¿Es el ruido de Poisson ("ruido de disparo") una fuente importante de ruido para la fotografía típica?

En esta respuesta , @jrista afirma que incluso una cámara con un sensor perfecto y silencioso seguiría teniendo ruido debido al "ruido de Poisson", también conocido como "ruido de disparo de fotones" , ruido causado por las variaciones aleatorias de los fotones, que hacen que entren más fotones en uno sensel que otro.

Solo tengo curiosidad: ¿es una preocupación importante para los fotógrafos del mundo real? Supongo que este ruido sería tan infinitesimalmente pequeño que podemos considerar que es básicamente 0. ¿Hay algún estudio que mida cuánto ruido proviene del ruido de disparo, frente a otras causas (como el ruido eléctrico o térmico de la electrónica) ?

En la mayoría de las partes de la mayoría de las fotografías, el ruido de disparo de fotones es el mayor contribuyente al ruido .

Sobre todo, lo estamos comparando para leer ruido. (La corriente oscura es insignificante en exposiciones cortas, y el ruido de cuantización también es bastante pequeño cuando se habla de ADC de 12 y 14 bits). El ruido de lectura depende del sensor. Este documento de 2007 presenta mediciones de ruido de lectura para algunas DSLR . Vemos, por ejemplo, que una Canon 40D a ISO 200 tiene aproximadamente 10 electrones (e-) de ruido de lectura.

El ruido de disparo de fotones es un proceso de Poisson , por lo que el ruido es la raíz cuadrada del recuento de fotoelectrones de señal. Entonces, si registramos 100 fotoelectrones de señal en un píxel de nuestro sujeto, esperamos que el ruido de disparo por píxel sea sqrt (100) = 10 e-, igual al ruido de lectura del 40D.

¿Son 100 fotoelectrones mucho? No, el mismo artículo estima que la capacidad del pozo completo de un píxel 40D es de 56,000 e-, por lo que un píxel con solo 100 e- es una parte muy oscura de la escena, aproximadamente 9 paradas más oscuras que el pozo completo. En un píxel con más de 100 e-, el ruido de disparo continúa aumentando, hasta sqrt (56000) = 236 en el pozo completo, por lo que el ruido de disparo domina el ruido de lectura por un margen cada vez mayor. (Los tonos brillantes parecen menos ruidosos que los tonos oscuros, porque la relación señal / ruido continúa aumentando, ya que el ruido es solo la raíz cuadrada de la señal. Pero el ruido que hay se debe cada vez más al ruido de disparo, no leer ruido)

En las sombras muy oscuras, el ruido de lectura puede ser significativo. Y en una exposición larga y oscura (como la astrofotografía bajo cielos oscuros), la corriente oscura y el ruido de lectura pueden ser importantes. Pero para la fotografía general de sujetos bien expuestos con tiempos de exposición cortos, el ruido de disparo es la fuente dominante de ruido.

El ruido de disparo de fotones, o el ruido que resulta de la distribución de Poisson de los fotones cuando llegan al sensor, puede ser un problema que los fotógrafos del mundo real pueden necesitar al menos tener en cuenta. A medida que aumenta el ISO, el potencial máximo para la señal también disminuye. Por cada parada de aumento en ISO, su señal máxima cae en un factor de dos. En la mayoría de las exposiciones, el ruido de disparo de fotones es, con mucho, el contribuyente más significativo al ruido. Las fuentes electrónicas de ruido solo afectan las sombras profundas y, por lo general, solo se exhiben cuando comienzas a empujar la exposición en el poste (es decir, levanta las sombras en un grado significativo).

Suponiendo un sensor de fotograma completo con una capacidad de pozo completo (FWC) de 60,000 electrones, a ISO 100 tiene un punto de saturación máxima (MaxSat) de 60,000 electrones (e-). En ISO 200, tendría un MaxSat de 30,000e-, ISO 400 / 15,000e-, ISO 800 / 7500e-, ISO 1600 / 3750e-, ISO 3200 / 1875e-. El aumento de ISO reduce intrínsecamente la relación potencial máxima de señal a ruido.

Este factor es probablemente el más importante al decidir qué cámara comprar. Un sensor de fotograma completo tendrá píxeles más grandes que un sensor APS-C del mismo recuento de megapíxeles. Nuestro 60k FWC en nuestro hipotético sensor FF podría ser un 20k-25k FWC en un sensor APS-C. Si necesita un rendimiento superior con poca luz, ir con un sensor de fotograma completo y menos megapíxeles aumentará el tamaño de píxel, lo que tendrá un impacto DIRECTO en la cantidad de ruido visible en configuraciones ISO más altas.

