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Ruido de imagen

Ruido visible en una imagen de una cámara digital El ruido de imagen es una variación aleatoria de la información de brillo o color en las imágenes . Puede originarse en el gran...

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Ruido visible en una imagen de una cámara digital

El ruido de imagen es una variación aleatoria de la información de brillo o color en las imágenes . Puede originarse en el grano de la película y en el ruido de disparo inevitable de un detector de fotones ideal. En la fotografía digital, suele ser un aspecto del ruido electrónico , producido por el sensor de imagen de una cámara digital . Los circuitos de un escáner también pueden contribuir a este efecto. El ruido de imagen suele ser (aunque no necesariamente) un subproducto indeseado de la captura de imágenes que oculta 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 causaban ruido acústico audible ("estática"). Por analogía, las fluctuaciones eléctricas no deseadas también se denominan "ruido". [ 1 ]

El ruido en las imágenes puede variar desde motas casi imperceptibles en una fotografía digital tomada con buena iluminación, hasta imágenes ópticas y radioastronómicas que son prácticamente solo ruido, del cual se puede extraer una pequeña cantidad de información mediante un procesamiento sofisticado. Un nivel de ruido así sería inaceptable en una fotografía, ya que incluso sería imposible determinar el sujeto.

Tipos

ruido gaussiano

Las principales fuentes de ruido gaussiano en las imágenes digitales surgen durante la adquisición. El sensor tiene ruido inherente debido al nivel de iluminación y a su propia temperatura, y los circuitos electrónicos conectados al sensor inyectan su propia porción 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 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 áreas oscuras de la imagen. [ 4 ] En las cámaras de 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 gaussiano. [ 6 ]

Ruido de sal y pimienta

Imagen con ruido de sal y pimienta

El ruido de cola gorda o "impulsivo" a veces se denomina ruido de sal y pimienta o ruido de picos. [ 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-digital , errores de bits en la transmisión, etc. [ 9 ] [ 10 ] Se puede eliminar en gran medida utilizando la sustracción de fotogramas oscuros , el filtrado de mediana , el filtrado combinado de mediana y media [ 11 ] y la interpolación alrededor de los píxeles oscuros/brillantes.

Los píxeles muertos en un monitor LCD producen una visualización similar, pero no aleatoria. [ 12 ]

ruido de disparo

El ruido dominante en las partes más brillantes de una imagen capturada por un sensor de imagen suele ser causado por fluctuaciones cuánticas estadísticas, es decir, variaciones en el número de fotones detectados a 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 intensidades de imagen elevadas. El ruido de disparo tiene una desviación estándar proporcional a la raíz cuadrada de la intensidad de la imagen, y el ruido en los distintos píxeles es independiente entre sí.

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 "sustracción de fotograma oscuro"), dejando solo el ruido de disparo, o componente aleatorio, de la fuga. [ 14 ] [ 15 ] Si no se realiza la sustracción de fotograma 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 aparecerán como ruido de sal y pimienta.

Ruido de cuantización (ruido uniforme)

El ruido causado por la cuantización de los píxeles de una imagen capturada a varios niveles discretos se conoce como ruido de cuantización . 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 se aplica tramado explícitamente. [ 10 ]

grano de película

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 se distribuyen uniformemente (igual número por área) y si cada grano tiene una probabilidad igual e independiente de desarrollarse en un grano de plata oscura 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 se aproximará a la distribución de Poisson clásica del ruido de disparo. A menudo se utiliza una distribución gaussiana simple como un modelo suficientemente preciso. [ 10 ]

El grano de la película se suele considerar 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 ]

Ruido anisotrópico

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 ]

Ruido periódico

Una fuente común de ruido periódico en una imagen es la interferencia eléctrica durante el proceso de captura. [ 7 ] Una imagen afectada por ruido periódico se verá como si se hubiera añadido 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 usando filtrado en el dominio de la frecuencia. Nótese que la imagen filtrada todavía tiene algo de ruido en los bordes. Un filtrado adicional podría reducir este ruido de borde, pero también podría reducir algunos de los detalles finos de la imagen. El equilibrio entre la reducción de ruido y la preservación de detalles finos depende de la aplicación. Por ejemplo, si los detalles finos del castillo no se consideran importantes, el filtrado de paso bajo podría ser una opción apropiada. Si los detalles finos del castillo se consideran importantes, una solución viable podría ser recortar el borde de la imagen por completo.

