Le bruit de Poisson («bruit de tir») est-il une source importante de bruit pour la photographie typique?

Dans cette réponse , @jrista déclare que même une caméra avec un capteur parfait et silencieux aurait encore du bruit en raison du "bruit de Poisson" alias "Photon Shot Noise" - bruit provoqué par les variations aléatoires des photons, ce qui fait entrer plus de photons dans un sensel qu'un autre.

Je suis juste curieux - est-ce une préoccupation importante pour les photographes du monde réel? Je suppose que ce bruit serait si infiniment petit que nous pourrions le considérer comme étant essentiellement 0. Existe-t-il des études qui mesurent la quantité de bruit provenant du bruit de tir, par rapport à d'autres causes (comme le bruit électrique ou thermique de l'électronique) ?

Dans la plupart des parties de la plupart des photographies, le bruit des photons est le plus grand contributeur au bruit .

Généralement, nous le comparons pour lire le bruit. (Le courant d'obscurité est négligeable dans les expositions courtes, et le bruit de quantification est également assez faible lorsque vous parlez d'ADC 12 et 14 bits.) Le bruit de lecture dépend du capteur. Ce document de 2007 présente des mesures de bruit de lecture pour quelques reflex numériques . Nous voyons, par exemple, qu'un Canon 40D à ISO 200 a environ 10 électrons (e-) de bruit de lecture.

Le bruit des photons est un processus de Poisson , donc le bruit est la racine carrée du nombre de photoélectrons de signal. Donc, si nous enregistrons 100 photoélectrons de signal dans un pixel de notre sujet, nous nous attendons à ce que le bruit de tir par pixel soit sqrt (100) = 10 e-, égal au bruit de lecture du 40D.

100 photoélectrons, c'est beaucoup? Non, le même article estime que la capacité à puits complet d'un pixel 40D est de 56 000 e-, donc un pixel avec seulement 100 e- est une partie très sombre de la scène, environ 9 arrêts plus sombre que le puits plein. Dans un pixel avec plus de 100 e-, le bruit de prise de vue continue d'augmenter, jusqu'à sqrt (56000) = 236 à plein puits, de sorte que le bruit de prise de vue domine le bruit de lecture d'une marge de plus en plus grande. (Les tons clairs apparaissent moins bruyants que les tons sombres, car le rapport signal / bruit continue d'augmenter, car le bruit n'est que la racine carrée du signal. Mais ce bruit est dû de plus en plus au bruit de tir, non lire le bruit.)

Dans les ombres très sombres, le bruit de lecture peut être important. Et dans une exposition longue et sombre (comme l'astrophotographie sous un ciel sombre), le courant d'obscurité et le bruit de lecture peuvent être importants. Mais pour la photographie générale de sujets bien exposés avec des temps d'exposition courts, le bruit de la prise de vue est la principale source de bruit.

Le bruit des photons, ou le bruit qui résulte de la distribution de Poisson des photons lorsqu'ils atteignent le capteur, peut être un problème dont les photographes du monde réel pourraient avoir besoin au moins d'être conscients. Lorsque l'ISO augmente, le potentiel maximal du signal diminue également. Pour chaque arrêt d'augmentation de l'ISO, votre signal maximum diminue d'un facteur deux. Dans la plupart des expositions, le bruit des photons est de loin le plus important contributeur au bruit. Les sources de bruit électroniques n'affectent que les ombres profondes et ne se manifestent généralement que lorsque vous commencez à repousser l'exposition dans le poteau (c'est-à-dire en soulevant les ombres de manière significative).

En supposant un capteur plein format avec une capacité de puits complet (FWC) de 60 000 électrons, à ISO 100, vous avez un point de saturation maximum (MaxSat) de 60 000 électrons (e-). À 200 ISO, vous auriez un MaxSat de 30 000 e, ISO 400/15 000 e, ISO 800/7500 e, ISO 1600/3750 e, ISO 3200/1875 e. L'augmentation de l'ISO réduit intrinsèquement le rapport potentiel potentiel signal / bruit.

Ce facteur est probablement le plus important pour décider quel appareil photo acheter. Un capteur plein format aura des pixels plus grands qu'un capteur APS-C du même nombre de mégapixels. Notre FWC 60k sur notre hypothétique capteur FF pourrait être un FWC 20k-25k sur un capteur APS-C. Si vous avez besoin de performances de faible luminosité supérieures, opter pour un capteur plein format et moins de mégapixels augmentera la taille des pixels, ce qui aura un impact DIRECT sur la quantité de bruit visible à des paramètres ISO plus élevés.

