Képzaj - Image noise
A képzaj a képek fényerejének vagy színinformációjának véletlenszerű változása , és általában az elektronikus zaj egyik aspektusa . Előállítható képérzékelővel és szkenner vagy digitális fényképezőgép áramköreivel . A képzaj eredhet filmszemcsékből és az ideális fotondetektor elkerülhetetlen felvételi zajából is. A képzaj a képfelvétel nemkívánatos mellékterméke, amely elfedi a kívánt információt.
A "zaj" eredeti jelentése a "nem kívánt jel" volt; az AM rádiók által vett jelek nem kívánt elektromos ingadozása hallható akusztikus zajt ("statikus") okozott. Analógia útján a nem kívánt elektromos ingadozásokat "zajnak" is nevezik.
A képzaj a jó fényben készített digitális fénykép szinte észrevehetetlen foltjaitól az optikai és radioasztronómiai képekig terjedhet , amelyek szinte teljesen zajok, amelyekből kifinomult feldolgozással kis mennyiségű információ nyerhető. Egy ilyen zajszint elfogadhatatlan egy fényképen, mivel lehetetlen még a témát is meghatározni.
Típusok
Gauss zaj
Legfőbb forrásai Gauss zaj a digitális képek során felmerülő megszerzése. Az érzékelőnek a megvilágítás szintje és a saját hőmérséklete miatt sajátos zaja van, és az érzékelőhöz csatlakoztatott elektronikus áramkörök saját részükre injektálják az elektronikus áramkör zaját .
A képzaj tipikus modellje Gauss-féle, additív, független az egyes pixelektől és független a jel intenzitásától, amelyet elsősorban a Johnson – Nyquist zaj (hőzaj) okoz, beleértve azt is, amely a kondenzátorok visszaállítási zajából származik ("kTC zaj"). ). Az erősítő zaj a képérzékelő "olvasási zajának", vagyis a kép sötét területein állandó zajszintnek a fő része. Azokban a színes kamerákban, ahol a kék színű csatornánál nagyobb erősítést használnak, mint a zöld vagy a piros csatornánál, a kék csatornában több zaj lehet. Nagyobb expozíciónál azonban a képérzékelő zajában a lövés zaj dominál, amely nem Gauss-féle és nem független a jel intenzitásától. Sok Gauss denoising algoritmus is létezik.
Sós-borsos zaj
A zsír-farok által elosztott vagy "impulzív" zajt néha só-bors zajnak vagy tüskés zajnak nevezik. A só-bors zajt tartalmazó kép világos képpontja sötét, a sötétben pedig világos. Ez a fajta zaj okozhatja analóg-digitális átalakító hibákat, bithibákat az átvitel során stb. Többnyire kiküszöbölhető a sötét képkockák kivonásával , a medián szűréssel , a kombinált medián és az átlagos szűréssel és a sötét / világos pixelek körüli interpolációval.
Halott pixel egy LCD monitor készítsen egy hasonló, de nem véletlen, kijelző.
Lövés zaj
A képérzékelő képének fényesebb részein a domináns zaj jellemzően a statisztikai kvantumingadozások által okozott zaj, vagyis az adott expozíciós szintnél érzékelt fotonok számának változása. Ez a zaj ismert foton lövés zaj . A lövés zajának átlagos négyzetértéke arányos a kép intenzitásának négyzetgyökével, és a különböző pixelek zajai függetlenek egymástól. A lövés zaj Poisson-eloszlást követ , amely a nagyon magas intenzitási szintek kivételével közelíti meg a Gauss-eloszlást.
