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雜訊   (點閱2107419)
器材分類:其它 / 其它 / 其它    日期:2009/8/9

雜 訊

 

雜訊是怎麼來的?對於數位攝影有什麼意涵?

對於一般攝影者來說,這或許不是值得追究的問題,因為我們只需要知道如何避開雜訊、如何處理雜訊,應該就夠了。可是,一些有關雜訊的基本知識,應該還是有幫助的。

 

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打開收音機,如果訊號接收不良,就會聽到嘶嘶聲。同樣地,如果電視訊號接收不良,螢幕會呈現下雨狀紋路。這些都是雜訊。至於雜訊如何呈現在數位影像上,相信各位都很熟悉了。

我們經常聽到人們談到雜訊,但雜訊本身是沒有太大意義的。某個畫素的雜訊較大,並不代表該畫素提供的畫質就比較差。請參考下面圖形,畫素 B 雜訊 雖然比畫素 A 大,但畫素 B 訊號 更遠超過畫素 A ,所以畫素 B 的「訊號對雜訊比率( signal-to-noise ratio ,簡稱 SNR )優於畫素 A 。總之, 雜訊本身並不重要,重要的是SNR 。差的 SNR (數值很小),影像顯得充滿雜訊,畫質很差;好的 SNR (數值很大),雜訊不明顯,畫質很好。

001

 

 

 

繼續討論之前,我們準備提一段背景說明,稍微解釋一下數位相機的感應器,如何擷取影像資料。數位相機感應器上的每個畫素,都包含一個(或多個)光電兩極體,會把射入的光線,按照 光子數量 比率轉換為 電子 (電荷)訊號,後者再轉換為 電壓 ,經過 擴大 之後,由「類比 - 數位轉換器」 ADC 把類比訊號轉換為電腦能夠處理的數位訊號。

 

雜訊的來源

雜訊的來源,大體上分為四大類: 無光電流雜訊 讀出雜訊 固定型態雜訊 光子雜訊

 

無光電流雜訊(Dark Current Noise)

前文提到,射在感應器上的光子,會被光電兩極體轉化為電子。可是,即時沒有光線射入(換言之,在「無光」狀態),感應器本身也會產生電流(電荷)。所以,光電兩極體除了按照擷取光子之數量比率傳送電荷之外,還會傳送額外的無光電流。這種無光電流的大小,會因為不同 畫素 或隨著 時間 經過而隨機波動,所以構成雜訊(請注意,無光電流本身不會造成雜訊,是其波動才會造成雜訊,請參考下文討論)。

這部分雜訊跟光線無關,但跟 溫度 有關;溫度愈高,無光電流雜訊也愈嚴重。(所以,數位相機要避免過熱,不要擺在車內悶曬。)

請注意,感應器上除了用來提供曝光資料的畫素之外,還有一些排列在邊緣的畫素,可以用來衡量曝光過程出現的無光電流,讓電腦軟體自動去除其中的常數(固定)部分,只有隨機變動部分(雜訊)才會被保留下來(因為無法去除)。

 

讀出雜訊(Readout Noise)

前文提到,光電兩極體會把光子的能量轉變為電荷,後者又轉變為電壓,然後經過擴大,最後交由 ADC 轉換為數位訊號。這種程序會出現一些統計上的不規律變動,統稱為讀出雜訊。換言之,在完全相同的曝光條件下,某個畫素接受的光子數量完全相同,但每次送給 ADC 的訊號可能都會有些波動。訊號「擴大」是造成讀出雜訊的最主要原因,所以這種雜訊又稱為「擴大器雜訊」。讀出雜訊會隨著讀出速度加快而愈嚴重。

 

固定型態雜訊(Fixed Pattern Noise)

CCD 感應器的所有畫素共用一個擴大器,但 CMOS 感應器的每個畫素本身都有擴大器。由於每個擴大器都難免稍有差異,因此會造成固定型態的雜訊( CCD 基本上沒有這方面的問題)。由於這種雜訊型態是可預期的,所以很容易處理。

 

光子雜訊(Photon Noise)

最後,討論一種與數位相機本身無關、但非常重要的雜訊來源。

數位相機感應器在特定曝光過程中,射入的光子數量會呈現統計誤差;換言之,對於非常穩定的光源,兩個緊鄰畫素所接受的光子數量未必完全一樣,因為光子呈現某種統計分配(帕松分配)。所以,即使是絕對穩定的光源,由於入射光子數量會有波動,感應器畫素提供訊號也會跟著發生波動,如此引發的雜訊,稱為光子雜訊。(講得簡單一點:對於完全相同的曝光條件,每個畫素在這一瞬間擷取的光子數量,不會完全等於下一瞬間擷取的光子數量。)請注意,這種雜訊是來自於光線本身的性質,與數位相機或感應器完全無關。

