Gibt es eine Möglichkeit, dass zukünftige technische Fortschritte das Rauschen bei Verwendung einer hohen ISO-Einstellung verringern oder beseitigen, oder ist dieses Rauschen unvermeidbar und allen digitalen Sensoren eigen?
Wenn es eine theoretische Grenze gibt, an der Lärm unvermeidlich ist, wie nahe sind wir dem?
Antworten:
Es ist sehr wichtig zu wissen, dass nicht die hohe ISO-Einstellung selbst zu einem verrauschten Bild führt, sondern dass bei einer hohen ISO-Einstellung nur sehr wenig Licht aufgenommen wird.
Licht besteht aus Photonen, die von einer Lichtquelle zufällig emittiert werden. Wenn das Lichtniveau niedrig oder die Belichtungszeit sehr kurz ist, variiert die Anzahl der Photonen erheblich von
Stellen Sie sich vor, Sie versuchen zu schätzen, mit welcher Geschwindigkeit Menschen ein Einkaufszentrum verlassen. Wenn Sie nur 10 Sekunden Zeit haben, um Personen zu zählen, variiert das Ergebnis erheblich, je nachdem, wann Sie mit dem Zählen beginnen und welchen Ausgang Sie gewählt haben. Wenn Sie 10 Minuten Zeit haben, um Personen zu zählen, erhalten Sie eine viel stabilere Antwort, die für alle Ausgänge (vorausgesetzt, es gibt keine persönliche Präferenz für Ausgänge) und für verschiedene Zeitfenster von 10 Minuten (vorausgesetzt, es gibt keine anderen Einflussfaktoren) ähnlich ist das Ergebnis).
Dies geschieht, wenn Sie eine hohe ISO-Einstellung verwenden und nur sehr wenige Photonen erfassen, sodass eine Reihe benachbarter Pixel, die ein Objekt mit einheitlicher Farbe bedecken, möglicherweise 4, 3, 4 und 5 Photonen erhalten, anstatt einer gleichmäßigen Farbe Sie erhalten ein körniges Ergebnis, das sich für jedes Pixel ändert.
Dieses Rauschen wird als Photonenrauschen bezeichnet und ist die dominierende Rauschquelle in Bildern mit hohem ISO-Wert, mit Ausnahme der Schatten. Selbst wenn Sie einen perfekten Sensor hätten, der jedes auf den Sensor treffende Photon zählt und genau meldet, würden Sie bei schlechten Lichtverhältnissen immer noch ein beträchtliches Rauschen haben.
Das heißt nicht, dass wir die Grenze für eine hohe ISO-Leistung erreicht haben. Noch nicht ganz. Reines Photonenrauschen ist sehr feinkörnig und weniger störend als das bei Fotos mit hohem ISO-Wert zu beobachtende klumpige Musterrauschen.
Nur eine geringe Wirkung bei der Verringerung der Lärmverminderungspixelübersprechen, die Elektronik im Allgemeinen könnte die Verbesserung der Amplitude , aber eine größere Wirkung auf die Verbesserung der Geräuschqualität .
Wikipedia hat eine Simulation des "perfekten" Sensors, bei dem Photonenrauschen nur eine Rauschquelle ist:
Klicken Sie für eine größere Version, in der Sie einzelne Pixel erkennen können. Bild von Mdf. Einige Rechte vorbehalten.
kim Durchschnitt Photonen pro Pixel haben, beträgt die Stärke des Pixelrauschens im Allgemeinen sqrt(k).
Reduzieren Sie es, ja. Zum Beispiel ist die Canon 5D Mark III mit 2/3 Blenden besser als die Canon 5D bei hoher ISO-Leistung, obwohl ihre Sensoren die gleiche Größe haben, weil sie sieben Jahre neuer sind. Natürlich ist die Wertentwicklung in der Vergangenheit nicht unbedingt ein Hinweis auf zukünftige Ergebnisse, aber ich sehe keinen Grund dafür, dass inkrementelle Gewinne nicht weiter erzielt werden.
