Parto dall'ultimo punto e… Si, lo voglio

Proviamoci pure e vediamo cosa si riesce a fare.
Le mie basi di statistica, da come parli, mi sembra di capire che siano piu o meno al tuo stesso livello. Non aspettarti un matematico; sono un ingegnere.
Per motivi di PhD comunque ho intenzione di irrobustire un po' la mia conoscenza di statistica a molto breve. La cosa può quindi venire utile anche per questo lavoro.
Tornando alla discussione, condivido tutto quello che hai scritto. Io mi soffermavo sul trattamento statistico dei vari pixel.
Detto questo, dei tuoi 3 punti non mi è chiaro il secondo (che è quello su cui dici di voler lavorare).
Mettiamo di arrivare a conoscere alla perfezione la PDF (densità di probabilità) di tutte le sorgenti di rumore della nostra foto; sia quelle diverse pixel per pixel, sia quelle generiche sul sensore. In altre parole ipotizziamo di aver caratterizzato alla perfezione l'incertezza del nostro sistema di misura.
Poi cosa vorresti fare? Non sono un matematico, ma per quanto ne so non puoi comunque eliminare l'errore statistico visto che il singolo evento è, per definizione, casuale.
Quello che avevo in mente io è di dire che il singolo evento è casuale, ma la sua PDF no. Quindi se conosciamo la formula analitica della PDF per il nostro strumento e se calcoliamo alcuni punti della PDF sperimentale con una kernel smoothing function, pensavo di poter fare un fitting per trovarne i parametri caratteristici e, quindi, poter calcolare il valor medio analitico della funzione fittata.
Non escludo di aver scritto cavolate: come diceva un mio professore "gli ingegneri conoscono la matematica quanto un pesce conosce la fluidodinamica"

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