由於 某光子數量產生的光子雜訊,是該光子數量的平方根 ,所以當光子數量增加時,光子雜訊程度雖然會增加(參考圖 001 ),但 SNR 仍然會增加。舉例來說,某曝光過程,某畫素擷取的光子數量增加為 2 倍,由 20,000 增加到 40,000 個光子,光子雜訊則會由 141 個光子增加到 200 個光子(請注意, 141 20,000 的平方根, 200 40,000 的平方根)。所以,雜訊雖然增加,但其增加速度不如光子數量(雜訊增加 43 %,光子數量增加 100 %),所以 SNR 也由 141 1 增加為 200 1 (由 43 分貝增加為 46 分貝,參考下面公式)。由另一個角度說,當光子數量減少時,訊號減少速度要超過雜訊減少速度,使得 SNR 惡化,這意味著光子雜訊對於影像暗部或曝光不足的影像,將構成特別嚴重問題。這也是為什麼很多人主張「向右端曝光」的理由。

附註:

l          〔分貝計值的SNR公式:20×log(訊號/雜訊)。譬如,20×log(20000/141)= 43dB。〕

 

整體而言

當光線很弱的時候,雜訊結構是由無光電流雜訊與讀出雜訊為主導,但隨著當光線強度(光子數量)增加,光子雜訊變得愈來愈重要。舉例來說,假定相機感應器的 滿載量 full well capacity ,也就是能夠容納的最多光子數量,一旦超過,就會溢出)為 41,000 個光子, 雜訊基層 noise floor ,未曝光狀態的無光電流與讀出雜訊)為 16 個光子。這種情況下,畫素擷取的光子數量要超過 16 個,才能開始提供有用的資訊。

由於雜訊基層為 16 個光子,滿載量 41,000 個光子,我們知道光子雜訊是光子數量的平方根,所以,滿載量的雜訊(包括基層雜訊)是 16+41,000½ = 218 個光子, SNR 將由 0 分貝變成 45 分貝。(請注意, log1 = 0 ,換言之, 20*log(16/16) = 0 )。

002

 

 

附註:

l         順便提一點,對於這個感應器,動態區間為「滿載量:雜訊基層」= 41000 16 ,相當於 2563 1 ,大約是 11.3 格(= log2563/log2 )。

l         SNR 最大值可以定義為滿載量與其光子雜訊的比率,就我們的例子來說 41,000 (41,000)½ = 41000 202.5=202.5 1 換算為分貝 = 20 × log202.5 = 46dB 。可是,就實務上來說,相機的最大 SNR 不可能是這個數據,因為還有雜訊基層需要考慮。

l         即使是最理想的感應器,能夠把每個光子都轉換為電子,而且每個電子都能提供影像資訊,過程完全沒有發生雜訊。這是否是完美的相機?(換言之,完全沒有雜訊!具備無限動態區間!)

 

可能影響雜訊的因素

感應器 溫度 會影響雜訊,主要是影響無光電流雜訊。一般情況下,這個因素不會造成顯著影響,除非沒有適當照顧相機(放在車子裡悶曬)。

我們知道,畫素擷取訊號之電壓,在送到 ADC 處理之前,必須先被擴大。相機的 ISO 設定 得愈大,前述擴大效果也愈大,所以對於相同曝光程度的影像,感應器取得的光子數量可以對應減少。擷取的光子數量減少,雖然會讓雜訊減少,但雜訊減少程度遠低於訊號減少程度, SNR 會惡化(請參考「光子雜訊」引用的例子)。

畫素大小 是決定雜訊程度的重要因素之一。假定其他條件不變,畫素愈大,感應器滿載量愈大, SNR 愈好。

 

哪裡的雜訊最明顯

缺乏細節的地方,例如天空,由於沒有細節可以掩飾雜訊,所以雜訊看起來特別顯眼。

暗部:擷取的光線少, SNR 差。

 

附註:

l      感應器對於不同色彩頻道的敏感性不同(實際狀況取決於個別 CFA ),所以不同頻道訊號被擴大的程度不同,雜訊也有差異。一般來說,藍色與紅色頻道的雜訊比較嚴重。

l      本文主要取材自 The 123 of Digital Imaging Interactive Learning Suite .


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回應列表 ( 3 )
lee3939889 留言於2009/8/9 下午 09:32:10  
好文章  受益良多

believelife 留言於2009/10/28 上午 06:56:53  
偶爾看過你的Blog,寫得不錯!支持一下… 順便給你一個小小的訊息…
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