Könnten zukünftige Fortschritte in der Sensortechnologie Rauschen reduzieren oder eliminieren?

Es ist sehr wichtig zu wissen, dass es nicht die hohe ISO-Einstellung selbst ist, die zu einem verrauschten Bild führt, sondern die Tatsache, dass die Verwendung einer hohen ISO-Einstellung bedeutet, dass Sie sehr wenig Licht einfangen.

Licht besteht aus Photonen, die zufällig von einer Lichtquelle emittiert werden. Wenn die Lichtverhältnisse niedrig oder die Belichtungszeit sehr kurz ist, schwankt die Anzahl der Photonen, die Sie erhalten, erheblich

Stellen Sie sich vor, Sie versuchen zu schätzen, wie schnell Menschen ein Einkaufszentrum verlassen. Wenn Sie nur 10 Sekunden Zeit haben, um Personen zu zählen, wird das Ergebnis, das Sie erhalten, stark davon abhängen, wann genau Sie mit dem Zählen beginnen und welchen Ausgang Sie gewählt haben. Wenn Sie 10 Minuten Zeit haben, um Personen zu zählen, erhalten Sie eine viel stabilere Antwort, die für alle Ausgänge ähnlich ist (vorausgesetzt, es gibt keine persönliche Vorliebe für Ausgänge) und über verschiedene 10-Minuten-Zeitfenster hinweg (vorausgesetzt, es gibt keine anderen Faktoren, die dies beeinflussen das Ergebnis).

Das passiert, wenn Sie eine hohe ISO-Einstellung verwenden, Sie erfassen sehr wenige Photonen, sodass eine Reihe benachbarter Pixel, die ein Objekt mit einheitlicher Farbe bedecken, möglicherweise jeweils 4, 3, 4 und 5 Photonen empfangen, also anstelle einer glatten, einheitlichen Farbe Sie erhalten ein körniges Ergebnis, das sich für jedes Pixel ändert.

Dieses Rauschen wird als Photonenrauschen bezeichnet und ist die dominierende Rauschquelle in Bildern mit hohem ISO-Wert, außer in den Schatten. Selbst wenn Sie einen perfekten Sensor hätten, der jedes Photon, das auf den Sensor trifft, gezählt und getreu gemeldet hätte, hätten Sie bei schwachem Licht immer noch eine erhebliche Menge an Rauschen.

Das heißt nicht, dass wir die Grenze der hohen ISO-Leistung erreicht haben. Noch nicht ganz. Reines Photonenrauschen ist sehr feinkörnig und weniger störend als das klumpige Musterrauschen, das bei Fotografien mit hohem ISO-Wert beobachtet wird.

Das Reduzieren des Pixelübersprechens und das Verbessern der Elektronik im Allgemeinen haben möglicherweise nur einen kleinen Effekt bei der Reduzierung der Rauschamplitude , aber einen größeren Effekt bei der Verbesserung der Rauschqualität .

Wikipedia hat eine Simulation des "perfekten" Sensors, bei dem Photonenrauschen nur die Rauschquelle ist:

Klicken Sie für eine größere Version, in der Sie einzelne Pixel erkennen können. Bild von MDF einige Rechte vorbehalten.

Reduzieren, ja. Zum Beispiel ist die Canon 5D Mark III 2/3 Stufen besser als die Canon 5D in der hohen ISO-Leistung, obwohl ihre Sensoren die gleiche Größe haben, weil sie sieben Jahre neuer ist. Natürlich ist die Wertentwicklung in der Vergangenheit nicht unbedingt ein Hinweis auf zukünftige Ergebnisse, aber ich sehe keinen Grund dafür, dass keine zusätzlichen Gewinne erzielt werden sollten.

Es vollständig zu eliminieren ist physikalisch unmöglich. Wenn Sie zu einer ISO in Millionenhöhe kommen, versuchen Sie, Daten aus ein paar Photonen zu extrahieren. Unabhängig davon, wie gut Ihre Technologie ist, die Informationen sind einfach nicht für Sie da, um sie zu extrahieren.