A fotonfelvétel zaja mellett további lövészaj lehet a képérzékelő sötét szivárgási áramától; ezt a zajt néha "sötét lövés zajának" vagy "sötét áramú lövés zajának" nevezik. A sötét áramerősség a képérzékelőn belüli "forró pixeleknél" a legnagyobb. A normál és a forró pixel változó sötét töltése levonható (a "sötét képkockák kivonásával"), és csak a szivárgás zajt vagy véletlenszerű komponensét hagyhatja meg. Ha a sötét képkocka kivonása nem történik meg, vagy ha az expozíciós idő elég hosszú ahhoz, hogy a forró pixel töltése meghaladja a lineáris töltési kapacitást, akkor a zaj nem csupán lövés zaj, és a forró képpontok sós-borsos zajként jelennek meg.
Kvantálási zaj (egyenletes zaj)
Az érzékelt kép pixeleinek számos diszkrét szintre történő kvantálásával okozott zajt kvantálási zajnak nevezzük . Körülbelül egységes eloszlású . Bár lehet jelfüggő, független lesz a jeltől, ha más zajforrások elég nagyok ahhoz, hogy ditheringet okozzanak , vagy ha a ditheringet kifejezetten alkalmazzák.
Filmszemcse
A gabona a fényképészeti film egy jel-zaj függő, hasonló statisztikai eloszlás a lövés zaj . Ha a filmszemcsék egyenletesen oszlanak el (területenként azonos a szám), és ha mindegyik szemcse egyenlő és független valószínűséggel sötét ezüstszemcsévé fejlődik a fotonok elnyelése után , akkor az ilyen sötét szemcsék száma egy területen véletlenszerű lesz binomiállal terjesztés . Azokon a területeken, ahol a valószínűség alacsony, ez az eloszlás közel lesz a lövés zajának klasszikus Poisson-eloszlásához . Megfelelően pontos modellként gyakran egy egyszerű Gauss-eloszlást alkalmaznak.
A filmszemcsét általában szinte izotróp (nem orientált) zajforrásnak tekintik . Hatását rontja, hogy az ezüst-halogenid szemcsék eloszlása a filmben szintén véletlenszerű.
Anizotróp zaj
Néhány zajforrás jelentős tájolással jelenik meg a képeken. Például a képérzékelőket néha sorzavar vagy oszlopzaj éri.
Időszakos zaj
A képen a periodikus zaj gyakori forrása a képfelvételi folyamat során bekövetkező elektromos vagy elektromechanikus interferencia. Az időszakos zaj által érintett kép úgy fog kinézni, mintha ismétlődő mintát adtak volna az eredeti kép tetejére. A frekvenciatartományban ez a fajta zaj diszkrét tüskének tekinthető. Ennek a zajnak a csökkentése érhető el, ha bevágási szűrőket alkalmazunk a frekvenciatartományban. Az alábbi képek szemléltetik a periodikus zaj által érintett képet, valamint a zaj csökkentésének eredményét a frekvenciatartomány szűrésével. Ne feledje, hogy a szűrt képen még mindig van némi zaj a határokon. A további szűrés csökkentheti ezt a határzajt, de csökkentheti a kép néhány finom részletét is. A zajcsökkentés és a finom részletek megőrzése közötti kompromisszum alkalmazásfüggő. Például, ha a kastély finom részleteit nem tartják fontosnak, az aluláteresztő szűrés megfelelő megoldás lehet. Ha a kastély apró részleteit fontosnak tartják, akkor életképes megoldás lehet a kép teljes határának levágása.
Digitális fényképezőgépekben
Gyenge megvilágítás esetén a megfelelő expozícióhoz lassú záridő (azaz hosszú expozíciós idő) vagy nyitott rekesz (alacsonyabb f-szám ), vagy mindkettő használata szükséges a rögzített fény mennyiségének (fotonok) növeléséhez, ami viszont csökkenti a fény hatását lövés zaját. Ha elérte az exponálás (mozgás) és a rekesz (mélységélesség) határait, és a kép még mindig nem elég világos, akkor nagyobb erősítést ( ISO érzékenység ) kell használni az olvasási zaj csökkentésére. A legtöbb fényképezőgépnél a lassabb záridő fokozott só-bors zajt eredményez a fotodióda szivárgási áramok miatt . Az olvasási zaj szórásának megduplázódása (az olvasási zaj szórásának 41% -os növekedése) árán ez a só-bors zaj leginkább sötét keret kivonással kiküszöbölhető . Csíkozódás, hasonló árnyék zaj , lehet bevezetni világosodó árnyékok vagy színes egyensúlyt feldolgozás.
