Os avanços futuros na tecnologia de sensores podem reduzir ou eliminar o ruído?

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Existe a possibilidade de que futuros avanços tecnológicos reduzam ou eliminem o ruído ao usar configurações de ISO alto ou esse ruído é inevitável e inerente a todos os sensores digitais?

Se existe um limite teórico em que o ruído é inevitável, quão perto estamos disso?

anjo rojas
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Respostas:

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É muito importante perceber que não é a própria configuração de ISO alta que resulta em imagem barulhenta, é o fato de que usar uma configuração de ISO alta significa capturar muito pouca luz.

A luz é composta de fótons que são emitidos aleatoriamente por uma fonte de luz. Quando os níveis de luz são baixos ou o tempo de exposição é muito curto, o número de fótons que você obtém varia consideravelmente

Imagine que você está tentando estimar a taxa com que as pessoas estão saindo de um shopping. Se você tiver apenas 10 segundos para contar as pessoas, o resultado obtido variará bastante, dependendo exatamente de quando você começa a contar e de qual saída você escolheu. Se você tiver 10 minutos para contar as pessoas, obterá uma resposta muito mais estável, semelhante a todas as saídas (assumindo que não há preferência pessoal por saídas) e em diferentes janelas de 10 minutos (assumindo que não há outros fatores que influenciem o resultado).

Isso é o que está acontecendo quando você usa uma configuração ISO alta, captura muito poucos fótons para que um conjunto de pixels vizinhos que cubram um objeto de cor uniforme possa receber 4, 3, 4 e 5 fótons cada, portanto, em vez de uma cor uniforme e uniforme você obtém um resultado granulado que muda para cada pixel.

Esse ruído é chamado de ruído de fóton e é a fonte dominante de ruído em imagens de alto ISO, exceto nas sombras. Mesmo se você tivesse um sensor perfeito que contasse e relatasse fielmente cada fóton que atingisse o sensor, ainda assim haveria uma quantidade significativa de ruído com pouca luz.


Isso não quer dizer que atingimos o limite de alto desempenho ISO. Ainda não de maneira alguma. O ruído de fóton puro é de granulação muito fina e menos objetável do que o ruído de padrão desajeitado observado em fotografias de alto ISO.

Reduzir a interferência de pixels, melhorar a eletrônica em geral, pode ter apenas um pequeno efeito na redução da amplitude do ruído , mas um efeito maior na melhoria da qualidade do ruído .

A Wikipedia possui uma simulação do sensor "perfeito", onde o ruído do fóton é apenas a fonte do ruído:

Clique para uma versão maior, na qual é possível distinguir pixels individuais. Imagem por Mdf alguns direitos reservados.

Matt Grum
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Isso é verdade para tempos de exposição muito curtos , mas quão curtos? Você pode adicionar alguns valores (estimados) para as diferentes exposições na imagem de exemplo. Estamos falando de 1 nano segundo a 10 nano segundos ou estamos nos aproximando dos tempos de exposição "normais" da câmera? Sei que isso dependerá da quantidade de luz, mas tomemos uma cena interna "normal" como exemplo.
Håkon K. Olafsen 17/03/14
Gosto dessa resposta, mas "você captura muito poucos fótons para que um conjunto de pixels vizinhos que cubram um objeto de cor uniforme possa receber 4, 3, 4 e 5 fótons cada" - ainda não estamos falando de milhões de fótons?
precisa
@KirkBroadhurst Esse é o ponto: em condições de pouca luz, não estamos. A visão humana é aproximadamente logarítmica e a "escala de parada" também é logarítmica. Uma parada com menos luz significa metade do número de fótons. Se você começar pela metade, poderá obter apenas alguns fótons muito rapidamente . Se você é orientado matematicamente, pode querer ler sobre o processo de Poisson . Geralmente, se você tiver kfótons em média por pixel, a magnitude do ruído do pixel será sqrt(k).
Szabolcs
@KirkBroadhurst Historicamente, o primeiro modelo de luz foi como "raios" (óptica geométrica). Então veio a ótica das ondas. Então a mecânica quântica - a luz é feita de unidades discretas. É interessante pensar que os fenômenos relacionados a cada modelo (e não explicáveis ​​pelos anteriores) têm significado prático na fotografia digital.
Szabolcs
@ Matt Grum - O segundo parágrafo parece estar incompleto.
Michael C
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Reduza sim. Por exemplo, a Canon 5D Mark III tem 2/3 paradas melhores que a Canon 5D em alto desempenho ISO, embora seus sensores sejam do mesmo tamanho, porque são sete anos mais novos. Obviamente, o desempenho passado não é necessariamente indicativo de resultados futuros, mas não vejo razão para que ganhos incrementais não continuem sendo obtidos.

Eliminá-lo completamente é fisicamente impossível. Quando você chega a um ISO na casa dos milhões, está tentando extrair dados de alguns fótons. Independentemente da qualidade da sua tecnologia, a informação simplesmente não existe para você extrair.

