传感器技术的未来发展能否降低或消除噪声？

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使用高ISO设置时，未来的技术进步是否有可能减少或消除噪音，还是所有数字传感器都不可避免地会产生这种噪音？

如果存在不可避免的噪声的理论极限，那么我们离噪声有多近？

— 天使罗哈斯
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非常重要的一点是，要使产生噪点的图像不是高ISO设置本身，而是使用高ISO设置意味着您捕获很少的光线这一事实。

光由光子组成，光子由光源随机发射。当光线水平低或曝光时间很短时，您获得的光子数量将与

想象一下，您正在尝试估计人们离开购物中心的速度。如果您只有10秒钟来计算人数，那么您获得的结果会有所不同，具体取决于您何时开始计数以及您选择了哪个出口。如果您有10分钟的时间来统计人数，那么您会得到一个更加稳定的答案，该答案对于所有出口（假设没有个人偏好的出口）以及在不同的10分钟时间范围内（假设没有其他影响因素）都是相似的结果）。

这就是在使用高ISO设置时会发生的情况，因为您捕获的光子非常少，所以覆盖一个均匀颜色对象的一组相邻像素可能每个接收4、3、4和5个光子，因此不是平滑的均匀颜色您会得到一个颗粒状的结果，该结果随每个像素而变化。

这种噪声称为光子噪声，是高ISO图像中除阴影之外的主要噪声源。即使您有一个完美的传感器来计数并如实报告每个撞击到该传感器的光子，在弱光下您仍然会产生大量噪声。

这并不是说我们已经达到了高ISO性能的极限。还没有任何办法。与高ISO照片中观察到的块状图案噪声相比，纯光子噪声非常细小是令人讨厌的。

一般而言，减少像素串扰，改善电子设备只会对降低噪声幅度产生很小的影响，而对改善噪声质量的影响更大。

维基百科模拟了“完美”传感器，其中光子噪声只是噪声源：

单击以获取较大的版本，您可以在其中识别出单个像素。图片由Mdf保留部分版权。

— 马特·格鲁姆
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对于很短的曝光时间是正确的，但是要短多久？您可以在示例图片中为不同的曝光量添加一些（估计）值吗？我们是在谈论1纳秒到10纳秒，还是接近“正常”的相机性能曝光时间？我意识到这将取决于光量，但以“正常”室内场景为例。

— 哈康K. Olafsen

我喜欢这个答案，但是“您捕获的光子非常少，因此覆盖一个均匀颜色对象的一组相邻像素可能每个分别接收4、3、4和5个光子”-我们是否还在谈论数百万个光子？

— 柯克·布罗德赫斯特

@KirkBroadhurst这就是重点：在弱光下我们不是。人类的视觉大约是对数的，“停止标度”也是对数的。一站式减少的光意味着一半的光子。如果开始减半，则非常快地只能得到几个光子。如果您是数学方面的专家，则可能需要阅读Poisson过程。通常，如果k每个像素平均有光子，则像素噪声的大小将为sqrt(k)。

— Szabolcs 2014年

@KirkBroadhurst历史上，第一个光模型是“射线”（几何光学）。然后是波光学。然后量子力学---光是由离散单元组成的。有趣的是，与每个模型相关的现象（以前的模型无法解释）在数字摄影中确实具有实际意义。

— Szabolcs 2014年

@Matt Grum-第二段似乎不完整。

— Michael C

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减少它，是的。例如，佳能5D Mark III 在高ISO性能方面比佳能5D高出2/3级，尽管它们的传感器尺寸相同，因为它是新的7年。当然，过去的表现并不一定表示未来的结果，但我认为没有理由继续增加收益。

