Qual é a região mais ruidosa do sensor?

No meio das minhas brincadeiras de observar o ruído da câmera vi uma coisa que me chamou a atenção. Quando ampliei ao máximo a imagem na própria câmera notei que as bordas pareciam mais ruidosas que o centro. Não sei se isto é uma característica da Nikon D90, ou da minha D90, ou de todas as câmeras com sensor CMOS, ou todas elas independentemente do tipo de sensor. Mas resolvi verificar isto melhor.

Como qualquer método científico, eu não poderia só usar algo subjetivo como o olhar, então resolvi aplicar os métodos descritos no artigo Método caseiro de medição de ruído de sensor para ter resultados mais objetivos, para quantificar.

Para entender os resultados é bom conhecer um pouco de estatística. Se não sabe muito de estatística, sugiro ler o artigo ABC da Estatística em 10 minutos.

Atenção, este artigo tem um nível alto de "nerdice", portanto leia por sua conta e risco.

As tabelas podem ser ignoradas, caso prefira, e queira só se fiar nos meus comentários sobre os dados delas, exceto a primeira, que define como numerei as áreas da imagem. A primeira tabela mostra a posição de cada área na imagem, portanto é importante.

Dividindo em áreas

Olhar subjetivo mencionado acima, mesmo não servindo com prova ou quantificação, me deu uma pista de como dividir o sensor. Foi escolhido inicialmente o corte de 100 pixels de cada borda, que parecia coerente com o observado acima, e não iria descartar muito da imagem..

Dividi o sensor em 10 regiões, numeradas de 0 a 9, sendo a 0 o sensor inteiro e a 9 a região central do sensor. A região 9 é a imagem toda menos 100 pixels de cada um dos lados.

1	2	3
8	9	4
7	6	5

O processo é muito parecido com o descrito no artigo Método caseiro de medição de ruído de sensor, mas com um script diferente. O novo script faz o que o outro fazia, para a medição do ruído da imagem toda, como também faz a divisão da imagem em áreas e calcula o ruído de cada uma das áreas.

Obtenção das imagens

O processo de obtenção das amostras foi basicamente o descrito no artigo Método caseiro de medição de ruído de sensor: Luzes da casa apagadas; De noite; Janela do quarto fechada; Lente com a tampa; Abertura F22; Visor ocular fechado; Iluminação do LCD superior e do LCD de trás desligados; Debaixo de uma coberta escura dobrada; Lente Nikon 18-105, a do kit da câmera; Câmera na horizontal com a lente apontada para o que deveria ser o lado mais escuro do quarto.
 
Foram usadas duas distâncias focais diferentes, a máxima, 105 mm, e a mínima, 18 mm. A ideia era levar em conta alguma luz que ainda entrasse pela lente, que pela descrição acima deveria tender à zero.

Foram testadas somente duas sensibilidades, ISO 200 e ISO 3200, e um tempo de exposição, 1 segundo, com as duas distâncias focais mencionadas acima, implica em somente 4 amostras. Sei que é uma quantidade de amostras muito baixa, mas testar uma única câmera é pior ainda. Depois fiz a comparação com os dados que eu tinha da Panasonic FZ28 e da Nikon D60.

Resultados, Nikon D90

Abaixo a tabela com ISO 200 e distância focal de 18 mm.

Média	Desvio Padrão	Moda	% de moda	Cont	Área
0.344483	0.553529	0	69.256950%	15	0
0.368700	0.600497	0	68.150000%	8	1
0.353555	0.580125	0	69.100243%	13	2
0.354100	0.576148	0	69.210000%	5	3
0.346570	0.562415	0	69.351199%	10	4
0.431900	0.627377	0	63.180000%	7	5
0.431774	0.622918	0	63.301217%	9	6
0.425800	0.628119	0	63.910000%	7	7
0.363771	0.575750	0	67.879685%	12	8
0.340167	0.548443	0	69.528739%	9	9

Nota-se que o centro, a região 9, é a menos ruidosa de todas, pois tem a menor média e o menor desvio padrão, menos que do que a imagem como um todo, que é representada pela região 0.

