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为什么不能制造出零噪声的数码相机,或者没有颗粒的胶片相机?

编辑:网友投稿来源:互联网整理更新时间:2022-05-18 13:30:52

作为一名物理学家,我可以跳过所有的技术、胶片颗粒和传感器设备,直接了解它永远不可能实现的根本原因。当我开始回答这个问题时,我突然想到,如果你对量子过程和统计学没有起码的理解,这对你来说是没有意义的。

照片中出现噪声的原因是光被量子化成了光子。光子的到达是一个统计(随机)过程。这是最基本的问题。假设背景是天空。让我们假设平均每毫秒(曝光时间)每像素有1000个光子从背景到达。这意味着,这只是一个平均值。光子的实际到达遵循泊松统计。这意味着当你拍一张照片,你会得到1000 +/- 32光子。没有任何技术可以用来克服这个问题。

数码相机

事实上,对于军用高性能相机来说,这是形式化的,被称为BLIP,意思是背景性能有限。这意味着在胶片或传感器上没有任何改进以获得更好的噪声。当然,这通常是在红外线中更值得关注的,因为光子更少,但它仍然是一个基本的极限。在这种情况下,你永远不会得到比约1000/32 =约31的信噪比更好的结果。

为了解决这个问题,你可以取很多帧并将它们平均起来。但你是用胶片还是电子传感器都不重要。光线本身是有噪声的,尤其是在光线较低的情况下。

电子传感器会增加它们自己的噪声因为组成信号的电子本身是量化的,所以它们到达时具有统计分布,更糟糕的是,存在热电子只是因为传感器没有处于绝对零度。这是电子和原子的热运动。这有时会与布朗运动相混淆,但对于我们的讨论来说已经足够接近了。

使用胶片时,你需要使微小的卤化银晶体发生化学变化,以获得曝光。当然,每平方毫米只有有限的数量。所以再一次,你被一个特定的颗粒是否暴露的统计数据所困。

微光“夜视”成像和光子计数雷达是两个相对低信号噪声的领域,它成为一个持续和限制的问题。在大多数相机的情况下,你有足够的光,它在正常情况下是不可见的。但是当你在较低的光线下,或者如果你在越来越多的像素下,量化就会变得更加明显。这就是为什么你不能达到零噪声的根本原因。
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