Was ist unter der Annahme eines perfekten Sensors die physikalische Grenze der ISO/Pixel-Fläche?

Angenommen, Kamerahersteller können schließlich den perfekten Sensor herstellen, der kein elektrisches Rauschen in das Signal einbringt, an welchem ​​​​Punkt (gemessen in ISO / Pixelbereich) wird das Schrotrauschen so weit verbreitet sein, dass Sie keine brauchbaren Bilder mehr erhalten?

Ich habe Probleme herauszufinden, welche Grenzwerte DxOMark verwendet, um die ISO-Bewertung eines Sensors zu bestimmen. Ich denke, sie verwenden eine Kombination aus Dynamikbereich und SNR.
Meinen Sie das „kein elektrisches Rauschen“ ernst oder interessieren Sie sich wirklich dafür, was mit „so wenig elektrischem Rauschen wie physikalisch möglich“ physikalisch möglich ist? Ich glaube nicht, dass es möglich ist, einen Sensor herzustellen, der kein von der Elektronik erzeugtes Rauschen aufweist (was Sie durch die Aussage "mfg. Kann schließlich den perfekten Sensor herstellen" zu implizieren scheinen), und ich denke, die Unterscheidung würde sich auf die Antworten auswirken. Selbst ein extrem geringes thermisches Rauschen wird bei ausreichender Verstärkung auftreten, wodurch der maximale ISO-Wert begrenzt wird.
Diese Seite könnte nützlich sein, da sie einige mathematische Formeln zur Berechnung des SNR enthält (vorausgesetzt, Sie kennen genügend andere Informationen): learn.hamamatsu.com/articles/ccdsnr.html . Es ist für CCDs, und ich bin mir nicht sicher, was die Unterschiede für thermisches und Leserauschen zwischen CCD- und CMOS-Sensoren sein könnten, falls es welche gibt (ich würde davon ausgehen, dass dies angesichts der Unterschiede zwischen den beiden Technologien der Fall ist).
@jrista Sie könnten einen Sensor aus Photonendetektoren bauen, anstatt die von einfallenden Photonen freigesetzte Ladung zu messen, wodurch kein elektrisches Rauschen erreicht wird. Ob es jemals wirtschaftlich wäre, einen solchen Sensor mit ausreichender Auflösung herzustellen, ist eine andere Frage ...
@MattGrum: Selbst bei Fotodetektoren haben Sie immer noch ein elektronisches Tor, das dafür verantwortlich ist, erkannte Photonen in etwas Digitales umzuwandeln, das ein Computer verarbeiten kann. Ich denke, wenn wir einen Weg finden könnten, alles direkt als analoges Signal zu verarbeiten, vielleicht mit Quantenprozessoren, könnten wir möglicherweise elektronisches Rauschen im Sensor eliminieren. Unabhängig davon dachte ich wohl, was aus Verbrauchersicht wirtschaftlich machbar ist ... aber wer weiß, vielleicht werden wir in fünfzig Jahren in der Lage sein, vollständig analoge Verarbeitungssysteme zu haben.
@jrista Mir ist klar, dass wir niemals einen Sensor ohne elektrisches Rauschen bekommen werden, aber ich suche nach der Obergrenze von ISO, die allein auf den Eigenschaften des Lichts basiert.
Wenn Sie das untere rechte Bild als richtig belichteten ISO 100 nehmen, dann funktioniert das mittlere Bild (das gerade noch brauchbar ist) bei ISO 1.000.000 (eine Million!), Canon hat gerade eine Kamera mit ISO 204.800 angekündigt, also sind sie nicht weit davon entfernt was selbst mit einem Sensor ohne elektrisches Rauschen möglich ist - ergo, dass die ISO-Einstellung wahrscheinlich Zeitverschwendung ist!

Antworten (2)

Hier ist eine gute Simulation des "perfekten" Sensors, den Sie beschreiben (einer, der kein elektrisches Rauschen hat und somit jedes einfallende Photon perfekt aufzeichnet), der auf sehr unterschiedliche Lichtstärken reagiert, von 0,001, 0,01 und 0,1 Photonen pro Pixel (obere Reihe), 1 , 10 & 100 Photonen pro Pixel (mittlere Reihe) bis 1000, 10000 & 100000 Photonen pro Pixel in der unteren Reihe.

