网络科技

    今日:43| 主题:301799
收藏本版
互联网、科技极客的综合动态。

[其他] 相机噪声

[复制链接]
对伱微笑纯属礼貌 发表于 2016-11-27 13:05:48
493 13

相机噪声

相机噪声

  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
  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)
   

相机噪声

相机噪声
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

相机噪声
代表非均匀响应噪声, 用

相机噪声

相机噪声
代表随机噪声,用

相机噪声

相机噪声
代表固定噪声,这里

相机噪声

相机噪声

相机噪声

相机噪声
、 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

相机噪声
  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

相机噪声
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。
  

相机噪声

相机噪声
  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

相机噪声
  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。
   

相机噪声

相机噪声
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

相机噪声
  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

相机噪声
不同相机的动态范围曲线,如下表所示
  

相机噪声

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

相机噪声

相机噪声
  宾得K1
  

相机噪声

相机噪声

相机噪声

相机噪声
njhtjxx 发表于 2016-11-27 13:54:43
谁喷了榴莲味儿的香水?
回复 支持 反对

使用道具 举报

ycmnob 发表于 2016-11-27 14:11:25
天空飘过五个字,那都不是事。
回复 支持 反对

使用道具 举报

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。。。
回复 支持 反对

使用道具 举报

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。
回复 支持 反对

使用道具 举报

╰素颜乜倾城° 发表于 2016-11-28 03:19:46
再踩踩,楼主辛苦了!
回复 支持 反对

使用道具 举报

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!
回复 支持 反对

使用道具 举报

贾少昆 发表于 2016-12-2 08:53:54
回帖也有有水平的!
回复 支持 反对

使用道具 举报

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……
回复 支持 反对

使用道具 举报

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!
回复 支持 反对

使用道具 举报

我要投稿

推荐阅读


回页顶回复上一篇下一篇回列表
手机版/c.CoLaBug.com ( 粤ICP备05003221号 | 粤公网安备 44010402000842号 )

© 2001-2017 Comsenz Inc.

返回顶部 返回列表