Mungkinkah kemajuan di masa depan dalam teknologi sensor mengurangi atau menghilangkan noise?
19
Apakah ada kemungkinan bahwa kemajuan teknologi di masa depan dapat mengurangi atau menghilangkan noise saat menggunakan pengaturan ISO tinggi, atau apakah noise ini tidak dapat dihindari dan melekat pada semua sensor digital?
Jika ada batas teoritis di mana kebisingan tidak dapat dihindari, seberapa dekat kita dengan itu?
Sangat penting untuk menyadari bahwa bukan pengaturan ISO tinggi itu sendiri yang menghasilkan gambar bising, itu fakta bahwa menggunakan pengaturan ISO tinggi berarti Anda menangkap sangat sedikit cahaya.
Cahaya terdiri dari foton yang dipancarkan secara acak oleh sumber cahaya. Ketika tingkat cahaya rendah atau waktu pemaparan sangat singkat maka jumlah foton yang Anda dapatkan akan sangat bervariasi
Bayangkan Anda mencoba untuk memperkirakan tingkat di mana orang meninggalkan pusat perbelanjaan. Jika Anda hanya memiliki 10 detik untuk menghitung orang, maka hasil yang Anda dapatkan akan sangat bervariasi tergantung pada kapan Anda mulai menghitung, dan keluar mana yang Anda pilih. Jika Anda memiliki 10 menit untuk menghitung orang, maka Anda akan mendapatkan jawaban yang jauh lebih stabil yang akan serupa untuk semua pintu keluar (dengan asumsi tidak ada preferensi pribadi untuk keluar) dan melintasi jendela waktu 10 menit yang berbeda (dengan asumsi tidak ada faktor lain yang memengaruhi hasil).
Itulah yang terjadi ketika Anda menggunakan pengaturan ISO tinggi, Anda menangkap sangat sedikit foton sehingga satu set piksel tetangga yang menutupi objek dengan warna seragam dapat menerima masing-masing 4, 3, 4, dan 5 foton, jadi alih-alih warna seragam yang halus Anda mendapatkan hasil kasar yang berubah untuk setiap piksel.
Derau ini disebut derau foton dan merupakan sumber derau dominan dalam gambar ISO tinggi kecuali dalam bayangan. Bahkan jika Anda memiliki sensor sempurna yang menghitung dan dengan setia melaporkan setiap foton yang mengenai sensor Anda masih akan memiliki sejumlah besar noise dalam cahaya rendah.
Itu tidak berarti bahwa kita telah mencapai batas kinerja ISO tinggi. Belum juga. Kebisingan foton murni berbutir sangat halus kurang disukai daripada noise pola kasar yang diamati pada foto ISO tinggi.
Mengurangi pixel lintas bicara, meningkatkan elektronik secara umum mungkin hanya memiliki efek kecil dalam mengurangi amplitudo kebisingan , tetapi efek yang lebih besar pada peningkatan kualitas kebisingan .
Wikipedia memiliki simulasi sensor "sempurna" di mana noise foton hanyalah sumber derau:
Klik untuk versi yang lebih besar di mana Anda dapat melihat piksel individual. Gambar oleh Mdf, beberapa hak dilindungi undang-undang.
Ini berlaku untuk waktu pemaparan yang sangat singkat , tetapi seberapa pendek? Bisakah Anda menambahkan beberapa (perkiraan) nilai untuk berbagai eksposur dalam gambar contoh. Apakah kita berbicara tentang 1 nano detik hingga 10 nano detik, atau apakah kita sedang mendekati waktu paparan kinerja kamera "normal" ? Saya menyadari ini akan tergantung pada jumlah cahaya, tetapi sebagai contoh adegan dalam ruangan "normal".
Håkon K. Olafsen
Saya suka jawaban ini, tetapi `Anda menangkap sangat sedikit foton sehingga satu set piksel tetangga yang menutupi objek dengan warna seragam mungkin masing-masing menerima 4, 3, 4, dan 5 foton` - bukankah kita masih berbicara jutaan foton?
