¿Por qué el canal azul es el más ruidoso?

Se observa ampliamente que el canal azul en las cámaras digitales es el más ruidoso. Ciertamente lo noté con mi cámara. ¿Por qué es esto?

¿Es un artefacto de alguna tecnología en particular (por ejemplo, sensores Bayer o CMOS), o tiene algo que ver con la física de la luz de alta frecuencia, o está relacionado con la visión humana?

_{Pregunta de seguimiento: ¿Por qué los sensores son menos sensibles a la luz azul?}

Además de la respuesta del sensor discutida por Tall Jeff, la mayoría de la iluminación de la escena (luz solar, incandescente) es deficiente en luz azul en relación con el verde y el rojo. Encienda este simulador de cuerpo negro de Java y vea que el azul es más bajo que el verde o el rojo para temperaturas de color de interés (~ 5500 K de luz diurna, ~ 3000 K incandescente).

Hay otro pequeño factor que agrava el problema. Las matrices CCD y CMOS son detectores de conteo de fotones. La mayoría de las gráficas, incluidas las del simulador de cuerpo negro anterior, muestran densidad de energía espectral , no recuentos de fotones. Los fotones azules son más enérgicos que los rojos, por la relación inversa de sus longitudes de onda, por lo que para el mismo valor de energía en las parcelas, obtendrías aproximadamente un 25% más de fotones rojos que de fotones azules. Y ese es el punto de partida para los efectos de sensibilidad que describe Tall Jeff.

Con respecto a los CCD y los sensores iluminados en la parte posterior, los CCD iluminados en la parte frontal sufren la misma sensibilidad azul disminuida, ya que gran parte de la luz azul se absorbe al pasar a través de la estructura de puerta no sensible del chip. Los sensores iluminados en la parte trasera verán una respuesta azul mejorada. Vea esta curva de respuesta espectral típica (para varios tipos de CCD de grado de investigación).

Dado el estado actual de la técnica, el ruido en el canal azul es una combinación de efectos en cascada que trabajan juntos para hacer que el azul "se vea" peor. Primero, con la configuración del patrón Bayer, hay el doble de píxeles verdes que rojos o azules en la matriz *. Esto pone inmediatamente al azul y al rojo en una desventaja espacial en comparación con el canal verde y produce mucho más ruido espectral para esos dos canales cuando los trillizos RGB se reconstruyen a partir de píxeles de sensores adyacentes. Por ejemplo, un sensor de 10M de píxeles tendrá 5M de píxeles verdes de origen, 2.5M de rojos y 2.5M de azules. Claramente, cuando forma esa información en bruto en los tripletes RGB 10M finales, está claro que no puede haber mejor que la mitad de la información para el canal rojo o azul y esto aparece como una forma de ruido en la imagen final.

El siguiente efecto tiene que ver con las sensibilidades espectrales del sistema de sensores a través de los filtros rojo, verde y azul. Como sistema, los sensores CMOS modernos son aproximadamente un 50% más sensibles a las áreas verde y roja del espectro que a las áreas azules. Por ejemplo, para este sensor CMOS de Cypress , podemos ver en la página 3 que las sensibilidades relativas son sobre Rojo (75%), Verde (80%), Azul (50%) cuando indexa las curvas en las longitudes de onda correctas para cada color. Esta falta de sensibilidad combinada con un nivel fijo de sensor y ruido de muestreo para todos los píxeles a través de los sensores pone el azul en una desventaja significativa de la relación señal / ruido en comparación con los otros dos colores.

En resumen, esto significa que los sensores CMOS de color están haciendo lo mejor en reproducir el verde, seguido en segundo lugar por el rojo y finalmente por el azul, que es el peor de los tres desde una perspectiva de ruido general.

Mirando hacia el futuro, tenga en cuenta que estas limitaciones con el canal azul son en realidad una cuestión de optimización de costo / rendimiento. Es decir, no hay nada inherente a la física que requiera que el rendimiento azul sea peor, solo que sería MUCHO MÁS caro dadas las construcciones actuales del dispositivo para mejorar el canal azul por un margen notable. Además, dado que el ojo humano no es muy sensible en el eje de color azul / amarillo, las soluciones ya son una solución muy bien optimizada. De hecho, estoy seguro de que la mayoría de los fabricantes de cámaras preferirían bajar el costo total antes de pagar lo mismo o más solo para mejorar el rendimiento del ruido del canal azul.

** Bayer eligió configurar la matriz de esta manera porque el sistema visual humano obtiene la mayor parte de su señal de luminancia (es decir, información de brillo) de la parte verde del espectro de color. Es decir, las varillas en los ojos son más sensibles a la luz verde, lo que hace que la parte verde del espectro sea la más importante visualmente. *

Debido a que los ojos / cerebros humanos no son tan sensibles a los cambios en la luz azul como lo son a los cambios en las luces verdes / rojas. Los sensores de cámara modernos actúan más como los ojos humanos y, por lo tanto, son menos sensibles al azul que al verde / rojo. Dado que el estándar para mostrar neutros en monitores en color es tener cantidades iguales de azul, verde y rojo, y dado que los sensores son menos sensibles al azul que al rojo y al verde, es conveniente amplificar el canal azul. Amplificar la señal del canal azul también amplifica el ruido del canal azul.

La reducción de ruido de la cámara solo se aplica si está grabando JPEG, pero dado que muchas personas disparan en RAW, el canal azul siempre es algo ruidoso. He buscado un remedio para este problema. Uno sugirió convertir la imagen a color de laboratorio y suavizar / desenfocar solo el canal de luminancia, luego convertir de nuevo a RGB para eliminar el ruido. Puedes probar.

Hemos realizado un análisis de los canales azul-verde-rojo de un DP3 Merrill en modo digital (RAW). Acabo de comprar esta cámara en junio de 2018. El canal azul muestra un error dependiente del nivel en el convertidor a / d que no está presente en los canales rojo-verde, que funcionan como se esperaba. Parece que puede haber un error en el cableado del canal azul a / d o en el código que traduce el voltaje a / d a la señal digital del canal azul. NO es un problema de sensibilidad. Podría ser un problema de saturación, es decir, los voltajes físicos están excediendo el rango a / d a voltajes muy bajos, es decir, demasiada ganancia en ese canal. La cámara se ajustó a ISO 100 para adquirir datos, y los datos se adquirieron en un rango de velocidades de obturación y niveles de señal en un marco. Las mediciones del canal azul fueron las señales más correctas en los niveles de señal MÁS BAJOS. Cuanto mayor es la señal, mayor es el error. Es un problema de ganancia / digitalización en el algoritmo que produce los archivos X3F, o quizás un problema de orden de bytes. Estamos mirando los archivos X3F directamente para ver si el error ya está presente allí, pero espero que sea así porque los archivos TIFF y JPEG producidos por el convertidor tienen el mismo problema. ¿Es una pregunta si el fabricante estará interesado en corregir este problema? El chip Foveon es una buena idea que debe diseñarse adecuadamente. ¿Es una pregunta si el fabricante estará interesado en corregir este problema? El chip Foveon es una buena idea que debe diseñarse adecuadamente. ¿Es una pregunta si el fabricante estará interesado en corregir este problema? El chip Foveon es una buena idea que debe diseñarse adecuadamente.