V digitálním obrazu se nazývá digitální šum rozptýlené fluktuace nebo degradace, které prochází obraz v době pořízení až do registrace. Digitální šum je obecný koncept pro jakýkoli typ digitálního obrazu bez ohledu na typ snímače, ze kterého byl získán ( digitální fotoaparát , skener , termální kamera atd.). Zdroje digitálního šumu jsou rozmanité, některé jsou fyzicky spojené s kvalitou osvětlení, scény, teplotou snímače, stabilitou obrazového snímače během pořizování, jiné se objevují při digitalizaci obrazu.
Vizuálně se obecně hromadí dva typy digitálního šumu:
Tento šum je obecně považován za nežádoucí vedlejší produkt zachycení obrazu (analogicky ke slyšitelnému hluku nežádoucích zvuků ).
Tepelný šum , nebo hluk Johnson-Nyquist , je vzhledem k přirozené míchání elektronů, který se zvyšuje s obrazového snímače teploty. Tento jev se nazývá temný proud . Výrobci digitálních fotoaparátů to kvantifikují počtem elektronů.
Na stacionárních laboratorních nebo profesionálních studiových zařízeních lze tento hluk účinně snížit chlazením senzoru pomocí Peltierova efektu nebo ventilací k udržení teploty v místnosti. V astronomii jsou některé astronomické kamery pro dlouhé expozice chlazeny kapalným dusíkem.
U spotřebitelských kamer výrobci snižují dopad tohoto šumu přijetím určitých řešení:
Toto se také nazývá tepelný signál, protože je reprodukovatelný. Na rozdíl od šumu, který není reprodukovatelný.
Hluk pepř a sůl, také známý jako impulzní šum je degradaci obrazu ve formě pixelů černé a bílé (odtud název sůl a pepř) distribuovány náhodně v obraze. Tento šum je způsoben buď chybami při přenosu dat, nebo selháním nebo přítomností jemných částic na prvcích snímače kamery nebo vadnými paměťovými místy v hardwaru.
Hluk výstřel , nebo hluk Schottky nebo kvantový šum je elektronický šum . Nastává, když je konečný počet částic přenášejících energii ( elektrony v elektronickém obvodu nebo fotony v optickém zařízení) dostatečně malý, aby způsobil znatelné statistické výkyvy.
Fotonový šum je hlavním zdrojem šumu v obrazech pořízených dnešními digitálními fotoaparáty.
Opačný snímek byl zpracován za účelem modelování výsledku ideální kamery: kvantová účinnost = 1, žádný čtecí šum nebo znatelný tepelný šum. Poté byl zleva doprava simulován průměrný počet fotonů / pixelů na celém obrázku: 0,001, 0,01, 0,1 (nahoře); 1, 10, 100 (uprostřed): 1 000, 10 000 a 100 000 (dole). Významné zlepšení kvality obrazu je pozorováno nad 10 fotonů / pixel (zdrojový obraz byl zaznamenán senzorem s kapacitou 40 000 elektronů / pixel).
Periodický šum v obraze je šum generovaný elektronickou součástkou, strojem nebo cyklickým procesem, periodicita šumu je pozorována šumovým vzorem superponovaným do oblastí obrazu se stanovenou prostorovou frekvencí .
Pořízení obrazu se provádí pomocí photosite fotografického senzoru . Ten poskytuje spojitý signál, kterému analogově-digitální převodník přiřadí přibližnou hodnotu mezi konečnou sadou diskrétních hodnot za účelem uložení na konečné médium (fyzická paměť). Kvantování umožňuje komprimaci velikosti konečný obraz, a proto zavádí chybu zvanou kvantizační chyba signálu.
Na všech fotositech senzoru je hodnota každého pixelu kvantizována a akumulace kvantizačních chyb na všech pixelech obrazu generuje degradaci obrazu, která se nazývá kvantizační šum . kvantovací šum není šum způsobený poruchou hardwaru nebo chybami při manipulaci, je to šum generovaný během digitalizace obrazu, jehož maximální hodnota se rovná diskretizačnímu kroku (rozdíl mezi dvěma sousedními diskrétními hodnotami v případě jednotné kvantizace.
Různé výše uvedené šumy jsou obecně spojeny s jakýmkoli typem digitálního obrazu, bez ohledu na typ snímače na počátku jeho pořízení. Opravdu, hluk sůl a pepř například může objevit v důsledku selhání fotografické snímače digitálního fotoaparátu, protože se může objevit v důsledku selhání čidla na skeneru , s termovizní kamerou nebo digitálním fotoaparátem. S echografickém obraz senzor .