Kirk Broadhurst
@KirkBroadhurst Itulah intinya: dalam cahaya rendah kita tidak. Visi manusia kira-kira logaritmik, dan "skala berhenti" juga logaritmik. One stop less light berarti setengah dari jumlah foton. Jika Anda mulai membagi dua, Anda hanya dapat memperoleh beberapa foton dengan sangat cepat . Jika Anda berorientasi matematis, Anda mungkin ingin membaca tentang proses Poisson . Secara umum, jika Anda memiliki kfoton rata-rata per pixel, besarnya noise pixel akan menjadi sqrt(k).
Szabolcs
@KirkBroadhurst Secara historis, model cahaya pertama adalah sebagai "sinar" (optik geometris). Kemudian muncul gelombang optik. Kemudian mekanika kuantum --- cahaya terbuat dari unit diskrit. Sangat menarik untuk berpikir bahwa fenomena yang terkait dengan masing-masing model (dan tidak dapat dijelaskan oleh yang sebelumnya) memang memiliki arti praktis dalam fotografi digital.
Szabolcs
@Matt Grum - Paragraf kedua tampaknya tidak lengkap.
Michael C
10
Kurangi itu, ya. Sebagai contoh, Canon 5D Mark III 2/3 stop lebih baik daripada Canon 5D dalam kinerja ISO tinggi, meskipun sensor mereka berukuran sama, karena tujuh tahun lebih baru. Tentu saja, kinerja masa lalu tidak selalu menunjukkan hasil di masa depan, tetapi saya tidak melihat alasan untuk kenaikan bertahap untuk tidak terus dilakukan.
Menghilangkannya sepenuhnya secara fisik tidak mungkin. Saat Anda mencapai ISO dalam jutaan, Anda mencoba mengekstrak data dari beberapa foton. Terlepas dari seberapa baik teknologi Anda, informasi itu tidak ada di sana untuk Anda ekstrak.
Sekarang, untuk mendapatkan "sempurna" untuk semua ISO di bawah, katakanlah, 3200, perhatikan bahwa sebenarnya tidak ada standar yang konsisten untuk "sempurna." Anda mungkin mengembangkan beberapa teknologi baru yang luar biasa yang mencapai batas teoritis rasio signal-to-noise, tetapi apakah itu benar-benar penting ketika mata saya mengklaim bahwa pixel ini seharusnya # 0f3ed2, Anda mengklaim itu seharusnya # 0e3fd4, dan sensor berpikir itu # 0d3dd3?
"Sempurna" akan menjadi sensor penghitungan foton dengan kapasitas tak terbatas. Anda sebenarnya bisa melakukannya hari ini (kecuali untuk bagian kapasitas tak terbatas), tetapi itu akan sangat mahal. Tetapi bahkan itu akan berisik dalam cahaya rendah. Informasi itu tidak ada di sana seperti yang Anda sarankan.
Matt Grum
@MattGrum: Bagaimana jika kita dapat membuat sensor sensitif hanya untuk spektrum yang sangat sempit, sehingga hanya menghitung foton dari energi tertentu? bukankah itu menghilangkan sebagian besar kebisingan yang ada dalam sensor kontemporer dari hal-hal seperti efek termal?
PlasmaHH
2
@PlasmaHH - Anda masih terjebak dengan sifat cahaya yang non-deterministik. Tidak ada jalan lain, kecuali untuk menjaga "jajak pendapat" Anda berjalan cukup lama sehingga variasi sampel statistik dapat diabaikan. Atau, dalam hal fotografi, Anda membutuhkan pencahayaan yang lebih tinggi untuk mengurangi kebisingan. Pada titik tertentu, tidak peduli seberapa efisien sensor Anda, Anda akan memanggil terlalu sedikit orang untuk memprediksi hasil pemilihan secara akurat.
