Визуальный шум цифровой камеры. Часть 1

«Визуальный шум» — это цифровой эквивалент зерна плёнки. Ещё его можно сравнить со слабым фоновым шипением, которое можно услышать из аудиосистемы на полной громкости. В цифровых изображениях этот шум выглядит как случайные вкрапления на исходно ровной поверхности, и он может значительно снизить качество изображения. И хотя как правило шум портит изображение, в некоторых случаях он даже желателен, поскольку может придать изображению старомодный, зернистый вид, напоминая старую плёнку. Некоторый шум может также повысить кажущуюся чёткость изображения. Шум нарастает вместе с повышением светочувствительности камеры, длиной экспозиции, температурой, а также варьируется между различными моделями камер.

Концепция

Определённый уровень шума всегда присутствует в любом электронном приборе, который передаёт или принимает «сигнал». В телевидении этим сигналом является телевещание, передаваемое по кабелю или принятое при помощи антенны; в цифровых камерах сигналом является свет, достигающий сенсора камеры. Несмотря на то, что шум в принципе неустраним, он может быть настолько мал относительно сигнала, что покажется отсутствующим. Соотношение сигнал-шум (SNR) является полезным и универсальным способом сравнения относительного количества сигнала и шума для любой электронной системы; высокие соотношения покажут чрезвычайно малый видимый шум, тогда как для низких соотношений будет справедливо противоположное. Показанные ниже изображения демонстрируют, как камера получает существенно зашумленный снимок слова «сигнал» на гладком фоне. Итоговое изображение дополнительно показано в увеличенном трёхмерном представлении, которое демонстрирует сигнал поверх фонового шума.

оригинал снимок
		цветное трёхмерное представление снимка

В вышеприведенном изображении соотношение сигнал-шум достаточно велико, чтобы чётко отделить информацию в изображении от фонового шума. Низкое SNR могло бы привести к появлению изображения, где «сигнал» и шум более сравнимы и потому сложнее отличимы друг от друга.

снимок

Терминология

Светочувствительность ISO камеры, называемая также «скоростью ISO», является стандартом, который описывает абсолютную чувствительность камеры к свету. Варианты чувствительности ISO обычно отличаются вдвое (например: ISO 50, ISO 100 и ISO 200) и могут иметь большой диапазон значений. Большее число представляет большую чувствительность, а соотношение двух чисел ISO показывает разницу в их светочувствительности, имея в виду, что снимок, сделанный при ISO 200, потребует вдвое меньше времени для достижения того же уровня экспозиции, что и снимок с использованием ISO 100 (при прочих равных параметрах настройки). Чувствительность ISO аналогична чувствительности ASA для различных плёнок, хотя цифровая камера способна снимать изображения на нескольких разных ISO. Это достигается усилением сигнала изображения в камере, хотя это умножает и шум, и таким образом более высокие числа ISO приведут к соответствующему нарастанию шума.

Типы шума

Цифровые камеры подвержены трём типам шума: случайному, структурному и линейчатому. Три примера внизу показывают выраженные и изолированные случаи каждого из типов шума на обыкновенном ровном сером фоне.

Структурный шум длинная выдержка малое число ISO	Случайный шум короткая выдержка большое число ISO	Линейчатый шум отдельные камеры осветлённые тени

Случайный шум характеризуется колебаниями яркости и цветности выше и ниже настоящих. Определённая доля случайного шума будет всегда присутствовать при любом времени экспозиции и больше зависит от числа ISO. Рисунок случайного шума меняется от кадра к кадру, даже если параметры экспозиции идентичны.

Структурный шум включает то, что называется «горячими пикселями», которые определены как те, где интенсивность в пикселе значительно превосходит колебания, вызванные случайным шумом. Структурный шум обычно появляется на выдержках большой длины и усугубляется при высоких температурах. Структурный шум уникален тем, что покажет практически идентичное распространение горячих пикселей при съёмке в идентичных условиях (температура, длина экспозиции,число ISO).

Линейчатый шум зависит преимущественно от камеры и является шумом, который вносит сама камера в процессе считывания данных с цифрового сенсора. Линейчатый шум наиболее заметен на высоких ISO и в тенях, или когда изображение было чрезмерно осветлено. Линейчатый шум может также нарастать при определённых балансах белого, в зависимости от модели камеры.

Хотя наиболее раздражающим кажется структурный шум, его обычно проще всего удалить, поскольку он воспроизводим. Внутренней электронике камеры всего лишь нужно запомнить шаблон, и она может впоследствии вычесть этот шум, чтобы восстановить исходное изображение. В последних поколениях цифровых камер структурный шум создаёт гораздо меньше проблем, чем случайный, хотя даже мельчайшее его количество может бросаться в глаза больше, чем случайный шум.

Менее заметный случайный шум обычно сложнее удалить, не снизив качество изображения. Компьютерам сложно отличить случайный шум от мелкодетальной текстуры, например, пыли или тумана, так что в попытке удалить случайный шум вы часто придёте к тому, что эти текстуры тоже пропадут. Такие программы, как Neat Image и Noise Ninja, могут быть весьма хороши в снижении шума с сохранением в изображении актуальной информации. Ознакомьтесь также с моей статьёй об усреднении изображения как инструменте снижения шума.

Продолжение в части 2: «Визуальный шум: примеры и характеристики»