A região mais ruidosa da imagem, de longe, foi a parte de baixo, que na realidade é a parte de cima do sensor, pois a imagem chega ao sensor invertida. O curioso é que esta parte tem poucos valores diferentes, dado pela coluna "Cont", mas a moda também é menor. Devem ter poucos valores, mas estes devem ser altos e frequentes.

Abaixo a tabela com ISO 200 e distância focal de 105 mm.

Média	Desvio Padrão	Moda	% de moda	Cont	Área
0.445926	0.594597	0	60.280752%	12	0
0.459000	0.616731	0	59.830000%	7	1
0.448372	0.619141	0	60.846715%	11	2
0.455800	0.634891	0	60.870000%	7	3
0.449070	0.605442	0	60.402174%	9	4
0.547300	0.672018	0	54.050000%	7	5
0.547202	0.659526	0	53.685158%	9	6
0.527200	0.664608	0	55.470000%	8	7
0.468711	0.616117	0	58.696402%	11	8
0.441220	0.589704	0	60.552288%	8	9

Com a distância focal de 105 mm o comportamento foi MUITO parecido, mas uma coisa intrigante aconteceu. O ruído aumentou em média e em desvio padrão.

Abaixo a tabela com ISO 3200 e distância focal de 18 mm.

Média	Desvio Padrão	Moda	% de moda	Cont	Área
3.393602	3.432239	1	30.837443%	115	0
3.401800	3.934959	1	28.120000%	42	1
3.173248	3.946281	1	33.670803%	93	2
3.113600	3.901874	1	33.740000%	42	3
3.471301	3.829509	1	29.370315%	80	4
4.771100	4.864347	2	22.450000%	48	5
4.728221	4.130414	2	23.205596%	68	6
4.663200	4.523120	2	23.480000%	45	7
3.688681	4.076879	1	25.723013%	91	8
3.340601	3.339168	1	31.577031%	83	9

Agora vamos para um ISO alto. Note que a média subiu em cerca de 10 vezes com o aumento de 16 vezes na sensibilidade, e o desvio padrão em aproximadamente 6 vezes. O percentual da moda caiu drasticamente, e a maioria dos pixels não estão mais em zero. A quantidade de valores subiu drasticamente. Em suma, o ruído subiu como um todo.

Continua valendo a observação do ruído ser maior na parte de baixo do sensor. Esta região teve a maior média, a maior moda, o maior desvio padrão e o menor percentual da moda.

Abaixo a tabela com ISO 3200 e distância focal de 105 mm.

Média	Desvio Padrão	Moda	% de moda	Cont	Área
3.440132	3.510186	1	30.797139%	124	0
3.780200	4.538474	1	25.970000%	46	1
3.567966	4.272288	1	29.395377%	98	2
3.674700	4.797206	1	28.580000%	53	3
3.528441	4.000564	1	29.405172%	97	4
4.753600	4.548467	2	23.250000%	39	5
4.762241	4.221157	2	23.260341%	73	6
4.658200	4.758218	2	22.550000%	48	7
3.772223	4.179379	1	25.590705%	97	8
3.372725	3.401075	1	31.703646%	88	9

O mesmo comportamento pode ser observado, inclusive um pequeno aumento do ruído com o aumento da distância focal.

E se aumentarmos as margens?

Esta ideia me passou pela cabeça, e fiz uma modificação no script e gerei estes dados.

Resultado? Nenhuma mudança realmente significante. A região central teve uma melhora irrisória na média, no desvio padrão e no percentual da moda. As regiões periféricas, de 1 a 8, é que tiveram melhoras significativas. Isto pode ser causado pela inclusão de mais pixels com menos ruído da região central nestas regiões.

Abaixo vão os dados para quem quiser comparar.

Abaixo a tabela com ISO 200 e distância focal de 18 mm.