@StanRogers: Ah, maksud Anda suara yang terlihat mirip dengan foton yang melacak gambar dengan set sampel kecil. Saya selalu berpikir kebisingan sebagai sinyal tambahan "di atas" dari penghitungan foton yang sempurna.
PlasmaHH
@PlasmaHH Ya, persis. Tidak ada cukup foton (dalam hal ini, kita bisa berpura-pura foton benar-benar hanya beberapa bola yang berbeda memantul) untuk melukis gambar yang akurat. Ini menjadi jauh lebih baik jika Anda tidak peduli tentang warna (bahkan lebih untuk penglihatan manusia yang jauh lebih baik dalam melihat intensitas cahaya), tetapi masih terbatas. Ada juga beberapa noise di sensor (misalnya karena pembicaraan lintas foton, yang merupakan tempat photon-as-balls pecah), tetapi di situlah batasannya hanya praktis - sensor yang lebih besar dan lensa yang lebih baik menghilangkan ini hampir seluruhnya.
Luaan
7
Sudah terjadi! Pada film, atau digital awal, ISO tinggi berarti 400, pada kamera full-frame terbaru artinya 6400. Masalahnya adalah bahwa setiap kali itu terjadi, 'ISO tinggi' akan didefinisikan ulang menjadi lebih tinggi, atau dengan kata lain, ISO tinggi selalu berarti " begitu tinggi sehingga teknologi saat ini membuatnya berisik ". Seperti dicatat oleh Tony, pada akhirnya, ada keterbatasan fisik sejauh mana bisa berjalan.
Ia mencirikan berbagai jenis kebisingan yang mungkin terjadi, dan menjelaskan kepentingan relatifnya.
Suara tembakan foton
Baca kebisingan
Kebisingan pola
Kebisingan termal
Pixel response non-uniformity (PRNU)
Kesalahan kuantisasi.
Setelah membaca ini, Anda akan menyadari bahwa tidak mungkin sepenuhnya menghilangkan berbagai jenis noise sensor. Tentu saja dimungkinkan untuk meminimalkannya (dengan berbagai cara), tetapi ada juga keputusan desain lain yang harus dibuat oleh produsen kamera / sensor yang dapat menimbulkan masalah atau pertukaran (misalnya menerapkan offset pada konverter A / D, lihat Gambar. 10 + 11)
Mengenai pertanyaan Anda tentang batasan teoretis:
"Sumber kebisingan paling penting untuk eksposur tipikal adalah noise baca dan noise tembakan foton."
"Kebalikan dari kemiringan grafik PRNU (lihat Gambar 7 sebagai contoh) adalah batas atas untuk rasio S / N, kecuali jika PRNU dikompensasi untuk pasca-pemrosesan."
Ini adalah masalah dengan sensor secara umum - dari sensor optik hingga akselerometer dan gyro. Semua produk konsumen berurusan dengan ini dan mencoba untuk menyembunyikan suara dari pengguna - misalnya, ponsel Anda mampu merasakan getaran jauh di bawah level yang menyebabkannya mengambil tindakan, dan ada aplikasi yang dapat menunjukkan itu kepada Anda.
Setiap sensor yang mampu merekam sinyal secara akurat di dalam bidang yang diminati juga akan mampu merekam sinyal di luar bidang yang diminati, dan sinyal di bawah atau di atas ambang batas kepentingan umumnya disebut noise. 'Masalah' ini tidak terkait dengan sensor optik saja, ini terkait dengan keterbatasan fisik merasakan hal-hal yang kami minati.
