泊松噪声(“ Shot Noise”)是否是典型摄影的重要噪声源?


10

此答案中,@ jrista指出,即使是具有完美无噪传感器的相机,由于“泊松噪声”(又称为“光子散粒噪声”),仍然会产生噪声 -由光子随机变化引起的噪声,会导致更多光子进入一个感官比另一个。

我很好奇-这对现实世界的摄影师来说是一个重大问题吗?我会假设这种噪声非常小,以至于我们可以认为它基本上是0。 是否有任何研究可以测量散粒噪声与其他原因 (如电子设备的电噪声或热噪声)有 多少噪声

Answers:


10

在大多数照片的大多数部分中,光子散粒噪声是造成噪声的最大因素。

通常,我们正在将其与读取噪声进行比较。(在短时间曝光中,暗电流可以忽略不计,而当您谈论12位和14位ADC时,量化噪声也非常小。)读取噪声取决于传感器。2007年的这篇论文介绍了一些DSLR的读取噪声测量。例如,我们看到ISO 200的佳能40D具有约10个电子(e-)的读取噪声。

光子散粒噪声是一个泊松过程,因此噪声是信号光电子计数的平方根。因此,如果我们在被摄对象的一个​​像素中记录100个信号光电子,则我们期望每个像素的散粒噪声为sqrt(100)= 10 e-,等于40D的读取噪声。

100个光电子很多吗?不,同一篇论文估计40D像素的全阱容量为56,000 e-,因此只有100 e-的像素是场景中非常暗的部分,比全阱暗约9级。在e-大于100的像素中,散粒噪声继续增加,在全阱处高达sqrt(56000)= 236,因此散粒噪声在读取噪声中占主导地位越来越大。(由于噪声只是信号的平方根,所以信噪比继续增加,因此明亮的声音看上去比黑暗的声音要少,因为噪声只是信号的平方根。但是,存在的噪声越来越多地由散粒噪声引起,而不是读取噪音。)

在非常暗的阴影中,读取噪声可能会很大。在长时间的黑暗曝光(例如在黑暗的天空下的天文摄影)中,暗电流和读取噪声都可能很重要。但是,对于曝光时间短的曝光良好的主体的一般摄影,散粒噪声是主要的噪声源。


6

光子散粒噪声或光子到达传感器时由泊松分布产生的噪声可能是现实世界中的摄影师可能需要至少意识到的一个问题。随着ISO的提高,信号的最大电势也会下降。对于ISO增加的每一步,您的最大信号降低两倍。在大多数曝光中,光子散粒噪声是迄今为止造成噪声的最主要因素。电子噪声源仅影响深阴影,并且通常仅在您开始在后期推动曝光时才会显示(即,显着提升阴影)。

假设具有60,000个电子的全阱容量(FWC)的全帧传感器,在ISO 100下,您的最大饱和点(MaxSat)为60,000电子(e-)。在ISO 200下,您的MaxSat为30,000e-,ISO 400 / 15,000e-,ISO 800 / 7500e-,ISO 1600 / 3750e-,ISO 3200 / 1875e-。增加ISO本质上会降低最大潜在信噪比。

在决定购买哪种相机时,这个因素可能是最重要的。全画幅传感器将比相同百万像素数的APS-C传感器具有更大的像素。假设的FF传感器上的60k FWC可能是APS-C传感器上的20k-25k FWC。如果您需要出色的微光性能,则使用全画幅传感器和较少的百万像素会增加像素大小,因此在较高的ISO设置下会对可见噪声量产生直接影响。

