El ruido de imagen es una variación aleatoria del brillo o la información de color en las imágenes y, por lo general, es 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 imagen también puede tener su origen en el grano de la película y en el inevitable ruido de disparo de un detector de fotones ideal. El ruido de 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 radios AM causaban ruido acústico audible ("estática"). Por analogía, las fluctuaciones eléctricas no deseadas también se denominan "ruido". [1]
El ruido de una imagen puede ir 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 que se puede extraer una pequeña cantidad de información mediante un procesamiento sofisticado. Un nivel de ruido de este tipo 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 un ruido inherente debido al nivel de iluminación y a su propia temperatura, y los circuitos electrónicos conectados al sensor inyectan su propia cuota de ruido de 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 capacitores ("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 áreas oscuras de la imagen. [4] En las cámaras a 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 de 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 de cola gorda o "impulsivo" 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 regiones brillantes y píxeles brillantes en 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] Se puede eliminar principalmente mediante el uso de sustracción de cuadros oscuros , filtrado de mediana , filtrado combinado de mediana y media [11] e interpolación alrededor de píxeles oscuros/brillantes.
Los píxeles muertos en un monitor LCD producen una imagen similar, pero no aleatoria. [12]
El ruido dominante en las partes más brillantes de una imagen de un sensor de imagen es típicamente el causado por fluctuaciones cuánticas estadísticas, es decir, variación en el número de fotones detectados en un nivel de exposición dado. 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 una gran intensidad de imagen. 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 entre sí.
Además del ruido de disparo de fotones, puede haber ruido de disparo adicional proveniente de 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 "sustracción de marco oscuro"), dejando solo el ruido de disparo, o componente aleatorio, de la fuga. [14] [15] Si no se realiza la sustracción de marco oscuro, o si el tiempo de exposición es lo suficientemente largo como para que la carga del píxel caliente exceda la capacidad de carga lineal, el ruido será más que solo ruido de disparo, y los píxeles calientes aparecen como ruido de sal y pimienta.
El ruido causado por la cuantificación de los píxeles de una imagen detectada en una serie de 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 tramado , o si el tramado se aplica explícitamente. [10]
El grano de la película fotográfica es un ruido dependiente de la señal, con una distribución estadística similar al ruido de disparo . [16] Si los granos de la película están distribuidos uniformemente (igual número por área), y si cada grano tiene una probabilidad igual e independiente de desarrollarse 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. Una distribución gaussiana simple se usa a menudo como un modelo adecuadamente preciso. [10]
El grano de la película suele considerarse una fuente de ruido casi isotrópica (no orientada). Su efecto se ve agravado por la distribución aleatoria de los granos de haluro de plata en la película. [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 ruido 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 repetitivo sobre la imagen original. En el dominio de la frecuencia, este tipo de ruido se puede ver 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 utilizando el filtrado del dominio de la frecuencia. Tenga en cuenta que la imagen filtrada aún tiene algo de ruido en los bordes. Un filtrado adicional podría reducir este ruido en los bordes, sin embargo, también puede reducir algunos de los detalles finos de la imagen. La compensación entre la reducción de ruido y la preservación de los detalles finos es específica 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.
Con 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 ambos, para aumentar la cantidad de luz (fotones) capturada, lo que a su vez reduce el impacto del ruido de 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, las velocidades de obturación más lentas provocan un mayor ruido de sal y pimienta debido a las corrientes de fuga del fotodiodo . A costa de duplicar la varianza del ruido de lectura (aumento del 41% en la desviación estándar del ruido de lectura), este ruido de sal y pimienta se puede eliminar en su mayor parte mediante la sustracción del marco oscuro . El ruido de bandas, similar al ruido de sombra , se puede introducir mediante el aclarado de sombras o mediante el procesamiento del balance de color. [19]
En la fotografía digital, los fotones entrantes se convierten en una carga en forma de electrones. Luego, este voltaje pasa por la cadena de procesamiento de señales de la cámara digital y se digitaliza mediante un convertidor analógico a digital . Cualquier fluctuación de voltaje en la cadena de procesamiento de señales que contribuya a la desviación del valor ideal, proporcional al recuento de fotones, se denomina ruido de lectura. [20]
La cantidad de luz recogida por 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 lo tanto, los niveles de ruido aparente.
