¿Por qué existe una relación no lineal entre el nivel de ruido (del marco oscuro) y la configuración ISO?

Según ¿Cambiar el ISO de una cámara digital moderna realmente cambia la ganancia de un amplificador electrónico? , ISO amplifica físicamente la señal de forma analógica, por lo que es más eficaz que la ganancia digital, ya que no amplifica ningún ruido descendente generado por el ADC.

Para comprender la relación entre el nivel de ruido (desviación estándar) y el ISO, capturo una secuencia de fotogramas oscuros con ISO variado (3 fotogramas para cada ISO y otras configuraciones son idénticas). Los cuadros oscuros se graban en un entorno sin luz con la lente de la cámara tapada, por lo que el valor estándar de un cuadro debe reflejar el nivel de ruido allí.

Los cuadros oscuros capturados y sus estadísticas asociadas se muestran a continuación:

|  ISO | Frame # |   Mean  |  Std  |
|  100 |    1    |  511.89 | 2.553 |
|  100 |    2    |  511.89 | 2.555 |
|  100 |    3    |  511.89 | 2.555 |
|  200 |    1    |  511.84 | 2.620 |
|  200 |    2    |  511.85 | 2.618 |
|  200 |    3    |  511.84 | 2.620 |
|  400 |    1    | 2048.00 | 3.618 |
|  400 |    2    | 2048.02 | 3.618 |
|  400 |    3    | 2048.01 | 3.617 |
|  800 |    1    | 2047.95 | 5.261 |
|  800 |    2    | 2047.96 | 5.260 |
|  800 |    3    | 2047.96 | 5.260 |
| 1600 |    1    | 2047.99 | 8.650 |
| 1600 |    2    | 2048.04 | 8.654 |
| 1600 |    3    | 2047.99 | 8.631 |

Antes de ver las medidas reales, esperaba que existiera una relación sublineal entre ISO y el valor estándar del marco (ya que la ganancia digital pura debería mostrar una relación lineal).

Sin embargo, mi hipótesis puede ser correcta cuando solo inspecciono los datos con ISO de 400 a 1600, la función sublineal no puede interpretar la relación exhibida en el rango ISO de 100-400.

También es extraño que el nivel de negro se haya ajustado de 512 a 2048 cuando ISO >= 400.

Entonces, ¿cómo podemos interpretar que el valor estándar del marco es casi constante cuando cambiamos ISO de 100 a 200, y por qué el nivel de negro se ajusta cuando ISO >= 400?

Todos los datos se recopilan en una cámara canon EOS 5D mark IV.

ACTUALIZAR

Encuentro que la siguiente imagen de http://www.clarkvision.com/articles/iso/index.html parece muy relevante con mi pregunta, pero no puedo entender completamente la descripción allí.ingrese la descripción de la imagen aquí

¿Cómo calculaste la media exactamente?
El valor medio se calcula simplemente promediando todos los valores de píxeles en un cuadro. Alguna literatura decía que el marco oscuro debería incluir una señal oscura y varios patrones fijos de ruido, sin embargo, no puedo encontrar ningún patrón fijo al inspeccionar muchos marcos. Esto podría atribuirse a la tecnología de supresión de corriente oscura en el sensor que se usa en las cámaras DSLR modernas de gama alta ( clarkvision.com/articles/dark-current-suppression-technology ). Por lo tanto, el marco oscuro solo incluiría el ruido temporal y el valor medio. solo se usa para indicar que la media de ruido (expectativa) es 0 mientras se muestra el nivel de negro.
De acuerdo. ¿Qué tal el valor absoluto? ¿Estás usando 14 bits en bruto? ¿Cuál es el valor máximo posible? ¿Es 2^14? 2048 es 2^11... ¿Cómo es que ese valor alto puede considerarse como nivel de negro?
sí, uso 14 bits sin formato, y no estoy seguro de cuál es el valor absoluto que mencionaste. Canon EOS 5d mark IV registra datos sin procesar de 14 bits cuyo valor máximo posible es 16383. Estoy de acuerdo en que 2048 es un valor alto, pero este valor está confirmado por libraw/dcraw. Lo volveré a verificar usando un software comercial (como LightRoom o darktable de código abierto) más tarde.
Voto para cerrar esta pregunta como fuera de tema porque no busca resolver un problema asociado con tomar fotos.
Sí, quizás tengas razón. Pero la publicación de hallazgos y análisis aquí revela cómo podemos utilizar mejor nuestra cámara, ya que el ruido es un componente importante a tener en cuenta al tomar fotos. Al menos muestra el beneficio de usar ISO 200 en lugar de 100 a bajo costo.
Para un sensor "perfecto" donde el único ruido es el ruido de fotones intrínseco a la física, el ruido de fondo sube exactamente 2 paradas por cada aumento de 4 veces en ISO. En realidad, el ruido de fondo es mayor debido a las conversiones térmicas y AtoD. Uno puede ver esto en la meseta en el extremo inferior de los ISO.

Respuestas (1)

Según la inspección de sus "fotogramas oscuros capturados y sus estadísticas asociadas" y cierta experiencia en tecnología de escáner de documentos, parece que entre ISO 400 y 200, Canon desplazó 2 bits menos significativos, lo que representó la mayor parte del ruido que intentó medir .

En cuanto al diagrama de Clark, las exposiciones "ISOless" que desean ISO por encima de 1600 simplemente carecen de suficiente señal de fotones para saturar el rango dinámico del ADC. Mientras tanto, el rango dinámico para exposiciones que necesitan ISO inferior a 200 está limitado nominalmente por la profundidad de bits del ADC. Entiendo que ese aumento de rango dinámico en ISO 50 es una decisión de producto, dado que muchas comparaciones de imágenes de revisión de cámaras competitivas se realizan en ISO 100, por lo que la reducción artificial de la ganancia produce sombras más limpias y colores monocromáticos.

¿Por qué existe una relación no lineal entre el nivel de ruido (del marco oscuro) y la configuración ISO?
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