Agora, quanto a torná-lo "perfeito" para todos os ISOs abaixo de, digamos, 3200, observe que não há realmente um padrão consistente para "perfeito". Você pode desenvolver uma nova tecnologia incrível que atinja algum limite teórico na relação sinal / ruído, mas isso realmente importa quando meus olhos afirmam que esse pixel deve ser # 0f3ed2, você afirma que deve ser # 0e3fd4 e o sensor pensa que é # 0d3dd3?

Tony
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"Perfeito" seria um sensor de contagem de fótons com capacidade infinita. Na verdade, você poderia fazer isso hoje (exceto a parte da capacidade infinita), mas seria muito caro. Mas mesmo isso seria barulhento com pouca luz. A informação simplesmente não existe, como você sugere.
Matt Grum
@MattGrum: E se pudéssemos tornar os sensores sensíveis apenas a espectros muito estreitos, para que ele conte apenas fótons de uma energia específica? isso não removeria a maior parte do ruído que, nos sensores contemporâneos, provém de efeitos térmicos?
PlasmaHH
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@PlasmaHH - você ainda está preso à natureza não determinística da luz. Não há maneira de contornar isso, exceto para manter sua "pesquisa" por tempo suficiente para que a variação estatística da amostra seja insignificante. Ou, em termos fotográficos, você precisa de uma exposição maior para reduzir o ruído. Em algum momento, não importa o quão eficiente seja seu sensor, você estará chamando poucas pessoas para prever com precisão os resultados das eleições, por assim dizer.
@ StanRogers: Ah, então você quer dizer o ruído semelhante às imagens de rastreamento de fótons com pequenos conjuntos de amostras. Eu estava sempre pensando no ruído como um sinal adicional "em cima" da contagem perfeita de fótons.
PlasmaHH
@PlasmaHH Sim, exatamente. Simplesmente não há fótons suficientes (neste caso, podemos fingir que os fótons realmente são apenas algumas bolas distintas pulando ao redor) para pintar uma imagem precisa. Isso fica muito melhor se você não se importa com a cor (ainda mais com a visão humana, que é muito melhor em ver a intensidade da luz), mas ainda é finita. Há também algum ruído no sensor (por exemplo, devido às conversas cruzadas de fótons, que é onde os fótons como bolas quebram), mas é aí que a limitação é apenas prática - sensores maiores e lentes melhores eliminam isso quase inteiramente.
Luaan 18/03/14
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Isso já aconteceu! No filme, ou digital precoce, alto ISO significa 400, nas últimas câmeras full frame significa 6400. O problema é que toda vez que isso acontece, 'High ISO' é redefinido para ser ainda mais alto ou, em outras palavras, ISO alto sempre significa " tão alto que a tecnologia atual o torna barulhento ". Como observado por Tony, existem, eventualmente, limitações físicas sobre o quão longe ele pode ir.

Slartibartfast
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Via Hacker News, me deparei recentemente com este artigo de 2008, escrito pelo professor de física Emil Martinec em seu tempo livre, aparentemente.

Ruído, faixa dinâmica e profundidade de bits em SLRs digitais

Ele caracteriza os diferentes tipos de ruído possíveis e descreve sua importância relativa.

  • Ruído de tiro de fóton
  • Ler ruído
  • Ruído padrão
  • Ruído térmico
  • Não uniformidade de resposta de pixel (PRNU)
  • Erro de quantização.

Depois de ler isso, você perceberá que é impossível remover completamente os vários tipos de ruído do sensor. Certamente, é possível minimizá-los (de várias maneiras), mas também existem outras decisões de projeto que o fabricante da câmera / sensor deve tomar que podem introduzir outros problemas ou compensações (por exemplo, aplicar compensações no conversor A / D, consulte a Fig. 10 + 11)

Em relação às suas perguntas sobre um limite teórico:

"As fontes de ruído mais importantes para exposições típicas são o ruído de leitura e o ruído das fotos."

"O inverso da inclinação do gráfico PRNU (veja um exemplo na Figura 7) é um limite superior para a relação S / N, a menos que o PRNU seja compensado no pós-processamento".

knb
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Este é um problema com sensores em geral - de sensores ópticos a acelerômetros e giroscópios. Todos os produtos de consumo lidam com isso e tentam esconder o ruído do usuário - por exemplo, seu telefone é capaz de detectar vibrações muito abaixo do nível que faz com que ele tome uma ação, e existem aplicativos que podem mostrar isso.

Qualquer sensor capaz de gravar sinais com precisão dentro da área de interesse também será capaz de gravar sinais fora da área de interesse, e os sinais abaixo ou acima do limiar de interesse são geralmente chamados de ruído. Esse 'problema' não está relacionado apenas aos sensores ópticos, está relacionado às limitações físicas de detectar as coisas pelas quais estamos interessados.

Portanto, a resposta é não - qualquer sensor que seja 'insensível' o suficiente para eliminar o ruído também eliminará parte do sinal que desejamos, tornando impossível a construção de sensores não ruidosos.

Jasmim
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