1 |?基本概念

Noise

噪聲

噪聲是圖像密度的隨機變化，在圖像中表現(xiàn)為可見的顆粒，在數(shù)字圖像中表現(xiàn)為可見像素級的變化。

它是一個極為重要的圖像質(zhì)量因素，幾乎與清晰度一樣重要。它與動態(tài)范圍（相機能夠以合理的良好信噪比和對比度再現(xiàn)拍攝場景的亮度范圍）密切相關。由于噪聲產(chǎn)生的原因與基本物理學中光的光子性質(zhì)和熱能有關，所以它幾乎是無法完全消除的。

但是在具有大像素（4微米或更大）的數(shù)碼單反相機中，噪聲往往會低的難以察覺。然而在具有微小像素的緊湊型數(shù)碼相機中，噪聲可能變得非常大，特別是在高ISO速度下。即便使用降噪軟件，可能還是會在某些場景下有噪聲現(xiàn)象，同時過度降噪會帶來明顯的副作用。

雖然在大多數(shù)情況下，噪聲被認為是圖像質(zhì)量的下降。還是有一些黑白攝影師喜歡它的圖形效果，他們利用35毫米Tri-X膠卷拍攝出含有大量噪點的圖像，讓照片看起來富有藝術感。

著名點畫派畫家喬治·修拉（George Seurat）利用小圓點和純色點進行點彩的辦法創(chuàng)造出了類似圖像噪點的效果，創(chuàng)作了許多帶有光影交錯極具生命力的畫作，這種效果在今天使用Photoshop插件可以在幾秒鐘內(nèi)完成。但總而言之，對于大多數(shù)圖像和成像技術來說，噪聲是不受歡迎的。

2 | 相關影響因素

• 像素大小

簡單地說，像素越大，到達它的光子就越多，因此對于給定的曝光，信噪比(SNR）就越好。光子產(chǎn)生的電子數(shù)量與傳感器面積（以及量子效率）成正比。噪點功率也與傳感器面積成正比，但噪點電壓與功率平方根成正比，因此與面積成正比。如果將像素的線性尺寸加倍，則將信噪比加倍。像素的電子容量也與其面積成正比。這直接影響動態(tài)范圍。

• 傳感器技術和制造

最常見的圖像傳感器有CMOS與CCD兩種技術，我們這里不詳細討論他們的技術差異。CMOS被認為具有更大的噪點，但它已經(jīng)改進到了兩種技術可比的程度，只是在細節(jié)上有所不同。

總的來說，由于CMOS每個感光二極體旁邊都搭配了一個ADC放大器，如果以千萬像素計算，就需要數(shù)量眾多的ADC放大器，雖然是統(tǒng)一制造下的產(chǎn)品，但每個放大器或多或少存在微小的差異，很難達到放大完全同步的效果，因此對比單一個放大器的CCD傳感器，CMOS最終計算的噪點相對較多。

但由于CMOS擁有低成本、低耗電及高整合度的優(yōu)勢，供貨更穩(wěn)定，是廠商的最愛。也因此其制造技術不斷改良更新,使得CCD和CMOS兩者的質(zhì)量差異逐漸縮小。從技術發(fā)展角度看，CMOS的發(fā)展空間要大很多，CCD 則受制造工藝的限制，發(fā)展空間有限。

• ISO速度

數(shù)碼相機通過放大像素處的信號（連同噪點）來控制ISO速度。因此，ISO速度越高，噪點越大。為了充分描述傳感器的特性，必須在幾個ISO速度下進行測試，包括最低和最高速度。

提高ISO速度始終會為給定的相機產(chǎn)生更高的噪波，但是攝影機之間的噪波變化更為復雜。相機傳感器中像素的面積越大，它的光收集能力就越強，從而產(chǎn)生更強的信號。因此，具有較大物理像素的相機通常會出現(xiàn)較少的噪點，因為信號相對于噪點更大。這就是為什么在同樣大小的相機傳感器中裝入更多百萬像素的相機不一定能產(chǎn)生更好看的圖像的原因。

另一方面，更強的信號不一定會導致更低的噪點,因為是信號和噪點的相對量決定了圖像將出現(xiàn)多大的噪點。曝光時間。長時間的弱光曝光比短時間的強光曝光更容易產(chǎn)生噪點，也就是說，相互作用并不能很好地解決噪點問題。為了充分描述傳感器的特性，應在長時間（至少幾秒）的曝光下對其進行測試。

