In dieser Antwort gibt @jrista an, dass selbst eine Kamera mit einem perfekten, geräuschlosen Sensor aufgrund von "Poisson-Rauschen", auch bekannt als "Photon Shot Noise" , immer noch Rauschen aufweisen würde - Rauschen, das durch zufällige Variationen von Photonen verursacht wird, wodurch mehr Photonen eintreten Sinn als ein anderer.
Ich bin nur neugierig - ist dies ein wichtiges Anliegen für Fotografen aus der realen Welt? Ich würde davon ausgehen, dass dieses Rauschen so verschwindend gering wäre, dass wir es im Grunde als 0 betrachten können. Gibt es Studien, die messen, wie viel Rauschen durch Schrotrauschen verursacht wird, im Vergleich zu anderen Ursachen (wie elektrischem oder thermischem Rauschen von der Elektronik) ?
In den meisten Teilen der meisten Fotografien trägt das Photonenschussrauschen am meisten zum Rauschen bei .
Meistens vergleichen wir es mit Leserauschen. (Der Dunkelstrom ist bei kurzen Belichtungen vernachlässigbar, und das Quantisierungsrauschen ist auch ziemlich gering, wenn es um 12- und 14-Bit-ADCs geht.) Das Leserauschen hängt vom Sensor ab. Dieser Artikel aus dem Jahr 2007 präsentiert Messungen des Leserauschens für einige DSLRs . Wir sehen zum Beispiel, dass eine Canon 40D bei ISO 200 etwa 10 Elektronen (e-) Leserauschen hat.
Photon Shot Noise ist ein Poisson-Prozess , also ist das Rauschen die Quadratwurzel der Anzahl der Signalphotoelektronen. Wenn wir also 100 Signalphotoelektronen in einem Pixel unseres Motivs aufzeichnen, erwarten wir, dass das Schrotrauschen pro Pixel sqrt(100)=10 e- beträgt, was dem Leserauschen der 40D entspricht.
Sind 100 Photoelektronen viel? Nein, dieselbe Veröffentlichung schätzt die Full-Well-Kapazität eines 40D-Pixels auf 56.000 e-, also ist ein Pixel mit nur 100 e- ein sehr dunkler Teil der Szene, etwa 9 Stufen dunkler als Full-Well. In einem Pixel mit mehr als 100 e- nimmt das Schrotrauschen weiter zu, bis zu sqrt(56000)=236 bei Full-Well, sodass das Schrotrauschen das Leserauschen mit einem immer größeren Rand dominiert. (Die hellen Töne erscheinen weniger verrauscht als die dunklen Töne, weil der Signal-Rausch-Abstand immer größer wird, da das Rauschen nur noch die Quadratwurzel des Signals ist. Aber was es an Rauschen gibt, ist zunehmend auf Schrotrauschen zurückzuführen, nicht Lesegeräusch.)
In den sehr dunklen Schatten kann das Leserauschen erheblich sein. Und bei einer langen Dunkelbelichtung (z. B. Astrofotografie unter dunklem Himmel) können sowohl Dunkelstrom als auch Leserauschen wichtig sein. Aber für die allgemeine Fotografie von gut belichteten Motiven mit kurzen Belichtungszeiten ist Schrotrauschen die dominierende Rauschquelle.
Photonenschussrauschen oder Rauschen, das aus der Poisson-Verteilung von Photonen resultiert, wenn sie den Sensor erreichen, kann ein Problem sein, dem sich Fotografen in der realen Welt möglicherweise zumindest bewusst sein müssen. Mit zunehmender ISO sinkt auch das maximale Potential für das Signal. Mit jedem Anstieg der ISO sinkt Ihr maximales Signal um den Faktor zwei. Bei den meisten Belichtungen ist das Photonenschussrauschen bei weitem der bedeutendste Beitrag zum Rauschen. Elektronische Rauschquellen wirken sich nur auf die tiefen Schatten aus und treten normalerweise nur auf, wenn Sie anfangen, die Belichtung in der Post herumzuschieben (dh Schatten um ein erhebliches Maß anzuheben).
