Was verursacht Streifenrauschen in CMOS-Sensoren?

Ich suche Informationen (und Referenzen) zu drei verwandten Themen:

• Was verursacht Streifenrauschen in CMOS-Sensoren? Was ist die physikalische / technologische Ursache? Ist die Ursache bei CCD- und CMOS-Sensoren dieselbe?

• Wie beeinflussen die verschiedenen relevanten Faktoren (ISO-Einstellung, Belichtungszeit und Belichtungsgrad) die Streifenstärke und das Streifenmuster?

• Ist das Bandmuster kurzfristig (sequentielle Aufnahmen) und langfristig stabil? Gibt es eine Möglichkeit, das Bandmuster eines tatsächlichen Sensors zu messen und zu verwenden, um den Effekt in tatsächlichen Fotos zu verringern?

Um zu verdeutlichen, was ich unter Streifenbildung verstehe, finden Sie hier ein Beispielbild von der TopazLabs-Website. Beachten Sie die horizontalen Streifen im verrauschten Bild.

Ein naives Experiment zeigte in mehreren Bildern einer einfachen weißen Oberfläche keine positive Korrelation zwischen den Streifen.

Horizontales und vertikales Banding Noise (HVBN) wird durch Sensorauslesung, Downstream-Verstärkung und ADC verursacht. Es kann mehrere HVBN-Quellen geben, von denen einige ein relativ festes Muster verursachen, andere ein zufälliges Muster. Externe Signalstörungen sind häufig eine Quelle für weichere und zufälligere Streifenbildung. Was genau zu Streifenbildung führt, bei denen Sensoren wirklich abhängen, und niemand außer dem Hersteller verfügt über genügend Informationen, um auf die genauen Ursachen für eine bestimmte Kamera hinzuweisen.

In erster Linie wird HVBN durch die Art und Weise verursacht, wie Pixelreihen aktiviert werden und jede Spalte für eine Zeile gelesen wird, und durch die Art der Transistoren, die an diesem Auslesevorgang beteiligt sind. Erstens sind durch Photolithographie hergestellte Transistoren nicht perfekt. Unvollkommenheiten im Basissilizium, Unvollkommenheiten in der Schablone und das Ätzen usw. können die Reaktion von Transistoren beeinflussen. Daher verhält sich jedes Pixel in einem Sensor sowie Buckets für die On-Die-Bildverarbeitung wie CDS (Correlated Double Sampling) nicht unbedingt wie alle anderen, was zu Unterschieden führt. Bei modernen CMOS-Sensoren (ausgenommen Sensoren vom Typ Sony Exmor) ist die On-Die-CDS-Schaltung häufig ein Schuldiger für die Einführung von Streifenrauschen bei niedrigeren ISO-Einstellungen (ISO 100 bis möglicherweise 800) in den tiefen Schatten.

Einige Auslesekonstruktionen beinhalten auch einen zusätzlichen nachgeschalteten Verstärker, der unter bestimmten Umständen zusätzlich zu den Pro-Pixel-Verstärkern verwendet wird. Das im Sensorchip selbst eingebrachte Streifenrauschen wird durch jeden nachgeschalteten Verstärker verstärkt. Diese Arten von Verstärkern treten normalerweise bei sehr hohen ISO-Werten wie 6400 und höher auf, weshalb der relativ "saubere" Ausgang bei ISO 1600 und vielleicht 3200 bei noch höheren Einstellungen plötzlich viel schlechter wird.

Eine weitere Quelle für Streifenbildung ist der ADC. Hier gibt es möglicherweise zwei Schuldige. Im Fall einer Kamera wie der 7D, die eine geteilte parallele Auslesung verwendet (wobei vier Auslesekanäle verschachtelt auf einen DIGIC 4-Chip und vier weitere auf einen anderen DIGIC 4-Chip gerichtet sind), ist eine ziemlich ausgeprägte, aber gleichmäßige vertikale Streifenbildung zu verzeichnen Dank der unterschiedlichen Reaktion der DIGIC DSP-Bildprozessoren, in denen jeweils vier ADC-Einheiten untergebracht sind, kann dies auch im Mitteltonbereich auftreten. Da gerade Bänder an die ADC-Einheiten eines DIGIC und ungerade Bänder an die ADC-Einheiten des anderen DICIC gesendet werden, ist eine 100% identische Verarbeitung unwahrscheinlich und geringfügige Unterschiede manifestieren sich als vertikale Bänder.

