Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Не путать с Visual Snow .
Шум четко виден на изображении с цифровой камеры

Шум изображения - это случайное изменение яркости или цветовой информации в изображениях и обычно является аспектом электронного шума . Он может быть произведен датчиком изображения и схемой сканера или цифровой камеры . Шум изображения может также возникать из-за зернистости пленки и неизбежного дробового шума идеального детектора фотонов. Шум изображения - нежелательный побочный продукт захвата изображения, который скрывает желаемую информацию.

Первоначальное значение слова «шум» было «нежелательный сигнал»; нежелательные электрические колебания в сигналах, принимаемых радиоприемниками AM, вызывали акустический шум («статический»). По аналогии нежелательные электрические колебания также называют «шумом». [1] [2]

Шум изображения может варьироваться от почти незаметных пятнышек на цифровой фотографии, сделанной при хорошем освещении, до оптических и радиоастрономических изображений, которые почти полностью представляют собой шум, из которых можно получить небольшой объем информации путем сложной обработки. Такой уровень шума был бы неприемлемым на фотографии, так как невозможно было бы даже определить объект.

Типы [ править ]

Гауссов шум [ править ]

Основная статья: Гауссов шум

Основные источники гауссовского шума в цифровых изображениях возникают во время получения. Датчику свойственен шум из-за уровня освещенности и собственной температуры, а электронные схемы, подключенные к датчику, вносят свою долю шума в электронные схемы . [3]

Типичная модель шума изображения - гауссова, аддитивная, независимая для каждого пикселя и не зависящая от интенсивности сигнала, вызванная в основном шумом Джонсона – Найквиста (тепловым шумом), в том числе тем, который возникает из-за шума сброса конденсаторов («шум kTC» ). [4] Шум усилителя - это основная часть «шума считывания» датчика изображения, то есть постоянного уровня шума в темных областях изображения. [5] В цветных камерах, где в канале синего цвета используется большее усиление, чем в канале зеленого или красного, в синем канале может быть больше шума. [6] Однако при более высоких выдержках в шуме датчика изображения преобладает дробовой шум, который не является гауссовым и не зависит от интенсивности сигнала. Кроме того, существует множество алгоритмов шумоподавления по Гауссу. [7]

Шум соли и перца [ править ]

Основная статья: Соль и перец шум
Изображение с шумом соли и перца

Распространенный или «импульсный» шум иногда называют шумом соли и перца или шумом спайков. [8] Изображение, содержащее шум соли и перца, будет иметь темные пиксели в светлых областях и яркие пиксели в темных областях. [9] Этот тип шума может быть вызван ошибками аналого-цифрового преобразователя , битовыми ошибками при передаче и т. Д. [10] [11] В основном его можно устранить с помощью вычитания темных кадров , медианной фильтрации , комбинированного медианного и среднего значения. фильтрация [12] и интерполяция вокруг темных / ярких пикселей.

Мертвые пиксели на ЖК-мониторе дают похожее, но не случайное изображение. [13]

Дробовой шум [ править ]

Основная статья: Дробовой шум

Преобладающий шум в более ярких частях изображения с датчика изображения обычно вызван статистическими квантовыми флуктуациями, то есть изменением количества фотонов, воспринимаемых при заданном уровне экспозиции. Этот шум известен как дробовой фотонный шум . [6] Дробовой шум имеет среднеквадратичное значение, пропорциональное квадратному корню из интенсивности изображения, а шумы в разных пикселях не зависят друг от друга. Дробовой шум следует распределению Пуассона , которое, за исключением очень высоких уровней интенсивности, приближается к распределению Гаусса.

Помимо дробового фотонного шума, может возникать дополнительный дробовой шум из-за темнового тока утечки в датчике изображения; этот шум иногда называют «темновым дробовым шумом» [6] или «темновым дробовым шумом». [14] Темновой ток максимален в «горячих пикселях» датчика изображения. Переменный темновой заряд нормальных и горячих пикселей можно вычесть (с помощью «вычитания темных кадров»), оставив только дробовой шум или случайную составляющую утечки. [15] [16] Если вычитание темных кадров не выполняется или если время экспозиции достаточно велико, чтобы заряд горячих пикселей превышал емкость линейного заряда, шум будет больше, чем просто дробовой шум, а горячие пиксели будут отображаться как соль. -перечный шум.

