Por que o ruído não depende do tempo de exposição?

No post Por que as câmeras usam uma única exposição em vez de se integrar em muitas leituras muito rápidas? uma pergunta importante era se o ruído depende do tempo de exposição ou não. Por ruído, quero dizer o ruído absoluto (N), não o ruído relativo (S / N). Fiquei convencido sobre essa correlação porque estava pensando que o ruído é acumulado durante o tempo de exposição; portanto, se for mais longo, o ruído será maior.

Para testar essa hipótese, tentei fotografar imagens em preto com a tampa da lente, de forma a obter S = 0. Estou usando Canon 600D, ISO100 ef / 3.5

Eu escrevi um script python para calcular o valor médio médio de todos os pixels com uma média simples ou quadrática (sqrt (sum_i (R_i ^ 2)) em que R_i é o i-ésimo pixel considerando apenas o canal vermelho.

Eu usei jpeg, porque não sou capaz de ler raw do python. Usando jpeg, a resolução do ruído é bastante pequena (1/256), mas obtive resultados interessantes.

Aqui está o gráfico: no eixo y, o ruído, no eixo x, o tempo de exposição.

parece que o ruído é bastante constante até a exposição de 1s, então começa a aumentar

Eu também tentei filmar com ISO3200, aqui estão os resultados:

como esperado, o ruído é muito maior (~ 10 vezes), mas o comportamento com o tempo de exposição é semelhante (provavelmente aumenta um pouco mais rápido).

Por que esse comportamento?

Por que o canal verde é mais barulhento?

Primeiro, você não pode realmente avaliar qualquer forma de ruído via JPEG. A compressão, mesmo a mínima compressão, tem um impacto mensurável / visível na aparência do ruído. Você só pode realmente avaliar o ruído com uma imagem RAW.

Só para ter certeza, você entende que a principal fonte de ruído na imagemo ruído do tiro de fóton? O ruído que você está avaliando é o ruído de leitura da câmera, o ruído produzido pela eletricidade que passa pelos circuitos eletrônicos e potencialmente causado por pequenas imperfeições no material usado no sensor de imagem. O ruído de leitura geralmente é um aspecto fixo do sensor para um determinado nível ISO, até que fatores adicionais, como o calor, comecem a alterá-lo. Além disso, para trazer o sinal para a discussão por um momento ... o ruído de leitura é uma fração minúscula do sinal máximo, portanto, mesmo no pico de 0,009 @ ISO 3200 em seu gráfico, quando você coloca um sinal de imagem forte o suficiente sobre ele , o impacto do ruído de leitura é realmente tão insignificante que efetivamente não faz sentido. Ruído de tiro de fóton, ou o ruído no próprio sinal de imagem que surge de um sinal mais fraco (em comparação com a capacidade física total de um único foto-diodo) e um padrão inconsistente amplamente distribuído de disparos de fótons, é de longe o principal contribuinte para o alto ruído ISO. Você precisaria se aprofundar nas sombras mais escuras de uma foto ISO 3200 para encontrar qualquer indicação de ruído de leitura.

Quando você expõe até 1 segundo, eu suponho que a quantidade de ruído de leitura seja plana porque você não está acumulando calor suficiente no circuito para causar impacto. De acordo com seus testes, quando você alcança uma exposição de 1s, o calor provavelmente começa a se acumular e tem um impacto. À medida que você continua expondo por um período cada vez mais longo, o impacto do ruído térmico no ruído geral da leitura aumenta.

Eu não sou um engenheiro de sensor de imagem CMOS, então não posso me aprofundar mais nisso. Eu ofereceria, com base nas inúmeras patentes que li publicadas pela Sony e pela Canon, que existem outras razões pelas quais o ruído aumenta com o tempo de exposição. Existem várias patentes de mitigação de ruído flutuando no âmbito da patente que visam identificar, rastrear e eliminar uma variedade de possíveis fontes de ruído. A maioria lida com ruído de corrente escura, ruído de amplificador ou ruído de conversor A / D, mas existem outras fontes. Algumas patentes chegam ao ponto de interromper a fonte de alimentação principal dos circuitos de mitigação de ruído e capacitância de leitura durante a leitura para eliminar o potencial de que a corrente escura da própria fonte de alimentação aumente o ruído durante a leitura (acredito que era uma patente da Canon e eu ''.

Basta dizer que o ruído térmico se torna definitivamente um produtor primário de ruído, pois a exposição ultrapassa um certo limite. Eu não imaginaria que esse limite fosse exatamente 1s, mas seus testes certamente indicariam isso.