Perché il canale blu è il più rumoroso?

È ampiamente osservato che il canale blu nelle fotocamere digitali è il più rumoroso. L'ho sicuramente notato con la mia macchina fotografica. Perchè è questo?

È un artefatto di una particolare tecnologia (ad esempio array Bayer o sensori CMOS) o ha a che fare con la fisica della luce ad alta frequenza o è correlato alla visione umana?

_{Domanda di follow-up: Perché i sensori sono meno sensibili alla luce blu?}

Oltre alla risposta del sensore discussa da Tall Jeff, la maggior parte dell'illuminazione della scena (luce solare, incandescenza) è carente di luce blu rispetto al verde e al rosso. Accendi questo simulatore di blackbody Java e vedi che il blu è inferiore al verde o al rosso per le temperature di colore di interesse (~ 5500 K di luce diurna, ~ 3000 K di incandescenza).

C'è un altro piccolo fattore che aggrava il problema. Le matrici CCD e CMOS sono rilevatori di conteggio dei fotoni. La maggior parte dei grafici, inclusi quelli nel simulatore del corpo nero sopra, mostrano la densità di energia spettrale , non il conteggio dei fotoni. I fotoni blu sono più energici dei fotoni rossi, dal rapporto inverso delle loro lunghezze d'onda, quindi per lo stesso valore di energia sui grafici, otterresti circa il 25% in più di fotoni rossi rispetto ai fotoni blu. E questo è il punto di partenza per gli effetti di sensibilità descritti da Tall Jeff.

Per quanto riguarda i CCD e i sensori retroilluminati, i CCD retroilluminati soffrono della stessa ridotta sensibilità del blu, poiché gran parte della luce blu viene assorbita mentre passa attraverso la struttura di gate non sensibile del chip. I sensori retroilluminati vedranno una migliore risposta blu. Vedi questa tipica curva di risposta spettrale (per vari tipi di CCD di ricerca).

Dato l'attuale stato dell'arte, il rumore nel canale blu è una combinazione di effetti a cascata che lavorano insieme per rendere il "look" blu il peggio. Innanzitutto, con la configurazione del motivo Bayer, nella matrice sono presenti il ​​doppio dei pixel verdi rispetto a quelli rossi o blu *. Ciò mette immediatamente il blu e il rosso in uno svantaggio spaziale rispetto al canale verde e provoca un rumore spettrale molto maggiore per quei due canali quando le terzine RGB vengono ricostruite dai pixel del sensore adiacenti. Ad esempio, un sensore pixel da 10 M avrà pixel verdi di origine 5 M, 2,5 M rossi e 2,5 M blu. Chiaramente, quando si formano tali informazioni grezze nelle terzine RGB 10M finali, è chiaro che non ci possono essere migliori della metà delle informazioni per il canale rosso o blu e questo appare come una forma di rumore nell'immagine finale.

L'effetto successivo ha a che fare con le sensibilità spettrali del sistema di sensori attraverso i filtri rosso, verde e blu. Come sistema, i moderni sensori CMOS sono circa il 50% più sensibili alle aree verdi e rosse dello spettro rispetto alle aree blu. Ad esempio, per questo sensore CMOS di Cypress , possiamo vedere a pagina 3 che le sensibilità relative sono circa rosso (75%), verde (80%), blu (50%) quando si indicizzano le curve alle lunghezze d'onda giuste per ogni colore. Questa mancanza di sensibilità combinata con un livello fisso di sensore e rumore di campionamento per tutti i pixel attraverso i sensori mette il blu in un significativo svantaggio del rapporto segnale rumore rispetto agli altri due colori.

Azzerandolo, ciò significa che i sensori CMOS a colori stanno facendo il meglio nella riproduzione del verde, seguito dal rosso e infine dal blu, che è il peggiore dei tre dal punto di vista del rumore complessivo.

Guardando al futuro, si noti che queste limitazioni con il canale blu sono in realtà principalmente una questione di ottimizzazione di costi / prestazioni. Cioè, non c'è nulla di inerente alla fisica che richiede prestazioni blu per essere peggiori, solo che sarebbe MOLTO MOLTO più costoso date le attuali costruzioni di dispositivi per migliorare il canale blu con un margine evidente. Inoltre, dato che l'occhio umano non è molto sensibile sull'asse del colore blu / giallo, le soluzioni sono già una soluzione molto ben ottimizzata. In effetti, sono sicuro che la maggior parte dei produttori di fotocamere preferirebbe abbassare il costo totale prima di pagare lo stesso o più solo per migliorare le prestazioni del rumore del canale blu.

** Bayer ha scelto di impostare la matrice in questo modo perché il sistema visivo umano ottiene la maggior parte del suo segnale di luminanza (ovvero: informazioni sulla luminosità) dalla parte verde dello spettro dei colori. Cioè, le aste negli occhi sono più sensibili alla luce verde che rende la parte verde dello spettro la più importante visivamente. *

Perché gli occhi / cervelli umani non sono così sensibili ai cambiamenti nella luce blu come lo sono ai cambiamenti nelle luci verde / rosse. I moderni sensori della fotocamera agiscono più come gli occhi umani e quindi sono meno sensibili al blu che al verde / rosso. Poiché lo standard per la visualizzazione dei monitor a colori neutri deve avere pari quantità di blu, verde e rosso e poiché i sensori sono meno sensibili al blu rispetto al rosso e al verde, è conveniente amplificare il canale blu. L'amplificazione del segnale del canale blu amplifica anche il rumore del canale blu.

La riduzione del disturbo della fotocamera viene applicata solo se si riprende JPEG, ma poiché molte persone riprendono RAW, il canale blu è sempre piuttosto rumoroso. Ho cercato un rimedio a questo problema. Uno ha suggerito di convertire l'immagine in colori di laboratorio e uniformare / sfocare solo il canale di luminanza, quindi riconvertire in RGB per rimuovere il rumore. Puoi provare.

Abbiamo effettuato un'analisi dei canali blu-verde-rosso di una DP3 Merrill in modalità digitale (RAW). Ho appena acquistato questa videocamera a giugno 2018. Il canale blu mostra un errore dipendente dal livello nel convertitore a / d che non è presente nei canali rosso-verde, che funzionano come previsto. Sembra che potrebbe esserci un errore nel cablaggio del canale blu a / d o nel codice che traduce la tensione a / d nel segnale digitale del canale blu. NON è un problema di sensibilità. Potrebbe essere un problema di saturazione, cioè le tensioni fisiche stanno superando l'intervallo a / d a tensioni molto basse, ovvero un guadagno eccessivo in quel canale. La fotocamera è stata impostata su ISO 100 per l'acquisizione dei dati e i dati sono stati acquisiti su una gamma di velocità dell'otturatore e livelli di segnale su un fotogramma. Le misurazioni del canale blu erano segnali quasi corretti ai livelli di segnale PIÙ BASSI. Più alto è il segnale, maggiore è l'errore. È un problema di guadagno / digitalizzazione nell'algoritmo che produce i file X3F o forse un problema di ordinamento dei byte. Stiamo esaminando direttamente i file X3F per vedere se l'errore è già presente lì, ma mi aspetto che sia perché i file TIFF e JPEG prodotti dal convertitore hanno lo stesso problema. È una domanda se il produttore sarà interessato a correggere questo problema? Il chip Foveon è una buona idea che deve essere progettata correttamente. È una domanda se il produttore sarà interessato a correggere questo problema? Il chip Foveon è una buona idea che deve essere progettata correttamente. È una domanda se il produttore sarà interessato a correggere questo problema? Il chip Foveon è una buona idea che deve essere progettata correttamente.