Шум квантования (равномерный шум) [ править ]

Шум, вызванный квантованием пикселей воспринимаемого изображения до ряда дискретных уровней, известен как шум квантования . Имеет примерно равномерное распределение . Хотя он может зависеть от сигнала, он не будет зависеть от сигнала, если другие источники шума достаточно велики, чтобы вызвать сглаживание , или если сглаживание применяется явно. [11]

Зернистость пленки [ править ]

Зерна из фотопленки представляет собой сигнал , в зависимости от шума, с аналогичным статистическим распределением для дробового шума . [17] Если зерна пленки распределены равномерно (равное количество на площади), и если каждое зерно имеет равную и независимую вероятность превращения в темное серебряное зерно после поглощения фотонов , то количество таких темных зерен в области будет случайным. с биномиальным распределением . В областях, где вероятность мала, это распределение будет близко к классическому распределению Пуассона дробового шума. Простое распределение Гаусса часто используется в качестве достаточно точной модели. [11]

Зернистость пленки обычно рассматривается как источник почти изотропного (неориентированного) шума. Его эффект усугубляется случайным распределением зерен галогенида серебра в пленке. [18]

Анизотропный шум [ править ]

Некоторые источники шума проявляются на изображениях со значительной ориентацией. Например, датчики изображения иногда подвержены шуму строк или столбцов. [19]

Периодический шум [ править ]

Обычным источником периодического шума в изображении являются электрические или электромеханические помехи во время процесса захвата изображения. [8] Изображение, подверженное периодическому шуму, будет выглядеть так, как будто поверх исходного изображения был добавлен повторяющийся узор. В частотной области этот тип шума можно увидеть в виде дискретных всплесков. Существенного снижения этого шума можно добиться, применяя режекторные фильтры в частотной области. [8]Следующие изображения иллюстрируют изображение, подверженное периодическому шуму, и результат уменьшения шума с помощью фильтрации в частотной области. Обратите внимание, что отфильтрованное изображение все еще имеет некоторый шум на границах. Дальнейшая фильтрация может уменьшить этот пограничный шум, однако она также может уменьшить некоторые мелкие детали изображения. Компромисс между снижением шума и сохранением мелких деталей зависит от конкретного приложения. Например, если мелкие детали на замке не считаются важными, фильтрация нижних частот может быть подходящим вариантом. Если мелкие детали замка считаются важными, жизнеспособным решением может быть полное обрезание границы изображения.

Изображение с периодическим шумом
Применение режекторных фильтров в частотной области

В цифровых камерах [ править ]

Изображение слева имеет выдержку> 10 секунд при слабом освещении. Изображение справа имеет достаточное освещение и выдержку 0,1 секунды.

При слабом освещении, правильная экспозиция требует использования медленной скорости затвора (т.е. долгое время экспозиции) или открытое отверстие (нижняя диафрагменное число ), или оба, чтобы увеличить количество света (фотонов) захваченное , который в свою очередь уменьшает воздействие дробовой шум. Если достигнуты пределы выдержки (движения) и диафрагмы (глубины резкости), а результирующее изображение все еще недостаточно яркое, то следует использовать более высокое усиление ( чувствительность ISO ) для уменьшения шума чтения. На большинстве камер более длинная выдержка приводит к увеличению шума соли и перца из-за токов утечки фотодиодов. . За счет удвоения дисперсии шума чтения (увеличение стандартного отклонения шума чтения на 41%) этот шум соли и перца можно в основном устранить путем вычитания темных кадров . Полосчатый шум, подобный теневому шуму , может быть введен посредством осветления теней или обработки цветового баланса. [20]

Прочитать шум [ править ]

