Apakah Poisson Noise ("Shot Noise") sumber kebisingan signifikan untuk fotografi tipikal?

Dalam jawaban ini , @jrista menyatakan bahwa bahkan kamera dengan sensor yang sempurna dan tanpa suara akan tetap memiliki noise karena "Poisson noise" alias "Photon Shot Noise" - noise yang disebabkan oleh variasi acak foton, yang menyebabkan lebih banyak foton masuk satu sensel dari yang lain.

Saya hanya ingin tahu - apakah ini perhatian penting bagi fotografer dunia nyata? Saya akan berasumsi bahwa kebisingan ini akan sangat kecil sehingga kita dapat menganggapnya pada dasarnya adalah 0. Apakah ada penelitian yang mengukur seberapa banyak kebisingan dari suara tembakan, vs penyebab lainnya (seperti suara listrik atau panas dari elektronik) ?

Di sebagian besar foto, noise bidikan foton merupakan penyumbang noise terbesar .

Sebagian besar, kami membandingkannya dengan membaca noise. (Arus gelap dapat diabaikan dalam eksposur singkat, dan noise kuantisasi juga cukup kecil ketika Anda berbicara tentang ADC 12-dan 14-bit.) Baca noise tergantung pada sensor. Makalah 2007 ini menyajikan pengukuran kebisingan baca untuk beberapa DSLR . Kita melihat, misalnya, bahwa Canon 40D pada ISO 200 memiliki sekitar 10 elektron (e-) dari gangguan baca.

Suara tembakan foton adalah proses Poisson , sehingga suara adalah akar kuadrat dari jumlah fotoelektron sinyal. Jadi jika kita merekam 100 fotoelektron sinyal dalam pixel dari subjek kita, kita berharap noise shot per pixel adalah sqrt (100) = 10 e-, sama dengan noise read 40D.

Apakah 100 fotoelektron banyak? Tidak, makalah yang sama memperkirakan kapasitas sumur-penuh dari piksel 40D menjadi 56.000 e-, jadi piksel dengan hanya 100 e-adalah bagian yang sangat gelap dari pemandangan, sekitar 9 berhenti lebih gelap daripada sumur-penuh. Dalam pixel dengan lebih dari 100 e-, noise tembakan terus meningkat, hingga sqrt (56000) = 236 pada well-well, sehingga noise shot mendominasi noise baca dengan margin yang lebih besar dan lebih besar. (Nada terang nampak kurang berisik daripada nada gelap, karena rasio sinyal-ke-noise terus meningkat, karena suara hanya akar kuadrat dari sinyal. Tetapi suara apa yang ada, disebabkan oleh semakin banyaknya suara yang ditembakkan, bukan baca noise.)

Dalam bayangan yang sangat gelap, noise baca mungkin signifikan. Dan dalam paparan gelap yang panjang (seperti astrofotografi di bawah langit gelap), arus gelap dan bunyi baca keduanya penting. Tetapi untuk fotografi umum dari subjek yang terpapar dengan waktu pemaparan yang pendek, bidikan bidikan adalah sumber bunyi yang dominan.

Suara tembakan foton, atau suara yang dihasilkan dari distribusi Poisson foton saat mencapai sensor, mungkin merupakan masalah yang mungkin perlu disadari oleh fotografer dunia nyata. Ketika ISO meningkat, potensi maksimum untuk sinyal juga turun. Untuk setiap pemberhentian peningkatan ISO, sinyal maksimum Anda turun dua faktor. Dalam sebagian besar pajanan, noise bidikan foton sejauh ini merupakan kontributor paling signifikan terhadap noise. Sumber kebisingan elektronik hanya memengaruhi bayangan yang dalam, dan biasanya hanya terlihat saat Anda mulai mendorong paparan di sekitar pos (yaitu mengangkat bayangan dengan tingkat yang signifikan.)

Dengan asumsi sensor full-frame dengan Full Well Capacity (FWC) berkapasitas 60.000 elektron, pada ISO 100 Anda memiliki Titik Saturasi Maksimum (MaxSat) 60.000 elektron (e-). Pada ISO 200 Anda menggunakan MaxSat sebesar 30.000 -, ISO 400 / 15.000 -, ISO 800 / 7500e-, ISO 1600 / 3750e-, ISO 3200 / 1875e-. Peningkatan ISO secara intrinsik mengurangi potensi sinyal maksimum terhadap rasio kebisingan.

Faktor ini mungkin paling penting ketika memutuskan kamera apa yang akan dibeli. Sensor full-frame akan memiliki piksel lebih besar dari sensor APS-C dengan jumlah megapiksel yang sama. 60k FWC kami pada sensor FF hipotetis kami mungkin 20k-25k FWC pada sensor APS-C. Jika Anda membutuhkan kinerja cahaya rendah yang unggul, menggunakan sensor full-frame dan megapiksel lebih sedikit akan meningkatkan ukuran piksel, sehingga memiliki dampak LANGSUNG pada jumlah noise yang terlihat pada pengaturan ISO yang lebih tinggi.