Olvasási zaj
A digitális fényképezőgép fotózásakor a beérkező fotonokat ( fényt ) feszültséggé alakítják . Ez a feszültség ezután áthalad a digitális kamera jelfeldolgozó láncán, és egy analóg-digitális átalakító digitalizálja . A jelfeldolgozási lánc bármely feszültségingadozását, amely hozzájárul az analóg és digitális egységek eltéréséhez , a fotonszámmal arányos ideális értéktől, olvasási zajnak nevezzük.
Az érzékelő méretének hatásai
A képérzékelő mérete vagy a pixelérzékelőnkénti tényleges fénygyűjtő terület a legnagyobb meghatározó azoknak a jelszinteknek, amelyek meghatározzák a jel-zaj arányt és ennélfogva a látszólagos zajszintet, feltételezve, hogy a rekesz területe arányos az érzékelő területtel, vagy hogy Az f-szám vagy a fókuszsík megvilágítását állandó értéken tartják. Vagyis konstans f-szám esetén a képérzékenység nagyjából az érzékelő területével skálázódik, így a nagyobb érzékelők általában alacsonyabb zajszintű képeket hoznak létre, mint a kisebb érzékelők. Olyan képek esetén, amelyek elég fényesek ahhoz, hogy a képzaj korlátozott módban legyenek, amikor a képet ugyanolyan méretre méretezik a képernyőn, vagy ugyanolyan méretűre nyomtatják, a pixelszám nemigen különbözteti meg az érzékelhető zajszintet - a zaj elsősorban az érzékelő területéről, nem pedig arról, hogy ez a terület hogyan oszlik pixelekre. Alacsonyabb jelszintű képeknél (magasabb ISO-beállítások), ahol az olvasási zaj (zajszint) jelentős, egy adott érzékelőterületen belül több képpont fog zajosabbá tenni a képet, ha az egy pixelre eső olvasási zaj megegyezik.
Például a Négy Harmadik érzékelő által keltett zajszint ISO 800-nál nagyjából megegyezik az ISO 3200-as teljes képkocka- érzékelő (nagyjából négyszeres területtel) és az 1 / 2,5 "-es kompakt fényképezőgép-érzékelő által keltett zajszinttel (nagyjából 1/16 a terület) ISO 100-nál. Ez a képesség nagyobb elfogadhatóságú képek előállítására nagyobb érzékenység mellett fontos tényező a DSLR fényképezőgépek elfogadásában , amelyek általában nagyobb érzékelőket használnak, mint a kompaktok. 400 kevesebb zajt hoz létre, mint az ISO 100-as point-and-shoot szenzor.
Az érzékelő kitöltési tényezője
A képérzékelőnek külön fotóhelyei vannak, hogy összegyűjtse a fényt egy adott területről. Az érzékelő nem minden területét használják fény gyűjtésére, más áramkörök miatt. Az érzékelő magasabb kitöltési tényezője több fény összegyűjtését eredményezi, ami jobb ISO-teljesítményt tesz lehetővé az érzékelő mérete alapján.
Az érzékelő hője
A hőmérséklet hatással lehet a képérzékelő által a szivárgás miatt keletkező zaj mennyiségére is . Ezt szem előtt tartva ismert, hogy a DSLR-k nyáron nagyobb zajt produkálnak, mint télen.
