El ruido de la imagen es una variación aleatoria del brillo o la información del color de las imágenes y suele ser un aspecto del ruido electrónico . Puede ser producido por el sensor de imagen y los circuitos de un escáner o una cámara digital . El ruido de la imagen también puede originarse en el grano de la película y en el inevitable ruido de disparo de un detector de fotones ideal. El ruido de la imagen es un subproducto indeseable de la captura de imágenes que oscurece la información deseada. Normalmente, el término "ruido de imagen" se utiliza para referirse al ruido en imágenes 2D, no en imágenes 3D.
El significado original de "ruido" era "señal no deseada"; Las fluctuaciones eléctricas no deseadas en las señales recibidas por las radios AM provocaron un ruido acústico audible ("estático"). Por analogía, las fluctuaciones eléctricas no deseadas también se denominan "ruido". [1]
El ruido de la imagen puede variar desde motas casi imperceptibles en una fotografía digital tomada con buena luz, hasta imágenes ópticas y radioastronómicas que son casi en su totalidad ruido, de las cuales se puede derivar una pequeña cantidad de información mediante un procesamiento sofisticado. Un nivel de ruido así sería inaceptable en una fotografía, ya que sería imposible incluso determinar el sujeto.
Las principales fuentes de ruido gaussiano en imágenes digitales surgen durante la adquisición. El sensor tiene ruido inherente debido al nivel de iluminación y su propia temperatura, y los circuitos electrónicos conectados al sensor inyectan su propia parte de ruido del circuito electrónico . [2]
Un modelo típico de ruido de imagen es gaussiano, aditivo, independiente en cada píxel e independiente de la intensidad de la señal, causado principalmente por el ruido de Johnson-Nyquist (ruido térmico), incluido el que proviene del ruido de reinicio de los condensadores ("ruido kTC"). ). [3] El ruido del amplificador es una parte importante del "ruido de lectura" de un sensor de imagen, es decir, del nivel de ruido constante en las zonas oscuras de la imagen. [4] En cámaras en color donde se utiliza más amplificación en el canal de color azul que en el canal verde o rojo, puede haber más ruido en el canal azul. [5] Sin embargo, en exposiciones más altas, el ruido del sensor de imagen está dominado por el ruido del disparo, que no es gaussiano y no es independiente de la intensidad de la señal. Además, existen muchos algoritmos de eliminación de ruido gaussianos. [6]
El ruido distribuido o "impulsivo" de cola gruesa a veces se denomina ruido de sal y pimienta o ruido de pico. [7] Una imagen que contiene ruido de sal y pimienta tendrá píxeles oscuros en las regiones brillantes y píxeles brillantes en las regiones oscuras. [8] Este tipo de ruido puede ser causado por errores del convertidor analógico a digital , errores de bits en la transmisión, etc. [9] [10] Puede eliminarse principalmente mediante el uso de resta de cuadros oscuros , filtrado de mediana , mediana y media combinadas. filtrar [11] e interpolar alrededor de píxeles oscuros/brillantes.
Los píxeles muertos en un monitor LCD producen una visualización similar, pero no aleatoria. [12]
El ruido dominante en las partes más brillantes de una imagen procedente de un sensor de imagen suele ser el causado por fluctuaciones cuánticas estadísticas, es decir, la variación en el número de fotones detectados en un nivel de exposición determinado. Este ruido se conoce como ruido de disparo de fotones . [5] El ruido de disparo sigue una distribución de Poisson , que puede aproximarse mediante una distribución gaussiana para imágenes de gran intensidad. El ruido de disparo tiene una desviación estándar proporcional a la raíz cuadrada de la intensidad de la imagen y el ruido en diferentes píxeles es independiente uno del otro.
Además del ruido de disparo de fotones, puede haber ruido de disparo adicional debido a la corriente de fuga oscura en el sensor de imagen; este ruido a veces se conoce como "ruido de disparo oscuro" [5] o "ruido de disparo de corriente oscura". [13] La corriente oscura es mayor en los "píxeles calientes" dentro del sensor de imagen. La carga oscura variable de los píxeles normales y calientes se puede restar (usando la "resta de fotogramas oscuros"), dejando sólo el ruido de disparo, o componente aleatorio, de la fuga. [14] [15] Si no se realiza la sustracción de fotogramas oscuros, o si el tiempo de exposición es lo suficientemente largo como para que la carga de los píxeles calientes exceda la capacidad de carga lineal, el ruido será más que solo ruido de disparo y los píxeles calientes aparecerán como sal. Ruido de pimienta.