Média	Desvio Padrão	Moda	% de moda	Cont	Área
0.344483	0.553529	0	69.256950%	15	0
0.358125	0.575526	0	68.512500%	9	1
0.347155	0.567015	0	69.389386%	13	2
0.350325	0.566882	0	69.182500%	7	3
0.341663	0.554424	0	69.588533%	10	4
0.406925	0.610243	0	65.177500%	7	5
0.408639	0.603734	0	64.757801%	9	6
0.405625	0.611108	0	65.255000%	8	7
0.354038	0.563339	0	68.519854%	12	8
0.338130	0.546555	0	69.668452%	9	9

Abaixo a tabela com ISO 200 e distância focal de 105 mm.

Média	Desvio Padrão	Moda	% de moda	Cont	Área
0.445926	0.594597	0	60.280752%	12	0
0.448250	0.609780	0	60.725000%	8	1
0.443082	0.606515	0	60.978005%	11	2
0.446725	0.611409	0	60.795000%	10	3
0.444562	0.598454	0	60.586507%	9	4
0.519725	0.644377	0	55.417500%	8	5
0.522559	0.641801	0	55.109207%	9	6
0.520700	0.648176	0	55.457500%	9	7
0.458657	0.604214	0	59.291937%	11	8
0.438736	0.587841	0	60.714454%	8	9

Abaixo a tabela com ISO 3200 e distância focal de 18 mm.

Média	Desvio Padrão	Moda	% de moda	Cont	Área
3.393602	3.432239	1	30.837443%	115	0
3.373675	3.815653	1	30.310000%	54	1
3.183891	3.648845	1	33.863299%	95	2
3.187925	3.684555	1	33.485000%	52	3
3.382326	3.620186	1	31.080835%	80	4
4.402525	4.211762	2	23.477500%	51	5
4.407116	3.931744	2	23.723529%	71	6
4.334450	4.222776	2	23.837500%	57	7
3.582269	3.752062	1	27.547002%	90	8
3.312243	3.316700	1	31.990273%	83	9

Abaixo a tabela com ISO 3200 e distância focal de 105 mm.

Média	Desvio Padrão	Moda	% de moda	Cont	Área
3.440132	3.510186	1	30.797139%	124	0
3.618600	4.215943	1	28.140000%	64	1
3.453561	3.890048	1	30.914066%	100	2
3.493550	4.121515	1	31.242500%	62	3
3.439394	3.734558	1	30.766005%	98	4
4.442125	4.247335	2	23.497500%	50	5
4.422115	4.026824	2	23.557161%	76	6
4.428850	4.284384	2	23.397500%	55	7
3.625835	3.809089	1	27.786467%	93	8
3.340793	3.375530	1	32.169726%	85	9

Outras câmeras

Eu tive poucas câmeras para fazer os testes, mas aqui vão os dados da minha Panasonic FZ28 e da Nikon D60 (Agradecimentos à Ale Perenyi).

Panasonic FZ28

Esta câmera é uma Ultra Zoom, e usa sensor CCD compacto, do mesmo tamanho das câmeras compactas, então se espera algumas diferenças de resultados entre ela e a Nikon D90, que usa sensor CMOS formato DX, e mais parecido com o que se deve esperar das compactas em geral.

Aconteceram variações de ruído segundo a região da imagem, mas devido ao nível maior de ruído do sensor compacto que esta câmera tem, o resultado final não tem muita diferença. Aliás, com algumas bordas menos ruidosas, a os resultados da região central foram um pouco piores que o da imagem como um todo. Ainda parece valer a observação da parte inferior da imagem ser mais ruidosa para ISO 1600.

Abaixo estão as tabelas com os dados para ISO 100 e ISO 1600, respectivamente, para o tempo de exposição de 1 s.