Le bruit des photons, en tant que rapport du signal total, diminue à mesure que la force du signal augmente. En tant que facteur absolu (écart-type autour du niveau moyen du signal), le bruit des photons est probablement à peu près constant. En supposant un écart-type de 5 unités, si la force du signal est également de 5, vous auriez une image qui semble être principalement du bruit, éventuellement avec des "formes" partielles mais largement indistinctes. Si la force du signal est de 10 unités, le SNR est de 50%. Vous aurez toujours une image très bruyante, mais ce sera une image avec une forme et une structure plus distinctes. En termes réels, le bruit tiré par les photons, qui suit une fonction de distribution de Poisson, est égal à la racine carrée du niveau du signal. À ISO 100, le capteur FF avec un FWC de 60 000 e aura un bruit de photon équivalent à 244 e. Un capteur APS-C avec un 20, Le 000e- FWC aura un bruit de photon équivalent à 141e-. À 200 ISO, le bruit des photons serait respectivement de 173 e et 122 e, 400 ISO de 122 e et 70 e, etc. ses 0,006%, ISO 400 ses 0,008%, etc. Inversement, pour l'APS-C, ces valeurs sont ISO 100 / 0,007%, ISO 200 / 0,012%, ISO 400 / 0,014%, etc.

Les petits capteurs auront un SNR légèrement inférieur à celui des capteurs FF, car le câblage d'activation et de lecture des lignes / colonnes a tendance à consommer plus d'espace photodiode relatif. Combiné avec le FWC plus petit, vous êtes immédiatement désavantagé quand il s'agit d'augmenter l'ISO. Le capteur FF a un avantage de bruit d'environ 60% (Par: 244/60000 / 141/20000 = 0,577). Au même réglage ISO, en supposant que le bruit est généralement visible à ce réglage, le capteur FF apparaîtra toujours moins bruyant qu'un capteur APS-C. Dans le cas de nos deux capteurs hypothétiques, ISO 100 sur l'APS-C n'est que légèrement meilleure que ISO 400 sur le FF, soit presque une différence de deux points dans les performances de bruit relatif! Il en irait de même pour deux capteurs FF, l'un avec de grands pixels et l'autre avec des pixels plus petits d'un facteur 1,6. Cela suppose l'observation d'un recadrage à 100% (c'est-à-dire un balayage des pixels.

Quant à la quantité de bruit provenant du bruit de tir et à celle provenant d'autres sources. Les "autres sources" dépendent vraiment du capteur. Le bruit de lecture est généralement mesuré en termes d'UA (unités numériques ou post-ADC) ou e- (électrons, charge du signal analogique). Le Canon 7D a un bruit de lecture de 8,6 e à 100 ISO, mais de 4,7 e à 200 ISO, 3,3 e à 400 ISO, etc. Le Canon 1D X a un bruit de lecture de 38,2 e (!) À 100 ISO. un plus grand bruit de lecture est finalement proportionnel à la zone de la photodiode ... des pixels plus grands transportent plus de courant, donc le courant d'obscurité sera plus élevé, et l'amplification en aval augmentera une plus grande quantité de bruit électronique par rapport au signal. Le 1D X a cependant un FWC 90 300, ce qui signifie que 38e de bruit de lecture est une infime fraction du signal ISO100 potentiel maximum (0,00042% pour être exact).

Dans tous les cas de bruit, cela dépend vraiment de vos objectifs. Si vous avez tendance à filmer dans des conditions de faible luminosité ou si vous avez besoin de vitesses d'obturation très élevées, trouver un appareil photo avec des pixels plus grands produira probablement les meilleures caractéristiques de bruit. Si vous photographiez des sujets très détaillés, une densité de pixels plus élevée est probablement plus importante qu'un faible bruit. Il n'y a pas ici de vraie réponse.

^{† Quantité de lumière, en supposant un illuminant fixe, la quantité de lumière qui atteint le capteur pour une ouverture et une vitesse d'obturation données, ou tout rapport équivalent de ceux-ci: f / 16 1/100 s, f / 8 1/200 s, f / 4 1 / 800s, tout de même EV.}

Vous entrez définitivement dans le domaine de la photographie marginale lorsque vous essayez d'identifier le bruit de tir par rapport au signal. Heureusement, les astrophotographes sont déjà venus ici.

Il y a une série décente d'articles destinés aux laïcs qui va dans la compréhension du bruit par rapport au signal qui a été publiée par Craig Stark.

Dans la première partie ici , il décrit la prémisse de base du bruit de grenaille et pourquoi la lueur du ciel est si mauvaise pour l'astronomie - elle augmente le bruit de grenaille sans ajouter plus d'informations. Essentiellement, vous pouvez avoir un plateau de niveau de lumière plus élevé mais c'est plat et donc voler le contraste.

Dans la deuxième partie ici , il va plus en détail sur les différences entre le cliché, la lecture et le bruit thermique, par exemple des photographies.

Dans la troisième partie ici , il décrit une méthode pour mesurer les performances de caméras spécifiques et ainsi gagner un modèle pour les profils de bruit. Cela peut mieux répondre à votre question «quelles sont les différences entre les types de bruit».

Revenons à votre question de base: est-ce pertinent pour la plupart des photographies? Pas vraiment, jusqu'à ce que vous commenciez à photographier dans les extrêmes d'autres types de bruit (thermique et de lecture) lorsque le SNR devient asymétrique.