Digitální obrazový šum
Digitální šum je obrazová vada ( šum ) způsobená fotosenzory a elektronikou zařízení, která je používají ( digitální fotoaparát , televize/videokamery atd.) v důsledku nedokonalosti technologií a také fotonové povahy světla.
Fenomén
Digitální šum je na snímku viditelný jako překrývající se maska pixelů náhodné barvy a jasu.
U fotoaparátů s polem barevných filtrů (k tomuto typu patří většina digitálních fotoaparátů) má barevný šum obvykle vizuálně větší zrna než pixely na obrázcích. Toto je vedlejší efekt plnobarevného zobrazovacího algoritmu.
U třímaticových systémů nebo matice bez filtru bude šum jemnější.
V barevném obrazu může mít šum různou intenzitu pro různé kanály obrazu. To to vizuálně zabarvuje. Šum na fotografii pořízené při žárovkovém osvětlení má spíše žlutomodré odstíny než zelenofialové. Faktem je, že ačkoli zpočátku jsou všechny pixely stejně náchylné k šumu, po použití vyvážení bílé se modrý kanál obrazu a tím i šum v něm silněji zvýší.
Šum je patrný v pevných oblastech a zejména v tmavých oblastech obrazu.
Jak je v elektronice běžné , obvykle se mluví o odstupu signálu od šumu . Vizuálně můžete porovnat šum různých matric takto: přiveďte dvě spárované testovací fotografie na stejnou velikost a stejný jas a poté vizuálně vyhodnoťte barevný šum.
Někdy je digitální šum ztotožňován s takovými jevy běžné (chemické) fotografie, jako je filmové zrno a fotografická mlha .
Digitální redukce šumu
Existují nejrůznější způsoby, jak potlačit digitální šum na úrovni snímače, drah digitálního fotoaparátu a dalšího digitálního zpracování.
Na úrovni snímače jsou použity větší pixely a těsnější mikročočky. Můžete také použít barevné filtry, které propustí větší procento světla. Poslední způsob může nepříznivě ovlivnit kvalitu barev fotoaparátu.
Použití kvalitnějších zesilovačů a větších ADC také samozřejmě snižuje šum. Někdy (například v astrofotografii) je matrice chlazena.
Potlačení digitálního stochastického šumu během následného zpracování se provádí průměrováním jasu pixelu přes určitou skupinu pixelů, kterou algoritmus považuje za „podobné“. Obvykle se tím zhorší detailnost snímku, více se „namydlí“. Navíc se mohou objevit falešné detaily, které v původní scéně nebyly. Pokud například algoritmus nehledá „podobné“ pixely dostatečně daleko, pak lze potlačit jemnozrnný a středně zrnitý šum, zatímco slabý, ale přesto docela znatelný, nepřirozený „hrubý“ šum zůstává viditelný.
Příčiny digitálního šumu
Poměr signálu k šumu je ovlivněn šumem analogové elektroniky digitálního fotoaparátu ("potrubí", zesilovače, ADC ), ale hlavním zdrojem digitálního šumu je fotosenzor . Digitální šum ve fotosenzoru vzniká z následujících důvodů.
- Defekty (nečistoty apod.) potenciální bariéry způsobují únik náboje vzniklého při expozici – tzv. černá vada. Takové vady jsou viditelné na světlém pozadí ve formě tmavých teček.
- ( anglicky Dark current - Dark current) - je škodlivý důsledek termionické emise a "tunelového" efektu a vyskytuje se v senzoru, když je na elektrodu přiveden potenciál, pod kterým se vytváří potenciálová jáma . Tento proud se nazývá „temný“, protože se skládá z elektronů, které padají do studny v nepřítomnosti světelného toku. Takové vady jsou viditelné na tmavém pozadí ve formě světlých bodů, tzv. bílá vada. Vady bílé jsou patrné zejména při dlouhých expozicích. Hlavním důvodem výskytu temného proudu jsou nečistoty v křemíkovém plátku nebo poškození křemíkové krystalové mřížky . Čím čistší křemík, tím nižší temný proud. Temný proud je ovlivněn teplotou prvků komory, elektromagnetickými snímači, vnějšími i vnitřními, ze samotné komory. Se zvýšením teploty o 6-8 stupňů se hodnota temného proudu zdvojnásobí.
- Kvůli šumu, který vzniká díky stochastické povaze interakce světelných fotonů s atomy materiálu fotodiod snímače. Když se foton pohybuje uvnitř křemíkové krystalové mřížky , je pravděpodobné, že foton, který „narazí“ do atomu křemíku, z něj vyrazí elektron, čímž se zrodí pár elektron-díra, ale přesně říci, kolik fotonů porodí páry, a kolik jich zmizí s nějakými dalšími účinky, je zakázáno. Elektrický signál odebraný ze senzoru bude odpovídat počtu narozených párů. Signál odebraný ze snímače při dané rychlosti závěrky a cloně (intenzitě světla) určí kvantovou účinnost - průměrný počet generovaných párů elektron-díra.
- Z důvodu přítomnosti vadných (nepracovních) pixelů, které se vyskytují při výrobě fotosenzorů (technologická nedokonalost) a jsou vždy na stejném místě. K eliminaci jejich negativního dopadu se používají matematické metody interpolace, kdy se místo vadného prvku „dosadí“ buď jen sousední prvek, nebo průměr sousedních prvků, nebo se dosadí hodnota vypočítaná složitějším způsobem. Vypočítaná hodnota se přirozeně liší od skutečné hodnoty a zhoršuje ostrost výsledného obrazu. Stejnou vadu zavádí interpolace, která koriguje výsledný snímek při použití Bayerova filtru .
Co ovlivňuje množství digitálního šumu
- Hustota prvků - velikost fotodiody na čipu závisí na technologii. Podle technologie CCD má pixel méně „páskových“ prvků než podle technologie CMOS a větší plocha snímače připadá na čočku fotodiody. To platí zejména pro malé snímače. Při stejných fyzických rozměrech snímače má snímač s vyšším rozlišením menší aktivní plochu každé fotodiody. Menší čočky fotodiody dostávají méně světla, z fotodiody se čtou nižší potenciály a před digitalizací je zapotřebí větší zesílení analogového signálu. Výsledkem je více šumu a menší odstup signálu od šumu. Toto tvrzení je však pravdivé pouze tehdy, pokud technologie výroby matrice zůstane nezměněna. Nové matice mohou obsahovat méně hlučných prvků a podle toho můžete buď zvýšit rozlišení při zachování úrovně šumu, nebo zachovat rozlišení, ale snížit šum. Výrobci v tuto chvíli preferují možnost zachování úrovně šumu a zvýšení rozlišení.
- Doba expozice . Temný proud fotodiody při dlouhých expozicích značně zhoršuje poměr signálu k šumu. Čím delší je doba expozice (při stejném množství světla dopadajícího na matrici), tím větší je tepelný šum elektronických tranzistorů a tím horší je poměr signálu k šumu.
Viz také
Poznámky