¿Qué es el ruido en una fotografía digital?

¿Qué tipos de efectos están presentes en las imágenes digitales que se denominan "ruido"?

  • ¿Cuáles son las diferentes fuentes de ruido?

  • ¿Qué causa cada tipo de ruido?

  • ¿Cuáles son las características de los diferentes tipos de ruido?

  • ¿Cómo se manifiestan visualmente en la imagen los diferentes tipos de ruido? (es decir, ¿los diferentes tipos de ruido "se ven diferentes" en la imagen resultante, y cómo se diferenciarían a simple vista?)

  • ¿Cómo se puede minimizar cada tipo?

  • ¿Qué diferentes técnicas de posprocesamiento son las más apropiadas para cada tipo diferente?

Respuestas (2)

El ruido se define a menudo como cualquier desviación de una señal "pura". La señal se toma como patrón de brillo de la imagen, por lo que cualquier variación en los valores de píxel que representan la imagen es ruido. Estas variaciones se deben principalmente a:

  • Disparo. La forma aleatoria en que se emiten los fotones desde una fuente de luz provoca variaciones aleatorias en el brillo de la imagen. Cuantos menos fotones tenga, más evidente será este ruido. Se puede reducir haciendo que entre más luz en el sensor.

  • Ruido de corriente oscura (térmico). Calor producido por la cámara (que, al ser radiación electromagnética, al igual que la luz, puede aparecer en el sensor). Como no es parte de la escena, es ruido. Se puede reducir enfriando el sensor, limitando los tiempos de exposición (cuanto más tiempo esté activo el sensor, más se calienta) o fotografiando un encuadre oscuro (es decir, con el obturador cerrado o la tapa del objetivo puesta) para sustraer de la imagen original (algunos las cámaras tienen una configuración para automatizar esto).

  • Falta de uniformidad en la fotorespuesta (ruido de patrón fijo). Esto surge de las imperfecciones en el silicio que hacen que los píxeles sean un poco más o menos sensibles que sus vecinos. La calibración puede reducir la PRNU, aunque puede depender de parámetros como el tiempo de exposición.

  • Leer ruido. Ruido eléctrico generado por el circuito que lee los valores de los píxeles del sensor. Se puede reducir usando un ISO más alto (en el caso de que la señal no esté maximizada, amplificar la señal antes de la lectura significa que el ruido de lectura es un porcentaje menor de la señal) o usando una cámara con un ruido de lectura más bajo. Puede mirar las figuras de ruido de sombra en ISO base para tener una idea del ruido de lectura.

  • Ruido de cuantificación. Errores de redondeo cuando una señal analógica se convierte en un conjunto finito de valores digitales discretos. Por lo general, no se nota, se puede reducir usando un sensor que almacene más bits por píxel, por ejemplo, 14 en lugar de 12.

Los siguientes son técnicamente ruido, pero rara vez se los menciona como tales:

  • Muaré/aliasing. Una especie de ruido de cuantificación espacial, el aliasing, surge debido a los patrones de interferencia y al espaciado fijo de los elementos sensores. Se puede reducir mediante un filtro anti-aliasing (normalmente instalado en el sensor como estándar) o aumentando la frecuencia de muestreo (número de píxeles por unidad de área), es decir, más megapíxeles con la misma lente.

  • Artefactos de compresión, cuando una imagen se almacena como JPEG. Se puede reducir seleccionando la configuración de mayor calidad para JPEG o disparando sin formato.

  • Píxeles calientes, píxeles atascados, píxeles oscuros. Elementos sensores que siempre dan o cero o la máxima respuesta posible.

El término "ruido de color" describe cómo se manifiesta el ruido; no es una fuente de ruido como la anterior. El ruido de color se refiere a variaciones aleatorias en el color de los píxeles, no solo en su brillo. El ruido de color es fácil de eliminar ya que el ojo es menos sensible a las variaciones espaciales de color, la pérdida de detalle debido a la reducción de ruido es menos perceptible.

Nuevamente, "ruido de alta frecuencia" se refiere a otra característica, la frecuencia espacial, o qué tan cerca están los picos del ruido.