Eine vollständige Beseitigung ist physikalisch unmöglich. Wenn Sie eine ISO in Millionenhöhe erreichen, versuchen Sie, Daten aus wenigen Photonen zu extrahieren. Unabhängig davon, wie gut Ihre Technologie ist, können Sie die Informationen einfach nicht extrahieren.
Beachten Sie nun, dass es keinen einheitlichen Standard für "perfekt" gibt, um es für alle ISOs unter beispielsweise 3200 "perfekt" zu machen. Sie könnten eine erstaunliche neue Technologie entwickeln, die eine gewisse theoretische Grenze des Signal-Rausch-Verhältnisses erreicht, aber ist das wirklich wichtig, wenn meine Augen behaupten, dass dieses Pixel # 0f3ed2 sein sollte, Sie behaupten, dass es # 0e3fd4 sein sollte, und der Sensor denkt, dass es # 0d3dd3?
Es ist schon passiert! Bei Filmen oder frühen digitalen Filmen bedeutete hohe ISO 400, bei den neuesten Vollbildkameras 6400. Das Problem ist, dass bei jedem Auftreten "Hohe ISO" neu definiert wird, um noch höher zu sein, oder mit anderen Worten, hohe ISO bedeutet immer " so hoch, dass die aktuelle Technologie es laut macht ". Wie Tony bemerkte, gibt es schließlich physische Einschränkungen, wie weit es gehen kann.
Über Hacker News bin ich kürzlich auf diesen Artikel von 2008 gestoßen, der anscheinend von Physikprofessor Emil Martinec in seiner Freizeit verfasst wurde.
Rauschen, Dynamikumfang und Bittiefe in digitalen Spiegelreflexkameras
Er charakterisiert die verschiedenen möglichen Arten von Lärm und beschreibt deren relative Bedeutung.
Nachdem Sie dies gelesen haben, werden Sie feststellen, dass es unmöglich ist, die verschiedenen Arten von Sensorrauschen vollständig zu entfernen. Sicher ist es möglich, sie zu minimieren (auf verschiedene Arten), aber es gibt auch andere Designentscheidungen, die der Hersteller der Kamera / des Sensors treffen muss, die andere Probleme oder Kompromisse mit sich bringen können (z. B. Anwenden von Offsets im A / D-Wandler, siehe Abb. 10 + 11)
Zu Ihren Fragen zu einem theoretischen Limit:
"Die wichtigsten Rauschquellen für typische Belichtungen sind Lesegeräusche und Photonenschussgeräusche."
"Die Inverse der Steigung des PRNU-Graphen (siehe 7 für ein Beispiel) ist eine Obergrenze für das S / N-Verhältnis, es sei denn, PRNU wird bei der Nachbearbeitung kompensiert."
Dies ist ein Problem bei Sensoren im Allgemeinen - von optischen Sensoren über Beschleunigungsmesser bis hin zu Kreiseln. Alle Konsumgüter kümmern sich darum und versuchen, die Geräusche vor dem Benutzer zu verbergen. Beispielsweise kann Ihr Telefon Vibrationen weit unter dem Pegel erfassen, bei dem sie ausgelöst werden, und es gibt Apps, die dies anzeigen.
Jeder Sensor, der Signale innerhalb des interessierenden Bereichs genau aufzeichnen kann, kann auch Signale außerhalb des interessierenden Bereichs aufzeichnen, und Signale unterhalb oder oberhalb des interessierenden Schwellenwerts werden im Allgemeinen als Rauschen bezeichnet. Dieses "Problem" bezieht sich nicht nur auf optische Sensoren, sondern auch auf die physikalischen Grenzen der Erfassung der Dinge, an denen wir interessiert sind.
Die Antwort lautet also Nein. Jeder Sensor, der "unempfindlich" genug ist, um Rauschen zu eliminieren, eliminiert auch einen Teil des von uns gewünschten Signals, wodurch es unmöglich wird, Sensoren ohne Rauschen zu bauen.