¿Existe la posibilidad de que los avances tecnológicos futuros puedan reducir o eliminar el ruido cuando se usa una configuración de ISO alta, o es este ruido inevitable e inherente a todos los sensores digitales?
Si hay un límite teórico donde el ruido es inevitable, ¿qué tan cerca estamos de eso?
Respuestas:
Es muy importante darse cuenta de que no es la configuración de ISO alta en sí la que produce imágenes ruidosas, es el hecho de que usar una configuración de ISO alta significa que captura muy poca luz.
La luz está compuesta de fotones que son emitidos aleatoriamente por una fuente de luz. Cuando los niveles de luz son bajos o el tiempo de exposición es muy corto, la cantidad de fotones que obtenga variará considerablemente de
Imagine que está tratando de estimar la velocidad a la que las personas abandonan un centro comercial. Si solo tiene 10 segundos para contar personas, el resultado que obtenga variará mucho dependiendo de cuándo exactamente comience a contar y qué salida elija. Si tiene 10 minutos para contar personas, obtendrá una respuesta mucho más estable que será similar para todas las salidas (suponiendo que no haya preferencias personales para las salidas) y en diferentes ventanas de tiempo de 10 minutos (suponiendo que no haya otros factores que influyan el resultado).
Eso es lo que sucede cuando usa una configuración de ISO alta, captura muy pocos fotones, por lo que un conjunto de píxeles vecinos que cubren un objeto de color uniforme puede recibir 4, 3, 4 y 5 fotones cada uno, por lo que en lugar de un color uniforme y uniforme obtienes un resultado granulado que cambia para cada píxel.
Este ruido se llama ruido de fotones y es la fuente dominante de ruido en imágenes de ISO alto, excepto en las sombras. Incluso si tuviera un sensor perfecto que contó y reportó fielmente cada fotón que golpeó el sensor, aún tendría una cantidad significativa de ruido con poca luz.
Eso no quiere decir que hemos alcanzado el límite de alto rendimiento ISO. Todavía no de ninguna manera. El ruido de fotones puro es de grano muy fino y es menos objetable que el ruido de patrones agrupados observado en fotografías con ISO alto.
La reducción de la conversación cruzada de píxeles, la mejora de la electrónica en general solo podría tener un pequeño efecto en la reducción de la amplitud del ruido , pero un efecto mayor en la mejora de la calidad del ruido .
Wikipedia tiene una simulación del sensor "perfecto" donde el ruido de fotones es solo la fuente de ruido:
Haga clic para obtener una versión más grande donde pueda distinguir píxeles individuales. Imagen de Mdf algunos derechos reservados.
kfotones en promedio por píxel, la magnitud del ruido de píxeles será sqrt(k).
Reducirlo, sí. Por ejemplo, la Canon 5D Mark III es 2/3 paradas mejor que la Canon 5D en alto rendimiento ISO, aunque sus sensores son del mismo tamaño, porque es siete años más nuevo. Por supuesto, el rendimiento pasado no es necesariamente indicativo de resultados futuros, pero no veo ninguna razón para que no se sigan obteniendo ganancias incrementales.
Eliminarlo por completo es físicamente imposible. Cuando llegas a un ISO por millones, estás tratando de extraer datos de unos pocos fotones. Independientemente de cuán buena sea su tecnología, la información simplemente no está allí para que la extraiga.
Ahora, en cuanto a conseguir que sea "perfecto" para todos los ISO bajo, digamos, 3200, tenga en cuenta que en realidad no hay un estándar consistente para "perfecto". Puede desarrollar una nueva tecnología sorprendente que alcance un límite teórico en la relación señal / ruido, pero eso realmente importa cuando mis ojos afirman que este píxel debería ser # 0f3ed2, usted afirma que debería ser # 0e3fd4 y el sensor cree que es # 0d3dd3?
Ya sucedió! En películas, o principios digitales, ISO alto significaba 400, en las últimas cámaras de fotograma completo significa 6400. El problema es que cada vez que sucede, 'ISO alto' se redefine para ser aún más alto, o en otras palabras, ISO alto siempre significa " tan alto que la tecnología actual lo hace ruidoso ". Como señaló Tony, eventualmente hay limitaciones físicas en cuanto a qué tan lejos puede llegar.
A través de Hacker News, recientemente encontré este artículo de 2008, escrito por el profesor de física Emil Martinec, aparentemente en su tiempo libre.
Ruido, rango dinámico y profundidad de bits en cámaras réflex digitales
Él caracteriza los diferentes tipos de ruido que son posibles y describe su importancia relativa.
Después de leer esto, se dará cuenta de que es imposible eliminar por completo los distintos tipos de ruido del sensor. Ciertamente, es posible minimizarlos (de varias maneras), pero también hay otras decisiones de diseño que el fabricante de la cámara / sensor debe tomar que pueden introducir otros problemas o compensaciones (por ejemplo, aplicar compensaciones en el convertidor A / D, ver Fig. 10 + 11)
Con respecto a sus preguntas sobre un límite teórico:
"Las fuentes de ruido más importantes para exposiciones típicas son el ruido de lectura y el ruido de disparo de fotones".
"La inversa de la pendiente del gráfico PRNU (ver la Figura 7 para un ejemplo) es un límite superior para la relación S / N, a menos que PRNU se compense en el procesamiento posterior".
Este es un problema con los sensores en general, desde sensores ópticos hasta acelerómetros y giroscopios. Todos los productos de consumo se ocupan de esto e intentan ocultar el ruido del usuario; por ejemplo, su teléfono es capaz de detectar vibraciones muy por debajo del nivel que hace que actúe, y hay aplicaciones que pueden mostrarle eso.
Cualquier sensor capaz de grabar señales con precisión dentro del área de interés también podrá grabar señales fuera del área de interés, y las señales por debajo o por encima del umbral de interés generalmente se denominan ruido. Este 'problema' no está relacionado solo con sensores ópticos, está relacionado con las limitaciones físicas de detectar las cosas que nos interesan.
Por lo tanto, la respuesta es no: cualquier sensor que sea lo suficientemente 'insensible' como para eliminar el ruido también eliminará parte de la señal que queremos, lo que hace imposible construir sensores no ruidosos.