Apa yang menyebabkan noise pita pada sensor CMOS?

Saya mencari informasi (dan referensi) tentang tiga topik terkait:

• Apa yang menyebabkan noise pita pada sensor CMOS? Apa penyebab fisik / teknologi? Apakah penyebabnya sama pada sensor CCD dan CMOS?

• Bagaimana berbagai faktor yang relevan (pengaturan ISO, waktu pencahayaan, dan tingkat pencahayaan) memengaruhi kekuatan dan pola pita?

• Apakah pola pita stabil dalam jangka pendek (tembakan berurutan) dan dalam jangka panjang? Apakah ada kemungkinan pola pita dari sensor aktual dapat diukur dan digunakan untuk mengurangi efek pada foto aktual?

Untuk memperjelas apa yang saya maksud dengan banding, berikut adalah contoh gambar dari situs web TopazLabs. Perhatikan pita horizontal pada gambar berisik.

Eksperimen naif tidak menunjukkan korelasi positif antara banding dalam beberapa gambar permukaan putih polos.

Horizontal dan Vertical Banding Noise (HVBN) disebabkan oleh pembacaan sensor, amplifikasi hilir, dan ADC. Mungkin ada beberapa sumber HVBN, beberapa di antaranya menyebabkan pola yang relatif tetap, yang lain dapat menyebabkan pola acak. Gangguan sinyal eksternal seringkali merupakan sumber pita yang lebih lunak dan lebih acak. Tepatnya yang menyebabkan pita di mana sensor benar-benar tergantung, dan tidak ada seorang pun selain pabrikan yang memiliki cukup informasi untuk menunjukkan penyebab pasti dari kamera mana pun.

Terutama, HVBN disebabkan oleh cara baris piksel diaktifkan, dan setiap kolom untuk baris dibaca, dan sifat transistor yang terlibat dalam proses pembacaan itu. Pertama, transistor yang diproduksi melalui photolithography tidak sempurna. Ketidaksempurnaan pada silikon dasar, ketidaksempurnaan pada templat dan etsa, dll. Semuanya dapat mempengaruhi respons transistor. Dengan demikian, setiap piksel dalam sebuah sensor, serta ember untuk pemrosesan gambar on-die seperti CDS (Correlated Double Sampling), tidak harus berperilaku seperti yang lainnya, menghasilkan perbedaan. Dalam sensor CMOS modern (sensor tipe Sony Exmor dikecualikan), sirkuit CDS on-die sering menjadi biang keladi untuk menimbulkan kebisingan pita pada pengaturan ISO yang lebih rendah (ISO 100 hingga mungkin 800) dalam bayangan yang dalam.

Beberapa desain pembacaan juga melibatkan penguat hilir tambahan yang digunakan dalam keadaan tertentu, digunakan sebagai tambahan untuk amplifier per-pixel. Banding noise yang diperkenalkan di dalam sensor die sendiri akan diperburuk oleh penguat hilir. Jenis amplifier ini biasanya menghasilkan ISO yang sangat tinggi, seperti 6400 dan lebih tinggi, itulah sebabnya keluaran yang relatif "bersih" pada ISO 1600 dan mungkin 3200 tiba-tiba menjadi jauh lebih buruk pada pengaturan yang bahkan lebih tinggi.

Sumber banding lainnya adalah ADC. Ada dua penyebab potensial di sini. Dalam kasus kamera seperti 7D, yang menggunakan split parallel readout (di mana empat saluran pembacaan diarahkan ke satu chip DIGIC 4 dan empat lainnya diarahkan ke chip DIGIC 4 lainnya dengan cara yang disisipkan), bandeng yang cukup diucapkan tetapi bahkan vertikal dapat terjadi, bahkan di midtone, berkat respons berbeda dari prosesor gambar DIGIC DSP yang masing-masing menampung empat unit ADC. Karena bahkan band dikirim ke satu unit ADC DIGIC, dan band aneh dikirim ke unit ADC DICIC lainnya, pemrosesan 100% identik tidak mungkin, dan sedikit perbedaan nyata sebagai pita vertikal.

