Цифровой визуальный шум

Похожие статьи:
Визуальным шумом называется эффект зернистости в цифровых фотоаппаратах. По аналогии его можно сравнивать с незначительным шипением аудиоколонок включенных на максимальную громкость. В цифровой фотографии такой шум представляет собой хаотически разбросанные вкрапления на абсолютно ровном фоне. В некоторых случаях это сильно ухудшает качество снимка. В большинстве ситуаций фоновый шум нежелателен, однако, при необходимости придания снимку старомодного вида он просто необходим. Небольшое количество шума ведёт к увеличению ощущения чёткости изображения. Количество шума растёт при повышении светочувствительности фотокамеры, зависит от экспозиции, производителя и модели самой камеры.

Теория



В каждом электронном аппарате, передающем либо принимающем разного рода «сигнал», всегда существует назначенный уровень шума. Например, для телевизора таким «сигналом», будет трансляция телепередач кабелем или принимаемых антенной, а при съёмке на фотокамеру этим сигналом становится свет, попадающий на сенсор камеры. Устранить его невозможно в принципе, просто сила его бывает настолько маленькая, что он практически незаметен. Взаимное соотношение шумов и сигналов (SNR) наглядно показывает количество полезного сигнала в каждом конкретном электронном устройстве. Относительно высокий уровень соотношения указывает на крайне низкий визуальный шум, а при небольшом соотношении уровень шума будет большим. На рисунке, размещённом ниже, показано, каким образом в фотокамеру поступает сигнал вместе с большим количеством шума, кадр с буквами, обозначающими слово «signal» на ровном фоне. Еще одно изображение показывает в двумерном виде, как демонстрируется данный сигнал на фоне значительных шумов.

На представленном рисунке взаимное соотношение между поступающим сигналом и имеющимся шумом достаточно большое и позволяет свободно выделить необходимую информацию, несмотря на фоновый шум. Если уровень SNR недостаточно велик, то уровни шума и «сигнала» примерно одинаковы, различить изображение на картинке удалось бы с большим трудом.
Высокий уровень SNR
Низкий уровень SNR
Высокий уровень SNR
Низкий уровень SNR

Число ISO?



Светочувствительностью ISO которую часто называют «скоростью ISO» обозначают стандарт, описывающий абсолютною чувствительность фотокамеры к количеству света. Значения ISO обычно различаются в два раза, примерами служат ISO 200, ISO 100, ISO 50. Диапазон значений светочувствительности значительно обширнее, чем перечисленный в качестве примера. Число показывает чувствительность к свету в условных единицах, а соотношение разных ISO покажет различие в их уровне чувствительности. В таком случае если снимок произведён с ISO 100, то он требует меньшего времени для экспозиции, как в случае применения ISO 50. Это справедливо только при установке одинаковых параметров в обоих случаях. Светочувствительность ISO похожа на ASA для разных плёнок, при этом камера может делать снимки с разным показателем ISO. Получается это увеличением сигнала в самой фотокамере, но такой путь ведёт к возрастанию шума. Также необходимо знать, что и увеличение ISO ведёт к возрастанию уровня шума.

Виды визуального шума



В фотокамерах возникает три вида шума:

1.  Случайный шум. Он отличается постоянными вибрациями цвета и яркости по отношению к реальному значению. Некоторая часть случайного шума постоянно находится на снимке, при этом его количество зависит от ISO и продолжительности выдержки. На снимке отображение случайного шума изменяется каждый раз даже при идентичных параметрах съёмки.

2.  Структурный шум. Представляет собой так называемые горячие пиксели. Такими считаются пиксели, в которых интенсивность колебаний, значительно выше уровня случайного шума. Структурный шум, появившийся при использовании длительной выдержки, усиливается под влиянием значительной температуры. Уникальность данного шума в его способности при фотографировании в одинаковых условиях (ISO, длина выдержки, температурный режим) располагать горячие пиксели в прежнем порядке.

