Qu'est-ce qui cause le bruit de bande dans les capteurs CMOS?

Je recherche des informations (et des références) sur trois sujets connexes:

• Qu'est-ce qui cause le bruit de bande dans les capteurs CMOS? Quelle est la cause physique / technologique? La cause est-elle la même dans les capteurs CCD et CMOS?

• Comment les divers facteurs pertinents (réglage ISO, durée d'exposition et niveau d'exposition) influencent-ils la force et le motif de la bande?

• Le modèle de bande est-il stable à court terme (plans séquentiels) et à long terme? Y a-t-il une chance que le motif de bande d'un capteur réel puisse être mesuré et utilisé pour réduire l'effet dans les photos réelles?

Pour clarifier ce que je veux dire par baguage, voici un exemple d'image du site Web de TopazLabs. Remarquez les bandes horizontales dans l'image bruyante.

Une expérience naïve n'a montré aucune corrélation positive entre le baguage dans plusieurs images d'une surface blanche et plate.

Le bruit de bande horizontale et verticale (HVBN) est provoqué par la lecture du capteur, l'amplification en aval et l'ADC. Il peut y avoir plusieurs sources de HVBN, certaines d'entre elles provoquent un schéma relativement fixe, d'autres peuvent provoquer un schéma aléatoire. Les interférences de signaux externes sont souvent une source de bandes plus douces et plus aléatoires. Exactement ce qui cause les bandes dans lesquelles les capteurs dépendent vraiment, et personne d'autre que le fabricant n'a suffisamment d'informations pour indiquer les causes exactes d'un appareil photo donné.

Principalement, HVBN est causé par la façon dont les lignes de pixels sont activées, et chaque colonne d'une ligne est lue, et la nature des transistors impliqués dans ce processus de lecture. Premièrement, les transistors fabriqués par photolithographie sont imparfaits. Les imperfections du silicium de base, les imperfections du gabarit et de la gravure, etc. peuvent toutes affecter la réponse des transistors. En tant que tel, chaque pixel d'un capteur, ainsi que les compartiments pour le traitement d'image sur puce tels que le CDS (échantillonnage double corrélé), ne se comporteront pas nécessairement comme tous les autres, produisant des différences. Dans les capteurs CMOS modernes (sauf les capteurs de type Sony Exmor), les circuits CDS intégrés sont souvent responsables de l'introduction de bruit de bande à des paramètres ISO inférieurs (100 ISO à peut-être 800) dans les ombres profondes.

Certaines conceptions de lecture impliquent également un amplificateur aval supplémentaire utilisé dans certaines circonstances, utilisé en plus des amplificateurs par pixel. Le bruit de bande introduit dans la puce du capteur lui-même sera exacerbé par tout amplificateur en aval. Ces types d'amplificateurs se déclenchent généralement à un ISO très élevé, comme 6400 et plus, c'est pourquoi une sortie relativement "propre" à ISO 1600 et peut-être 3200 devient soudainement bien pire à des réglages encore plus élevés.

L'ADC est une autre source de bandes. Il y a potentiellement deux coupables ici. Dans le cas d'une caméra comme la 7D, qui utilise une lecture parallèle divisée (où quatre canaux de lecture sont dirigés vers une puce DIGIC 4 et quatre autres sont dirigés vers une autre puce DIGIC 4 de manière entrelacée), une bande assez prononcée mais même verticale peut se produire, même dans les tons moyens, grâce à la réponse différente des processeurs d'image DIGIC DSP qui abritent chacun quatre unités ADC. Comme des bandes paires sont envoyées aux unités ADC d'un DIGIC et des bandes impaires sont envoyées aux autres unités ADC de DICIC, un traitement 100% identique est peu probable et de légères différences se manifestent sous forme de bandes verticales.