V digitální fotografii se však šum týká artefaktů a nežádoucích efektů, díky nimž obraz vypadá zrnitě, přičemž pixely náhodných barev narušují ostrost hladkých oblastí. Tento šum může být způsoben vysokou hodnotou ISO nastavenou na digitálním fotoaparátu, podexponováním nebo snímáním na tmavém místě s příliš nízkou rychlostí závěrky.
Obrazový snímač digitálního fotoaparátu má ve skutečnosti pouze jednu úroveň citlivosti, jako je stříbrný film. Když uživatel zvýší citlivost ISO, zařízení změní pouze zesílení signálu dodávaného snímačem, což je signál, který zahrnuje různé typy šumu popsané výše: před digitalizací (tepelný šum, šum výstřelu) a během digitalizace (šum při čtení) . Zde je srovnání úrovně šumu mezi dvěma fotografiemi, jednou s ISO 100 a druhou s ISO 1600, s digitální zrcadlovkou Canon EOS 400D . Tyto dva obrázky mají podobnou expozici. Liší se pouze citlivost ISO a doba expozice :
Fotografie pořízené digitálním fotoaparátem Canon 400D, s nastavením ISO 100, f / 5,6, 1/350.
Fotografie pořízené digitálním fotoaparátem Canon 400D, s nastavením ISO 1600, f / 5,6, 1/4000.
Porovnání dvou výňatků ze dvou fotografií v 100% měřítku. (nahoře) citlivost ISO 100, (dole) citlivost ISO 1600.
Omezení citlivosti ISO proto umožňuje omezit obrazový šum nebo ho dokonce eliminovat. Ale toto omezení má své protějšky. Musí být kompenzováno zvýšením expozice dosažitelným různými způsoby:
Vzhledem k tomu, že digitální šum je přítomen hlavně v tmavých oblastech, je možné při fotografování optimalizovat fotografii „exponovat doprava“, to znamená vystavit jej co nejvíce (na hranici přeexponování), poté jej po ošetření ztmavit. Termín „vystavit doprava“ je způsoben tvarem histogramu distribuce intenzity fotografie, který je posunut doprava (což naznačuje, že pixely jsou velmi jasné, protože jsou velmi exponované).
Vysoké rozlišení zvyšuje úroveň detailů na fotografiích a splňuje požadavky na tisk na velkoformátový papír. Ale tato výhoda má své limity, zejména pro expozice při slabém osvětlení. Zvýšení počtu pixelů na senzoru nezměněných rozměrů snižuje jeho dynamiku , což může snadněji způsobit přeexponování nebo podexponování, ale také zvýšit relativní důležitost šumu ve srovnání s užitečným signálem.
V digitální fotografii lze redukce šumu dosáhnout pomocí algoritmů .
Lze to provést ve fázi fotografování, těsně před uložením obrázku ve formátu JPEG, a pomocí obrazového procesoru zabudovaného do fotoaparátu nebo offline pomocí softwarové úpravy obrazu na výsledném obrazovém souboru ( JPEG nebo raw RAW) formát ). Některý software nabízí mnoho filtrů přizpůsobených typům defektů obrazu a ponechává na uživateli, aby si vybral úroveň korekce.
Softwarová redukce šumu má svůj protějšek: vytvoření rozmazání obrazu. Příliš mnoho korekce šumu snižuje úroveň detailů v obrazu. Lze použít různé metody, například použití středního filtru , nahrazení hodnoty pixelu střední hodnotou všech pixelů v jeho sousedství, nebo pomocí pass filtru -haut extrahovat pixely na extrémních hodnotách vyrovnejte je nebo použijte algoritmus odšumění pomocí oprav . Ve všech případech dochází ke ztrátě mikro kontrastu (což snižuje dojem ostrosti) nebo mikro sytosti (což snižuje detailní zbarvení), což obraz více či méně mírně degraduje v závislosti na intenzitě ošetření. Výběr oblastí, které mají být ošetřeny, se částečně vyhne této ztrátě detailů.
Chromatický šum je nejviditelnější a také nejsnadněji neutralizovatelný. Zpracování jasu šumu na druhé straně rychle vede ke ztrátě ostrosti obrazu.