Могут ли будущие достижения в области сенсорных технологий снизить или устранить шум?

Question

Существует ли вероятность того, что будущие технические достижения могут уменьшить или устранить шум при использовании высокого значения ISO или этот шум неизбежен и присущ всем цифровым датчикам?

Если есть теоретический предел, где шум неизбежен, насколько мы близки к этому?

Answer 1

Очень важно осознавать, что не шумовая установка сама по себе приводит к шумному изображению, а тот факт, что использование высокой светочувствительности означает, что вы получаете очень мало света.

Свет состоит из фотонов, которые случайным образом излучаются источником света. Когда уровень освещенности низкий или время экспозиции очень короткое, количество получаемых фотонов будет значительно отличаться от

Представьте, что вы пытаетесь оценить, с какой скоростью люди покидают торговый центр. Если у вас есть только 10 секунд для подсчета людей, то полученный вами результат будет сильно зависеть от того, когда именно вы начнете считать и какой выход вы выбрали. Если у вас есть 10 минут для подсчета людей, то вы получите гораздо более стабильный ответ, который будет одинаковым для всех выходов (при условии, что нет личных предпочтений для выходов) и для разных 10-минутных интервалов времени (при условии, что другие факторы не влияют результат).

Это то, что происходит, когда вы используете настройку высокого ISO, вы захватываете очень мало фотонов, поэтому набор соседних пикселей, покрывающих объект однородного цвета, может получить 4, 3, 4 и 5 фотонов каждый, поэтому вместо сглаживая однородный цвет, вы получаете зернистый результат, который меняется для каждого пикселя.

Этот шум называется фотонным шумом и является основным источником шума на изображениях с высоким ISO, за исключением теней. Даже если бы у вас был идеальный датчик, который подсчитывал и точно регистрировал каждый фотон, попавший на датчик, у вас все равно было бы значительное количество шума при слабом освещении.

---

Это не означает, что мы достигли предела высокой производительности ISO. Еще не совсем так. Чистый фотонный шум очень мелкозернистый и менее нежелательный, чем комковатый шум, наблюдаемый на фотографиях с высоким ISO.

Уменьшение перекрестных помех пикселей, улучшение электроники в целом может оказать лишь незначительное влияние на уменьшение шума амплитуда , но большее влияние на улучшение шума качество .

В Википедии есть симулятор «идеального» датчика, где фотонный шум является единственным источником шума:

Нажмите, чтобы увеличить версию, где вы можете разобрать отдельные пиксели. Изображение Mdf Некоторые права защищены.

Answer 2

Уменьшите, да. Например, у Canon 5D Mark III 2/3 ступени лучше , чем у Canon 5D с высокими характеристиками ISO, хотя их датчики имеют тот же размер, потому что он на семь лет новее. Конечно, прошлые результаты не обязательно указывают на будущие результаты, но я не вижу причин для того, чтобы дополнительные выгоды не продолжались.

Устранить его полностью физически невозможно. Когда вы получаете ISO в миллионах, вы пытаетесь извлечь данные из нескольких фотонов. Независимо от того, насколько хороши ваши технологии, информация просто не для вас.

Теперь, что касается того, чтобы сделать его «идеальным» для всех ISO, скажем, 3200, обратите внимание, что на самом деле нет единого стандарта для «идеального». Вы можете разработать удивительную новую технологию, которая достигает некоторой теоретической границы в отношении сигнал / шум, но действительно ли это имеет значение, когда мои глаза утверждают, что этот пиксель должен быть # 0f3ed2, вы утверждаете, что это должен быть # 0e3fd4, а датчик думает, что это # 0d3dd3

Answer 3

Это уже случилось! На пленке, или в раннем цифровом, высокий ISO означал 400, на последних полнокадровых камерах это 6400. Проблема в том, что каждый раз, когда это происходит, «высокий ISO» переопределяется, чтобы быть еще выше, или, другими словами, высокий ISO всегда означает « настолько высоко, что современные технологии делают его шумным ". Как отметил Тони, в конечном итоге существуют физические ограничения в отношении того, как далеко он может зайти.

Answer 4

Via Hacker News, я недавно наткнулся на эту статью 2008 года, написанную профессором физики Эмилем Мартинеком в свободное время, по-видимому.

Шум, динамический диапазон и битовая глубина в цифровых зеркальных фотокамерах

Он характеризует различные типы возможных шумов и описывает их относительную важность.

• Фотонный шум от выстрела
• Считывание шума
• Образцовый шум
• Тепловой шум
• Неравномерность отклика пикселя (PRNU)
• Ошибка квантования.

Прочитав это, вы поймете, что невозможно полностью удалить различные типы шумов датчиков. Конечно, их можно минимизировать (различными способами), но существуют и другие конструктивные решения, которые должен принять производитель камеры / датчика, которые могут привести к другим проблемам или компромиссам (например, применение смещений в аналого-цифровом преобразователе, см. Рис. 10 + 11) * 1 023 *

По поводу ваших вопросов о теоретическом лимите:

"Наиболее важными источниками шума для типичных воздействий являются читаемые шумы и фотонный шум. "

"Инверсия наклона графа PRNU (см. рисунок 7 для примера) верхний предел для отношения сигнал / шум, если PRNU не компенсируется в последующей обработке. "

Answer 5

Это проблема с датчиками в целом - от оптических датчиков до акселерометров и гироскопов. Все потребительские товары имеют дело с этим и пытаются скрыть шум от пользователя - например, ваш телефон способен воспринимать вибрации ниже уровня, который заставляет его действовать, и есть приложения, которые могут показать вам это.

Любой датчик, способный точно записывать сигналы в интересующей области, также будет способен записывать сигналы вне интересующей области, а сигналы ниже или выше порогового значения обычно называют шумом. Эта «проблема» не связана только с оптическими датчиками, она связана с физическими ограничениями восприятия того, что нас интересует.

Таким образом, ответ «нет» - любой датчик, который является «нечувствительным» для устранения шумов, также устраняет некоторые сигналы, которые мы хотим, что делает невозможным создание не шумящих датчиков.