光子散粒噪声(占总信号的比例)随着信号强度的增加而降低。作为绝对因子(围绕平均信号水平的标准偏差),光子散粒噪声可能大致恒定。假设标准偏差为5个单位,如果信号强度也为5,则您的图像看起来主要是噪声,可能带有部分但基本上不明显的“形状”。如果信号强度为10个单位,则SNR为50%。您仍然会得到非常嘈杂的图像,但是它将是具有更明显的形状和结构的图像。实际上,遵循泊松分布函数的光子散粒噪声等于信号电平的平方根。在ISO 100下,具有60,000e- FWC的FF传感器将具有相当于244e-的光子散粒噪声。APS-C传感器具有20 000e- FWC将具有等于141e-的光子散粒噪声。在ISO 200下,光子散粒噪声分别为173e-和122e-,ISO 400为122e-和70e-,依此类推。在ISO 100 FF下,光子噪声为信号的0.004%,ISO 200相反,对于APS-C,这些值为ISO 100 / 0.007%,ISO 200 / 0.012%,ISO 400 / 0.014%等。

首先,较小的传感器将比FF传感器具有稍低的SNR,因为行/列激活和读取布线会消耗更多的相对光电二极管空间。结合使用较小的FWC,就增加ISO而言,您立即处于劣势。FF传感器具有约60%的噪声优势(按:244/60000 / 141/20000 = 0.577)。在相同的ISO设置下,假设在该设置下通常可以看到噪声,则FF传感器的噪点总是会比APS-C传感器的噪点少。就我们的两个假设传感器而言,APS-C上的ISO 100仅略微优于FF上的ISO 400,相对噪声性能几乎差了两个整站!两个FF传感器的情况也一样,一个像素大,另一个像素小1.6倍。假设观察结果为100%修剪(即像素偷窥)。

至于散粒噪声有多少噪声,其他来源有多少噪声。“其他来源”实际上取决于传感器。读取噪声通常以DU(数字单元或ADC后)或e-(电子,模拟信号电荷)的形式进行测量。佳能7D的读噪点在ISO 100时为8.6e-,在ISO 200时为4.7e-,在ISO 400时为3.3e-,等等。佳能1D X在ISO 100时的读噪为38.2e-(!)。更大的读取噪声最终与光电二极管的面积成正比...更大的像素承载更大的电流,因此暗电流将更高,并且相对于信号,下游放大将增加大量的电子噪声。1D X的FWC为90,300,这意味着38e的读取噪声仅是最大潜在ISO100信号(精确为0.00042%)的微小部分。

在所有噪音情况下,这实际上取决于您的目标。如果您倾向于拍摄弱光,或者需要非常高的快门速度,那么寻找像素更大的相机可能会产生最佳的噪点特征。如果拍摄高细节对象,则较高的像素密度可能比低噪点更为重要。这里没有真正干脆的答案。


†光的量(假设光源固定),在给定的光圈和快门速度下到达传感器的光量,或其任何等效比率:f / 16 1 / 100s,f / 8 1 / 200s,f / 4 1 / 800s,所有相同的EV。


1
对于与传感器的读取噪声水平有关的参考资料,sensorgen.info是一个很好的资源。它主要基于DXOMark屏幕测量,该测量实际上是传感器硬件功能的直接测量。
jrista

4

当试图确定散粒噪声与信号之间的关系时,您肯定会进入边缘摄影领域。幸运的是,天文摄影师曾来过这里。

Craig Stark发表了一系列针对非专业人士的文章,旨在理解噪声与信号。

在本文的第一部分中,他描述了散粒噪声的基本前提,以及为什么天辉对天文学如此不利-它增加了散粒噪声而没有添加更多信息。从本质上讲,您可以具有较高的光照强度平台,但它是平坦的,因此会失去对比度。

在本文的第二部分中,他将进一步详细介绍例如照片在拍摄,读取和热噪声方面的差异。

在本文的第三部分中,他描述了一种用于测量特定摄像机性能并由此获得噪声分布模型的方法。这可能最好地回答您的问题“噪声类型之间的区别是什么”。

回到您的基本问题:与大多数摄影有关吗?并非如此,直到当SNR偏斜时开始在其他类型的噪声(热噪声和读取噪声)的极端情况下开始拍摄时。

By using our site, you acknowledge that you have read and understand our Cookie Policy and Privacy Policy.
Licensed under cc by-sa 3.0 with attribution required.