Có phải tiếng ồn Poisson (Tiếng ồn Shot Shot trực tiếp) là một nguồn nhiễu đáng kể cho nhiếp ảnh thông thường?

Trong câu trả lời này , @jrista tuyên bố rằng ngay cả một máy ảnh có cảm biến hoàn hảo, không gây nhiễu vẫn sẽ có nhiễu do "nhiễu Poisson" hay còn gọi là "Photon Shot noise" - nhiễu gây ra bởi các biến đổi ngẫu nhiên của photon, khiến nhiều photon đi vào một giác quan hơn người khác.

Tôi chỉ tò mò - đây có phải là một mối quan tâm đáng kể cho các nhiếp ảnh gia trong thế giới thực? Tôi cho rằng tiếng ồn này sẽ cực kỳ nhỏ đến mức chúng ta có thể coi nó là cơ bản 0. Có nghiên cứu nào đo được mức độ nhiễu của tiếng ồn, so với các nguyên nhân khác (như tiếng ồn điện hoặc nhiệt từ thiết bị điện tử) không?

Trong hầu hết các phần của hầu hết các bức ảnh, nhiễu hạt photon là tác nhân lớn nhất gây nhiễu .

Hầu hết, chúng tôi đang so sánh nó để đọc tiếng ồn. (Dòng tối không đáng kể trong phơi sáng ngắn và nhiễu lượng tử hóa cũng khá nhỏ khi bạn nói về ADC 12 và 14 bit.) Đọc tiếng ồn phụ thuộc vào cảm biến. Bài báo năm 2007 này trình bày các phép đo tiếng ồn cho một vài máy ảnh DSLR . Ví dụ, chúng ta thấy rằng một Canon 40D ở ISO 200 có khoảng 10 electron (e-) tiếng ồn đọc.

Nhiễu bắn photon là một quá trình Poisson , vì vậy nhiễu là căn bậc hai của số lượng các quang điện tử tín hiệu. Vì vậy, nếu chúng tôi ghi 100 quang điện tử tín hiệu trong một pixel từ đối tượng của mình, chúng tôi hy vọng độ nhiễu của mỗi pixel sẽ là sqrt (100) = 10 e-, bằng với nhiễu đọc của 40D.

Là 100 photoelectron rất nhiều? Không, cùng một bài báo ước tính công suất toàn giếng của pixel 40D là 56.000 e-, do đó, một pixel chỉ có 100 e- là một phần rất tối của cảnh, tối hơn khoảng 9 điểm so với giếng đầy. Trong một pixel có hơn 100 e-, độ nhiễu của ảnh tiếp tục tăng, lên tới sqrt (56000) = 236 ở mức đầy đủ, do đó, nhiễu của ảnh hưởng chi phối nhiễu đọc bởi biên độ lớn hơn và lớn hơn. (Các tông màu sáng xuất hiện ít nhiễu hơn các tông màu tối, vì tỷ lệ tín hiệu trên tạp âm tiếp tục tăng, vì nhiễu chỉ là căn bậc hai của tín hiệu. Nhưng tiếng ồn có, là do nhiễu ngày càng tăng đọc tiếng ồn.)

Trong bóng tối rất lớn, tiếng ồn đọc có thể là đáng kể. Và trong một thời gian dài, tối (như chụp ảnh thiên văn dưới bầu trời tối), dòng điện tối và tiếng ồn đọc có thể rất quan trọng. Nhưng đối với chụp ảnh chung của các đối tượng phơi sáng tốt với thời gian phơi sáng ngắn, nhiễu ảnh là nguồn nhiễu chủ yếu.

Photon bắn nhiễu, hoặc nhiễu phát ra từ sự phân bố các photon Poisson khi chúng chạm tới cảm biến, có thể là vấn đề mà các nhiếp ảnh gia trong thế giới thực ít nhất có thể cần phải biết. Khi ISO được tăng lên, tiềm năng tối đa cho tín hiệu cũng giảm. Đối với mỗi lần tăng ISO, tín hiệu tối đa của bạn giảm theo hệ số hai. Trong hầu hết các mức phơi sáng, nhiễu hạt photon là yếu tố đóng góp đáng kể nhất cho nhiễu. Các nguồn nhiễu điện tử chỉ ảnh hưởng đến các bóng sâu và thường chỉ xuất hiện khi bạn bắt đầu đẩy phơi sáng xung quanh trong bài (tức là nâng bóng ở một mức độ đáng kể.)