El ruido causado por la cuantificación de los píxeles de una imagen detectada en varios niveles discretos se conoce como ruido de cuantificación . Tiene una distribución aproximadamente uniforme . Aunque puede depender de la señal, será independiente de la señal si otras fuentes de ruido son lo suficientemente grandes como para causar dithering , o si el dithering se aplica explícitamente. [10]
El grano de la película fotográfica es un ruido dependiente de la señal, con una distribución estadística similar al ruido del disparo . [16] Si los granos de la película están distribuidos uniformemente (el mismo número por área), y si cada grano tiene una probabilidad igual e independiente de desarrollarse hasta convertirse en un grano plateado oscuro después de absorber fotones , entonces el número de dichos granos oscuros en un área será aleatorio. con una distribución binomial . En áreas donde la probabilidad es baja, esta distribución será cercana a la distribución clásica de Poisson del ruido de disparo. A menudo se utiliza una distribución gaussiana simple como modelo suficientemente preciso. [10]
El grano de la película suele considerarse una fuente de ruido casi isotrópica (no orientada). Su efecto se ve agravado por el hecho de que la distribución de los granos de haluro de plata en la película también es aleatoria. [17]
Algunas fuentes de ruido aparecen con una orientación significativa en las imágenes. Por ejemplo, los sensores de imagen a veces están sujetos a ruido de fila o de columna. [18]
Una fuente común de ruido periódico en una imagen es la interferencia eléctrica durante el proceso de captura de la imagen. [7] Una imagen afectada por ruido periódico se verá como si se hubiera agregado un patrón repetido encima de la imagen original. En el dominio de la frecuencia, este tipo de ruido puede verse como picos discretos. Se puede lograr una reducción significativa de este ruido aplicando filtros de muesca en el dominio de la frecuencia. [7] Las siguientes imágenes ilustran una imagen afectada por ruido periódico y el resultado de reducir el ruido mediante filtrado en el dominio de la frecuencia. Tenga en cuenta que la imagen filtrada todavía tiene algo de ruido en los bordes. Un filtrado adicional podría reducir este ruido de borde, aunque también puede reducir algunos de los detalles finos de la imagen. El equilibrio entre la reducción del ruido y la preservación de los detalles finos es específico de la aplicación. Por ejemplo, si los detalles finos del castillo no se consideran importantes, el filtrado de paso bajo podría ser una opción adecuada. Si los detalles finos del castillo se consideran importantes, una solución viable puede ser recortar el borde de la imagen por completo.
En condiciones de poca luz, la exposición correcta requiere el uso de una velocidad de obturación lenta (es decir, un tiempo de exposición prolongado) o una apertura abierta ( número f más bajo ), o ambas, para aumentar la cantidad de luz (fotones) capturada, lo que a su vez reduce el impacto de la luz. disparo . Si se han alcanzado los límites de obturación (movimiento) y apertura (profundidad de campo) y la imagen resultante aún no es lo suficientemente brillante, entonces se debe utilizar una ganancia más alta ( sensibilidad ISO ) para reducir el ruido de lectura. En la mayoría de las cámaras, velocidades de obturación más lentas provocan un aumento del ruido entrecortado debido a las corrientes de fuga de los fotodiodos . A costa de duplicar la variación del ruido de lectura (aumento del 41 % en la desviación estándar del ruido de lectura), este ruido entrecortado se puede eliminar en su mayor parte mediante la resta de fotogramas oscuros . El ruido de bandas, similar al ruido de las sombras , se puede introducir iluminando las sombras o mediante el procesamiento del equilibrio de color. [19]
En la fotografía digital, los fotones entrantes se convierten en una carga en forma de electrones. Este voltaje luego pasa a través de la cadena de procesamiento de señal de la cámara digital y es digitalizado por un convertidor analógico a digital . Cualquier fluctuación de voltaje en la cadena de procesamiento de señales que contribuya a una desviación del valor ideal, proporcional al recuento de fotones, se denomina ruido de lectura. [20]
La cantidad de luz recogida en todo el sensor durante la exposición es el mayor determinante de los niveles de señal que determinan la relación señal-ruido para el ruido de disparo y, por tanto, los niveles de ruido aparente. Es importante señalar que el número f es indicativo de la densidad de la luz en el plano focal (por ejemplo, fotones por micra cuadrada). Con números f constantes, a medida que aumenta la distancia focal , aumenta el diámetro de apertura de la lente y la lente capta más luz del sujeto. Como la distancia focal requerida para capturar una escena en un ángulo de visión específico es aproximadamente proporcional al ancho del sensor, con un número f constante la cantidad de luz recolectada es aproximadamente proporcional al área del sensor, lo que resulta en una mejor señal. Relación ruido para sensores más grandes. Con diámetros de apertura constantes, la cantidad de luz recogida es independiente del tamaño del sensor y la relación señal-ruido para el ruido de disparo es independiente del tamaño del sensor. En el caso de imágenes lo suficientemente brillantes como para estar en el régimen de ruido limitado de la toma, cuando la imagen se escala al mismo tamaño en la pantalla o se imprime al mismo tamaño, el recuento de píxeles hace poca diferencia en los niveles de ruido perceptibles; el ruido depende principalmente. de la luz total en toda el área del sensor, no de cómo se divide esta área en píxeles. Para imágenes con niveles de señal más bajos (configuraciones ISO más altas), donde el ruido de lectura (ruido mínimo) es significativo, más píxeles dentro de un área de sensor determinada harán que la imagen sea más ruidosa si el ruido de lectura por píxel es el mismo.