El número f es indicativo de la densidad de luz en el plano focal (por ejemplo, fotones por micrón cuadrado). Con números f constantes, a medida que aumenta la distancia focal , aumenta el diámetro de apertura del objetivo y el objetivo recoge más luz del sujeto. Como la distancia focal necesaria 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 recogida es aproximadamente proporcional al área del sensor, lo que da como resultado una mejor relación señal/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 limitado de ruido de disparo, cuando la imagen se escala al mismo tamaño en la pantalla, o se imprime al mismo tamaño, el recuento de píxeles tiene poca influencia en los niveles de ruido perceptibles: el ruido depende principalmente de la luz total sobre 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 (piso de ruido) es significativo, más píxeles dentro de un área determinada del sensor 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 Cuatro Tercios a ISO 800 es aproximadamente equivalente al producido por un sensor de fotograma completo (con aproximadamente cuatro veces el área) a 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 el mismo ajuste ISO para una escena dada a la misma velocidad de obturación y el mismo número f, lo que resulta en sustancialmente menos ruido con la cámara de fotograma completo. Por el contrario, si todas las cámaras usaran lentes con el mismo diámetro de apertura, los ajustes ISO serían diferentes en las cámaras, pero los niveles de ruido serían aproximadamente equivalentes. [21]
El sensor de imagen tiene fotositios 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 recolecte más luz, lo que permite un mejor rendimiento ISO en función del tamaño del sensor. [22]
La temperatura también puede tener un efecto sobre la cantidad de ruido producido por un sensor de imagen debido a fugas. 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 los 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] Hay muchos procedimientos para esto, pero todos intentan determinar si las diferencias reales en los valores de los 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 se hace 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: una zona de color rojo uniforme en una imagen puede tener una parte negra muy pequeña. Si se trata de un único píxel, es probable (pero no seguro) que sea espurio y ruido; si cubre unos pocos píxeles con una forma absolutamente regular, puede ser un defecto en un grupo de píxeles del sensor que toma la imagen (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 ser facilitada por el conocimiento de las características de la imagen de origen y de la visión humana. La mayoría de los algoritmos de reducción de ruido realizan una reducción de ruido cromático mucho más agresiva, ya que hay pocos detalles cromáticos finos importantes que se puedan perder. Además, muchas personas encuentran el ruido de luminancia menos desagradable para 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 el flujo de trabajo de revelado 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 a sensibilidades más altas. Esto conduce a una degradación de la calidad de imagen a sensibilidades más altas de dos maneras: los niveles de ruido aumentan y los detalles finos se suavizan mediante la reducción de ruido más agresiva.
En casos de ruido extremo, como imágenes astronómicas de objetos muy distantes, no se trata tanto de reducir el ruido como de extraer un poco de información enterrada en mucho ruido; las técnicas son diferentes y buscan pequeñas regularidades en datos masivamente aleatorios.
En el campo del vídeo y la televisión , el ruido se refiere al patrón aleatorio de puntos que se superpone a la imagen como resultado del ruido electrónico, la "nieve" que se ve en una mala recepción de televisión (analógica) o en las cintas VHS. La interferencia y la estática son otras formas de ruido, en el sentido de que son indeseables, aunque no aleatorias, y pueden afectar a las señales de radio y televisión.
El ruido digital a veces está presente en los vídeos codificados en formato MPEG-2 como un artefacto de compresión .
Los niveles altos 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 ). Algunos ruidos también aumentan la acutancia (nitidez aparente). El ruido agregado deliberadamente para tales fines se denomina dither ; mejora la imagen perceptualmente, 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 denomina una profundidad de pozo. [26] El pozo de píxeles puede considerarse como un cubo. [27]
El ajuste ISO de una cámara digital es el primer (y a veces el único) ajuste de ganancia ( analógico ) ajustable por el usuario en la cadena de procesamiento de señales . Determina la cantidad de ganancia aplicada a la salida de voltaje del sensor de imagen y tiene un efecto directo en el ruido de lectura. Todas las unidades de procesamiento de señales dentro de un sistema de cámara digital tienen un nivel de ruido mínimo . La diferencia entre el nivel de señal y el nivel de ruido mínimo 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 muy abierta o alguna combinación de las tres, puede haber suficientes fotones que lleguen al sensor de imagen para llenar 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 fotones mismos que han sido expuestos al sensor de imagen, generan suficiente energía para excitar la emisión de electrones en el sensor de imagen y generar suficiente voltaje en la salida del sensor de imagen, [20] lo que equivale a una 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 la electrónica de procesamiento de señal restante, lo que da como resultado una alta relación señal-ruido, o bajo ruido, o 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 suficientes fotones que lleguen al sensor de imagen para generar un voltaje adecuado desde el sensor de imagen para superar el nivel de ruido de la cadena de señales, lo que da como resultado una baja relación señal-ruido o un alto nivel de ruido (predominantemente ruido de lectura). En estas condiciones, aumentar la ganancia ISO (ajuste ISO más alto) 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 mayor relación señal-ruido a través de la electrónica de procesamiento de señales restante.
Se puede observar que un ajuste ISO más alto (aplicado correctamente) no genera, por sí mismo, un mayor nivel de ruido y, a la inversa, un ajuste ISO más alto reduce el ruido de lectura. El aumento de ruido que se suele encontrar al utilizar un ajuste ISO más alto es el resultado de la amplificación del ruido de disparo y de un rango dinámico más bajo como resultado de las limitaciones técnicas de la tecnología actual.
