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[其他] 相机噪声

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对伱微笑纯属礼貌 发表于 2016-11-27 13:05:48
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相机噪声

相机噪声-1-网络科技-电子电路,数码相机,传感器,平方根,水平线

  1. 噪声类型

  数码相机的噪声来源有许多,归结起来,主要可以分为三种类型:非均匀响应噪声、随机噪声、固定噪声。 三种类型的噪声来源不一样,表现也不一样,最终对画面的影响也不一样。 下面稍微详细地分析一下这三种类型的噪声的特点。
  
       
  • 非均匀响应噪声  
  每个像素在制造的时候会有个体差异,在电子电路上也不会完全相同。因此,即使感受相同的亮度, 不同的像素给出的响应也是不同的。这种不均匀,反映出来就是非均匀响应噪声。 这种噪声是与亮度成正比的,在信噪比曲线上,曲线是一条水平线,它决定了相机信噪比的上限。
  
       
  • 随机噪声  
  光进入相机,被传感器所接收,并不是连续的,而是一份一份的。每一份是一个光子, 这个过程就像在雨天拿盆子接雨水,雨点也是一滴一滴落入盆子的。 很容易想象,即使用同样大小的盆子,在雨中放置同样长的时间,那么落入盆子的雨滴数量也不会完全一致。 光子进入传感器的过程数学上可以用泊松过程进行建模,这种噪声是与亮度的平方根成正比的, 在信噪比曲线上是一条斜率为 10dB/dec 的直线。
  
       
  • 固定噪声  
  顾名思义,这一类噪声是不随亮度变化的。比如每一个像素的固有偏置,比如读取电路本身的读取噪声, 比如放大电路引入的额外电子噪声。在信噪比曲线上是一条斜率为 20dB/dec 的直线。
   下面是一幅典型的相机信噪比曲线,数据来源于  DxO   网站,横坐标代表图像亮度,纵坐标代表信噪比。
  

相机噪声

相机噪声-2-网络科技-电子电路,数码相机,传感器,平方根,水平线
  可以明显看到,曲线的中段斜率接近 10dB/dec,代表随机噪声占主导地位; 曲线的起始阶段斜率偏向 20dB/dec,代表固定噪声占主导地位; 曲线末端向下弯曲,代表非均匀响应噪声的影响逐渐显现出来。
  由于佳能的感光元件 CMOS 制作工艺的关系,在低 ISO 情况下固定噪声较大,因此低 ISO 曲线的起始阶段 20db/dec 斜率特别明显。相比较之下,尼康、索尼的感光元件由于制作工艺不同, 在低 ISO 条件下固定噪声要低很多,20dB/dec 的斜率不那么明显。下面是一款尼康相机的信噪比曲线图。 (这里选取的是与佳能 6D 略为对等的尼康 D750 作为比较)
   

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可以看出,在高 ISO 情况下(黄线和紫线)与佳能相机的信噪比曲线相类似,在低 ISO 情况下(蓝线和红线),尼康相机的曲线上 10dB/dec 的阶段要更长,曲线的左端整体比佳能相机要高出不少,这是更低的固定噪声(主要是读出噪声) 带来的优势。
  2. ISO 与噪声

  通常我们都说,ISO 越高噪声越大。这句话是一个笼统的概括。从上面的信噪比曲线图中也可以看出来, 随着 ISO 增加,曲线整体向下移动,信噪比减少。那么,随着 ISO 增加, 每一种类型的噪声各自都有什么变化规律呢?
   根据上面的简单说明,如果入射光亮度是 ,那么可以用

相机噪声

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代表非均匀响应噪声, 用

相机噪声

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代表随机噪声,用

相机噪声

相机噪声-6-网络科技-电子电路,数码相机,传感器,平方根,水平线
代表固定噪声,这里

相机噪声

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相机噪声

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、 分别三种噪声的系数,代表了噪声的强度。那么信噪比就可以这么写:
  

相机噪声

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  我们用这个式子去拟合不同的信噪比曲线,可以得到不同 ISO 情况下的噪声系数值。 下面是对佳能 6D 相机数据的拟合结果,彩色圆圈是实测数据点,黑色实线是拟合曲线。可以看到, 拟合曲线和实际结果非常接近,说明这个噪声模型与实际情况吻合得非常好。
   

相机噪声

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利用这个模型的拟合结果,我们可以给出不同 ISO 下三种噪声系数的变化情况, 蓝色代表非均匀响应噪声,红色代表随机散粒噪声,黄色代表固定噪声。
  