La source potentielle finale est constituée de composants haute fréquence. La logique haute fréquence a tendance à être bruyante. En utilisant à nouveau le 7D comme exemple, il s'agit d'un capteur de 18 mégapixels, qu'un total de huit unités ADC doit traiter, à une vitesse suffisamment rapide pour prendre en charge une vitesse d'obturation de 8 images / s. (Techniquement parlant, le 7D a même plus de 18 millions de pixels ... il s'agit en fait d'un capteur de 19,1 mégapixels, car Canon masque toujours une bordure de pixels pour le décalage de biais et l'étalonnage du point noir.) À 8 images par seconde, le nombre total de pixels traités par seconde doit être d'au moins 152 800 000, et comme il existe huit unités ADC, chaque unité doit traiter 19,1 millions de pixels chaque seconde. Cela nécessite une fréquence plus élevée, qui peut (via une variété de mécanismes que je n'entrerai pas ici) introduire du bruit supplémentaire.

Il existe des moyens de réduire le HVBN. Certains modèles de capteurs écrêtent les valeurs de signal négatives des pixels (ou, en d'autres termes, n'utilisent pas de décalage de polarisation), ce qui a pour effet de réduire de moitié les bandes, mais aussi de coûter certains détails potentiellement récupérables profondément dans les ombres de l'image. Les capteurs qui utilisent un décalage de polarisation (qui permet des valeurs de signal négatives jusqu'à un niveau prédéfini) ont tendance à avoir plus de HVBN à un ISO plus faible, car moins d'écrêtage est effectué afin de prendre en charge une plus grande capacité à puits complet. Une conception ADC plus avancée peut réduire le bruit, certains utilisent même le bruit avec une forme de tramage pour presque éliminer le bruit introduit par l'ADC.

Une autre façon de réduire le bruit de bande consiste à déplacer le signal analogique vers le numérique plus tôt, de préférence sur la puce de capteur elle-même. Les données numériques peuvent être corrigées lors du transfert, où les signaux analogiques ont tendance à capter le bruit plus ils voyagent le long des bus électroniques et à travers les unités de traitement. Une augmentation du nombre d'unités ADC améliore le parallélisme, réduisant la vitesse à laquelle chaque unité doit fonctionner, permettant ainsi l'utilisation de composants de fréquence inférieure. De meilleures techniques de fabrication (généralement offertes par un processus de fabrication plus petit, ce qui augmente la place pour du matériel plus complexe) ainsi que de meilleures plaquettes de silicium peuvent être utilisées pour normaliser la courbe de réponse pour chaque transistor ou unité logique, ce qui leur permet de produire des résultats plus propres, même à des fréquences plus élevées.

Sony Exmor, le capteur presque silencieux bien connu des appareils photo Nikon D800 et D600, a adopté une approche assez radicale pour réduire la forme de bruit la plus intrusive et la plus frustrante. Exmor déplace l'ensemble du pipeline de traitement d'image jusqu'à et y compris l'ADC sur la puce du capteur. Il a hyperparallélisé l'ADC, en ajoutant un par colonne de pixels (CP-ADC ou ADC à colonnes parallèles). Il a éliminé l'amplification analogique par pixel et les CDS analogiques au profit de l'amplification numérique et des CDS numériques. Il a isolé des composants haute fréquence dans une zone éloignée de la puce du capteur, ce qui a presque éliminé le bruit introduit par chaque unité ADC elle-même. La lecture des pixels entraîne une conversion immédiate d'une charge analogique en une unité numérique, et elle reste numérique à partir de ce moment. Une fois numériques, tous les transferts d'informations sont effectivement sans bruit,

L'une des grandes victoires d'Exmor (selon Sony) a été l'élimination des circuits CDS analogiques et le passage à la logique CDS numérique. L'affirmation de Sony était que les différences de réponse pour les unités CDS analogiques étaient une source de bruit de bande. Au lieu de stocker la charge de réinitialisation de chaque pixel en tant que charge, une "lecture de réinitialisation" est effectuée, cette lecture de réinitialisation est exécutée via le même processus ADC qu'une lecture d'image normale, à l'exception du fait que la sortie numérique est suivie comme valeurs négatives. Lorsque l'exposition réelle est lue, elle est lue comme des valeurs positives, et la lecture CDS "négative" antérieure est appliquée en ligne (c'est-à-dire que chaque pixel lu commence à une valeur négative, et le comptage augmente à partir de là). Cela élimine le bruit à la fois de la réponse du transistor non uniforme et du courant d'obscurité simultanément.