Die endgültige Potentialquelle sind Hochfrequenzkomponenten. Hochfrequenzlogik neigt dazu, verrauscht zu sein. Am Beispiel der 7D handelt es sich um einen 18-Megapixel-Sensor, den insgesamt acht ADC-Einheiten mit einer Geschwindigkeit verarbeiten müssen, die schnell genug ist, um eine Verschlusszeit von 8 fps zu unterstützen. (Technisch gesehen hat die 7D sogar mehr als 18 Millionen Pixel ... es handelt sich tatsächlich um einen 19,1-Megapixel-Sensor, da Canon für den Bias-Offset und die Schwarzpunktkalibrierung immer einen Pixelrand maskiert.) Bei 8 fps werden insgesamt Pixel pro Sekunde verarbeitet muss mindestens 152.800.000 betragen, und da es acht ADC-Einheiten gibt, muss jede Einheit jede Sekunde 19,1 Millionen Pixel verarbeiten. Dies erfordert eine höhere Frequenz, die (über eine Vielzahl von Mechanismen, auf die ich hier nicht näher eingehen werde) zusätzliches Rauschen verursachen kann.

Es gibt Möglichkeiten, wie HVBN reduziert werden kann. Einige Sensordesigns schneiden negative Signalwerte von Pixeln ab (oder verwenden mit anderen Worten keinen Vorspannungsversatz), was die Streifenbildung halbiert, aber auch einige potenziell wiederherstellbare Details tief in den Schatten des Bildes kostet. Sensoren, die einen Vorspannungsversatz verwenden (der negative Signalwerte bis zu einem voreingestellten Pegel ermöglicht), weisen bei niedrigerem ISO tendenziell mehr HVBN auf, da weniger Clipping durchgeführt wird, um eine größere Kapazität für die gesamte Vertiefung zu unterstützen. Ein fortschrittlicheres ADC-Design kann das Rauschen reduzieren, einige verwenden sogar Rauschen zusammen mit einer Form des Zitterns, um das durch ADC eingeführte Rauschen nahezu zu eliminieren.

Eine andere Möglichkeit, das Bandrauschen zu reduzieren, besteht darin, das analoge Signal früher auf digital zu verschieben, vorzugsweise auf dem Sensorchip selbst. Digitale Daten können während der Übertragung fehlerkorrigiert werden, da analoge Signale dazu neigen, Rauschen aufzunehmen, je mehr sie sich entlang elektronischer Busse und durch Verarbeitungseinheiten bewegen. Eine Erhöhung der Anzahl der ADC-Einheiten verbessert die Parallelität und verringert die Geschwindigkeit, mit der jede Einheit arbeiten muss, wodurch die Verwendung von Komponenten mit niedrigerer Frequenz ermöglicht wird. Bessere Herstellungstechniken (die normalerweise durch einen kleineren Herstellungsprozess erzielt werden, der den Raum für komplexere Hardware vergrößert) sowie bessere Siliziumwafer können verwendet werden, um die Antwortkurve für jeden Transistor oder jede Logikeinheit zu normalisieren und sogar sauberere Ergebnisse zu erzielen bei höheren Frequenzen.

Sony Exmor, der bekannte nahezu rauschfreie Sensor in den D800- und D600-Kameras von Nikon, verfolgte einen ziemlich radikalen Ansatz, um die aufdringlichste und frustrierendste Form von Rauschen zu reduzieren. Exmor verschiebt die gesamte Bildverarbeitungspipeline bis einschließlich ADC auf den Sensorchip. Der ADC wurde hyperparallelisiert und eine Spalte pro Pixel hinzugefügt (CP-ADC oder spaltenparalleler ADC). Es wurden analoge Pro-Pixel-Verstärkung und analoge CDS zugunsten der digitalen Verstärkung und der digitalen CDS eliminiert. Es isolierte Hochfrequenzkomponenten in einem entfernten Bereich des Sensorchips, wodurch das von jeder ADC-Einheit selbst verursachte Rauschen nahezu beseitigt wurde. Das Lesen von Pixeln führt zu einer sofortigen Umwandlung von einer analogen Ladung in eine digitale Einheit und bleibt von diesem Punkt an digital. Einmal digital, ist die gesamte Informationsübertragung effektiv rauschfrei.

