Noise mungkin merupakan salah satu batasan terpenting yang memengaruhi sistem pencitraan apa pun, dan ini tidak berbeda untuk sensor CCD dan CMOS di kamera digital.
Seringkali terdapat kesalahpahaman bahwa karena outputnya digital maka lebih akurat, atau tidak terkena noise dengan cara yang sama seperti pada perangkat analog. Langkah-langkah dan teknik yang dijelaskan di seluruh bab ini sama-sama dapat diterapkan pada sensor film dan gambar digital - perbedaan yang jelas adalah bahwa bekerja dengan emulsi fotografi harus mendigitalkan respons sebelum analisis dapat dilakukan.
Dengan cara yang mirip dengan emulsi fotografis, sensor gambar digital memiliki sumber derau yang unik, beberapa di antaranya dijelaskan di bawah ini.
Suara tembakan foton. Detektor yang sempurna akan tunduk pada batasan cahaya yang jatuh di atasnya. Seperti yang disebutkan sebelumnya, cahaya secara acak masuk ke sensor dan pada suatu saat akan ada penyimpangan acak dari tingkat rata-rata. Seperti yang diberikan di atas, varians dari patch seragam nominal yang mengandung kuanta N akan diberikan oleh βN. Sinyal-ke-derau dari eksposur yang diidealkan kemudian akan menjadi:
Ekuasi 24.13
π π = π
βπ = βπ
Jadi, eksposur sempurna dari 7000 quanta akan memiliki S/N atau kira-kira β7000 β 84:
1:
Arus gelap atau noise yang dihasilkan secara termal. Ini adalah keluaran yang terjadi tanpa masukan. Hal ini disebabkan oleh pembentukan termal pasangan lubang listrik dan difusi muatan dan dapat dikurangi dengan mendinginkan perangkat. Arus gelap menunjukkan fluktuasi, mirip dengan noise bidikan, jadi sementara nilai rata-rata arus gelap dapat dikurangkan dari output untuk memberikan sinyal karena photoelectron, noise tidak bisa. Disebut keseragaman arus gelap, laju generasi arus gelap juga akan bervariasi dari piksel ke piksel. Aturan praktisnya adalah bahwa arus gelap kira-kira dua kali lipat untuk setiap kenaikan suhu 8 Β° C. Oleh karena itu, pendinginan menggunakan nitrogen cair atau perangkat Peltier dapat mengurangi hal ini secara signifikan.
Noise pembacaan. Ini terjadi ketika sinyal menegosiasikan sirkuit pembacaan yang diperlukan untuk mengubahnya dari sinyal analog menjadi nilai digital. Ini kadang-kadang dikombinasikan dengan suara amplifikasi dan kuantisasi. Perlu dicatat, bagaimanapun, bahwa bahkan jika amplifikasi dan kuantisasi sempurna, beberapa gangguan pembacaan akan tetap ada. Hal ini disebabkan variasi halus dalam menangani sirkuit dan kabel, dan penambahan sinyal acak yang tidak diinginkan, dan tidak terkait dengan level eksposur.
Cacat. Sementara piksel yang berfungsi mungkin menunjukkan PRNU, piksel yang rusak tidak secara efektif mendeteksi sinyal. Piksel panas tersaturasi dengan sangat cepat, menghasilkan keluaran maksimum apa pun sinyal masukannya. Piksel gelap atau mati tidak merespons cahaya. Sebagian besar sensor menggabungkan deteksi dan koreksi cacat, menggantikan nilai cacat dengan yang diinterpolasi dari piksel sekitarnya. Jika sensor memiliki memori on-board yang mencukupi, peta cacat dapat dibuat untuk menyimpan lokasi. INCCD, piksel yang rusak juga dapat bertindak sebagai perangkap dan menghambat transfer sinyal. Lebih serius lagi, seluruh kolom, baris, dan area yang lebih luas dapat terpengaruh.
Noise pola tetap. Seperti namanya, ini adalah noise yang konsisten dari frame ke frame.
Ini dapat mencakup derau dari banyak efek dan seringkali cacat disertakan dalam deskripsi.
Sedikit variasi dalam filter Bayer, debu dan proses manufaktur semuanya dapat berkontribusi pada efek tersebut (Gambar 24.10).
Gambar 3.10 Contoh diperbesar dari gangguan pola tetap dan piksel cacat dari kamera foto digital komersial. Kontras telah ditingkatkan untuk membuat noise lebih jelas.