Avec un capteur Exmor, la lecture est effectivement sans ISO (vous avez peut-être entendu ce terme ailleurs sur le net). Tous les réglages ISO sont obtenus via un simple boost numérique (amplification numérique) au niveau approprié. Pour RAW, le paramètre ISO doit simplement être stocké en tant que métadonnées, et les éditeurs RAW augmentent chaque valeur de pixel au niveau approprié pendant le dématriçage. C'est pourquoi une prise de vue ISO 100 D800 peut être sous-exposée, puis soulevée en position par de nombreux arrêts, sans introduire de bruit de bande dans les ombres.

Le baguage est causé par un certain nombre de facteurs.

Tout comme dans la gestion des couleurs, tout appareil le long du processus d'imagerie peut vous faire voir des bandes. Cela peut être dû à un moniteur mal calibré, à une imprimante mal calibrée, à un moniteur incapable d'afficher une véritable LUT 8 bits / 12 bits. D'après mon expérience, la plupart des bandes ne sont pas réellement inhérentes. Cela est dû au fait que votre moniteur n'est pas en mesure de distinguer les niveaux discrets de gris sur un dégradé fin.

Je ne vois pas vraiment comment CMOS / CCD ferait une différence. Pour comprendre cela nécessite un peu de savoir-faire technique, vous devez comprendre que le facteur le plus important qui influencera la bande est la profondeur de bits de votre capteur, cela seul détermine la quantité de valeurs tonales discrètes que votre capteur peut enregistrer. Un capteur 12 bits enregistrera 2 ^ 12 niveaux de gris tandis qu'un capteur 14 bits enregistrera 2 ^ 14 = 16384 niveaux de gris. Maintenant, pour compliquer les choses, la plupart des appareils photo numériques n'attribuent pas de fonction de poids linéaire à la distribution tonale de leurs capteurs, cela signifie que l'appareil photo (en fait la plupart des appareils photo) peut être plus biaisé vers la partie saillante du spectre (c'est là que la phrase «tirer vers la droite» vient, en ce qui concerne les histogrammes).

Pour compliquer encore les choses, la plupart des processeurs de capteurs peuvent effectuer (certainement) leur propre interpolation entre des valeurs tonales éparses. Cela signifie, par exemple, que si j'ai une valeur tonale de 5 dans une partie particulière de l'image et qu'une zone proche a une valeur tonale de 8, l'appareil photo "devinera" quelle devrait être la valeur tonale intermédiaire. L'ISO peut également être un facteur car il influence la plage dynamique et la latitude d'exposition.

Ce que vous devriez étudier, c'est si la bande est affichée sur plusieurs appareils. Si vous le trouvez, vous pouvez essayer d'ajouter du bruit gaussien avec un mode de fusion et un masque pour vous en débarrasser. Je vais inclure quelques images pour vous montrer ce que je veux dire:

Création de bandes avec un dégradé sombre

Ajoutez maintenant une couche de bruit:

(1) Créer un nouveau calque

(2) Remplissez-le avec 50% de gris: Édition -> Remplir -> 50% de gris

(3) Réglez le mode de fusion de ce calque sur Lumière dure

(4) Ajouter du bruit: Filtre -> Ajouter du bruit (gaussien, environ 1%)

Vous pouvez ensuite jouer avec l'opacité de ce calque jusqu'à ce que la bande disparaisse, vous pouvez également créer un masque dessus si vous le souhaitez.

Ajout d'une couche de bruit