В фотографии с цифровой камеры входящие фотоны ( свет ) преобразуются в напряжение . Это напряжение затем проходит через обработку сигналов цепь цифровой камеры и цифровая форму с помощью аналого-цифрового преобразователя . Любые колебания напряжения в цепи обработки сигнала, которые вносят вклад в отклонение от аналоговых к цифровым единиц , от значения идеального пропорционально числу фотонов, называется шум считывания. [21]

Влияние размера сенсора [ править ]

Размер датчика изображения или эффективная площадь светосбора на пиксельный датчик является самым большим определяющим фактором уровней сигнала, которые определяют отношение сигнал / шум и, следовательно, уровни кажущегося шума, если предположить, что площадь апертуры пропорциональна площади датчика, или что f-число или освещенность в фокальной плоскости поддерживается постоянной. То есть для постоянного числа f чувствительность тепловизора примерно соответствует площади сенсора, поэтому более крупные сенсоры обычно создают изображения с меньшим шумом, чем сенсоры меньшего размера. В случае изображений, достаточно ярких, чтобы быть в дробовом шумеВ ограниченном режиме, когда изображение масштабируется до одинакового размера на экране или печатается с одинаковым размером, количество пикселей мало влияет на воспринимаемый уровень шума - шум зависит в первую очередь от площади сенсора, а не от того, как эта область делится на пиксели. Для изображений с более низкими уровнями сигнала (более высокие настройки ISO), где шум чтения (минимальный уровень шума) является значительным, большее количество пикселей в данной области датчика сделает изображение более шумным, если шум чтения на пиксель будет таким же.

Например, уровень шума, создаваемый датчиком Four Thirds при ISO 800, примерно эквивалентен уровню шума, создаваемому полнокадровым датчиком (примерно с четырехкратной площадью) при ISO 3200, и шуму, создаваемому датчиком компактной камеры размером 1 / 2,5 дюйма. (примерно 1/16 площади) при ISO 100. Эта способность создавать приемлемые изображения с более высокой чувствительностью является основным фактором, стимулирующим внедрение цифровых зеркальных фотокамер, которые, как правило, используют более крупные сенсоры, чем компактные. Пример показывает сенсор зеркальной фотокамеры при ISO 400 создает меньше шума, чем датчик «наведи и снимай» при ISO 100. [22]

Коэффициент заполнения сенсора [ править ]

Датчик изображения имеет индивидуальные Фотосайты для сбора света из данной области. Не все области датчика используются для сбора света из-за другой схемы. Более высокий коэффициент заполнения сенсора приводит к улавливанию большего количества света, что позволяет улучшить характеристики ISO в зависимости от размера сенсора. [23]

Датчик тепла [ править ]

Температура также может влиять на количество шума, производимого датчиком изображения из-за утечки. Имея это в виду, известно, что зеркалки производят больше шума летом, чем зимой. [15]

Подавление шума [ править ]

Основная статья: Снижение шума

Изображение - это изображение, фотография или любая другая форма 2D-представления любой сцены. [24] Большинство алгоритмов преобразования данных датчика изображения в изображение, будь то в камере или на компьютере, включают в себя некоторую форму шумоподавления . Для этого существует множество процедур, но все они пытаются определить, являются ли фактические различия в значениях пикселей шумом или реальными фотографическими деталями, и усреднить первое, пытаясь сохранить второе. Однако ни один алгоритм не может сделать это суждение идеально (для всех случаев), поэтому часто приходится идти на компромисс между удалением шума и сохранением мелких деталей с низким контрастом, которые могут иметь характеристики, аналогичные шуму.

Упрощенный пример невозможности однозначного подавления шума: область однородного красного цвета на изображении может иметь очень маленькую черную часть. Если это один пиксель, он, скорее всего (но не обязательно), является ложным и шумовым; если он покрывает несколько пикселей абсолютно правильной формы, это может быть дефект в группе пикселей в датчике изображения (ложный и нежелательный, но не только шум); если он нерегулярный, скорее всего, это истинная особенность изображения. Но однозначного ответа нет.