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  可以看出,随机散粒噪声(红色)一直维持一个稳定的水平,非均匀噪声(蓝色)随着 ISO 增加而增加, 固定噪声(黄色)随着 ISO 增加而减少。这是一个普遍的规律,具体在不同的相机上, 由于采用不同的电路设计,不同的半导体制造工艺,这些曲线的形状会有所不同,但增加减少的趋势是不变的。
  下面是尼康 D750 相机的噪声系数曲线图。
  

相机噪声

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  众所周知,尼康用的是索尼的感光芯片,在制造工艺上比佳能自己的感光芯片更先进一些,在低 ISO 情况下读取噪声要小很多;但在 ISO 1600 以上,读取噪声的影响就很小了, 两者的表现是接近的,甚至佳能 6D 的噪声水平更优于尼康 D750。
  3. 噪声与动态范围

  另一项与噪声直接相关的指标是「动态范围」,不同的场合下对动态范围的定义略有区别, 在这里我们统一采用如下定义
  动态范围
   在 某一个信噪比水平之上 ,相机所能记录最亮的于最暗的入射光亮度之比
  这个定义是符合直觉的,尤其要强调这里的「在某一个信噪比水平之上」, 不同的信噪比水平带来感官上的巨大差异。
  相机测评网站 DxO 上采用的动态范围定义与此处相同,其采用的信噪比水平阈值是 0dB。
  那么如何得到这个动态范围呢?我们可以从之前的信噪比曲线图上得到答案。 仍以之前的佳能 6D 相机作为例子,根据之前的信噪比曲线图可知,在 ISO 100 的条件下, 信噪比等于 0 对应的亮度值是约 0.035%,而最亮的亮度值是 100%,两者之比约为 2857, 换算成光圈,就是 11.5 档,这与网站的评测结果是吻合的。
  然而,信噪比 0dB 意味着噪声和有效信号一样大,这在摄影中是不合理的。 采用这个阈值得到的动态范围,与摄影师的直观感受不相符,因为在噪声大到这个地步之前, 画面的画质早已不可接受了。因此有必要调整一下这个信噪比的阈值。一个合理的阈值可以取 20dB,这意味着有效信号是噪声是 10 倍,这种情况下画面的画质是较好的。
  还是以佳能 6D 相机为例,在 ISO 100 的条件下,信噪比 20dB 对应的亮度是 0.41% 左右, 以此计算出最亮与最暗两者之比约为 243.9,换算成光圈是 7.9 档左右。 这与我个人的使用经验相吻合。
  下面是佳能 6D 相机采用不同信噪比阈值得到的动态范围与 ISO 之间的关系曲线图。
   

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类似的,我们可以画出尼康 D750 相机的动态范围曲线图,
  

相机噪声

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  可以看到,得益于索尼优秀的芯片技术,尼康相机在低 ISO 情况下的动态范围是大于佳能相机的; 而当 ISO 升高后两者就没有那么大差距了,在 ISO 大于 1600 的情况下两者几乎没有差别。
  4. 其他相机的结果

  这里列一些其他相机的结果,首先是不同相机的噪声系数曲线,如下表所示
   

相机噪声

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不同相机的动态范围曲线,如下表所示
  

相机噪声

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  ====== 应留言要求,贴出其他机型的计算结果 ======
  飞思IQ180
  

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  宾得K1
  

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njhtjxx 发表于 2016-11-27 13:54:43
谁喷了榴莲味儿的香水?
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ycmnob 发表于 2016-11-27 14:11:25
天空飘过五个字,那都不是事。
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念三年 发表于 2016-11-27 14:11:33
报告!别开枪,我就是路过来看看的。。。
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南莲 发表于 2016-11-27 14:17:54
如果每个女朋友用一个字来代替的话,我的情史可以写一部长篇小说了。
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╰素颜乜倾城° 发表于 2016-11-28 03:19:46
再踩踩,楼主辛苦了!
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苏肖爱216 发表于 2016-11-30 09:55:48
各位兄台,通融通融,沙发我来啦!
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贾少昆 发表于 2016-12-2 08:53:54
回帖也有有水平的!
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雨安 发表于 2016-12-11 14:25:00
小时候我以为自己长大后可以拯救整个世界,等长大后才发现整个世界都拯救不了我……
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vdea4327 发表于 2016-12-19 18:34:00
楼主的帖子实在是写得太好了。文笔流畅,修辞得体!
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