完全消除它在物理上是不可能的。当您获得数百万的ISO时，您正试图从几个光子中提取数据。无论您的技术有多好，都无法从中提取信息。

现在，要使它在例如3200以下的所有ISO中都“完美”，请注意，“完美”实际上并没有统一的标准。您可能会开发出一些惊人的新技术，达到信噪比的理论极限，但是当我的眼睛声称此像素应为＃0f3ed2，您声称应为＃0e3fd4且传感器认为是＃0时，这真的很重要吗？ 0d3dd3？

— 托尼
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“完美”将是具有无限容量的光子计数传感器。您今天实际上可以做到这一点（无限容量部分除外），但这将非常昂贵。但是，即使这样在低照度下也会很吵。信息根本不像您建议的那样。

— 马特·格鲁姆

@MattGrum：如果我们可以使传感器仅对非常窄的光谱敏感，那么它只计算特定能量的光子怎么办？那不能消除现代传感器中的大部分噪声（例如热效应）吗？

— PlasmaHH 2014年

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@PlasmaHH-您仍然对光的不确定性保持执着。除了保持“轮询”足够长的时间以至于统计样本的变化可以忽略不计之外，没有其他方法可以解决。或者，从摄影角度而言，您需要更高的曝光量才能减少噪音。在某个时候，无论传感器的效率如何，可以说您召集的人太少，无法准确预测选举结果。

@StanRogers：嗯，所以你的意思是看起来像带有小样本集的光子跟踪图像的噪声。我一直认为噪声是完美光子计数“之上”的附加信号。

— PlasmaHH 2014年

@PlasmaHH是的，完全正确。根本没有足够的光子（在这种情况下，我们可以假装光子实际上只是一些回弹的球）来绘制准确的图片。如果您不关心颜色，则效果会好得多（对于人眼而言更是如此，因为人的视力会更好地看到光强度），但它仍然是有限的。传感器中还存在一些噪声（例如，由于光子串扰，这就是光子成球破裂的地方），但这是唯一可行的限制-更大的传感器和更好的透镜几乎可以完全消除这种情况。

— a安

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已经发生了！在胶卷或早期数码相机上，高ISO表示400，在最新的全画幅相机上则表示6400。问题是每次发生时，“高ISO”都会重新定义为更高，换句话说，高ISO始终表示“太高了，以至于当前的技术使它变得嘈杂”。正如Tony所指出的，最终它在多大程度上存在物理限制。

— Slartibartfast
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通过Hacker News，我最近发现了2008年由物理学教授Emil Martinec撰写的这篇论文，显然是在业余时间。

数码单反相机中的噪声，动态范围和位深度

他描述了可能出现的不同类型的噪声，并描述了它们的相对重要性。

光子散粒噪声
读取噪音
图案噪音
热噪声
像素响应非均匀性（PRNU）
量化误差。

阅读此内容后，您将意识到不可能完全消除各种类型的传感器噪声。当然可以（以各种方式）将它们最小化，但是相机/传感器制造商还必须做出其他设计决定，这可能会带来其他问题或权衡取舍（例如，在A / D转换器中应用偏移，请参见图7）。 10 + 11）

关于有关理论极限的问题：

“典型曝光中最重要的噪声源是读取噪声和光子散粒噪声。”

“ PRNU图的斜率的倒数（示例参见图7）是信噪比的上限，除非在后期处理中对PRNU进行了补偿。”

— n
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通常，这是传感器的问题-从光学传感器到加速度计和陀螺仪。所有消费类产品都会对此进行处理，并试图向用户隐藏噪音-例如，您的手机能够感应到低于引起其采取措施的水平的振动，并且有些应用程序可以向您显示这一点。

任何能够在感兴趣区域内准确记录信号的传感器也将能够在感兴趣区域外记录信号，低于或高于感兴趣阈值的信号通常称为噪声。这个“问题”不仅与光学传感器有关，还与感知我们感兴趣的事物的物理限制有关。

因此，答案是否定的-任何“不灵敏”到足以消除噪声的传感器也将消除我们想要的某些信号，从而无法构建无噪声的传感器。

— 茉莉花
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