Einer der großen Erfolge für Exmor (laut Sony) war die Beseitigung analoger CDS-Schaltkreise und die Umstellung auf digitale CDS-Logik. Sonys Behauptung war, dass die unterschiedlichen Reaktionen bei analogen CDS-Geräten eine Quelle für Streifengeräusche waren. Anstatt die Rücksetzladung jedes Pixels als Ladung zu speichern, wird ein "Rücksetzlesevorgang" durchgeführt, wobei der Rücksetzlesevorgang denselben ADC-Prozess wie ein normaler Bildlesevorgang durchläuft, mit der Ausnahme, dass der digitale Ausgang als negative Werte verfolgt wird. Wenn die tatsächliche Belichtung gelesen wird, wird sie als positive Werte ausgelesen, und der vorherige "negative" CDS-Lesevorgang wird inline angewendet (dh jedes ausgelesene Pixel beginnt bei einem negativen Wert, und die Zählung nimmt von dort aus zu). Dies eliminiert Rauschen sowohl durch ungleichmäßige Transistorantwort als auch durch Dunkelstrom gleichzeitig.

Mit einem Exmor-Sensor ist die Anzeige praktisch ISO-frei (Sie haben diesen Begriff möglicherweise an anderer Stelle im Internet gehört). Alle ISO-Einstellungen werden über einen einfachen digitalen Boost (digitale Verstärkung) auf den entsprechenden Pegel erreicht. Für RAW muss die ISO-Einstellung lediglich als Metadaten gespeichert werden, und die RAW-Editoren erhöhen jeden Pixelwert während der Demosaikierung auf das entsprechende Niveau. Aus diesem Grund kann eine ISO 100 D800-Aufnahme unterbelichtet und dann um viele Blenden in der Post angehoben werden, ohne dass Streifen in den Schatten auftreten.

Streifenbildung wird durch eine Reihe von Faktoren verursacht.

Genau wie beim Farbmanagement kann jedes Gerät während des Bildgebungsprozesses dazu führen, dass Streifen sichtbar werden. Dies kann durch einen schlecht kalibrierten Monitor, einen schlecht kalibrierten Drucker oder einen Monitor verursacht werden, der keine echte 8-Bit / 12-Bit-LUT anzeigen kann. Nach meiner Erfahrung sind die meisten Streifen nicht wirklich inhärent. Dies liegt daran, dass Ihr Monitor nicht in der Lage ist, diskrete Graustufen auf einem feinen Farbverlauf zu unterscheiden.

Ich sehe nicht wirklich, wie CMOS / CCD einen Unterschied machen würde. Um dies zu verstehen, ist ein wenig technisches Geschick erforderlich. Sie müssen verstehen, dass der wichtigste Faktor, der die Streifenbildung beeinflusst, die Bittiefe Ihres Sensors ist. Dies allein bestimmt die Anzahl der diskreten Tonwerte, die Ihr Sensor aufzeichnen kann. Ein 12-Bit-Sensor zeichnet 2 ^ 12 Graustufen auf, während ein 14-Bit-Sensor 2 ^ 14 = 16384 Graustufen aufzeichnet. Um die Sache zu verkomplizieren, weisen die meisten Digitalkameras der Tonverteilung ihrer Sensoren keine lineare Gewichtsfunktion zu. Dies bedeutet, dass die Kamera (in der Tat die meisten Kameras) möglicherweise stärker auf den Highlight-Teil des Spektrums ausgerichtet ist (hier) der Ausdruck "nach rechts schießen" kommt in Bezug auf Histogramme).

Um die Sache noch weiter zu verkomplizieren, können die meisten Sensorprozessoren ihre eigene Interpolation zwischen spärlichen Tonwerten durchführen (definitiv). Dies bedeutet zum Beispiel, dass wenn ich in einem bestimmten Teil des Bildes einen Tonwert von 5 und in einem nahe gelegenen Bereich einen Tonwert von 8 habe, die Kamera den mittleren Tonwert "errät". ISO kann auch ein Faktor sein, da es den Dynamikbereich und den Belichtungsspielraum beeinflusst.

Was Sie untersuchen sollten, ist, ob die Streifen auf mehr als einem Gerät angezeigt werden. Wenn Sie dies feststellen, können Sie versuchen, Gaußsches Rauschen mit einem Mischmodus und einer Maske hinzuzufügen, um es zu entfernen. Ich werde einige Bilder hinzufügen, um Ihnen zu zeigen, was ich meine:

Erstellt einige Streifen mit einem dunklen Farbverlauf

Fügen Sie nun eine Rauschschicht hinzu:

(1) Neue Ebene erstellen

(2) Füllen Sie es mit 50% Grau: Bearbeiten -> Füllen -> 50% Grau

(3) Stellen Sie den Mischmodus dieser Ebene auf Hartes Licht

(4) Rauschen hinzufügen : Filter -> Rauschen hinzufügen (Gauß, 1% oder so)

Sie können dann mit der Deckkraft dieser Ebene spielen, bis die Streifenbildung verschwindet. Wenn Sie möchten, können Sie auch eine Maske darauf erstellen.

Rauschschicht hinzufügen