Warum tritt Bildrauschen auf?

Warum sind digitale Bilder, die mit einem hohen ISO aufgenommen wurden (was bedeutet, dass der Kamerasensor viel lichtempfindlicher ist), so viel körniger als Bilder, die mit einem niedrigeren ISO aufgenommen wurden? Hier ist ein Beispiel für die Art von Getreide, von der ich spreche. Zuerst dachte ich, dies sei eine Einschränkung der Kamerapräzision,

Der ISO-Wert einer Digitalkamera ist die Verstärkung des Signals (und des Rauschens). Bei hellen Lichtverhältnissen können Sie keine hohe ISO-Einstellung verwenden, da Ihr Bild weiß wäre. Mit einer helleren Szene und einer niedrigeren ISO-Zahl verstärken Sie Signal und Rauschen weniger; das gewünschte Bild ist heller und das Rauschen wird nicht verstärkt.

... aber das Gleiche passiert mit Ihren Augen, wenn es dunkel ist – alles bekommt ein körniges Aussehen. Warum passiert das? Ist das eine Eigenschaft des Lichts selbst?

Es ist keine Eigenschaft des Lichts oder dasselbe.

Die Körnigkeit Ihrer Sicht bei schwachem Licht ist das, was passiert, wenn sogar Bereiche mit hellen oder dunklen, statischen Schwankungen in eine bestimmte Form, Farbe oder einen bestimmten Ton gemittelt werden; aber mit dem Mangel an Farbsehen ( photopisch ).

Die „Körnigkeit“ ist viel weniger wahrnehmbar, wenn viel Licht vorhanden ist, da Ihr Gehirn über viel mehr Informationen verfügt, um die Formen, Bewegungen, Farben und Töne zu erkennen, auf die unsere Sicht (in unserem Gehirn) eingestellt ist, um darauf zu achten.

Eine Kombination aus skotopischem und mesopischem Sehen beeinflusst die Sehschärfe und wird Purkinje-Verschiebung genannt .

Eine technischere Erklärung wird angeboten in: „ Mechanism for selected synaptic wiring of rod photoreceptors into the retinal circuitry and its role in vision ( 2. Quelle ) (23. September 2015), von Yan Cao, Ignacio Sarria, Katherine E. Fehlhaber, Naomi Kamasawa , Cesare Orlandi, Kiely N. James, Jennifer L. Hazen, Matthew R. Gardner, Michael Farzan, Amy Lee, Sheila Baker, Kristin Baldwin, Alapakkam P. Sampath, Kirill A. Martemyanov, wo sie erklären:

„Stäbchen sind hochempfindlich und in der Lage, auf einzelne Photonen zu reagieren, wodurch eine absolute Sehschwelle festgelegt wird. Zapfen sind weniger empfindlich, können aber auf einen breiten Bereich von Lichtintensitäten bestimmter Wellenlängen reagieren und sind daher für das Tages- und Farbsehen unerlässlich (Kefalov, 2012; Korenbrot, 2012).Die funktionellen Unterschiede zwischen Stäbchen- und Zapfen-Photoreaktionenwerden durch ihre selektive Konnektivität mit bestimmten Klassen von Bipolarzellen(BCs) stromabwärts getragen, die etablierte Schaltkreise mit bekanntenEigenschaften bilden, die über Wirbeltierarten hinweg konserviert sind (Ghoshet al., 2004; Lamb , 2013; Pahlberg und Sampath, 2011).

In der Netzhaut von Säugetieren bilden Stäbchen Synapsen mit einer einzigen Klasse von BC, der Stäbchen-ON-bipolaren Zelle (ON-RBC), die den hochempfindlichen bipolaren (primären) Stäbchenweg bildet (Dacheux und Raviola, 1986; DeVries und Baylor, 1993). . Im Gegensatz dazu bilden die axonalen Enden von Zapfen Synapsen mit mehreren Klassen von Kegel-ON-bipolaren Zellen (ON-CBCs) und OFF-bipolaren Zellen (Ghosh et al., 2004), die verschiedene Arten von postsynaptischen Glutamatrezeptoren exprimieren. Die Kontakte für Stäbchen und Zapfen werden an stereotypen Positionen in unmittelbarer Nähe zueinander gebildet (Mumm et al., 2005; Sanes und Yamagata, 2009), und die Konnektivität von Zapfen mit vielen Klassen von Zapfen-Bipolarzellen (CBCs) wird angenommen spielen eine wesentliche Rolle bei der Kontrastempfindlichkeit und zeitlichen Abstimmung.

