Pourquoi le bruit ne dépend-il pas du temps d'exposition?

Dans la publication Pourquoi les caméras utilisent-elles une seule exposition plutôt que de s'intégrer à de nombreuses lectures très rapides? une question importante était de savoir si le bruit dépend du temps d'exposition ou non. Par bruit, je veux dire le bruit absolu (N), pas le bruit relatif (S / N). J'étais convaincu de cette corrélation car je pensais que le bruit s'accumule pendant le temps d'exposition, donc s'il est plus long le bruit serait plus élevé.

Pour tester cette hypothèse, j'ai essayé de prendre des images noires avec le capuchon d'objectif sur les lentilles, de manière à avoir S = 0. J'utilise Canon 600D, ISO100 et f / 3.5

J'ai écrit un script python pour calculer la moyenne de la valeur moyenne sur tout le pixel avec une moyenne simple ou avec une moyenne quadratique (sqrt (sum_i (R_i ^ 2)) où R_i est le ième pixel en ne considérant que le canal rouge.

J'ai utilisé jpeg, car je ne suis pas capable de lire des données brutes à partir de python. En utilisant jpeg, la résolution du bruit est assez faible (1/256), mais j'ai obtenu des résultats intéressants.

Voici l'intrigue: sur l'axe y le bruit, sur l'axe x le temps d'exposition.

il semble que le bruit soit assez constant jusqu'à une exposition de 1s, puis il commence à augmenter

J'ai aussi essayé de filmer avec ISO3200, voici les résultats:

comme prévu, le bruit est beaucoup plus important (~ 10 fois) mais le comportement avec le temps d'exposition est similaire (il augmente probablement un peu plus vite).

Pourquoi ce comportement?

Pourquoi le canal vert est-il plus bruyant?

Tout d'abord, vous ne pouvez vraiment évaluer aucune forme de bruit via JPEG. La compression, même minimale, a un impact mesurable / visible sur l'apparence du bruit. Vous ne pouvez vraiment évaluer le bruit qu'avec une image RAW.

Pour être sûr, vous comprenez que la principale source de bruit d'imageest le bruit des photons? Le bruit que vous évaluez est le bruit de lecture de l'appareil photo, le bruit produit par l'électricité traversant les circuits électroniques et potentiellement causé par de légères imperfections dans le matériau utilisé dans le capteur d'image. Le bruit de lecture est généralement un aspect fixe du capteur pour un niveau ISO donné, jusqu'à ce que des facteurs supplémentaires tels que la chaleur commencent à le modifier. De plus, pour apporter un signal dans la discussion pendant un moment ... le bruit de lecture est une infime fraction du signal maximum, donc même à son pic de 0,009 @ 3200 ISO dans votre graphique, lorsque vous frappez un signal d'image suffisamment fort en plus de cela , l'impact du bruit de lecture est en fait si négligeable qu'il n'a plus de sens. Photon bruit de tir, ou le bruit dans le signal d'image lui-même qui provient d'un signal plus faible (par rapport à la pleine capacité physique d'un photodiode unique) et d'un motif incohérent largement distribué de frappes de photons, est de loin le principal contributeur à un bruit ISO élevé. Il faudrait creuser très profondément dans les ombres les plus sombres d'une photo ISO 3200 pour trouver toute indication de bruit de lecture.

Lorsque vous exposez jusqu'à 1 seconde, je suppose que la quantité de bruit de lecture est plate car vous n'accumulez pas suffisamment de chaleur dans le circuit pour avoir un impact. Selon vos tests, au moment où vous atteignez une exposition de 1s, la chaleur commence probablement à s'accumuler et a un impact. À mesure que vous continuez à exposer pendant une période de plus en plus longue, l'impact du bruit thermique sur le bruit de lecture global augmente.

Je ne suis pas un ingénieur capteur d'image CMOS, donc je ne peux pas aller plus loin que cela. Je dirais, sur la base des nombreux brevets que j'ai lus et publiés par Sony et Canon, qu'il existe d'autres raisons pour lesquelles le bruit augmente avec le temps d'exposition. Il existe un certain nombre de brevets d'atténuation du bruit qui flottent dans le brevet-nether qui visent à identifier, suivre et éliminer une variété de sources possibles de bruit. La plupart traitent du bruit de courant sombre, du bruit de l'amplificateur ou du bruit du convertisseur A / N, mais il existe d'autres sources. Certains brevets vont jusqu'à couper l'alimentation principale aux circuits d'atténuation du bruit et de capacité de lecture pendant la lecture pour éliminer le potentiel que le courant d'obscurité de l'alimentation elle-même augmente le bruit pendant la lecture (je crois que c'était un brevet Canon, et je ''

Il suffit de dire que le bruit thermique devient définitivement un producteur de bruit primaire lorsque l'exposition dépasse un certain seuil. Je n'aurais pas deviné que ce seuil était exactement de 1, mais vos tests sembleraient certainement l'indiquer.