O Poisson Noise (“Shot Noise”) é uma fonte significativa de ruído para a fotografia típica?

Em esta resposta , estados @jrista que mesmo uma câmera com uma perfeita, sensor silencioso ainda teria ruído devido ao "ruído Poisson" aka "Photon Tiro Noise" - ruído causado pelas variações aleatórias de fótons, que causam mais fótons para entrar em um sensel que outro.

Só estou curioso - essa é uma preocupação significativa para fotógrafos do mundo real? Eu diria que esse ruído seria tão infinitesimalmente pequeno que podemos considerá-lo basicamente 0. Existem estudos que medem a quantidade de ruído proveniente do tiro, versus outras causas (como o ruído elétrico ou térmico da eletrônica) ?

Na maioria das partes da maioria das fotografias, o ruído da foto é o maior contribuinte para o ruído .

Principalmente, estamos comparando para ler ruído. (A corrente escura é desprezível em exposições curtas e o ruído de quantização também é bem pequeno quando se fala de ADCs de 12 e 14 bits.) O ruído de leitura depende do sensor. Este artigo de 2007 apresenta medições de ruído de leitura para algumas DSLRs . Vemos, por exemplo, que uma Canon 40D na ISO 200 possui cerca de 10 elétrons (e) de ruído de leitura.

O ruído do tiro de fóton é um processo de Poisson , portanto o ruído é a raiz quadrada da contagem de fotoelétrons de sinal. Portanto, se gravarmos 100 fotoelétrons de sinal em um pixel de nosso assunto, esperamos que o ruído de tiro por pixel seja sqrt (100) = 10 e-, igual ao ruído de leitura da 40D.

100 fotoelétrons são muito? Não, o mesmo artigo estima que a capacidade de poço total de um pixel de 40D seja 56.000 e-, portanto, um pixel com apenas 100 e- é uma parte muito escura da cena, cerca de 9 pontos mais escuros do que o poço total. Em um pixel com mais de 100 e-, o ruído da tomada continua a aumentar, até sqrt (56000) = 236 no poço total, de modo que o ruído da tomada domina o ruído da leitura por uma margem cada vez maior. (Os tons claros parecem menos ruidosos do que os escuros, porque a relação sinal / ruído continua a aumentar, pois o ruído é apenas a raiz quadrada do sinal. Mas que ruído há, é cada vez mais devido ao ruído do disparo, não leia ruído.)

Nas sombras muito escuras, o ruído de leitura pode ser significativo. E em uma exposição longa e escura (como astrofotografia sob céu escuro), a corrente escura e o ruído de leitura podem ser importantes. Mas, para fotografias em geral de assuntos bem expostos, com curtos tempos de exposição, o ruído da tomada é a fonte dominante de ruído.

O ruído da tomada de fótons, ou o ruído resultante da distribuição de fótons de Poisson à medida que atingem o sensor, pode ser um problema que os fotógrafos do mundo real talvez precisem conhecer ao menos. À medida que o ISO aumenta, o potencial máximo para o sinal também diminui. Para cada parada de aumento no ISO, seu sinal máximo cai em um fator de dois. Na maioria das exposições, o ruído do tiro de fóton é de longe o contribuinte mais significativo do ruído. As fontes eletrônicas de ruído afetam apenas as sombras profundas e geralmente só são exibidas quando você começa a aumentar a exposição no pós (por exemplo, levantando sombras em um grau significativo).

Supondo que um sensor de quadro completo com uma capacidade total de poço (FWC) de 60.000 elétrons, na ISO 100, você tem um ponto de saturação máxima (MaxSat) de 60.000 elétrons (e-). Na ISO 200, você teria um MaxSat de 30.000 -, ISO 400 / 15.000 -, ISO 800/7500 -, ISO 1600/3750 -, ISO 3200/1875 -. O aumento do ISO intrinsecamente reduz a relação sinal-ruído potencial máximo.

Esse fator é provavelmente mais importante ao decidir qual câmera comprar. Um sensor de quadro inteiro terá pixels maiores que um sensor APS-C da mesma contagem de megapixels. Nosso 60k FWC em nosso hipotético sensor FF pode ser um 20k-25k FWC em um sensor APS-C. Se você precisar de um desempenho superior com pouca luz, usar um sensor de quadro completo e menos megapixels aumentará o tamanho do pixel, causando um impacto DIRETO na quantidade de ruído visível nas configurações ISO mais altas.

