Zgomot de imagine digitală
Zgomotul digital este un defect de imagine ( zgomot ) introdus de fotosenzorii și electronicele dispozitivelor care le folosesc ( cameră digitală , camere de televiziune/video, etc.) din cauza imperfecțiunii tehnologiilor, precum și a naturii fotonice a luminii.
Fenomen
Zgomotul digital este vizibil în imagine ca o mască suprapusă de pixeli de culoare și luminozitate aleatoare.
La camerele cu o matrice de filtre de culoare (majoritatea camerelor digitale aparțin acestui tip), zgomotul de culoare are de obicei granule vizuale mai mari decât pixelii din imagini. Acesta este un efect secundar al algoritmului de imagine color.
Pentru sistemele cu trei matrice sau o matrice fără filtru, zgomotul va fi mai fin.
Într-o imagine color, zgomotul poate avea intensitate diferită pentru diferitele canale ale imaginii. Acest lucru îl colorează vizual. Zgomotul dintr-o fotografie realizată la lumină incandescentă are nuanțe predominant galben-albastru, mai degrabă decât verde-violet. Cert este că, deși inițial toți pixelii sunt la fel de sensibili la zgomot, după aplicarea balansului de alb, canalul albastru al imaginii și, în consecință, zgomotul din acesta crește mai puternic.
Zgomotul este vizibil în zonele solide și mai ales în zonele întunecate ale imaginii.
Așa cum este obișnuit în electronică , se vorbește de obicei despre raportul semnal-zgomot . Puteți compara vizual zgomotul diferitelor matrice după cum urmează: aduceți două fotografii de testare pereche la aceeași dimensiune și aceeași luminozitate, apoi evaluați vizual zgomotul de culoare.
Uneori, zgomotul digital este identificat cu fenomene ale fotografiei obișnuite (chimice), cum ar fi granulația filmului și ceața fotografică .
Reducere digitală a zgomotului
Există tot felul de moduri de a suprima zgomotul digital la nivelul senzorului, căilor camerelor digitale și procesării digitale ulterioare.
La nivelul senzorului, se folosesc pixeli mai mari și microlentile mai strânse. De asemenea, puteți folosi filtre de culoare care lasă să intre un procent mai mare de lumină. Această din urmă metodă poate afecta negativ calitatea culorii camerei.
Utilizarea amplificatoarelor de calitate superioară și a ADC -urilor mai mari reduce, de asemenea, evident zgomotul. Uneori (de exemplu, în astrofotografie) matricea este răcită.
Suprimarea zgomotului stocastic digital în timpul post-procesării se realizează prin medierea luminozității unui pixel pe un anumit grup de pixeli, pe care algoritmul îl consideră „similar”. De obicei, acest lucru înrăutățește detaliile imaginii, devine mai „săpunoasă”. În plus, pot apărea detalii false care nu erau în scena originală. De exemplu, dacă algoritmul caută pixeli „similari” nu suficient de departe, atunci zgomotul cu granulație fină și cu granulație medie poate fi suprimat, în timp ce zgomotul „grund” slab, dar destul de vizibil, rămâne vizibil.
Cauzele zgomotului digital
Raportul semnal-zgomot este afectat de zgomotul electronicei analogice a unei camere digitale („conducte”, amplificatoare, ADC ), dar principala sursă de zgomot digital este fotosenzorul . Zgomotul digital din fotosenzor apare din următoarele motive.
- Defectele (impurități, etc.) ale barierei potențiale provoacă scurgerea sarcinii generate în timpul expunerii - așa-numita. defect negru. Astfel de defecte sunt vizibile pe un fundal deschis sub formă de puncte întunecate.
- ( Engleză Dark current - Dark current) - este o consecință dăunătoare a emisiei termoionice și a efectului de „tunel” și are loc în senzor atunci când un potențial este aplicat electrodului, sub care se formează un put de potențial . Acest curent se numește „întunecat” deoarece este format din electroni care cad în puț în absența unui flux de lumină. Astfel de defecte sunt vizibile pe un fundal întunecat sub formă de puncte strălucitoare, așa-numitele. defect alb. Defectele albe sunt deosebit de pronunțate la expuneri lungi. Principalul motiv pentru apariția curentului de întuneric este impuritățile din placa de siliciu sau deteriorarea rețelei cristaline de siliciu . Cu cât siliciul este mai pur, cu atât curentul de întuneric este mai mic. Curentul de întuneric este influențat de temperatura elementelor camerei, a capturilor electromagnetice, atât externe cât și interne, din camera în sine. Odată cu creșterea temperaturii cu 6-8 grade, valoarea curentului de întuneric se dublează.
- Datorită zgomotului care apare datorită naturii stocastice a interacțiunii fotonilor de lumină cu atomii din materialul fotodiodelor senzorului. Când un foton se mișcă în interiorul rețelei cristaline de siliciu , este probabil ca fotonul, care a „lovit” în atomul de siliciu, să scoată un electron din acesta, dând naștere unei perechi electron-gaură, dar pentru a spune exact câți fotoni. va da naștere perechi, iar câte vor dispărea cu alte efecte, este interzis. Semnalul electric preluat de la senzor va corespunde numărului de cupluri născute. Semnalul preluat de la senzor la o anumită viteză a obturatorului și deschidere (intensitatea luminii) va determina eficiența cuantică - numărul mediu de perechi electron-gaură generate.
- Datorită prezenței pixelilor defecte (nefuncționează) care apar în timpul producției de fotosenzori (imperfecțiunea tehnologiei) și sunt întotdeauna în același loc. Pentru a elimina impactul lor negativ, se folosesc metode matematice de interpolare, atunci când în locul unui element defect este „înlocuit” fie doar un element învecinat, fie o medie a elementelor adiacente, fie o valoare calculată într-un mod mai complex. Desigur, valoarea calculată diferă de valoarea reală și degradează claritatea imaginii finale. Același defect este introdus prin interpolare, care corectează imaginea finală, atunci când se utilizează filtrul Bayer .
Ce afectează cantitatea de zgomot digital
- Densitatea elementelor - dimensiunea fotodiodei de pe cip depinde de tehnologie. Conform tehnologiei CCD , pixelul are mai puține elemente de „legare” decât în conformitate cu tehnologia CMOS și o zonă mai mare a senzorului este destinată lentilei fotodiodei. Acest lucru este valabil mai ales pentru senzorii mici. Cu aceleași dimensiuni fizice ale senzorului, un senzor cu o rezoluție mai mare are o zonă activă mai mică a fiecărei fotodiode. Lentilele fotodiode mai mici primesc mai puțină lumină, potențialele mai mici sunt citite de la fotodiodă și este necesară o mai mare amplificare a semnalului analogic înainte de digitizare. Rezultatul este mai mult zgomot și un raport semnal-zgomot mai mic. Dar această afirmație este adevărată numai dacă tehnologia de fabricație a matricei rămâne neschimbată. Noile matrici pot conține elemente mai puțin zgomotoase și, în consecință, puteți fie să creșteți rezoluția menținând nivelul de zgomot, fie să mențineți rezoluția, dar să reduceți zgomotul. Momentan, producatorii prefera varianta mentinerii nivelului de zgomot si cresterii rezolutiei.
- Timpul de expunere . Curentul întunecat al fotodiodei la expuneri lungi degradează foarte mult raportul semnal-zgomot. Cu cât timpul de expunere este mai lung (cu o cantitate egală de lumină care lovește matricea), cu atât zgomotul termic al tranzistorilor electronici este mai mare și raportul semnal-zgomot este mai rău.
Vezi și
Note