ポアソンノイズ(「ショットノイズ」)は、一般的な写真の重要なノイズ源ですか?


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では、この答えは、その完璧でも、カメラ@jrista状態は、ノイズのないセンサーは、まだ「ポアソンノイズ」別名へのノイズによるものだろう「ノイズフォトンショット」 -ノイズいずれかを入力するより多くの光子を引き起こす光子のランダムな変動に起因します別のものより感覚。

私は好奇心旺盛です-これは現実の写真家にとって重要な懸念事項ですか?このノイズは非常に小さいので、基本的には0と見なすことができると 思います。ショットノイズからのノイズと他の原因 (電子機器からの電気的ノイズや熱的ノイズなど) を測定した研究はありますか?

回答:


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ほとんどの写真のほとんどの部分では、フォトンショットノイズはに最大の要因であるノイズ

ほとんどの場合、それをノイズの読み取りと比較しています。(12ビットおよび14ビットADCの場合、暗電流は短時間の露出では無視でき、量子化ノイズもかなり小さいです。)読み取りノイズはセンサーに依存します。この2007年のペーパーでは、いくつかのDSLRの読み取りノイズ測定について説明します。たとえば、ISO 200のCanon 40Dには約10電子(e-)の読み取りノイズがあることがわかります。

フォトンショットノイズはポアソンプロセスであるため、ノイズは信号光電子のカウントの平方根です。したがって、被写体のピクセルで100個の信号光電子を記録する場合、ピクセルあたりのショットノイズはsqrt(100)= 10 e-であり、40Dの読み取りノイズに等しいと予想されます。

100光電子はたくさんありますか?いいえ、同じ論文では、40Dピクセルのフルウェル容量は56,000 e-と見積もられています。したがって、100 e-のみのピクセルはシーンの非常に暗い部分であり、約9ストップはフルウェルより暗いです。100 e-を超えるピクセルでは、ショットノイズが増加し続け、フルウェルで最大sqrt(56000)= 236になるため、ショットノイズは読み取りノイズよりもマージンがますます大きくなります。(ノイズは信号の平方根に過ぎないため、S / N比が増加し続けるため、明るいトーンは暗いトーンよりもノイズが少ないように見えます。しかし、そこにあるノイズは、ショットノイズではなく、読み取りノイズ。)

非常に暗い影では、読み取りノイズが大きくなる場合があります。また、長時間の暗い露出(暗い空の下での天体写真など)では、暗電流と読み取りノイズの両方が重要になる場合があります。しかし、露出時間が短い露出の良い被写体の一般的な写真では、ショットノイズが主要なノイズ源です。


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フォトンショットノイズ、またはフォトンがセンサーに到達したときのフォトンのポアソン分布から生じるノイズは、現実の写真家が少なくとも認識しておく必要がある問題である可能性があります。ISOが増加すると、信号の最大電位も低下します。ISOの増加が止まるたびに、最大信号は2倍に減少します。ほとんどの露出では、フォトンショットノイズがノイズに最も大きく寄与しています。電子的なノイズ源は深い影にのみ影響し、通常はポストで露出を押し始めたときにのみ現れます(つまり、影をかなり持ち上げます)。

フルウェルキャパシティ(FWC)が60,000電子であるフルフレームセンサーを想定すると、ISO 100では、最大飽和点(MaxSat)が60,000電子(e-)になります。ISO 200では、30,000e-、ISO 400 / 15,000e-、ISO 800 / 7500e-、ISO 1600 / 3750e-、ISO 3200 / 1875e-のMaxSatになります。ISOを上げると、本質的に信号対雑音比の最大値が下がります。

この要素は、購入するカメラを決定するときにおそらく最も重要です。フルフレームセンサーのピクセル数は、同じメガピクセルカウントのAPS-Cセンサーよりも大きくなります。仮想FFセンサーの60k FWCは、APS-Cセンサーの20k-25k FWCかもしれません。優れた微光性能が必要な場合は、フルフレームセンサーと少ないメガピクセルを使用すると、ピクセルサイズが大きくなるため、より高いISO設定で可視ノイズの量に直接影響を及ぼします。