En cámaras digitales

La imagen de la izquierda tiene un tiempo de exposición superior a 10 segundos en condiciones de poca luz. La imagen de la derecha tiene una iluminación adecuada y un tiempo de exposición de 0,1 segundos.

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 amplia ( número f más bajo ), o ambas, 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 la velocidad de obturación (movimiento) y la apertura (profundidad de campo) y la imagen resultante aún no es lo suficientemente brillante, entonces se debe usar una ganancia más alta ( sensibilidad ISO ) para reducir el ruido de lectura. En la mayoría de las cámaras, las velocidades de obturación más lentas conducen a 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 gran medida mediante la sustracción de fotogramas oscuros . El ruido de bandas, similar al ruido de sombras , se puede introducir al aclarar las sombras o mediante el procesamiento del balance de color. [ 19 ]

Ruido de lectura

En la fotografía digital, los fotones incidentes se convierten en una carga en forma de electrones. Este voltaje pasa luego por la cadena de procesamiento de señal de la cámara digital y se digitaliza mediante un convertidor analógico-digital . Cualquier fluctuación de voltaje en la cadena de procesamiento de señal que contribuya a una desviación del valor ideal, proporcional al número de fotones, se denomina ruido de lectura. [ 20 ]

Efectos del tamaño del sensor

La cantidad de luz captada en todo el sensor durante la exposición es el factor determinante más importante 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 indica 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 la apertura del objetivo y este capta más luz del sujeto. Dado que la distancia focal necesaria para capturar una escena con un ángulo de visión específico es aproximadamente proporcional al ancho del sensor, con un número f determinado, la cantidad de luz captada es aproximadamente proporcional al área del sensor, lo que resulta en una mejor relación señal-ruido para sensores más grandes. Con diámetros de apertura constantes, tanto la cantidad de luz captada como la relación señal-ruido para el ruido de disparo son independientes del tamaño del sensor. En el caso de imágenes lo suficientemente brillantes como para estar en el régimen limitado por el ruido de disparo, cuando la imagen se escala al mismo tamaño en pantalla o se imprime al mismo tamaño, el número de píxeles influye poco 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 (ajustes ISO más altos) donde el ruido de lectura (nivel de ruido) es significativo, cuantos más píxeles haya dentro de un área determinada del sensor, más ruido generará la imagen si el ruido de lectura por píxel es el mismo.

Por ejemplo, el nivel de ruido producido por un sensor Four Thirds 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 la misma configuración ISO para una escena dada con la misma velocidad de obturación y el mismo número f  , lo que resulta en un ruido sustancialmente menor con la cámara de fotograma completo. Por el contrario, si todas las cámaras usaran lentes con el mismo diámetro de apertura, las configuraciones ISO serían diferentes entre las cámaras, pero los niveles de ruido serían aproximadamente equivalentes. [ 21 ]

Factor de llenado del sensor

El sensor de imagen tiene fotodiodos individuales para captar la luz de un área determinada. No todas las áreas del sensor se utilizan para captar luz, debido a otros circuitos. Un factor de llenado más alto del sensor provoca que se capte más luz, lo que permite un mejor rendimiento ISO en función del tamaño del sensor. [ 22 ] En los sensores CMOS retroiluminados, el factor de llenado es cercano al 100 %. [ 23 ]

Calor del sensor

La temperatura también puede afectar la cantidad de ruido producido por un sensor de imagen debido a fugas. Por ello, se sabe que las cámaras DSLR producen más ruido en verano que en invierno. [ 14 ]

Reducción de ruido

Una imagen es una fotografía o cualquier otra forma de representación 2D de una escena. [ 24 ] La mayoría de los algoritmos para convertir datos de sensores de imagen en una imagen, ya sea en la cámara o en una computadora, implican algún tipo de reducción de ruido . [ 25 ] [ 26 ] Existen 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 lo primero mientras intentan preservar lo segundo. Sin embargo, ningún algoritmo puede hacer este juicio perfectamente (para todos los casos), por lo que a menudo se hace una compensación entre la eliminación de 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 roja uniforme en una imagen podría tener una pequeña parte negra. Si se trata de un solo píxel, es probable (aunque no seguro) que sea ruido espurio; si abarca unos pocos píxeles con una forma absolutamente regular, podría ser un defecto en un grupo de píxeles del sensor de imagen (espurio e indeseado, pero no estrictamente ruido); si es irregular, es más probable que sea una característica real de la imagen. Sin embargo, no existe una respuesta definitiva.