Giả sử một cảm biến toàn khung hình có Công suất toàn phần (FWC) là 60.000 electron, ở ISO 100, bạn có Điểm bão hòa tối đa (MaxSat) là 60.000 electron (e-). Ở ISO 200, bạn sẽ có MaxSat 30.000e, ISO 400 / 15.000e-, ISO 800 / 7500e-, ISO 1600/3750e-, ISO 3200 / 1875e-. Tăng ISO về bản chất làm giảm tín hiệu tiềm năng tối đa đến tỷ lệ nhiễu.

Yếu tố này có lẽ là quan trọng nhất khi quyết định mua máy ảnh nào. Cảm biến full-frame sẽ có pixel lớn hơn cảm biến APS-C có cùng số megapixel. FWC 60k của chúng tôi trên cảm biến FF giả định của chúng tôi có thể là FWC 20k-25k trên cảm biến APS-C. Nếu bạn cần hiệu suất ánh sáng yếu vượt trội, sử dụng cảm biến toàn khung hình và ít megapixel hơn sẽ tăng kích thước pixel, do đó có tác động TRỰC TIẾP đối với lượng nhiễu nhìn thấy ở cài đặt ISO cao hơn.

Nhiễu bắn photon, theo tỷ lệ của tổng tín hiệu, giảm khi cường độ tín hiệu tăng. Là một yếu tố tuyệt đối (độ lệch chuẩn xung quanh mức tín hiệu trung bình), nhiễu bắn photon có lẽ gần như không đổi. Giả sử độ lệch chuẩn là 5 đơn vị, nếu cường độ tín hiệu cũng là 5, bạn sẽ có một hình ảnh dường như bị nhiễu, có thể có "hình dạng" một phần nhưng không rõ ràng. Nếu cường độ tín hiệu là 10 đơn vị, thì SNR là 50%. Bạn vẫn sẽ có một hình ảnh rất ồn ào, nhưng nó sẽ là một hình ảnh với hình dạng và cấu trúc khác biệt hơn. Trong thực tế, nhiễu bắn photon, theo hàm phân phối Poisson, bằng với căn bậc hai của mức tín hiệu. Ở ISO 100, cảm biến FF có 60.000e- FWC sẽ có nhiễu bắn photon tương đương với 244e-. Một cảm biến APS-C có 20, 000e- FWC sẽ có nhiễu bắn photon tương đương 141e-. Ở ISO 200, độ nhiễu của photon sẽ lần lượt là 173e và 122e, ISO 400 sẽ là 122e- và 70e-, v.v. Theo tỷ lệ, độ nhiễu photon ISO 100 FF là 0,004% tín hiệu, ISO 200 0,006%, ISO 400 là 0,008%, v.v ... Ngược lại, đối với APS-C, các giá trị này là ISO 100 / 0,007%, ISO 200 / 0,012%, ISO 400 / 0,011%, v.v.

Các cảm biến nhỏ hơn sẽ có SNR thấp hơn một chút so với cảm biến FF để bắt đầu, vì hàng / cột kích hoạt và đọc dây có xu hướng tiêu thụ không gian photodiode tương đối nhiều hơn. Kết hợp với FWC nhỏ hơn, bạn ngay lập tức gặp bất lợi khi tăng ISO. Cảm biến FF có lợi thế tiếng ồn khoảng 60% (Theo: 244/60000 / 141/20000 = 0,577). Ở cùng cài đặt ISO, giả sử nhiễu thường nhìn thấy ở cài đặt đó, cảm biến FF sẽ luôn có vẻ ít nhiễu hơn cảm biến APS-C. Trong trường hợp hai cảm biến giả định của chúng tôi, ISO 100 trên APS-C chỉ tốt hơn một chút so với ISO 400 trên FF, gần như là hai điểm dừng hoàn toàn về hiệu suất tiếng ồn tương đối! Điều tương tự cũng xảy ra với hai cảm biến FF, một có pixel lớn và một có pixel nhỏ hơn với hệ số 1.6. Điều này giả định quan sát một cây trồng 100% (tức là nhìn trộm pixel.

