Является ли шум Пуассона («Shot Noise») значительным источником шума для типичной фотографии?

Question

В этом ответе , @jrista заявляет, что даже камера с идеальным, бесшумным сенсором все равно будет иметь шум из-за "Пуассоновского шума", также известного как "Фотон-шум" - шум вызванные случайными изменениями фотонов, которые приводят к тому, что большее количество фотонов попадает в один сенсор, чем в другой.

Мне просто любопытно - это серьезная проблема для фотографов из реального мира? Я бы предположил, что этот шум будет настолько бесконечно мал, что мы можем считать его равным 0. Существуют ли какие-либо исследования, которые измеряют уровень шума от дробового шума по сравнению с другими причинами (как, например, электрические или тепловой шум от электроники) ?

Answer 1

В большинстве частей большинства фотографий шум от фотонных импульсов является основным источником шума .

В основном, мы сравниваем это, чтобы прочитать шум. (Темновой ток незначителен при коротких выдержках, и шум квантования также довольно мал, когда вы говорите о 12- и 14-битных АЦП.) Шум чтения зависит от датчика. В этой статье 2007 года представлены измерения шума при считывании для нескольких зеркалок . Мы видим, например, что Canon 40D при ISO 200 имеет около 10 электронов (е) шума считывания.

Шум фотонного выстрела - это пуассоновский процесс , поэтому шум является квадратным корнем из числа сигнальных фотоэлектронов. Поэтому, если мы записываем 100 сигнальных фотоэлектронов в пикселе от нашего объекта, мы ожидаем, что шум от выстрела на пиксель будет sqrt (100) = 10 e-, что равно шуму чтения 40D.

Много ли 100 фотоэлектронов? Нет, та же статья оценивает полную емкость 40-пиксельного пикселя в 56 000 е, так что пиксель, имеющий только 100 е, является очень темной частью сцены, около 9 остановок темнее, чем полный колодец. В пикселе с более чем 100 e- шум выстрела продолжает увеличиваться, вплоть до sqrt (56000) = 236 при полной скважине, поэтому шум выстрела доминирует над шумом считывания с все большим и большим запасом. (Яркие тона кажутся менее шумными, чем темные, потому что отношение сигнал / шум продолжает увеличиваться, так как шум является только квадратным корнем сигнала. Но то, что есть шум, все чаще связано с шумом выстрела, а не читать шум.)

В очень темных тенях шум чтения может быть значительным. А при длительном темном воздействии (например, астрофотографии под темным небом) темновой ток и шум чтения могут быть важны. Но для обычной фотосъемки хорошо экспонированных объектов с коротким временем экспозиции основным источником шума является шум при съемке.

Answer 2

Шум фотонного выстрела, или шум, возникающий в результате распределения фотонов по Пуассону, когда они достигают сенсора, может быть проблемой, о которой, по крайней мере, должны знать фотографы реального мира. При увеличении ISO максимальный потенциал сигнала также падает. Для каждой остановки увеличения ISO ваш максимальный сигнал падает в два раза. В большинстве случаев шум от фотонных импульсов является наиболее значительным источником шума. Электронные источники шума влияют только на глубокие тени и обычно проявляются только тогда, когда вы начинаете перемещать экспозицию в посте (то есть поднимаете тени в значительной степени).

Предполагая, что полнокадровый датчик с полной емкостью скважины (FWC) 60000 электронов, при ISO 100 у вас есть максимальная точка насыщения (MaxSat) 60000 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 сути уменьшает максимальное потенциальное отношение сигнал / шум.

Этот фактор, вероятно, наиболее важен при выборе камеры для покупки. У полнокадрового датчика будет больше пикселей, чем у датчика APS-C с таким же количеством мегапикселей. Наш FWC 60 КБ на нашем гипотетическом датчике FF может быть FWC 20 кОм на датчике APS-C. Если вам нужна превосходная производительность при слабом освещении, использование полнокадрового датчика и меньшего числа мегапикселей приведет к увеличению размера пикселя, что окажет ПРЯМОЕ влияние на количество видимого шума при более высоких настройках ISO.