Этому решению может помочь знание характеристик исходного изображения и человеческого зрения. Большинство алгоритмов шумоподавления выполняют гораздо более агрессивное подавление цветового шума, так как существует мало важных мелких деталей цветности, которые можно потерять. Кроме того, многие люди считают шум яркости менее неприятным для глаза, поскольку его текстурированный вид имитирует зернистость пленки .

Качество изображения с высокой чувствительностью данной камеры (или рабочий процесс разработки RAW) может сильно зависеть от качества алгоритма, используемого для уменьшения шума. Поскольку уровень шума увеличивается с увеличением чувствительности ISO, большинство производителей камер автоматически увеличивают агрессивность шумоподавления при более высокой чувствительности. Это приводит к снижению качества изображения при более высокой чувствительности двумя способами: уровень шума увеличивается, а мелкие детали сглаживаются более агрессивным шумоподавлением.

В случаях сильного шума, таких как астрономические изображения очень далеких объектов, дело не столько в уменьшении шума, сколько в извлечении небольшого количества информации, скрытого в большом количестве шума; методы различны, ища небольшие закономерности в массивно случайных данных.

Видео шум [ править ]

Основная статья: Шум (видео)

В видео и телевидении шумом называется случайный точечный узор, который накладывается на изображение в результате электронного шума, «снега», который наблюдается при плохом (аналоговом) телевизионном приеме или на кассетах VHS. Помехи и статика - это другие формы шума в том смысле, что они нежелательны, хотя и не случайны, и могут влиять на радио- и телевизионные сигналы.

Шум цифрового видео иногда присутствует на видео, закодированных в формате MPEG-2, как артефакт сжатия.

Полезный шум [ править ]

Высокие уровни шума почти всегда нежелательны, но бывают случаи, когда определенное количество шума полезно, например, для предотвращения артефактов дискретизации (цветных полос или постеризации ). Некоторые шумы также увеличивают резкость (кажущуюся резкость). Шум, специально добавленный для таких целей, называется дизерингом ; он улучшает восприятие изображения, хотя и ухудшает отношение сигнал / шум .

Примеры шума с низким и высоким ISO [ править ]

  • Изображения цветка, сделанные при ISO 100 и ISO 1600 цифровой камерой Canon 400D . Оба изображения были сняты при одинаковых условиях освещения, при этом менялись только настройки ISO и выдержка.
  • ISO 100, f / 5,6, 1/350 с
    (щелкните изображение, чтобы увеличить)
  • ISO 1600, f / 5,6, 1/4000 с
    (щелкните изображение, чтобы увеличить)

  • Сравнение обоих изображений. Это обрезка небольшого участка каждого изображения, отображаемого на 100%. Верхняя часть была снята при 100 ISO, нижняя - при 1600 ISO.

Техническая экспертиза низкого и высокого ISO [ править ]

Моделирование фотонного шума . Количество фотонов на пиксель увеличивается слева направо и от верхнего ряда к нижнему.

Датчик изображения в цифровой камере содержит фиксированное количество пикселей (которые определяют рекламируемые мегапиксели камеры). Эти пиксели имеют так называемую глубину лунки. [25] Пиксельную лунку можно представить как ведро. [26]

Настройка ISO цифровой камеры - это первая (а иногда и единственная) настраиваемая пользователем ( аналоговая ) настройка усиления в цепочке обработки сигнала . Он определяет величину усиления, приложенного к выходному напряжению датчика изображения, и напрямую влияет на шум чтения . Все блоки обработки сигналов в системе цифровых камер имеют минимальный уровень шума . Разница между уровнем сигнала и минимальным уровнем шума называется отношением сигнал / шум . Более высокое отношение сигнал / шум означает лучшее качество изображения. [27]

В ярких солнечных условиях, при длинной выдержке, широко открытой диафрагме или в некоторой комбинации всех трех фотонов, попадающих на датчик изображения, может быть достаточно, чтобы полностью заполнить или иным образом достичь почти полной емкости пиксельных ям. Если емкость пиксельных лунок превышена, это равносильно передержке . Когда пиксельные ямы почти заполнены, сами фотоны, подвергшиеся воздействию датчика изображения, генерируют достаточно энергии для возбуждения излучения электронов в датчике изображения и генерируют достаточное напряжение на выходе датчика изображения [21].приравнивается к отсутствию необходимости в усилении ISO (более высокое значение ISO выше базовой настройки камеры). Это соответствует достаточному уровню сигнала (от датчика изображения), который проходит через оставшуюся электронику обработки сигнала, что приводит к высокому отношению сигнал / шум, низкому уровню шума или оптимальной экспозиции.