Đối với bao nhiêu tiếng ồn là từ tiếng ồn bắn, và bao nhiêu từ các nguồn khác. Các "nguồn khác" thực sự phụ thuộc vào cảm biến. Độ ồn đọc thường được đo bằng DU (đơn vị kỹ thuật số, hoặc sau ADC) hoặc e- (điện tử, điện tích tín hiệu tương tự). Canon 7D đã đọc được tiếng ồn 8,6e- ở ISO 100, nhưng 4,7e- ở ISO 200, 3,3e- ở ISO 400, v.v. Canon 1D X đã đọc được tiếng ồn 38,2e- (!) Ở ISO 100. nhiễu đọc lớn hơn cuối cùng tỷ lệ thuận với diện tích của photodiode ... các pixel lớn hơn mang nhiều dòng điện hơn, do đó dòng tối sẽ cao hơn và khuếch đại xuôi dòng sẽ làm tăng lượng nhiễu điện tử lớn hơn so với tín hiệu. Mặc dù vậy, 1D X có FWC 90.300, điều đó có nghĩa là nhiễu đọc được 38e là một phần rất nhỏ của tín hiệu ISO100 tiềm năng tối đa (chính xác là 0,00042%).

Trong mọi trường hợp tiếng ồn, nó thực sự phụ thuộc vào mục tiêu của bạn. Nếu bạn có xu hướng chụp ánh sáng yếu hoặc cần tốc độ màn trập rất cao, việc tìm một máy ảnh có pixel lớn hơn có thể sẽ tạo ra các đặc điểm nhiễu tốt nhất. Nếu bạn chụp các đối tượng có độ chi tiết cao, mật độ điểm ảnh cao hơn có lẽ quan trọng hơn độ nhiễu thấp. Không có câu trả lời thực sự và khô ở đây.

^{Lượng ánh sáng, giả sử là đèn chiếu sáng cố định, lượng ánh sáng chiếu tới cảm biến trong khẩu độ và tốc độ màn trập nhất định hoặc bất kỳ tỷ lệ tương đương nào của chúng: f / 16 1/100s, f / 8 1/200s, f / 4 1 / 800s, tất cả cùng EV.}

Bạn chắc chắn đang lọt vào phạm vi chụp ảnh rìa khi cố gắng xác định nhiễu ảnh vs tín hiệu. May mắn thay, các nhà nhiếp ảnh thiên văn đã ở đây trước đó.

Có một loạt các bài báo dành cho giáo dân tìm hiểu về nhiễu và tín hiệu được xuất bản bởi Craig Stark.

Trong phần một ở đây , ông mô tả tiền đề cơ bản của nhiễu bắn và tại sao skyglow lại rất tệ cho thiên văn học - nó làm tăng nhiễu bắn mà không cần thêm thông tin. Về cơ bản, bạn có thể có một cao nguyên ánh sáng cao hơn nhưng nó bằng phẳng và do đó cướp đi độ tương phản.

Trong phần hai ở đây , anh đi sâu vào chi tiết hơn về sự khác biệt của ảnh chụp và đọc so với nhiễu nhiệt ví dụ như các bức ảnh.

Trong phần ba ở đây , ông mô tả một phương pháp để đo hiệu suất của các máy ảnh cụ thể và do đó có được một mô hình cho các cấu hình nhiễu. Điều này có thể trả lời tốt nhất câu hỏi của bạn về "sự khác biệt giữa các loại tiếng ồn".

Quay lại câu hỏi cơ bản của bạn: nó có phù hợp với hầu hết các nhiếp ảnh không? Không thực sự, cho đến khi bạn bắt đầu chụp ở các thái cực của các loại nhiễu khác (nhiệt và đọc) khi SNR bị lệch.