Suara tembakan foton, sebagai perbandingan dari total sinyal, turun seiring dengan meningkatnya kekuatan sinyal. Sebagai faktor absolut (standar deviasi di sekitar level sinyal rata-rata), noise tembakan foton mungkin kira-kira konstan. Dengan asumsi standar deviasi 5 unit, jika kekuatan sinyal juga 5, Anda akan memiliki gambar yang tampaknya sebagian besar noise, mungkin dengan "bentuk" parsial tetapi sebagian besar tidak jelas. Jika kekuatan sinyal 10 unit, maka SNR adalah 50%. Anda masih akan memiliki gambar yang sangat bising, tetapi itu akan menjadi gambar dengan bentuk dan struktur yang lebih berbeda. Dalam istilah sebenarnya, bunyi tembakan foton, yang mengikuti fungsi distribusi Poisson, sama dengan akar kuadrat dari level sinyal. Pada ISO 100, sensor FF dengan 60,000e-FWC akan memiliki noise tembakan foton yang setara dengan 244e. Sensor APS-C dengan 20, 000e- FWC akan memiliki noise tembakan foton yang setara dengan 141e-. Pada ISO 200, noise tembakan foton masing-masing akan menjadi 173e dan 122e, ISO 400 akan menjadi 122e dan 70e, dll. Sebagai perbandingan, pada noise foton ISO 100 FF adalah 0,004% dari sinyal, ISO 200 0,006%, ISO 400 0,008%, dll. Sebaliknya, untuk APS-C nilai-nilai ini adalah ISO 100 / 0,007%, ISO 200 / 0,012%, ISO 400 / 0,014%, dll.

Sensor yang lebih kecil akan memiliki SNR sedikit lebih rendah dari sensor FF untuk memulai, karena baris / kolom mengaktifkan dan membaca kabel cenderung lebih banyak ruang fotodioda relatif konsumen. Dikombinasikan dengan FWC yang lebih kecil, Anda langsung berada pada posisi yang kurang menguntungkan ketika harus meningkatkan ISO. Sensor FF memiliki keunggulan noise sekitar 60% (By: 244/60000 / 141/20000 = 0,577). Pada pengaturan ISO yang sama, dengan asumsi noise umumnya terlihat pada pengaturan itu, sensor FF akan selalu tampak kurang berisik daripada sensor APS-C. Dalam kasus dua sensor hipotetis kami, ISO 100 pada APS-C hanya sedikit lebih baik dari ISO 400 pada FF, hampir dua perhentian penuh dalam kinerja noise relatif! Hal yang sama berlaku untuk dua sensor FF, satu dengan piksel besar dan satu dengan piksel lebih kecil dengan faktor 1,6. Ini mengasumsikan pengamatan tanaman 100% (yaitu piksel mengintip.

Adapun berapa banyak noise berasal dari shot shot, dan berapa banyak dari sumber lain. "Sumber lain" sangat tergantung pada sensor. Read noise biasanya diukur dari DU (unit digital, atau post-ADC) atau e- (elektron, muatan sinyal analog). Canon 7D telah membaca noise 8,6 - pada ISO 100, tetapi 4,7 - pada ISO 200, 3,3 - pada ISO 400, dll. Canon 1D X telah membaca noise 38,2 - (!) Pada ISO 100. The noise baca yang lebih besar pada akhirnya sebanding dengan area fotodioda ... piksel yang lebih besar membawa lebih banyak arus, sehingga arus gelap akan lebih tinggi, dan amplifikasi hilir akan meningkatkan jumlah kebisingan elektronik yang lebih besar relatif terhadap sinyal. 1D X memiliki FWC 90.300, yang berarti 38-nilai noise baca adalah fraksi sangat kecil dari potensi sinyal ISO100 maksimum (0,00042% tepatnya).

Dalam semua kasus kebisingan, itu sangat tergantung pada tujuan Anda. Jika Anda cenderung memotret cahaya rendah, atau membutuhkan kecepatan rana yang sangat tinggi, menemukan kamera dengan piksel lebih besar mungkin akan menghasilkan karakteristik noise terbaik. Jika Anda memotret subjek dengan detail tinggi, kerapatan piksel lebih tinggi mungkin lebih penting daripada noise rendah. Tidak ada jawaban yang nyata dan kering di sini.

^{† Jumlah cahaya, dengan asumsi pencahayaan tetap, jumlah cahaya yang mencapai sensor untuk kecepatan rana dan rana tertentu, atau rasio apa pun yang setara daripadanya: f / 16 1 / 100s, f / 8 1 / 200s, f / 4 1 / 800-an, semua EV yang sama.}

Anda pasti masuk ke jajaran fotografi pinggiran saat mencoba mengidentifikasi bunyi tembakan vs sinyal. Untungnya, para astrofotografer telah ada di sini sebelumnya.

Ada serangkaian artikel yang layak ditujukan untuk orang awam yang masuk ke memahami noise vs sinyal yang diterbitkan oleh Craig Stark.

Di bagian satu di sini , ia menggambarkan premis dasar kebisingan tembakan dan mengapa skyglow begitu buruk untuk astronomi - itu meningkatkan kebisingan tembakan tanpa menambahkan informasi lebih lanjut. Pada dasarnya, Anda dapat memiliki dataran tinggi tingkat cahaya yang lebih tinggi tetapi datar dan dengan demikian merampok kontras.

Pada bagian dua di sini , ia menjelaskan lebih jauh tentang perbedaan bidikan vs bunyi vs derau termal misalnya foto.

Pada bagian ketiga di sini , ia menjelaskan metode untuk mengukur kinerja kamera tertentu dan dengan demikian mendapatkan model untuk profil noise. Ini mungkin yang terbaik menjawab pertanyaan Anda tentang "apa perbedaan antara jenis-jenis kebisingan."

Kembali ke pertanyaan dasar Anda: apakah relevan untuk sebagian besar fotografi? Tidak juga, sampai Anda mulai memotret di ekstrem jenis kebisingan lainnya (termal dan baca) ketika SNR menjadi miring.