是什么原因导致CMOS传感器出现带状噪声?


9

我正在寻找有关三个相关主题的信息(和参考):

  • 是什么原因导致CMOS传感器出现带状噪声?物理/技术原因是什么?CCD和CMOS传感器的原因是否相同?

  • 各种相关因素(ISO设置,曝光时间和曝光量)如何影响条纹强度和图案?

  • 波段模式在短期(连续拍摄)和长期稳定吗?是否有可能测量实际传感器的带型并用于减少实际照片中的影响?


为了弄清楚带的含义,这是TopazLabs网站上的示例图像。注意嘈杂图像中的水平带。

带状


一项幼稚的实验并未显示出在纯白色表面的几幅图像中的条带之间存在任何正相关。


谢谢这个问题。佳能DSLR相机在ISO 100感光度下拍摄的照片曝光不足时(在5或6档停止,因为闪光灯不闪光),我在照片上也看到过类似的水平和垂直条纹伪影。
b_jonas 2014年

Answers:


14

水平和垂直带状噪声(HVBN)由传感器读数,下游放大和ADC引起。HVBN可能有多个来源,其中一些会导致相对固定的模式,而另一些会导致随机的模式。外部信号干扰通常是更柔和,更随机的频段的来源。确切地说,这是传感器真正依赖的条带,除了制造商以外,没有人有足够的信息指出任何给定相机的确切原因。

首先,HVBN是由像素行的激活方式,行的每一列的读取方式以及该读取过程中所涉及的晶体管的性质引起的。首先,通过光刻制造的晶体管是不完善的。基础硅的缺陷,模板和蚀刻的缺陷等都会影响晶体管的响应。这样,传感器中的每个像素以及用于诸如CDS(相关双采样)之类的裸片上图像处理的存储桶都不一定会像所有其他像素一样工作,从而产生差异。在现代CMOS传感器(不包括Sony Exmor型传感器)中,裸片CDS电路通常是在深阴影中以较低ISO设置(ISO 100到800)引入条带噪声的罪魁祸首。

除每个像素放大器外,某些读出设计还涉及在某些情况下使用的附加下游放大器。任何下游放大器都会加剧传感器管芯内部引入的带状噪声。这些放大器通常以很高的ISO(例如6400和更高)开始工作,这就是为什么在更高设置下ISO 1600和3200相对“干净”输出突然变差的原因。

频段的另一个来源是ADC。这里可能有两个罪魁祸首。对于像7D这样的摄像头,它使用分开的并行读出(其中四个读出通道以交错的方式定向到一个DIGIC 4芯片,而另外四个则以交错的方式定向到另一个DIGIC 4芯片),相当明显但均匀的垂直条纹由于每个都装有四个ADC单元的DIGIC DSP图像处理器的不同响应,因此即使在中间调时也可能发生这种情况。当偶数波段被发送到一个DIGIC的ADC单元,而奇数波段被发送到另一个DICIC的ADC单元时,100%相同的处理是不可能的,并且轻微的差异表现为垂直波段。

最终的电位源是高频分量。高频逻辑容易产生噪声。再次以7D为例,它是一个18兆像素的传感器,总共必须处理8个ADC单元,其速度足以支持8fps快门速度。(从技术上讲,7D的像素甚至超过1800万……它实际上是19.1百万像素的传感器,因为佳能总是遮盖像素的边界以进行偏置偏移和黑点校准。)在8fps下,每秒处理的总像素数必须至少为152,800,000,并且由于有八个ADC单元,因此每个单元必须每秒处理1,910万像素。这需要更高的频率,这可能会(通过我将在这里不介绍的各种机制)引入额外的噪声。


有减少HVBN的方法。某些传感器设计会从像素中裁剪负信号值(或换句话说,不使用偏置偏移),这样可以将条带减半,但也会在图像阴影的深处消耗一些可能可恢复的细节。确实使用偏置偏移的传感器(允许负信号值达到预设水平)往往会在较低的ISO下具有更多的HVBN,因为为了支持更大的全阱容量而执行的削波较少。更高级的ADC设计可以减少噪声,有些甚至可以利用噪声以及抖动形式来几乎消除ADC引入的噪声。