全信号の比率としてのフォトンショットノイズは、信号強度が増加するにつれて低下します。絶対的な要因(平均信号レベルの標準偏差)として、フォトンショットノイズはほぼ一定です。信号強度も5である場合、標準偏差が5単位であると仮定すると、ほとんどがノイズであるように見え、おそらく部分的ではあるがほとんど不明瞭な「形状」の画像になります。信号強度が10単位の場合、SNRは50%です。非常にノイズの多い画像が残りますが、より明確な形状と構造を持つ画像になります。実際には、ポアソン分布関数に従うフォトンショットノイズは、信号レベルの平方根に等しくなります。ISO 100では、60,000e- FWCのFFセンサーは、244e-に相当するフォトンショットノイズを持ちます。20のAPS-Cセンサー 000e- FWCには、141e-に相当するフォトンショットノイズがあります。ISO 200では、フォトンショットノイズはそれぞれ173e-と122e-、ISO 400は122e-と70e-などになります。比率の問題として、ISO 100では、FFフォトンノイズは信号の0.004%、ISO 200です。その0.006%、ISO 400、0.008%など。逆に、APS-Cの場合、これらの値はISO 100 / 0.007%、ISO 200 / 0.012%、ISO 400 / 0.014%などです。

小さいセンサーは、最初にFFセンサーよりもSNRがわずかに低くなります。これは、行/列のアクティブ化と読み取りの配線により、相対的なフォトダイオードスペースが消費される傾向があるためです。より小さなFWCと組み合わせると、ISOの向上に関してすぐに不利になります。FFセンサーには、約60%のノイズの利点があります(By:244/60000 / 141/20000 = 0.577)。同じISO設定で、その設定でノイズが一般的に見えると仮定すると、FFセンサーは常にAPS-Cセンサーよりもノイズが少ないように見えます。私たちの2つの仮想センサーの場合、APS-CのISO 100はFFのISO 400よりもわずかに優れており、相対ノイズパフォーマンスはほぼ2ストップ違います!同じことが2つのFFセンサーにも当てはまります。1つは大きなピクセルで、もう1つは1.6倍小さいピクセルです。これは、観察を100%の切り取り(つまり、ピクセルののぞき見)と想定しています。

ショットノイズからのノイズの量、および他のソースからのノイズの量について。「その他のソース」は実際にはセンサーに依存します。読み取りノイズは通常、DU(デジタルユニット、またはポストADC)またはe-(電子、アナログ信号電荷)で測定されます。Canon 7Dの読み取りノイズはISO 100では8.6e-ですが、ISO 200では4.7e-、ISO 400では3.3e-です。Canon1D XはISO 100で38.2e-(!)の読み取りノイズを持っています。読み取りノイズが大きくなると、最終的にフォトダイオードの面積に比例します。ピクセルが大きくなるほど、より多くの電流が流れるため、暗電流が高くなり、下流の増幅により、信号に比べてより多くの電子ノイズが増加します。ただし、1D XにはFWC 90,300があります。つまり、38e相当の読み取りノイズは、最大の潜在的なISO100信号(正確には0.00042%)のごく一部です。

ノイズのすべてのケースで、それは本当にあなたの目標に依存します。暗い場所で撮影する傾向がある場合、または非常に高いシャッタースピードが必要な場合は、大きなピクセルのカメラを見つけると、おそらく最高のノイズ特性が得られます。高精細な被写体を撮影する場合、低ノイズよりもピクセル密度を高くすることがおそらく重要です。ここに本当の正解はありません。


†固定光源を想定した光量、特定の絞りとシャッタースピードでセンサーに到達する光の量、またはそれらの同等の比率:f / 16 1 / 100s、f / 8 1 / 200s、f / 4 1 / 800s、すべて同じEV。


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センサーの読み取りノイズレベルに関する参考資料として、sensorgen.infoは優れたリソースです。これは主に、センサーハードウェア機能の効果的な直接測定であるDXOMark画面測定に基づいています。
jrista

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ショットノイズ対信号を識別しようとするとき、フリンジ写真の範囲に入ります。幸いなことに、天体写真家は以前ここにいたことがあります。

Craig Starkによって発行された、ノイズ対信号を理解するための素人向けのまともなシリーズの記事があります。

ではここで、部品1、彼はノイズ、ショットの基本的な前提を説明し、天文学のために悪いので、なぜskyglowがある-それはより多くの情報を追加することなく、ノイズのショットを向上させます。基本的に、光の高さのプラトーを高くすることができますが、フラットであるため、コントラストが失われます。

ではここでパート2、彼は、例えば、写真の熱雑音対読み取り対ショットの違いについてさらに詳しく説明します。

では、ここで一部3、彼は特定のカメラの性能を測定するため、ノイズプロファイルのためのモデルを獲得する方法を説明しています。これは、「ノイズの種類の違いは何ですか」という質問に最もよく答える場合があります。

基本的な質問に戻ります。ほとんどの写真に関連していますか。SNRが歪んだときに他の種類のノイズ(熱および読み取り)の極端な状態で撮影を開始するまでは、実際にはそうではありません。

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