Исследование шумов матрицы изображения CANON EOS650Da

Для того, чтобы понять как время экспозиции влияет на уровень шума произведём эксперимент: сделаем серию «dark» RAW фотографий. Для их получения камеру спереди закроем стандартной крышкой, а видоискатель (чтобы свет не проникал внутрь камеры) специально предназначенной для этого заглушкой, которая располагается на шейном ремне камеры. Спорим, Вы не знали для чего это штука, т.к. инструкции никто никогда не читает 😉

Т.к. полезного сигнала в их нет (крышка закрыта), то это значит всё что будет содержать в себе полученное изображение — всё шум!!!

Качественную оценку уровня шума будем производить с помощью программного обеспечения RawDigger (достаточно trial версии) по следующей методике:

численные значения шума буду получать как среднее арифметическое среднеквадратичного отклонения в каналах:

RGBdev=(Rdev+Gdev+Bdev+G1dev)/4

 

Для оценки шумов в зависимости от времени экспозиции сделаем серию снимков на всех значениях ISO с выдержками наиболее часто используемых в астрофотографии: 15 сек, 30 сек, 1 мин, 2 мин, 4 мин, 8 мин и с выдержкой 1/400 сек в качестве эталонной выдержки с минимальными шумами — в астрофотографии они называются Биасы/офсеты

Как видно из полученных данных: чем дольше время экспозиции, тем больше прогревается матрица изображения, и тем больше увеличивается уровень шума в изображении! Следовательно, для снижения уровня шума на фотографии матрицу изображения нужно охлаждать! В модифицированном фотоаппарате CANON EOS 650Da для этого я применил графитовый теплопроводный лист на основе графена толщиной в 10 атомов имеющий теплопроводность до 5 раз большую, чем медь!

Модификация Canon EOS650D в 650Da

Единственным теплоотводом матрицы изображения в фотоаппарате является металлическая рамка. Лист является само клеящимся, что облегчает задачу его монтажа:

Модификация Canon EOS650D в 650Da

В качестве теплообменника я буду использовать массивный кронштейн камеры для крепления штатива, который ни к чему электрически не подключен и предназначен только для крепления камеры на штативе:

Модификация Canon EOS650D в 650Da

Для уменьшения шума квантования тепло буду также отводить и с микросхемы АЦП

Модификация Canon EOS650D в 650Da


Теперь будем проведем серию экспериментов при следующий условиях:

1. Камера CANON EOS650Da как есть при комнатной температуре +26°С

2. Камера CANON EOS650Da с радиатором охлаждения (подошёл радиатор охлаждения процессора от компьютера) при комнатной температуре +26°С

3. Камера CANON EOS650Da с радиатором охлаждения, охлаждённого до температуры +0С во льду (имитация охладителя на элементе Пельтье) при комнатной температуре +26°С

4. Камера CANON EOS650Da с радиатором охлаждения в морозилке -5°С (имитация съёмки зимой на морозе).


Первый эксперимент. Сделаем набор фотографий на выдержке 1/400 сек (Биасы/офсеты) во всех условиях. Причём при комнатной температуре без радиатора сделаем фотографии без пауз и с паузой 2 минуты

Как видно из полученного графика все кривые практически ложатся друг на друга, т.к. матрица не успевает нагреться. Так происходит вплоть до выдержки в 1сек включительно! Т.к. уровень шумов на ISO12800 и ISO25600 является необычайно большим в дальнейшем на этих значениях ISO анализировать данные не будем! Эту кривую в дальнейшем будем использовать как эталонную!

Второй эксперимент. Сделаем набор фотографий на ISO100-6400  со следующими экспозициями
— 30 сек экспозиция / 1 сек пауза
— 30 сек экспозиция / 2 мин пауза
— 1 мин экспозиция / 1 сек пауза
— 1 мин экспозиция / 2 мин пауза
— 2 мин экспозиция / 1 сек пауза
— 2 мин экспозиция / 2 мин пауза

Очевидно, что охлаждение опускает график уровня шумов до эталонного с выдержкой 1/400 сек! Также очевидно, что при серийной съёмке на уровень шума существенно влияет интервал между кадрами!