Por ejemplo, el nivel de ruido producido por un sensor Four Thirds en ISO 800 es aproximadamente equivalente al producido por un sensor de fotograma completo (con aproximadamente cuatro veces el área) en ISO 3200 y al producido por un sensor de cámara compacta de 1/2,5". (con aproximadamente 1/16 del área) a ISO 100. Todas las cámaras tendrán aproximadamente la misma configuración ISO para una escena determinada con la misma velocidad de obturación y el mismo número f, lo que resultará en mucho menos ruido con la cámara de fotograma completo. , si todas las cámaras usaran lentes con el mismo diámetro de apertura, los ajustes ISO serían diferentes entre las cámaras, pero los niveles de ruido serían aproximadamente equivalentes. [21]
El sensor de imagen tiene fotositos individuales para recolectar luz de un área determinada. No todas las áreas del sensor se utilizan para recolectar luz debido a otros circuitos. Un factor de llenado más alto de un sensor hace que se recopile más luz, lo que permite un mejor rendimiento ISO según el tamaño del sensor. [22]
La temperatura también puede afectar la cantidad de ruido producido por un sensor de imagen debido a una fuga. Teniendo esto en cuenta, se sabe que las DSLR producirán más ruido durante el verano que en invierno. [14]
Una imagen es una imagen, fotografía o cualquier otra forma de representación 2D de cualquier escena. [23] La mayoría de los algoritmos para convertir datos del sensor de imagen en una imagen, ya sea en la cámara o en una computadora, implican alguna forma de reducción de ruido . [24] [25] Existen muchos procedimientos para esto, pero todos intentan determinar si las diferencias reales en los valores de píxeles constituyen ruido o detalles fotográficos reales, y promedian el primero mientras intentan preservar el segundo. Sin embargo, ningún algoritmo puede hacer este juicio a la perfección (para todos los casos), por lo que a menudo hay un equilibrio entre la eliminación del ruido y la preservación de detalles finos y de bajo contraste que pueden tener características similares al ruido.
Un ejemplo simplificado de la imposibilidad de una reducción de ruido inequívoca: un área de rojo uniforme en una imagen puede tener una parte negra muy pequeña. Si se trata de un solo píxel, es probable (pero no seguro) que sea espurio y ruido; si cubre unos pocos píxeles de forma absolutamente regular, puede tratarse de un defecto en un grupo de píxeles del sensor de toma de imágenes (espurio y no deseado, pero no estrictamente ruido); si es irregular, es más probable que sea una característica real de la imagen. Pero no hay una respuesta definitiva disponible.
Esta decisión puede ayudarse conociendo las características de la imagen fuente y de la visión humana. La mayoría de los algoritmos de reducción de ruido realizan una reducción del ruido cromático mucho más agresiva, ya que hay pocos detalles cromáticos finos importantes que uno corre el riesgo de perder. Además, muchas personas encuentran que el ruido de luminancia es menos desagradable a la vista, ya que su apariencia texturizada imita la apariencia del grano de la película .
