Pourquoi le canal bleu est-il le plus bruyant?

Il est largement observé que le canal bleu des appareils photo numériques est le plus bruyant. Je l'ai certainement remarqué avec mon appareil photo. Pourquoi est-ce?

Est-ce un artefact d'une technologie particulière (par exemple, un réseau Bayer ou des capteurs CMOS), ou quelque chose à voir avec la physique de la lumière à haute fréquence, ou est-ce lié à la vision humaine?

_{Question de suivi: pourquoi les capteurs sont-ils moins sensibles à la lumière bleue?}

En plus de la réponse du capteur discutée par Tall Jeff, la plupart de l'éclairage de la scène (lumière du soleil, incandescent) est déficient en lumière bleue par rapport au vert et au rouge. Lancez ce simulateur de corps noir Java et voyez que le bleu est inférieur au vert ou au rouge pour les températures de couleur d'intérêt (~ 5500 K lumière du jour, ~ 3000 K incandescent).

Il y a un autre petit facteur qui aggrave le problème. Les matrices CCD et CMOS sont des détecteurs à comptage de photons. La plupart des tracés, y compris ceux du simulateur de corps noir ci-dessus, montrent la densité d' énergie spectrale , pas le nombre de photons. Les photons bleus sont plus énergétiques que les photons rouges, par le rapport inverse de leurs longueurs d'onde, donc pour la même valeur d'énergie sur les parcelles, vous obtiendrez environ 25% de photons rouges de plus que les photons bleus. Et c'est le point de départ des effets de sensibilité décrits par Tall Jeff.

En ce qui concerne les CCD et les capteurs éclairés à l'arrière, les CCD éclairés à l'avant souffrent de la même sensibilité au bleu diminuée, car une grande partie de la lumière bleue est absorbée en traversant la structure de grille non sensible de la puce. Les capteurs éclairés à l'arrière verront une réponse bleue améliorée. Voir cette courbe de réponse spectrale typique (pour différents types de CCD de qualité recherche).

Compte tenu de l'état actuel de la technique, le bruit dans le canal bleu est une combinaison d'effets en cascade qui fonctionnent ensemble pour rendre le «look» bleu le pire. Tout d'abord, avec la configuration du motif Bayer, il y a deux fois plus de pixels verts que rouges ou bleus dans la matrice *. Cela met immédiatement le bleu et le rouge dans un désavantage spatial par rapport au canal vert et entraîne beaucoup plus de bruit spectral pour ces deux canaux lorsque les triplets RVB sont reconstruits à partir de pixels de capteur adjacents. Par exemple, un capteur de 10 millions de pixels aura 5 millions de pixels verts source, 2,5 millions de pixels rouges et 2,5 millions de pixels bleus. De toute évidence, lorsque vous formez ces informations brutes dans les triplets RVB 10M finaux, il est clair qu'il ne peut y avoir mieux que 1/2 autant d'informations pour le canal rouge ou bleu et cela apparaît comme une forme de bruit dans l'image finale.

L'effet suivant concerne les sensibilités spectrales du système de capteurs à travers les filtres rouge, vert et bleu. En tant que système, les capteurs CMOS modernes sont environ 50% plus sensibles aux zones vertes et rouges du spectre qu’aux zones bleues. Par exemple, pour ce capteur CMOS de Cypress , nous pouvons voir à la page 3 que les sensibilités relatives sont d'environ rouge (75%), vert (80%), bleu (50%) lorsque vous indexez les courbes aux bonnes longueurs d'onde pour chaque Couleur. Ce manque de sensibilité combiné à un niveau fixe de capteur et à un bruit d'échantillonnage pour tous les pixels à travers les capteurs a mis le bleu à un désavantage de rapport signal / bruit significatif par rapport aux deux autres couleurs.

Cela signifie que les capteurs CMOS couleur font de leur mieux pour reproduire le vert, suivi du rouge, puis du bleu, qui est le pire des trois du point de vue du bruit global.