Sinyal jam dan gangguan lainnya. Khususnya dalam kasus CCD, membaca gambar sehingga mungkin menjadi keluaran dari sensor membutuhkan waktu yang akurat. Sinyal yang dihasilkan dari jam terkadang dapat mengganggu gambar. Gangguan dari perangkat listrik lain, seperti motor, dan pelepasan muatan statis juga dapat memengaruhi sinyal. Efek ini akan akrab dengan pengguna bor listrik.
Noise amplifikasi. Ini adalah kombinasi dari dua sumber, derau putih dan kedipan, dan bergantung pada laju sampel. Derau putih umumnya terjadi pada laju sampel yang lebih tinggi sedangkan kedipan, terkadang dikenal sebagai derau 1/f, terjadi pada laju yang lebih rendah. Karena sensor CMOS umumnya memiliki amplifikasi tambahan pada piksel, ini bisa menjadi sumber atau variasi antar piksel.
Setel ulang noise. Sebelum integrasi muatan untuk eksposur berikutnya, elemen foto diatur ulang ke tegangan referensi. Setiap kali fotodioda di-reset ada sedikit variasi yang ditambahkan ke dalam sinyal.
Pixel response non-uniformity (PRNU). Setiap piksel akan menunjukkan sedikit variasi dalam kepekaan terhadap eksposur yang seragam. Hal ini disebabkan variasi alami dalam proses pembuatan. Mengekspos sensor ke sumber yang seragam akan membuat bidang datar yang dapat digunakan untuk mengoreksi gambar.
Sinyal jam dan gangguan lainnya. Khususnya dalam kasus CCD, membaca gambar sehingga mungkin menjadi keluaran dari sensor membutuhkan waktu yang akurat. Sinyal yang dihasilkan dari jam terkadang dapat mengganggu gambar. Gangguan dari perangkat listrik lain, seperti motor, dan pelepasan muatan statis juga dapat memengaruhi sinyal. Efek ini akan akrab dengan pengguna bor listrik.
Perlu dicatat bahwa karena sejumlah alasan, noise tidak harus seragam di seluruh bidang pandang sensor tertentu. Efisiensi transfer muatan telah disebutkan di Bab 9. Sinyal dari piksel-piksel yang paling jauh dari konverter analog-ke-digital (ADC), sehingga membutuhkan lebih banyak transfer, akan mengalami lebih banyak kehilangan transfer muatan, oleh karena itu menciptakan satu sumber asimetri. Selain itu, Bab 9 merinci penggunaan filter inframerah, yang frekuensi pemutusannya bergantung pada sudut dalam cahaya yang masuk. Hal ini menyebabkan turunnya saluran merah ke arah tepi bidang pandang. Vinyet lensa dan hukum cos4 (Bab 6) selanjutnya menyebabkan sinyal berkurang untuk semua saluran (Gambar 24.11). Metode umum untuk mengoreksi hal ini adalah dengan menggunakan koreksi lapangan. Dengan memaparkan ke cahaya yang seragam, penurunan relatif untuk setiap saluran dapat diamati dan dikoreksi menggunakan invers.
Ini akan memiliki efek memperkuat sinyal lebih banyak di tepi bidang pandang sensor, secara efektif meningkatkan noise dan mengurangi dynamic range di area ini.
Dengan asumsi sumber noise tidak berkorelasi, noise sistem total ΟSYS dapat diperoleh dengan menambahkan bersama-sama kekuatan noise individu. Ini mensyaratkan bahwa semua sumber noise ditentukan dalam unit keluaran yang setara (misalnya elektron atau volt). Sebagai contoh:
Ekuasi 24.14
ππππ2 = ππ·π΄π πΎ2 + πππ΄πππΈπ ππ2 + ππ πΈπ΄π·πππ2 + ππ΄π·πΆ2
di mana Ο2DARK = arus gelap, Ο2PATTERN = gangguan pola tetap, Ο2READOUT = gangguan reset (dari pembacaan muatan) dan gangguan penguat, dan Ο2ADC = derau kuantisasi yang dihasilkan oleh konversi analog-ke-digital, seperti yang dijelaskan di Bab 9.
Selain itu noise pada keluaran Ο2TOT akan menyertakan kontribusi derau foton masukan Ο2q sehingga:
Ekuasi 24.15
ππππ2 = ππππ2 + ππ2 (π‘πππππ ππππ ππππ πππππ ππ’π‘ππ’π‘ π’πππ‘
Gambar 3.11 Contoh vignet lensa dari kamera foto digital yang tersedia secara komersial. Kontras telah ditingkatkan untuk membuat vinyet lebih jelas.