降低条带噪声的另一种方法是通过将模拟信号更早地移动到数字信号,最好是在传感器芯片本身上。数字数据可以在传输过程中进行纠错,因为模拟信号往往会沿电子总线和处理单元传播更多的噪声。ADC单元数量的增加改善了并行性,降低了每个单元必须以其运行的速度,因此允许使用低频分量。更好的制造技术(通常由更小的制造工艺提供,这为更复杂的硬件增加了空间)以及更好的硅晶片可用于归一化每个晶体管或逻辑单元的响应曲线,从而使它们甚至产生更清晰的结果在更高的频率。


索尼Exmor是尼康D800和D600相机中众所周知的几乎无噪音的传感器,它采取了一种相当激进的方法来减少最具干扰性和令人沮丧的噪音形式。Exmor将整个图像处理流水线向上移动到ADC并包括ADC到传感器芯片上。它对ADC超并行化,每像素列增加一个(CP-ADC或列并行ADC)。它消除了模拟逐像素放大和模拟CDS,转而采用数字放大和数字CDS。它隔离了传感器管芯远端区域中的高频分量,几乎消除了每个ADC单元本身引入的噪声。像素读取可立即从模拟电荷转换为数字单元,并且从那一刻起就保持数字状态。数字化后,所有信息传输实际上都是无噪音的,

Exmor(根据Sony)的最大胜利之一就是取消了模拟CDS电路,并转向了数字CDS逻辑。索尼声称,模拟CDS装置的响应差异是带状噪声的来源。代替存储每个像素的复位电荷作为电荷,而是执行“复位读取”,该复位读取通过与正常图像读取相同的ADC过程运行,但数字输出被跟踪为负值。当读取实际曝光量时,将其读取为正值,并以内联方式应用先前的“负” CDS读取(即,每个读出的像素从某个负值开始,并且从那里开始计数增加)。这样既消除了晶体管响应不均匀,也消除了暗电流带来的噪声。

使用Exmor传感器时,读数实际上没有ISO(您可能已经在网络上的其他地方听说过该术语)。通过简单的数字增强(数字放大)将所有ISO设置提高到适当的水平。对于RAW,仅需将ISO设置存储为元数据,并且RAW编辑器在去马赛克时将每个像素值提升到适当的水平。这就是为什么可以使ISO 100 D800镜头曝光不足,然后在后期停止许多次而又不会在阴影中引入条纹噪声的原因。


-1

条带化是由许多因素引起的。

就像颜色管理一样,成像过程中的任何设备都可能使您看到条纹。这可能是由于显示器校准不良,打印机校准不良,显示器无法显示真正的8位/ 12位LUT所致。根据我的经验,大多数绑定实际上并不是固有的。这是由于您的显示器无法区分精细梯度上离散的灰度级所致。

我真的不知道CMOS / CCD会如何发挥作用。要了解这一点需要一些技术知识,您需要了解影响条带的最重要因素是传感器的位深度,这仅决定了传感器可以记录的离散色调值的数量。12位传感器将记录2 ^ 12的灰度,而14位传感器将记录2 ^ 14 = 16384的灰度。现在,使事情复杂化的是,大多数数码相机并未为其传感器的色调分布分配线性权重函数,这意味着相机(实际上大多数相机)可能更偏向光谱的高光部分(在这里就直方图而言,短语“向右射击”来自)。

为了进一步使事情复杂化,大多数传感器处理器可能会(肯定会这样做)在稀疏色调值之间进行自己的插值。这意味着,例如,如果我在图像的特定部分的色调值为5,而附近区域的色调值为8,则相机将“猜测”中间色调值应该是什么。ISO也可能是一个因素,因为它会影响动态范围和曝光范围。

您应该调查的是,如果条纹显示在多个设备上。如果发现是这样,可以尝试使用混合模式和遮罩添加高斯噪声以消除它。我将提供一些图像,向您展示我的意思:

创建了一些带有深色渐变的条纹

现在添加一个噪声层:

(1)建立新图层

(2)用50%灰色填充编辑->填充-> 50%灰色

(3)将该层的混合模式设置为强光

(4)添加噪音:过滤器->添加噪音(高斯,大约1%)

然后,您可以使用该图层的不透明度,直到条纹消失为止;如果愿意,还可以在其上创建蒙版。

添加噪声层


1
感谢您的评论,但我想问的是另一种形式的组合。请查看我从“绑定”链接的示例。我的意思是出现在曝光不足的高ISO图像中的水平(或垂直)线。这是一种“结构化”噪声,这种结构(在我的情况下为水平线)使其比通常的随机噪声更分散注意力。
Szabolcs
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.