Digitális képzaj
A digitális zaj olyan képhiba ( zaj ), amelyet az azokat használó eszközök ( digitális fényképezőgépek , televízió-/videokamerák stb.) fotoszenzorai és elektronikája okoznak a technológia tökéletlensége, valamint a fény fotontermészete miatt.
Jelenség
A digitális zaj véletlenszerű színű és fényes pixelek egymásra helyezett maszkjaként látható a képen.
A színszűrővel rendelkező kamerákon (a legtöbb digitális fényképezőgép ebbe a típusba tartozik) a színes zaj általában vizuálisan nagyobb szemcséket tartalmaz, mint a képpontok. Ez a színes képalkotó algoritmus mellékhatása.
Hárommátrixos rendszereknél vagy szűrő nélküli mátrixoknál a zaj finomabb lesz.
Színes képen a zaj különböző intenzitású lehet a kép különböző csatornáiban. Ez vizuálisan színezi. Az izzólámpás megvilágítás mellett készült fényképeken a zaj túlnyomórészt sárga-kék árnyalatú, nem pedig zöld-lila. A helyzet az, hogy bár kezdetben minden pixel egyformán érzékeny a zajra, a fehéregyensúly alkalmazása után a kép kék csatornája, és ennek megfelelően a benne lévő zaj erősebben növekszik.
Zaj észlelhető a szilárd területeken, és különösen a kép sötét részein.
Ahogy az elektronikában szokásos, általában a jel-zaj viszonyról beszélünk . Vizuálisan összehasonlíthatja a különböző mátrixok zaját a következőképpen: hozzon két párosított tesztfotót azonos méretűre és azonos fényerőre, majd vizuálisan értékelje ki a színzajt.
Néha a digitális zajt a közönséges (kémiai) fényképezés olyan jelenségeivel azonosítják, mint a filmszemcsék és a fényképészeti köd .
Digitális zajcsökkentés
Mindenféle módszer létezik a digitális zaj elnyomására az érzékelő, a digitális fényképezőgép útvonalai és a további digitális feldolgozás szintjén.
Szenzor szinten nagyobb pixeleket és szűkebb mikrolencséket használnak. Használhat színszűrőket is, amelyek nagyobb százalékban engedik be a fényt. Ez utóbbi módszer hátrányosan befolyásolhatja a fényképezőgép színminőségét.
A jobb minőségű erősítők és a nagyobb ADC -k használata szintén nyilvánvalóan csökkenti a zajt. Néha (például az asztrofotózásnál) a mátrixot lehűtik.
A digitális sztochasztikus zaj elnyomását az utófeldolgozás során úgy hajtják végre, hogy egy pixel fényerejét átlagolják egy bizonyos pixelcsoporton, amelyet az algoritmus "hasonlónak" tekint. Általában ez rontja a kép részletességét, "szappanosabbá" válik. Ezenkívül hamis részletek is megjelenhetnek, amelyek nem voltak az eredeti jelenetben. Például, ha az algoritmus nem elég távol keresi a "hasonló" pixeleket, akkor a finom és közepes szemcsés zaj elnyomható, miközben a gyenge, de mégis eléggé észrevehető, természetellenes "durva" zaj látható marad.
A digitális zaj okai
A jel-zaj arányt a digitális fényképezőgép analóg elektronikájának zaja ("csővezeték", erősítők, ADC ) befolyásolja, de a digitális zaj fő forrása a fényérzékelő . Digitális zaj a fotoszenzorban a következő okok miatt keletkezik.
- A potenciálgát hibái (szennyeződések, stb.) az expozíció során keletkező töltés szivárgását okozzák - ún. fekete hiba. Az ilyen hibák világos háttéren sötét pontok formájában láthatók.
- ( Angolul Dark current - Dark current) - a termikus kibocsátás és az "alagút" effektus káros következménye, és akkor fordul elő az érzékelőben, amikor az elektródára potenciált helyeznek, amely alatt potenciálkút képződik . Ezt az áramot „sötétnek” nevezik, mert elektronokból áll, amelyek fényáram hiányában esnek a kútba. Az ilyen hibák sötét háttéren fényes pontok, ún. fehér hiba. A fehér hibák különösen hosszú expozíciónál jelentkeznek. A sötétáram előfordulásának fő oka a szilícium lapkában lévő szennyeződések vagy a szilícium kristályrács károsodása . Minél tisztább a szilícium, annál alacsonyabb a sötétáram. A sötétáramot a kamraelemek, a külső és belső elektromágneses hangszedők hőmérséklete befolyásolja magából a kamrából. A hőmérséklet 6-8 fokos emelkedésével a sötétáram értéke megkétszereződik.
- A fényfotonok és az érzékelő fotodiódáinak anyagának atomjai közötti kölcsönhatás sztochasztikus jellege miatt fellépő zaj miatt. Amikor egy foton mozog a szilíciumkristályrács belsejében, valószínű, hogy a foton a szilícium atomba "találva" kiüt belőle egy elektront, így elektron-lyuk pár születik, de hogy pontosan hány fotont párokat fog szülni, és hány más effektussal fog eltűnni, az tilos. Az érzékelőtől vett elektromos jel a született párok számának felel meg. Az érzékelőtől adott zársebesség és rekeszérték (fényintenzitás) mellett vett jel határozza meg a kvantumhatékonyságot - a keletkezett elektron-lyuk párok átlagos számát.
- A fotoszenzorok gyártása során előforduló hibás (nem működő) pixelek jelenléte miatt (technológiai tökéletlenség), és mindig ugyanazon a helyen vannak. Negatív hatásuk kiküszöbölésére matematikai interpolációs módszereket alkalmaznak, amikor egy hibás elem helyett vagy csak egy szomszédos elemet, vagy a szomszédos elemek átlagát, vagy egy bonyolultabb módon számított értéket „helyettesítenek”. Természetesen a számított érték eltér a tényleges értéktől, és rontja a végső kép élességét. Ugyanezt a hibát okozza az interpoláció, amely korrigálja a végső képet a Bayer-szűrő használatakor .
Mi befolyásolja a digitális zaj mértékét
- Az elemek sűrűsége - a chipen lévő fotodióda mérete a technológiától függ. A CCD -technológia szerint a pixelben kevesebb a „pántoló” elem, mint a CMOS -technológiában , és több érzékelőterület jut a fotodióda lencséjéhez. Ez különösen igaz a kisméretű érzékelőkre. Az érzékelő azonos fizikai méretei mellett a nagyobb felbontású érzékelőnek minden fotodiódán kisebb aktív területe van. A kisebb fotodióda lencsék kevesebb fényt kapnak, alacsonyabb potenciálokat olvasnak ki a fotodiódából, és nagyobb analóg jelerősítésre van szükség a digitalizálás előtt. Az eredmény több zaj és kisebb jel-zaj arány. Ez az állítás azonban csak akkor igaz, ha a mátrixgyártási technológia változatlan marad. Az új mátrixok kevésbé zajos elemeket tartalmazhatnak, és ennek megfelelően vagy növelheti a felbontást a zajszint megőrzése mellett, vagy fenntarthatja a felbontást, de csökkentheti a zajt. Jelenleg a gyártók előnyben részesítik a zajszint fenntartását és a felbontás növelését.
- Expozíciós idő . A fotodióda sötét árama hosszú expozíciónál nagymértékben rontja a jel-zaj arányt. Minél hosszabb az expozíciós idő (egyenlő mennyiségű fény éri a mátrixot), annál nagyobb az elektronikai tranzisztorok termikus zaja , és annál rosszabb a jel-zaj arány.
Lásd még
Jegyzetek