En regardant vers l'avenir, notez que ces limitations avec le canal bleu sont vraiment principalement une question d'optimisation des coûts / performances. Autrement dit, il n'y a rien d'inhérent à la physique qui exige que les performances du bleu soient pires, mais seulement qu'il serait BEAUCOUP plus cher compte tenu des constructions de dispositifs actuelles pour améliorer le canal bleu par une marge notable. De plus, étant donné que l'œil humain n'est pas très sensible sur l'axe de couleur bleu / jaune, les solutions sont déjà une solution très bien optimisée. En fait, je suis sûr que la plupart des fabricants de caméras préféreraient que le coût total baisse d'abord avant de payer le même prix ou plus juste pour améliorer les performances de bruit du canal bleu.

** Bayer a choisi de configurer la matrice de cette façon parce que le système visuel humain obtient la majorité de son signal de luminance (c'est-à-dire: les informations de luminosité) de la partie verte du spectre de couleurs. Autrement dit, les bâtonnets dans les yeux sont les plus sensibles à la lumière verte, ce qui rend la partie verte du spectre la plus importante visuellement. *

Parce que les yeux / cerveaux humains ne sont pas aussi sensibles aux changements de la lumière bleue qu'aux changements des lumières vertes / rouges. Les capteurs de caméra modernes agissent plus comme des yeux humains et sont donc moins sensibles au bleu qu'au vert / rouge. Étant donné que la norme d'affichage du neutre sur les moniteurs couleur est d'avoir des quantités égales de bleu, vert et rouge, et comme les capteurs sont moins sensibles au bleu qu'au rouge et au vert, il est pratique d'amplifier le canal bleu. L'amplification du signal du canal bleu amplifie également le bruit du canal bleu.

La réduction du bruit de l'appareil photo n'est appliquée que si vous filmez en JPEG, mais comme beaucoup de gens tournent en RAW, le canal bleu est toujours quelque peu bruyant. J'ai cherché un remède à ce problème. L'un a suggéré de convertir l'image en couleur de laboratoire et de lisser / flouter uniquement le canal de luminance, puis de le reconvertir en RVB pour éliminer le bruit. Tu peux essayer.

Nous avons effectué une analyse des canaux bleu-vert-rouge d'un DP3 Merrill en mode numérique (RAW). Je viens d'acheter cet appareil photo en juin 2018. Le canal bleu présente une erreur dépendante du niveau dans le convertisseur A / N qui n'est pas présente dans les canaux rouge-vert, qui fonctionnent comme prévu. Il semble qu'il puisse y avoir une erreur dans le câblage du canal bleu a / d ou dans le code qui traduit la tension a / d en signal numérique du canal bleu. Ce n'est PAS un problème de sensibilité. Cela pourrait être un problème de saturation, c'est-à-dire que les tensions physiques dépassent la plage d'a / d à de très basses tensions, c'est-à-dire trop de gain dans ce canal. L'appareil photo a été réglé à 100 ISO pour l'acquisition de données, et les données ont été acquises sur une plage de vitesses d'obturation et de niveaux de signal sur une image. Les mesures du canal bleu étaient des signaux presque corrects aux niveaux de signal LES PLUS BAS. Plus le signal est élevé, plus l'erreur est importante. Il s'agit d'un problème de gain / numérisation dans l'algorithme produisant les fichiers X3F, ou peut-être un problème de commande d'octets. Nous examinons directement les fichiers X3F pour voir si l'erreur y est déjà présente, mais je m'attends à ce que ce soit car les fichiers TIFF et JPEG produits par le convertisseur ont le même problème. C'est une question si le fabricant sera intéressé à corriger ce problème? La puce Foveon est une bonne idée qui doit être conçue correctement. C'est une question si le fabricant sera intéressé à corriger ce problème? La puce Foveon est une bonne idée qui doit être conçue correctement. C'est une question si le fabricant sera intéressé à corriger ce problème? La puce Foveon est une bonne idée qui doit être conçue correctement.