W jaki sposób uśrednianie obrazów lub obniżanie rozdzielczości zmniejsza szum?

9

W tej odpowiedzi wymieniono 3 techniki zmniejszania hałasu:

  • Utrzymuj czujnik aparatu w niskiej temperaturze.
  • Zrób serię zdjęć, a następnie uśrednij je.
  • Obniż rozdzielczość.

Czy ktoś może rzucić więcej światła na dwie ostatnie techniki?

W jaki sposób robienie wielu zdjęć i ich uśrednianie może zredukować hałas? Jak je uśrednić? I dlaczego to zadziała?

W jaki sposób obniżenie rozdzielczości zmniejsza szum?

K
źródło

Odpowiedzi:

10

Dwa ostatnie są w rzeczywistości takie same i działają z uwagi na fakt, że w większości przypadków szum jest tak samo prawdopodobny, aby podnieść wartość piksela w górę, jak w przypadku obniżenia tej wartości.

Powiedzmy, że „prawdziwa” wartość danego piksela wynosi 100 (spośród 255). Zrób 10 zdjęć tej samej sceny w hałaśliwych warunkach, a możesz zapisać następujące wartości:

104, 99, 98, 100, 101, 105, 99, 102, 94, 105

uśrednienie tych wartości (poprzez dodanie ich i podzielenie przez 10) daje następującą wartość piksela: 100,7, która zaokrągliby do 101, co jest znacznie bliższe rzeczywistej wartości, niż można się spodziewać, gdybyś musiał wybrać tylko jedną z 10 zdjęć losowo.

Jeśli chodzi o to, w jaki sposób istnieją do tego specjalistyczne pakiety oprogramowania (szukaj w stosach obrazów, myślę, że Deep Sky Stacker jest popularnym wyborem). Alternatywnie możesz to zrobić w większości edycji obrazu, ładując kilka warstw i łącząc pary warstw (nowsze wersje Photoshopa mają specjalne funkcje układania, które są nieco lepsze).

Ta sama zasada leży u podstaw zmniejszenia rozdzielczości. Jedną z technik służących do tego jest „binning”, w którym łączy się cztery sąsiednie piksele w jeden. Wyobraźmy sobie cztery piksele odpowiadające obszarowi płaskiego koloru na obrazie, który powinien mieć jednolitą wartość 100:

102, 103
93,  101 

uśrednienie ich daje pojedynczy piksel o wartości 99,75, który zaokrągla do 100.

Nawiasem mówiąc, zrobienie kilku zdjęć i ich uśrednienie jest równoważne zrobieniu dłuższej ekspozycji, z wyjątkiem:

  • możesz pozwolić aparatowi ostygnąć między ujęciami, pomagając w rozwiązaniu problemu nr 1
  • długie ekspozycje działają tylko wtedy, gdy przechwycisz więcej światła, co oznacza utrzymanie stałej wartości przysłony i obniżenie wartości ISO (co nie zawsze jest możliwe, np. jeśli osiągniesz minimalną wartość ISO)
  • dłuższe ekspozycje mogą powodować drgania aparatu, których można uniknąć, stosując kilka krótszych ekspozycji (chociaż zdjęcia będą wymagać wyrównania).

-

Wreszcie, jeśli chodzi o minimalizację hałasu, złotą zasadą jest uzyskanie jak największej ilości światła. Czyni to uśrednianie kilku ekspozycji (liczy się całkowita ilość przechwyconego światła). Próbkowanie w dół jest naprawdę szumem handlowym dla rozdzielczości.

Matt Grum
źródło
Samo próbkowanie w dół niekoniecznie zmniejsza hałas. Dzieje się tak tylko wtedy, gdy jest połączone z wygładzaniem. Przejdźmy teraz do mojego pytania: czy wiesz, które oprogramowanie redukuje rozmiar w celu zmniejszenia szumu, zwłaszcza które wolne oprogramowanie? Zakładam, że programy takie jak Lightroom robią to podczas eksportowania, ale tym razem szczególnie interesuje mnie sampróbkowanie w dół, a nie jakakolwiek zaawansowana edycja, jak to robi Lightroom, i nie jestem przekonany, że użycie jakiegoś narzędzia takiego jak ImageMagick do zmniejszenia rozmiaru obrazów zredukuj także hałas w możliwie największym stopniu.
Szabolcs
@Szabolcs Każdy rozsądny algorytm ponownego próbkowania, który bierze pod uwagę wiele sąsiednich wartości pikseli, zmniejszy szum. Więc pod warunkiem, że nie przeprowadzasz ponownego próbkowania „najbliższego sąsiada”, nie martwię się o zastosowaną metodę. Ponowne próbkowanie Bububic jest bardzo powszechne i jestem pewien, że istnieje wiele bezpłatnych aplikacji korzystających z tej metody. Lanczos3 dostępny w GIMP jest prawdopodobnie nieco lepszy.
Matt Grum,
@Matt Bicubic, dwuliniowe itp. To tylko metody interpolacji. Używają sąsiednich (lub sąsiednich) wartości pikseli do interpolacji, ale nie uśredniają ich. Myślę jednak, że zbytnio zajmujemy się tematem DSP, więc myślę, że opublikuję pytanie na temat DSP.SE dotyczące szczegółów matematycznych :-)
Szabolcs
5

Temperatura

W krzemie występuje efekt zwany hałasem termicznym (hałas Johnsona). Zasadniczo elektrony zostały oderwane od podłoża i dodane do elektronów wyrzucanych przez fotony. Te elektrony są następnie uważane za część „sygnału” z czujnika, powodując hałas. Ten rodzaj hałasu jest rozkładem Gaussa i ma średnią wartość zero.

Hałas termiczny rośnie wraz z temperaturą, dlatego chłodniejszy czujnik działa lepiej.

Uśrednianie

Działa to tylko w przypadku szumu losowego ze średnią zero. Jeśli szum jest przypadkowy (wystarczający), nigdy nie jest taki sam, a scena, na której robisz zdjęcie, powinna być. Ponieważ informacje o scenie są rejestrowane kilka razy, za każdym razem z nieco innym szumem możliwe jest uśrednienie pikseli i uzyskanie wyższego stosunku sygnału do szumu niż z jednego przechwytywania. Oznacza to, że scena musi być statyczna.

Fotodetektor różnej wielkości

W zależności od sposobu uzyskania większego czujnika możesz uzyskać mniej hałasu. Jedną z technik jest utrzymanie stałego rozmiaru czujnika fizycznego, a następnie połączenie kilku fizycznych pikseli w jeden logiczny. Lub fizyczny rozmiar czujnika może być inny.

Łącząc kilka fizycznych pikseli w jeden logiczny, można osiągnąć taki sam rodzaj redukcji szumów, jak przez połączenie kilku przechwyceń.

Zwiększając fizyczny rozmiar piksela, można zmniejszyć szum z odczytu i wzmocnienia. Im większy piksel, tym większa liczba elektronów w sygnale. Ponieważ szum odczytu i wzmocnienia jest bliski wartości stałej dla dowolnej technologii produkcji (rozmiar tranzystora), możliwe jest uzyskanie większego stosunku sygnału do szumu.

Håkon K. Olafsen
źródło
co z niższą rozdzielczością?
K ''
Przyjdę z tym, kiedy będę miał więcej czasu tej nocy.
Håkon K. Olafsen
2

Oto artykuł, który ładnie wyjaśnia koncepcję uśredniania i jak to zrobić ręcznie w Photoshopie. Tę samą technikę można zastosować w dowolnym oprogramowaniu do edycji obrazów obsługującym warstwy i ich krycie.

Justin
źródło