Buena respuesta... vale la pena señalar que estas fuentes de ruido (excepto los artefactos JPEG) están presentes en los datos sin procesar, que es un color (rojo, verde o azul) por píxel. Por lo tanto, la apariencia exacta del ruido (como "ruido de color", etc.) depende también de los detalles del algoritmo de demostración que combina datos de varios píxeles para formar una imagen en color.
Wow, pensé que entendía el ruido antes, pero eso estaba bastante lejos de mi cabeza.
@coneslayer: en realidad, a menos que tenga un sensor Foveon, el patrón bayer limitará la información medida del chip a un color por píxel. La interpolación posterior de esa cuadrícula para producir una imagen de tres colores exacerbará cualquier ruido que se produzca, pero en sí mismo no es una fuente de ruido. Significa que, en términos prácticos, el ruido no se limita a un solo píxel, por lo que eliminarlo puede ser doloroso (desde una perspectiva teórica).
@mmr ¿Eh? No dije que el patrón de Bayer o la demostración fueran una fuente de ruido. Dije que el algoritmo de demostración influye en la apariencia del ruido.
¡Maldito sea el foveon! ¡Sin ese sensor no tendría que decir [la mayoría] cada vez que hablo de sensores de bayer o demostraciones! Todavía es posible tener fuentes de ruido que se muestren monocromáticas o de color que no sean el resultado de una demostración, por ejemplo, es más probable que el ruido en el espectro infrarrojo visible cercano excite los píxeles detrás de los filtros rojos.
@Matt Grum: ¿dónde está el ruido que obtenemos con un ISO alto? ¿Es parte del "ruido de disparo"? (Estoy bastante seguro de que no es ruido térmico, de lectura o de cuantización)
@Nir Sí, es parte de Shot Niose. Aumentar el ISO no crea ruido como mucha gente piensa (excepto una pequeña cantidad debido al proceso de amplificación), simplemente revela ruido, ya que amplifica el ruido y la señal. Cuando aumenta el ISO, tiende a usar una exposición más corta o una apertura más pequeña, por lo que obtiene más ruido de disparo. Si bajas el ISO mientras mantienes el obturador y la apertura constantes, ¡obtendrás más ruido, no menos!
@Matt Grum: gracias por la explicación, no lo sabía; tal vez debería agregar esto a la respuesta para que las personas que no leen los comentarios también lo vean
@Nir: la gente debería aprender que leer los comentarios cuando los escribe Matt es una buena idea :-)
¿No se reduce también el ruido térmico al usar un ISO más bajo? Porque el ruido térmico se amplifica más cuando se utilizan valores ISO más altos.
@Nir: como dijo Matt Grum, aumentar el ISO no agrega mucho ruido en sí mismo. Sin embargo, para agregar a lo que dijo, debe tenerse en cuenta que la amplificación de la señal también aumenta la diferencia entre un píxel con menor ruido y un píxel con mayor ruido. En otras palabras, las amplitudes de la ondícula para la "imagen de ruido" son mayores, lo que cuando se fusiona con la ondícula de la imagen real (que probablemente tendrá una relación señal-ruido más baja debido a un tiempo de exposición más corto) produce un ruido más pronunciado. que existiría en un ISO más bajo.
¿Qué quiere decir con fotografiar un cuadro oscuro (es decir, con el obturador cerrado o la tapa del objetivo puesta) para restar de la imagen original ? ¿Y cómo esto reducirá el ruido en la foto ya tomada? Creo que me estoy perdiendo algo aquí.

Solo necesita conocer dos tipos de ruido que vienen con todas las cámaras, visibles en ISO más altos.

  • Chroma Noise - tipo de ruido manchado de color.
  • Ruido de luminancia: grano, ruido similar al de una película.

Para minimizar dicho ruido, intente no disparar con ISO más altos que comienzan a deteriorar la calidad de la imagen (diferente para cada cámara). El uso de lentes rápidos como f2.8 o F1.4 podría ayudarlo en situaciones de poca luz a no presionar ISO demasiado alto para mantener la velocidad de obturación lo suficientemente alta. Si la escena es demasiado oscura, la única forma de minimizar el ruido es usar un flash.

Por último, hay software como Noise Ninja o Dnoise que pueden ayudar a eliminar algo de ruido sin sacrificar el coeficiente intelectual.

Francamente, no es cierto, especialmente la parte "visible en ISO más altos" y todo el comentario de D3.
No voy a votar a favor de este cajero automático, pero creo que la declaración (demasiado) simplificada sobre los dos tipos de ruido no está tan mal. Si se eliminan las cosas sobre Nikon, creo que esta podría ser una respuesta útil, aunque simplificada en exceso :-)
¿Qué es el ruido en una fotografía digital?
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