Техника

Вопрос про ПЗС-матрицу:

Как известно, на отношение сингал/шум ПЗС-матриц влияет физический размер составляющих матрицу светочувствительных светодиодов. Чем они меньше - тем больше шума, прампапам, ну, дальше сами знаете. Другими словами, считываемые сигналы при неизменном размере объектива и матрицы, но с РАЗНЫМ количеством мегапикселей на матрице, будут иметь разный уровень шума. А теперь, внимание, вопрос:

Как изменится и изменится ли вообще отношение сингал/шум на моём 12-мегапиксельном фотоаппарате, если я в его настройках установлю "снимать с разрешением 5 мегапикселей"? Что при этом произойдет: фотоаппарат программно урежит фотографию до нужного размера, или возьмёт, да и объединит фотодиоды на матрице в как бы более крупные "составные" фотодиоды? Вот, этот вопрос самое главное: если последнее имеет место, значит, должен уменьшится и уровень шума с матрицы? А? Что скажете?
Паха Гусев
Паха Гусев
2 044
Щас попробую объяснить. Будет долго.. .
Да, ФОТОННЫЙ шум тем заметнее, чем меньше физический размер элемента матрицы. Просто потому что плотность хранения электронов в ячейке ПЗС ограничена физикой их работы - не больше чем вот столько на квадратный микрон. И если кв. микронов мало, то мало и электронов даже на макисмально ярких участках изображения (не говоря уж о тех, что в тенях) . Именно поэтому чем больше размер пикселя (или чем МЕНЬШЕ пикселей при данном физическом размере самой матрицы) - тем ниже фотонный шум.
Но фотонный шум - не единствнный источник шума, есть ещё и шум считывания самой матрицы, шум темнового тока и шум электронных схем обработки сигнала. На болшом сигнале превалирует фотонный шум, потому что он равен корню из числа электронов, накопленных в ячейке. Если в ней, к примеру, набралось 10 тыщ электронов В СРЕДНЕМ - то шум равен 100. Шум считывания, как правило, порядка 15 электронов, шум внешних схем, в пересчёте на электроны, ещё меньше. Шум темнового тока для современных матриц, у которых этот ток составляет примерно 10 пА/кв. см, - штуки электронов.
Поэтому на тёмных участках будет заметен шум самой матрицы и шум электроники, а на ярком сигнале - фотонный шум. И вот тут начинается специфика самих ПЗС.
В промышленных системах, где, как правило, используются монохромные приборы (без нанесённого цветофильтра) , снижение разрешения дейтсвительно приводит к повышению отношения С/Ш, но для этого там используется специальный приём - биннинг. Зарядовые пакеты соседних пикселей объединяются в один суммарный ДО ТОГО, как этот суммарный пакет попадает в считывающее устройство матрицы. И что получается: при бинниге, к примеру, 2х2 сигнал возрастает вчетверо, фотонный шум - только вдвое, а шум считывания вообще остаётся неизменным, потому что этот объединённый пакет считывается один раз. Поэтому биннинг ПО ЗАРЯДУ дейтсвительно улучшает шумовые характеристики матрицы - он фактически эквивалентен увеличению размеров ячейки.
Но биннировать можно только заряды СОСЕДНИХ элементов. В обычной ЦВЕТНОЙ фотокамере на матрицу нанесён цветокодирующий фильтр, так что соседние элементы принимают только свой цвет. А значит, биннировать заряд вот так в лоб НЕЛЬЗЯ - теряется информация о цвете. Поэтому снижение разрешения в них делается ПОСЛЕ считывания и обработки сигнала, чисто программно. И такая операция может как снизить шум, так и ПОВЫСИТЬ его. Снизить шум удастся, если снижение разрешения происходит КРАТНО исходному разрешению. То есть в 2², 3² и т. д. раз. Это значит - с 12 до 3 Мпикс. (к примеру) , а не до 5. В этом случае происходит честное усреднение ЭКВИВАЛЕНТНЫХ элементов - растр результирующего изображения накладывается на растр исходного "узел в узел", интерполяции не требуется. Разумеется, при условии, что такая обработка производится над исходным изображением ДО его сжатия в JPG-файл. И тут тоже происходит усреднение шума, причём поскольку шум считывания с разных пикселей некоррелирован, его относительный уровень тоже снижается в 2, 3 и т. д. раз. Но не в 4, 9 и т. д. - шум усилителя тут присутствует В КАЖДОМ отсчёте, это вам не биннинг.
А вот если снижать разрешение с 12 до 5, то возможны артефакты интерполяции. Ведь тут растр картинки-результата не ложится точно на растр исходного изображения - нужно ВЫЧИСЛЯТЬ значения, интерполируя соседние отсчёты. И поскольку картинка цветная, то для честной интерполяции приходится брать уже восстановленное цветное изображение - при том, что сам процес восстановления цветовой информации УВЕЛИЧИВАЕТ шум.
Александр Григорьевич Водопьянов
Александр Григорьевич Водопьянов
50 550
Лучший ответ
Паха Гусев Леонид! Вы опасаетесь, что мол, "будет долго", а я как раз боялась того, что будет коротко :)
Честно говоря, я только на Ваш ответ и уповала, зная, что больше никто не сможет ответить лучше.
Прочитала много раз, и, кажется, усвоила вполне. Главное из прочего - биннингом у меня и не пахнет. И ещё теперь свои RAW-ы буду сжимать ровно в четыре раза, когда будет нужно их сжать.
А завтра пойду и расскажу себе на радость всем своим друзьям, что у них биннингом тоже не пахнет. И объясню почему :-)

Пребольшое спасибо за Ваши ответы! Я являюсь постоянной их читательницей, вот уже два года.
Я не специалист в данной области, но думаю, что соотношение сигнал/шум, в данном случае не изменится, так как оно зависит от физических размеров элементов матрицы, которые не изменятся. Смысл этой операции в том, что потребуется значительно меньше места в памяти, для хранения такого снимка.
Игорь Горных
Игорь Горных
61 102
фотоаппарат получит 12 мп с матрицы и сожмет фото до 5 мп.
чтобы было меньше шума старайтесь исо меньше ставить.
Фотография физически будет меньше (т. е. да, програмно урежет) она даже весить будет значительно меньше, при этом качество (в теории) не пострадает, если картинку не печатать и не увеличивать.