Ruído em Imagens de Câmeras Digitais - Parte 1
"Ruído" é o equivalente digital dos grãos dos filmes utilizados em câmeras analógicas. Alternativamente, pode-se pensar nele como o equivalente ao sutil chiado que se percebe quando uma música é ouvida num volume muito alto. Para as imagens digitais, esse ruído aparece como manchas aleatórias em uma superfície originalmente suave e pode degradar a qualidade da imagem significativamente. Apesar do ruído normalmente ser um ponto fraco em uma imagem, ele pode também ser desejado, já que pode conferir à imagem um aspecto antigo e que lembre filmes. Um pouco de ruído também pode aumentar a nitidez da imagem. O ruído aumenta proporcionalmente à sensibilidade escolhida, duração da exposição e temperatura. A quantidade de ruído também depende muito da câmera utilizada para gerar a imagem, câmeras profissionais de alto nível costumam ter muito menos ruído que câmeras compactas comuns.
Conceitos
Algum grau de ruído sempre está presente em qualquer aparelho eletrônico que transmite ou recebe um 'sinal'. Para as televisões esse sinal são os dados da transmissão enviados por cabo ou recebidos pela antena da TV; para as câmeras digitais, o sinal é a luz que atinge o sensor da câmera. Mesmo sendo inevitável, o ruído pode se tornar tão pequeno relativamente ao sinal que pode ser considerado inexistente. A razão entre o sinal e o ruído (SNR, do inglês 'signal to noise ratio') é uma maneira útil e universal de comparar as quantidades relativas de sinal e ruído para qualquer sistema eletrônico; razões altas terão pouco ruído visível enquanto o oposto vale para baixas razões. A seqüência de imagens abaixo mostra uma câmera produzindo uma figura com muito ruído da palavra 'signal' contra um fundo suave. A imagem resultante é mostrada junto com uma representação 3D mostrando o sinal sobre o ruído de fundo.
  Imagem Original   Imagem na Câmera |
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| Representação 3-D Colorida da Imagem da Câmera | ||
A imagem acima tem uma SNR significativamente alta de modo que é possível separar a informação da imagem claramente. Uma SNR baixa produziria uma imagem onde a palavra 'signal' e o ruído são comparáveis e, assim, muito mais difíceis de serem discernidos um do outro.
 Imagem na Câmera |
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Terminologia
O "ISO" de uma câmera (em inglês "ISO setting" ou "ISO speed") é um padrão que descreve a sua sensibilidade absoluta à luz. O 'ISO' normalmente é listado em fatores de 2, como ISO 50, ISO 100 e ISO 200 e pode ter uma grande variedade de valores. Valores mais altos representam maior sensibilidade e a razão entre dois valores de 'ISO' representa a sensibilidade relativa entre elas, ou seja, uma foto com ISO 200 demorará a metade do tempo que uma foto com ISO 100 para atingir o mesmo nível de exposição (se todos os outros parâmetros da câmera forem fixados). O 'ISO' das câmeras digitais é a mesma coisa que a 'ASA' encontrada nos filmes para câmeras analógicas; claro que a diferença é que uma única câmera digital pode fotografar em diferentes 'ISO' sem troca de filmes. O aumento do 'ISO' é possível amplificando-se o sinal do sensor da câmera, mas isso também amplifica o ruído, assim, quanto maior o 'ISO', mais ruído a imagem apresenta.
Tipos de ruído
Câmeras digitais produzem três tipos mais comuns de ruído: aleatório, de 'padrão fixo' e de bandas. As três imagens abaixo mostram exemplos qualitativos pronunciados de casos isolados de cada um dos tipos de ruído contra um fundo cinza.
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| Ruído com Padrão Fixo Exposição Longa Baixo ISO |
Ruído Aleatório Exposição Curta Alto ISO |
Ruído em Bandas Câmera Suscetível Sombras Clareadas |
O ruído aleatório é caracterizado por flutuações de intensidade e tom de cor em relação a imagem real. Sempre haverá alguma quantidade de ruído aleatório em qualquer duração de exposição e ela será muito influenciada pelo 'ISO'. O padrão do ruído aleatório muda mesmo quando as propriedades da exposição são as mesmas (é exatamente por isso que ele é chamado de 'aleatório').
O ruído de padrão fixo inclui o que se costuma chamar de 'hot pixels' (do inglês: 'pixels quentes'), que são chamados assim quando a intensidade de um pixel ultrapassa muito a das flutuações de ruído aleatório. O ruído de padrão fixo geralmente aparece em situações de exposições longas e é exacerbado por temperaturas altas. Uma característica importante é que ele mostra aproximadamente a mesma distribuição se as condições nas quais a imagem é produzida são a repetidas (temperatura, exposição e 'ISO').
O ruído em banda depende muito da câmera utilizada e é introduzido pela própria câmera quando quando ela lê dados provenientes do sensor digital. Ele é mais notável quando são usados 'ISO' altos e nas áreas de baixa luz, ou quando uma imagem foi clareada excessivamente. Dependendo da câmera ele também pode ser aumentado em função do balanço de branco escolhido.
Apesar de parecer ser o mais intrusivo, o ruído de padrão fixo é normalmente o mais fácil de ser removido, devido a sua natureza repetitiva. A eletrônica da câmera tem que simplesmente saber o padrão e subtraí-lo da imagem capturada para revelar a imagem verdadeira. O ruído de padrão fixo é um problema muito menor que o ruído aleatório em câmeras de última geração, apesar de pequenas quantidades ainda serem ainda mais facilmente percebidas que o ruído aleatório.
O ruído aleatório é muito mais complicado de ser removido sem que a imagem seja danificada. Os algoritmos criados para isso ainda lutam para conseguir discernir entre o ruído e texturas reais como as que ocorrem na terra ou folhas, assim tentativas de remover o ruído acabam removendo essas texturas também.
Para mais informações sobre ruído em imagens veja a segunda parte desse tutorial em:
