¿Qué causa el ruido de bandas en los sensores CMOS?

Estoy buscando información (y referencias) sobre tres temas relacionados:

• ¿Qué causa el ruido de bandas en los sensores CMOS? ¿Cuál es la causa física / tecnológica? ¿La causa es la misma en los sensores CCD y CMOS?

• ¿Cómo influyen los diversos factores relevantes (configuración ISO, tiempo de exposición y nivel de exposición) en la fuerza y ​​el patrón de la banda?

• ¿Es estable el patrón de banda a corto plazo (disparos secuenciales) y a largo plazo? ¿Existe la posibilidad de que el patrón de banda de un sensor real se pueda medir y usar para reducir el efecto en las fotos reales?

Para aclarar lo que quiero decir con bandas, aquí hay una imagen de ejemplo del sitio web TopazLabs. Observe las bandas horizontales en la imagen ruidosa.

Un experimento ingenuo no mostró ninguna correlación positiva entre las bandas en varias imágenes de una superficie blanca lisa.

El ruido de bandas horizontal y vertical (HVBN) es causado por la lectura del sensor, la amplificación aguas abajo y el ADC. Puede haber múltiples fuentes de HVBN, algunas de ellas causan un patrón relativamente fijo, otras pueden causar un patrón aleatorio. La interferencia de señal externa es a menudo una fuente de bandas más suaves y aleatorias. Exactamente qué causa las bandas en las que los sensores realmente dependen, y nadie más que el fabricante tiene suficiente información para señalar las causas exactas de una cámara determinada.

Principalmente, HVBN es causado por la forma en que se activan las filas de píxeles, y se lee cada columna de una fila, y la naturaleza de los transistores involucrados en ese proceso de lectura. Primero, los transistores fabricados mediante fotolitografía son imperfectos. Las imperfecciones en la base de silicio, las imperfecciones en la plantilla y el grabado, etc., pueden afectar la respuesta de los transistores. Como tal, cada píxel en un sensor, así como los cubos para el procesamiento de imágenes en matriz como CDS (Muestreo doble correlacionado), no se comportarán necesariamente como todos los demás, produciendo diferencias. En los sensores CMOS modernos (excluidos los sensores de tipo Sony Exmor), los circuitos CDS en matriz suelen ser los culpables de introducir ruido de bandas en configuraciones ISO más bajas (ISO 100 hasta quizás 800) en las sombras profundas.

Algunos diseños de lectura también implican un amplificador adicional aguas abajo que se usa en ciertas circunstancias, además de los amplificadores por píxel. El ruido de las bandas introducido dentro de la matriz del sensor se verá exacerbado por cualquier amplificador aguas abajo. Este tipo de amplificadores generalmente se activan con ISO muy alto, como 6400 y superior, por lo que la salida relativamente "limpia" en ISO 1600 y quizás 3200 de repente empeora mucho en configuraciones aún más altas.

Otra fuente de bandas es el ADC. Hay potencialmente dos culpables aquí. En el caso de una cámara como la 7D, que usa lectura paralela dividida (donde cuatro canales de lectura se dirigen a un chip DIGIC 4 y otros cuatro se dirigen a otro chip DIGIC 4 de forma intercalada), una banda bastante pronunciada pero incluso vertical. puede ocurrir, incluso en los tonos medios, gracias a la respuesta diferente de los procesadores de imagen DIGIC DSP que albergan cuatro unidades ADC cada una. Como las bandas pares se envían a las unidades ADC de un DIGIC, y las bandas impares se envían a las unidades ADC de los otros DICIC, es improbable un procesamiento 100% idéntico y se manifiestan ligeras diferencias como bandas verticales.

La fuente potencial final son los componentes de alta frecuencia. La lógica de alta frecuencia tiende a ser ruidosa. Usando el 7D nuevamente como ejemplo, es un sensor de 18 megapíxeles, que debe procesar un total de ocho unidades ADC, a una velocidad lo suficientemente rápida como para soportar una velocidad de obturación de 8 fps. (Técnicamente hablando, el 7D tiene incluso más de 18 millones de píxeles ... en realidad es un sensor de 19.1 megapíxeles, ya que Canon siempre oculta un borde de píxeles para la compensación de sesgo y la calibración del punto negro). A 8 fps, píxeles totales procesados ​​por segundo debe ser de al menos 152,800,000, y dado que hay ocho unidades ADC, cada unidad debe procesar 19.1 millones de píxeles cada segundo. Eso requiere una frecuencia más alta, que puede (a través de una variedad de mecanismos que no entraré aquí) introducir ruido adicional.

Hay formas en que se puede reducir el HVBN. Algunos diseños de sensores recortan los valores de las señales negativas de los píxeles (o, en otras palabras, no usan un desplazamiento de polarización), lo que tiene el efecto de reducir a la mitad las bandas, pero también cuesta algunos detalles potencialmente recuperables en las sombras de la imagen. Los sensores que usan un desplazamiento de polarización (que permite valores de señal negativos hasta un nivel predeterminado) tienden a tener más HVBN a un ISO más bajo a medida que se realiza menos recorte para soportar una mayor capacidad de pozo completo. Un diseño ADC más avanzado puede reducir el ruido, algunos incluso utilizan el ruido junto con una forma de oscilación para eliminar casi el ruido introducido por el ADC.