Zajcsökkentés
A kép egy kép, fénykép vagy bármely jelenet 2D-s ábrázolásának bármely más formája. A képérzékelő adatok képpé konvertálásának algoritmusai a kamerában vagy számítógépen a zajcsökkentés valamilyen formájával járnak . Számos eljárás létezik erre, de mindegyik megkísérli meghatározni, hogy a pixelértékek tényleges különbségei zajnak-e vagy valóságos fényképes részletességnek minősülnek-e, és az előbbit átlagolják, miközben megkísérlik az utóbbiak megőrzését. Ezt az ítéletet azonban egyetlen algoritmus sem tudja tökéletesen meghozni (minden esetre), ezért gyakran zajlik egy kompromisszum a zajeltávolítás és a finom, alacsony kontrasztú részletek megőrzése között, amelyeknek jellemzői lehetnek a zajhoz hasonlóak.
Egyszerű példa az egyértelmű zajcsökkentés lehetetlenségére: a képen egyformán piros területnek nagyon kicsi a fekete része. Ha ez egyetlen pixel, akkor valószínűleg (de nem biztos) hamis és zajos; ha abszolút szabályos formában lefed néhány pixelt, akkor hibát jelenthet a képfelvevő érzékelő pixelcsoportjában (hamis és nem kívánt, de nem szigorúan zaj); ha szabálytalan, akkor valószínűbb, hogy a kép valódi jellemzője. De végleges válasz nem áll rendelkezésre.
Ezt a döntést segítheti a forráskép és az emberi látás jellemzőinek ismerete. A legtöbb zajcsökkentő algoritmus sokkal agresszívabb kroma zajcsökkentést hajt végre, mivel kevés fontos finom kroma részlet van, amelyet elveszíthet. Ezenkívül sok ember szerint a fénysűrűség kevésbé kifogásolható a szem számára, mivel texturált megjelenése utánozza a filmszemcsék megjelenését .
Egy adott kamera nagy érzékenységű képminősége (vagy RAW-fejlesztési munkafolyamat) nagyban függhet a zajcsökkentésre használt algoritmus minőségétől. Mivel a zajszint növekszik az ISO érzékenység növekedésével, a legtöbb fényképezőgép-gyártó nagyobb érzékenység mellett automatikusan növeli a zajcsökkentő agresszivitást. Ez a képminőség romlásához vezet nagyobb érzékenység mellett kétféleképpen: a zajszint emelkedik, és a finom részleteket az agresszívebb zajcsökkentés kisimítja.
Szélsőséges zaj esetén, például nagyon távoli tárgyak csillagászati képei, nem annyira zajcsökkentésről van szó, mint egy kis, sok zajban eltemetett információ kinyeréséről; technikák eltérőek, kis szabályszerűségeket keresnek a tömegesen véletlenszerű adatokban.
Videó zaj
A videóban és a televízióban a zaj arra a véletlenszerű pontmintára utal, amely az elektronikus zaj eredményeként a képre kerül, a „hó”, amely gyenge (analóg) televíziós vételnél vagy VHS-szalagoknál látható. Az interferencia és a statikus zaj más formái, abban az értelemben, hogy nem kívánatosak, bár nem véletlenszerűek, amelyek hatással lehetnek a rádió- és televíziójelekre.
Az MPEG-2 formátumban tömörítési tárgyként kódolt videókon néha előfordul a digitális video zaj
Hasznos zaj
Magas zajszint szinte mindig kívánatos, de vannak olyan esetek, amikor egy bizonyos mennyiségű zaj hasznos, például, hogy megakadályozzák diszkrét leletek (színcsíkok vagy posterization ). Némi zaj növeli az akutanciát (látszólagos élességet) is. Zaj szándékosan hozzáadott ilyen célra az úgynevezett váltakozójelet ; érzékletesen javítja a képet, bár rontja a jel / zaj arányt .
Alacsony és magas ISO zajszintű példák
- Képek egy virágról, ISO 100 és ISO 1600 értéken, Canon 400D digitális fényképezőgéppel. Mindkét képet hasonló megvilágítási körülmények között készítették, csak az ISO beállítást és a záridőt változtatva.
