Perché il rumore non dipende dal tempo di esposizione?


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Nel post Perché le telecamere usano una singola esposizione anziché integrarsi in molte letture molto veloci? una domanda importante era se il rumore dipende o meno dal tempo di esposizione. Per rumore intendo il rumore assoluto (N), non il rumore relativo (S / N). Ero convinto di questa correlazione perché pensavo che il rumore si accumulasse durante il tempo di esposizione, quindi se fosse più lungo il rumore sarebbe più alto.

Per verificare questa ipotesi ho provato a scattare immagini nere con il copriobiettivo sugli obiettivi, in modo da avere S = 0. Sto usando Canon 600D, ISO100 e f / 3.5

Ho scritto uno script Python per calcolare la media del valore medio su tutto il pixel con una media semplice o con una media quadratica (sqrt (sum_i (R_i ^ 2)) in cui R_i è l'ith-pixel considerando solo il canale rosso.

Ho usato jpeg, perché non sono in grado di leggere raw da Python. Usando jpeg la risoluzione del rumore è piuttosto piccola (1/256), ma ho ottenuto risultati interessanti.

Ecco la trama: sull'asse y il rumore, sull'asse x il tempo di esposizione.

rumore medio ISO100 rumore rms ISO100

sembra che il rumore sia abbastanza costante fino all'esposizione di 1 secondo, quindi inizia ad aumentare

Ho anche provato a scattare con ISO3200, qui i risultati: rumore medio ISO3200 rms noise ISO3200

come previsto il rumore è molto più grande (~ 10 volte) ma il comportamento con il tempo di esposizione è simile (probabilmente aumenta un po 'più velocemente).

Perché questo comportamento?

Perché il canale verde è più rumoroso?


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Ho il sospetto che stai vedendo più rumore in verde perché ci sono il doppio dei fotositi verdi. (Questa è un'altra area in cui sarebbe meglio interpretare il RAW. Provalo per l'elaborazione RAW con Python ....)
Leggi il mio profilo il

Risposte:


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Prima di tutto, non puoi davvero valutare qualsiasi forma di rumore tramite JPEG. La compressione, anche minima, ha un impatto misurabile / visibile sull'aspetto del rumore. Puoi davvero valutare il rumore solo con un'immagine RAW.


Solo per essere sicuro, capisci che la fonte primaria di rumore dell'immagineè il rumore dei fotone? Il rumore che si sta valutando è il rumore di lettura della telecamera, il rumore prodotto dall'elettricità che passa attraverso i circuiti elettronici e potenzialmente causato da lievi imperfezioni nel materiale utilizzato nel sensore di immagine. Il rumore di lettura è generalmente un aspetto fisso del sensore per un determinato livello ISO, fino a quando altri fattori come il calore iniziano a cambiarlo. Inoltre, per portare il segnale nella discussione per un momento ... leggere il rumore è una frazione minuscola del segnale massimo, quindi anche al suo picco di 0,009 @ ISO 3200 nel tuo grafico, quando schiaffi un segnale di immagine abbastanza forte sopra di quello , l'impatto del rumore di lettura è in realtà così trascurabile da essere effettivamente privo di significato. Rumore del colpo di fotone, o il rumore nel segnale stesso dell'immagine che deriva da un segnale più debole (rispetto alla capacità fisica del pozzo pieno di un singolo foto-diodo) e da un modello incoerente ampiamente distribuito di colpi di fotone, è di gran lunga il principale contributo all'alto rumore ISO. Dovresti scavare molto in profondità nelle ombre più scure di una foto ISO 3200 per trovare qualsiasi indicazione di rumore di lettura.

Quando esponi fino a 1 secondo, suppongo che la quantità di rumore di lettura sia piatta perché non stai accumulando abbastanza calore nel circuito per avere un impatto. Secondo i tuoi test, quando raggiungi un'esposizione di 1s, probabilmente il calore sta iniziando ad accumularsi e ha un impatto. Mentre si continua a esporre per un periodo sempre più lungo, l'impatto del rumore termico sul rumore di lettura complessivo aumenta.

Non sono un ingegnere del sensore di immagine CMOS, quindi non posso approfondire ulteriormente. Vorrei offrire, sulla base dei numerosi brevetti che ho letto che sono stati pubblicati sia dalla Sony che dalla Canon, che ci sono altri motivi per cui il rumore aumenta con il tempo di esposizione. Esistono numerosi brevetti di mitigazione del rumore che fluttuano nel brevetto inferiore che mirano a identificare, tracciare ed eliminare una varietà di possibili fonti di rumore. La maggior parte si occupa del rumore di corrente oscura, del rumore dell'amplificatore o del convertitore A / D, ma ci sono altre fonti. Alcuni brevetti arrivano al punto di interrompere l'alimentazione primaria alla mitigazione del rumore e ai circuiti di capacità di lettura durante la lettura per eliminare il potenziale che la corrente scura dall'alimentazione stessa aumenti il ​​rumore durante la lettura (credo che fosse un brevetto Canon, e io '

Basti dire che il rumore termico diventa sicuramente un produttore di rumore primario poiché l'esposizione supera una certa soglia. Non avrei indovinato che la soglia fosse esattamente 1, ma i tuoi test sembrerebbero sicuramente indicare altrettanto.


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Solo per espandersi: leggere il rumore è il fattore significativo nell'altra domanda, perché è aggravato dalla lettura molte volte.
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