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

Sie können die ISO-Empfindlichkeit nicht angeben, ohne den Sättigungspunkt des Sensors zu kennen (ohne Sättigung gibt es keine Überbelichtung), also müssten Sie für Ihren hypothetischen „perfekten Sensor“ einen beliebigen Sättigungspunkt wählen, wodurch die ISO-Werte für den berechnet werden Bilder auch willkürlich.

Um Ihre Frage zu beantworten, scheint jedoch etwa 1 Photon pro Pixel die Grenze zu sein, um aussagekräftige Bilder zu erhalten (das obere rechte Bild mit 1 Photon alle 10 Pixel sieht für mich nicht erkennbar aus).

Ich würde sagen, dass das Eins-zu-eins-Bild unbrauchbar schlecht war (und das macht aufgrund der Zufälligkeit intuitiv Sinn).

Es ist schwer, eine definitive Antwort auf Ihre Frage zu geben, da es davon abhängt, was Sie subjektiv für „nützlich“ halten, sowie von vielen anderen Faktoren wie der Stärke und Qualität des Rauschunterdrückungsalgorithmus, dem Ausgabemedium usw. Dies ist nicht wirklich eine Antwort, sondern nur einige Hinweise, die Ihnen helfen, Ihre Antwort zu finden.

Zunächst zu den zu berücksichtigenden Parametern. Die Fläche des Pixels ist nicht wirklich wichtig. Obwohl kleinere Pixel mehr Rauschen auf Pixelebene erzeugen, können Sie das Rauschen immer reduzieren, indem Sie das Bild herunterskalieren (ein Nebeneffekt von Antialiasing). Der wirklich wichtige Parameter ist die Gesamtfläche des Sensors. Außerdem ist das Ausleserauschen normalerweise nur in den dunkelsten Bereichen des Bildes relevant, die Hauptrauschquelle ist meistens das Photonenschussrauschen. Daher sind auch Quanteneffizienz und Füllfaktor wichtig.

Als nächstes empfehle ich Ihnen, einen Blick auf diese Seite von ClarkVision.com zu werfen: http://www.clarkvision.com/articles/digital.signal.to.noise/ . Es ist eine sehr gut dokumentierte Diskussion über digitales Rauschen, zusammen mit Modellen und vielen Daten aus dem wirklichen Leben.

Ich habe keine Ahnung, wovon ich gesprochen habe, jetzt habe ich Ihre Antwort noch einmal gelesen, es macht absolut Sinn, also habe ich den Kommentar gelöscht!
Ich bin nicht einverstanden mit der Idee, dass "die Fläche des Pixels nicht wirklich wichtig ist". Die Fläche des Pixels bestimmt, wie viele Photonen bei einer bestimmten Lichtmenge, die durch die Linse einfällt, auf jedes Pixel treffen. Wie Sie sagen, können Sie das Rauschen reduzieren, indem Sie das Bild herunterskalieren, aber wenn Sie das Bild um das 2-fache herunterskalieren, vergrößern Sie die Pixelfläche effektiv um das 4-fache.
Es gibt einen Grund, warum die Filmkorngröße mit ISO zunimmt.
@Evan Krall: Meine Vermutung ist, dass meistens die Auflösung der Kamera für das Ausgabemedium mehr als ausreichend ist. Sie (oder Ihre Anzeigesoftware oder Ihr Druckertreiber ...) werden also sowieso herunterskaliert. Nach dem Herunterskalieren ist die effektive Pixelfläche die Gesamtfläche des Sensors dividiert durch die effektive Auflösung des Ausgabemediums . Dabei spielt die Auflösung des Sensors und die eigene Pixelfläche keine Rolle.
Was ist unter der Annahme eines perfekten Sensors die physikalische Grenze der ISO/Pixel-Fläche?
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