ISO 100, f / 5,6, 1/350 s
(kattintson a képre a nagyobb verzióhoz)
ISO 1600, f / 5,6, 1/4000 s
(kattintson a képre a nagyobb verzióhoz)
Mindkét kép összehasonlítása. Ez az egyes képek 100% -ban megjelenített kis részének a része. A felső részt 100 ISO-n, az alsó részt 1600 ISO-nál lőtték.
Alacsony és magas ISO szintű műszaki vizsga
A digitális kamera képérzékelője rögzített mennyiségű pixelt tartalmaz (amelyek meghatározzák a kamera meghirdetett megapixelét ). Ezeknek a pixeleknek van egy kútmélységük. A pixel kút vödörnek tekinthető.
A digitális fényképezőgép ISO-beállítása az első (és néha egyetlen) felhasználó által beállítható ( analóg ) erősítés beállítása a jelfeldolgozási láncban . Meghatározza a képérzékelő kimeneti feszültségére alkalmazott erősítés mértékét, és közvetlen hatással van az olvasási zajra . A digitális kamerarendszeren belüli összes jelfeldolgozó egység zajszinttel rendelkezik . A jelszint és a zajszint közötti különbség a jel / zaj arány hívása . A magasabb jel / zaj arány jobb minőségű képnek felel meg.
Ragyogó napsütéses körülmények között, lassú zársebesség, széles nyitott rekesz vagy mindhárom kombináció esetén elegendő foton lehet a képérzékelőre, hogy teljesen kitöltse, vagy más módon elérje a pixelkutak kapacitását. Ha túllépik a képpontos üregek kapacitását, ez megegyezik a túlzott expozícióval . Amikor a képpont-kutak csaknem teljes kapacitásúak, maguk a képérzékelőnek kitett fotonok elegendő energiát termelnek a képérzékelő elektronkibocsátásának gerjesztésére és elegendő feszültséget generálnak a képérzékelő kimenetén, ami egyenlő a szükséglet hiányával az ISO erősítéshez (magasabb az ISO érték a kamera alapbeállítása felett). Ez egyenlő egy megfelelő képszinttel (a képérzékelőtől), amelyet átvezetnek a fennmaradó jelfeldolgozó elektronikán, ami magas jel / zaj arányt, vagy alacsony zajszintet, vagy optimális expozíciót eredményez.
Ezzel szemben sötétebb körülmények között, nagyobb zársebességgel, zárt nyílásokkal vagy mindhárom kombinációjával hiányozhat elegendő foton elütése a képérzékelőhöz ahhoz, hogy megfelelő feszültséget generáljon a képérzékelőből a jellánc zajszintjének legyőzéséhez , ami alacsony jel / zaj arányt vagy magas zajt eredményez (túlnyomórészt olvasási zaj). Ilyen körülmények között az ISO erősítés növelése (magasabb ISO beállítás) növeli a kimenő kép képminőségét, mivel az ISO erősítés felerősíti a képérzékelő alacsony feszültségét, és a fennmaradó jelfeldolgozás révén nagyobb jel / zaj arányt generál. elektronika.
Látható, hogy a magasabb (helyesen alkalmazott) ISO-beállítás önmagában nem eredményez magasabb zajszintet, és fordítva: a magasabb ISO-beállítás csökkenti az olvasási zajt. A magasabb ISO-beállításoknál gyakran tapasztalt zajnövekedés a lövés zajának erősítéséből és az aktuális technológia technikai korlátaiból adódó alacsonyabb dinamikatartományból adódik.
Lásd még
Hivatkozások
Külső linkek
- Zaj a dpreview szószedetben
- Kompakt fényképezőgép magas ISO módok: A tények elválasztása a hype-tól
- Nikon D700 zajmérések
- Előadások a képfeldolgozásról , Alan Peters. Vanderbilt Egyetem. Frissítve 2016. január 7.