Как усреднение изображений или снижение разрешения уменьшает шум?

9

В этом ответе перечислены 3 метода снижения шума:

  • Держите датчик камеры в прохладном месте.
  • Сделайте серию фотографий, затем усредните их.
  • Уменьшите разрешение.

Может кто-то пролить больше света на последние две техники?

Как можно сделать много фотографий и усреднить их, чтобы уменьшить шум? Как их усреднить? И почему это будет работать?

Как снижение разрешения уменьшает шум?

K ''
источник

Ответы:

10

Последние два действительно одно и то же и работают из-за того факта, что в большинстве случаев шум с такой же вероятностью увеличивает значение пикселя, как и снижение значения.

Допустим, «истинное» значение данного пикселя равно 100 (из 255). Сделайте 10 снимков одной и той же сцены в шумных условиях, и вы можете записать следующие значения:

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

Усреднение этих значений (сложение их и деление на 10) дает следующее значение пикселя: 100,7, которое округляется до 101, что намного ближе к истинному значению, чем вы ожидаете, если бы вам пришлось выбрать только один из 10 изображений в случайном порядке.

Что касается того, как, есть специальные пакеты программного обеспечения для этого (поиск для укладки изображений, я думаю, Deep Sky Stacker является популярным выбором). В качестве альтернативы вы можете сделать это в большинстве случаев редактирования изображений, загрузив несколько слоев и объединив пары слоев (более поздние версии Photoshop имеют специальные функции укладки, которые немного лучше).

Тот же принцип лежит в основе уменьшения разрешения. Один из способов сделать это называется «объединением», при котором вы объединяете четыре смежных пикселя в один. Итак, представьте четыре пикселя, соответствующих области плоского цвета на изображении, которая должна иметь одинаковое значение 100:

102, 103
93,  101 

их усреднение дает один пиксель со значением 99,75, который округляется до 100.

Кстати, взятие нескольких изображений и их усреднение равносильно получению более длительной экспозиции, за исключением:

  • Вы можете позволить камере остыть между захватами, помогая с проблемой № 1
  • длинные выдержки работают, только если вы снимаете больше света, что означает сохранение постоянной диафрагмы и снижение значения ISO (что не всегда возможно, например, при достижении минимального значения ISO)
  • более длинные выдержки могут вызвать дрожание камеры, чего можно избежать, используя несколько более короткие выдержки (хотя изображения должны быть выровнены).

-

Наконец, когда дело доходит до минимизации шума, золотое правило состоит в том, чтобы получить как можно больше света. Делает это усреднение нескольких экспозиций (имеет значение общее количество захваченного света). Даунсэмплинг - это действительно обмен шума на разрешение.

Мэтт Грум
источник
Одна только понижающая дискретизация не обязательно уменьшает шум. Это происходит только в том случае, если оно сочетается со сглаживанием. Теперь перейдем к моему вопросу: знаете ли вы, какое программное обеспечение уменьшает размер, чтобы уменьшить шум, особенно какое бесплатное программное обеспечение? Я полагаю, что такие программы, как Lightroom, делают это при экспорте, но на этот раз я особенно заинтересован только в понижающей дискретизации, а не в каком-либо расширенном редактировании, как в Lightroom, и я не уверен, что использование какого-либо инструмента, такого как ImageMagick, для уменьшения размера изображений также уменьшить шум в максимально возможной степени.
Сабольч
@Szabolcs Любой разумный алгоритм передискретизации, который учитывает множество значений соседних пикселей, уменьшит шум. Так что, если вы не делаете повторную выборку «ближайшего соседа», я бы не стал беспокоиться об используемом методе. Бикубическая повторная выборка очень распространена, и я уверен, что есть много бесплатных приложений, которые используют этот метод. Lanczos3, доступный в GIMP, вероятно, немного лучше.
Мэтт Грум
@Matt Бикубический, билинейный и т. Д. Являются только методами интерполяции. Они используют соседние (или соседние соседние) значения пикселей для интерполяции, но не усредняют их. Я думаю, что мы слишком углубляемся в тему DSP, поэтому я собираюсь опубликовать вопрос на DSP.SE о математических деталях :-)
Szabolcs
5

температура

В кремнии существует эффект, называемый тепловым шумом (шум Джонсона). Это в основном электроны оторвались от подложки и добавили к электронам, сбитым фотонами. Эти электроны затем считаются частью «сигнала» от датчика, создающего шум. Этот вид шума распределен по Гауссу и имеет среднее значение нуля.

Тепловой шум увеличивается с температурой, поэтому датчик кулера работает лучше.

Усреднение

Это работает только для случайного шума со средним нулем. Если шум является случайным (достаточным), он никогда не бывает одинаковым, в то время как сцена, которую вы снимаете, должна быть такой. Поскольку информация о сцене записывается несколько раз, каждый раз с немного отличающимся шумом можно усреднить пиксели и получить более высокое отношение сигнал / шум, чем при одном захвате. Это означает, что сцена должна быть статичной.

Фотодетектор разного размера

В зависимости от того, как достигается больший датчик, вы можете получить меньше шума. Один из методов - сохранить постоянный размер физического датчика, а затем объединить несколько физических пикселей в один логический. Или физический размер датчика может быть разным.

Объединяя несколько физических пикселей в один логический, вы можете добиться такого же снижения шума, как и путем объединения нескольких снимков.

Увеличивая физический размер пикселя, можно уменьшить шум от считывания и усиления. Чем больше пиксель, тем больше электронов в сигнале. Поскольку шум считывания и усиления близок к фиксированному для любой технологии производства (размер транзистора), можно достичь большего отношения сигнал / шум.

Хокон К. Олафсен
источник
как насчет понизить разрешение?
K ''
Я пойду с этим, когда у меня будет больше времени сегодня вечером.
Хакон К. Олафсен
2

Вот статья, которая хорошо объясняет концепцию усреднения и как сделать это вручную с помощью Photoshop. Та же самая техника может использоваться в любом программном обеспечении для редактирования изображений, которое поддерживает слои и непрозрачность слоя.

Джастин
источник