La calidad de imagen de alta sensibilidad de una cámara determinada (o del flujo de trabajo de desarrollo RAW) puede depender en gran medida de la calidad del algoritmo utilizado para la reducción de ruido. Dado que los niveles de ruido aumentan a medida que aumenta la sensibilidad ISO, la mayoría de los fabricantes de cámaras aumentan automáticamente la agresividad de la reducción de ruido en sensibilidades más altas. Esto conduce a una degradación de la calidad de la imagen a sensibilidades más altas de dos maneras: los niveles de ruido aumentan y los detalles finos se suavizan gracias a una reducción de ruido más agresiva.
En casos de ruido extremo, como imágenes astronómicas de objetos muy lejanos, no se trata tanto de reducir el ruido como de extraer un poco de información enterrada en mucho ruido; Las técnicas son diferentes, buscando pequeñas regularidades en datos masivamente aleatorios.
En vídeo y televisión , el ruido se refiere al patrón de puntos aleatorio que se superpone a la imagen como resultado del ruido electrónico, la "nieve" que se ve con una mala recepción de televisión (analógica) o en cintas VHS. La interferencia y la estática son otras formas de ruido, en el sentido de que son no deseados, aunque no aleatorios, y pueden afectar las señales de radio y televisión.
A veces, el ruido digital está presente en vídeos codificados en formato MPEG-2 como un artefacto de compresión .
Los altos niveles de ruido casi siempre son indeseables, pero hay casos en los que una cierta cantidad de ruido es útil, por ejemplo para evitar artefactos de discretización (bandas de color o posterización ). Algo de ruido también aumenta la acutancia (nitidez aparente). El ruido añadido intencionadamente para tales fines se denomina tramado ; Mejora la percepción de la imagen, aunque degrada la relación señal-ruido .
Un sensor de imagen en una cámara digital contiene una cantidad fija de píxeles (que definen los megapíxeles anunciados de la cámara). Estos píxeles tienen lo que se llama una profundidad de pozo. [26] El pozo de píxeles se puede considerar como un cubo. [27]
La configuración ISO en una cámara digital es la primera (y a veces única) configuración de ganancia ( analógica ) ajustable por el usuario en la cadena de procesamiento de señal . Determina la cantidad de ganancia aplicada a la salida de voltaje del sensor de imagen y tiene un efecto directo sobre el ruido de lectura. Todas las unidades de procesamiento de señales dentro de un sistema de cámara digital tienen un nivel de ruido . La diferencia entre el nivel de la señal y el ruido de fondo se denomina relación señal-ruido . Una relación señal-ruido más alta equivale a una imagen de mejor calidad. [28]
En condiciones de mucho sol, una velocidad de obturación lenta, una apertura amplia o alguna combinación de las tres, puede haber suficientes fotones que lleguen al sensor de imagen para llenarlo por completo o, de lo contrario, alcanzar casi la capacidad de los pozos de píxeles. Si se excede la capacidad de los pozos de píxeles, esto equivale a una sobreexposición . Cuando los pozos de píxeles están cerca de su capacidad, los propios fotones que han sido expuestos al sensor de imagen generan suficiente energía para excitar la emisión de electrones en el sensor de imagen y generan suficiente voltaje en la salida del sensor de imagen, [20] lo que equivale a un falta de necesidad de ganancia ISO (ISO más alto por encima de la configuración base de la cámara). Esto equivale a un nivel de señal suficiente (del sensor de imagen) que pasa a través de los componentes electrónicos de procesamiento de señales restantes, lo que da como resultado una relación señal-ruido alta, un ruido bajo o una exposición óptima.
Por el contrario, en condiciones más oscuras, velocidades de obturación más rápidas, aperturas cerradas o alguna combinación de las tres, puede haber una falta de fotones suficientes que lleguen al sensor de imagen para generar un voltaje adecuado desde el sensor de imagen para superar el ruido de fondo de la cadena de señal. , lo que da como resultado una relación señal-ruido baja o un ruido alto (predominantemente ruido de lectura). En estas condiciones, aumentar la ganancia ISO (configuración ISO más alta) aumentará la calidad de la imagen de salida, [29] ya que la ganancia ISO amplificará el bajo voltaje del sensor de imagen y generará una relación señal-ruido más alta a través del resto de la electrónica de procesamiento de señales.
Se puede ver que una configuración ISO más alta (aplicada correctamente) no genera, por sí sola, un nivel de ruido más alto y, a la inversa, una configuración ISO más alta reduce el ruido de lectura. El aumento de ruido que se encuentra a menudo al utilizar una configuración ISO más alta es el resultado de la amplificación del ruido de disparo y un rango dinámico más bajo como resultado de las limitaciones técnicas de la tecnología actual.