Geht man von einem Vollformatsensor mit einer Full Well Capacity (FWC) von 60.000 Elektronen aus, hat man bei ISO 100 einen maximalen Sättigungspunkt (MaxSat) von 60.000 Elektronen (e-). Bei ISO 200 würden Sie eine MaxSat von 30.000e-, ISO 400/15.000e-, ISO 800/7500e-, ISO 1600/3750e-, ISO 3200/1875e- haben. Eine Erhöhung des ISO-Werts reduziert das maximal mögliche Signal-Rausch-Verhältnis.
Dieser Faktor ist wahrscheinlich der wichtigste bei der Kaufentscheidung für eine Kamera. Ein Vollformatsensor hat größere Pixel als ein APS-C-Sensor mit der gleichen Megapixelzahl. Unser 60.000 FWC auf unserem hypothetischen FF-Sensor könnte ein 20.000-25.000 FWC auf einem APS-C-Sensor sein. Wenn Sie eine überlegene Leistung bei schlechten Lichtverhältnissen benötigen, erhöht die Verwendung eines Vollbildsensors und weniger Megapixel die Pixelgröße, was sich DIREKT auf die Menge des sichtbaren Rauschens bei höheren ISO-Einstellungen auswirkt.
Das Schussrauschen von Photonen im Verhältnis zum Gesamtsignal nimmt mit zunehmender Signalstärke ab. Als absoluter Faktor (Standardabweichung um den mittleren Signalpegel) ist das Photonenschussrauschen wahrscheinlich ungefähr konstant. Wenn Sie eine Standardabweichung von 5 Einheiten annehmen und die Signalstärke ebenfalls 5 beträgt, haben Sie ein Bild, das hauptsächlich aus Rauschen zu bestehen scheint, möglicherweise mit teilweisen, aber weitgehend undeutlichen "Formen". Wenn die Signalstärke 10 Einheiten beträgt, beträgt das SNR 50 %. Sie werden immer noch ein sehr verrauschtes Bild haben, aber es wird ein Bild mit deutlicherer Form und Struktur sein. Tatsächlich ist das Photonenschussrauschen, das einer Poisson-Verteilungsfunktion folgt, gleich der Quadratwurzel des Signalpegels. Bei ISO 100 hat der FF-Sensor mit einer FWC von 60.000 e- ein Photonenschussrauschen, das 244 e- entspricht. Ein APS-C-Sensor mit 20, 000e- FWC hat ein Photonenschussrauschen, das 141e- entspricht. Bei ISO 200 wäre das Photonenschussrauschen 173e- bzw. 122e-, bei ISO 400 wären es 122e- und 70e- usw. Bei ISO 100 beträgt das FF-Photonenrauschen 0,004% des Signals, bei ISO 200 seine 0,006 %, ISO 400 seine 0,008 % usw. Umgekehrt sind diese Werte für APS-C ISO 100/0,007 %, ISO 200/0,012 %, ISO 400/0,014 % usw.
Kleinere Sensoren haben zunächst ein etwas niedrigeres SNR als FF-Sensoren, da Zeilen-/Spaltenaktivierungs- und Leseverdrahtung tendenziell mehr relativen Fotodiodenplatz verbrauchen. In Kombination mit der kleineren FWC ist man bei der ISO-Erhöhung sofort im Nachteil. Der FF-Sensor hat einen Rauschvorteil von ca. 60 % (By: 244/60000 / 141/20000 = 0,577). Unter der Annahme, dass bei dieser Einstellung im Allgemeinen Rauschen sichtbar ist, erscheint der FF-Sensor bei derselben ISO-Einstellung immer weniger verrauscht als ein APS-C-Sensor. Im Fall unserer beiden hypothetischen Sensoren ist ISO 100 auf dem APS-C nur geringfügig besser als ISO 400 auf dem FF, fast zwei Vollstufen Unterschied in der relativen Rauschleistung! Gleiches würde für zwei FF-Sensoren gelten, einer mit großen Pixeln und einer mit um den Faktor 1,6 kleineren Pixeln. Dies setzt eine Beobachtung mit 100 % Crop voraus (d. h. Pixel-Peeping).