Графики уровня шумов в зависимости (кликабельно):

   

Третий эксперимент. Наиболее часто в астросьёмке через телескоп системы Ньютона применяется экспопара ISO1600@1min. Выдержка 1 минута наиболее популярна у астрофотографов, т.к. её легко обеспечивает экваториальная монтировка без гидирования. На ISO=1600 на камере прорисовываются практически все объекты дальнего космоса! Для сохранения яркости изображения, если уменьшить значение ISO на 1EV, то величину выдержки нужно будет соответственно увеличить тоже на 1EV (1EV в фотографии измерение яркости в 2 раза). Таким образом вы получаем набор экспопар, дающих одинаковые по яркости изображения:
ISO100@16min, ISO200@8min, ISO400@4min, ISO800@2min, ISO1600@1min, ISO3200@30sec, ISO6400@15sec.

Увеличивая значение ISO мы повышаем уровень шумов, но т.к. уменьшается время экспозиции то понижается уровень тепловых шумов!

Четвёртый эксперимент. имея наборы «dark» RAW изображений, снятых во всех возможных режимах съёмки попытаемся определить, что даёт более качественное изображение: изображение полученное на более высоком (но более шумном) значении ISO или на более низком значении (менее шумном) ISO, но с программным  увеличением значения экспозиции. Для этого в Adobe LightRoom произведем преобразование RAW файлов в TIFF(16бит) с необходимой коррекцией экспозиции со всеми отключенными настройками коррекции.

Поскольку RawDigger не принимает TIFF файлы анализ будем производить с помощью Adobe Photoshop. Для этого выделим область, и под гистограммой смотрим значение «отклонение»

Получается что уровень шума ISO3200 ниже чем ISO1600+1EVISO1600+2EV шумит значительно больше чем ISO6400, но ISO6400 шумит лишь немного больше чем ISO3200+1EV!

Пятый эксперимент. Проанализируем другую камеру, более высокого класса CANON EOD 5D Mark-II. Делаю серию «dark» RAWов на выдержке 1/400сек.

Уровень шумов у ее вдвое меньше! При этом, CANON EOD 5D Mark-II имеет более широкий ряд значений ISO:

Очевидно, что есть значения ISO которые шумят меньше — так называемые «аппаратные». Для 5DMark-II это ISO=100, 160, 320, 640 и 1250. Значение ISO=160 шумит меньше чем ISO=100 и 125ISO=320 шумит меньше чем ISO=200 и 250ISO=640 шумит меньше чем ISO=400 и 500, а ISO=1250 шумит меньше чем ISO=1000 и почти как 800! Другие значения ISO получаются с помощью неких «помощников». Вероятно это либо математическая аппроксимация, либо аналоговые усилители сигнала.

в CANON EOS 650D нет возможности включить «дробные» значения ISO. Зато их позволяет включить альтернативная прошивка Magic Lighten. Она позволяет более тонко управлять камерой и чрезвычайно увеличивает функционал камеры, например имеет «интервалометр», благодаря чему камере не нужен пульт, а также расширяет ряд значений ISO — к стандартным значениям (100, 200, 400, 800, 1600, 3200) добавляются +/-0.3EV

Как очевидно из графика, для CANON EOS650D значение ISO=160 шумит меньше чем ISO=100, а ISO=320 шумит меньше чем ISO=200! Начиная с ISO=640 и до ISO=1600 уровень шума линейно возрастает. Шум на более высоких значения ISO возрастает гораздо сильнее!