И наоборот, в более темных условиях, более коротких выдержках, закрытых диафрагмах или некоторой комбинации всех трех может быть недостаточно фотонов, попадающих на датчик изображения, чтобы генерировать подходящее напряжение от датчика изображения для преодоления минимального уровня шума в сигнальной цепи. , что приводит к низкому отношению сигнал / шум или высокому шуму (преимущественно шум чтения). В этих условиях увеличение усиления ISO (более высокое значение ISO) повысит качество изображения на выходе [28], поскольку усиление ISO будет усиливать низкое напряжение от датчика изображения и генерировать более высокое отношение сигнал / шум через остальная электроника обработки сигналов.

Видно, что более высокое значение ISO (применяемое правильно) само по себе не создает более высокого уровня шума, и, наоборот, более высокое значение ISO снижает шум чтения. Увеличение шума, которое часто наблюдается при использовании более высоких значений ISO, является результатом усиления дробового шума и более низкого динамического диапазона в результате технических ограничений в современной технологии.

См. Также [ править ]

  • Артефакт сжатия
  • EMVA1288
  • Шум с фиксированной структурой

Ссылки [ править ]

  1. ^ Stroebel, Лесли; Закия, Ричард Д. (1995). Фокальная энциклопедия фотографии . Focal Press. п. 507. ISBN. 978-0-240-51417-8.
  2. ^ Rohankar, Jayant (ноябрь 2013). «ИССЛЕДОВАНИЕ РАЗЛИЧНЫХ ШУМОВ И МЕТОДЫ ДЕНОШУМА ЦВЕТНОГО ИЗОБРАЖЕНИЯ» (PDF) . Международный журнал по применению или инновациям в инженерии и менеджменте . 2 (11) . Дата обращения 15 мая 2015 .
  3. ^ Филипп Каттин (2012-04-24). «Восстановление изображения: Введение в обработку сигналов и изображений» . MIAC, Базельский университет . Проверено 11 октября 2013 года .
  4. ^ Июня Ота (2008). Датчики изображения Smart CMOS и приложения . CRC Press. ISBN 978-0-8493-3681-2.
  5. ^ Дзюнъити Накамура (2005). Датчики изображения и обработка сигналов для цифровых фотоаппаратов . CRC Press. ISBN 0-8493-3545-0.
  6. ^ a b c Линдси Макдональд (2006). Цифровое наследие . Баттерворт-Хайнеманн. ISBN 0-7506-6183-6.
  7. ^ Мехди Мафи, Гарольд Мартин, Жан Андриан, Армандо Баррето, Мерседес Кабреризо, Малек Аджуади, «Комплексное исследование импульсных и гауссовских фильтров шумоподавления для цифровых изображений», Обработка сигналов, том. 157, стр. 236-260, 2019.
  8. ^ a b c Рафаэль К. Гонсалес; Ричард Э. Вудс (2007). Цифровая обработка изображений . Пирсон Пренктис Холл. ISBN 978-0-13-168728-8.
  9. ^ Алан С. Бовик (2005). Справочник по обработке изображений и видео . Академическая пресса. ISBN 0-12-119792-1.
  10. ^ Линда Г. Шапиро ; Джордж К. Стокман (2001). Компьютерное зрение . Прентис-Холл. ISBN 0-13-030796-3.
  11. ^ a b c Бонлет, Чарльз (2005). «Модели шума изображения» . В Алане С. Бовике (ред.). Справочник по обработке изображений и видео . Академическая пресса. ISBN 0-12-119792-1.