Otra forma de reducir el ruido de las bandas es moviendo la señal analógica a digital antes, preferiblemente en la matriz del sensor. Los datos digitales pueden corregirse por error durante la transferencia, donde las señales analógicas tienden a captar ruido cuanto más viajan a través de buses electrónicos y unidades de procesamiento. Un aumento en el número de unidades ADC mejora el paralelismo, reduciendo la velocidad a la que cada unidad debe operar, permitiendo así que se usen componentes de menor frecuencia. Se pueden usar mejores técnicas de fabricación (generalmente proporcionadas por un proceso de fabricación más pequeño, que aumenta el espacio para hardware más complejo), así como mejores obleas de silicio para normalizar la curva de respuesta para cada transistor o unidad lógica, lo que les permite producir resultados más limpios, incluso a frecuencias más altas.

Sony Exmor, el conocido sensor casi sin ruido en las cámaras D800 y D600 de Nikon, adoptó un enfoque bastante radical para reducir la forma de ruido más intrusiva y frustrante. Exmor mueve toda la tubería de procesamiento de imágenes hasta el ADC incluido en el dado del sensor. Hiperparalizó el ADC, agregando una columna por píxel (CP-ADC o ADC de columna paralela). Eliminó la amplificación analógica por píxel y los CDS analógicos a favor de la amplificación digital y los CDS digitales. Aisló componentes de alta frecuencia en un área remota de la matriz del sensor, lo que casi eliminó el ruido introducido por cada unidad ADC. La lectura de píxeles resulta en la conversión inmediata de una carga analógica a una unidad digital, y permanece digital desde ese punto en adelante. Una vez digital, toda la transferencia de información es efectivamente libre de ruido,

Una de las grandes victorias de Exmor (según Sony) fue la eliminación de los circuitos analógicos de CDS y el cambio a la lógica digital de CDS. La afirmación de Sony fue que las diferencias en la respuesta de las unidades CDS analógicas eran una fuente de ruido de bandas. En lugar de almacenar la carga de reinicio de cada píxel como una carga, se realiza una "lectura de reinicio", esa lectura de reinicio se ejecuta a través del mismo proceso de ADC que una lectura de imagen normal, con la excepción de que la salida digital se rastrea como valores negativos. Cuando se lee la exposición real, se lee como valores positivos, y la lectura CDS "negativa" anterior se aplica en línea (es decir, cada lectura de píxeles comienza en algún valor negativo, y el conteo aumenta a partir de ahí). Esto elimina el ruido de la respuesta no uniforme del transistor y de la corriente oscura simultáneamente.

Con un sensor Exmor, la lectura es efectivamente sin ISO (puede haber escuchado ese término en otra parte de la red). Todos los ajustes ISO se logran a través de un simple impulso digital (amplificación digital) al nivel apropiado. Para RAW, la configuración ISO simplemente debe almacenarse como metadatos, y los editores RAW aumentan cada valor de píxel al nivel apropiado durante la demostración. Esta es la razón por la cual una toma ISO 100 D800 puede estar subexpuesta, luego levantada en el poste por muchas paradas, sin introducir ruido de bandas en las sombras.

Las bandas son causadas por varios factores.

Al igual que en la gestión del color, cualquier dispositivo a lo largo del proceso de generación de imágenes puede hacer que vea bandas. Podría ser causado por un monitor mal calibrado, una impresora mal calibrada, un monitor que no puede mostrar una verdadera LUT de 8 bits / 12 bits. Según mi experiencia, la mayoría de las bandas no son inherentes. Es causado por su monitor que no puede distinguir entre niveles discretos de gris en un gradiente fino.

Realmente no veo cómo CMOS / CCD marcaría la diferencia. Para comprender que esto requiere un poco de conocimiento técnico, debe comprender que el factor más importante que influirá en las bandas es la profundidad de bits de su sensor, esto solo determina la cantidad de valores tonales discretos que su sensor puede registrar. Un sensor de 12 bits registrará 2 ^ 12 niveles de gris, mientras que un sensor de 14 bits registrará 2 ^ 14 = 16384 niveles de gris. Ahora, para complicar las cosas, la mayoría de las cámaras digitales no asignan una función de peso lineal a la distribución tonal de sus sensores, esto significa que la cámara (de hecho, la mayoría de las cámaras) puede estar más sesgada a la parte más destacada del espectro (aquí es donde la frase "disparar a la derecha" proviene de los histogramas).

Para complicar aún más las cosas, la mayoría de los procesadores de sensores pueden hacer (definitivamente hacen) su propia interpolación entre valores tonales dispersos. Esto significa, por ejemplo, que si tengo un valor tonal de 5 en una parte particular de la imagen, y un área cercana tiene un valor tonal de 8, la cámara "adivinará" cuál debería ser el valor tonal intermedio. ISO también puede ser un factor ya que influye en el rango dinámico y la latitud de exposición.

Lo que debe investigar es si las bandas se muestran en más de un dispositivo. Si encuentra que es así, puede intentar agregar ruido gaussiano con un modo de fusión y una máscara para deshacerse de él. Incluiré algunas imágenes para mostrarle lo que quiero decir:

Creé algunas bandas con un degradado oscuro

Ahora agregue una capa de ruido:

(1) Crear nueva capa

(2) Rellenar con 50% de gris: Editar -> Rellenar -> 50% de gris

(3) Establezca el Modo de fusión de esa capa en Luz dura

(4) Agregar ruido: Filtro -> Agregar ruido (gaussiano, 1% más o menos)

Luego puedes jugar con la opacidad de esa capa hasta que desaparezcan las bandas, también puedes crear una máscara sobre ella si lo deseas.

Agregar capa de ruido