Цифровой шум изображения

На левой части изображения приведён фрагмент фотографии снятой при неблагоприятных условиях (длинная выдержка, высокая чувствительность ISO), шум хорошо заметен. На правой части изображения — фрагмент фотографии снятой при благоприятных условиях. Шум практически незаметен

Цифрово́й шум — дефект изображения, вносимый фотосенсорами и электроникой устройств, которые их используют (цифровой фотоаппарат, теле-/видеокамеры и т. п.)

Явление

Цифровой шум проявляется в виде случайным образом расположенных элементов растра (точек), имеющих размеры близкие к размеру пикселя.

Цифровой шум отличается от изображения более светлым или тёмным оттенком серого и цвета (яркостный шум англ. luminance noise) и/или по цвету (хроматический шум англ. chrominance noise).

Цифровой шум придаёт фотографии неестественный вид — создаётся ощущение, что на изображение наложена маска из точек различной яркости и цвета. В особенности, цифровой шум портит восприятие однотонно окрашенных частей изображения (например голубого неба) и объёмное восприятие объектов заднего плана, находящихся не в фокусе.

Сама по себе величина шума — характеристика понятийная и мало информативная. Как принято в электронике, говорить надо об отношении сигнал-шум. Математический анализ цифрового шума выявляет нелинейную структуру в фотографическом изображении. Наглядно можно сравнивать шум разных матриц так: когда две парные тестовые фотографии после ресайза к одному размеру имеют одинаково заметный шум, и при этом ИСО на одной на стоп больше другой, то разница в шуме равна 1 стоп. То есть в два раза.

Иногда, цифровой шум отождествляют с такими явлениями обычной (химической) фотографии, как зернистость плёнки и фотографическая вуаль.

Подавление цифрового шума

Существуют всевозможные способы подавления цифрового шума на уровне сенсора, трактов цифрового фотоаппарата и на конечном цифровом изображении.

Алгоритмы выявления уровня цифрового шума основаны на отклонении шума от фона. Темновой ток нескольких миллионов фотодиодов сенсора корректируется методом привязки к «уровню чёрного» от группы пикселей, находящихся в полной темноте. Вычисляется систематическая поправка — «уровень чёрного» темнового тока (среднее значение), которая вычитается из тока каждого фотодиода для данного фото изображения.

Подавление цифрового стохастического (др.-греч. στοχαστικός — случайный, вероятностный) шума проводится усреднением (интегрированием по множеству или апертуре (лат. apertura — отверстие) для каждого пикселя.

При подавлении шума усреднением несколько ухудшается резкость на конечном цифровом изображении.

Увлечение противошумовым фильтром, увеличением резкости поля и границ кадра приводит к тому, что изображение приобретает характерные для цифровых фильтров искажения — теряются оттенки на переходах яркости и цвета, снижается насыщенность тона, становится видна структура растра и пр.

Надо стремиться делать цифровые фотографии в условиях, обеспечивающих минимум темнового тока и шумов. Эти условия соблюдаются при хорошем освещении всех сюжетов кадра, которое обеспечивает съёмку при минимальной чувствительности и небольших выдержках.

Причины возникновения цифрового шума

На отношении сигнал-шум влияют шумы аналоговой электроники цифрового фотоаппарата («обвязка», усилители, АЦП), но основным источником цифрового шума является фотосенсор. Цифровой шум в фотосенсоре возникает по следующим причинам.

1. Дефекты (примеси и др.) потенциального барьера вызывают утечку заряда сгенерированного за время экспозиции — т. н. чёрный дефект. Такие дефекты видны на светлом фоне в виде тёмных точек.
2. (англ. Dark current  — Темновой ток) — является вредным следствием термоэлектронной эмиссии и «туннельного» эффекта и возникает в сенсоре при подаче потенциала на электрод, под которым формируется потенциальная яма. «Темновым» данный ток называется потому, что складывается из электронов, попавших в яму при отсутствии светового потока. Такие дефекты видны на темном фоне в виде светлых точек, т. н. белый дефект. Белые дефекты особенно проявляются при больших экспозициях. Основная причина возникновения темнового тока — это примеси в кремниевой пластине или повреждение кристаллической решётки кремния. Чем чище кремний, тем меньше темновой ток. На темновой ток оказывает влияние температура элементов камеры, электромагнитные наводки, как внешние, так и внутренние, от самой камеры. При увеличении температуры на 6-8 градусов, значение темнового тока удваивается.
3. Из-за шума, возникающего вследствие стохастической природы взаимодействия фотонов света с атомами материала фотодиодов сенсора. При движении фотона внутри кристаллической решётки кремния, вероятно, что фотон, «попав» в атом кремния, выбьет из него электрон, родив пару электрон-дырка, но сказать точно, сколько фотонов родит пары, а, сколько пропадет с какими-то другими эффектами нельзя. Электрический сигнал, снимаемый с сенсора будет соответствовать количеству рождённых пар. Снимаемый сигнал с сенсора при заданных выдержке и диафрагме (интенсивности света) будет определять квантовая эффективность — среднее число рождаемых пар электрон-дырка.

Что влияет на величину цифрового шума

• Плотность пикселов - размер фотодиода на микросхеме зависит от технологии. По технологии CCD элементов «обвязки» у пиксела меньше, чем по технологии CMOS и больше площади сенсора достается линзе фотодиода. Это особенно сказывается на сенсорах маленького размера. При одинаковых физических размерах сенсора, у сенсора, имеющего большее разрешение, активная площадь каждого фотодиода меньше. На маленькие линзы фотодиода падает меньше света, меньшие потенциалы считываются с фотодиода и требуется бо́льшее аналоговое усиление сигнала перед оцифровкой. В результате больше уровень шума и меньше отношение сигнал-шум. Но данное утверждение справедливо только при неизменной технологии изготовления матрицы. Новые матрицы могут содержать менее шумные элементы и соответственно увеличивать можно или разрешение с сохранением уровня шума или сохранить разрешение, но уменьшить шум. На текущий момент производители предпочитают вариант сохранения уровня шума и увеличение разрешения.
• Время экспонирования. Темновой ток фотодиода при больших экспозициях сильно ухудшает отношение сигнал-шум. Чем больше время экспонирования (при равном количестве попавшего на матрицу света), тем больше тепловой шум транзисторов электроники и хуже отношение сигнал-шум.

См. также

• Шум квантования
• Цифровые технологии
• Шумопонижение