Почему синий канал самый шумный?

Он широко наблюдается , что синий канал в области цифровых камер является шумным. Я конечно заметил это с моей камерой. Почему это?

Является ли это артефактом какой-то конкретной технологии (например, матрицы Байера или КМОП-датчиков), или это как-то связано с физикой высокочастотного света, или это связано с человеческим зрением?

_{Дополнительный вопрос: почему датчики менее чувствительны к синему свету?}

В дополнение к отклику сенсора, о котором говорил Талл Джефф, у большей части освещения сцены (солнечный свет, лампа накаливания) недостаточно синего света по сравнению с зеленым и красным. Запустите этот Java-симулятор черного тела и убедитесь, что синий цвет ниже зеленого или красного для интересующих цветовых температур (~ 5500 K дневного света, ~ 3000 K накаливания).

Есть еще один маленький фактор, который усугубляет проблему. Матрицы CCD и CMOS являются детекторами с подсчетом фотонов. Большинство графиков, в том числе в симуляторе черного тела выше, показывают спектральную плотность энергии , а не количество фотонов. Синие фотоны более энергичны, чем красные, благодаря обратному отношению их длин волн, поэтому при одинаковом значении энергии на графиках вы получите на 25% больше красных фотонов, чем синих. И это отправная точка для эффектов чувствительности, описанных Tall Jeff.

Что касается ПЗС и датчиков с задней подсветкой, ПЗС с фронтальной подсветкой страдают от одинаково уменьшенной чувствительности к синему, так как большая часть синего света поглощается при прохождении через нечувствительную структуру затвора чипа. Датчики с задней подсветкой увидят улучшенный синий ответ. Посмотрите эту типичную кривую спектрального отклика (для различных типов ПЗС исследовательского уровня).

Учитывая современное состояние техники, шум в синем канале представляет собой комбинацию каскадных эффектов, которые работают вместе, чтобы синий «выглядеть» наихудшим. Во-первых, при настройке паттерна Байера зеленых пикселей в матрице в два раза больше, чем красных или синих *. Это сразу ставит синий и красный в пространственный недостаток по сравнению с зеленым каналом и приводит к гораздо большему спектральному шуму для этих двух каналов, когда триплеты RGB реконструируются из соседних пикселей датчика. Например, 10-мегапиксельный сенсор будет иметь 5 млн. Зеленых пикселей, 2,5 млн. Красных и 2,5 млн. Синих. Ясно, что когда вы формируете эту необработанную информацию в последние 10M RGB-триплеты, становится ясно, что для красного или синего канала не может быть лучше, чем 1/2 объема информации, и это выглядит как форма шума на конечном изображении.

Следующий эффект связан со спектральной чувствительностью сенсорной системы через красный, зеленый и синий фильтры. Как система, современные CMOS-датчики примерно на 50% более чувствительны к зеленой и красной областях спектра, чем к синим областям. Например, для этого датчика CMOS от Cypress , мы можем видеть на странице 3, что относительная чувствительность составляет около красного (75%), зеленого (80%), синего (50%) при индексировании кривых на правильных длинах волн для каждого цвет. Это отсутствие чувствительности в сочетании с фиксированным уровнем датчика и шумом дискретизации для всех пикселей на датчиках ставит синий цвет в значительный недостаток отношения сигнал / шум по сравнению с двумя другими цветами.

В целом это означает, что цветные CMOS-датчики лучше всего воспроизводят зеленый, затем идут красный и, наконец, синий, который является худшим из трех с точки зрения общего шума.

Заглядывая в будущее, обратите внимание, что эти ограничения с синим каналом на самом деле в основном связаны с оптимизацией затрат / производительности. То есть, физике нет ничего, что требовало бы ухудшения характеристик синего цвета, только то, что это было бы НАМНОГО дороже, учитывая современные конструкции устройств для улучшения синего канала с заметным запасом. Кроме того, учитывая, что человеческий глаз не очень чувствителен к синей / желтой цветовой оси, решения уже являются очень хорошо оптимизированным решением. На самом деле, я уверен, что большинство производителей камер предпочли бы сначала снизить общую стоимость, прежде чем платить столько же или больше, просто чтобы улучшить характеристики шума синего канала.

** Bayer решил настроить матрицу таким образом, потому что зрительная система человека получает большую часть своего сигнала яркости (то есть: информацию о яркости) из зеленой части цветового спектра. То есть стержни в глазах наиболее чувствительны к зеленому свету, что делает зеленую часть спектра наиболее важной визуально. *

Потому что глаза / мозг человека не так чувствительны к изменениям синего света, как к изменениям зеленого / красного света. Современные датчики камеры действуют больше как человеческие глаза, и поэтому они менее чувствительны к синему, чем к зеленому / красному. Поскольку стандарт отображения нейтральных цветов на мониторах должен иметь одинаковое количество синего, зеленого и красного цветов, а датчики менее чувствительны к синему, чем к красному и зеленому, удобно усиливать синий канал. Усиление сигнала синего канала также усиливает шум синего канала.

Подавление шума камеры применяется только в том случае, если вы снимаете в формате JPEG, но, поскольку многие люди снимают RAW, синий канал всегда несколько шумит. Я искал средство от этой проблемы. Один из них предложил преобразовать изображение в лабораторный цвет и сгладить / размыть только канал яркости, а затем преобразовать обратно в RGB для удаления шума. Можешь попробовать.

Мы провели анализ сине-зелено-красных каналов DP3 Merrill в цифровом (RAW) режиме. Я только что приобрел эту камеру в июне 2018 года. Синий канал показывает зависящую от уровня ошибку в аналого-цифровом преобразователе, которого нет в красно-зеленых каналах, которые функционируют, как ожидалось. Похоже, что может быть ошибка при подключении синего канала a / d или в коде, который переводит напряжение a / d в цифровой сигнал синего канала. Это НЕ проблема чувствительности. Это может быть проблемой насыщения, то есть физические напряжения превышают диапазон A / D при очень низких напряжениях, то есть слишком большое усиление в этом канале. Камера была установлена ​​на ISO 100 для получения данных, и данные были получены в диапазоне выдержек и уровней сигнала в кадре. Измерения синего канала были наиболее правильными сигналами при НИЗКИХ уровнях сигнала. Чем выше сигнал, тем больше ошибка. Это проблема усиления / оцифровки в алгоритме, производящем файлы X3F, или, возможно, проблема с порядком байтов. Мы смотрим на файлы X3F напрямую, чтобы увидеть, присутствует ли там ошибка, но я ожидаю, что это так, поскольку файлы TIFF и JPEG, созданные конвертером, имеют одинаковую проблему. Вопрос в том, будет ли производитель заинтересован исправить эту проблему? Чип Foveon - это хорошая идея, которую нужно правильно спроектировать. Вопрос в том, будет ли производитель заинтересован исправить эту проблему? Чип Foveon - это хорошая идея, которую нужно правильно спроектировать. Вопрос в том, будет ли производитель заинтересован исправить эту проблему? Чип Foveon - это хорошая идея, которую нужно правильно спроектировать.