Какова физическая причина увеличения шума при высоких значениях ISO?

Question

Какая физическая причина увеличения шума при высокой изо?желаемой яркости, в то время как при более высоком изо нам нужно меньшее время экспозиции.Какая это связь с шумом?

Answer 1

Думайте об ISO как об усилителе - он увеличивает усиление входящего сигнала.

Если у вас есть аудиоусилитель и старое радио AM, настроенное на отдаленный сигнал, вы должны включить усилитель вЧтобы услышать станцию ​​правильно.К сожалению, это одновременно вызывает много других шумов, так что вы все равно едва слышите треск и шипение.

ISO работает точно так же.Он усиливает «свет», но за счет увеличения нежелательных случайных сигналов, уже присутствующих во входящих данных.Шум всегда присутствует, он просто не усиливается, если вы используете ISO 100.

Камеры, которые более эффективны при более высоких значениях ISO, в основном имеют лучшее отношение сигнал / шум с самого начала.«Более тихий» датчик и возможность фактически получать больше света, поэтому большие датчики обычно лучше справляются с этим - они имеют большую площадь, чтобы захватывать больше света.

ISO на цифровой камере - это не такдействительно ISO, как это было на пленке, но это простой способ сохранить отношения знакомства и экспозиции.

Answer 2

ISO для аналоговых по сравнению с цифровыми

ISO вводит в заблуждение в цифровой фотографии отчасти потому, что фактически предназначался для пленочной фотографии.В пленочной фотографии ISO 400 действительно более чувствительный, чем пленка ISO 100.

На самом деле это не относится к цифровой фотографии.Чувствительность датчика вашей камеры, какой бы она ни была, не меняется.Датчик работает как массив очень маленьких солнечных панелей.Фотоны света - это частицы, которые несут энергию.Эта энергия поглощается фото-сайтом на матрице датчиков вашей камеры и создает крошечный заряд (напряжение).Это аналоговая информация - она ​​еще не в цифровом виде.

Когда экспозиция завершится и затвор закроется, камера выполнит считывание информации с датчика.

Усиление в восходящем и нисходящем направлениях

Может произойти две вещи, и то, как это будет работать, зависит от камеры.

Камера может применять аналоговое усиление.Камеры, как правило, делают это только для нескольких «остановок» усиления.Поскольку аналоговая информация еще не была преобразована в цифровую форму, этот тип усиления иногда называют «усилением в восходящем направлении».

Аналоговая информация преобразуется в цифровую форму путем преобразования напряжения в цифровые единицы.Это АЦП или аналого-цифровое преобразование.Выходные значения иногда называют ADU - сокращение от аналоговых цифровых блоков.Это цифровой выход.

Эта цифровая информация также может быть увеличена путем простого умножения числовых значений.Поскольку это происходит после цифроаналогового преобразования, его иногда называют «усилением в нисходящем направлении».

Некоторые камеры имеют исключительно или в основном цифровое усиление (усиление в нисходящем направлении), некоторые используют комбинацию усиления в восходящем и нисходящем направлениях.,Поскольку это зависит от модели камеры, нет единственно правильного ответа на вопрос, как это делается.

На этом этапе большая часть информации в цифровом формате представляет собой фактический «сигнал», то есть это информация, представляющая собранный свет.во время экспозиции.

Смещение

Но есть много интересных нюансов.Например, если вы включаете датчик, держите объектив закрытым, снимаете кратчайшее возможное изображение, а затем выполняете считывание, вы можете подумать , что все значения пикселей будут читать нули.Но это не то, что происходит ... вы обнаружите, что все они читают очень маленькие значения, близкие к нулю ... но не совсем нулевые.Это представляет значение смещения датчика.Кстати, современные цифровые камеры внутренне смещают смещение перед записью данных изображения.

Тепловой шум

Также, если вы продолжаете держать объектив закрытым, но подвергаетесь более длительной экспозиции,вы обнаружите, что многие пиксели увеличивают накопленные значения ADU, даже если в камеру не попадают фотографии видимого света.Для этого есть несколько причин, и одна из них связана с тепловым шумом (и существуют датчики камеры, которые охлаждаются, чтобы уменьшить этот шум.)