Wie viel Lärm stammt von Schrotrauschen und wie viel von anderen Quellen? Die "anderen Quellen" hängen wirklich vom Sensor ab. Das Leserauschen wird normalerweise in Form von DU (digitale Einheiten oder Post-ADC) oder e- (Elektronen, analoge Signalladung) gemessen. Die Canon 7D hat ein Leserauschen von 8,6e- bei ISO 100, aber 4,7e- bei ISO 200, 3,3e- bei ISO 400 usw. Die Canon 1D X hat ein Leserauschen von 38,2e- (!) bei ISO 100. Die Ein größeres Leserauschen ist letztendlich proportional zur Fläche der Fotodiode ... größere Pixel führen mehr Strom, sodass der Dunkelstrom höher ist und die nachgeschaltete Verstärkung eine größere Menge an elektronischem Rauschen relativ zum Signal erhöht. Die 1D X hat jedoch eine FWC von 90.300, was bedeutet, dass ein Leserauschen im Wert von 38 e ein winziger Bruchteil des maximal möglichen ISO100-Signals ist (0,00042 %, um genau zu sein).
In allen Fällen von Lärm hängt es wirklich von Ihren Zielen ab. Wenn Sie dazu neigen, bei schwachem Licht zu fotografieren oder sehr lange Verschlusszeiten benötigen, wird eine Kamera mit größeren Pixeln wahrscheinlich die besten Rauscheigenschaften erzeugen. Wenn Sie Motive mit vielen Details aufnehmen, ist eine höhere Pixeldichte wahrscheinlich wichtiger als ein geringes Rauschen. Hier gibt es keine wirklich klare Antwort.
† Lichtmenge, unter der Annahme einer festen Lichtart, die Lichtmenge, die den Sensor bei einer bestimmten Blende und Verschlusszeit erreicht, oder äquivalente Verhältnisse davon: f/16 1/100 s, f/8 1/200 s, f/4 1 /800s, alle gleich EV.
Sie kommen definitiv in den Bereich der Randfotografie, wenn Sie versuchen, Schrotrauschen und Signal zu identifizieren. Zum Glück waren die Astrofotografen schon einmal hier.
Es gibt eine anständige Artikelserie für Laien, die sich mit dem Verständnis von Rauschen und Signal befasst, die von Craig Stark veröffentlicht wurde.
In Teil eins hier beschreibt er die grundlegende Prämisse des Schrotrauschens und warum Skyglow so schlecht für die Astronomie ist – es erhöht das Schrotrauschen, ohne weitere Informationen hinzuzufügen. Im Wesentlichen können Sie ein höheres Plateau der Lichtstärke haben, aber es ist flach und raubt daher den Kontrast.
In Teil zwei hier geht er näher auf die Unterschiede zwischen Schuss-, Lese- und thermischem Rauschen ein, beispielsweise bei Fotografien.
In Teil drei hier beschreibt er eine Methode, um die Leistung bestimmter Kameras zu messen und so ein Modell für Rauschprofile zu gewinnen. Dies kann Ihre Frage "Was sind die Unterschiede zwischen den Arten von Rauschen" am besten beantworten.
Zurück zu Ihrer grundlegenden Frage: Ist es für die meisten Fotografien relevant? Nicht wirklich, bis Sie anfangen, in den Extremen anderer Arten von Rauschen (Thermik und Lesen) zu fotografieren, wenn das SNR verzerrt wird.
jrista