Nun, um es für alle ISOs unter, sagen wir, 3200 „perfekt“ zu machen, beachten Sie, dass es keinen wirklich einheitlichen Standard für „perfekt“ gibt. Sie könnten eine erstaunliche neue Technologie entwickeln, die eine theoretische Grenze im Signal-Rausch-Verhältnis erreicht, aber spielt das wirklich eine Rolle, wenn meine Augen behaupten, dieses Pixel sollte #0f3ed2 sein, Sie behaupten, es sollte #0e3fd4 sein, und der Sensor denkt, es sei # 0d3dd3?

Es ist schon passiert! Bei Filmen oder frühen Digitalkameras bedeutete ein hoher ISO-Wert 400, bei den neuesten Vollbildkameras bedeutet er 6400. Das Problem ist, dass „Hoher ISO“ jedes Mal neu definiert wird, um noch höher zu sein, oder mit anderen Worten, ein hoher ISO-Wert bedeutet immer „ so hoch, dass die aktuelle Technologie es laut macht". Wie Tony feststellte, gibt es schließlich physische Einschränkungen, wie weit es gehen kann.

Über Hacker News bin ich kürzlich auf diese Abhandlung aus dem Jahr 2008 gestoßen, die der Physikprofessor Emil Martinec offenbar in seiner Freizeit verfasst hat.

Rauschen, Dynamikbereich und Bittiefe in digitalen Spiegelreflexkameras

Er charakterisiert die verschiedenen möglichen Geräuscharten und beschreibt ihre relative Bedeutung.

• Photonenschussrauschen
• Lärm lesen
• Musterrauschen
• Thermisches Rauschen
• Ungleichmäßigkeit der Pixelantwort (PRNU)
• Quantisierungsfehler.

Nachdem Sie dies gelesen haben, werden Sie feststellen, dass es unmöglich ist, die verschiedenen Arten von Sensorrauschen vollständig zu entfernen. Sicherlich ist es möglich, sie (auf verschiedene Weise) zu minimieren, aber es gibt auch andere Designentscheidungen, die der Kamera-/Sensorhersteller treffen muss, die andere Probleme oder Kompromisse mit sich bringen können (z. B. das Anwenden von Offsets im A/D-Wandler, siehe Abb. 10+11)

Zu deinen Fragen bezüglich einer theoretischen Grenze:

„Die wichtigsten Rauschquellen für typische Belichtungen sind Leserauschen und Photonenschussrauschen.“

"Der Kehrwert der Steigung des PRNU-Diagramms (siehe Abbildung 7 für ein Beispiel) ist eine Obergrenze für das S/N-Verhältnis, es sei denn, PRNU wird in der Nachbearbeitung kompensiert."

Dies ist im Allgemeinen ein Problem mit Sensoren – von optischen Sensoren bis hin zu Beschleunigungsmessern und Kreiseln. Alle Verbraucherprodukte befassen sich damit und versuchen, die Geräusche vor dem Benutzer zu verbergen - Ihr Telefon ist beispielsweise in der Lage, Vibrationen zu erkennen, die weit unter dem Niveau liegen, das es zum Handeln veranlasst, und es gibt Apps, die Ihnen das zeigen können.

Jeder Sensor, der in der Lage ist, Signale innerhalb des interessierenden Bereichs genau aufzuzeichnen, ist auch in der Lage, Signale außerhalb des interessierenden Bereichs aufzuzeichnen, und Signale unter oder über dem interessierenden Schwellenwert werden im Allgemeinen als Rauschen bezeichnet. Dieses „Problem“ bezieht sich nicht nur auf optische Sensoren, sondern auf die physikalischen Grenzen der Wahrnehmung der Dinge, an denen wir interessiert sind.

Die Antwort lautet also nein - jeder Sensor, der „unempfindlich“ genug ist, um Rauschen zu eliminieren, eliminiert auch einen Teil des gewünschten Signals, wodurch es unmöglich wird, rauschfreie Sensoren zu bauen.