3.  Линейчатый шум. Его количество зависит в первую очередь от самой фотокамеры и появляется в результате работы и последующей передачи данных с сенсора. Наибольшая заметность линейчатого шума более заметна при высоком ISO или при излишнем освещении объекта съёмки. Одной из причин возрастания линейчатого шума часто становится нарушение баланса белого и находится в зависимости от модели фотокамеры.
Примеры, расположенные внизу указывают на случаи этих видов шумов однородном фоне.
Структурный шум
выдержка длинная
при малом числе ISO
Случайный шум
выдержка короткая
большое число ISO
Линейчатый шум
отдельные камеры,
осветлённая тень.
Наибольшее раздражение вызывает структурный шум. Его удаление не вызывает затруднений, так как он повторяется постоянно. Процессору фотокамеры необходимо только составить шаблон, и в последующем он легко вычитает такой шум, что значительно повышает качество снимка. В современных фотокамерах структурный шум доставляет минимум проблем по сравнению со случайным, но даже небольшое количество заметно сильнее, чем случайный шум.

Удаление малозаметного случайного шума намного труднее осуществить, не испортив при этом качество снимка. Процессор может не заметить разницы между случайным шумом и текстурой с маленькой детализацией, такой как туман или пыль. Очень часто при попытке удаления случайного шума, мелкие текстуры пропадают. Существуют специальные программы, с помощью которых получается понижение шума с сохранением качества снимка.

Характеристики шума



Шумовые характеристики меняются от применения разных модификаций камер, изменения длины выдержки, они могут изменяться в пределах одного снимка. Для фотокамер характерно содержание большого числа шумов в тёмных частях изображения, а в плёнке наоборот.
Изменение интенсивности визуального шума при изменении яркости участков одной и той же фотографии
При возрастании яркости шум становится менее выраженным. Наиболее яркие части отражают больше сигнала, то есть света. Это подразумевает, что при недостаточной экспозиции на снимке будет больше визуального шума, даже с последующим осветлением. При передержке экспозиции значительно сокращается содержание шумов и такой способ оказывается более предпочтителен при условии, что впоследствии их можно затемнить, а области с текстурой не засвечивались практически до полной белизны.

Любой шум делится на две составляющие: яркость и возможные варианты цвета. «Хроматический» шум отличается неестественностью окраски и, если его будет слишком много, то он испортит снимок. На примере, который приведён ниже, демонстрируется шум на сером образце с показом хроматического и яркостного шума по отдельности.
Количество шумов этих типов в большой степени различается в зависимости от модели фотокамеры. При избирательном уменьшении яркостного и хроматического шума используются различные программы для шумоподавления. Но необходимо пользоваться ими с осторожностью, так как, убрав шум, можно получить изображение с непонятной раскраской.

Параметры шумов различаются по амплитуде колебаний и по пространственной частоте, но последняя характеристика часто не слишком значительно влияет на качество изображения. В отношении плёнки раньше использовалось определение «мелкозернистая», обозначавшая шум, проявления которого оказывают влияние на небольших дистанциях. На примере, который приведён ниже, показано изменение типа шумов от воздействия пространственных частот.
Шум низкой частоты
(грубая текстура)
Шум высокой частоты
(тонкая текстура)
Сравнивая эти образцы, по амплитуде их отклонений и учитывая то, что происходит во всех показанных случаях, то видно, что на правом рисунке больше шума. Но при визуальном рассмотрении заметно, что левый более шумный. Это происходит из-за воздействия пространственной частоты шума.

В тех случаях, где решающее значение проявляет пространственная частота, амплитудные колебания всё равно имеют огромное значение. Следующий пример демонстрирует образцы с разным СКО шумом при равных пространственных частотах.
Низкоамплитудный шум
(мягкая текстура)
Высокоамплитудный шум
(жёсткая текстура)
На левом образце изображение кажется значительно глаже, чем на правом. Более значительные отклонения шума могут перекрывать мягкие текстуры, такие как листья и ткань. Удаление такого шума практически невозможно без размыва снимка. Существует специальный статистический термин, который называется «среднеквадратическое отклонение» (СКО). Им обозначают отклонение пикселей от их истинного значения. Данная концепция становится понятна после просмотра гистограммы, показанной ниже.
Гистограмма RGB
Гистограмма RGB
На данной гистограмме при отсутствии образцов шума пиксели должны были расположиться в одну линию, то есть на медиане. Чем больше увеличивается шум, тем шире становится гистограмма. Рассмотрена была гистограмма RGB, но похожие аналогии были бы уместны и для гистограммы по другим параметрам.