In ähnlicher Weise bietet die exklusive Verbindung von Stäbchen mit ON-RBCs einen dedizierten Kanal für die Übertragung von Einzelphotonenantworten mit hoher Verstärkung bei niedrigen Lichtintensitäten und ist für das skotopische Sehen unverzichtbar (Okawa und Sampath, 2007). Die molekularen Mechanismen, die die Verknüpfung von Photorezeptoren mit nachgeschalteten ON-BC-Neuronen vermitteln, und die molekularen Grundlagen für diese bemerkenswerte synaptische Selektivität sind jedoch völlig unbekannt.

Möglicherweise von Interesse ist dieser Blogbeitrag: „ Is Moonlight Blue? “ von Adam Sydney, in dem er diskutiert, wie Maler schlechte Lichtverhältnisse in ihren Gemälden darstellen, und sagt: „Saad M. Khan und Sumanta N. Pattanaik von der University of Central Florida haben schlug vor, dass die blaue Farbe eine Wahrnehmungstäuschung ist, die durch ein Übergreifen neuraler Aktivität von den Stäbchen auf die benachbarten Zapfen verursacht wird. Eine kleine synaptische Brücke zwischen den aktiven Stäbchen und den inaktiven Zapfen berührt die blauen Rezeptoren in den Zapfen ..." - Verlinkung zum Artikel: „ Modellierung der Blauverschiebung in mondbeschienenen Szenen mittels Stab-Kegel-Wechselwirkung “ ( 2. Quelle .PDF ) (Journal of Vision August 2004, Vol.4, 316. doi:10.1167/4.8.316) von Saad M. Khan and Sumanta N. Pattanaik.

Es ist wichtig darauf hinzuweisen, dass andere wissenschaftliche Studien wie: „ Intraindividueller Vergleich der Farbkontrastempfindlichkeit bei Patienten mit klaren und blaulichtfilternden Intraokularlinsen “ (Mai 2008) von Gerald Schmidinger, Rupert Menapace und Stefan Pieh und „ Effects von blaulichtfilternden Intraokularlinsen auf der Makula, Kontrastempfindlichkeit und Farbsehen nach einer Langzeitnachbeobachtung“ (Dezember 2011) , von Kara-Junior N, Espindola RF, Gomes BA, Ventura B, Smadja D, and Santhiago MR, finde keine Kontrastverbesserung durch Blockieren von blauem Licht.

Andererseits gibt es einige Formen von Rauschen, die eine Eigenschaft des Lichts sind.

Zum Beispiel, wenn Sie einen Detektor haben, der nur Photonen pro Pixel zählt, und während der Detektionszeit mitteln$N$Photonen, Zählstatistik sagt, dass die Zahl variieren wird$\sqrt N$. (Für Poisson-verteilte Photonen gibt es andere Verteilungen). Wenn$N$zu klein ist, muss man länger integrieren um zu schrumpfen$\sqrt N/N$. Das Rauschen ist eine Eigenschaft des Lichts, da das Licht auf zufällige Bündel (Photonen) trifft.

Ein anderer Fall ist kohärentes Licht (Schall), wie beispielsweise ein bildgebendes Radar (Sonogramm). Das Signal ist eine Summe über viele zufällige Streuzentren mit zufälligen Phasen. In der Annäherung, dass sie alle gleich sind, ist das endgültige Signal effektiv eine zufällige Wanderung komplexer Phasoren. Die Gesamtamplitude ist Rayleigh-verteilt, so dass die Intensität exponentiell verteilt ist. Das heißt, wo die Intensität verteilt "sollte".

mit Mittel$I_0$und Standardabweichung$0$,

du misst:

mit Mittel$I_0$und Standardabweichung$\sqrt{I_0}$. Beachten Sie, dass dieses Rauschen (genannt Speckle-Rauschen) multiplikativ ist – es ist eine Eigenschaft des Signals, sodass Sie es nicht durch Erhöhen der Signalleistung reduzieren können. Dieses Rauschen ist das Ergebnis der Kohärenz des Lichts (oder Tons) und somit eine Eigenschaft des Lichts.