Ruido de imagen digital
El ruido digital es un defecto de imagen ( ruido ) introducido por los fotosensores y la electrónica de los dispositivos que los utilizan ( cámara digital, cámaras de televisión/video, etc.) debido a la imperfección de las tecnologías, así como a la naturaleza fotónica de la luz.
Fenómeno
El ruido digital es visible en la imagen como una máscara superpuesta de píxeles de color y brillo aleatorios.
En las cámaras con una matriz de filtros de color (la mayoría de las cámaras digitales pertenecen a este tipo), el ruido de color suele tener granos visualmente más grandes que los píxeles en las imágenes. Este es un efecto secundario del algoritmo de imágenes a todo color.
Para sistemas de tres matrices o una matriz sin filtro, el ruido será más fino.
En una imagen a color, el ruido puede tener diferente intensidad para diferentes canales de la imagen. Esto lo colorea visualmente. El ruido en una fotografía tomada bajo iluminación incandescente tiene tonos predominantemente amarillo-azules en lugar de verde-púrpura. El hecho es que, aunque inicialmente todos los píxeles son igualmente susceptibles al ruido, después de aplicar el balance de blancos, el canal azul de la imagen y, en consecuencia, el ruido en él aumentan con más fuerza.
El ruido se nota en las áreas sólidas, y especialmente en las áreas oscuras de la imagen.
Como es común en electrónica , se suele hablar de la relación señal/ruido . Puede comparar visualmente el ruido de diferentes matrices de la siguiente manera: traiga dos fotos de prueba emparejadas al mismo tamaño y el mismo brillo, y luego evalúe visualmente el ruido de color.
A veces, el ruido digital se identifica con fenómenos de la fotografía ordinaria (química) como el grano de película y la niebla fotográfica .
Reducción de ruido digital
Hay todo tipo de formas de suprimir el ruido digital a nivel del sensor, las rutas de la cámara digital y el procesamiento digital adicional.
A nivel de sensor, se utilizan píxeles más grandes y microlentes más ajustados. Además, puedes usar filtros de color que dejen pasar un mayor porcentaje de luz. Este último método puede afectar negativamente a la calidad del color de la cámara.
El uso de amplificadores de mayor calidad y ADC más grandes obviamente también reduce el ruido. A veces (por ejemplo, en astrofotografía) la matriz se enfría.
La supresión del ruido estocástico digital durante el posprocesamiento se lleva a cabo promediando el brillo de un píxel sobre un determinado grupo de píxeles, que el algoritmo considera "similares". Por lo general, esto empeora el detalle de la imagen, se vuelve más "jabonosa". Además, pueden aparecer detalles falsos que no estaban en la escena original. Por ejemplo, si el algoritmo busca píxeles "similares" no lo suficientemente lejos, entonces se puede suprimir el ruido de grano fino y de grano medio, mientras que el ruido "grueso" poco natural, débil, pero aún bastante perceptible, permanece visible.
Causas del ruido digital
La relación señal-ruido se ve afectada por el ruido de la electrónica analógica de una cámara digital ("tuberías", amplificadores, ADC ), pero la principal fuente de ruido digital es el fotosensor . El ruido digital en el fotosensor surge por las siguientes razones.
- Los defectos (impurezas, etc.) de la barrera potencial provocan fugas de la carga generada durante la exposición, los llamados. defecto negro. Dichos defectos son visibles sobre un fondo claro en forma de puntos oscuros.
- ( Inglés Dark current - Corriente oscura) - es una consecuencia nociva de la emisión termoiónica y el efecto "túnel" y se produce en el sensor cuando se aplica un potencial al electrodo, bajo el cual se forma un pozo de potencial . Esta corriente se llama "oscura" porque consiste en electrones que caen en el pozo en ausencia de un flujo de luz. Dichos defectos son visibles en un fondo oscuro en forma de puntos brillantes, los llamados. defecto blanco. Los defectos blancos son especialmente pronunciados en exposiciones largas. La razón principal de la aparición de la corriente oscura son las impurezas en la oblea de silicio o el daño a la red cristalina de silicio . Cuanto más puro es el silicio, menor es la corriente oscura. La corriente oscura está influenciada por la temperatura de los elementos de la cámara, las captaciones electromagnéticas, tanto externas como internas, de la propia cámara. Con un aumento de la temperatura de 6 a 8 grados, el valor de la corriente oscura se duplica.
- Debido al ruido que se produce por la naturaleza estocástica de la interacción de los fotones de luz con los átomos del material de los fotodiodos del sensor. Cuando un fotón se mueve dentro de la red cristalina de silicio , es probable que el fotón, habiendo "golpeado" el átomo de silicio, elimine un electrón de él, dando lugar a un par electrón-hueco, pero para decir exactamente cuántos fotones dará a luz a parejas, y cuántos desaparecerán con algunos otros efectos, está prohibido. La señal eléctrica tomada del sensor corresponderá al número de parejas nacidas. La señal tomada del sensor a una determinada velocidad de obturación y apertura (intensidad de la luz) determinará la eficiencia cuántica , el número promedio de pares de agujeros de electrones generados.
- Debido a la presencia de píxeles defectuosos (que no funcionan) que ocurren durante la producción de fotosensores (imperfección tecnológica) y siempre están en el mismo lugar. Para eliminar su impacto negativo, se utilizan métodos matemáticos de interpolación, cuando en lugar de un elemento defectuoso, se "sustituye" simplemente un elemento vecino, o un promedio de elementos adyacentes, o un valor calculado de una manera más compleja. Naturalmente, el valor calculado difiere del valor real y degrada la nitidez de la imagen final. El mismo defecto lo introduce la interpolación, que corrige la imagen final, al utilizar el filtro Bayer .
Qué afecta la cantidad de ruido digital
- La densidad de los elementos: el tamaño del fotodiodo en el chip depende de la tecnología. Según la tecnología CCD , el píxel tiene menos elementos de "flejado" que según la tecnología CMOS y más área del sensor va a la lente del fotodiodo. Esto es especialmente cierto para sensores pequeños. Con las mismas dimensiones físicas del sensor, un sensor con mayor resolución tiene un área activa más pequeña de cada fotodiodo. Las lentes de fotodiodo más pequeñas reciben menos luz, se leen potenciales más bajos del fotodiodo y se requiere más amplificación de señal analógica antes de la digitalización. El resultado es más ruido y menos relación señal-ruido. Pero esta afirmación es cierta solo si la tecnología de fabricación de matriz permanece sin cambios. Las matrices nuevas pueden contener elementos con menos ruido y, en consecuencia, puede aumentar la resolución manteniendo el nivel de ruido o mantener la resolución pero reduciendo el ruido. Por el momento, los fabricantes prefieren la opción de mantener el nivel de ruido y aumentar la resolución.
- Tiempo de exposición . La corriente oscura del fotodiodo en exposiciones prolongadas degrada en gran medida la relación señal-ruido. Cuanto mayor sea el tiempo de exposición (con la misma cantidad de luz incidiendo en la matriz), mayor será el ruido térmico de los transistores electrónicos y peor será la relación señal/ruido.
Véase también
Notas