Existe a possibilidade de que futuros avanços tecnológicos reduzam ou eliminem o ruído ao usar configurações de ISO alto ou esse ruído é inevitável e inerente a todos os sensores digitais?
Se existe um limite teórico em que o ruído é inevitável, quão perto estamos disso?
Respostas:
É muito importante perceber que não é a própria configuração de ISO alta que resulta em imagem barulhenta, é o fato de que usar uma configuração de ISO alta significa capturar muito pouca luz.
A luz é composta de fótons que são emitidos aleatoriamente por uma fonte de luz. Quando os níveis de luz são baixos ou o tempo de exposição é muito curto, o número de fótons que você obtém varia consideravelmente
Imagine que você está tentando estimar a taxa com que as pessoas estão saindo de um shopping. Se você tiver apenas 10 segundos para contar as pessoas, o resultado obtido variará bastante, dependendo exatamente de quando você começa a contar e de qual saída você escolheu. Se você tiver 10 minutos para contar as pessoas, obterá uma resposta muito mais estável, semelhante a todas as saídas (assumindo que não há preferência pessoal por saídas) e em diferentes janelas de 10 minutos (assumindo que não há outros fatores que influenciem o resultado).
Isso é o que está acontecendo quando você usa uma configuração ISO alta, captura muito poucos fótons para que um conjunto de pixels vizinhos que cubram um objeto de cor uniforme possa receber 4, 3, 4 e 5 fótons cada, portanto, em vez de uma cor uniforme e uniforme você obtém um resultado granulado que muda para cada pixel.
Esse ruído é chamado de ruído de fóton e é a fonte dominante de ruído em imagens de alto ISO, exceto nas sombras. Mesmo se você tivesse um sensor perfeito que contasse e relatasse fielmente cada fóton que atingisse o sensor, ainda assim haveria uma quantidade significativa de ruído com pouca luz.
Isso não quer dizer que atingimos o limite de alto desempenho ISO. Ainda não de maneira alguma. O ruído de fóton puro é de granulação muito fina e menos objetável do que o ruído de padrão desajeitado observado em fotografias de alto ISO.
Reduzir a interferência de pixels, melhorar a eletrônica em geral, pode ter apenas um pequeno efeito na redução da amplitude do ruído , mas um efeito maior na melhoria da qualidade do ruído .
A Wikipedia possui uma simulação do sensor "perfeito", onde o ruído do fóton é apenas a fonte do ruído:
Clique para uma versão maior, na qual é possível distinguir pixels individuais. Imagem por Mdf alguns direitos reservados.
kfótons em média por pixel, a magnitude do ruído do pixel será sqrt(k).
Reduza sim. Por exemplo, a Canon 5D Mark III tem 2/3 paradas melhores que a Canon 5D em alto desempenho ISO, embora seus sensores sejam do mesmo tamanho, porque são sete anos mais novos. Obviamente, o desempenho passado não é necessariamente indicativo de resultados futuros, mas não vejo razão para que ganhos incrementais não continuem sendo obtidos.
Eliminá-lo completamente é fisicamente impossível. Quando você chega a um ISO na casa dos milhões, está tentando extrair dados de alguns fótons. Independentemente da qualidade da sua tecnologia, a informação simplesmente não existe para você extrair.
Agora, quanto a torná-lo "perfeito" para todos os ISOs abaixo de, digamos, 3200, observe que não há realmente um padrão consistente para "perfeito". Você pode desenvolver uma nova tecnologia incrível que atinja algum limite teórico na relação sinal / ruído, mas isso realmente importa quando meus olhos afirmam que esse pixel deve ser # 0f3ed2, você afirma que deve ser # 0e3fd4 e o sensor pensa que é # 0d3dd3?
Isso já aconteceu! No filme, ou digital precoce, alto ISO significa 400, nas últimas câmeras full frame significa 6400. O problema é que toda vez que isso acontece, 'High ISO' é redefinido para ser ainda mais alto ou, em outras palavras, ISO alto sempre significa " tão alto que a tecnologia atual o torna barulhento ". Como observado por Tony, existem, eventualmente, limitações físicas sobre o quão longe ele pode ir.
Via Hacker News, me deparei recentemente com este artigo de 2008, escrito pelo professor de física Emil Martinec em seu tempo livre, aparentemente.
Ruído, faixa dinâmica e profundidade de bits em SLRs digitais
Ele caracteriza os diferentes tipos de ruído possíveis e descreve sua importância relativa.
Depois de ler isso, você perceberá que é impossível remover completamente os vários tipos de ruído do sensor. Certamente, é possível minimizá-los (de várias maneiras), mas também existem outras decisões de projeto que o fabricante da câmera / sensor deve tomar que podem introduzir outros problemas ou compensações (por exemplo, aplicar compensações no conversor A / D, consulte a Fig. 10 + 11)
Em relação às suas perguntas sobre um limite teórico:
"As fontes de ruído mais importantes para exposições típicas são o ruído de leitura e o ruído das fotos."
"O inverso da inclinação do gráfico PRNU (veja um exemplo na Figura 7) é um limite superior para a relação S / N, a menos que o PRNU seja compensado no pós-processamento".
Este é um problema com sensores em geral - de sensores ópticos a acelerômetros e giroscópios. Todos os produtos de consumo lidam com isso e tentam esconder o ruído do usuário - por exemplo, seu telefone é capaz de detectar vibrações muito abaixo do nível que faz com que ele tome uma ação, e existem aplicativos que podem mostrar isso.
Qualquer sensor capaz de gravar sinais com precisão dentro da área de interesse também será capaz de gravar sinais fora da área de interesse, e os sinais abaixo ou acima do limiar de interesse são geralmente chamados de ruído. Esse 'problema' não está relacionado apenas aos sensores ópticos, está relacionado às limitações físicas de detectar as coisas pelas quais estamos interessados.
Portanto, a resposta é não - qualquer sensor que seja 'insensível' o suficiente para eliminar o ruído também eliminará parte do sinal que desejamos, tornando impossível a construção de sensores não ruidosos.