O ruído do disparo do fóton, como uma proporção do sinal total, diminui à medida que a força do sinal aumenta. Como um fator absoluto (desvio padrão em torno do nível médio do sinal), o ruído da tomada de fótons provavelmente é aproximadamente constante. Supondo um desvio padrão de 5 unidades, se a intensidade do sinal também for 5, você terá uma imagem que parece ser principalmente ruído, possivelmente com "formas" parciais, mas amplamente indistintas. Se a intensidade do sinal for 10 unidades, o SNR será de 50%. Você ainda terá uma imagem muito barulhenta, mas será uma imagem com forma e estrutura mais distintas. Em termos reais, o ruído do tiro de fóton, que segue uma função de distribuição de Poisson, é igual à raiz quadrada do nível do sinal. Na ISO 100, o sensor FF com 60.000 - FWC terá um ruído de fóton equivalente a 244e-. Um sensor APS-C com 20, O 000- FWC terá um ruído de fóton equivalente a 141-. Na ISO 200, o ruído do tiro de fóton seria 173 e 122 e, respectivamente, o ISO 400 seria 122 e 70 e etc. Como questão de proporção, o ruído de fóton na ISO 100 FF é 0,004% do sinal, ISO 200 é 0,006%, ISO 400 é 0,008% etc. Por outro lado, para o APS-C, esses valores são ISO 100 / 0,007%, ISO 200 / 0,012%, ISO 400 / 0,014%, etc.

Os sensores menores terão SNR um pouco menor do que os sensores FF, pois a linha / coluna é ativada e a fiação de leitura tende a consumir mais espaço relativo do fotodiodo. Combinado com o FWC menor, você fica imediatamente em desvantagem quando se trata de aumentar o ISO. O sensor FF possui uma vantagem de ruído de aproximadamente 60% (por: 244/60000 / 141/20000 = 0,577). Na mesma configuração ISO, assumindo que o ruído é geralmente visível nessa configuração, o sensor FF sempre parecerá menos ruidoso que um sensor APS-C. No caso de nossos dois sensores hipotéticos, a ISO 100 no APS-C é apenas marginalmente melhor que a ISO 400 no FF, quase uma diferença de quase dois pontos no desempenho relativo do ruído! O mesmo vale para dois sensores FF, um com pixels grandes e outro com pixels menores por um fator de 1,6. Isso pressupõe a observação de uma colheita de 100% (ou seja, visualização de pixels).

Quanto à quantidade de ruído proveniente do disparo e quanto a outras fontes. As "outras fontes" realmente dependem do sensor. O ruído de leitura é geralmente medido em termos de DU (unidades digitais ou pós-ADC) ou e- (elétrons, carga de sinal analógico). A Canon 7D leu ruído de 8,6 a ISO 100, mas 4,7 a ISO 200, 3,3 a ISO 400 etc. A Canon 1D X leu o ruído de 38,2 a ISO 100. A maior ruído de leitura é proporcional à área do fotodiodo ... pixels maiores carregam mais corrente, então a corrente escura será maior e a amplificação a jusante aumentará uma quantidade maior de ruído eletrônico em relação ao sinal. O 1D X possui um FWC 90.300, o que significa que 38% do ruído de leitura é uma fração minúscula do sinal ISO100 potencial máximo (0,00042% para ser exato).

Em todos os casos de ruído, isso realmente depende dos seus objetivos. Se você costuma fotografar com pouca luz ou precisa de velocidades muito altas do obturador, encontrar uma câmera com pixels maiores provavelmente produzirá as melhores características de ruído. Se você fotografar assuntos com alto detalhe, uma densidade de pixels mais alta é provavelmente mais importante que o baixo ruído. Não existe uma resposta real de corte e secagem aqui.

^{† Quantidade de luz, assumindo um iluminante fixo, a quantidade de luz que atinge o sensor para uma determinada abertura e velocidade do obturador, ou qualquer proporção equivalente: f / 16 1 / 100s, f / 8 1 / 200s, f / 4 1 / 800s, todos iguais EV.}

Você definitivamente está entrando no campo da fotografia marginal ao tentar identificar o ruído da tomada versus o sinal. Felizmente, os astrofotógrafos já estiveram aqui antes.

Há uma série decente de artigos destinados a leigos que entendem o ruído versus o sinal publicado por Craig Stark.

Na primeira parte , ele descreve a premissa básica do ruído do tiro e por que o brilho do céu é tão ruim para a astronomia - aumenta o ruído do tiro sem adicionar mais informações. Essencialmente, você pode ter um nível mais alto de nível de luz, mas é plano e, portanto, rouba o contraste.

Na parte dois , aqui , ele detalha as diferenças entre o tiro e a leitura e o ruído térmico, por exemplo, fotografias.

Na parte três aqui , ele descreve um método para medir o desempenho de câmeras específicas e, assim, obter um modelo para perfis de ruído. Isso pode responder melhor à sua pergunta sobre "quais são as diferenças entre os tipos de ruído".

Voltando à sua pergunta básica: é relevante para a maioria das fotografias? Na verdade, até você começar a fotografar nos extremos de outros tipos de ruído (térmicos e lidos) quando o SNR ficar inclinado.