Sumber potensial terakhir adalah komponen frekuensi tinggi. Logika frekuensi tinggi cenderung berisik. Menggunakan 7D lagi sebagai contoh, ini adalah sensor 18 megapiksel, yang harus diproses delapan unit ADC, pada kecepatan yang cukup cepat untuk mendukung kecepatan rana 8fps. (Secara teknis, 7D memiliki lebih dari 18 juta piksel ... sebenarnya adalah sensor 19,1 megapiksel, karena Canon selalu menutupi batas piksel untuk penyeimbang bias dan kalibrasi titik hitam.) Pada 8fps, total piksel diproses per detik minimal harus 152.800.000, dan karena ada delapan unit ADC, setiap unit harus memproses 19,1 juta piksel setiap detik. Itu membutuhkan frekuensi yang lebih tinggi, yang dapat (melalui berbagai mekanisme saya tidak akan masuk ke sini) memperkenalkan kebisingan tambahan.

Ada beberapa cara untuk mengurangi HVBN. Beberapa sensor mendesain klip nilai-nilai sinyal negatif dari piksel (atau, dengan kata lain, tidak menggunakan penyimpangan bias), yang memiliki efek mengurangi separuh banding, tetapi juga membuat biaya beberapa detail yang dapat dipulihkan jauh di dalam bayang-bayang gambar. Sensor yang menggunakan offset bias (yang memungkinkan nilai sinyal negatif hingga tingkat yang ditentukan) cenderung memiliki lebih banyak HVBN pada ISO yang lebih rendah karena kliping lebih sedikit dilakukan untuk mendukung kapasitas sumur penuh yang lebih besar. Desain ADC yang lebih canggih dapat mengurangi kebisingan, beberapa bahkan memanfaatkan kebisingan bersama dengan bentuk dithering untuk hampir menghilangkan kebisingan yang diperkenalkan ADC.

Cara lain noise pita dapat dikurangi adalah dengan memindahkan sinyal analog ke digital sebelumnya, lebih disukai pada sensor mati itu sendiri. Data digital dapat dikoreksi kesalahan selama transfer, di mana sinyal analog cenderung mengambil suara semakin banyak mereka melakukan perjalanan sepanjang bus elektronik dan melalui unit pemrosesan. Peningkatan jumlah unit ADC meningkatkan paralelisme, mengurangi kecepatan setiap unit harus beroperasi, sehingga memungkinkan komponen frekuensi yang lebih rendah untuk digunakan. Teknik pembuatan yang lebih baik (biasanya diberikan oleh proses fabrikasi yang lebih kecil, yang meningkatkan ruang untuk perangkat keras yang lebih kompleks) serta wafer silikon yang lebih baik dapat digunakan untuk menormalkan kurva respons untuk setiap transistor atau unit logika, yang memungkinkan mereka untuk menghasilkan hasil yang lebih bersih, bahkan pada frekuensi yang lebih tinggi.

Sony Exmor, sensor hampir tanpa noise yang terkenal di kamera Nikon D800 dan D600, mengambil pendekatan yang cukup radikal untuk mengurangi bentuk noise yang paling mengganggu dan membuat frustrasi. Exmor memindahkan seluruh pipa pemrosesan gambar ke dan termasuk ADC ke sensor mati. Ini hyperparallelized ADC, menambahkan satu per piksel kolom (CP-ADC, atau ADC paralel-kolom). Ini menghilangkan amplifikasi analog per-pixel dan CDS analog yang mendukung amplifikasi digital dan CDS digital. Ini terisolasi komponen frekuensi tinggi di daerah terpencil sensor mati, yang hampir menghilangkan kebisingan yang diperkenalkan oleh masing-masing unit ADC sendiri. Pixel membaca menghasilkan konversi langsung dari muatan analog ke unit digital, dan tetap digital sejak saat itu. Setelah digital, semua transfer informasi secara efektif bebas noise,

Salah satu kemenangan besar bagi Exmor (menurut Sony) adalah penghapusan sirkuit CDS analog, dan pindah ke logika CDS digital. Klaim Sony adalah bahwa perbedaan respons untuk unit CDS analog adalah sumber derau pita. Alih-alih menyimpan biaya reset setiap piksel sebagai muatan, "reset read" dilakukan, reset read dijalankan melalui proses ADC yang sama seperti membaca gambar normal dengan pengecualian bahwa output digital dilacak sebagai nilai negatif. Ketika eksposur aktual dibaca, itu dibaca sebagai nilai-nilai positif, dan pembacaan CDS "negatif" sebelumnya diterapkan secara inline (yaitu setiap pixel yang dibacakan dimulai pada beberapa nilai negatif, dan penghitungan meningkat dari sana). Ini menghilangkan kebisingan baik dari respon transistor yang tidak seragam maupun dari arus gelap secara bersamaan.