Существует также шум из-за квантовых эффектов.Если камера медленно выполняет считывание, вы можете получить шум, вызванный тем, что называется усилением усилителя.И хотя это редко ... случайный высокоэнергетический фотон может бродить и проникать в камеру.

Вывод заключается в том, что существует множество причин «шума».

Высокий ISO не вызывает шума

ОТСУТСТВУЕТ от этого списка ISO.ISO не вызывает «шум» как таковой.Шум, улавливаемый, когда экспозиция завершена, и камера завершает считывание, остается неизменной и не изменяется.ISO - это коэффициент усиления, применяемый после завершения экспозиции (технически он не является частью экспозиции, хотя гораздо проще думать о нем, как если бы он был частью экспозиции.)

Представьте себе очень низкокачественную аудиозапись говорящего ... но микрофон слишком далеко от говорящего.Вы увеличиваете громкость при воспроизведении звука и слышите много фонового шума, шипения, гула и других нюансов (возможно, даже включая других людей в комнате).Но поскольку вы увеличиваете громкость, вы слышите все эти фоновые звуки, которые гораздо более очевидны.Если бы микрофон был ближе к говорящему, у вас был бы более сильный «сигнал», и вам не нужно было бы увеличивать громкость воспроизведения.

Это хорошая аналогия для отношения сигнал / шум.Шум относительно постоянен.Это сигнал, который был сильнее или слабее.Но эта динамика изменяет «отношение сигнал / шум» (SNR).

Если у вас плохой сигнал, у вас будет соблазн «увеличить громкость».В фотографии вы «увеличиваете громкость», увеличивая ISO (на самом деле усиление).Но это увеличивает ВСЕ информацию ... и сигнал, и шум.

Шум становится очевидным в результате недостаточной экспозиции

Шум просто становится более заметным, поскольку на фотографии было недостаточно сигнала.В конечном счете, именно отношение сигнал / шум (SNR) определяет, сколько заметного шума вы видите на изображении.Шум всегда присутствует ... но если значения сигнала очень высоки, то информацию не нужно усиливать, чтобы шум не был заметен.По сути, сигнал подавляет шум до такой степени, что наши глаза его не замечают.Если сигнал слабый, мы должны усилить информацию.Это приводит к плохому SNR, где шум составляет приличный процент от общей информации, и теперь мы действительно замечаем шум.

Вывод заключается в том, что уровень «шума» вашей камеры на самом деле неизменить так сильно (это было бы в очень длинных выдержках, где вы получаете тепловое наращивание, приводящее к большему количеству шума).Если вы видите «шум» на ваших изображениях, это означает, что у вас был недостаточный сигнал.И поскольку ISO технически не является частью экспозиции ... то, что на самом деле означает, что вы имели недостаточную экспозицию.

То, что я только что сказал, вероятно, очень противоречит тому, что многие фотографы узнали,Но мы учим и преподаем фотографию на основе аналоговых концепций аналоговых пленочных камер ... и мы обычно не углубляемся в то, как на самом деле работают цифровые датчики и камеры.В основном это хорошо отвечает нашим потребностям, но в случае ISO и шума это создает путаницу.

Answer 3

Увеличение ISO на современной цифровой камере имеет два эффекта:

1. Увеличивает усиление сигнала датчика, делая тусклые части изображения ярче.
2. Изменяетзамер камеры, чтобы снизить экспозицию.Будет выбрана либо более короткая выдержка затвора, либо меньшая диафрагма.

Оба этих параметра объединяются для увеличения шума.

Большая часть шума, который вы видите на цифровой фотографии, составляет шум фотонного выстрела .При снижении экспозиции шум составляет больший процент от конечного результата.Увеличенное усиление делает этот шум более заметным.

Answer 4

Тецуйн уже дает очень хорошее объяснение.Я пытаюсь дать аналогичное объяснение, но немного более теоретическое.

