3.9. Фотонный шум

Свет – это поток фотонов. Отражаясь от объектов и пройдя через объектив телевизионной камеры, фотоны попадают на фоточувствительную поверхность, например, матрицы ПЗС, которая, по существу, является счетчиком фотонов. На границе раздела полупроводник-диэлектрик фотоны преобразуются в фотоэлектроны, которые собираются в накопительных ячейках – пикселях матрицы ПЗС (пиксель – мельчайшая единица цифрового изображения –англ.pixel, сокр. отангл.PICture'S ELement, элемент изображения).

Любое растровое компьютерное изображение состоит из пикселей, расположенных по строкам и столбцам. Основным "кирпичиком", из которых строятся все компьютерные изображения, является элемент картинки или пиксель.Пиксель- это световое пятно на экране дисплея, которое может принимать различные оттенки. Любое изображение вне зависимости от его сложности - это всего лишь совокупность пикселей. Пиксели располагаются на экране в виде строк и столбцов. Разрешение экрана определяется количеством пикселей в каждой строке и в каждом столбце. Стандартное pазpешение для IBM PC и других ПК, оснащенных видео-адаптеpами VGA), позволяет изобразить 640 пикселей по горизонтали и 480 пикселей по вертикали. Первое впечатление - пикселей не так уж и много. Но умножив 640 на 480, можно получить, что на экране помещается более 300.000 пикселов - точнее 307.200. А это много! По современным понятиям, pазpешение 640х480 считается низким. Большинство новых ПК обеспечивают pазpешение 1024 на 768 и выше. А высокопроизводительные рабочие станции такие, как Silicon Graphics, имеют еще более высокое pазpешение.

Ночью поток фотонов уменьшается, и число фотоэлектронов, накапливаемых в пикселе изображения за один кадр, уменьшается с сотен тысяч в дневное время до десятков и даже единиц ночью. При этом шум становится главным препятствием получения качественного изображения. Обычно рассматривают два источник шума. Первый из них обусловлен дискретной природой света. Можно сказать, что световой поток шумит. Фотоны падают на фоточувствительную поверхность неравномерно по времени и не точно в пространстве. Поэтому нельзя измерить сигнал-отклик от одного фотона. Измерить сигнал-отклик от группы фотонов можно с точностью до фотонного шума, определяемого корнем квадратным из их числа. Чем больше фотонов в пикселе, тем лучше отношение сигнал/шум и тем более качественное и четкое изображение. Второй источник шума, который необходимо учитывать, – это шум считывания выходного устройства ПЗС, и который для современных устройств равен примерно 30 электронам/пиксель. Чтобы хорошо различать объекты на изображении, отношение сигнал/шум должно быть не менее 10.

При усилении одновременно с сигналом возрастает шум, который днем был незаметен. В результате на экране видеомонитора появляется шум, напоминающий кружащиеся серые снежинки.

Чем темнее, и чем ниже отношение сигнал/шум, тем меньше разрешающая способность телевизионной камеры или матричного ИК приемника. Например, телевизионная камера с матрицей ПЗС 582×752 элементов днем обладает разрешающей способностью 570 телевизионных линий (отношение сигнал/шум превышает 500). Вечером эта же камера имеет разрешающую способность 300 линий (отношение сигнал/шум 100). Ночью, при уменьшении отношения сигнал шум до 10 разрешающая способность камеры падает до 100 и менее телевизионных линий. Можно сделать вывод: ночью высокая разрешающая способность телекамере не нужна, так как принципиально не может быть реализована из-за шума. Поскольку шум приводит к «размытию» краев и деталей не только неподвижных, но и движущихся объектов, то можно сделать второй вывод: ночью допустимо увеличение инерционности работы телекамеры, так как четкие контура движущихся объектов принципиально не могут быть получены из-за шума.

Нужно отметить, что в естественных аналогах телекамеры – глазах человека и животных учтены сделанные выше выводы. Механизм работы глаз ночью автоматически изменяется. Ночью с целью достижения максимальной чувствительности рецепторы глаз объединяются в группы, в результате видение в большей темноте достигается ценой ухудшения разрешающей способности. Аналогично в темноте возрастает инерционность глаза (увеличивается время накопления фотонов), что также приводит к улучшению чувствительности. Очевидно, что и в телевизионных камерах следует делать так же, как природа делает в своих «естественных телекамерах» – глазах. То есть, ночью телевизионная камера или матричный многоэлементный приемник ИК излучения должны автоматически увеличивать чувствительность в обмен на уменьшение разрешающей способности и быстродействия.