Шумоподавление на чипе современных CMOS-фотосенсоров

По материалам кандидатской диссертации

У многих из нас есть цифровые фотокамеры - с их помощью можно сделать очень хороший снимок, даже если это камера мобильного телефона. Изображение современных камер отличается детализованностью и низким уровнем шумов. Как же им это удаётся?

Большинство современных цифровых фотокамер оснащены CMOS-сенсорами. Как известно, одним из главных недостатков CMOS-сенсоров является их высокий уровень шума. Тем не менее, современные CMOS-фотосенсоры, произведённые по 4/5Т-технологии, позволяют получать изображения с уровнем шумов, сравнимым с уровнем шумов CCD-фотосенсоров. Это достигается шумоподавлением на самом фотосенсоре и CMOS-пикселе. Данное обстоятельство следует учитывать при проведении измерений и регистрации сигналов на CMOS-фотоприёмники, а так же при оценке характеристик CMOS-сенсоров. 

Широкое применение CMOS-сенсоров связано с их весьма важным достоинством: при увеличении размеров фотосенсора энергетические затраты на передачу данных об изображении практически не увеличиваются. Если количество считывающих каналов в CMOS-сенсорах остаётся неизменным, то энергопотребление сенсора остаётся одинаковым и не возрастает при увеличении размера сенсора (см.Рис. 1). С другой стороны, CCD-сенсоры перемещают зарядовые пакеты, и это существенно более энергозатратно. Убыстрение процесса считывания в CCD-сенсорах так же приводит к дополнительному расходу энергии, что нежелательно в портативной технике. Даже по сравнению с малыми сенсорами, CCD-сенсоры потребляют вдвое больше энергии, чем CMOS, что видно на Рис.1. Сравнение полноформатных, 35-мм сенсоров показывает, что CCD-сенсоры потребляют почти втрое больше энергии, чем CMOS.

Рис.1: Сравнение энергопотребления современных CMOS и CCD-фотосенсоров.

Однако при проведении оценки характеристик CMOS-сенсоров следует учитывать то обстоятельство, что получаемые изображения для оценки темновых и световых шумов в значительной степени предобработаны электроникой камеры ещё до записи в RAW-файл или передачи в компьютер для последующей обработки. Ниже следует краткое описание методов шумоподавления на CMOS-фотосенсорах
Для того, чтобы устранить высокий уровень шумов CMOS-сенсоров, требуется создавать фотосенсоры с большим количеством транзисторов. Именно это позволяет производить шумоподавление внутри каждого пикселя, что приводит к существенному снижению уровня шума. Это потребовало создания сложных технологий 4/5Т производства CMOS-фотосенсоров.

Подавление темновых шумов

Называемый так же FPN, Fixed Pattern Noise, этот шум представляет собой разное смещение уровня сигнала для разных пикселей фотосенсора. В CMOS-сенсорах, помимо FPN, имеется так же неоднородность сигнала по столбцам. Основным методом устранения такого шума является метод CDS, Correlated Double Sampling. Процесс шумоподавления по методу CDS проиллюстрирован на Рис.2.

Рис.2: Метод CDS для подавления фиксированного шума на изображениях, зарегистрированных фотосенсорами CMOS.

В методе CDS производится одновременное считывание светового сигнала и темнового двумя независимыми считывателями. Темновой сигнал накапливается в пикселях фотосенсора, которые защищены от света. Сначала считывается только информация о темновом шуме, потом считывается световой сигнал вместе с темновым шумом. Далее из считанного сигнала вычитается темновой шум. После этого на изображении, зарегистрированным CMOS-фотоприёмником, фиксированный шум FPN компенсирован (см.Рис.3). Для этого использование технологии 4/5T является критичным.

Рис.3: Процесс шумоподавления по методу CDS.

Однако большее искажение в регистрируемое изображение вносит шум, связанный с неоднородностью фоточувствительности. Это вытекает из того факта, что технологически невозможно изготовить миллионы одинаковых CMOS-пикселей с усилителями внутри.

Подавление шума, зависящего от светового сигнала

Так как каждый пиксель CMOS-сенсора содержит несколько транзисторов, управляющих передачей данных, технологически невозможно сделать их идентичными. Это приводит к неоднородности величины сигнала даже при регистрации плоского светового поля, что проиллюстрировано на Рис. 4

Рис.4: Сигнал, подверженный шуму, вызванному неоднородностью фоточувствительности.

Изображения, полученные с ранних образцов CMOS-сенсоров, были подвержены шуму неоднородности фоточувствительности из-за того, что сброс темнового заряда на фотодиодах был неполным (см.Рис. 5)
Сначала производится сброс значения фотодиода, затем производится регистрация полезного сигнала (S). Следует заметить, что в процессе регистрации светового сигнала так же регистрируется и шум (S+N1). Далее считывался сигнал вместе с шумом (S+N1), фотодиод сбрасывался и считывалось значение шума (N2). Это приводило к тому, что на изображении оставался шум.

Рис.5: Неполный сброс значений фотодиодов приводит к считыванию сигнала с остаточным шумом.

Развитие технологии производства фотодиодов по 4/5Т-технологии сенсоров CMOS позволило более эффективно подавлять шумы, связанные с неоднородностью фоточувствительности. Так, был разработан метод полной передачи заряда. Каждый фотодиод содержит ячейку для запоминания темнового шума и ячейку для накопления светового сигнала (см.Рис. 6).

Рис.6: Метод полной передачи заряда для устранения шума, связанного с неоднородностью фоточувствительности.

Сначала считывается остаточный заряд, включающий в себя темновой и световой сигнал. Этот сигнал остаётся в ячейке фотодиоде, хранящей информацию об уровне шума, после чего производится сброс всех фотодиодов матрицы фотосенсора.
После завершения экспозиции, значение сигнала и значение шума считываются независимо - происходит замер текущего уровня шума.
Темновой заряд (N) и световой заряд (S) накапливается в разных ячейках одного и того же фотодиода. После того, как уровень шума (N) считывается, передаётся количество заряда из ячейки фотодиода, которая накапливала световой заряд. Происходит объединение уровней заряда (S+N) и считывание как целого. Так как уровень шума (N) известен для того же фотодиода, происходит их вычитание и, таким образом, считывается только информация о сигнале. Это и составляет основу метода полной передачи заряда
Кроме того, шум, вызванный неоднородностью фоточувствительности, возрастает с увеличением усиления ISO. Поэтому в ряде коммерческих цифровых фотокамер применяются технологии, которые усиливают сигнал в зависимости от уровня ``сигнал/шум'' на изображении. Сигналы с высоким соотношением ``сигнал/шум'' посылаются на усилители с большим коэффициентом усиления. Это позволяет CMOS-фотосенсорам выдавать изображения высокого качества в условиях съёмки, требующих высокого значения ISO и длинных экспозиций.

Ссылки

Пост подготовлен по материалам технической документации компании Canon на цифровые камеры Canon серии EOS и полноформатные фотосенсоры.