensor sein. Wenn Sie eine überlegene Leistung bei schlechten Lichtverhältnissen benötigen, erhöht die Verwendung eines Vollbildsensors und weniger Megapixel die Pixelgröße und wirkt sich somit DIREKT auf die Menge des sichtbaren Rauschens bei höheren ISO-Einstellungen aus.

Das Photonenschußrauschen als Verhältnis des Gesamtsignals nimmt mit zunehmender Signalstärke ab. Als absoluter Faktor (Standardabweichung um den mittleren Signalpegel) ist das Photonenschussrauschen wahrscheinlich ungefähr konstant. Unter der Annahme einer Standardabweichung von 5 Einheiten hätten Sie bei einer Signalstärke von ebenfalls 5 ein Bild, das hauptsächlich aus Rauschen besteht, möglicherweise mit partiellen, aber weitgehend undeutlichen "Formen". Wenn die Signalstärke 10 Einheiten beträgt, beträgt das SNR 50%. Sie haben immer noch ein sehr verrauschtes Bild, aber es ist ein Bild mit einer deutlicheren Form und Struktur. Tatsächlich ist das Photonenschussrauschen, das einer Poisson-Verteilungsfunktion folgt, gleich der Quadratwurzel des Signalpegels. Bei ISO 100 weist ein FF-Sensor mit einem FWC von 60.000 e-FWC ein Photonenschussrauschen auf, das 244 e entspricht. Ein APS-C-Sensor mit einem 20, 000e- FWC hat ein Photonenschußrauschen, das 141e- entspricht. Bei ISO 200 wäre das Photonenschussrauschen 173e- bzw. 122e-, ISO 400 122e- und 70e- usw. In Bezug auf die Verhältnisse beträgt das ISO-FF-Photonenrauschen bei ISO 100 FF 0,004% des Signals, ISO 200 seine Werte sind 0,006%, ISO 400 seine 0,008% usw. Umgekehrt sind diese Werte für APS-C ISO 100 / 0,007%, ISO 200 / 0,012%, ISO 400 / 0,014% usw.

Kleinere Sensoren haben zunächst ein etwas niedrigeres SNR als FF-Sensoren, da Zeilen- / Spaltenaktivierungs- und Lesekabel dazu neigen, mehr relativen Fotodiodenraum zu verbrauchen. In Kombination mit dem kleineren FWC sind Sie bei der Erhöhung der ISO sofort im Nachteil. Der FF-Sensor hat einen Rauschvorteil von ca. 60% (By: 244/60000 / 141/20000 = 0.577). Bei derselben ISO-Einstellung scheint der FF-Sensor unter der Annahme, dass bei dieser Einstellung im Allgemeinen Rauschen sichtbar ist, immer weniger verrauscht zu sein als ein APS-C-Sensor. Bei unseren beiden hypothetischen Sensoren ist ISO 100 beim APS-C nur unwesentlich besser als ISO 400 beim FF, fast zwei Punkte Unterschied in der relativen Rauschleistung! Das gleiche gilt für zwei FF-Sensoren, einen mit großen Pixeln und einen mit kleineren Pixeln um den Faktor 1,6. Dies setzt eine 100% ige Ernte voraus (dh Pixel-Peeping).

Wie viel Rauschen kommt von Schussgeräuschen und wie viel von anderen Quellen. Die "anderen Quellen" hängen wirklich vom Sensor ab. Das Lesegeräusch wird normalerweise in Form von DU (digitale Einheiten oder Post-ADC) oder e- (Elektronen, analoge Signalladung) gemessen. Die Canon 7D hat ein Lesegeräusch von 8,6e bei ISO 100, aber 4,7e bei ISO 200, 3,3e bei ISO 400 usw. Die Canon 1D X hat ein Lesegeräusch von 38,2e (!) Bei ISO 100. Die Ein größeres Leserauschen ist letztendlich proportional zur Fläche der Fotodiode ... größere Pixel führen mehr Strom, so dass der Dunkelstrom höher ist und die nachgeschaltete Verstärkung eine größere Menge an elektronischem Rauschen im Verhältnis zum Signal erhöht. Der 1D X hat jedoch eine FWC von 90.300, was bedeutet, dass 38% Lesegeräusch ein winziger Bruchteil des maximalen potenziellen ISO100-Signals ist (0,00042% um genau zu sein).

In allen Fällen von Lärm hängt es wirklich von Ihren Zielen ab. Wenn Sie dazu neigen, bei schlechten Lichtverhältnissen zu fotografieren oder sehr lange Verschlusszeiten benötigen, führt die Suche nach einer Kamera mit größeren Pixeln wahrscheinlich zu den besten Rauscheigenschaften. Wenn Sie Motive mit hohen Details aufnehmen, ist eine höhere Pixeldichte wahrscheinlich wichtiger als ein geringes Rauschen. Hier gibt es keine wirkliche Antwort.

^{† Lichtmenge unter der Annahme eines festen Leuchtmittels, der Lichtmenge, die den Sensor für eine bestimmte Blende und Verschlusszeit erreicht, oder gleichwertige Verhältnisse davon: f / 16 1 / 100s, f / 8 1 / 200s, f / 4 1 / 800s, alle gleich EV.}

Sie kommen definitiv in den Bereich der Randfotografie, wenn Sie versuchen, das Bildrauschen gegenüber dem Signal zu identifizieren. Zum Glück waren die Astrofotografen schon einmal hier.

Es gibt eine anständige Reihe von Artikeln für Laien, die sich mit dem Verständnis von Rauschen und Signal befassen und von Craig Stark veröffentlicht wurden.

Im ersten Teil beschreibt er die Grundvoraussetzung des Schussrauschens und warum Skyglow für die Astronomie so schlecht ist - es erhöht das Schussrauschen, ohne weitere Informationen hinzuzufügen. Im Wesentlichen können Sie ein höheres Lichtplateau haben, aber es ist flach und raubt somit den Kontrast.

In Teil zwei geht er hier näher auf die Unterschiede zwischen Aufnahme und Lesen und thermischem Rauschen ein, zum Beispiel auf Fotos.

In Teil drei beschreibt er hier eine Methode, um die Leistung bestimmter Kameras zu messen und so ein Modell für Rauschprofile zu erhalten. Dies kann Ihre Frage am besten beantworten: "Was sind die Unterschiede zwischen den Geräuscharten?"

Zurück zu Ihrer Grundfrage: Ist es für die meisten Fotografien relevant? Nicht wirklich, bis Sie anfangen, in den Extremen anderer Arten von Geräuschen (thermisch und gelesen) zu fotografieren, wenn das SNR schief wird.