Suma de valores de píxeles más que fotones incidentes

Según su pregunta en Mathematica.SE , asumo que simplemente sumó los valores enteros para cada píxel en el archivo sin procesar, y el total fue mayor que lo que supone que es el número de fotones incidentes.

Primero, ¿cómo sabe cuál es el número real de fotones incidentes y está seguro de que su estimación es correcta?

Suponiendo que la estimación del conteo de fotones sea correcta, no sorprende que la suma de píxeles sea mayor. Parece estar asumiendo que un fotón registrado no causará un aumento mayor a 1 en el valor del píxel. Esto no es verdad. Los valores escritos en el archivo bruto pueden amplificarse digitalmente, es decir, multiplicarse por un factor constante. Por ejemplo, si importo un archivo sin formato D7100 de 14 bits capturado en ISO 6400 a Mathematica, encuentro estos valores:

In[96]:= data = Import["~/Desktop/DSC_2935.NEF", "RawData"];

In[97]:= MinMax[data]
Out[97]= {0, 16383}

In[98]:= Take[Union@Flatten[data], 10]
Out[98]= {0, 2, 6, 8, 10, 14, 16, 18, 20, 24}

Tenga en cuenta que se utiliza el rango completo de 14 bits (es decir 0..2^14-1, ), pero todos los valores son múltiplos de 2. Según recuerdo, los archivos ISO 12800 tienen múltiplos de 4 (aunque no lo verifiqué en este momento).

Finalmente, aunque no estoy familiarizado con los detalles de cómo funcionan exactamente los sensores y cómo se leen los datos, no me sorprendería si resulta que la cuantificación de la luz (o la carga eléctrica almacenada) no se refleja perfectamente en los datos registrados. datos. Esperaría que el proceso de amplificación introduzca ruido y no siempre registre el mismo valor para la misma cantidad de cuantos.

Hay varias cosas que se deben tener en cuenta para responder a esta pregunta:

• ninguna cámara puede generar 1 electrón por 1 fotón en una amplia gama de longitudes de onda. Ejemplo de eficiencia de sensor monocromático sensible a IR .
• La cámara de detección de color de Bayer se basa en generar menos fotones en respuesta a ciertas longitudes de onda. La respuesta espectral de D3 con espejo IR incluido significa que se desperdicia al menos alrededor de 2/3 de la luz (en realidad, incluso más, los picos del gráfico no corresponden al 100% de eficiencia). La eficiencia del sensor sin espejo IR será algo mejor .
• La manipulación de ISO no altera la característica del sensor, solo altera la amplificación durante la lectura, y muchos sensores producen una salida bastante similar a diferentes valores ISO (con otros parámetros intactos, por supuesto), consulte la sección de invariancia ISO de esta revisión

Por lo tanto, no es completamente correcto preguntar qué ISO debe establecerse para producir al menos un 100 % de eficiencia, ya que la eficiencia es hereditariamente diferente para todas las longitudes de onda. También es incorrecto decir que tiene más del 100% de QE en algún ISO por las mismas razones: QE de la suma de todos los canales, solo el canal rojo, ¿o qué?

Sin embargo, usted puede:

1. definir una longitud de onda exacta
2. aprenda la eficiencia cuántica para esa longitud de onda para los tres canales (aunque no sé cómo hacerlo, se necesitará al menos una fuente de luz calibrada para que emita una cantidad de luz arbitraria) para cualquier ISO
3. agregue eficiencias cuánticas para una longitud de onda dada y calcule un multiplicador para la suma de canales para obtener la cantidad de fotones (inverso de la eficiencia cuántica)
4. convertir una imagen gris no degradada (salida de dcraw -d -4 -r 1 1 1 1(no use -D, o tendrá un error adicional constante en cada píxel porque en este caso no se aplica nivelación de negro) a una imagen en escala de grises sumando cada grupo de cuatro celdas y multiplicando el resultado por número calculado

Esto le dará la matriz de números de fotones con precisión variable (peor SNR en la oscuridad, mejor SNR en las altas luces pero con menos precisión absoluta en las altas luces)

O bien, puede usar ISO en la cámara para amplificar la señal y extraer solo un canal de la imagen, pero perderá algo de precisión y no podrá obtener la cantidad de fotones sin un error multiplicativo constante.

Dicho esto, cualquier ISO mayor que el ISO de ganancia unitaria no le dará ninguna precisión adicional significativa además de un piso de ruido más bajo (mejor precisión de los tonos oscuros) con respecto a la luminancia del objeto. En el caso de la Nikon D3 , el ISO más alto que es sensato utilizar es ISO800: en este gráfico , el punto más cercano a la diagonal caída en el gráfico corresponde a ISO800 (el ISO real es algo más bajo).

Ahora, con respecto a su pregunta original:

Obtengo una eficiencia superior al 100 % para mi cámara en ISO superiores a 6400. ¿Bajo qué circunstancias se obtienen más valores de píxeles que la cantidad de fotones incidentes (eficiencia de detección de fotones superior al 100 %)?

La amplificación no está limitada a ningún valor, los fabricantes pueden introducir cualquier amplificación enorme para escribir ISO900000 en la caja de la cámara. Sin embargo, los valores ISO más altos tienen poco sentido en casos excepcionales.

Puede obtener fácilmente la suma de todos los píxeles mayor que la cantidad de fotones en casi cualquier cámara si configura el ISO lo suficientemente alto.