  12. ^ Мехди Мафи, Хода Раджаи, Мерседес Кабреризо, Малек Аджуади, «Надежный подход к обнаружению фронта при высокой интенсивности импульса за счет переключения адаптивной медианы и фильтрации с фиксированным взвешенным средним», IEEE Transactions on Image Processing, vol. 27, вып. 11, 2018, с. 5475-5490.
  13. ^ Чарльз Бонсле (2005), Алан С. Бовик. Справочник по обработке изображений и видео. Академическая пресса. ISBN 0-12-119792-1 
  14. ^ Janesick, Джеймс Р. (2001). Научные устройства с зарядовой связью . SPIE Press. ISBN 0-8194-3698-4.
  15. ^ а б Майкл А. Ковингтон (2007). Цифровая зеркальная астрофотография . Издательство Кембриджского университета. ISBN 978-0-521-70081-8.
  16. ^ RE Якобсон; SF Ray; GG Attridge; Н. Р. Аксфорд (2000). Руководство по фотографии . Focal Press. ISBN 0-240-51574-9.
  17. ↑ Томас С. Хуанг (1986). Достижения в области компьютерного зрения и обработки изображений . JAI Press. ISBN 0-89232-460-0.
  18. ^ Брайан В. Килан; Роберт Э. Кукингем (2002). Справочник по качеству изображения . CRC Press. ISBN 0-8247-0770-2.
  19. ^ Джозеф Г. Пеллегрино; и другие. (2006). «Характеристики инфракрасной камеры» . В Джозефе Д. Бронзино (ред.). Основы биомедицинской инженерии . CRC Press. ISBN 0-8493-2122-0.
  20. ^ МакХью, Шон. «Цифровые камеры: имеет ли значение размер пикселя? Часть 2: Примеры изображений с использованием пикселей разного размера (имеет ли значение размер сенсора?)» . Проверено 3 июня 2010 .
  21. ^ a b Мартинек, Эмиль (22 мая 2008 г.). «Шум, динамический диапазон и битовая глубина в цифровых SLR (шум чтения)» . Проверено 24 ноября 2020 .
  22. ^ RN, Кларк (2008-12-22). «Цифровые камеры: имеет ли значение размер пикселя? Часть 2: Примеры изображений с использованием пикселей разного размера (имеет ли значение размер сенсора?)» . Проверено 3 июня 2010 .
  23. ^ Wrotniak, J. Anderzej (2009-02-26). «Размер сенсора 4/3 и соотношение сторон» . Проверено 3 июня 2010 .
  24. ^ Сингх, Аканша; Сингх, К.К. (2012). Цифровая обработка изображений . Публикации Умеш. ISBN 978-93-80117-60-7.
  25. ^ «Астрофотография, пиксель за пикселем: Часть 1 - Глубина лунки, размер пикселя и квантовая эффективность» . Проверено 24 ноября 2020 . |first=отсутствует |last=( помощь )
  26. ^ Кларк, Роджер Н. (2012-07-04). «Экспозиция и цифровые камеры, часть 1. Что такое ISO на цифровой камере? Когда камера без ISO? Мифы об ISO и цифровые камеры» . Проверено 24 ноября 2020 .
  27. ^ Martinec, Эмиль (2008-05-22). «Шум, динамический диапазон и битовая глубина в цифровых SLR (отношение сигнал / шум в зависимости от экспозиции и динамический диапазон)» . Проверено 24 ноября 2020 .
  28. ^ Martinec, Эмиль (2008-05-22). «Шум, динамический диапазон и битовая глубина в цифровых SLR (S / N и решения по экспозиции)» . Проверено 24 ноября 2020 .

Внешние ссылки [ править ]

  • Шум в dpreview глоссарий
  • Компактная камера Режимы высокого ISO: факты и ажиотаж
  • Измерения шума Nikon D700
  • Лекции Алана Петерса по обработке изображений . Университет Вандербильта. Обновлено 7 января 2016 г.