Шум фотонного выстрела, как отношение общего сигнала, уменьшается при увеличении силы сигнала. В качестве абсолютного фактора (стандартное отклонение от среднего уровня сигнала) шум от фотонных импульсов, вероятно, приблизительно постоянен. Предполагая стандартное отклонение в 5 единиц, если уровень сигнала также равен 5, у вас будет изображение, которое выглядит в основном шумовым, возможно, с частичными, но в значительной степени нечеткими «формами». Если уровень сигнала составляет 10 единиц, то SNR составляет 50%. У вас все еще будет очень шумное изображение, но это будет изображение с более четкой формой и структурой. Фактически, шум фотонного выстрела, который следует за функцией распределения Пуассона, равен квадратному корню из уровня сигнала. При ISO 100 датчик FF с FWC 60 000e будет иметь шум фотонного выстрела, эквивалентный 244e-. Датчик APS-C с FWC 20000e будет иметь шум фотонного выстрела, эквивалентный 141e-. При ISO 200 шум от фотонного выстрела будет 173e и 122e-, соответственно, ISO 400 будет 122e и 70e- и т. Д. Как соотношение, при ISO 100 FF фотонный шум составляет 0,004% сигнала, ISO 200 0,006%, ISO 400 - 0,008% и т. д. И наоборот, для APS-C эти значения равны ISO 100 / 0,007%, ISO 200 / 0,012%, ISO 400 / 0,014% и т. д.

Меньшие датчики будут иметь немного более низкий SNR, чем FF-датчики, чтобы начать с, так как активация строки / столбца и считывание проводов имеют тенденцию потреблять больше относительного пространства фотодиодов. В сочетании с меньшим FWC вы сразу окажетесь в невыгодном положении, когда дело доходит до увеличения ISO. Датчик FF имеет шумовое преимущество приблизительно 60% (По: 244/60000 / 141/20000 = 0,577). При той же настройке ISO, предполагая, что шум обычно виден при этой настройке, датчик FF всегда будет казаться менее шумным, чем датчик APS-C. В случае наших двух гипотетических датчиков, ISO 100 на APS-C лишь незначительно лучше, чем ISO 400 на FF, почти на две ступени разницы в относительных характеристиках шума! То же самое касается двух датчиков FF, одного с большими пикселями и одного с меньшими пикселями с коэффициентом 1,6. Это предполагает наблюдение за 100% кадрированием (то есть подсвечивание пикселей). Это всегда тот случай, когда вы можете уменьшить размер изображения с более высоким разрешением до размера изображения с более низким разрешением и уменьшить шум путем простого усреднения (хотя обычно у вас будет уменьшить изображение с датчика более высокого разрешения в большей степени, чтобы полностью нормализовать шум.)

Что касается того, сколько шума от дробового шума, и сколько от других источников. «Другие источники» действительно зависят от датчика. Шум считывания обычно измеряется в единицах DU (цифровые единицы или после АЦП) или e- (электроны, заряд аналогового сигнала). Canon 7D имеет шум считывания 8,6e - при ISO 100, но 4,7e - при ISO 200, 3,3e - при ISO 400 и т. Д. Canon 1D X имеет шум чтения 38,2e- (!) При ISO 100. больший шум считывания в конечном итоге пропорционален площади фотодиода ... большие пиксели несут больший ток, поэтому темновой ток будет выше, а усиление на выходе будет увеличивать большее количество электронного шума по сравнению с сигналом. 1D X имеет FWC 90,300, что означает, что уровень шума считывания 38e представляет собой ничтожную долю от максимального потенциального сигнала ISO100 (точнее 0,00042%).

Во всех случаях шума это действительно зависит от ваших целей. Если вы стремитесь снимать при слабом освещении или вам нужны очень высокие скорости затвора, поиск камеры с большими пикселями, вероятно, даст лучшие шумовые характеристики. Если вы снимаете объекты с высокой детализацией, более высокая плотность пикселей, вероятно, более важна, чем низкий уровень шума. Здесь нет точного и сухого ответа.

---

^{† Количество света, при условии фиксированного источника света, количество света, которое достигает датчика для данной апертуры и скорости затвора, или любые их эквивалентные соотношения: f / 16 1/100 с, f / 8 1/200 с, f / 4 1 / 800s, все тот же EV.}

Answer 3

Вы определенно попадаете в диапазон периферийной фотографии, когда пытаетесь идентифицировать шум выстрела в сравнении с сигналом. К счастью, астрофотографы были здесь раньше.

Крэйг Старк опубликовал приличную серию статей, предназначенных для непрофессионалов, посвященных пониманию шума и сигнала.

В части первой здесь он описывает основную предпосылку шума выстрела и почему небесное свечение так плохо для астрономии - оно увеличивает шум выстрела без добавления дополнительной информации. По сути, вы можете иметь более высокое плато уровня света, но оно плоское и, следовательно, лишает контраст.

Во части второй здесь он подробно расскажет о различиях между снимком и считыванием и тепловым шумом, например, на фотографиях.

В части третьей здесь он описывает метод измерения производительности конкретных камер и, таким образом, получения модели для шумовых профилей. 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 экстремальных условиях других типов шума (термический и считываемый), когда ОСШ становится искаженным.