Предположим, что датчик получает свет, и все значения находятся в диапазоне от 0 (темный) до 100 (максимальный свет, обнаруживаемый датчиком).Датчик, имеющий ширину X (со столбцами от 0 до x) и высоту Y (со строками от 0 до y), имеет пиксели X * Y (например, датчик 100x100 имеет 10000 пикселей).Каждый пиксель может иметь интенсивность света от 0 до 100. Кроме того, поскольку всегда есть «шум» (нет идеального датчика), предположим, что шум макс.2. Таким образом, это означает, что 2% (2 из 100) - это коэффициент шума, 2% (максимального) сигнала - это шум.

Теперь предположим, что он очень темный, поэтому датчик считывает значения с 0до 5 только.Таким образом, для всех пикселей все значения находятся в диапазоне от 0 до 5. Теперь, изменяя ISO, коэффициент усиления изменяется, таким образом, ISO устанавливается на значение, которое коэффициент усиления увеличивается с 20. Это означает, что максимальный диапазон может быть выбран,от 0 * 20 до 5 * 20, то есть от 0 до 100. Однако шум (2) также увеличивается с тем же значением, таким образом, 2 * 20 = 40. И 40/100 = 40%, таким образом, теперь у нас есть шумкоэффициент 40%.

Чем больше датчик, тем больше света он может пробовать, поэтому максимальное значение вместо 100, может быть, 200 или 500. При том же уровне шума 2 коэффициент шума равен 2 /.500 = 0,4%, или когда ISO увеличивается до уровня усиления 5, это будет 2% (вместо 10% с датчиком из первого примера).

Если вы увеличите время затвора (то есть более длительное воздействие), то время выборки увеличивается, что увеличивает значение 100 в первом примере для максимального количества света.Допустим, в 10 раз больше, то есть 1000.Однако шум все равно будет равен 2, поэтому отношение шума будет 2/1000 = 0,2%.

Поэтому увеличение ISO ухудшит шум, но увеличение времени затвора не приведет.Но вы можете использовать это только тогда, когда снимаемое изображение не движется (нет быстро движущихся объектов) и если камера / объектив стабильны.

Answer 5

Основной причиной является шум фотонного выстрела, который является случайностью световых фотонов.

Обычная аналогия - пиксели, представляющие собой чашки (ямы), собирающие дождь (фотоны).А при слабом освещении это все равно, что идти к своей машине с легким опрыскиванием ... большие области вашего тела могут оставаться совершенно сухими, в то время как другие области становятся влажнымиВ то время как при ярком свете это все равно, что пытаться дойти до машины в сильный ливень ... вы будете полностью впитаны.Отсутствие достаточного количества света / данных от «сухих пикселей» вызывает шум.И многие камеры также добавляют свой собственный шум в цепочку сигналов, поэтому им требуется более сильный собранный сигнал (больше собираемого света), чтобы подавить его.

Answer 6

Цифровой датчик изображения покрыт фото-сайтами.Объектив камеры фокусирует изображение внешнего мира на поверхности этого датчика.Затвор открывается, и на датчике играет свет.Каждый фото-сайт засыпан фотонами.Количество просмотров на любом сайте пропорционально яркости сцены.Каждый фотонный удар генерирует заряд на фото-сайте.Этот заряд невероятно слаб.В конце воздействия заряды измеряются и преобразуются в напряжение.Уровень напряжения пропорционален яркости сцены.В зависимости от ISO (Международной организации стандартов), которая устанавливает правила, применяется усиление.Теперь усиленному сигналу присваивается числовое значение пропорционально яркости сцены.Когда применяется усиление, всегда появляется некоторое статическое напряжение. Это эквивалентно статическому, которое мы слышим, когда увеличиваем громкость на радио или телевизоре.В жаргоне цифровых изображений мы меняем название «статический» на «шум».Этот «шум» обнаруживается как нежелательные артефакты, встроенные в готовое изображение.Эти артефакты обычно дают изображение «зернистость».Это цифровой аналог зернистого рисунка, который можно увидеть на фотографических пленках на химической основе.Более высокие настройки ISO позволяют фотографировать в условиях слабого освещения.Недостатком является усиление усиления, поэтому сигнал имеет более высокий уровень шума.В качестве меры противодействия используется программное обеспечение для уменьшения шума и микросхемы для цифровой обработки изображений с повышенной чувствительностью к свету.