Выводы:

  1. Тепловые шумы появляются только на длинных выдержках и существенно влияют на качество изображения. На коротких выдержках <1 сек матрицу охлаждать нет смысла!
  2. Чем больше время экспозиции, тем сильнее нагревается матрица изображения, что увеличивает шум изображения
  3. При серийной съёмке, увеличивая интервал между кадрами во время съёмки (давая время остыть матрице изображения) можно существенно снизить уровень шума.
  4. При охлаждении матрицы изображения интервалы между кадрами можно не делать!
  5. Охлаждая матрицу «дарки» приравниваются к «Биасам/офсетам«
  6. До определённой выдержки шумы ISO значительно сильнее чем тепловые шумы, а дальше они начинают преобладать над шумами ISO
  7. Изображение с охлаждённой матрицы изображения на ISO3200@30sec содержит меньше шума чем с не охлаждённой на ISO100@16min!!
  8. Лучше снимать на более высоком значении ISO, чем программно увеличивать экспозицию при постобработке.
  9. Для данной камеры максимальное рабочее значение ISO=1600, оптимальное ISO=800
  10. Для данной камеры оптимальная экспопара с точки зрения тепловых шумов и времени экспозиции
    — с охлаждением: ISO400@4min (но для её применения нужно гидирование!)
    — без охлаждения: ISO800@2min
  11. ДЛЯ АСТРОСЬЁМКИ В ТЁПЛОЕ ВРЕМЯ ГОДА НАДО ДЕЛАТЬ ВНЕШНИЙ ОХЛАДИТЕЛЬ НА ЭЛЕМЕНТЕ ПЕЛЬТЬЕ!!!
  12. Класс камеры — ИМЕЕТ ЗНАЧЕНИЕ!
  13. Дробные значения ISO могут являться альтернативой стандартному ряду через 1EV
  14. Без охлаждения матрицы изображения нет смысла делать многоминутные выдержки на ISO=100 — шума будет как от ISO=3200 с короткими выдержками!!!!

7 комментариев

Вы можете оставить комментарий для данного поста.


  • Показатель «отклонение» никак не говорит об уровне шумов, разме что вы не привели второй показатель «среднее» всех снимков к одному значению. Попробуйте правильно вычислить значение SNR по формуле

    SNR(dB) = 20 * lg(Mean/Std.Deviation)

    Тогда статья будет иметь какой-то смысл. 🙂

    EO 7 месяцев ago Ответить


    • в Adobe Photohop оценивался уровень шумов только при программном увеличении экспозиции.
      Целью было выяснить как изменится шум, поэтому эти данные нигде больше не учитывались.

      параметра «отклонение» в данном случае вполне достаточно
      https://helpx.adobe.com/ru/photoshop/using/viewing-histograms-pixel-values.html
      Станд. откл. (стандартное отклонение) — Насколько сильно варьируются значения интенсивности.

      Hatsuk 7 месяцев ago Ответить


      • Почитайте что такое SNR и как он определяется. 😉 Вы сделали большой объём работы, но не довели его до логического завершения.

        EO 7 месяцев ago Ответить


        • если в «попугаях» видно что шумы полезли в верх, в чём смысл заморачиваться приведению к общему знаменателю?
          вывод однозначный: лучше повысить ISO в камере чем двигать экспозицию вправо в RAW конверторе

          Hatsuk 7 месяцев ago Ответить


          • Ваши цифры — это не шум, как как раз ничего не значащие «попугаи». По них же вы подогнали и свои выводы. Если вы хотите получить реальную оценку шума (точнее отношение С/Ш), то нужно использовать полную формулу или хотя бы отношение Mean/Std.Deviation.

            EO 7 месяцев ago


          • В данном случае сигнал/шум будет затруднительно измерять, т.к. сигнала нет вообще — чёрный дарк!
            всё что присутствует на чёрном кадре — всё шум! для его численной оценки я не анализирую числовые значения в файлах — я применяю готовое, специально для этого разработанное программное обеспечение RawDigger!

            Hatsuk 7 месяцев ago


          • Такое впечатление, что вы не в курсе про википедию и гугл. :))))

            EO 7 месяцев ago


Ответить