El ruido de disparo de fotones, como una relación de la señal total, cae a medida que aumenta la intensidad de la señal. Como factor absoluto (desviación estándar alrededor del nivel medio de señal), el ruido de disparo fotónico es probablemente más o menos constante. Suponiendo una desviación estándar de 5 unidades, si la intensidad de la señal también es 5, tendría una imagen que parece ser en su mayoría ruido, posiblemente con "formas" parciales pero en gran parte indistintas. Si la intensidad de la señal es de 10 unidades, la SNR es del 50%. Aún tendrá una imagen muy ruidosa, pero será una imagen con una forma y estructura más distintas. En términos reales, el ruido de disparo de fotones, que sigue una función de distribución de Poisson, es igual a la raíz cuadrada del nivel de señal. Con ISO 100, el sensor FF con 60,000e-FWC tendrá un ruido de disparo de fotones equivalente a 244e-. Un sensor APS-C con un 20, 000e- FWC tendrá un ruido de disparo de fotones equivalente a 141e-. A ISO 200, el ruido de disparo de fotones sería 173e y 122e, respectivamente, ISO 400 sería 122e y 70e, etc. es 0.006%, ISO 400 es 0.008%, etc. Por el contrario, para APS-C estos valores son ISO 100 / 0.007%, ISO 200 / 0.012%, ISO 400 / 0.014%, etc.

Para empezar, los sensores más pequeños tendrán una SNR ligeramente más baja que los sensores FF, ya que la activación de fila / columna y el cableado de lectura tienden a consumir más espacio relativo de fotodiodo. En combinación con el FWC más pequeño, está inmediatamente en desventaja cuando se trata de aumentar el ISO. El sensor FF tiene una ventaja de ruido de aproximadamente el 60% (Por: 244/60000 / 141/20000 = 0.577). Con la misma configuración ISO, suponiendo que el ruido sea generalmente visible en esa configuración, el sensor FF siempre parecerá menos ruidoso que un sensor APS-C. En el caso de nuestros dos sensores hipotéticos, ISO 100 en el APS-C es solo marginalmente mejor que ISO 400 en el FF, ¡casi una diferencia de dos paradas completas en el rendimiento de ruido relativo! Lo mismo ocurriría con dos sensores FF, uno con píxeles grandes y otro con píxeles más pequeños en un factor de 1.6. Esto supone una observación de un recorte del 100% (es decir, espionaje de píxeles.

En cuanto a cuánto ruido proviene del ruido de disparo y cuánto proviene de otras fuentes. Las "otras fuentes" realmente dependen del sensor. El ruido de lectura generalmente se mide en términos de DU (unidades digitales o post-ADC) o e- (electrones, carga de señal analógica). La Canon 7D tiene un ruido de lectura de 8.6e- a ISO 100, pero 4.7e- a ISO 200, 3.3e- a ISO 400, etc. La Canon 1D X tiene un ruido de lectura de 38.2e- (!) A ISO 100. La un mayor ruido de lectura es en última instancia proporcional al área del fotodiodo ... los píxeles más grandes transportan más corriente, por lo que la corriente oscura será mayor, y la amplificación aguas abajo aumentará una mayor cantidad de ruido electrónico en relación con la señal. Sin embargo, el 1D X tiene un FWC de 90.300, lo que significa que el valor de 38e de ruido de lectura es una fracción minúscula de la señal ISO100 de potencial máximo (0,00042% para ser exactos).

En todos los casos de ruido, realmente depende de tus objetivos. Si tiende a disparar con poca luz, o necesita velocidades de obturación muy altas, encontrar una cámara con píxeles más grandes probablemente producirá las mejores características de ruido. Si dispara sujetos con gran detalle, una mayor densidad de píxeles es probablemente más importante que el bajo ruido. No hay un corte real y una respuesta seca aquí.

^{† Cantidad de luz, suponiendo un iluminante fijo, la cantidad de luz que llega al sensor para una apertura y velocidad de obturación determinadas, o cualquier relación equivalente de las mismas: f / 16 1 / 100s, f / 8 1 / 200s, f / 4 1 / 800s, todos los mismos EV.}

Definitivamente está entrando en el rango de la fotografía marginal al tratar de identificar el ruido de disparo vs la señal. Afortunadamente, los astrofotógrafos han estado aquí antes.

Hay una serie de artículos decentes destinados a laicos que se dedican a comprender el ruido y la señal publicada por Craig Stark.

En la primera parte aquí , describe la premisa básica del ruido de disparo y por qué el brillo del cielo es tan malo para la astronomía: aumenta el ruido de disparo sin agregar más información. Esencialmente, puede tener una meseta más alta de nivel de luz, pero es plano y, por lo tanto, roba el contraste.

En la segunda parte aquí , entra en más detalles sobre las diferencias de disparo versus lectura versus ruido térmico, por ejemplo, fotografías.

En la parte tres aquí , describe un método para medir el rendimiento de cámaras específicas y así obtener un modelo para perfiles de ruido. Esto puede responder mejor a su pregunta de "cuáles son las diferencias entre los tipos de ruido".

Volviendo a su pregunta básica: ¿es relevante para la mayoría de las fotografías? En realidad no, hasta que comience a disparar en los extremos de otros tipos de ruido (térmico y de lectura) cuando la SNR se torne sesgada.