Как усреднение изображений или снижение разрешения уменьшает шум?

Question

В этом ответе перечислены 3 метода уменьшения шума:

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

Может ли кто-то пролить свет 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?

Answer 1

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 уменьшение 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 выбирать только одно из 10 случайных изображений.

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 объединяя пары слоев (более поздние версии фотошопа 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 

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

Кстати, снятие нескольких изображений и их усреднение равносильно более длительной экспозиции, кроме:

• вы можете дать камере остыть между снимками, 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.

Answer 2

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 ноль.

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

Усреднение

Это работает только для случайного шума со средним значением нуля. 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.

Фотоприемник различного 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 другим.

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

Увеличив 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.

Answer 3

Вот статья, которая хорошо объясняет концепцию усреднения и как сделать это вручную с помощью Photoshop. Тот же метод можно использовать в любом программном обеспечении для редактирования изображений, которое поддерживает слои и непрозрачность слоев.