Небольшое сравнение типов камер



Очень желательно провести эксперимент с личной фотокамерой и узнать вероятность появления шума от числа выбранных ISO. Далее приводится шумовая характеристика различных фотокамер на типовом образце.
Canon EOS 20D
площадь пикселя: 40 мкм
2
выпущен в 2004
Canon PowerShot A80
площадь пикселя: 9.3 мкм
2
выпущен в 2003
Epson PhotoPC 800
площадь пикселя: 15 мкм
2
выпущен в 1999
Canon EOS 20D
площадь пикселя: 40 мкм
2
выпущен в 2004
Canon PowerShot A80
площадь пикселя: 9.3 мкм
2
выпущен в 2003
Epson PhotoPC 800
площадь пикселя: 15 мкм
2
выпущен в 1999
Canon EOS 20D
площадь пикселя: 40 мкм
2
выпущен в 2004
Canon PowerShot A80
площадь пикселя: 9.3 мкм
2
выпущен в 2003
Epson PhotoPC 800
площадь пикселя: 15 мкм
2
выпущен в 1999
Canon EOS 20D
площадь пикселя: 40 мкм
2
выпущен в 2004
Canon PowerShot A80
площадь пикселя: 9.3 мкм
2
выпущен в 2003
Epson PhotoPC 800
площадь пикселя: 15 мкм
2
выпущен в 1999
Каналы:
(лучшее качество JPEG, баланс белого: дневной свет, стандартная резкость)
Уделяйте внимание различиям, которые обусловлены модификацией фотокамеры, числом ISO и каналом, отвечающим за цветность. Особенностью таких фотоаппаратов с матрицей Байера является то, что наиболее шумным является синий цвет, а зелёный наименее подвержен искажению. А некоторые образцы фирмы Epson выдают такие цветные пятна, что вызывают большее недовольство, чем от колебаний яркости.

Каждый может увидеть, как повышение числа ISO увеличивает уровень шумов в цифровой фотокамере. Но и разница в шумах камер многочисленных производителей и модификаций значительно различается. При большом размере пикселей сенсоры создают наиболее мощный сигнал. Это обусловлено большей способностью улавливанию частиц света. Получается, что фотокамеры с физически большими размерами пикселя оказываются производящими минимум шума, так как он в таких камерах меньше относительной силы сигнала.

Это является одной из причин того, что фотокамеры, имеющие много мегапикселей при равной величине сенсора, будут делать снимки лучшего качества. При этом мощный сигнал не даёт гарантию малого шума. Его количество определяется не наибольшими значениями шумов и сигналов, а их соответствием друг другу. Рассматривая фотокамеру Epson PhotoPC 800, замечаем, что у неё пиксели меньших размеров, чем в фотокамере Canon PowerShot A80, но при числе ISO 400, уровень шума значительно выше. Это получилось потому, что камера Epson начала выпускаться значительно раньше, в ней очень значительная величина внутреннего шума, который вызывается не слишком совершенной электроникой.

15 июля 2015 года
All my creativity
Популярное за месяц:
ГлавнаяБлогФотографияРисование
Copyright © 2015 - 2017 All my creativity
                  О сайте | Контакты

    
Пользовательское соглашение
      Политика конфиденциальности
ПоделкиАнимацияСочинения
Авторский творческий портал
ПоделкиАнимацияСочинения
ГлавнаяБлогФотографияРисование
Четвертая планета от Солнца, с большой буквы:
Комментарии модерируются

Ознакомлен с условиями политики конфиденциальности