Jadi jawabannya tidak - sensor apa pun yang 'tidak sensitif' cukup untuk menghilangkan noise juga akan menghilangkan beberapa sinyal yang kita inginkan, sehingga mustahil untuk membangun sensor yang tidak berisik.
kfoton rata-rata per pixel, besarnya noise pixel akan menjadisqrt(k).Kurangi itu, ya. Sebagai contoh, Canon 5D Mark III 2/3 stop lebih baik daripada Canon 5D dalam kinerja ISO tinggi, meskipun sensor mereka berukuran sama, karena tujuh tahun lebih baru. Tentu saja, kinerja masa lalu tidak selalu menunjukkan hasil di masa depan, tetapi saya tidak melihat alasan untuk kenaikan bertahap untuk tidak terus dilakukan.
Menghilangkannya sepenuhnya secara fisik tidak mungkin. Saat Anda mencapai ISO dalam jutaan, Anda mencoba mengekstrak data dari beberapa foton. Terlepas dari seberapa baik teknologi Anda, informasi itu tidak ada di sana untuk Anda ekstrak.
Sekarang, untuk mendapatkan "sempurna" untuk semua ISO di bawah, katakanlah, 3200, perhatikan bahwa sebenarnya tidak ada standar yang konsisten untuk "sempurna." Anda mungkin mengembangkan beberapa teknologi baru yang luar biasa yang mencapai batas teoritis rasio signal-to-noise, tetapi apakah itu benar-benar penting ketika mata saya mengklaim bahwa pixel ini seharusnya # 0f3ed2, Anda mengklaim itu seharusnya # 0e3fd4, dan sensor berpikir itu # 0d3dd3?
sumber
Sudah terjadi! Pada film, atau digital awal, ISO tinggi berarti 400, pada kamera full-frame terbaru artinya 6400. Masalahnya adalah bahwa setiap kali itu terjadi, 'ISO tinggi' akan didefinisikan ulang menjadi lebih tinggi, atau dengan kata lain, ISO tinggi selalu berarti " begitu tinggi sehingga teknologi saat ini membuatnya berisik ". Seperti dicatat oleh Tony, pada akhirnya, ada keterbatasan fisik sejauh mana bisa berjalan.
sumber
Melalui Hacker News, saya baru-baru ini menemukan makalah ini dari 2008, yang ditulis oleh profesor fisika Emil Martinec di waktu luangnya.
Kebisingan, Rentang Dinamis, dan Kedalaman Bit dalam SLR Digital
Ia mencirikan berbagai jenis kebisingan yang mungkin terjadi, dan menjelaskan kepentingan relatifnya.
Setelah membaca ini, Anda akan menyadari bahwa tidak mungkin sepenuhnya menghilangkan berbagai jenis noise sensor. Tentu saja dimungkinkan untuk meminimalkannya (dengan berbagai cara), tetapi ada juga keputusan desain lain yang harus dibuat oleh produsen kamera / sensor yang dapat menimbulkan masalah atau pertukaran (misalnya menerapkan offset pada konverter A / D, lihat Gambar. 10 + 11)
Mengenai pertanyaan Anda tentang batasan teoretis:
sumber
Ini adalah masalah dengan sensor secara umum - dari sensor optik hingga akselerometer dan gyro. Semua produk konsumen berurusan dengan ini dan mencoba untuk menyembunyikan suara dari pengguna - misalnya, ponsel Anda mampu merasakan getaran jauh di bawah level yang menyebabkannya mengambil tindakan, dan ada aplikasi yang dapat menunjukkan itu kepada Anda.
Setiap sensor yang mampu merekam sinyal secara akurat di dalam bidang yang diminati juga akan mampu merekam sinyal di luar bidang yang diminati, dan sinyal di bawah atau di atas ambang batas kepentingan umumnya disebut noise. 'Masalah' ini tidak terkait dengan sensor optik saja, ini terkait dengan keterbatasan fisik merasakan hal-hal yang kami minati.
Jadi jawabannya tidak - sensor apa pun yang 'tidak sensitif' cukup untuk menghilangkan noise juga akan menghilangkan beberapa sinyal yang kita inginkan, sehingga mustahil untuk membangun sensor yang tidak berisik.
sumber