Esta decisión puede facilitarse conociendo las características de la imagen original 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 corran el riesgo de perder. Además, a muchas personas les resulta menos molesto el ruido de luminancia, puesto que su apariencia texturizada imita la del grano de la película .

La alta sensibilidad de la imagen de una cámara (o del 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 con la sensibilidad ISO, la mayoría de los fabricantes de cámaras incrementan automáticamente la agresividad de la reducción de ruido a sensibilidades más altas. Esto conlleva una degradación de la calidad de imagen a sensibilidades elevadas de dos maneras: aumentan los niveles de ruido y se pierde detalle fino debido a la mayor agresividad de la reducción de ruido.

En casos de ruido extremo, como en las imágenes astronómicas de objetos muy distantes, no se trata tanto de reducir el ruido como de extraer un poco de información oculta entre mucho ruido; las técnicas son diferentes y buscan pequeñas regularidades en datos masivamente aleatorios.

Ruido de vídeo

En vídeo y televisión , el ruido se refiere al patrón de puntos aleatorios que se superpone a la imagen como resultado del ruido electrónico, la "nieve" que se observa 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 indeseadas, aunque no aleatorias, y que pueden afectar a las señales de radio y televisión.

En ocasiones, el ruido digital está presente en vídeos codificados en formato MPEG-2 como un artefacto de compresión .

Ruido útil

Los altos niveles de ruido son casi siempre indeseables, pero hay casos en los que cierta cantidad de ruido resulta útil, por ejemplo, para evitar artefactos de discretización (bandas de color o posterización ). Cierto nivel de ruido también aumenta la nitidez aparente. El ruido añadido deliberadamente con estos fines se denomina tramado ; mejora la imagen perceptualmente, aunque degrada la relación señal-ruido . En el contexto de las cámaras de eventos , que normalmente solo capturan escenas dinámicas, se ha observado que el ruido derivado de las fluctuaciones de fotones está correlacionado con la intensidad de la escena estática y puede aprovecharse para reconstruir partes estáticas de la misma. [ 27 ]

Ejemplos de ruido con ISO bajo y alto

Ruido ISO (ISO 50-204800) de la Sony α9 II

Examen técnico ISO bajo y alto

Simulación de ruido de fotones . El número de fotones por píxel aumenta de izquierda a derecha y de la fila superior a la inferior.

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. [ 28 ] El pozo de píxeles puede considerarse como un cubo. [ 29 ]

El ajuste ISO en una cámara digital es el primer (y a veces único) ajuste de ganancia ( analógico ) que el usuario puede regular 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 señal dentro de un sistema de cámara digital tienen un nivel de ruido . La diferencia entre el nivel de señal y el nivel de ruido se denomina relación señal-ruido . Una mayor relación señal-ruido equivale a una mejor calidad de imagen. [ 30 ]

En condiciones de mucha luz solar, una velocidad de obturación lenta, una apertura amplia o una combinación de las tres, puede haber suficientes fotones que incidan en el sensor de imagen para llenar completamente, o de otro modo alcanzar casi la capacidad de los pozos de píxeles. Si se supera 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 incidido en el 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 no necesitar ganancia ISO (ISO más alto que el ajuste 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 resulta en una alta relación señal-ruido, o bajo ruido, o exposición óptima.

Por el contrario, en condiciones de poca luz, velocidades de obturación rápidas, aperturas cerradas o una combinación de las tres, puede haber una falta de fotones suficientes que lleguen al sensor de imagen para generar un voltaje adecuado que supere el nivel de ruido de la cadena de señal, lo que resulta en una baja relación señal-ruido o un ruido alto (principalmente ruido de lectura). En estas condiciones, aumentar la ganancia ISO (ajuste ISO más alto) aumentará la calidad de la imagen de salida, [ 31 ] 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 señal restante.

Se observa que un valor ISO más alto (aplicado correctamente) no genera, por sí solo, un mayor nivel de ruido; por el contrario, un valor ISO más alto reduce el ruido de lectura. El aumento de ruido que suele presentarse al usar un valor ISO más alto se debe a la amplificación del ruido de disparo y a un menor rango dinámico , consecuencia de las limitaciones técnicas de la tecnología actual.

Véase también

Referencias

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