Média	Desvio Padrão	Moda	% de moda	Cont	Área
17.243251	3.406696	16	64.672413%	343	0
17.313600	2.190373	16	60.160000%	17	1
17.013844	3.035494	16	67.333333%	65	2
16.908800	1.809367	16	69.490000%	15	3
17.432627	3.027198	16	61.126468%	45	4
17.484200	2.506268	16	61.570000%	20	5
17.368322	3.302945	16	63.899654%	65	6
17.451100	3.163228	16	62.210000%	19	7
17.323810	3.107934	16	63.099843%	61	8
17.239344	3.445831	16	64.752014%	330	9

Média	Desvio Padrão	Moda	% de moda	Cont	Área
52.130164	39.977223	33	4.647102%	516	0
49.337700	37.284606	33	4.910000%	253	1
47.636920	33.461813	33	5.039792%	341	2
47.514100	35.585863	34	4.860000%	240	3
52.388763	41.948711	34	4.189507%	364	4
56.553700	47.532007	33	4.010000%	285	5
55.706277	44.712495	33	4.433103%	382	6
56.067700	46.602136	32	4.610000%	288	7
52.607146	41.076346	34	4.396241%	357	8
52.143788	39.897740	34	4.665116%	509	9

Nikon D60

Esta câmera tem o mesmo tamanho de  sensor que a Nikon D90, formato DX, mas usa sensor CCD, diferentemente da D90, que é CMOS.

Os dados para a Nikon D60 estão abaixo para o tempo de exposição de 1 segundo, e sensibilidades ISO de 100, 800 e 1600.

Média	Desvio Padrão	Moda	% de moda	Cont	Área
0.681258	1.065660	0	63.035405%	15	0
0.748400	1.510869	0	60.290000%	8	1
0.740851	1.098763	0	60.463784%	10	2
0.707200	1.085074	0	61.800000%	9	3
0.619018	1.008003	0	65.405719%	9	4
0.613100	1.019761	0	66.260000%	8	5
0.694286	1.089429	0	63.152432%	10	6
0.640900	1.053973	0	65.280000%	7	7
0.636237	1.235649	0	64.925818%	14	8
0.681164	1.059092	0	63.020307%	9	9

Média	Desvio Padrão	Moda	% de moda	Cont	Área
2.901643	4.305410	0	46.207925%	62	0
3.586300	4.915645	0	42.340000%	30	1
3.042581	4.434371	0	45.414865%	43	2
3.188100	4.578910	0	44.090000%	29	3
2.800617	4.238439	0	46.626191%	37	4
3.151000	4.534011	0	43.790000%	31	5
3.312359	4.634513	0	43.079459%	39	6
3.595700	4.898555	0	41.580000%	31	7
3.068541	4.499567	0	45.226689%	47	8
2.874856	4.278902	0	46.400253%	50	9

Média	Desvio Padrão	Moda	% de moda	Cont	Área
6.123491	8.916442	0	44.156702%	105	0
7.279000	9.860420	0	40.150000%	57	1
6.465019	9.199286	0	43.100000%	76	2
7.375000	9.970593	0	40.440000%	56	3
6.409793	9.181949	0	43.159967%	70	4
7.591800	10.288642	0	39.480000%	60	5
6.910497	9.551817	0	41.118649%	74	6
7.372200	9.886336	0	39.600000%	55	7
6.290903	9.053398	0	43.206797%	82	8
6.058720	8.858375	0	44.398002%	89	9

Também aconteceram variações nas bordas, tal como a Nikon D90, mas elas só se tornaram evidentes nas altas sensibilidades. Aqui parece não ter tido muita diferença entre qual borda, mas em alguns casos as quinas, os cantos, estão piores.

Conclusão

Parece que a observação visual que eu fiz estava planamente coerente com a realidade, e talvez o ruído ser um pouco maior nas bordas seja decisão de projeto. Digamos, se tem que escolher uma forma tal que, ou o centro fique mais ruidoso, ou as bordas ou fique tudo com nível igual de ruído, eu escolheria as bordas terem um pouco mais de ruído, de modo que o centro e a maior parte da imagem fique melhor. Teriam tomado a decisão que eu tomaria.

Outra implicação desta observação é, se quer diminuir o ruído, uma das coisas a ser feita é enquadrar um pouco mais do que a imagem desejada, especialmente a parte de baixo, e depois cortar as bordas na edição.