Esiste la possibilità che i futuri progressi tecnologici possano ridurre o eliminare il rumore quando si utilizzano impostazioni ISO elevate o questo rumore è inevitabile e inerente a tutti i sensori digitali?
Se esiste un limite teorico in cui il rumore è inevitabile, quanto siamo vicini a questo?
Risposte:
È molto importante rendersi conto che non è la stessa impostazione ISO alta che produce immagini rumorose, è il fatto che l'uso di un'impostazione ISO alta significa catturare pochissima luce.
La luce è composta da fotoni che vengono emessi casualmente da una sorgente luminosa. Quando i livelli di luce sono bassi o il tempo di esposizione molto breve, il numero di fotoni ottenuti varierà notevolmente
Immagina di provare a stimare la velocità con cui le persone lasciano un centro commerciale. Se hai solo 10 secondi per contare le persone, il risultato che otterrai varierà molto a seconda esattamente quando inizi a contare e quale uscita hai scelto. Se hai 10 minuti per contare le persone, otterrai una risposta molto più stabile che sarà simile per tutte le uscite (supponendo che non ci siano preferenze personali per le uscite) e attraverso diverse finestre temporali di 10 minuti (supponendo che non ci siano altri fattori che influenzano il risultato).
Questo è ciò che accade quando si utilizza un'impostazione ISO elevata, si acquisiscono pochissimi fotoni, quindi un insieme di pixel adiacenti che coprono un oggetto di colore uniforme potrebbe ricevere ciascuno 4, 3, 4 e 5 fotoni, quindi invece di un colore uniforme uniforme si ottiene un risultato sgranato che cambia per ogni pixel.
Questo rumore si chiama rumore dei fotoni ed è la fonte di rumore dominante nelle immagini ISO elevate tranne che nelle ombre. Anche se avessi un sensore perfetto che contava e riportava fedelmente ogni fotone che colpiva il sensore, avresti comunque una notevole quantità di rumore in condizioni di scarsa luminosità.
Questo non vuol dire che abbiamo raggiunto il limite di elevate prestazioni ISO. Non ancora del tutto. Il rumore puro dei fotoni è a grana molto fine, è meno discutibile del rumore a trama grossolana osservato nelle fotografie ISO elevate.
Ridurre il cross-talk dei pixel, migliorare l'elettronica in generale potrebbe avere solo un piccolo effetto nel ridurre l' ampiezza del rumore , ma un effetto maggiore sul miglioramento della qualità del rumore .
Wikipedia ha una simulazione del sensore "perfetto" in cui il rumore dei fotoni è solo una fonte di rumore:
Fare clic per una versione più grande in cui è possibile distinguere singoli pixel. Immagine di Mdf alcuni diritti riservati.
kfotoni in media per pixel, l'intensità del rumore pixel sarà sqrt(k).
Riducilo, si. Ad esempio, la Canon 5D Mark III è di 2/3 stop migliore rispetto alla Canon 5D con prestazioni ISO elevate, anche se i suoi sensori hanno le stesse dimensioni, perché sono sette anni più recenti. Ovviamente, le performance passate non sono necessariamente indicative di risultati futuri, ma non vedo alcuna ragione per cui i guadagni incrementali non continuino ad essere realizzati.
Eliminarlo completamente è fisicamente impossibile. Quando raggiungi un ISO in milioni, stai cercando di estrarre i dati da alcuni fotoni. Indipendentemente da quanto sia buona la tua tecnologia, le informazioni semplicemente non sono lì per te da estrarre.
Ora, per quanto riguarda il fatto di renderlo "perfetto" per tutti gli ISO sotto, diciamo, 3200, si noti che non esiste davvero uno standard coerente per "perfetto". Potresti sviluppare qualche nuova straordinaria tecnologia che raggiunge un limite teorico nel rapporto segnale-rumore, ma importa davvero quando i miei occhi affermano che questo pixel dovrebbe essere # 0f3ed2, affermi che dovrebbe essere # 0e3fd4 e il sensore pensa che sia # 0d3dd3?
È già successo! Sul film, o all'inizio digitale, ISO elevato significa 400, sulle ultime fotocamere full frame significa 6400. Il problema è che ogni volta che accade, "ISO alto" viene ridefinito per essere ancora più alto, o in altre parole, ISO alto significa sempre " così alta che la tecnologia attuale la rende rumorosa ". Come notato da Tony, alla fine ci sono limiti fisici su quanto lontano può andare.
Tramite Hacker News, di recente mi sono imbattuto in questo articolo del 2008, apparentemente scritto dal professore di fisica Emil Martinec nel suo tempo libero.
Rumore, gamma dinamica e profondità di bit nelle reflex digitali
Caratterizza i diversi tipi di rumore possibili e ne descrive l'importanza relativa.
Dopo aver letto questo ti renderai conto che è impossibile rimuovere completamente i vari tipi di rumore del sensore. Certamente è possibile minimizzarli (in vari modi), ma ci sono anche altre decisioni di progettazione che il produttore della fotocamera / sensore deve prendere che potrebbero introdurre altri problemi o compromessi (ad esempio l'applicazione di offset nel convertitore A / D, vedere Fig. 10 + 11)
Per quanto riguarda le tue domande su un limite teorico:
"Le fonti di rumore più importanti per le esposizioni tipiche sono il rumore di lettura e il rumore dei colpi di fotone".
"L'inverso della pendenza del grafico PRNU (vedere la Figura 7 per un esempio) è un limite superiore per il rapporto S / N, a meno che PRNU non sia compensato nella post-elaborazione."
Questo è un problema con i sensori in generale: dai sensori ottici agli accelerometri e ai giroscopi. Tutti i prodotti di consumo si occupano di questo e cercano di nascondere il rumore all'utente - ad esempio, il tuo telefono è in grado di rilevare le vibrazioni molto al di sotto del livello che lo fa agire, e ci sono app che possono dimostrarlo.
Qualsiasi sensore in grado di registrare accuratamente i segnali all'interno dell'area di interesse sarà anche in grado di registrare segnali al di fuori dell'area di interesse e i segnali al di sotto o al di sopra della soglia di interesse sono generalmente chiamati rumore. Questo "problema" non riguarda solo i sensori ottici, è legato ai limiti fisici del rilevamento delle cose a cui siamo interessati.
Quindi la risposta è no: qualsiasi sensore che è abbastanza "insensibile" per eliminare il rumore eliminerà anche parte del segnale che vogliamo, rendendo impossibile costruire sensori non rumorosi.