センサー技術の将来の進歩は、ノイズを削減または排除する可能性がありますか？

将来の技術の進歩により、高ISO設定を使用している場合にノイズが減少または除去される可能性はありますか、またはこのノイズは避けられず、すべてのデジタルセンサーに固有のものですか？

ノイズが避けられない理論的な限界がある場合、それにどれくらい近いでしょうか？

ノイズの多い画像になるのは高ISO設定自体ではないことを認識することは非常に重要です。高ISO設定を使用すると、撮影する光が非常に少なくなるという事実です。

光は、光源からランダムに放出される光子で構成されています。光レベルが低い場合、または露光時間が非常に短い場合、取得するフォトンの数は、

人々がショッピングモールを離れる割合を推定しようとしているとします。人を数えるのに10秒しかない場合、得られる結果は、カウントを開始した正確なタイミングと選択した出口によって大きく異なります。人を数える時間が10分間ある場合、すべての出口（出口に個人的な好みがないと仮定）および異なる10分の時間枠（他の要因に影響がないと仮定）で同様のはるかに安定した回答が得られます結果）。

これは、高ISO設定を使用する場合に発生することであり、非常に少ないフォトンをキャプチャするため、均一な色のオブジェクトをカバーする隣接ピクセルのセットは、それぞれ4、3、4、および5のフォトンを受け取るため、滑らかな均一な色の代わりにピクセルごとに変化する粗い結果が得られます。

このノイズはフォトンノイズと呼ばれ、シャドウを除く高ISOイメージのノイズの主な発生源です。センサーに当たる各光子を数え、忠実に報告する完璧なセンサーがあったとしても、暗い場所ではかなりの量のノイズが残っています。

だからといって、高ISO性能の限界に達したというわけではありません。まだまだありません。純粋なフォトンノイズは非常に細かく、高ISO写真で観察される塊状のパターンノイズよりも不快ではありません。

ピクセルのクロストークを減らし、一般的に電子機器を改善しても、ノイズの振幅を小さくする効果はわずかですが、ノイズの品質を改善する効果は大きくなります。

ウィキペディアには、フォトンノイズがノイズ源にすぎない「完全な」センサーのシミュレーションがあります。

個々のピクセルを作成できる大きなバージョンをクリックします。画像はMDFによって一部の権利が留保されています。

はい、減らします。たとえば、キヤノン5DマークIIIは、高感度性能のキヤノン5Dより2/3ストップ優れていますが、センサーは同じサイズですが、7年新しいためです。もちろん、過去のパフォーマンスは必ずしも将来の結果を示すものではありませんが、インクリメンタルな利益が継続しない理由はないと思います。

完全に除去することは物理的に不可能です。数百万のISOに到達するとき、数個の光子からデータを抽出しようとしています。テクノロジーがどれほど優れているかに関係なく、情報は抽出するためにそこにありません。

さて、たとえば3200の下ですべてのISOに対して「完璧」にするためには、「完璧」に一貫した標準が実際にはないことに注意してください。S / N比の理論的な限界に達する驚くべき新しい技術を開発するかもしれませんが、私の目がこのピクセルが＃0f3ed2であると主張するとき、それは本当に重要であり、＃0e3fd4であると主張し、センサーはそれが0d3dd3？

すでに起こった！フィルム、または初期デジタル、高ISOは400を意味し、最新のフルフレームカメラでは6400を意味します。問題は、そのたびに「高ISO」がさらに高くなるように再定義されることです。非常に高いため、現在の技術ではノイズが多くなります」。トニーが指摘したように、最終的には、それがどこまで進むことができるかについて物理的な制限があります。

Hacker Newsを通して、私は最近、物理学の教授であるEmil Martinecが空き時間に書いた2008年のこの論文に出会いました。

デジタルSLRのノイズ、ダイナミックレンジ、ビット深度

彼は可能性のあるさまざまなタイプのノイズを特徴づけ、それらの相対的な重要性を説明します。

• フォトンショットノイズ
• 読み取りノイズ
• パターンノイズ
• 熱雑音
• ピクセル応答の不均一性（PRNU）
• 量子化エラー。

これを読んだ後、さまざまな種類のセンサーノイズを完全に除去することは不可能であることがわかります。確かに（さまざまな方法で）それらを最小化することは可能ですが、他の問題やトレードオフを導入する可能性のあるカメラ/センサーメーカーが行う必要がある他の設計決定もあります（A / Dコンバーターでオフセットを適用する、図を参照してください） 10 + 11）

理論的な限界に関する質問について：

「一般的な露光で最も重要なノイズ源は、読み取りノイズとフォトンショットノイズです。」

「PRNUグラフの傾きの逆数（例については図7を参照）は、後処理でPRNUが補正されない限り、S / N比の上限です。」

これは一般的なセンサーの問題です-光学センサーから加速度計やジャイロまで。すべての消費者製品はこれに対処し、ユーザーからノイズを隠そうとします-たとえば、お使いの携帯電話は、アクションを起こすレベル以下の振動を感知することができ、それを示すことができるアプリがあります。

対象領域内で信号を正確に記録できるセンサーは、対象領域外の信号も記録できます。対象閾値を下回るまたは上回る信号は一般にノイズと呼ばれます。この「問題」は、光学センサーだけに関係するのではなく、関心のあるものを感知する物理的な制限に関係しています。

したがって、答えはノーです。ノイズを除去するのに十分な「鈍感」なセンサーは、必要な信号の一部も除去し、ノイズのないセンサーを構築することは不可能になります。