¿Por qué el ruido no depende del tiempo de exposición?

En la publicación ¿Por qué las cámaras usan una sola exposición en lugar de integrarse en muchas lecturas muy rápidas? Una pregunta importante era si el ruido depende del tiempo de exposición o no. Por ruido quiero decir el ruido absoluto (N), no el ruido relativo (S / N). Estaba convencido de esta correlación porque estaba pensando que el ruido se acumula durante el tiempo de exposición, por lo que si fuera más largo el ruido sería mayor.

Para probar esta hipótesis, intenté tomar imágenes en negro con la tapa de la lente en las lentes, de tal manera que S = 0. Estoy usando Canon 600D, ISO100 yf / 3.5

Escribí un script de python para calcular el promedio del valor promedio de todos los píxeles con una media simple o con una media cuadrática (sqrt (sum_i (R_i ^ 2)) donde R_i es el i-píxel considerando solo el canal rojo.

Usé jpeg, porque no puedo leer raw de python. Usando jpeg, la resolución del ruido es bastante pequeña (1/256), pero he obtenido resultados interesantes.

Aquí la trama: en el eje y el ruido, en el eje x el tiempo de exposición.

parece que el ruido es bastante constante hasta la exposición de 1s, luego comienza a aumentar

También he tratado de disparar con ISO3200, aquí los resultados:

como se esperaba, el ruido es mucho mayor (~ 10 veces) pero el comportamiento con el tiempo de exposición es similar (probablemente aumente un poco más rápido).

¿Por qué este comportamiento?

¿Por qué el canal verde es más ruidoso?

En primer lugar, no se puede evaluar ninguna forma de ruido a través de JPEG. La compresión, incluso la compresión mínima, tiene un impacto medible / visible en la aparición de ruido. Solo puede evaluar realmente el ruido con una imagen RAW.

Solo para asegurarse, comprende que la fuente principal de ruido de la imagen¿Es el ruido de disparo de fotones? El ruido que está evaluando es el ruido de lectura de la cámara, el ruido producido por la electricidad que pasa a través de los circuitos electrónicos y potencialmente causado por leves imperfecciones en el material utilizado en el sensor de imagen. El ruido de lectura es generalmente un aspecto fijo del sensor para un nivel ISO dado, hasta que factores adicionales como el calor comienzan a cambiarlo. Además, para traer señal a la discusión por un momento ... el ruido de lectura es una fracción minúscula de la señal máxima, por lo que incluso en su pico de 0.009 @ ISO 3200 en su gráfico, cuando coloca una señal de imagen lo suficientemente fuerte encima de eso , el impacto del ruido de lectura es en realidad tan insignificante que no tiene sentido. Ruido de disparo de fotones, o el ruido en la señal de la imagen en sí que surge de una señal más débil (en comparación con la capacidad física total de un solo fotodiodo) y un patrón inconsistente ampliamente distribuido de impactos de fotones, es con mucho el principal contribuyente al ruido ISO alto. Tendría que cavar realmente profundo en las sombras más oscuras de una foto ISO 3200 para encontrar alguna indicación de ruido de lectura.

Cuando exponga hasta 1 segundo, supongo que la cantidad de ruido de lectura es plana porque no está acumulando suficiente calor en el circuito para tener un impacto. Según sus pruebas, en el momento en que alcanza una exposición de 1 segundo, el calor probablemente está comenzando a acumularse y tiene un impacto. A medida que continúa exponiendo durante un período de tiempo cada vez más largo, aumenta el impacto del ruido térmico en el ruido de lectura general.

No soy un ingeniero de sensores de imagen CMOS, así que no puedo profundizar más que eso. Ofrecería, en base a las numerosas patentes que he leído que han sido publicadas por Sony y Canon, que hay otras razones por las cuales el ruido aumenta con el tiempo de exposición. Hay bastantes patentes de mitigación de ruido que flotan en la patente-abajo que tienen como objetivo identificar, rastrear y eliminar una variedad de posibles fuentes de ruido. La mayoría trata con ruido de corriente oscura, ruido de amplificador o ruido de convertidor A / D, pero hay otras fuentes. Algunas patentes llegan a cortar la fuente de alimentación primaria para mitigar el ruido y los circuitos de capacitancia de lectura durante la lectura para eliminar el potencial de que la corriente oscura de la fuente de alimentación aumente el ruido durante la lectura (creo que fue una patente de Canon, y yo '

Baste decir que el ruido térmico definitivamente se convierte en un productor de ruido primario a medida que la exposición pasa un cierto umbral. No habría adivinado que ese umbral era exactamente 1s, pero sus pruebas ciertamente parecerían indicar tanto.