• 圖像處理

傳感器通常有12位模數(shù)轉換器，因此在傳感器級別上，數(shù)字化噪點通常不是問題。但是，當圖像轉換為8位（24位顏色）JPEG時，噪點會稍微增加。如果需要大量的圖像處理（減淡或加深），則噪點增加可能更多（可能出現(xiàn)過渡的斷層即“Banding”現(xiàn)象）。因此，通常最好轉換為16位（48位顏色）文件。但輸出文件位深對未經(jīng)圖像處理的文件的噪點測量影響不大。

低通濾波器常常用于圖像降噪，但它會使圖像趨向于模糊，為了在降噪的同時又盡量能保持圖像的清晰度，常常會使用非均勻性雙邊濾波器（Nonuniform Bilateral filter），它可以在不同的圖像區(qū)域做不同的處理，邊緣區(qū)域做銳化，低頻區(qū)域做降噪。

• Raw圖像轉換

在RAW圖像轉換為RGB圖像時，常常用應用降噪算法（低通濾鏡）和銳化算法。這使得測試傳感器的固有特性會比較困難。

目前直接分析圖像傳感器固有噪點性能需要使用專用的測試設備，例如EMVA1288歐洲工視覺標準所推薦的測試方法和設備。

3 | 測試與分析

• 信噪比SNR：

言歸正傳，那么如何準確量化圖像中噪聲的大小呢？這里不得不引入一個概念：信噪比（SNR或S/N）=信號/噪聲。噪聲僅對信號有意義，但是我們在實際評價圖像噪聲時需要考慮多種因素對噪聲的影響，因此 SNR 通常比噪聲本身更有用。

?SNR 可以通過多種方式定義，具體取決于 S（Signal）?的定義方式。例如，S 可以是單個灰階塊像素級別在特定場景密度范圍（光密度）下的像素級別的差異（1.45 或 1.5 經(jīng)常用于此目的）或低對比度對象的差異信號（用于imatest分析對比度分辨率 SNR）。

所以說在討論 SNR 時，準確了解 SNR 是如何定義的非常重要。SNR 可以表示為簡單的比率 （S/N）?或分貝 （dB），其中 SNR （dB）?= 20 log10（S/N）。S/N 加倍對應于 SNR （dB）?增加 6.02 dB。大多數(shù) Imatest 模塊都有多個噪聲和 SNR 測量，有些簡單，有些詳細。

• 測試卡推薦：

Imatest通過拍攝帶有不同像素級別的灰階塊的圖卡測量噪聲，總體由以下這些模塊測量噪聲：Stepchart，Multicharts和Multitest可以輸出最詳細的結果，同時在Colorcheck，SFR，SFRplus，eSFR ISO和Uniformity中也可以進行噪聲測量。

• 分析解讀：

1、打開imatest Master圖像質(zhì)量分析軟件，選擇灰階卡模塊，導入需要分析的圖像；

2、選擇需要分析的圖像樣本，點擊打開；

3、框選需要分析的區(qū)域；

?4、在設置頁面進行參數(shù)設置；

?5、調(diào)整ROI區(qū)域；

?6、保存分析結果數(shù)據(jù)；

?7、結果解讀：

密度反應曲線：

橫軸表示色卡色塊的編號，1-12；縱軸表示色塊像素亮度平均歸1化值；灰階卡的密度等級是均勻的，與視覺等級一致，若該圖梯級越均勻，表明相機的階調(diào)響應越好。

RMS噪點曲線：

橫軸表示色卡色塊的編號，1-12；縱軸表示RMS值，像素最大值255；2-9色塊的RMS的平均值越小，噪點越小，圖像質(zhì)量相對越好。

上圖顯示了亮度 (Y)、紅色、綠色和藍色通道的密度響應（小圓圈），以及一階和二階擬合（灰色虛線和虛線）。它類似于一組傳統(tǒng)的膠片密度響應曲線。

中間的圖顯示了密度曲線的斜率，也可以看作是局部對比度或伽馬。該曲線是密度的導數(shù)，d（密度）/ d（對數(shù)曝光）。

下圖是顏色誤差，測量為 ΔC ab（CIELAB a*b* 平面中的幾何距離）、ΔC 94 ?和 ΔC 2000。它們非常接近，因為灰度色塊的色度往往非常低。

SNR_BW是信號S基于白黑色塊水平（密度差= 1.5）的平均SNR，這是Colorchecker的黑白密度差。

如圖所示，讀取SNR_BW中Y通道的結果數(shù)值；也可以參考中性灰塊SNR_Dnom中Y通道結果數(shù)值。

05 | 實操演練

具體的測試實操與軟件分析步驟→測試課堂第九講 | 噪聲Noise