Dengan sensor Exmor, pembacaan secara efektif kurang ISO (Anda mungkin pernah mendengar istilah itu di tempat lain di internet). Semua pengaturan ISO dicapai melalui dorongan digital sederhana (amplifikasi digital) ke tingkat yang sesuai. Untuk RAW, pengaturan ISO hanya perlu disimpan sebagai metadata, dan editor RAW meningkatkan setiap nilai piksel ke tingkat yang sesuai selama demosaicing. Inilah sebabnya mengapa pemotretan ISO 100 D800 dapat kurang terang, lalu diangkat dalam pos dengan banyak pemberhentian, tanpa memperkenalkan kebisingan pita pada bayangan.

Banding disebabkan oleh sejumlah faktor.

Seperti halnya dalam manajemen warna, perangkat apa pun di sepanjang proses pencitraan dapat menyebabkan Anda melihat garis melintang. Ini bisa disebabkan oleh monitor yang dikalibrasi dengan buruk, printer yang dikalibrasi dengan buruk, monitor yang tidak dapat menampilkan LUT 8-bit / 12-bit yang sebenarnya. Dari pengalaman saya, sebagian besar banding sebenarnya tidak melekat. Ini disebabkan oleh monitor Anda yang tidak dapat membedakan antara tingkat abu-abu diskrit pada gradien halus.

Saya tidak benar-benar melihat bagaimana CMOS / CCD akan membuat perbedaan. Untuk memahami hal ini membutuhkan sedikit pengetahuan teknis, Anda harus memahami bahwa faktor terpenting yang akan memengaruhi penjaluran adalah kedalaman bit sensor Anda, ini saja yang menentukan jumlah nilai nada diskrit yang dapat direkam oleh sensor Anda. Sensor 12-bit akan merekam 2 ^ 12 level abu-abu sementara sensor 14-bit akan merekam 2 ^ 14 = 16384 level abu-abu. Sekarang, untuk memperumit masalah, sebagian besar kamera digital tidak menetapkan fungsi bobot linier untuk distribusi tonal sensor mereka, ini berarti bahwa kamera (pada kenyataannya sebagian besar kamera) mungkin lebih condong ke bagian utama dari spektrum (ini adalah di mana frasa "tembak ke kanan" berasal dari, berkaitan dengan histogram).

Untuk semakin memperumit masalah, sebagian besar prosesor sensor mungkin melakukan (pasti melakukan) interpolasi mereka sendiri antara nilai-nilai nada yang jarang. Ini berarti, misalnya bahwa jika saya memiliki nilai nada 5 di bagian gambar tertentu, dan area terdekat memiliki nilai nada 8, kamera akan "menebak" berapa nilai nada menengah seharusnya. ISO juga bisa menjadi faktor karena memengaruhi rentang dinamis dan garis lintang pencahayaan.

Apa yang harus Anda selidiki adalah jika bandeng ditampilkan pada lebih dari satu perangkat. Jika ternyata benar, Anda dapat mencoba menambahkan noise Gaussian dengan blending mode dan mask untuk menghilangkannya. Saya akan menyertakan beberapa gambar untuk menunjukkan kepada Anda apa yang saya maksud:

Dibuat beberapa garis banding dengan gradien gelap

Sekarang tambahkan layer noise:

(1) Buat Layer baru

(2) Isi dengan 50% Gray: Edit -> Fill -> 50% Gray

(3) Atur Blending Mode lapisan itu ke Hard Light

(4) Tambahkan Kebisingan: Filter -> Tambah Kebisingan (Gaussian, 1% atau lebih)

Anda kemudian dapat bermain dengan opacity dari lapisan itu sampai banding menghilang, Anda juga dapat membuat topeng di atasnya jika Anda mau.

Menambahkan Lapisan Kebisingan